水印可能大家都不陌生，隨便掏出一張人民幣出來，對著光，就能看到人民幣上的水印，這也是一種比較常見的防偽技術(shù)，但是該項(xiàng)技術(shù)由于時間比較久了，許多不法分子也逐漸掌握了該種技術(shù)，于是新的水印技術(shù)就相應(yīng)而出了，就是這次所要講的數(shù)字水印。
數(shù)字水印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的水印紙，它是利用數(shù)字信號處理的相關(guān)技術(shù)，在媒體數(shù)據(jù)作品中嵌入微量數(shù)據(jù)(一般為數(shù)字、序列號、文字、圖像標(biāo)志等版權(quán)信息)。水印技術(shù)嵌入后，原始的媒體數(shù)據(jù)并沒有發(fā)生改變，也不影響原始數(shù)據(jù)的正常使用。數(shù)字水印使人們無法從表面感知水印，只有專用的檢測器或軟件才可以檢測出隱藏的水印。例如，一幅經(jīng)過數(shù)字水印技術(shù)處理的山水畫，經(jīng)專家輸入計算機(jī)編程，人們從投影屏上清晰地看到了畫上各種個性化的版權(quán)標(biāo)識，提取1次就見1種，提取4次就見4種。目前，已開發(fā)出印刷數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用軟件。在采用了數(shù)字水印技術(shù)的一本書的封面上，加上一個視頻頭和一個專用軟件，就可以看到一個隱藏的防偽標(biāo)識；從電腦上下載一段音樂，經(jīng)過特殊的軟件處理，可以顯示一篇數(shù)千字的文章。將數(shù)字水印技術(shù)用于印刷防偽，不僅安全可靠，還具有無需改變原有印刷工藝流程、無需增加印刷成本等特點(diǎn)，只需通過專用軟件處理就可將防偽信息嵌入印刷品。它在各種產(chǎn)品印刷包裝、商標(biāo)，發(fā)票、支票、證券、信用卡的防偽造、數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)和跟蹤，電子商務(wù)中的機(jī)要通信和防篡改、防抵賴等方面，有極為廣泛的用途。

一、數(shù)字水印的特點(diǎn)

數(shù)字水印也叫數(shù)碼水印，就是用數(shù)碼化技術(shù)將圖像、音頻、視頻、文本、網(wǎng)絡(luò)等目標(biāo)直接隱藏在靜止圖像、活動圖像或其他數(shù)碼化傳播媒體中的技術(shù)，它被稱為圖像數(shù)碼化水印處理技術(shù)。其實(shí)質(zhì)就是圖像信息的隱藏或稱為圖像水印處理技術(shù)。依據(jù)所嵌入的主媒體不同，主要可分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印和網(wǎng)絡(luò)水印。與傳統(tǒng)加密系統(tǒng)不同的是，數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用的主要目的并不是限制對媒體的訪問，而是確保媒體中水印不被改變或消除，從而為媒體提供必要的證明信息；此外，也可用于保密通信和隱含信息標(biāo)注等。

從視覺效果考慮，圖像水印分為可見和不可見兩種。由于可見水印的應(yīng)用范圍和技術(shù)受到較大限制，因此應(yīng)用范圍不太廣泛；而不可見（隱形）水印則是目前圖像水印的主要研究內(nèi)容。通過在原始圖像中嵌入秘密信息——水印來證實(shí)該數(shù)據(jù)的所有權(quán)歸屬或數(shù)據(jù)的完整性。

水印可以是代表所有權(quán)的文字或ID、圖形、圖像、音頻數(shù)據(jù)、隨機(jī)序列等。從圖像處理的角度看，嵌入水印可以視為在強(qiáng)背景（原始圖像）下疊加一個弱信號(水印）。由于人的視覺系統(tǒng)分辨率受到一定的限制，只要疊加信號的幅度低于HVS的對比度門限，HVS就無法感覺到信號的存在。對比度門限受視覺系統(tǒng)的空間、時間和頻率特性的影響。因此，通過對原始圖像做一定的調(diào)整，有可能在不改變視覺效果的情況下嵌入一些信息。另一方面，從數(shù)碼通信的角度看，水印編碼（嵌入）可理解為在一個寬帶信道（原始圖像）上用擴(kuò)頻通信技術(shù)傳輸一個窄帶信號（水印）。盡管水印信號具有一定的能量，但分布到信道中任一頻率上的能量是難以檢測到的。水印的譯碼（檢測）則是一個有噪信道中弱信號的檢測問題。

在一些應(yīng)用場合下，水印的檢測允許有原始圖像的輔助；而在另外一些場合下，有可能無法得到原始圖像。通常由于水印信號與原始圖像信號相比弱得多，沒有原始圖像輔助的檢測方法將更加困難。也就是說，借助原始圖像，水印算法的抗噪聲穩(wěn)健性能更好一些。在幾何變換和幾何失真的情況下，水印分量的同步問題也將使檢測更加復(fù)雜。隨機(jī)序列作為水印，只能給出“Yes”或“No”的結(jié)論，換句話說，放進(jìn)圖像的秘密信息事實(shí)上僅為此1bit。在許多應(yīng)用場合，要求嵌入圖像的信息是可讀的或可視的，如有意義的文字串或者一個圖像（商標(biāo)、印鑒）等，這種有意義的水印與無意義的偽隨機(jī)噪聲相比，所具有的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的。如何在圖像中嵌入有意義的信息將是極具實(shí)際價值的研究內(nèi)容。

對于圖像隱形水印來說，其基本要求有5個方面。

(1)不可見性。水印應(yīng)該是視覺上不可見的，即它的存在不應(yīng)該使原始圖像視覺質(zhì)量發(fā)生變化或影響原始圖像的視覺效果；

(2)穩(wěn)健性。即水印圖像經(jīng)過一些常見的改變后，水印仍具有較好的可檢測性。這些改變包括常見圖像處理（如數(shù)據(jù)壓縮、低通濾波、圖像增強(qiáng)、二次抽樣、二次量化、　A/D和D/A轉(zhuǎn)換等）、幾何變換和幾何失真（如裁剪、尺度拉伸、平移、旋轉(zhuǎn)、扭曲等）、噪聲干擾、多重水印的重塑等。對不同的應(yīng)用場合，要求有不同的穩(wěn)健性。需要指出的是，存在另一種與穩(wěn)健水印性質(zhì)相反的水印，稱為易損水印，它可用來證實(shí)原始媒體是否被改變過；

(3)低復(fù)雜性。算法應(yīng)容易實(shí)現(xiàn)，在某些應(yīng)用場合（如視頻水印）下，甚至要求水印算法的實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)時性的要求；

(4)秘密性。嵌入過程（嵌入方法和水印結(jié)構(gòu)）是秘密的，水印是統(tǒng)計上不可檢測的。對于通過改變水印圖像來消除和破壞水印的企圖，水印應(yīng)該保持存在直到圖像已嚴(yán)重失真而喪失使用價值。對于原版媒體的證實(shí)，通過識別水印是否失真應(yīng)能判斷原版媒體是否被改變過；

(5)正確解決所有權(quán)的死鎖（不確定性）問題。即水印用來作為所有權(quán)證明時，應(yīng)能給判斷提供惟一性的證據(jù)。

在上述5個方面中，不可見性和穩(wěn)健性是對隱形水印的最基本要求，也是一對矛盾的兩個因素。實(shí)現(xiàn)圖像隱形水印的原則是，在保證不改變原始圖像視覺感知效果(即不可見性）的前提下，實(shí)現(xiàn)水印具有較好的穩(wěn)健性和抗攻擊性。

在防偽印刷中，數(shù)字水印的印刷防偽技術(shù)與傳統(tǒng)的印刷防偽技術(shù)不同，它徹底更新了印刷防偽的傳統(tǒng)觀念，并在印刷防偽中具有獨(dú)特的性質(zhì)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)作為識別標(biāo)志的水印以視覺不可見的形式隱藏在印刷品中，通過自然光和外界光源分辨不出未加水印的圖像與加入水印圖像的差異，只有通過計算機(jī)軟件或特定的檢測設(shè)備才可識別。

(2)隱藏的水印標(biāo)志可以是有意義的數(shù)字和隨機(jī)的數(shù)碼、文本信息、圖像甚至聲音。用戶可以根據(jù)被保護(hù)物品的不同要求加入不同內(nèi)容的水印信息。檢測方式可以采取是否存在隱藏的水印，或從印刷品中提取出隱藏信息的實(shí)際內(nèi)容等。

(3)隱藏的水印信息在不同的時間、地點(diǎn)一直連續(xù)存在于印刷品的內(nèi)部。其原理是將具有識別標(biāo)志的數(shù)據(jù)隱藏到印刷品本身或打印圖像內(nèi)，它不因印刷品經(jīng)過的各種地點(diǎn)和人員而變異，在這些環(huán)節(jié)上沒有泄露和擴(kuò)散的可能性。

(4)數(shù)字水印的加入和加入的內(nèi)容具有隨機(jī)性。每一種印刷品所隱藏的數(shù)字水印可以不同，加入水印的位置也是隨機(jī)的，技術(shù)掌握人本身也不知曉水印的隱藏位置，這樣的隨機(jī)性和變化特征使偽造者難以仿冒偽造。

(5)防偽技術(shù)可逐步升級。沒有永遠(yuǎn)有效的防偽技術(shù)，一般的防偽技術(shù)在一段時期內(nèi)有效，如不更新?lián)Q代，仿冒者會隨影循形。數(shù)字水印技術(shù)也在不斷升級變化，從而使相應(yīng)的印刷防偽技術(shù)也可隨之不斷升級變化。

(6)防偽技術(shù)對印刷設(shè)備無特殊要求，盜版者難以察覺所在。數(shù)字水印印刷防偽技術(shù)是在制版或打印處理過程中將數(shù)字水印信息加入，不需改變印刷材料和設(shè)備，不增加印刷成本，因而其應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益很大。

二、數(shù)字水印技術(shù)的研究
穩(wěn)健水印理論與算法是目前隱形水印的主要研究內(nèi)容，影響水印的穩(wěn)健性的兩個關(guān)鍵的技術(shù)是水印的結(jié)構(gòu)和水印的嵌入策略。為了使水印有較好的穩(wěn)校℅aussian序列、均勻分布序列、M進(jìn)制序列）作為水印。有的研究人員提出，利用Gaussian隨機(jī)序列產(chǎn)生的水印具有更好和穩(wěn)健性。這是由于Gaussian分布的隨機(jī)序列與其他分布的等長的隨機(jī)序列相比，具有更大的自相關(guān)系數(shù)，因此，Gaussian分布的隨機(jī)序列應(yīng)具有最好的性能。需要注意的是，由Gaussian隨機(jī)序列構(gòu)成的水印當(dāng)長度較長時，個別樣值可能會過大，必須對其加以限制以滿足不可見性的要求。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)的過程，水印算法主要可分為空域的方法和變換域的方法兩種。空域的方法是通過直接改變主圖像某些像素值來嵌入水印，研究人員利用一個擴(kuò)展的m序列作為水印，并把它嵌入到圖像每行像素的最低有效位（LSB）中，其主要缺點(diǎn)是抗JPEG壓縮和穩(wěn)健性不好，且由于所有像素的LSB都改變和利用m序列而易受攻擊。

數(shù)字水印的特點(diǎn)較多，技術(shù)也是極難被仿制的，所以此項(xiàng)防偽技術(shù)又使得商品又多了一道保護(hù)墻