数字水印系统相关技术及算法策略

徐其江　刘志雯　刘存桓

摘 要 本文介绍了两种与水印相关的关键技术，一种是本文提出的N点均值技术，它是本文水印算法的核心，用来实现数字水印的嵌入、提取和数据的无损恢复，一种是数字水印预处理技术，用来加强水印系统的安全性。最后，本文概述了本文提出的水印算法策略。

关键词 数字 水印 算法

中图分类号：TP309.7 文献标识码：A

1数字水印系统相关技术

1.1 数字水印预处理技术

现在大多数的文献都选一幅小的有意义的图像作为数字水印，显然这样的水印相对其它水印更直观，可是攻击者一旦获得了此有意义的图像水印，就可以直接地了解到水印的内容。因此，有必要提高图像水印的安全性和稳健性。以下是几种常用的对有意义水印信号进行预期处理的方法。

（1）数字图像置乱

置乱技术是随着信息的安全与保密被重视而发展起来的图像加密技术。数字图像置乱是一种加密方法，合法使用者可以自由控制算法的选择、参数的选择以及使用随机数技术，以达到非法使用者无法破解图像内容的目的。

（2）加密

在实际应用中，如果已嵌入到产品中的水印能够直观地表达其版权信息，那么攻击者一旦提取了从此产品提取到水印信息，就可以很轻松地掌握水印的实际内容。为了尽最大限度地解决这一问题，可以选择合适的加密算法对水印进行加密，即在水印嵌入产品之前，先对其作加密运算，使之变换为没有任何意义的伪随机序列信息，然后再将它嵌入到产品中。因此，将加密技术和数字水印相结合可更进一步提高水印系统的安全性。

一般在水印在嵌入产品前都要对之进行预期处理，这样大大增加了攻击者在穷举猜测攻击中的难度。水印预处理在数字水印系统安全性方面具有极其重要的作用。

1.2 水印算法策略

1.2.1 水印算法的性能要求

一个数字水印算法的性能要求可以是多方面的，不同的应用的水印有不同的性质要求。通常可以从以下几个方面来考察：

（1）嵌入容量

嵌入容量是指可以在载体中嵌入多少的水印信息量。一般地，数字产品必须嵌入一定的信息量。信息量太少不足以唯一地确定产品的版权，信息量太多又会增加数据的冗余，降低水印的不可觉察性。

（2）鲁棒性

为了满足数字水印技术在各种应用中的安全需要，提高水印的鲁棒性显得尤为重要。数字水印的鲁棒性是指它抵抗水印攻击的能力，即水印能够经受各种信号处理的能力。一个数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真，包括有意的或无意的。

（3）保真性

一般地，数字水印系统的保真性指的是待嵌水印载体数据在水印嵌入前后的数据相似度。在水印系统中，保真性和鲁棒性以及水印容量之间一般要作折衷的处理。

（4）误检率

误检率是指从没有嵌入水印的产品中提取出水印的概率。不同的应用场合要求水印的误检率不同。

（5）确定性

数字水印的确定性是指含水印数字产品中所含的水印能够被唯一的鉴别，即使所含水印的数字产品遭受到一定程度的破坏，提取出的水印仍具有可唯一鉴别性。

一个好的数字水印系统应具备以上五个方面的几个或全部。

1.2.2 基于N点均值的矢量地图水印算法

以前的矢量地图可逆水印算法虽然实现了数据无损修复，但是算法的嵌入容量低、对地图的保真度差。为了寻求以上两个问题的解决方案，本文提出了一种基于N点均值技术的矢量地图水印算法，该算法可以使得矢量地图的水印嵌入容量有较大提高，也降低了嵌入水印后地图图元的扰动。

本文采用的N点均值技术的实施载体是一组具有连续高相似性的实数序列。

（1）本文的水印嵌入算法步骤如下：

①对待加入水印的矢量地图进行多边曲线的提取；

②对提取的每条多边曲线分别进行顶点坐标提取；

③对每条多边曲线的顶点坐标序列分组；

④为防止嵌入水印信息后引起地图曲线的较大扰动，对步骤（1）中每条多边曲线中的分组进行分类（可嵌入水印分组和不可嵌入水印分组）；

⑤采用N点均值技术对每条多边曲线的每个可嵌入水印分组进行水印嵌入，并且在保证扰动很小的情况下可以对该分组递归多次（可无限次）嵌入；

⑥对每条多边曲线的每个分组重复步骤（5），将水印信息完全嵌入其中。

（2）水印提取前首先需对水印地图做一系列预处理，去除几何变换、插入和删除顶点等操作的影响。水印提取过程为：

①按照水印嵌入算法第（1）步对含水印的矢量地图进行多边曲线的提取；

②按照水印嵌入算法第（2）步对提取的每条多边曲线分别进行顶点坐标提取；

③按照水印嵌入算法第（1）步对矢量地图中每条多边曲线进行数据分组划分。

④按照水印嵌入算法第（4）步对每条多边曲线中的分组进行分类；

⑤对筛选出的每条多边曲线中的含水印分组采用N点均值技術，通过比较分组中间点坐标值和分组坐标均值大小进行水印提取；

⑥对每条多边曲线的同一个分组重复步骤⑤，将水印信息完全提取出来，并在每一次提取水印的过程中利用N点均值技术的可修复性将数据修复。

2本文小结

本文主要对矢量地图数字水印的相关技术进行了介绍，给出了本文提出的N点均值公式，并对水印预处理技术进行了详细阐述。本文还指出了目前矢量地图可逆水印算法中存在的不足，并提出了一种新的可逆水印方案。