数字水印技术简介与应用

专业导论课程论文

题目：数字水印技术简介与应用姓名：班级：信息研学号：XXX鹏飞 1002班 xxxxxx

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目 录

摘 要 ...................................................................... I ABSTRACT ................................................................... II 1绪论 ...................................................................... 1 1.1专业导论课程综述 ...................................................... 1

1.1.1 计算机视觉技术 .................................................... 1 1.1.2 光纤传感技术与应用 ................................................ 2 1.1.3嵌入式技术 ......................................................... 2 1.1.4物联网基本介绍及技术特点 ........................................... 3 1.2研究的目的及意义 ...................................................... 3 1.3论文主要研究内容 ...................................................... 4 2 数字水印技术简介 .......................................................... 5 2.1数字水印的基本原理 .................................................... 5

2.1.1 水印的生成 ........................................................ 5 2.1.2 水印的嵌入 ........................................................ 5 2.1.3 水印的提取和检测 .................................................. 6 2.2数字水印的特点 ........................................................ 7 2.3数字水印算法 .......................................................... 8 3数字水印系统 ............................................................. 10 3.1 系统总体设计及其原理 ................................................. 10 3.2 系统特点 ............................................................. 11 3.3 数字水印的性能参数 ................................................... 11

3.3.1 感知质量 ......................................................... 12 3.3.2 检测性能 ......................................................... 12 3.3.3 负载 ............................................................. 12 3.3.4 算法复杂度 ....................................................... 12 4数字水印的典型应用 ....................................................... 14 4.1 版权保护 ............................................................. 14 4.2 数字签名 ............................................................. 14 4.3 数字指纹 ............................................................. 14 5 全文总结与展望 ........................................................... 16 参考文献 ................................................................... 17

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数字水印技术简介与应用

摘 要

随着数字技术和因特网的的飞速发展及多媒体的广泛应用，图像、音视频和文本等多媒体信息可以很方便地被传播、拷贝、存储和处理。数字水印技术作为一种信息安全和版权保护的新技术 ,成为了数字领域一个重要的研究内容。数字水印一般要满足不可见性、安全性和鲁棒性。本文研究了基于动态安全许可下的数字版权保护技术——数字水印技术。分析了数字水印技术的原理、特点、基本参数、水印系统以及数字水印技术的几个典型的应用，通过数字水印保护技术构建基于开放框架和标准的网络多媒体数字版权保护系统模型。

关键词：数字水印；动态安全许可；数字水印应用

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Abstract

With the development of digital technology and the Internet, multimedia, digital world

more colorful, multimedia application, images, video and text and other multimedia information can easily be spread, People acquire, copy, process the information easily.Digital watermarking technology as a information security and copyright protection,and this new technology became an important research content in the digital realm. Digital watermarking in general to meet not visible, safety and robustness. In this paper, based on dynamic security clearance under the digital copyright protection technology, the current main information hiding and digital watermarking technology. Protected by digital watermark technology to build an open framework and standards-based network model for multimedia digital rights protection system.This paper analyzes the digital watermarking technique principle, characteristics, basic parameters, the watermarking system and digital watermarking technology of several typical applications, through constructing digital watermarking protection technology based on open framework and standard network multimedia digital copyright protection system model.

Key words：digital Watermarking;dynamic security clearance; Digital watermarking application

II

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1绪论

1.1专业导论课程综述

本学期的专业导论课程几位老师给我们介绍了几个专题讲座，包括数字水印技术、光纤传感技术与应用、嵌入式技术、物联网基本介绍及技术特点以及计算机视觉，让我们开阔了视野，了解这些前沿技术。本文主要是介绍数字水印技术以及数字水印的一些应用。

1.1.1 计算机视觉技术

计算机视觉就是用各种成象系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大 脑完成处理和解释。计算机视觉的最终研究目标就是使计算机能象人那样通过视觉观察和 理解世界，具有自主适应环境的能力。

MARR视觉理论是计算机视觉的基本理论，对于计算机视觉的发展起着重要的推动作用。

信息处理过程包含了多个层次，我们应在不同的层次上寻求各种不同的解释，这些层次之间相互连接的细节是十分复杂的。表象的定义：一种能把某些实体或某几类信息表达清楚的形式化系统（如我们通常使用的阿拉伯数字）。

信息处理的三个层次： （1）计算理论：

它含有两个独立的论点，即计算的是什么东西，为什么要计算这些东西最后得到的运算仅由它必须满足的约束条件唯一的确定。它实际上是实现一种信息到另一种信息的映射。以二维方式寻找基本特征，如角点，边缘，纹理，边界等。 （2）表象和算法：

这一层次要进行两个选择：选择处理的输入表象和输出表象，选择一个实际上能完成表象变换的算法要点：通常有许多可供选择的表象算法的选择往往主要取决于所使用的特殊的表象 即使对于一个给定的固定表象，也常常有好几种能完成同样处理任务的算法。即需要根据上一步的基元图回复深度信息。 （3）硬件实现：

物理上具体实现处理的装置同一个算法可以用完全不同的技术途径来实现要解释某些现象，要放到其所对应得层次上这三个层次之间是有耦合的，尽管很松散。对于信息处理的观点，至关重要的仍是最高层次即计算理论层次，这是因为构成知觉基础的计算的本质，与其说取决于用以解决计算问题的特殊的硬件，倒不如说取决于必须予以解决的计算问题的本身。根据理论，实现最后三维图像的显示和分析。

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1.1.2 光纤传感技术与应用

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。 光纤传感，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。

光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比

具有很多优势。传统的光纤传感器绝大部分都是“光强型”和“干涉型”的。光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于光纤传感器的地方，其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。另外，光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围的测量，光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。

1.1.3嵌入式技术

嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、数据传输技术（语音、图像，等等）、传感器技术，与具体应用对象相结合的产物。嵌入式系统包括硬件和软件两大部分。嵌入式技术的硬件，包括微处理器、微控制器、外围芯片和设备，以及基于这些芯片的嵌入式硬件系统。嵌入式技术的软件，包括嵌入式操作系统与应用软件。在嵌入式系统中，操作系统和应用软件常被集成于计算机硬件系统之中，使系统的应用软件与硬件一体化。

嵌入式系统的应用主要有：通用计算机的外部设备中包含有5～10 个嵌入式微处理器， 键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、数字相机等均是由嵌入式处理器控制的；嵌入式操作系统、嵌入式开发平台、嵌入式数据库和嵌入式芯片，已经广泛应用于信息电器、移动计算设备（包括手机、PDA、掌上电脑等）、网络设备（路由器、交换机、Web server、网络接入盒等）、工业控制系统，以及仪器仪表；在工业领域，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业机器人和服务机器人将逐渐改变传统的工业生产方式。过程控制流程、通信领域、仪器仪表、运输装备、军事装备、航天领域、消费类产品等方面，均是嵌入式计算机的应用领域。

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1.1.4物联网基本介绍及技术特点

物联网是无线传感器技术、RFID技术、人工智能技术、故障诊断技术、计算机网络技术等发展的产物，在城市环境监测、交通、安防、水源监测、火山监测、家庭、人体等人类生活的各种场合得到广泛应用。 物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。

物联网中非常重要的技术是射频识别（RFID）技术。RFID是射频识别（Radio Frequency Identification）技术英文缩写，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，是目前比较先进的一种非接触识别技术。以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。 而 RFID，正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。

信息化革命的浪潮，物联网被称为信息技术移动泛在化的一个具体应用。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，打破了之前的传统思维，人类可以实现无所不在的计算和网络连接[3]。传统的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。而在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。“物联网”使得人们可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，管理未来的城市，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

1.2研究的目的及意义

随着数字技术和因特网的发展，多媒体数字世界越来越丰富多彩，数字产品几乎影响到每个人的日常生活。但是，所有这些发展变化的同时其有一个严重的缺陷：图像复制和分发十分严重。使人们获取、复制、处理这些信息轻而易举。因此版权保护成为一个迫切需要解决的问题。加密技术是数字信息发行物版权保护的一种有效的方法，这成倍地增加了开发成本。而且要使用专用的硬件以防止他人对数据信息的直接访问。然而，大多数加密协议只关注安全通信，而不研究开发以及隐秘的版权侵犯。最近几年，许多研究人员尝

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试用新的手段来解决这一难题。

数字版权保护技术 (Digital Rights Management ，DRM) 就是以一定的计算方法，实现对数字内容的保护，包括电子书 (eBook) 、视频、音频、图片等数字内容。DRM技术的目的是保护数字内容的版权，从技术上防止数字内容的非法复制，或者在一定程度上使复制很困难，最终，用户必须在得到授权后才能使用数字内容。DRM 涉及的主要技术包括数字标识技术、安全和加密技术、存储技术、电子交易技术等等[1]。

数字版权保护方法主要有两类，一类是采用数字水印技术，另一类是以数据加密和防拷贝为核心的数字隐藏技术[2]。数字水印 (Digital Watermark)技术是在数字内容中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测工具才能提取。数字水印可以用于图片、音乐和电影的版权保护，在基本不损害原作品质量的情况下，把著作权相关的信息，隐藏在图片、音乐或电影中，而产生的变化通过人的视觉或听觉是发现不了的。以数据加密和防拷贝为核心的数字隐藏技术，是把数字内容进行加密，只有授权用户才能得到解密的密钥，而且密钥是与用户的硬件信息绑定的。加密技术加上硬件绑定技术，防止了非法拷贝，这种技术也能有效地达到版权保护的目的。目前应用比较广泛的是数字水印技术。

1.3论文主要研究内容

本文结合数字水印和动态安全许可技术，对开放网络环境中多媒体数字版权保护的相关理论与关键技术进行深入研究，其主要研究内容包括：

（1）针对目前数字版权保护系统难以保证通用性和安全性的问题，运用数字水印构建基于开放框架和标准的网络多媒体数字版权保护系统模型。

（2）研究适用于网络多媒体数据（文字、图像、音频、视频和三维图形数据）版权保护的鲁棒盲数字水印算法、网络环境下用于内容完整性认证的半脆弱数字水印算法以及应用于多种交易环境下的数字水印协议和现在一些常用算法以及数字水印的原理。 （3）介绍数字水印系统的框架结构以及它的组成部分。

（4）介绍数字水印技术在当前的一些典型的应用。

（5）最近总结与展望，总结了本次设计中所作的工作，对该课程的一些体会，对以后学习和工作的帮助。

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2 数字水印技术简介

2.1数字水印的基本原理

数字水印的基本原理就是将具有特定意义的标记，利用数字水印嵌入的方法隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。在实际应用中，一个完整的水印系统的设计必然包括水印的生成、嵌入和提取三部分。

2.1.1 水印的生成

水印可由多种模型构成，如随机数字序列、数字标识、文本以及图像等。从鲁棒性和安全性考虑，常常需要对水印进行随机化以及加密处理。设I为原始图像，W为水印信号，K为密钥，那么加密处理后的水印W由函数F定义如下：

~W=F（I，W，K） （2-1） ~ 如果水印所有者不希望水印被其他人知道，那么函数F应该是非可逆的，如经典的DES加密算法等。这是将水印技术与加密算法结合起来的一个通用方法，目的是为了提高水印的可靠性、安全性和通用性。

2.1.2 水印的嵌入

水印的嵌入过程如图2-1所示，设水印嵌入函数E，原始图像I和水印信号W，那么

水印图像IW可表示如下：

IW=E(I，W) （2-2）

有两种最常见的水印嵌入准则：

~IW?I??W，加法准则 （2-3） ~IW?II??W，乘法准则 （2-4）

~~??其中，?为水印嵌入强度。

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为了保证在不可见的前提下，尽可能提高嵌入水印的强度，?的选择必须考虑图像的性质和视觉系统的特性。

水印信号 密 匙 图2-1 水印嵌入框图

原始信号 水印嵌入算法 嵌入水印后的信2.1.3 水印的提取和检测

水印提取和检测过程分别如图2-2和2-3所示。水印的提取和检测可以作用于任何产品，提取和检测可以需要原始产品的参与，也可以不需要原始产品的参与。若将这一过程定义为解码函数D，那么输出可以是一个判定水印存在与否的0-1决策，也可以是包含各种信息的数据流，如文本、图像等。如果己知原始图像I和有版权疑问的图像I?W，则有：

W??,I （2-5） ?DIW??

带水印信号 原始信号 水印嵌入算法 提取的水印信号 密 匙 图2-2 水印提取框图

在某些水印系统中，水印可以被精确地抽取出来，这一过程被称作水印提取。比如在完整性认证应用中，必须能够精确地提取出插入的水印，并且通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的变化，最好还能够通过发生变化的水印的位置来确定原始数据被篡改的位置。

对于强壮水印，通常不可能精确地提取出插入的原始水印，因为一个应用如果需要强壮水印，说明这个应用很可能遭受到各种恶意的攻击，水印数据历经这些操作后，提取出的水印通常已经面目全非，这时需要一个水印检测过程。

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水印检测框图如图2-3所示： 图2-3 水印检测框图

密 匙 N 无水印 原始信号 水印检测 判断 待检测信号 Y 含水印 从以上论述可以看出，水印提取的任务是从嵌入水印的数据中提取水印信号，而水印检测的任务是判断某一数据内容中是否存在指定的水印信号。另外，水印检测的结果依赖于一个阐值，当相关性检测的结果超过这个闽值时，给出含有指定水印的结论。通常水印检测的第一步是水印提取，然后是水印判决。水印判决的通行做法是相关性检测。选择一个相关性判决标准，计算提取出的水印与指定的水印的相关值，如果相关值足够高，则可以基本断定被检测数据含有指定的水印。检测器的输出结果如充分可信则可在法庭上作为版权保护的潜在证据。

2.2数字水印的特点

作为数字水印技术基本上具有下面几个方面的特点：

(1)安全性：数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率，当原内容发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；当然数字水印同样对重复添加有有强的抵抗性 。

(2)隐蔽性：数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用；不会降质。

(3)鲁棒性：是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。主要用于版权保护的数字水印----易损水印主要用于完整性保护，这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发生改变时，这些水印信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改[3]。

(4)水印容量：是指载体在不发生形变的前提下可嵌入的水印信息量。嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或购买者的序列号，这样有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。尤其是隐蔽通信领域的特殊性，对水印的容量需求很大。

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2.3数字水印算法

近年来，数字水印技术研究取得了很大的进步，下面简单介绍一些典型的算法。

(1)空域算法：该类算法中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位 (LSB: least significant bits)上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。

(2)Patchwork算法:方法是随机选择N对像素点 (ai，bi) ，然后将每个ai点的亮度值加 1 ，每个bi点的亮度值减 1，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，Patchwork方法对JPEG压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。

(3)变换域算法:该类算法中，大部分水印算法采用了扩展频谱通信 (spread spectrum communication)技术。先计算图像的离散余弦变换 (DCT)，然后将水印叠加到DCT域中幅值最大的前k系数上(不包括直流分量)，通常为图像的低频分量。若DCT系数的前k个最大分量表示为D={ di }，i=1 ，… ，k，水印是服从高斯分布的随机实数序列W ={ wi }，i=1 ，… ，k，那么水印的嵌入算法为di = di(1 + awi)，其中常数a为尺度因子，控制水印添加的强度。然后用新的系数做反变换得到水印图像I。解码函数则分别计算原始图像I和水印图像I＊的离散余弦变换，并提取嵌入的水印W＊，再做相关检验以确定水印的存在与否。该方法即使当水印图像经过一些通用的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印拷贝。另外，还可以将数字图象的空间域数据通过离散傅里叶变换(DFT)或离散小波变换(DWT)转化为相应的频域系数；其次，根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或变形；再次，根据隐藏信息量的大小和其相应的安全目标，选择某些类型的频域系数序列（如高频或中频或低频）；再次，确定某种规则或算法，用待隐藏的信息的相应数据去修改前面选定的频域系数序列；最后，将数字图象的频域系数经相应的反变换转化为空间域数据。该类算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不能很大，但抗攻击能力强，很适合于数字作品版权保护的数字水印技术中。

(4)压缩域算法:JPEG、MPEG标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重新编码过程，而且在数字电视广播及VOD(Video on Demand)中有很大的实用价值。相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。例如对于输入的MPEG-2数据流而言，它可分为数据头信息、运动向量(用于运动补偿)和DCT编码信号块3部分，在方案中只有MPEG-2数据流最后一部分数据被改变，其原理是，首先对DCT编码数据块中每一输入的Huffman码进行解码和逆量化，以得到当前数据块的一个DCT系数;其次，把相应水印信号块的变换系数与之相加，从而得到水印叠加的DCT系数，再重新进行量化和

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Huffman编码，最后对新的Huffman码字的位数n1与原来的无水印系数的码字 n0进行比较，只在n1不大于n0的时候，才能传输水印码字，否则传输原码字，这就保证了不增加视频数据流位率。即水印信号的引入是一种引起降质的误差信号，而基于运动补偿的编码方案会将一个误差扩散和累积起来，为解决此问题，该算法采取了漂移补偿的方案来抵消因水印信号的引入所引起的视觉变形。

(5)NEC算法:该算法由NEC实验室的Cox等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯N(0， 1)分布，密钥一般由作者的标识码和图象的哈希值组成，其次对图象做DCT变换，最后用伪随机高斯序列来调制(叠加)该图象除直流(DC)分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止IBM攻击，而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布N (0，1)的特征。

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3数字水印系统

3.1 系统总体设计及其原理

基于数字水印和动态安全许可技术的数字版权保护系统（WDDRM）结构如图3-1所示

版权 所有者 注 册 被 保 护 的 数 字 作 品 版权保护 提供发行内容 支付版权费 数字作 品开发商 支付发行费 票据交 易中心 获 请 求 许 可 消费者 版 权 保 护 浏览 得 许 可 动态安全许可 版 权 保 护 数字媒 体服务器 版权保护

下载使用 图3-1 WDDRM系统框图

该系统包括如下6个模块：

（1）数字媒体服务器：它是本系统的授权管理中心，包含版权所有者和用户的注册信息。同时，将会产生相应的密钥提供给用户，使其得到数字作品的合法使用权。

（2）版权所有者：拥有内容的数字版权，对原创人员（如作家、作曲家、摄影师、图象制作者等）制作的音频、视频、图像等数字媒体进行权威认证，利用数字水印技术保护数据的版权信息，向数字媒体服务器注册并申请提交数字作品。把受版权保护的信息发布到服务器上，同时把相关的认证信息存放在数字媒体服务器的认证数据库中。数字作品媒体服务器将为版权所有者分配一个唯一身份标识。然后，生成一个唯一版权水印信息嵌入到原始数字作品中，达到版权保护的目的。

（3）数字作品发行商：为注册的数字作品提供发布通道，如在线商店、Web服务供

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应站点或者无线网络服务供应站点等。根据消费者各自不同的权限对其提供数据服务。

（4）消费者：从数字作品发行商获取正版多媒体信息服务，通过支付数字许可证的费用，从发布通道上获取受版权保护的数字媒体。数字许可证是交易中心与Web服务供应站点之间达成的有偿数据使用规则。

（5）票据交易中心：对受版权保护的数字媒体实施有偿使用的一种手段或途径，负责处理发布许可证给消费者、给内容提供商支付版费、给发行商支付发布费用。另外，它还负责与不同的发行商之间制定与解析规则，保证消费过程的顺利进行。

（6）动态安全许可中心：它是强驻留容器的控制中心。负责根据用户所购媒体信息、用户身份信息及其唯一物理标识（例如用户CPU序列号，网卡MAC地址，硬盘序列号等）动态的生成含有唯一许可的强驻留容器；提供安全多媒体鉴别解释器，保障合法用户安全使用授权多媒体数据；负责各个强驻留容器与数字媒体服务器，版权所有者，数字作品发行商和消费者之间的通信，达到防止在线非法拷贝、防止离线扩散和实时版权跟踪的目的。

3.2 系统特点

（1）在多媒体数据中透明存在的强驻留容器可以果断的终止非法拷贝行为，从而达到防止非法拷贝的目的。与现有系统相比，不需要用户额外安装水印检测器或智能卡，给用户带来方便。

（2）由于每个强驻留容器都是利用用户的唯一物理标识（如计算机的MAC地址，主板的序列号，CPU的序列号或硬盘的序列号等）和他所要下载的多媒体数据的描述信息作为参数传递到强驻留容器的发生器来生成一个与该用户和该多媒体数据唯一对应的强驻留容器，因此具有很好的防离线非法分发多媒体数据的功能，解决了目前版权保护的一个难点。

（3）强驻留容器的检测是在远程主机实施，负载在各个远程主机间分担，避免了临界瓶颈。强驻留容器不需要网络的持续连接，检测结果可以异步地回传到数据版权管理中心。

（4）由于不需要安装特殊的媒体播放软件，可以给用户的使用带来极大的方便，具有很强的通用性。

（5）强驻留容器在发现侵权的时候，可以采取相应的行动，阻止非授权用户对被保护的多媒体数据的非法使用。

3.3 数字水印的性能参数

如何衡量一个数字水印系统的优劣目前仍然没有一个统一的标准一方面不同的应用对数字水印系统有不同的要求，另一方面，有些数字水印性能参数很难用一个具体的数值来表示。比如不可感知性，对应于数字图像水印，则是指嵌入水印后的图像与原始图像的

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视觉差别，然而，区分两幅图像受观察者主观因素的影响很大，因此如何定量表示两幅图像之间的视觉差别是件困难的事情。这里我们给出一些基本的用于衡量水印性能的参数，而更多的参数仍然需要根据具体的应用提出[4]。

3.3.1 感知质量

无论如何，嵌入水印后的媒体数据的感知质量是设计一个成功水印算法的首先要考虑的问题，而且虽然如何对该不可感知性进行量化、比较仍然是一个难题，但有些客观标准仍然是通用的，比如均值，方差，信噪比，峰值信噪比，均方误差等。显然，这些客观评判标准存在着很多的局限性，但我们知道，负责评估多媒体压缩标准(比如JPEG，JPGE2000，MPEG1/2/4，G.723等)性能的科学家们在评价媒体数据经过处理后的主观质量这方面己经做了很多的工作，因此我们可以参考他们得到的一些结论。

3.3.2 检测性能

此时水印检测其实是个假设检验问题，而且可以用下面两个值来衡量检验性能的优劣。

A：检测概率PD指当CU中包含水印，而实际检测认为H1为真的概率，可用下式表示：PD=PR{D=H1|H2}

B：虚警概率PF指当CU不包含水印，而实际检测认为有水印的概率，可用下式表示：PF=PR{D=H1|H0}

实际应用中，对这两者的要求各有侧重，比如在基于数字水印的版权保护系统中，就要求系统需具有低的虚警概率的情况下提高系统的检测概率，而在基于数字水印的监控系统中，则要求系统具有较高的检测概率的情况下提高系统的虚警概率。

3.3.3 负载

一个能嵌入2比特信息的水印系统的负载是另外只能嵌入1比特信息的水印系统负载的两倍。虽然在某些简单的数字水印系统中只要求嵌入一个比特的信息，但更多的系统要求嵌入更多的信息。关于数字水印系统的负载，与通信系统中研究的在给定信道环境下的信道容量问题类似，而关于信道容量的研究，从香农的经典论著就已经开始了，其中有很多方法值得我们借鉴。

3.3.4 算法复杂度

算法复杂度是目前很多数字水印算法忽视的一个性能指标，但在实际应用中，该性能

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指标将直接影响到水印系统的可行性，可靠性。

以上是一些衡量水印性能的基本指标，它们之间存在着一定的相互制约关系。比如为了提高系统的负载，通常会降低嵌入水印后图像的质量，而如果要保持原有的图像质量，一种方法是降低嵌入水印的强度，则最终将降低检测可靠度。而且提高系统的负载，也将增加计算量。因此在进行算法设计时，应该综合衡量这些指标，对各种应用环境区别对待。而且，实际应用中针对不同的攻击，可能有其他更具体的性能指标，这需要我们根据具体应用环境来确定[5]。

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4数字水印的典型应用

数字水印技术的出现和发展都有着它深刻的历史背景。但如同其它许多技术的发展一样，当一种技术发展到一定阶段，必将在其它领域找到它的应用。接下来我们给出了几个典型的数字水印应用实例，并分析了这些具体应用环境对数字水印技术的要求。

4.1 版权保护

我们要讨论的第一个数字水印应用实例是版权保护。设想如下一个场景，A从Internet上下载了一首歌曲，但B说这首歌的版权是她的，这时法官C该如何裁决是个问题。在传统的版权保护模式中，通常有一个版权争论双方都信任的第三方D存在，B只要在发布她的作品之前到D处注册她对产品的所有权，则当出现版权争论时，C只要问询D，就可以知道作品的版权是谁的。然而，在信息爆炸的今天，这种版权保护制度已经落后于时代的需要了。一幅数码照片，一首流行音乐，一篇网络文学，一部电影??这其中很多作品通过网络可以迅速的传遍全世界(第二代互联网技术的网络速度是10Gbps!)，而且其中有些出于保密的目的不适合去第三方处登记，有些情况是这个共同信任的第三方根本不存在，有些也因为取得版权的周期过长而失去申请版权保护的意义。因此，版权的保护很大程度就只能依靠作品版权所有者B自己了，这时，她可以利用水印技术实现版权保护[6]。

4.2 数字签名

如果说版权保护水印系统解决了产品归谁所有的问题则数字认证的水印系统解决了产品来自何处的问题。假设E收到了自称是B的人的作品，但E如何知道这个作品确实是B的。而且，即使E知道该作品确实是B的，但B不承认该怎么办，即使B承认是她的作品，但谁又能保证这个作品没有被修改过。

基于数字水印的签名与密码学中的数字签名有相似的功能，但保密性能更好，而且能实现更多的功能。此时，B只要将她的作品用她自己的私人密钥嵌入水印，然后将其公开密钥给E。如果E利用该公开密钥能从他接收到的作品中提取出B的水印，则可以认为该作品来自B。而且，根据需求，可以实现不同的功能，比如对于硬认证，要求E接收到的作品与B发送出去的作品完全相同，这时，基于数字水印的签名与传统的基于密码数字签名完全一样。

4.3 数字指纹

前面的版权保护水印系统能够解决作品版权归谁所有的问题，数字签名水印系统能够

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解决作品来自何处的问题，而数字指纹水印系统则解决了作品拷贝出自哪里的问题。设想B只将她的作品卖给了F和G，但B发现H也有她的作品，显然，H的作品来自F或者G，但具体是来自F还是来自G。此时B可以利用基于数字指纹的数字水印系统实现作品的跟踪。B只要在将她的作品给F和G之前，将能区分F和G的信息嵌入到他们各自收到的作品里，当从H的作品中检测出含有F的指纹时，通常就可以认为H的拷贝来自F，同样，当从H的作品中检测出还有G的指纹时，通常就可以认为H的拷贝来自G。由于所嵌入的信息必须唯一的区分作品的两个接收者，因此，人们形象的称这种信息为电子指纹，也将这种情况下的数字水印技术称为数字指纹。与前面基于版权保护的数字水印系统相比，我们发现，这两者的差别主要是系统中角色改变的问题。在版权保护系统中，嵌入的是作品所有者的信息，而在数字指纹系统中，嵌入的是用户的信息。但这两者对水印的要求是差不多的，即包括：可感知性、鲁棒性、低的虚警概率以及大的水印负载。在半脆弱水印系统中，大的负载用于定位，而在这里，大的负载用于区分不同的用户。因此，水印码的数量应该与用户的数量相当[7]。

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5 全文总结与展望

本学期的专业导论课程几位老师给我们介绍了几个专题讲座，包括数字水印技术、光

纤传感技术与应用、嵌入式技术、物联网基本介绍及技术特点以及计算机视觉，让我们开阔了视野，了解这些前沿技术。本文主要是对数字水印技术进行研究，介绍了数字水印的原理，系统构成以及数字水印的应用。

本文通过对当前的数字版权保护的重要技术—数字水印技术在动态安全许可下进行了分析与研究。对数字水印技术的原理，系统构成以及应用做了深入的介绍，并模拟系统做出仿真实验，但仍然存在这一些不足：

（1）构建基于开放框架和标准的网络多媒体数字版权保护系统模型不够稳定，有待提高。

（2）对图像的仿真不够全面，如添加高斯噪声、添加椒盐噪声等由于时间有限均未进行仿真。

数字版权保护技术作为版权保护和安全认证的有力工具,具有极大的商业潜能，特别是在网络技术和应用迅速发展的今天，数字版权保护技术的研究更具现实意义。目前数字版权保护技术还是一个尚未完善的学科，对这一技术的许多重要性及应用目标仍是模糊的。但伴随着一些先进信号处理技术和密码设计思想的引入和许多不同背景的研究者的加入。我们有理由相信数字版权保护技术必然日趋成熟且得到更加广泛的应用。数字版权保护技术作为数据安全领域中的新生事物，具有很高的技术含量和很强的生命力，将使多媒体的版权保护得到有力保证[8]。

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参考文献

[1] 江雪梅，刘泉．基于数字水印技术的数字作品版权保护研究[J]．武汉理工大学，2003 ，25-32

[2] 汪保友，王俊杰，胡运发．数字水印与版权保护[J]．算机应用与软件，2004. 21 (1) :223. [3] 田震，张晓娟．数字水印及其鲁棒性研究[J]．测绘学院学报，2004. 21 (1) ：1-2 [4] 孙圣和，陆哲明．.数字水印处理技术[J]．电子学报，2000 (8) ：2-3 [5] 江雪梅. 数字作品版权保护与认证的若干基本理论及关键技术研究，武汉理工大学博士论文，2007.5

[6] W Bender, D Gruhl, N Morimoto. Techniques for Data Hiding. IBM System, 1996, 1(35)： 313-336

[7] Jie Yang, Moon Ho Lee and YaLi Xu. Hash Function via Turbo Code for Hidden Communication, International Conference on Consumer Electronics, 18,June, 2002, USA, p 16-17

[8] S K Warfield, M Kaus, F A Jolesz, P Kikinis. Adaptive, Lernplate Rnoderated, Spatially Varying Statistcal Classification, Medical Image Analysis, 2000, 4( 1):43-55.

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参考文献

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[6] W Bender, D Gruhl, N Morimoto. Techniques for Data Hiding. IBM System, 1996, 1(35)： 313-336

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[8] S K Warfield, M Kaus, F A Jolesz, P Kikinis. Adaptive, Lernplate Rnoderated, Spatially Varying Statistcal Classification, Medical Image Analysis, 2000, 4( 1):43-55.

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