论文导读：由于数字水印处理在本质上是一种通信，即在它们之间传递着一条消息，可以用以下基本的通信模型来表示整个水印的处理过程。相对于时空域算法，变换域算法有以下优点：⑴可以充分利用人类的感觉特性。
关键词：水印，信息隐藏，空域算法，变换域算法
1. 引言
互联网的迅速发展，给人们的生活带来极大的方便，人们可以利用互联网查找信息、下载资料，但是，网络的快速传播和多媒体资料所具有的复制功能容易被一些别有用心的人所利用，这样所带来的负面影响是难以估量的。因此，如何保证人们在享受网络给人们带来方便的同时，又能很好地防止数字产品被侵权，已成为亟待解决的热门话题，这个问题的解决具有很强的实际意义。
2. 传统加密技术及其缺点
传统保护数字产品的方法是加密，但是这种方法有很大的缺陷[1]，具体表现在：⑴一旦加密文件被破解，其内容就完全透明了；⑵它明确地提示攻击者哪些信息是重要信息，很容易引起攻击者的好奇和注意，因此就有被破解的可能性；⑶很致命的一点就是攻击者可以在破译失败的情况下将文件信息破坏，使得即使是合法者收到信息，也无法阅读信息的内容。
3. 数字水印技术
数字水印技术就是在这种背景下应运而生的。一方面，弥补了加密技术的缺陷，因为数字水印技术可以在文件被解密后提供进一步的保护；另一方面，弥补了数字签名技术的缺陷，因为数字水印技术可以在载体信息中一次性地嵌入大量的信息，这对于作品的版权可以起到很好地保护作用。
数字水印技术[2]是一种信息隐藏技术，它的基本思想是在数字图像、音频、视频等数字产品中嵌入秘密信息，以保护数字产品的版权，证明产品的真实可靠性，跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。其中秘密信息一般为特定的有用信息，它可以是用户的序列号或者是一幅图像、一段音频等。一般来说，它需要经过适当变换后再嵌入到数字产品中，通常称变换后的信息为数字水印。
3.1数字水印技术通信模型
由于数字水印处理在本质上是一种通信，即在它们之间传递着一条消息，可以用以下基本的通信模型来表示整个水印的处理过程。
图1-1 明检测数字水印系统映射成通信模型
图1-2盲检测数字水印系统映射成通信模型
图1-1和图1-2为两种最基本的数字水印系统通信模型。其中：图1-1为明检测，它需要原始载体产品的参与；图1-2为盲检测，它不需要原始产品的参与。它们之间最主要的区别在于是否需要原始载体产品的参与。
3.2数字水印的基本特性
数字水印可以由一些特性来进行描述，一般来说，水印系统每一个特性的重要性又取决于实际应用的需求和水印的作用。与水印嵌入有关的特性包括有效性、逼真度、数据容量；与水印检测有关的特性包括盲检测和明检测、虚检行为和鲁棒性等。
有效性
有效性是指嵌入器的输出被水印化的概率，也就是指对嵌入水印后的作品紧接着可以检测到水印的概率。在实际的应用中，为了获得其他方面更好的特性，人们宁愿牺牲一些有效性。
逼真度
逼真度是指原始载体作品与嵌入水印后的作品之间在感觉上的相似程度。也可以用另外一种定义对其进行描述，即不带水印的作品和带水印的作品在呈现给顾客时，它们之间感觉上的相似程度[3]。
数据容量
数据容量，也常称为数据有效载荷，是指在单位时间内或在一幅作品中水印编码的比特数。不同的应用可能对数据容量的要求也就不同，例如，对于拷贝控制应用，它要求音乐每10秒钟接收4 ~ 8比特的信息，而要求视频大约5分钟接收4 ~ 8比特的信息。
盲检测与明检测
盲检测是指在水印检测的过程中，不需要原始作品的参与；而明检测则需要原始作品的参与。在决定应用范围时，水印系统是采用盲检测还是明检测就显得十分的重要，盲检测只能用于那些可以获得原始作品的应用中，因此，它的应用会受到很大的限制；而明检测就不受此限制。
虚检率
虚检就是指在实际不含有水印的作品中检测出水印或者在含有水印的作品中没有检测到水印。对虚检率的要求是由实际的应用所决定的，例如，在拷贝控制过程中，成千上万的水印检测器作用于数以百万计的作品上，这就要求虚检率无穷的小，否则就会产生严重的问题。
鲁棒性
鲁棒性是指在经过常规信号处理操作后，仍能检测到水印的能力，在这里，常规信号处理操作包括：空间滤波、有损压缩、几何失真等。但并不是所有的水印应用都要求对可能的信号处理操作具有鲁棒性，相反，水印只需要在介于嵌入和检测之间可能的信号处理操作中存活就可以了。例如，在电视和无线电广播监视中，水印只需要在传输过程中存活。
3.3数字水印技术算法研究
近年来，对数字水印技术的研究已经取得了很大的进步。论文参考。下面对一些典型的算法进行分析，可以说，每种方法都有其存在的必要性，它们有着各自的优缺点，这就要求在具体的实践中，根据具体需要，选择最适合的方法。论文参考。
3.3.1 空域算法
空域算法是相对于变换域算法而言的。简而言之，不对信号做任何频率变换而得到的信号域就是时空域[4]。在该类算法中，比较典型的水印算法有LSB和MSB。其中，LSB是将信息嵌入图像点中最不重要的像素位，这可保证嵌入的水印是不可见的；而MSB是将信息嵌入到图像点中最重要位，即最高位。论文参考。但是LSB和MSB都有其共同的缺点，这也是时空域算法普遍存在的缺点：算法的鲁棒性差，并且水印信息很容易为滤波、图像量化和几何变形等操作所破坏。另外一个比较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，该算法与LSB和MSB不同的是，它利用的是像素的统计特征。典型的有Patch-work算法方法[5]，它是随机选择N对像素点(a，b)，然后将每个a点的亮度值加1，每个b点的亮度值减1，这样整个图像的平均亮度保持不变。
对于Windows系统中8位的bmp图像，只存在一个分量，并且该分量的像素值范围是0 ~ 255。因此，在计算机中，每个像素值只需要一个字节就可以进行表示，而每个字节代表8位0或1，所以每个像素值实际上是由8个0或1的整数组成。
例如：像素值100在计算机中的存储为：0110 0100
在水印图像中，先把水印图像的像素值转换成8位的二进制形式，然后依次将其替换到载体图像的最后一位，即最低有效位，这样就完成了水印图像的嵌入。该算法的特点是顺序地选取像素点进行信息的隐藏，缺点是造成图像各个部分统计特性不一致，这样带来的问题就是安全性大大降低。
3.3.2 变换域算法
由于时空域算法存在固有的缺点，因此，近年来对数字水印技术的研究主要集中在变换域或频域，其基本思想是通过离散傅里叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）或离散小波变换（DWT）[6]等将数字图像的数据转化为相应频域的系数，从而来实现对水印的嵌入。在变换域算法中，一般首先会对载体进行一种特定的正交变换，而嵌入空间是载体的某一个或一些频带，并且这些频带对应的变换系数要遵循一定的规则进行修改。载体的低频系数反映了载体的主要轮廓，是载体的主要信息，集中了载体的绝大部分能量；而载体的高频系数反映了载体的细节，它不易被人眼所发现。
相对于时空域算法，变换域算法有以下优点：⑴可以充分利用人类的感觉特性；⑵水印的不可见性和稳健性好；⑶物理意义清晰；⑷与压缩标准相兼容，可直接在压缩域中进行处理，便于实现。
3.3.3 基于分形图象编码方法
相对于前面两种方法而言，利用分形图象编码方法也可以很好地实现水印的嵌入与提取。1987年，美国乔治亚洲工学院的数学家M. F. Barnsley在论文中提出了分形图象编码的概念，次年又首次将迭代函数系统理论应用到图象编码中，得到了很好的效果。将分形运用到图象压缩的思想非常新颖、有效，随着分形压缩技术的不断完善，它在图象压缩中的运用也必然会受到越来越多的重视。
4. 数字水印技术的应用及前景
随着网络信息技术的迅速发展，数字水印的应用也得到了扩展，其主要应用领域包括版权保护、隐藏标识、证件真伪鉴别和安全不可见通信。例如，利用数字水印技术中数据隐藏原理可以使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。
由于数字水印技术的可实现性，它将具有广阔的市场前景，对于保护各种形式的数字产品起到重要的作用，可以配合密码学技术、数字认证及数字签名等技术来抵抗各种攻击，构成完整的数字产品版权保护解决方案。
[1]孙圣和，陆哲明，牛夏牧．数字水印技术及应用．北京：科学出版社，2004
[2]杨义先，钮心忻．数字水印理论与技术．北京：高等教育出版社，2006
[3]INGENMAR J. Cox，MATTHEW L. MILLER，JEFFREY A. BLOOM著，王颖、黄志蓓等译．数字水印．北京：电子工业出版社，2003
[4]王丽娜，郭迟，李鹏．信息隐藏技术实验教程．湖北：武汉大学出版社，2004
[5]Patchwork K. How toSecretly Embed a Signature in a Picture. Journal of the Interactive MultimediaAssociation Intellectual Property Project，1996, 1
[6]黄初霜，一种基于DWT的数字隐形水印算法，科学技术与工程，2007，8（16）
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