基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术
1. 水印的生成
水印信号的产生通常是基于伪随机数发生器或混沌系统。产生的水印信号W通常需要进一步变换来适应水印嵌入算法。为了方便分析，往往把算子G分解为算法R和算法T两个部分。
G?T?R
?,T:W??X?K?WR:K?W
（2-5）
??W?，子运算R输出原始水印W该原始水印只由密钥K?K产生。当R基于伪随机数发生器时，密钥K直接映射为伪随机数产生器的种子。当R基于混沌系统时，密钥集由许多初始条件的适当变换而产生。这两种方法所产生的密钥集足够大并且满足密钥唯一性条件，而且由R产生的水印是有效的水印。此外，R是不可逆的。
子算法T对原始水印进行修改以后以获得最后的依赖于产品的水印W。T应满足
??,X)?T(W?,??,?T(WX)?T(WX)0 （2-6）
??X表示嵌入水印的产品，并且?这里X0表示原始产品，而?X?M(?X),?X??X,M表示对
媒体数据处理操作算法。这里必须指出的是，原始水印信号也是可以预先指定的，在嵌入水印之前，对该水印信号能够做出适当的变换或不做变换，密钥是可以在水印嵌入过程中产生的。
2. 水印嵌入
图2-2为水印的嵌入过程。
密 钥 原始掩体对象 原始水印 隐藏对象 水印嵌入算法 含水印信息
图2-2 水印嵌入框图
水印嵌入就是把水印信号W?{w(k)}嵌入到原始产品X0?{x0(k)}中，一般的水印
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嵌入规则可描述为
?(k)?x(k)?h(k)w(k)x0
（2-7）
其中?为某种叠加操作，也可能包括合适的截断操作或量化操作；H?{h(k)}称为d维的水印嵌入掩码。最常见的嵌入准则有
?(k)?x(k)?aw(k)，加法准则 x0（2-8）
?(k)?x(k)(1?aw(k))，乘法准则 x0 （2-9）
3. 水印的提取和检测
水印的提取检测可以作用于任何的产品，提取和检测时可以有原始产品参与，还可以不用原始产品参与。但是将水印技术用于产品的网络发布和传播史，在检测时使用原始产品则是个缺陷。因此，大部分水印的检测无需原始产品参与。
图2-3与图2-4分别为水印提取和检测框图，虚框表示提取和判别水印信号原始产品是否为必须的。
密 钥 原始掩体对象 隐藏对象 水印提取算法 水印信息
图2-3 水印提取框图
密 钥 原始掩体对象 原始水印 隐藏对象 水印检测算法 是否含有水印
图2-4 水印检测框图
在一些水印系统里，水印能够被准去的提取出来，这个过程称为水印的提取。例如
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在一个完整的确认应用中，必须要精确的提取出嵌入的水印，并能够通过水印完整性确认多媒体数据的完整性。如果提取出来的水印发生部分变化，那么最好还能够通过发生变化的水印的位置确定原始数据被改动的位置。
对主要用做版权保护的稳健水印，它很有可能遭到各种攻击，嵌入水印的数据历经这些操作后，提取出的水印通常已面目全非了。这时，需要一个水印的检测过程。水印检测的第一步，用算子G产生的水印，第二步，是用算子D进行检测。
2.1.2 数字水印系统的分类及特性
根据应用的目的不同，数字水印可分为三类：鲁棒性透明水印、脆弱性透明水印和不透明水印。前两种水印一般是不可感知的，即人眼看不见、人耳听不到；第三种水印则是可以被直接看到或听到的。
鲁棒性透明水印主要用于版权保护，标志数字产品版权和用户授权等信息，从而作为法庭诉讼非法侵权盗版的证据。所以这类数字水印在具有透明性的同时，还应能够对各种一般的信号处理甚至恶意攻击具有较强的鲁棒性。
脆弱性透明水印，也称为脆弱水印，主要用于数字产品的内容及版权等信息的真实性鉴定，防止非法篡改和伪造。脆弱水印应能反应出数字产品发生的轻微变化，因此嵌入的水印必须对数字产品的改动具有极强的敏感性，只有如此才能通过对水印信息的检测来鉴定数字产品真伪及篡改情况。脆弱水印不适合用于数字产品的版权保护，由于其对修改的敏感性使得它常用于图像的认证。
脆弱水印广泛应用于法律、商业、国防和新闻领域。由于数字水印信息的修改已变得非常容易，因此，数字产品的可信性常受到怀疑，而安全的数字产品鉴定技术对证明没有发生篡改是十分有意义的。例如在“可信照相机”中使用脆弱水印技术可以确保通讯社使用的图像不是伪造或编辑过而用来伪造事件的；另外，在商业图像的标记中使用脆弱水印技术，可以使购买者在收到所买的图像时能够确定它是可信的。
数字水印系统包含嵌入器和检测器两部分。嵌入器至少具有两个输入量：一个是秘密信息，他通过适当变换后作为待嵌入的水印信号；另一个就是要在其中嵌入水印的数字产品。水印嵌入器的输出结果为含水印的载体作品，通常用于传输和转录。之后，这件作品或另一件未经这个嵌入器德尔作品可作为水印检测器的输入量。大多数检测器试图尽可能地判断出水印是否存在，若存在则输出为所嵌入的水印信号。
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2.1.3 数字水印的主要应用领域
数字水印产品虽然只是近几年才出现，但其应用前景和应用领域将是巨大的，总的来说，数字水印技术在数字产品版权保护、票据防伪、数据隐藏、隐蔽通信等方面均有重要应用。具体分析如图2-5。
防止非法复制 电子商务、复制控制等 篡改估计认证 数字水印的应用领域 隐蔽通信 电子商务、多媒体产品出售控制 信息隐藏 多媒体检索、索引、制图等 在强密码被禁止时进行网际秘密通票据防伪 对货币、有价证券、打印票据等防伪
图2-5 数字水印技术的主要应用领域
（1） 数字作品的知识产权保护
数字作品的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的复制、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以有的原创者不得不采用一些可见版权标志，这些标志属于“可见数字水印”类。这种水印的特点是有牢固的附着性、鲁棒性。除非同时破坏原数字产品，否则不会被移去。但缺点是严重损害数字产品的质量。
“数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的，已经成为数字水印研究发展的主要方向。
（2） 商务交易中的票据防伪
随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使货币、支票及其他票据的伪造变得更加容易。
在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过渡性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。
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（3） 声像数据的隐藏标志和篡改提示
有些数据的标志信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期经纬度等。没有标志信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标志的方法：标志信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。
此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知。因此，如何防范对象图像、录音、录像数据的篡改攻击时重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想途径，通过隐藏水印的状态可以判断声音信号是否被篡改。
（4） 隐蔽通信及其对抗
数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非秘密的安全途径，更引发了信息战尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起许多国家的重视。
综上所诉，数字水印在以数字化为特征的信息技术变革中具有重要的应用和地位。数字水印的研究正在成为世界各国许多研究机构和人员的重要课题。为了适应这种形式，我国必须在这个领域加快研究步伐，才能在信息时代的角逐中掌握主动权。目前，我国已有大量的研究人员投入到该领域加快研究步伐，并取得了很多重要成果，但与多媒体和网络安全技术的要求相比，还有很多亟待解决的问题需要研究。
2.2 数字图像水印技术
以图像为载体的数字水印技术是当前水印技术研究的重点之一，它吸引了众多研究人员和学者的兴趣。在该领域发表的论文数目要远大于以音频、视频等信号为载体的水印方面的论文。下面我们分别介绍空域、DCT域、DWT域、基于神经网络的图像水印技术，并对脆弱图像数字水印技术也进行简单介绍。
2.2.1 空域图像水印技术
空域图像水印技术是指在图像的空间域中嵌入水印的技术。最简单和有代表性的方案就是用水印信息代替图像的最低有效位（LSB）或者多个位平面的所有比特的算法，这里的水印信息指的是二值比特序列。图像的最低有效位也称为最不显著位，它是指数
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