计算机与数字工程 第3‘4卷
数字水印的研究与发展
韩 冰 韩 涛
(华中科技大学电子与信息工程系 武汉 430074)
摘 要 首先介绍数字作品版权保护中对数字水印的技术要求，以及数字水印技术特点和基本原理。接着介绍一种
经典的变换域水印算法——c0x算法。最后指出Et前水印技术存在的局限，以及可能的研究方向。
关键词 版权保护 数字水印 变换域水印 Cox算法
中图分类号 TN911．73
Research Oll Diigi【tal Watermarking Techniques
Itan BiIlg Itan Tao
(Department of Electronic and Information Engineering，HUST，Wuhan 430074)
Abstract This text introduces the specification requirement for the digi~ watermark in the copyri~t protection of digi~ works at
first，andthetechnological characteristic ofdigi~ watermarkand basic principle．Thenitintroduces a kind ofclassicalwatermarkalgorithm
一 一 Cox algorithm．It finally points out the limitation that watermark technology exists at present．and possible research direction．
Key words Copyfisht protection，Digital watermarking，Transform domain waterm arking，Cox algorithm
Class number TN9l1．73
1 引言
随着因特网、数字记录及存储设备的成功和有
线及无线网络带来的高带宽、高品质服务的流行，
通过日益普及的网络传输，任何个人或组织有可能
在没有得到作品所有者的许可下以一种极其简易
的方法创造，复制，发布，传播有版权的数字作品，
关于数字媒体方面的知识产权保护开始成为要面
对的严峻问题。
数字水印作为一个保护数字产权和优秀论文
等的工具有着十分重要的作用。密码技术对于数
据传输十分有用，却无法在编码后对原始数据提供
检查的方法，数字水印不同于编码，它仍然保有数
据的原始形式，而且不会妨碍用户收听、观看、检验
或者操作数据。
另外，在信号加密时，信息隐藏方法是保密的；
与此不同的，在水印技术中，典型的水印嵌人过程
是公开的，而且信号(除了是用于秘匙)也不是保密
的。
数字水印是一种新的信息隐藏技术，它的基本
收到本文时间：2005年 8月 22日
思想是直接把附加信息隐藏在原始数据或主体信
号中，而且并不影响宿主数据的可用性。理想情况
下，在加入水印的数据与原始数据之间应该没有明
显的区别，水印也要十分难于去除或在不损坏原始
信号的情况下而改变水印。
对于数字水印有两个重要的设计要求，一是不
可见性，一是鲁棒性(即健壮性)。不可见性(invisi—
bility)包含两方面的意思，一个指视觉上的不可见 ，
即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系
统来讲应该是不可察觉的，数字水印的存在不应明
显干扰被保护的数据，不影响被保护数据的正常使
用；另一方面水印用统计方法也是不能恢复的，如
对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品即
使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在。
鲁棒性(robusmess)是指数字水印必须难以(希望不
可能)被清除。当然从理论上讲，只要具有足够的
知识，任何水印都可以去掉。但是如果只能得到部
分信息，如水印在图像中的精确位置未知，那么破
坏水印将导致图像质量的严重下降。
一 种直接提供察觉不到的水印方法就是将水
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第 34卷(2006)第 6期 计算机与数字工程 91
印嵌人到主体数据中无关紧要的部分中去。然而，
这使得水印容易在不改变主体数据的情况下受到
攻击。一种好的提供健壮性的数字水印策略可以
是将水印嵌人到原始数据中的重要部分去。这部
分的原始数据对于改变十分的敏感，而且可能在原
始数据中产生可听或可视的失真。
除去不可见性和鲁棒性的要求外 ，数字水印还
应具备另外几个特性：
(1)安全性：数字水印中的信息应是安全的，
难以被篡改或伪造，同时，有较低的虚警率。
(2)可证明性：水印应能为受到版权保护的信
息产品的归属提供完全和可靠的证据。
目前，数字水印已经广泛应用于版权保护、指
纹识别、鉴定、拷贝限制、篡改侦察，和数据隐藏应
用象广播监视等领域。
根据数字水印的加载方法的不同，水印可分为
两大类：空间域数字水印和变换域数字水印。与空
间域的数字水印方法比较，变换域的数字水印方法
具有如下优点：①在变换域中嵌人的水印信号能量
可以散布到空间域的所有像素上，有利于保证水印
的不可见性；②在变换域，人类视觉系统的某些特
性(如频率掩蔽效应)可以更方便地结合到水印编
码过程中；④变换域的方法可与国际数据压缩标准
兼容，从而实现在压缩域内的水印算法，同时，也能
抵抗相应的有损压缩。
銎网 骂I觳 l
原始信号
密钥
图 1 数字水印的系统框图
2 数字水印技术的基本原理
由水印系统图可以知道，水印系统基本划分为
两个部分，一个是水印的嵌人部分，重点研究的是水
印的嵌人算法，如何在鲁棒性和可视性之间平衡等
问题。数字水印的嵌人要求既要考虑视觉透明性，
又要保证嵌人的数字水印的鲁棒性。这两个方面存
在着矛盾。例如变换域图像的大部分能量集中在低
频部分，DCT变换后低频系数值较大，而高频系数值
较小。人IEl,~于低频区敏感，对于高频区则不十分
敏感。将水印嵌人到图像的高频分量中，能保证视
觉透明性。但是，各种图象处理操作对于图像高频
部分的损坏可能性大，如有损压缩、低通滤波等。水
印很容易在经历图象处理的过程中损失，健壮性较
差；如果要获得很好的健壮性，数字水印应加在低频
部分，但是这样引起的图像降质较大，无法保证视觉
透明性。如何选取水印嵌人的位置，从而在视觉透
明性和稳健性之间进行折衷。
另一个部分是水印的提取和检测部分。由于
水印图像在信道中传输，可能发生失真，或受到了
人为的攻击，因此，如何可靠的提取以及检测水印
是第二部分的主要研究方向。
如果我们在提取或检测水印的时候不需要原
始图像，而只用嵌人后的图像就可以提取水印信
息，那么这种水印就叫做盲水印，这取决于嵌人水
印的算法。
3 Cox算法分析
现今，已经有许多关于静态图片的水印技术。
像灰度或色度图水印技术，水印将直接嵌人到原始
图像数据中，例如亮度、颜色成分，或转换原始数据
来利用感觉特性，或特殊信号的健壮性。对于图像
水印的要求就包括普通信号处理中的无法感知性、
健壮性。水印必须经受的普通的信号处理有压缩
(例如 JPEG)、过滤、尺度变换、裁剪、数模和模数转
换、几何失真以及噪声等。
对于静态图像水印技术，水印嵌入是直接应用
于空间域的象素值或者是变换域的变换系数，例如
离散余旋变换(DCT)或离散小波变换(DWT)。
3．1水印嵌入
其嵌人过程如图2：
对于 N×N大小的宿主图像 I进行 N×N二维
离散余弦变换(DCT)，以 z字形方式对于 DCT变换
后的图像频率系数重 新排列成一维向量 ={ ，，
， ^， Ⅳ Ⅳ}。从变换后的数据的 DCT系数中选取
几 个最重要的频率分量组成之序列 V= l， 2，⋯，
，以提高对 JPEG压缩的稳健性。
假设生成一个水印码为 = { l， 2，^，
}otOi为一服从标准正态分布的伪随机实数序列
作为数字水印序列。并用公式 = (1+a )将
其插人，产生带水印的数字图像值序列 = ， ，
^， 。最后将 转换为D ，再反变换为含水印图
像。
原图像
— — — — — — — — ◆
图2 水印嵌入过程
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92 数字水印的研究与发展 第 34卷
由嵌入公式可知，a值的大小对于数字水印的
影响很大。当 a值趋近于零时，相当于未嵌入水印。
a 值越小，则视觉透明性越好 ，但是水印的稳健性
越差；a值越大，则水印嵌得越深，稳健性越好，同
时视觉透明性越差。频域中某一频率分量对应时域
中整幅图像这一频率的分量之和。因此频率分量的
系数越大，说明此分量对于图像的影响越大。图象
处理时对此频率分量考虑较多，否则整幅图像的降
质就会比较大。
3．2提取及检测 ‘
在客户端，我们得到可能含水印的待检测图像
为，。假设，在传输过程中未因图象处理及传输信
道等原因丢失大量信息，也就是可以近似认为 ，
= ， 。在此假设下可以运用统计 的方法来检测水
印。水印的检测主要分以下两部分进行。
(1)关于嵌入方案不同时的提取策略
水印嵌入的地方大体上可以划分为两种，一是
嵌入到 DCT系数的低频和中频分量，二是嵌入到
DCT系数的高频分量。
如果水印嵌入到中低频分量，那么水印的鲁棒
性将会比较强，但是可视性比较差。如果水印嵌入
到高频分量的效果刚好相反。
由于中低频系数的值较大，因此嵌人的时候所
用方法可以归纳为 (1+aWf)。那么提取的时
候，水印就用公式 W=( ’一 )／a。所以提取的时
候必须要有原始图像。
如果水印嵌入的是高频分量，而 DCT系数的
高频分量是等于零或接近于零的数值，因此，在嵌
人的时候，可以先将准备嵌人的位清零，而这样也
不会显著的影响图像的质量。清零之后，可以就直
接认为该位等于水印信息，因此在提取的时候，直
接获得该位信息就可以了，并不需要原始图像。
(2)待检水印与待检图像的中频系数相关性
测定 ．
我们对 ， 进行 DCT变换 ，取出其中嵌入水印
的频率系数 假设待测的水印 为一伪随机序
列，则可以通过待检水印与图像中频系数作相关运
算来判断是否为所加入的水印。只有在待检水印为
所加入的水印时，才能得到较大相关值；否则相关
值很小，或接近于零。W为原始图像，相关性运算公
式如下： ‘
’
z=c (7．0，口 )= ∑ (n)口’(n+r)
z(0)：1
M∑ (n) (n)+ ∑ (n)
W(n)口(n)
E(z)=E( )E(口)+aE(W )E(口)=aE(口)
如果待检测的数字水印 不是所嵌入的水
印， ≠ W，则 E(Z)=0；如果待检测的图像中根
本不含数字水印，则 E(z)=0。
(3)阈值的确定
根据中心极限定理，对于 ： 情况下的z
值曲线，可以近似认为是正态分布，且可近似认为
标准差为 。将 X≠ W及没有水印存在作为一种情
况考虑。阈值定为：
．
Tz=aE( )／2=
⋯ i：1
3．3一些改进
Cox算法是直接对原始图像进行DCT变换，这
样，变换的效率比较低下，对于象素较多的图像会
花费很多的时间。在实际应用中改用了先对原始图
像进行了互不覆盖的 8×8分块，然后对每个 8×8
的子块再进行 DCT变换得到。这样，变换的速度将
会更快，效率随之提高，另外更利于嵌入。
图像子块经过 DCT变换后，将每个数据块的
数据从空间域变换到频率域，输出64个DCT系数。
(如表 1所示)这 64个变换系数中包括一个代表直
流分量的_“DC系数”位于频域图像块的左上角，它
是 64个样本的平均值；另有63个代表交流分量的
“AC系数”，离交流分量越远，系数所代表的图像交
流成分的频率越高，也即随着行、列的增加，系数所
代表的交流成分的频率也增加。
表 1 DCT系数矩阵
AC6 AC14 AC15 AC27
AC13 AC16 A(=26 AC29
AC17 AC25 AC30 A( 1
AC24 AC31 AG40 AC44
AC32 AC39 Ac52
AC38 AC46 A(二51 AC55
AC47 AC50 AC56 AC59
AC49 AC57 AC58 AG62
在 64个系数中，选取要嵌入水印的位置，然后
运用公式 ：=v；(1+ i)将水印嵌入到选定的位
置，对加入水印后 DCT系数矩阵进行 DCT逆变换。
按顺序对每一个 8×8图像子块做如上处理即可
得，得到嵌入水印后的图像。
许多水印技术是附加性的，水印信号被直接加
入到原始信号中或对原始信号进行转换。水印应
尽量减小原始信号的失真。感觉模型可能被用来
决定和改变水印比例因素a来适应原始信号，例如
应用人眼的视觉模型等。 (下转第 116页)
8—2 3 3 4 0 8 一 ∞ 伽 ～一A A A A A A A
一脚 麟脚
一 Ⅲ∞ 嘶 舢一 ． 一麟 一￡l 0凹 咖一 一心
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II6 基于 DSP的网络传输设计与实现 第 34卷
应该包括以下几个步骤：
①将数据封装成帧；
②初始化发送控制寄存器；
③将帧送入网卡控制芯片的发送缓冲区；
④启动网卡控制芯片将该帧发送到网络传输
线上。
4．3．6帧接收程序
当网卡从网络上接收到传送给本机的数据帧
时就将其缓存于内部的接收缓冲区，然后设置中断
标志寄存器，并向 DSP发送中断；由中断程序将接
收缓冲区的数据读出并存入DSP内部数据 RAM中
以备主程序使用。帧的接收过程可分成三步；
①第一步由网卡通过内部 DMA将数据帧存人
接收缓冲区；
②第二步设置中断标志寄存器产生中断
③第三步是响应中断通过 DSP的 EDMA通道
将接收缓冲区中的帧读入内存。
5 结论
基于 DSP的网络通信协议的实现解决了 DSP
网络中任意站点之间，DSP网络与 PC机之间准确、
高速的实时通信问题，是将网络技术应用到 DSP
数字化系统中的关键，从而最终实现了以 DSP为
核心的处理系统数字化和网络化的融合。
参 考 文 献
[1]李方 慧，王飞等．TMS320C6000系列 DSP原理 与应 用
[M]．电子工业出版社 ，2003
[2]Cary R．Wright W．Richard Stevens．TCP／IP Illustrated Vol—
ume 1：protocol[M]．机械工业出版社．
[3]谢希仁 ，计算机网络[M]．电子工业出版社 ，1999
鬻杀 豢鬻豢杀豢隶 书鬻带来豢鬻 豢鬻豢杀鬻鬻 豢豢 带 豢杀睾杀 * 豢 崇杀 豢杀睾豢睾 豢 带 豢 豢鬻睾 豢鬻带 鬻带豢'={}寺 带 睾鞋带亲带 枭寿豢 带 半鲁繁杂-#-杀 -y~~ -#- 半 带 睾
(上接第 92页) 构造综合的数据安全系统。
4 水印技术的发展趋势
数字水印技术的研究虽然只有短短几年时间，
但其软件产业已经有相当的规模。早在 1995年，
数字水印技术的研究还刚刚开始不久，美国的
Digimarc公司就率先推出了世界上第一个商用数
字水印软件，而后又以插件形式将该软件集成到
Adobe Photoshop4．0和 Corel Draw7．0中。数字水印
技术的商品化速度如此之快，从一个侧面反映出其
迫切的市场需求。
数字水印软件的发展速度非常快，起初仅仅作
为图像处理软件的插件，而今已经开始向大型商业
化软件发展，呈现出面向 Intemet、多种技术集成的
发展趋势，主要发展方向体现在以下几方面：
(1)结合智能体技术，开发水印 Agent和 自动
追踪版权标志。
(2)面向电子商务，提供服务器端的完整性保
护和客户端的数据认证。
(3)建立水印认证中心，提供各种网上服务。
(4)开发基于数字水印技术的数字作品电子销
售系统，提供完整的安全与版权保护机制。 ·
(5)为各种付费点播服务，提供基于流技术的
数字水印产品。
(6)面向更广泛的数字媒体，如三维动画、数字
地图等，开发基于数字水印的安全保护产品。
(7)与密码技术，尤其是数字签名技术相结合，
(8)使用各种生物认证技术(如指纹、视网膜)
构造专人标识水印。
5 结束语
多媒体数据逐渐成为人们获取信息的重要来
源，并成为人们生活的重要组成部分。因而，如何
保护多媒体信息的安全成为国际上研究的热门课
题。目前水印的研究方向也是在算法的改进和抗
攻击方面，改进算法以得到更强的鲁棒性和更好的
可视性乃是当务之急。我国水印的研究工作较之
世界算是比较晚的了，但是明显水印拥有巨大的市
场潜力。随着数字水印技术的日趋成熟，基于数字
水印技术的版权认证系统，将在各种领域发挥越来
越大的作用。
参 考 文 献
[1]Christine I Podlehuk，Wenjun Zeng．1inage—adaptive water—
marking using visual models[J]．IEEE Journal on Selected Ar—
COS in Communications，1998
[2]i．Cox，J．Kilian，T．Leighton，and T．Shamoon，”Secure
spread spectrum watermarking for multimedia[J]．”IEEE
Tram．Image Processing，1997(6)：1673～1687
[3]E．Koch and J．Zhao，”Towards robust and hidden image
cop~ght labeling，’’presented at Noiflinear Signal Processing
Workshop，Thessaloniki，Greece，1995
[4]任金昌，赵荣椿，“基于人类视觉特性及全局 DCT变换
的图像水印方法，”西北工业大学计算机科学与工程系，
西安
维普资讯
