基于图像的数字水印算法综述

0 引言

近年来，随着计算机技术的发展和互联网的普及，各种信息与数据（如图像、视频、音频等）在网络上传播，盗版现象严重。数字产品的版权保护与安全性受到人们的重视。与此同时，数字水印技术应运而生。

数字水印技术（digital watermarking）不同于以往的加密技术，是通过把数字、序列号、文字、图像标志等各类能表示版权信息隐藏到宿主文件中，类似于自然界的保护色，巧妙的将自己进行伪装，不易被敌人发现而被攻击。因此从水印技术自身来说，它具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。

1 数字水印性质

对于基于图像的数字水印，通常具有下列几方面的性质：

（1）鲁棒性：又称稳健性，即非法用户对图像做一些无意修改和有针对性的恶意攻击后，仍可提取出水印进行版权认证。

（2）透明性：又称不可见性或不可感知性。顾名思义，在宿主图像中嵌入标示版权的水印信息后，不会引起图像质量的失真和影响图像的使用价值。对于使用者来说，是察觉不出图片中嵌入水印信息的。

（3）安全性：水印算法有较强的抵抗人为攻击的能力。也就是说，对于非授权用户来说，水印信息是不易被阅读、修改和伪造的。

2 国内外水印研究的动态

图像数字水印的鲁棒性和透明性是矛盾的和相互制约的。数字水印技术的难点就是如何解决这一矛盾。因此，水印算法为了兼顾这两方面的特征，在最大程度的满足鲁棒性的同时，兼顾透明性。

2.1 多重水印

目前，单一的水印嵌入图像的方法已经不能满足版权认证的要求。因而，多重水印技术是根据多著作权或者产品在不同阶段的版权认证的应用需要，在数字产品中嵌入两种或两种以上的水印。文献[1][2][3][4]是几种典型的多重水印算法。文献[1]提出了一种基于DCT域的多功能水印算法。首先定义了一个秘密通信协议，然后分别嵌入两个水印。其中，鲁棒水印用来确定图像的版权认证，半脆弱水印是用来检测宿主图像是否被篡改。文献[2]提出了一种基于小波包变换（WPT）和离散余弦变换（DCT）的双水印算法。算法将原图像做3级小波包分解后的低频部分和高频部分分别嵌入水印。低频部分嵌入水印时，首先对宿主图像的三级逼近子带小波包系数做DCT变换，然后在DCT域幅值最大的前K个系数上嵌入整个水印序列，并保持其他DCT系数不变。高频部分按跟分块是否位纹理块选择子块中幅值最大的系数嵌入一个水印值，直到嵌入整个水印序列嵌入水印。文献[3]提出一种基于小波和混沌的多重水印零嵌入算法。该算法利用小波零树结构构造匹配矩阵，然后用其加载已由混沌空域置乱的多重二值图像水印。文献[4]是针对多重数字水印的实际应用，结合密码学中的安全双方计算协议和零知识证明协议，使用了一种动态多重数字水印的方法。其解决了多个作者无规律进入数字产品设计时联合水印的生成问题，并有效地保护了每位作者的身份信息，从而提高多重数字水印在实际应用中的安全性和实用性。

2.2 零水印

零水印技术是一种新的数字水印技术。它不对原图像数据进行修改，主要是对提取原始图像的特征通过一定的加密技术形成水印，然后需要在第三方数据库注册该特征值在作为公证。由于零水印完全不破坏图像的质量，因此这种算法具有很强的不可见性和保密性。文献[5]是一种基于小波变换的零水印。文中把置乱的水印和经过小波变换的公开图像的低频频带的灰度值转化为二进制整数，然后把这两个二值图像按位求反运算并按位异或运算。最后把运算结果进行加密处理，转化为像素值保存为一幅图像。文献[6]提出了一种基于混沌阵列的鲁棒零水印算法。首先构造了一个混沌阵列，然后利用该混沌阵列来在图像中寻找嵌入位置，得到该位置的像素值得最高有效位，在通过和水印信息的比较结果在混沌阵列中设置标志构造出最终的水印阵列。文献[7]以小波变换低频子带部分小波系数的特征，采用混沌法随机抽取小波系数，提出了一种基于混沌调制的图像零水印方法。

2.3 自适应水印

自适应水印法在数字水印中占有重要地位。文献[8]提出了两种基于多尺度形态分割的自适应水印。一种是基于空间域的LSB水印算法，另一种是基于DWT域的水印算法。文中首先对宿主图像进行形态学分割，使图像分为不同的纹理区域。根据各个纹理区域纹理的不同分别用上述方法嵌入水印。文献[9]介绍了一种利用小波包分解的特点并结合人类视觉的特性的一种自适应水印算法。该方法主要思想是在将水印图像的低频部分根据原始图像低频部分子块的纹理块与否选择绝对值最大的小波包系数用不同的强度嵌入水印低频信息，水印图像的高频部分则是通过比较择低频频带的高频区HL 2和高频频带的低频区GG2相同位置上的分块能量大小，在能量大的块中，选择小波包系数绝对值最大的嵌入水印（水印嵌入用的是一般方法）。该算法简单，提高了水印嵌入容量，并结合了小波域低频和高频的特性提高了其鲁棒性和不可见性。文献[10]是通过对以前提出的人类视觉模型（HVS）的基本公式进行调制的一种水印方法。文中提出一种（RSCS）方法，用来选择重要小波系数。通过一个门限把要嵌入水印的细节子带转化成{0，1}矩阵。用形态学滤波，保留相关系数，去除不相关系数。用数学形态学进行膨胀来增加嵌入系数数量。选择系数的方法结合了数学形态学。为数字水印重要系数选择提供了一种新的思路。

3 结束语

数字水印技术是一门新兴的交叉学科，它涵盖图像数据压缩技术、处理技术、计算机网络与技术、网络安全、信息传输、信号检测与估计、语音人眼视觉系统、通信与信息理论、编码技术等多门学科知识。近年来，各国研究人员在其领域取得了重要的研究成果，但是目前为止，数字水印技术缺乏完整的理论体系支撑，评判标准不统一，仍然还有许多问题尚待解决。