数字水印

一张包含浮现式数字水印的图片，上面的文字为“2006”位于图片的正中央。

数字水印，是指将特定的信息嵌入数字信号中，数字信号可能是音频、图片或是影片等。若要拷贝有数字水印的信号，所嵌入的信息也会一并被拷贝。数字水印可分为浮现式和隐藏式两种，前者是可被看见的水印（visible watermarking），其所包含的信息可在观看图片或影片时同时被看见。一般来说，浮现式的水印通常包含著作权拥有者的名称或标志。右侧的示例图片便包含了浮现式水印。电视台在画面角落所放置的标志，也是浮现式水印的一种。

隐藏式的水印是以数字资料的方式加入音频、图片或影片中，但在一般的状况下无法被看见。隐藏式水印的重要应用之一是保护著作权，期望能借此避免或阻止数字媒体未经授权的复制和拷贝。隐写术（Steganography）也是数字水印的一种应用，双方可利用隐藏在数字信号中的信息进行沟通。数字照片中的注释资料能记录照片拍摄的时间、使用的光圈和快门，甚至是相机的厂牌等信息，这也是数字水印的应用之一。某些文件格式可以包含这些称为“metadata”的额外信息。

数字水印scheme示例

一般常见的数字水印scheme定义为：

$\Omega ^{*}=\left(E,D,R,M,p_{E},p_{D},p_{R}\right)$

其中E定义了嵌入（embedding）功能、D侦测（detecting）功能、R恢复（retrieval）功能，M则是所夹带的消息。此外，嵌入参数$p_{E}\in {\mathcal {P}}_{E}$定义了E定义嵌入功能使用的参数组，$p_{D}\in {\mathcal {P}}_{D}$定义了侦测参数，而$p_{R}\in {\mathcal {P}}_{R}$恢复参数。因此，每一个水印scheme $\Omega$根据上述的参数不同可能会有不同的结果。

性质要求

• 安全性：水印信息应当难以篡改、难以伪造。
• 隐蔽性：水印对感官不可知觉，水印的嵌入不能影响被保护数据的可用性大大降低。不具备这一特性的水印，称为可见水印（Visible Watermarking）。如电视台播放信号的时候在某个角落经常嵌有它的标志。
• 强健性：水印能够抵御对嵌入后数据的一定操作，而不因为一些细微的操作而磨灭。包括数据的传输中产生的个别位错误，图像或视频、音频的压缩。不具备这一特性的水印，称为脆弱水印（Fragile Watermarking）。
• 水印容量：是指载体可以嵌入水印的信息量。

常用技术

数字水印生成技术

• 伪随机生成
• 扩频水印

数字水印嵌入技术

• LSB
• QIM
• SCS

数字水印检测技术

• 计算自相关

数字水印攻击技术

• 剪切-粘贴攻击(?)

影像水印技术

常用水印攻击

1. 数字模拟转换（A/D,D/A conversion）
2. 旋转（rotation）
3. 放大缩小（scaling）
4. 切割（cropping）
5. 压缩（compression）
6. 再量化（requantization）
7. 再取样（resample）

功能需求

• 隐蔽性或透明性（Imperceptible or Transparency）－原始影像在嵌入数字水印后的差异必须是人眼所无法察觉到的，也就是不能降低或破坏原始影像的质量。
• 不易移除性（Non-removable）－水印要设计得不容易甚至不可能被黑客移除。
• 强健性（Robustness）－经过水印技术处理后的影像经由噪声、压缩处理、影像处理以及各种攻击后，所萃取的数字水印仍然可以清楚的呈现以便于人眼识别或判断。
• 明确性（Unambiguous）－萃取的数字水印，经过各种攻击后，失真不会很严重，可以明确的让拥有者识别或判断。

数字水印的发展

影像水印的发展

一般而言，影像水印技术是透过更改影像中的资料来嵌入水印，其作法上有两个主要的领域:

• 空间域（时间域）法

早期的影像水印研究主要是发展在空间域中，以灰阶影像而言，每个取样点（pixel）一般是以八个比特来表示，且由最高有效比特（MSB）开始向右排列至最低有效比特（LSB），表示资料比特的重要性次序，因此可透过更改每个取样点中敏感度最低的LSB来嵌入水印信息，使得水印具有较高的隐密性，这是信息隐藏技术中最常被用来藏入信息的一个既简单又容易实现的方法。但其缺点是容易被不法人士恶意破坏，且难以抵抗噪声、压缩处理、影像处理以及剪切处理等各种攻击。

• 变换域法

在频域中的水印主要是原始影像转换到频域里，在加入水印资料，将水印嵌入至不同频率成分信号可满足不同需求，当嵌入至高频信号，较不容易被人眼视觉系统所察觉，嵌入至低频成分信号，由于能量较高因而不容易被破坏。

• • 离散余弦转换域

离散余弦转换是静态影像压缩技术（如JPEG）以及动态视频压缩技术（如MPEG）中的主要核心，而从影像以8*8的像素区块为单位来做离散余弦转换，转换后仍然以8*8的区块大小来表示频率信息，其目的主要是将区块中各个像素的关系性打散，使得大部分的能量可以集中在少数几个基底函数上。

以离散余弦转换为工具，根据水印所嵌入的频带位置不同又分为:

1. 嵌入DC系数的水印技术
2. 嵌入低频系数的水印技术

• • 小波域

离散小波转换也是一种可将影像的空间域信息转换为频率域信息的技术，其优点除了可以有效的将影像中各个像素的关系性打散之外，还提供了多重分辨率与多频率的特性，使得在处理声音、影像以及视频等信息时的弹性较大，因此近年来被广泛的应用在影像处理、资料压缩以及信息隐藏等研究领域。而离散小波转换可透过相对应的滤波器而分别作用在影像信息中的列与行来实现

以离散小波转换为工具，根据水印所嵌入的频带位置不同又分为:

1. 嵌入频带HL1的水印技术
2. 嵌入频带LH2的水印技术

参考

参考资料

• 《音视频处理讲义》，张宝基 著
• 孙圣和，陆哲明，牛夏牧.数字水印技术及应用，北京, 2004.

外部链接

• 数字水印联盟 （页面存档备份，存于互联网档案馆）（Digital Watermarking Alliance）