静态图像的数字水印技术初步研究论文.doc

江苏大学学士学位论文
摘要
随着因特网的日益普及和多媒体技术的发展，多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度，但对多媒体作品的侵权也随之更加容易，篡改也更加方便，极大的损害了作者及版权所有者的利益，如何有效的保护多媒体信息的版权成为安全研究领域的一个热门问题。作为信息隐藏在计算机多媒体领域的一个重要应用，数字水印技术使得人们能够在多媒体信息(如图像、声音、视频)中嵌入不可见的信息(水印)，并且在多媒体信息经过一定程度的处理之后，嵌入的水印信息不会丢失。数字水印技术为多媒体版权保护提供了一个崭新的方法，近年来在国际上引起了人们极大的兴趣和注意，得到广泛的研究和应用。论文首先介绍了数字水印技术及其原理、特点、以及目前的应用状况等等。然后对数字水印算法模型、分类以及典型算法进行了简要的分析。在此基础上，论文遵循国际JPEG静态图像压缩标准的原理，分析了两个“基于DCT变换的数字水印算法”，其中算法I采用私有水印的设计思想，即在提取检测水印信息时需要原始图像；算法II则是半私有水印算法，在提取检测水印时无需原始图像。
关键词： 数字水印； 算法； DCT变换；

Abstract
With the popularization of Internet and the development of multimedia techniques, the digital media, including image, graphics，audio and video etc., has become a main way for information communication. People can get almost information through the Internet, but this also gives rise to serious problems including wide spread copying violation, illegal copying, easy forging etc. which harm the advantage of the author or the copyright owner most . How to provide copyright protection for multimedia data has became an important issue. As a main application in computer multimedia of information hiding, the digital watermarking technique makes it possible embed an invisible signal (watermark) to the multimedia data such as image, audio and video. The digital watermarking technique has been proposed as a valid solution for the need of copyright protection and authentication of multimedia data in a networked environment, since it makes possible to identify the author, owner, distributor or authorized consumer of a multimedia data. So it has drawn extensive attention in recent years. In this paper, the author first makes an introductory review on the digital watermarking techniques including the definition, chrematistics and main application domains of digital watermarking. Then the author analyzes fundamental principles of digital watermarking algorithm in detail such as the general framework, classification and the typical algorithm, puts forward two DCT domain image digital watermarking algorithms based on the principles of JPEG. The algorithm I is a private watermarking algorithm which need the original image in the process of extract the watermark, while the algorithm II don’t need because it is semi-private watermarking algorithm.
Keywords： digital watermark； algorithm； DCT transform；

摘要 1
ABSTRACT 2
前言 4
第一章 数字水印技术概述 6
1.1 信息隐藏 6
1.2 数字水印 7
1.3 数字水印的特征要求 8
1.4 数字水印与数据加密的区别 8
1.5 数字水印的主要应用领域 9
1.6 数字水印技术的应用现状 10
1.6.1 静态图像的版权保护 10
1.6.2 电视音像的版权保护 11
1.6.3 DVD防拷贝 12
第二章 数字水印算法的原理和研究现状 13
2.1 数字水印算法的一般原理 13
2.2 数字水印算法的发展和分类 14
2.2.1空间域水印算法 15
2.2.2变换域水印算法 17
2.3 水印算法的实现形式 19
第三章 基于YCRCB颜色空间DCT变换域的数字水印算法 20
3.1 水印算法的基本设计原理(算法I和算法II) 21
3.1.1颜色模型转换 22
3.1.2离散余弦变换DCT 23
3.1.3水印嵌入位置的选取 24
3.1.4水印信息的生成 26
3.2水印算法I(私有水印)的实现 29
3.2.1水印的嵌入算法 29
3.2.2水印的提取、检测算法 31
3.3水印算法II(半私有水印)的实现 32
3.3.1水印的嵌入算法 32
3.3.2水印的提取、检测算法 33
3.4 水印算法I、II的分析和对比 34
3.4.1 水印的嵌入强度 34
3.4.2水印的信息量 35
3.4.3水印的隐藏性 35
3.4.4水印的鲁棒性 36
3.5 小结 38
结束语 40
参考文献 41
致谢 43

前言
网络的普及和多媒体技术发展为信息的存取、传播提供了极大的便利，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程，人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅捷地将数字信息传达到世界各地，因此网络发布的形式逐渐成为多媒体作品(如音频、视频、图像、动画、电子出版物等等)交流的一种重要形式。但是这也带来了许多新问题，由于对数字信息的拷贝非常容易，而且所得拷贝和原来的完全一样，因此有恶意的个人或团体有可能在没有得到作品所有者的许可下复制、修改、传播有版权的内容，甚至非法用作商业用途，严重侵犯了作者及版权所有者的利益和著作权。
目前使用的版权保护方法主要是通过数据加密技术来实现的，即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布，使得网络传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获得有用的信息，从而达到版权保护和信息安全的目的。但通常的加密技术仅仅是预防性质的，并不能很好的解决版权保护问题：(l)经过加密后，只有少数被授权持有解密密钥的人，才可以存取数据，作者无法向更多的人展示自己的作品：(2)多媒体信息仅仅在加密状态下才受到保护，一旦被解密，多媒体信息就以明文形式存在，完全置于解密人的控制之下，当侵权发生时，无法提供用以进行法律诉讼的有效证据：(3)没有办法追踪多媒体信息的复制、传播状况。例如：如果存在多个授权使用者，其中某一授权使用者非法将多媒体信息传给非授权者，则没有任何直接的证据来证明是“谁”非法传给非授权者的。(4)对于大数据里的多媒体信息进行加密，处理效率差。再者，多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，对某些人来说，解密很具有挑战性。因此如何在网络环境中实施有效的版权保护手段成为一项重要而紧迫的研究课题。
1994年Van Schyndel在国际信息处理会议(International Conference on Information
Processing：ICIP)上发表了题为“A Digital Watermark”的文章，这是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，该文讨论了信息隐藏在多媒体版权保护应用的可行性，并且阐述了一些关于水印的重要概念。该文引起了人们的广泛注意，被认为是一篇具有历史价值的文献。1996年5月30日~6月1日，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术会议研讨会，这标志着一门新兴学科一一信息隐藏(Steganography或Information Hiding)学的正式诞生。此后数字水印技术的研究得到了迅速的发展，成为国际学术界研究的一个前沿热门方向，越来越多的数字水印算法被提出，同时对各种水印的攻击方法也不断被发现。到1999年第三届国际信息隐藏学术会议研讨会，数字水印成为主旋律，会中全部33篇文章中有18篇是关于数字水印的研究。因此，会议主席Andreas Pfitsmann建议，可以将这次会议称为“抗一般有损压缩的水印研讨会”。国内在信息隐藏方面的研究起步稍晚，但已引起了信息安全领域研究人员的普遍关注，并于1999年12月召开了第一届信息隐藏学术研讨会，会议决定研讨会每年召开一次，以促进国内信息隐藏技术的研究工作。第二届信息隐藏学术研讨会2000年6月在北京召开，会议发表了论文集。第三届信息隐藏学术研讨会2001年9月在西安举行。另外，数字水印的研究人员也于2000年1月召开了国内第一届数字水印技术研讨会，并建立了中国数字水印网，对国内数字水印研究工作者的交流起到了很好的促进作用。
作为信息隐藏技术在计算机多媒体领域的一种重要应用，数字水印(Digital watermarking)技术使得人们能够在多媒体信息(如图像、声音、视频)中嵌入不可见的数字信息(水印)。嵌入水印后，充当载体的多媒体数据必须没有明显的降质现象，不影响其使用价值。并且当多媒体数据经过一定程度的处理之后，嵌入的水印信息不会丢失。尽管数字水印技术本身并不能直接阻止拷贝行为，但是却使得人们能够通过验证多媒体信息的所有权来揭露非法拷贝、传播等行为，以法律的手段对其进行制裁，间接地打消盗版者非法复制的企图，起到保护知识产权的作用。数字水印技术为实现有效的多媒体信息版权保护手段提供了一条崭新的思路，成为多媒体信息、安全研究领域的一个热点问题，越来越得到重视。
论文主要研究了两个方面的内容，数字水印算法的实现以及数字水印应用中的安全问题。文中提出了两个不同实现形式的静态图像的水印算法，两个算法的设计都遵循了国际JPEG静态图像压缩标准，在图像亮度信号的DCT域嵌入水印信息。两个算法的区别在于，算法I采用了私有水印的设计思想，即在提取检测水印信息时需要原始图像的参与，对常见的图像处理具有较强的鲁棒性；算法II则采用了半私有水印算法的设计思想，尽管在鲁棒性能方面不如算法I，但是它在提取检测水印时无须原始图像，运用灵活方便，具有较高的实用价值。
论文主要分为3章，第1章介绍了数字水印技术的原理、特点、主要的应用领域以及目前的应用状况等等。第2章主要分析了数字水印算法的一般原理、算法的分类和实现形式，并且讨论了几个具有代表意义的水印算法。第3章提出了两个“基于YCrCb颜色空间DCT变换的数字水印算法”。论文详细的讨论了算法的实现步骤，并且从水印的信息量、水印的隐藏性以及水印的鲁棒性三个方面对两个算法进行了分析，并给出了实验的结论。
第一章 数字水印技术概述
1.1 信息隐藏
信息隐藏(information Hiding或Steganography)主要研究如何将一个信息隐藏于另一充当载体的信息中，然后通过载体信息来传递机密信息。在信息传递的过程中，可能的检测者或非法拦截者难以从载体信息中判断机密信息是否存在，难以截获机密信息，从而能保证机密信息的安全。
信息隐藏技术跟加密技术一样的古老，早在公元前就被人类加以使用来保护信息的秘密通信。例如“史学之父”希腊历史学家希罗多德(Herodotus，484~425BC)在他的著作曾提到几个有关信息隐藏的例子： 第一、将奴隶的头发剃光，然后在其头皮上刺上所要传达的秘密信息，待奴隶的头发又长出后才将其送出； 第二、将秘密信息写在木板上面，然后在上面覆盖一层蜡； 第三、将信放置于尚未去皮的野兔中，然后将信息传递者乔装成猎人的模样将信息送出。
1996年，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术会议研讨会，这次会议把信息隐藏确定为一门正式的学科，并且达成了关于信息隐藏核心系统的模型(图1-l)。
Stego-Key
Stego-Key

Stego-datatype
Cover-
datatype

Embedded-datatype
Embedded- datatype

图1－1信息隐藏核心系统模型
图中datatype代表“文本”、“消息”、“图像”、“声音”等合适的数据类型。Embedded-datatype代表被隐藏的信息。Cover-datatype是充当载体的信息。Stego-datatype是隐藏过程的输出，是载有隐藏信息的数据。Stego-Key是在隐藏过程中需要的密钥，在提取隐藏信息的过程中也需要此密钥。
作为一门新兴的交叉学科，信息隐藏学结合了许多不同的研究领域的思想，如信号处理、图像理论、编码理论、信息论、密码学、计算机科学、检测理论、概率论和随机过程、对策论、算法设计等技术，以及公共策略和法律，因此它在计算机、通讯、保密学等领域有着广泛的应用前景。而数字水印(Digital Watermarking)技术作为信息隐藏在计算机多媒体领域的重要应用，为多媒体的版权保护提供了一个崭新的思路，己受到人们越来越多的重视，成为目前的一个研究热点。
1.2 数字水印
提起“水印”，马上会使我们联想到纸币、纸张或图片上的水印，这些可见的“水印”可以用来证明纸币或纸张上内容的合法性和拥有权(见图1－2)。同样，数字水印也可以用来证明多媒体作品的拥有权、真实性。它们的不同之处在于，传统水印一般是采用印刷、图像合成等技术来实现的，人眼可以看得见； 而数字水印则是隐藏在数字化的多媒体内容中的数字信息，对于人的视觉或听觉而言通常是不可见或不可察觉的，但是通过计算操作可以检测或者被提取。由于数字水印信息与充当载体的多媒体数据紧密结合并隐藏其中，成为不可分离的一部分，所以能够经历一些不破坏载体数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。

图1－2 可见水印 (图片上被合成了“IBM”字样)
众所周知，人类的听觉和视觉系统是有缺陷的检测器，听觉和视觉的信号在可被人察觉前必须有一个最小的强度和对比级，这些最小级取决于人类听觉和视觉系统的空间、时间和频率特征。而数字多媒体信息(如图片、视频、音频等)都是为了满足人们视觉、听觉的感官需求的，所以在不可破坏其观赏价值和使用价值的前提条件下，嵌入数字水印而不被察觉是可能的。任何数字信息与模拟信号一样，都有其固有的误差范围，即所谓的噪声，因为它只是模拟信号的近似值，数字水印的制作过程可看是作将水印信息作为附加噪声融合在原多媒体信息当中，只要附加噪声的强度小于人的感觉器官能够察觉到的最小强度，水印信息就无法被看见或听见，所有数字水印技术都明确地或隐含地利用了人类视觉或听觉的这个特征。

1.3 数字水印的特征要求
根据信息隐藏的目的和技术要求，数字水印一般应具有以下基本特征：
(1)透明性(Invisibility)数字水印的隐藏性要求水印信息和载体数据融合在一起，嵌入水印后，载体数据必须没有明显的降质现象，不影响其使用价值，如：不影响图像的视觉效果、真实性。水印信息无法为人的知觉系统觉察，只能看见或听见源数据。
(2)不可检测性(undetectability)水印信息应该与载体数据具有一致的特性，如具有一致的统计噪声分布等，使得非法拦截者无法判断是否有隐藏信息。
(3)鲁棒性(Robustness)鲁棒性也称为强壮性，是指嵌入水印后的数据经过各种处理操作和攻击操作以后，不会导致其中的水印信息丢失或被破坏的能力。一些常用的处理操作主要有模糊、几何变形、放缩、压缩、格式变换、剪切、D/A和A/D转换、滤波、直方图、有损压缩等。当然不同的应用对水印的鲁棒性要求不一样，如用于版权保护的鲁棒水印必须能够抵抗恶意的处理和攻击，因此需要具有很强的鲁棒性；用于完整性认证的易损水印或注释水印则不需要抵抗恶意攻击。可见从水印鲁棒性的角度来看，数字水印可以分为两大类，即强水印和弱水印。由于弱水印的用途有限、实现也较为容易，因此目前对数字水印的研究主要集中在强水印的实现方面。
(4)安全性(security)安全性是指水印信息隐藏的位置及内容不为人所知，水印信息应该直接嵌入到多媒体的数据中去，而不是文件的附加信息中去，如文件头等。
1.4 数字水印与数据加密的区别
作为通信保密家族中的孪生兄弟，数据水印和数据加密技术都是为了保护通信的秘密性而产生和发展起来的，两者是有一定的共性的，但是也有明显的区别。
(1)隐藏的对象不同数据加密技术是将所要传递的信息进行特殊的编码，形成不可识别的密码形式；而数据水印技术则是将传递的信息隐藏到充当载体的多媒体数据中去，使之不易被察觉。数字水印使得可能的监察者不知道隐藏的信息在发送，而数据加密中的监察者是知道有一个秘密信息在发送的。加密是隐藏信息的内容，而数字水印主要是隐藏信息的存在性，这是数字水印与数据加密的一个本质不同。隐蔽通信比加密通信更安全，因为它隐藏了通信的内容以及通信过程的存在，不易引起怀疑。
(2)对保护对像的影响不同传统的加密方法对数据的加密后，要使用该数据，必须先解密：而数字水印不影响宿主数据的使用，只是在需要检测隐藏的那一部分数据时才进行检测，不影响其使用和隐藏信息的作用。
(3)保护的时间长短不同数据加密技术一般来说，是在数据传递或储存时将数据加密，当需要使用时，则需要将之解密：而用于版权保护的数字水印则需要在多媒体数据生命期内一直存在，即存在于传递、保存、使用等所有过程中，可见数字水印比数据加密具有更长时间的保护效力。
(4)对数据失真的容许程度不同多媒体信息在传递的过程中一般会受到不同程度的处理，因此用于多媒体内容版权保护和真实性认证的数字水印必须能够容忍载体一定程度的失真；而对于数据加密而言，加密后的数据是不容许改变的，甚至是一个比特的变化，否则可能就无法解密。
尽管数字水印和数据加密之间存在着上述的区别，但是密码学中的很多思想可以借鉴到数字水印中来，如数字水印系统的安全性应建立在密钥的基础上，不能通过对算法保密来得到安全性，而且数字水印的实际应用往往需要借助密码体制才能实现。
1.5 数字水印的主要应用领域
从目前的数字水印技术的发展来看，数字水印的主要用途基本上可以分为以下几类：
(l)所有权证明(Proof of Ownership)多媒体作品的所有者在其数字作品中嵌入一个水印，然后公开发布他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者就可以从盗版作品或水印作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。对这种应用领域来说，水印技术必须有较好的鲁棒性、安全性、透明性。
(2)认证(Authentication)当多媒体作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常常需要确定它们的内容有没有被修改、伪造或特殊处理过。在这种情况下可以在多媒体作品中嵌入弱水印，当含有水印的多媒体作品遭到恶意修改时，必然会影响到水印信息，这样通过确认水印的完整性就可证实多媒体作品的完整性和真实性。
(3)交易跟踪(Transaction Tracking)当同一种多媒体作品存在多个授权用户时，为避免其中的一些授权用户进行未经授权的拷贝制作和发行，作品所有者可以在发放给不同授权用户的多媒体作品中嵌入一种能够标识该用户的水印信息，例如用户的ID或序列号等，这种水印被称为指纹(Fingerprint)。所有者一旦发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所提取出的指纹来确定它的来源。
(4)广播监测(Broadcast Monitoring)1997年，日本一起关于电视广告的丑闻被揭露，至少有两家电视台超额定出了电视广播时间。结果众多的广告客户付了巨额的广告费用后，他们的广告却从未播出，这种情况在日本存在至少有20年。这次事件使得众多的企业或个人迫切的希望能够对电视节目或广播电台节目进行监测：广告客户能够确保他们的广告按时播出：版权所有者能够确定自己的作品没有被非授权电台播出，等等。于是数字水印技术被引入到了广播、电视的检测中来，数字水印技术使得广告客户可以在他们的广告节目中嵌入水印信息，版权所有者可以在其作品中嵌入版权信息。此外一个专门的监测站负责接收电视或广播信号，并从中检测、辨认水印的存在以及出现的时间。
(5)隐式注释(Concealed Remark)这类水印信息主要用于解释多媒体作品的相关信息，如：在CD音乐中隐藏该乐曲的简介、作曲、定购信息、访问连接等操作代码，在图像中隐藏图像名称和图像内容简介、创作者等。
(6)拷贝控制(Copy Control)数字水印技术本身并不能阻止非法的拷贝行为，但是一旦转录设备中集成了一种水印检测芯片，那么数字水印就可以用来阻止非法的拷贝。这种应用的一个典型的例子DVD防拷贝系统，即将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机中的水印检测芯片就可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其可拷贝性，从而保护出品人的商业利益。
(7)秘密通信(Covert Communication)跟数据加密一样，数字水印技术也能很好的用于信息的秘密通信。与数据加密技术相比，数字水印用于通信具有更好的隐藏性，因为它隐藏了通信的内容以及通信过程的存在，因而不易引起怀疑，从而逃过恶意的拦截。这个领域应用的典型就是数字图像信封。
1.6 数字水印技术的应用现状
数字水印产品虽然只是近两年才出现的，但其具有较强的发展趋势和不可限量的市场前景。许多外国研究机构和公司，其中不乏欧美的名牌大学和公司，例如美国的麻省理工学院、Purdue大学，英国的剑桥大学、GeorageMason大学，瑞士的洛桑联邦工技院，美国的NEC研究所和IBM研究所等等，都投入了大量的人力、财力和物力，开始了这方面的研究，使数字水印应用的领域得以拓宽。
1.6.1 静态图像的版权保护
1996年12月，美国Adobesystems公司在上市的图像编辑软件AdobePhotoshop4.0中提供了数字水印功能，其中数字水印的嵌入和阅读主要通过Digimarc滤镜来实现。 Digimarc滤镜可以为Photoshop图像添加版权信息，通过数字水印提醒使用者注意此图像受版权保护，数字水印使用了Digimarc公司的Picture Marc技术，水印信息被添加到图像的亮度信号上。要使用Photoshop中数字水印的功能，必须首先在Digimarc公司注册以便获得唯一的创作者ID号，该公司保存有艺术家、设计家、摄影家及其相关信息的数据库，取得ID号后就可在自己的图像里嵌入该ID号及图像使用信息，如自由使用或有限制使用。
此外，美国NEC Research Institute开发了可在图像数据中嵌入数字水印软件Tiger Mark Data Blade。美国Informixsoftware公司开发的数据库管理系统INFORMIX-Universal Server也可作为嵌入数字水印软件使用。这些软件可以在任何照片、计算机图形等静止图像中嵌入数字水印可起到保护著作权的作用。
1.6.2 电视音像的版权保护
欧洲电子产业界和有关大学正在协作开发采用数字水印技术监视不正当复制音像软件的监视系统，以防止数字广播业者的不正当复制的行为。该开发计划名称为“TALISMAN (Tracing Authors’Rights by Labeling Image Services and Monitoring Access Networks)”。作为欧洲电子产业界等组织的欧共体项目，有11个通信与广播业者、研究单位和大学参加了该系统的开发，它们是：法国Thomson-CSFCommunication公司、法国ART3000公司、比利时UniversiteCatholiquedeLouvain、比利时RTBF公司、比利时Beigarchive公司、比利时SACD公司、葡萄牙InstitutsuperiorTeconico、德国FraunhoferlnstitutIGDDarmstadt、西班牙HisPasat公司、意大利CSELT公司、瑞士EcolePolytechniqueFedealedeLausanne。
系统使用两种识别(ID)信息：一种是著作权人、广播业者的ID号码，使用数字水印将识别号码嵌入图像数据中：另一种是使用类似国际书号(ISBN)的著作权号码，这些信息是插入在图像数据的前端。采用两个ID信息的目的是为了更有效地保护著作权。负责管理该计划的法国Thomson-CS FCommunications公司的有关人员称，在图像数据中插入著作权号码能很容易地被去掉，而采用数字水印技术可对著作权实施双重保护。
该计划为实现对著作权的保护，计划进行数字水印嵌入系统(Watermarking System)、著作权号码插入系统(Labeling System)和检测埋入的著作权信息与监视广播业者之间不正当复制系统(Monitoring System)三个系统的开发。其中，数字水印系统和著作权号码插入系统供影像软件制作者使用，用软件进行安装。数字水印技术将从德国FraunhoferlnstitutlGDDarlllstadt的CRCG公司、比利时的 UCL大学和瑞士EPFL的研究小组提出的方案中选择。FraunhoferCRCG公司的方案是采用扩频的方法，在图像数据的频率中嵌入ID信息。UCL大学的方案是采用在图像数据的亮度值中嵌入ID信息的技术。该技术是将图像数据分割成8×8像素的数据块，在每个数据块中嵌入1位ID信息。EPFL的方案是采用频率振幅调制方式，是将ID号码嵌入到构成彩色信号的蓝色信号中。检测嵌入的著作权信息与监视广播业者之间不正当复制系统，是由意大利的CSELT公司和Thomson- CSFCommunications公司进行开发，供广播业者成立的第三者机构用于监视非法复制或未经许可的播放。该系统采用DSP(Digital Signal Processor)检测数字水印或著作权号码。该计划完成后，还计划将埋入ID信息的功能以硬件方式安装在业务用电视摄像机中。
1.6.3 DVD防拷贝
1996年，美国电影协会(MPAA)、消费电子产品制造商协会(CEMA)和部分计算机厂商联合成立了国际版权保护技术工作组(CPTWG)来研究防止数字视频，特别是DVD产品被私自复制的技术问题。CPTWG已经成功地研制出DVD防拷贝系统的主要部分，这包括己在应用中的三种比较可靠的技术，即内容加扰系统(CSS)，模拟信号防护系统(APS)和拷贝管理系统(CGMS)。1997年，CPTWG专门成立了数据隐藏子工作组(DHSG)来评价当前的水印技术应用于防拷贝系统的先进性和可靠性，希望引入数字水印技术。按照DHSG的约定，将有两类应用水印技术的模块加入到DVD防拷贝系统中，分别是记录控制与回放控制。记录控制取代了CGMS的功能。它利用鲁棒性水印将CGMS数据保护起来，保证拷贝控制比特不会被轻易除去，从而有效防止因消除有关数据而引起的非法拷贝。引入回放控制的优点在于：如果盗版者成功地生成了不含CSS密钥信息的非法DVD拷贝，由于水印仍然存在于这一拷贝中，符合标准的光盘播放机将会读出受水印保护的拷贝控制信息，并根据DVD盘片本身的特点作出拒绝回放的判断。这样就将这种非法盘片的市场仅限制在那些拥有非标准播放设备的用户中。而另一方面，这种非标准播放设备却不能播放合法的正版DVD光盘，以此增强防拷贝系统的抗破坏能力。现今世界各大知名公司如IBM、NEC、SONY、PHILIPS等，为了抢占DVD这个具有巨大市场中的一席之地，加速数字水印技术的研制和完善，就这项技术的研究开发相继走上了强强联合之路，如NEC与IBM公司，PHILIPS、Macrovision与Digimarc公司。
此外，日本电器公司、日立制作所、先锋、索尼及美国商用机器公司等也正在联合开发基于数字水印技术的DVD影碟防盗版技术。这项技术使得消费者可以在自用的范围内复制和欣赏高质量的电影节目，而以盈利为目的的大批量非法复制则无法进行。
第二章 数字水印算法的原理和研究现状
2.1 数字水印算法的一般原理
通用的数字水印算法通常可以分为两个部分：水印信息的嵌入算法和水印信息的提取、检测算法。水印的嵌入算法主要是将水印信息加入到载体数据中去：提取、检测算法主要实现从水印化数据中提取出水印信息或者检测水印信息的存在性。充当水印的信息一般包括文本、数字标识、图像、随机数字序列等等，从鲁棒性和安全性考虑，水印信息在嵌入前常常需要进行预处理，如加密、随机化等。载体数据可以是图片、视频、音频等。方便起见，本文研究的水印算法是基于静态图像来讨论的。
设W为水印信息，为水印预处理过程中所采用的密钥，那么处理后的水印由函数F定义如下：
=F (W，)
数字水印的嵌入模型如下图所示：
水印信息
原始图像
嵌入密钥
水印嵌入
算法
水印图像

图2－1水印信息的嵌入
设有原始图像I和水印信息，水印嵌入算法为E，水印嵌入时所采用的密钥为，那么水印图像可表示如下：
=E (I，，)
水印的提取模型加图2－2全所示。图中的虚线框表示非必要条件。
提取密钥
水印图像

原始图像

水印提取
算法
水印信息

图2－2水印信息的提取
如果将这一过程定义为提取函数D，提取密钥为，(与可以相同，也可以不相同)，那么提取出的水印可以表示为：
=D（，I，)
水印图像在传播的过程中，不可避免的会遭受到一系列有意或无意的处理，因此水印信息的完整性很有可能受到不同程度的影响。如果水印提取算法提取出的水印信息己经受到了破坏，那么就不得不对该水印信息进行相关性检测，以判断原始水印信息的存在性。水印的检测过程需要原始的水印信息作为条件，如果已知有疑问的水印信息，其检测过程可表示如下(图2-3)：

其中函数C称为相关检测函数，一般的可以采用信号处理学中的相似性检验算法，为决策阈值。
提取密钥
水印图像

原始图像

水印检测
算法
水印存在否？
水印信息

图2-3水印信息的存在性检测
在水印嵌入和提取、检测算法中分别用到了类似于密码学中的密钥(提取密钥和提取密钥)。一般的，它们可以是水印信息加解密的密钥、生成水印序列的种子、水印嵌入位置控制信息等，也可以是以上信息的组合。当水印是由非嵌入者进行提取检测时，为了保证真实性、可靠性，密钥还应该包括密钥信息的签名信息。可见水印算法中的密钥与密码学中的密钥是有区别的，因此有文献将之称“KeyFile”。
2.2 数字水印算法的发展和分类
经过数十年的研究数字水印技术取得了很大的进步，见诸于各种文献的水印算法有很多种，然而从水印嵌入方式的角度来看，图像水印算法主要分为两大类：空间域(spatial Domain)水印算法和变换域(Transform Domain)水印算法。
在开发数字水印技术的早期，研究工作主要集中于如何在数字信号里安全可靠地隐藏信息，其重点是突出隐藏的保密性和信息量的大小，而不关心其它特性。这是因为在特定的应用中，总是希望在通信双方之间存在一个隐蔽的信道，如果这个信道仅有通信双方知道，对隐藏信息的鲁棒性就要求得较低，也就不存在抗攻击能力的问题。空间域水印算法就属于这种思想的产物，因此大部分空间域水印算法都具有较差的鲁棒性。但随着数字水印技术应用的推广，尤其是数字水印技术被广泛用于版权控制方面，因而对一般信号变换的鲁棒性和抗攻击破坏能力的问题就会被重视起来，以至于牺牲一些其他方面的特性，如早期研究人员所推崇的隐藏信息“不可感知性”已被更为实际的“不易察觉性”和“鲁棒性”所代替。这是因为如果一味的追求水印的不可感知，而忽视其鲁棒性，那么就能够很容易地将隐藏信息消除掉，从而无法达到保护数字产品版权的目的。为了提高水印的鲁棒性，越来越复杂的数学方法被引入到水印算法设计中来，如傅立叶变换、小波变换，于是产生了一种要比空间域水印算法更加优越的水印算法，即变换域水印算法。
2.2.1空间域水印算法
空间域水印算法是将水印信息按某种算法直接叠加到图像的空间域上，考虑到视觉上的隐藏性，水印信息一般是嵌入到图像不重要的像素位上。其优点在于对载体图像的影响很小，计算速度比较快，可隐藏较多的水印信息，而且适用于多种媒体，如静态图像、声音、视频等等。但是空间域水印算法具有较弱的鲁棒性，抵抗图像的几何变形、噪声和有损压缩等常见处理的能力较差。
空间域水印算法的典型代表为Schyndel水印算法和Patchwork算法。
Schyndel水印算法是最早的水印算法，它是由Van Schyndel于1994年在其文章“A Digital Watermark”中提出的。此算法首先把一个密钥输入到一个m-序列(Maximum-Length
Random sequence)发生器来产生水印信息，然后将此m-序列被逐一插入到图像的像素二进制值的最低位，所以该算法又被称为LSB低位(Least significant Bits)水印算法。提取水印时，只要将水印图像的像素二进制值的最后一位取出，即可恢复水印。
举个例子：假设嵌入的水印数据为11010011，作为载体的图像数据为111101101，10101100，01101101，11101110，10000101，00001011，11011010，11001001，水印的嵌入过程如下所示：