数字水印技术与图象隐藏
数字水印技术与图象隐藏
一、引言
随着多媒体技术已广泛应用，网络的普及，人们的交流也越来越便捷但是信息的安全保护问题日益突出。当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，采用公钥或私钥控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全。最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。“数字水印”技术在图象隐藏方面有着广泛的用途。能够很好地达到隐藏图象的作用，使我们有用的信息得以加密。
二、数字水印
数字水印技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印在信息隐藏及图象隐藏方面有着极为广泛的应用。
骑马与砍杀火与剑
数字水印技术的基本思想源于古代的密写术。古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热木板，融化石蜡后，就可以看到密信。使用最广泛的密写方法恐怕要
纷争面纱算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角。可以说人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。然而，与密码技术相比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，究其原因，主要是因为密写术缺乏必要的理论基础。
如今，数字化技术的发展为古老的密写术注入了新的活力，也带来了新的机会。在研究数字水印的过程中，大量借鉴了密写技术的思想。尤其是近年来信息隐藏技术理论框架研究的兴起，更给密写术成为一门严谨的科学带来了希望。毫无疑问，密写技术将在数字时代得以复兴。以密写技术为基础的数字水印技术将在未来的信息隐藏及图片隐藏技术中扮演重要的角。
数字水印具有以下特点：
1、隐蔽性：在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质，并且不易被察觉。
2、隐藏位置的安全性：水印信息隐藏于数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。
3、不可检测性：指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。如具有一致的统计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。
4、透明性：利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的
降质现象，而隐藏的数据却无法人为地看见。
5、鲁棒性：所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。从主观上讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际中，这两个指标往往不能同时实现，不过这并不会影响数字水印技术的应用，因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。
三、典型数字水印算法
近年来，数字水印技术研究取得了很大的进步，下面对一些典型的算法进行了分析，除特别指明外，这些算法主要针对图象数据
1. 空域算法。
该类算法中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。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算法方法是随机选择Ｎ对像素点(ai，bi) ，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。适当地调整参数，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。
2. 变换域算法。
该类算法中，大部分水印算法采用了扩展频谱通信技术。算法实现过程为：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系数上(不包括直流分量)，通常为图像的低频分量。若DCT系数的前ｋ个最大分量表示为Ｄ={ di }，i=1 ，… ，ｋ，水印是服从高斯分布的随机实数序列Ｗ={ wi }，i=1 ，… ，ｋ，那么水印的嵌入算法为di = di(1 + awi)，其中常数a为尺度因子，控制水印添加的强度。然
后用新的系数做反变换得到水印图像I。解码函数则分别计算原始图像I和水印图像I＊
湖北省枣阳市
简单舞蹈教学的离散余弦变换，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。该方法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
印的顽健性与不可见性之间的矛盾。另外，还可以将数字图象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；其次，根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或变形；再次，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）；再次，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；最后，将数字图象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，很适合于数字作品版权保护的数字水印技术中。
3. 压缩域算法
基于JPEG、MPEG标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重新编码过程，而且在数字电视广播及VOD(Video on Demand)中有很大的实用价值。相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。下面介绍一种针对MPEG-2压缩视频数据流的数字水印方案。虽然MPEG-2数据流语法允许把用户数据加到数据流中，但是这种方案并不适合数字水印技术，因为用户数据可以简单地从数据流中去掉，同时，在MPEG-2编码视频数据流中增加用户数据会加大位率，使之不适于固定带宽的应用，所以关键是如何把水印信号加到数据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中。对于输入的MPEG-2数据流而言，它可分为数据头信息、运动向量(用于运动补偿)和DCT编码信号块3部分，在方案中只有MPEG-2数据流最后一部分数据被改变，其原理是，首先对DCT编码数据块中每一输入
的Huffman码进行解码和逆量化，以得到当前数据块的一个DCT系数；其次，把相应水印信号块的变换系数与之相加，从而得到水印叠加的DCT系数，再重新进行量化和Huffman编码，最后对新的Huffman码字的位数n1与原来的无水印系数的码字n0进行比较，只在n1不大于n0的时候，才能传输水印码字，否则传输原码字，这就保证了不增加视频数据流位率。该方法有一个问题值得考虑，即水印信号的引入是一种引起降质的误差信号，而基于运动补偿的编码方案会将一个误
差扩散和累积起来，为解决此问题，该算法采取了漂移补偿的方案来抵消因水印信号的引入所引起的视觉变形。
4. NEC算法
该算法由NEC实验室的Cox等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯N(0，1)分布，密钥一般由作者的标识码和图象的哈希值组成，其次对图象做DCT变换，最后用伪随机高斯序列来调制(叠加)该图象除直流(DC)分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止IBM攻击，而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布N(0，1)的特征。
5．生理模型算法
人的生理模型包括人类视觉系统HVS(HumanVisualSystem)和人类听觉系统HAS。
该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样可以供数字水印系统利用。利用视觉模型的基本思想均是利用从视觉模型导出的JND(Just Noticeable Difference)描述来确定在图象的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图象相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。
四、数字水印与图象隐藏
图象隐藏就是通过水印技术向原始图象中加入水印和密码把原始图象嵌入一定的算法让其成为水印图象从而达到图象隐藏的目的。
典型数字水印系统模型：
图1为水印信号嵌入模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中；图2为水印信号检测模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号。
五、应用前景
随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200dpi的彩喷墨、激光打印机和高精度彩复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。据美国官方报道，仅在1997年截获的价值4000万美元的中，用高精度彩打印机制造的小面额就占19％，这个数字是1995年的9.05 倍。目前，美国、日本以及荷兰都已开始研究用于票据防伪的图象隐藏技术。其中麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，已经开始研究在彩打印机、复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判断水印的有无，快速辨识真伪。另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。图象隐藏技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。随着多媒体技术的飞速发展，我们相信以数字水印技术为基础的图象隐藏技术将在未来发挥巨大的作用。六、总结
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数字水印技术及以其为基础的图象隐藏技术是近几年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域。它与信息安全、信息隐藏、数据加密等均有密切的关系。特别是在网络技术和应用迅速发展的今天，数字水印技术及以其为基础的图象隐藏技术的研究更具现实意义。今后水印技术的研究仍将着重于顽健性、真伪鉴别、版权证明、网络快速自动验证以及声频和视频水印等方面，并将与数据加密技术紧密结合，特别是顽健性和可证明性的研究。水印的顽健性能体现了水印在数字文件中的生存能力，当前的绝大多数算法虽然均具有一定的顽健性，但是如果同时施加各种图像攻击，那么这些算法均会失效。如何寻更加顽健的水印算法仍是一个急需解决的问题。

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