数字水印技术：原理与应用

数字水印技术可以说是信息隐藏理论的一个分支，是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据（图像、音频、视频等）中嵌入隐蔽信息，这种信息通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印过程就是向被保护的载体数据（如静止图像、视频、音频等）嵌入某些特定的信息，可以是作者的序列号、公司标志、有意义的文本，同时又不影响被保护的数字对象。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。

数字水印技术一般包括嵌入和检测两个主要过程，即如何将水印数据隐藏嵌入到宿主数据中和如何准确可靠地从宿主数据中检测出水印来。数字水印技术必须满足一些特定的条件才能使其在版权保护、完整和真实性鉴定方面成为值得信赖的应用体系。数字水印技术的研究涉及信息学、密码学、数学、计算机科学、模式识别等多种学科的研究领域，使得隐藏的信息更具隐蔽性、安全性，同时还具有对称性和可纠错性。根据嵌入和检测算法的不同，可以将数字水印技术分为两类。

1.空域方法

空域方法将水印信号直接嵌入原始数据中。典型算法如最低有效位法，是将信息嵌入随机选择的图像数据中最不重要的数据位（LSB：least significant bits）上，这可保证嵌入的水印是肉眼不可见的。但是由于使用了图像不重要的数据位，算法的稳定性差，水印信息很容易被滤波、图像量化、几何变形等操作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。Patchwork算法是随机选择N对像素点（ai，bi），i=1，2，…，N0然后将每个ai点的亮度值加1，每个bi点的亮度值减1，这样整个图像的平均亮度保持不变。只有版权所有者才知道被修改点的位置。在水印检测过程中通过这些点与原始图像的差异来判断数据的真伪。Patchwork方法对JPEG压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。(www.xing528.com)

2.变换域方法

变换域方法中，大部分水印算法采用了扩展频谱通信技术。算法实现过程：先计算图像的离散余弦变换（DCT），然后将水印叠加到DCT域中幅值最大的前k个系数上（不包括直流分量），得到新系数，通常为图像的低频分量。然后用新的系数做DCT反变换就可得到水印图像I＊。对水印进行解码检测时，分别计算原始图像I和水印图像I＊的离散余弦变换，并提取嵌入的水印W＊，再做相关检验以确定水印的存在与否。

这类方法的鲁棒性较强，即使当水印图像经过一些通用的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印拷贝。一个简单改进是不将水印嵌入到DCT域的低频分量上，而是嵌入到中频分量上以调节水印的鲁棒性与不可见性之间的矛盾。还可以将数字图像的空间域数据通过离散傅里叶变换（DFT）或离散小波变换（DWT）转化为相应的频域系数；根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或变形；根据隐藏信息量的大小和其相应的安全目标，选择某些类型的频域系数序列（如高频或中频或低频）；确定某种规则或算法，用待隐藏的信息的相应数据去修改前面选定的频域系数序列；将数字图像的频域系数经相应的反变换转化为空间域数据。该类算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不能很大，但抗攻击能力强，很适合数字作品版权保护的数字水印技术。