摘 要：針對(duì)數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用廣泛但指標(biāo)計(jì)算及評(píng)價(jià)機(jī)制普遍不夠完善的現(xiàn)狀，本文在研究常用算法的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的數(shù)字水印系統(tǒng)基本功能模型，完成了對(duì)數(shù)字水印的指標(biāo)計(jì)算及評(píng)價(jià)機(jī)制。該模型基于信息隱藏技術(shù)，綜合運(yùn)用了多種數(shù)字水印算法，結(jié)合相關(guān)的技術(shù)手段，完成了相對(duì)較為完善的數(shù)字水印生成、嵌入、檢測(cè)和提取功能。最后通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了本數(shù)字水印系統(tǒng)在多媒體版權(quán)保護(hù)及應(yīng)用上的良好特性。

關(guān)鍵詞：信息隱藏；數(shù)字水印；系統(tǒng)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

信息隱藏學(xué)是一門(mén)新興的交叉學(xué)科，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。而數(shù)字水印技術(shù)除了具備信息隱藏技術(shù)的一般特點(diǎn)外，還具有更加安全、透明的特征和較強(qiáng)的魯棒性質(zhì)[1，2]。因此數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在各種領(lǐng)域，但是目前的應(yīng)用研究對(duì)于數(shù)字水印的指標(biāo)計(jì)算及評(píng)價(jià)機(jī)制普遍還不夠完善，本系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)主要目的就是在研究比較各種數(shù)字水印算法的基礎(chǔ)上，完成了對(duì)數(shù)字水印的指標(biāo)計(jì)算及評(píng)價(jià)機(jī)制[3]。

本文目的在于通過(guò)對(duì)信息隱藏及數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域的常用算法的研究，提出可行的改進(jìn)措施及方案，綜合相關(guān)的技術(shù)手段，建立能夠完成實(shí)際應(yīng)用的數(shù)字水印系統(tǒng)模型并實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印系統(tǒng)的基本功能及應(yīng)用。

2 應(yīng)用需求分析（Analysis of application requirement）

一套完整的數(shù)字水印系統(tǒng)模型，都必須包含嵌入和檢測(cè)兩大部分。嵌入過(guò)程至少具有兩個(gè)輸入量：一個(gè)是水印信息，它一般是以圖像文字等形式適當(dāng)處理后作為待嵌入的水印信號(hào)（圖1）；另一個(gè)就是載體數(shù)據(jù)，主要指準(zhǔn)備嵌入水印的數(shù)字載體作品[4]。水印嵌入部分的輸出結(jié)果為含水印的載體作品，通常用于傳輸和轉(zhuǎn)錄。當(dāng)含有水印的載體通過(guò)信道傳輸?shù)浇邮辗胶?，而檢測(cè)部分的目的是試圖盡可能的判斷出水印是否存在，若存在則提取出水印信號(hào)用于版權(quán)的檢測(cè)（圖2）或授權(quán)的鑒別等進(jìn)一步的操作[5]。

由以上分析可知，本系統(tǒng)需要建立基于信息隱藏技術(shù)的一套數(shù)字水印系統(tǒng)模型，確定框架的主要功能及模塊內(nèi)容。在本系統(tǒng)模型中，首先將需要嵌入的數(shù)字水印進(jìn)行了簡(jiǎn)單的粗處理，再將處理完的數(shù)字水印嵌入到相應(yīng)的載體中，等載體作品需要鑒定作品產(chǎn)權(quán)時(shí)候，再將嵌入的數(shù)字水印進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)并跟其分離提取，然后對(duì)數(shù)字水印的質(zhì)量和正確性進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估[6]。

3 系統(tǒng)總體模型設(shè)計(jì)（Design of system general model）

3.1 系統(tǒng)模型的構(gòu)成

本數(shù)字水印系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：水印生成、水印嵌入和水印的檢測(cè)及提取[7]。根據(jù)不同的應(yīng)用，這三個(gè)部分的設(shè)計(jì)要求各有側(cè)重，各有不同。

（1）水印生成階段：水印信息一般都包含了有意義的需要隱藏的信息如版權(quán)、發(fā)行者、產(chǎn)品的使用及標(biāo)識(shí)等信息。為了保護(hù)隱藏這些有意義的水印信息，在它們作為水印之前都進(jìn)行相應(yīng)的加密處理，以保證生成的水印信號(hào)唯一而有效性。因此水印的生成可以由生成函數(shù)來(lái)確定，而水印和生成函數(shù)通常都基于加密系統(tǒng)、混沌序列、偽隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)、置亂算法等。設(shè)W1為有意義的需要隱藏的信息，G為水印生成的函數(shù)，W為生成的水印，則有G=T.R。

為了得到基于數(shù)字產(chǎn)品的水印W，需要知道用于修改原始水印信息的算法T，而對(duì)于T的算法要求也會(huì)根據(jù)不同應(yīng)用的需求而改變[8]。有的應(yīng)用要求建立易損水印或用于版權(quán)爭(zhēng)議的穩(wěn)健水印，即當(dāng)數(shù)字產(chǎn)品的差別也能產(chǎn)生不同的水??；有的應(yīng)用則要求數(shù)字水印對(duì)數(shù)字產(chǎn)品及其相似的產(chǎn)品版本有依賴(lài)性，如半易損水印。在基于信息偽裝的應(yīng)用中，由于信息偽裝要求隱藏信息的不可檢測(cè)性，因此對(duì)于算法T通常不作要求。

算法R用于輸出基于密鑰K原始水印W。R可以是基于加密系統(tǒng)的、基于偽隨機(jī)函數(shù)的、基于混沌序列的、基于置亂算法的。當(dāng)R為加密系統(tǒng)服務(wù)時(shí)，K表示加密的密鑰信息。而為了生成偽隨機(jī)函數(shù)，R為偽隨機(jī)函數(shù)服務(wù)時(shí)，K則表示偽隨機(jī)發(fā)生器的種子[9]。當(dāng)R為混沌序列服務(wù)時(shí)，K表示生成混沌序列初始參數(shù)值。當(dāng)R基于置亂算法時(shí)，K表示置亂的次數(shù)。算法R可以用于通常的數(shù)字水印系統(tǒng)，同時(shí)由于算法R的存在即使攻擊者成功的提取出了水印，也無(wú)法解密隱藏信息。數(shù)字水印生成策略圖，如圖3所示。

（2）水印嵌入算法及策略：將預(yù)處理后生成的水印信息嵌入到原始的載體數(shù)字產(chǎn)品中，就是水印嵌入的過(guò)程，其中水印信息用W={w（i）}表示，載體數(shù)字產(chǎn)品用S={s0（i）}表示。因此通常的水印嵌入過(guò)程可以表示為：

sw（i）=s0（i）∪h（i）∪w（i）。其中∪表示疊加處理，H=h（i）表示水印的偽裝或加權(quán)處理，常用的兩種嵌入規(guī)則如下：

加法嵌入規(guī)則 sw=s0+h（i）*w（i）

乘法嵌入規(guī)則 sw= s0*（1+h（i）*w（i））

s0表示采樣強(qiáng)度/幅度（空域/時(shí)域）或者是變換域的系數(shù)值。

近年來(lái)，另一種融合嵌入規(guī)則得到了廣泛的關(guān)注，其嵌入規(guī)則是：

sw=（1-h（i））*s0+h（i）*w（i）），這種規(guī)則對(duì)原始數(shù)據(jù)s0和水印w進(jìn)行了綜合考慮，在不影響人類(lèi)視覺(jué)的前提下，適當(dāng)?shù)膶?duì)s0進(jìn)行一定程度的修改。

嵌入水印的強(qiáng)度一般用水印加權(quán)h來(lái)代表。水印的強(qiáng)度越大則魯棒性越好，但是會(huì)影響水印的透明性[10]。因此需要在水印的魯棒性和透明性之間進(jìn)行折中，兼顧兩方面的需求以取得最好的效果。數(shù)字水印嵌入策略圖，如圖4所示。

（3）水印檢測(cè)算法及策略

在已知載體數(shù)字產(chǎn)品中檢測(cè)是否存在目標(biāo)水印或者進(jìn)一步解密恢復(fù)目標(biāo)水印并把它從載體數(shù)字產(chǎn)品中分離提取出來(lái)的過(guò)程就是水印檢測(cè)。水印檢測(cè)根據(jù)檢測(cè)過(guò)程是否需要原始的載體數(shù)字產(chǎn)品可以分成非盲（nonblind）水印檢測(cè)和盲（blind）水印檢測(cè)兩種[11]。從檢測(cè)效果來(lái)分析，一般需要較好檢測(cè)率和較高穩(wěn)健可靠性時(shí)候，通常采用非盲水印檢測(cè)，而盲水印檢測(cè)應(yīng)用的范圍廣泛而且計(jì)算的效率更高。在水印的檢測(cè)過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生兩種誤報(bào)：

一種是數(shù)字產(chǎn)品中實(shí)際不存在水印而檢測(cè)出有水印存在（虛報(bào)）。

另一種是數(shù)字產(chǎn)品中實(shí)際存在有水印而檢測(cè)顯示水印不存在（漏報(bào)）。

這二種錯(cuò)誤發(fā)生的概率稱(chēng)為虛警率Pfa和漏警率Pmiss。總的錯(cuò)誤率Perror是兩者相加的和，即Perror=Pfa+Pmiss。在實(shí)際應(yīng)用中可以預(yù)先設(shè)定可以接受的錯(cuò)誤率Perror、Pfa或者Pmiss。

對(duì)于水印檢測(cè)算法一般要求具有良好的可靠性和計(jì)算效率。在實(shí)際的應(yīng)用中可以根據(jù)其應(yīng)用的場(chǎng)合適當(dāng)?shù)慕档?。?shù)字水印檢測(cè)策略圖如圖5所示。

綜上所述基于信息隱藏的數(shù)字水印系統(tǒng)的基本框架模型圖，如圖6所示。

3.2 核心機(jī)制的設(shè)計(jì)

首先，本系統(tǒng)對(duì)數(shù)字水印及載體圖像的預(yù)處理主要運(yùn)用置亂算法、混沌序列，以及已有的密碼技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的置亂算法包括Arnold及幻方置亂，實(shí)現(xiàn)的混沌序列包括Logistic映射函數(shù)及混合光學(xué)雙穩(wěn)模型生成混沌序列，能夠?qū)ι傻幕煦缧蛄羞M(jìn)行歸一化的處理和相應(yīng)的序列調(diào)制（如0，1序列；-1，1的雙極性序列）。能夠方便的應(yīng)用已經(jīng)成熟的密碼技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的加密（如HASH函數(shù)、RSA等）。

其次，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印嵌入的采用了多重算法，包括常見(jiàn)的LSB、DCT、DWT算法，以及基于HVS的自適應(yīng)算法。利用這些算法能完成雙重及多重水印的嵌入，也能夠完成對(duì)WAV音頻載體的數(shù)字水印嵌入。

在利用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字水印的嵌入時(shí)，系統(tǒng)找到能嵌入數(shù)字水印的魯棒性最強(qiáng)的區(qū)域，在不影響載體透明性的情況下，嵌入標(biāo)志、算法、數(shù)字水印大小等的系統(tǒng)信息。在檢測(cè)時(shí)提取此系統(tǒng)信息，如果此信息不存在，可以選擇通過(guò)指定提取算法來(lái)進(jìn)行數(shù)字水印的提取，也可以選擇由系統(tǒng)調(diào)用所有的數(shù)字水印的提取函數(shù)對(duì)疑似含水印載體進(jìn)行數(shù)字水印提取，最后由人工判別是否提取成功。提取水印的算法和嵌入水印的算法一般是配套。

之外，由于本系統(tǒng)對(duì)數(shù)字水印算法的評(píng)估參考是基于數(shù)字水印抗攻擊能力的判斷，因此需要對(duì)數(shù)字水印的抗攻擊功能進(jìn)行各種攻擊，其中部分的攻擊方法也可以作為對(duì)數(shù)字水印或者載體預(yù)處理的一部分，如中值濾波、圖像的幾何處理等。同時(shí)還能計(jì)算出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)值（如NC、PSNR等），并根據(jù)計(jì)算出的指標(biāo)值提示數(shù)字水印的透明性及魯棒性的特點(diǎn)[12]。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字水印系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖，如圖7所示。

數(shù)字水印系統(tǒng)功能流程圖，如圖8所示。

3.4 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

數(shù)字水印系統(tǒng)主要按六個(gè)步驟來(lái)完成各個(gè)功能。

（1）對(duì)數(shù)字水印及原始載體進(jìn)行預(yù)處理

確認(rèn)需要嵌入的數(shù)字水印后，需要分析判定采用哪種嵌入及檢測(cè)的方式（盲水印還是非盲水印）。利用相關(guān)的算法對(duì)數(shù)字水印進(jìn)行嵌入前的預(yù)處理，包括轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制比特序列、加密、置亂等預(yù)處理的過(guò)程，一方面增強(qiáng)數(shù)字水印的安全性，另一方面通過(guò)處理使數(shù)字水印的數(shù)據(jù)信息分布更加合理，從而有利于數(shù)字水印嵌入和檢測(cè)。同時(shí)對(duì)原始的載體也進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，如載體的選擇，根據(jù)不同的原始載體及需要實(shí)現(xiàn)的功能需要選擇相應(yīng)的處理步驟（如載體摘要信息的提取、原始載體的圖像的圖像增強(qiáng)、聲頻視頻信息的濾波等處理）。數(shù)字水印及原始載體的預(yù)處理的目的在于增強(qiáng)數(shù)字水印的安全，使原始載體提供更大的嵌入容量，能更容易更方便的嵌入及檢測(cè)到數(shù)字水印，有利于數(shù)字嵌入及檢測(cè)恢復(fù)，最終生成需要嵌入的數(shù)字水印及水印載體。

（2）將數(shù)字水印嵌入到原始載體中

將水印附加到對(duì)應(yīng)的原始載體上，需要選擇合適的算法。選擇嵌入算法一般要綜合考慮數(shù)字水印的透明性和魯棒性，既不能讓人輕易地發(fā)現(xiàn)數(shù)字水印的存在，又要保證水印載體的數(shù)字水印若被破壞或刪除將降低載體質(zhì)量甚至不可使用。所以根據(jù)完成數(shù)字水印功能的同時(shí)需要兼顧這兩方面的應(yīng)用需要，可以同時(shí)嵌入兩個(gè)或者多個(gè)數(shù)字水印，以完成不同應(yīng)用需求。數(shù)字水印嵌入流程圖，如圖9所示。

（3）檢測(cè)數(shù)字水印

接收到載體后，需要檢測(cè)載體中是否有數(shù)字水印的存在，一般都是預(yù)先確定相應(yīng)的算法和密鑰再對(duì)目標(biāo)載體進(jìn)行針對(duì)性的檢測(cè)。數(shù)字水印的檢測(cè)包括盲水印檢測(cè)及非盲水印檢測(cè)，非盲水印檢測(cè)的準(zhǔn)確率高但是使用范圍有限，不如盲水印檢測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)有虛報(bào)和漏報(bào)的情況。

（4）提取數(shù)字水印

當(dāng)目標(biāo)載體經(jīng)過(guò)檢測(cè)確定有數(shù)字水印存在時(shí)，需要通過(guò)預(yù)先確定的算法及密鑰將載體中的數(shù)字水印分離提取和恢復(fù)出來(lái)。如果提取出來(lái)的數(shù)字水印符合版權(quán)要求、產(chǎn)品就能被合法使用，提取數(shù)字水印的流程圖，如圖10所示。

（5）測(cè)試數(shù)字水印的魯棒性

數(shù)字水印抗攻擊的能力主要以數(shù)字水印魯棒性測(cè)試結(jié)果來(lái)衡量。比如對(duì)圖像載體還包括JPEG圖像可壓縮、圖像旋轉(zhuǎn)、圖像幾何處理等濾波、加噪攻擊能力的測(cè)試。

（6）計(jì)算及評(píng)估數(shù)字水印相關(guān)指標(biāo)

數(shù)字水印的性能主要用數(shù)字水印及嵌入后的載體給予量化的數(shù)值來(lái)評(píng)估，包括峰值信噪比（PSNR）、信噪比（SNR）、相關(guān)系數(shù)（NC）、均方差（MSE）等。其實(shí)對(duì)于人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)（HSV）及聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)（HAS）的閾值JND的確定也是一種評(píng)估的計(jì)算，其目的在于度量各個(gè)元素可修改的值的范圍[13]。

4 數(shù)字水印系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)（Implementation of digital watermarking system）

4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具

在本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，數(shù)字水印的嵌入、檢測(cè)、提取和恢復(fù)部分的處理、相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和圖形圖像的生成等算法的實(shí)現(xiàn)主要由MATLAB工具來(lái)完成，對(duì)于系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，以及一些MATLAB處理速度較慢的操作如數(shù)據(jù)的排序，大循環(huán)語(yǔ)句的處理等由.NET開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)MATLAB與.NET搭建的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境完成整個(gè)系統(tǒng)模型的實(shí)現(xiàn)。

4.2 界面及系統(tǒng)功能說(shuō)明

圖11列出的是實(shí)現(xiàn)的數(shù)字水印系統(tǒng)模型程序的部分界面及功能。在實(shí)現(xiàn)的數(shù)字水印系統(tǒng)模型中可以對(duì)數(shù)字水印進(jìn)行預(yù)處理操作包括置亂、混沌映射、數(shù)字調(diào)制和加密等。

4.3 實(shí)例應(yīng)用

圖12是某數(shù)字載體作品在使用本數(shù)字水印系統(tǒng)進(jìn)行Arnold置亂預(yù)處理操作的界面，也列出的單數(shù)字水印嵌入操作的界面，程序?qū)⒏鶕?jù)選擇的操作執(zhí)行Arnold置亂或反置亂，執(zhí)行選定嵌入算法的（LSB、DWT、DCT、HSV等）數(shù)字水印嵌入，并計(jì)算出相關(guān)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)（PSNR、SNR、NC、MSE）。

在圖13實(shí)例應(yīng)用中，本文討論的數(shù)字水印系統(tǒng)模型程序功能都能在其中找到對(duì)應(yīng)的程序命令，包括數(shù)字水印預(yù)處理、嵌入、檢測(cè)、提取和恢復(fù)、攻擊及測(cè)試、相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算和數(shù)字水印的評(píng)價(jià)[14]，所有功能一目了然。

本系統(tǒng)中對(duì)于水印算法的分析及測(cè)試由StirMark來(lái)完成。StirMark是一個(gè)由劍橋大學(xué)開(kāi)發(fā)的用于數(shù)字水印研究的測(cè)試工具。StirMark用于測(cè)試的攻擊手段包括線性濾波、非線性濾波、剪切/拼接攻擊、同步性破壞攻擊等，可以從多方面測(cè)試水印算法的魯棒性。目前數(shù)字水印技術(shù)方面公開(kāi)發(fā)行的學(xué)術(shù)論文一般衡量水印算法好壞都以StirMark的攻擊結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)[15]。

5 結(jié)論（Conclusion）

通過(guò)實(shí)例使用驗(yàn)證，本文建立的數(shù)字水印系統(tǒng)可以較好地完成數(shù)字水印預(yù)處理、水印嵌入、水印的檢測(cè)、水印提取和功能執(zhí)行等流程，并且利用MATLAB和VS.NET作為開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了綜合運(yùn)用基于人類(lèi)視覺(jué)模型數(shù)字水印算法、雙重及多重?cái)?shù)字水印算法、雙重自恢復(fù)數(shù)字水印算法、基于音頻載體的數(shù)字水印算法，以及常用的LSB、DCT、DWT等數(shù)字水印算法的數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用。利用本系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印應(yīng)用時(shí)，能在有效提高水印算法魯棒性的同時(shí)，兼顧數(shù)字水印對(duì)透明性的要求，并且各種抗攻擊檢測(cè)下來(lái)，綜合指標(biāo)良好。

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作者簡(jiǎn)介：

張?zhí)煨牵?977-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù).