数字水印基本原理及技术(2学时)
像处理中的数字水印算法
像处理中的数字水印算法在当今数字化的时代，随着互联网和数字媒体的广泛应用，保护个人和企业的知识产权变得尤为重要。
数字水印算法作为一种常用的技术手段，被广泛应用于数字内容的鉴权、版权保护和信息追踪等方面。
本文将详细介绍数字水印算法的定义、原理、分类以及应用，并探讨其未来的发展与挑战。
一、数字水印算法的定义与原理1. 定义数字水印算法是一种将隐藏信息嵌入到数字媒体中的技术手段。
隐藏信息的形式可以是文字、图像、音频等，它在媒体文件中几乎不可见。
使用数字水印算法可以保护数字媒体的版权，追踪盗版行为以及提供所有权证明。
2. 原理数字水印算法的核心原理是将隐藏信息嵌入到载体媒体中，通过对载体媒体进行微小的改动实现的。
这些微小的改动对于人眼来说是难以察觉的，但对于专门设计的解码器可以被正确提取出来。
传统的数字水印算法通常基于以下几种原理实现：频域水印、空域水印、哈希水印和差值水印等。
二、数字水印算法的分类根据数字水印算法的应用领域和特点，可以将其分为以下几类：1. 盲水印算法盲水印算法即提取水印不需要原始载体，只需加密的水印信息即可。
盲水印算法具有提取方便、高安全性等优点，广泛应用于版权保护和溯源等领域。
2. 非盲水印算法非盲水印算法在提取水印时需要原始载体，即需要原始载体加密后的信息。
非盲水印算法常用于数字内容的鉴权和认证。
3. 频域水印算法频域水印算法是利用图像或音频的频谱特征进行信息嵌入和提取。
该算法具有较强的鲁棒性和隐蔽性，在图像和音频版权保护中得到广泛应用。
4. 空域水印算法空域水印算法是将信息直接嵌入到图片或视频的像素中。
空域水印算法无需频域转换，可以提高算法的实时性和适用性。
三、数字水印算法的应用领域1. 版权保护数字水印算法可以对数字媒体进行标识和追踪，以保护作者的版权。
这在音乐、电影、文学作品等领域具有重要意义。
2. 鉴权认证数字水印算法可以用于数字证书、身份证明等文件的鉴权认证，确保文件的真实性和合法性。
数字水印技术的工作原理
数字水印技术的工作原理数字水印技术是一种通过在数字数据中嵌入隐蔽信息的方式来保护版权、确保数据完整性和可追溯性的技术。
数字水印技术主要利用数字信号处理、图像处理和加密技术等相关知识实现其功能。
本文将阐述数字水印技术工作原理。
数字水印技术的工作原理数字水印的嵌入和提取过程是数字水印技术的两个核心操作，因此需要了解数字水印的嵌入和提取原理。
数字水印的嵌入数字水印的嵌入是将隐蔽信息嵌入到数据载体中的过程。
数据载体可以是数字图像、音频、视频等。
其中，数字图像是数字水印技术应用最广泛的数据载体。
嵌入数字水印的过程可以通俗的解释为在原始数据中加入少量的“水印”，通过这些“水印”信息来保护原有数据的版权和完整性。
数字水印的嵌入技术主要包括以下几个步骤：1.选择可靠的数字水印算法数字水印技术的实现离不开算法的支持。
因此，选择一种流行、可靠、可自定义的数字水印算法是关键。
数字水印算法通常可分为频域算法和空域算法两种。
频域算法是基于一些变换（如DCT、DFT）在频域进行的，而空域算法则是直接嵌入到载体数据的空域中。
2.对载体进行预处理嵌入数字水印前必须进行载体数据的预处理，如调整载体大小、格式转换、颜色平衡、图像滤波、亮度调整、高斯噪声等。
预处理的目的是使数字水印嵌入后不会显著影响到载体数据的质量。
3.生成数字水印在生成数字水印时，数字水印应该具有以下几点属性：数字水印应该是唯一性的，每个数码水印都应该有不同的标识。
数字水印应具有可插拔性，可以按照需要进行加、解码操作。
数字水印应具有透明性，应该对载体数据的外观没有或少有影响。
数字水印应具有不可移除性，水印数据应该不容易被恶意的攻击、篡改或删除。
4.嵌入数字水印数字水印的嵌入过程主要分为以下几步：①划分载体数据块：根据数字水印算法的要求将载体数据划分为不同大小的块。
②计算嵌入强度：将生成的数字水印嵌入到载体图像的块中时，需要先对每个块进行分析，以计算嵌入的强度，以保证数字水印能够被检测到，同时不影响载体数据的完整性。
数字水印基本原理及技术(2学时)
2.1.1基于相关检测的水印技术－单比特嵌入
I ( x, y )
I w ( x, y )
比例因子
非相关检测算法
非相关检测算法主要是利用替换、关系、量化等方法修改 载体信号，使得修改后的载体信号本身存在一种标志关系 （大小关系、逻辑关系、奇偶关系等），或者载体信号与预 设信息（如码书等）有隐含的对应关系。
2.1.1基于相关检测的水印技术－影响因素
水印嵌入强度 标志空间大小 水印模式的选择
2.1.1基于相关检测的水印技术－嵌入多位水印
的方案
时/空分复用技术
CDMA(码分复用技术)
2
2.1.1基于相关检测的水印技术－时/空分复用技术
I0 I4 I8 I1 I5 I2 I6 I3 I7
2.1.1基于相关检测的水印技术－ CDMA技术
I ( x, y )
I w ( x, y )
比例因子
W ( x, y )：伪随机模式{-1,0,1}
b0 b4 b8 密钥 K b15 水印序列：b0b1...bl-1 b1 b5 b2 b6 b3 b7 b=0 :-1 b=1 : 1
假定水印序列 b1b2 ,, bi ,bl 1 ，对每一位水印 比特 bi ，都对应一个不同的相互独立的伪随 机模式 RP ，如果 bi＝1 ，则取 ＋RP 否则取 －RP ， 所有的L个模式 RPi 之和就构成了水印 W ，即：
位（Least Significant Bit, LSB）替换
图 Lena图像的位平面
2.1.2基于非相关检测的水印技术－替换—压缩域视
频流最低有效位修改算法
表 来自于MPEG-2视频标准中的表B.14的可嵌比特码字实例
2.1.2基于非相关检测的水印技术－替换—压缩域视
05 数字水印技术基础
教案首页第（5）次课授课时间（90分钟）授课内容基本内容备注第五讲数字水印技术基础一、数字水印技术1、数字水印技术概念在介绍数字水印技术之前，我们大家来想一下，什么是水印？这个问题不难回答，我们日常生活当中就有很多带有水印的物品，和我们接触最紧密的就是我们平时使用的纸币了，现在几乎全世界所有的纸币都用到了水印技术。
这是一张10美元的纸币，如果你观察带有汉密尔顿肖像的一侧，在灯光下你将看见肖像中有一个水印显现。
这个水印实在钞票制作过程中直接嵌入到纸币当中去的，因此人们很难伪造。
它也阻止了假币制造者的一种常用防伪方法，即将10美元的墨洗掉后在同样的纸上打印上100美元。
通常，纸币的水印应该具有两条特性。
首先，水印在通常情况下不可见，只有在特殊的观察条件下才可见（在这里，就是指将纸币放到光底下）。
其次，水印信息必须与载体对象相关（在这里，水印用来表示纸币的真实性）。
除了纸币外，水印可以用于其他物理对象甚至电信号中。
纺织物、衣服商标以及产品包装都是一些具体的可以用特制的染料和墨水加入水印的实例。
音乐、照片和视频所代表的电子媒体则是一些常见的可嵌入水印的信号类型。
数字水印技术（digital watermarking）是一种信息隐藏技术，它的基本思想是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以便保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。
其中的秘密信息可以是版权标志、用户序列号或者是产品相关信息。
一般，它需要经过适当变换再嵌入到数字产品中，通常称变换后的秘密信息为数字水印（digital watermark），在诸多文献中论及了各种形式的水印信号。
关于数字水印技术的概念有几个问题要强调一下：第一是它是信息隐藏技术的一个应用，可以理解为在数字媒体中，藏入信息。
第二是就是信息藏在载体的内容当中，在嵌入过程中是直接改变载体内容本身，而不是像密码术的签名，在媒体信息的头文件等附件信息中嵌入内容。
数字水印技术的核心及原理术.pptx
二、数字水印技术数据变换Βιβλιοθήκη 、数字水印信息嵌入 •密钥
数字水印
信息载体
DWT
TTT
嵌入算法
IDWT
含水印载体
谢谢
二、数字水印技术数据变换
• 基于小波变换的频域水印方法。在目前信号处理中，使用最多的手段是小
波分析法，这是因为它具有较好的时频特性、快速计算能力及可并行计算等许 多优点。 • 在第二代小波方法(提升方案)中，可根据用户指定数据特性和分析需要自 行构造小波。数据变换件根据要求完成数据的正向和逆向数据变换。如图1所示 ，描述了某项目所使用的二维数据的正向和逆向小波变换构成。
在目前信号处理中使用最多的手段是小波分析法这是因为它具有较好的时频特性快速计算能力及可并行计算等许多优在第二代小波方法提升方案中可根据用户指定数据特性和分析需要自行构造小波
一、数字水印技术的核心及原理术
• 数字水印（Digital Watermarking）技术的核心是算法。以印刷打印数字
水印技术为例：在开放的网络环境下，要满足其结果的唯一性，就必须解决印 刷数字水印的隐形性、水印技术的稳健性和水印技术的单向性问题。
数字水印基本原理
AD = 1 XY
∑p
x, y
x, y
x, y
− ~ x, y p
2 − ~ x, y ) p
1
MSE =
1 XY
∑ (p
x, y
Lp －范数
拉普拉斯均方误差 信噪比 峰值信噪比
1 Lp = XY
∑
x, y
p x, y − ~x , y p
p
LMSE = ∑ ∇ 2 p x , y − ∇ 2 ~ x , y p
提取原始水印：如文字、徽标 0-1判决：判定水印存在与否
ˆ W = D( I W , I , K )
W存在 1, C (W , W , K , δ ) = 0， W不存在
∗
∗
数字水印的分类
从载体上分类 从外观上分类 从加载方式上分类 从检测方法上分类 从水印特性上分类 从使用目的上分类
从载体上分类
数字水印的应用
版权保护：表明对数字产品的所有权 数字指纹：用于防止数字产品被非法复制 和散发 认证和完整性校验：验证数字内容未被修 改或假冒 内容标识和隐藏标识：多媒体内容检索 使用控制：控制复制次数 内容保护：保护内容不被滥用
数字水印的研究方向
理论
数字水印模型、隐藏容量、抗攻击性能等
算法
研究具有更高性能的水印算法
从加载方式上分类
数字水印算法的性能（如安全行、不可感 知性、可证明性和健壮性等）在相当大程 度上取决于所采用的水印加载方法。根据 水印的加载方法的不同，可以分为两大类： 空间域水印算法和变换域水印算法。
从加载方式上分类
空间域水印（水印直接加载在载体数据上）
LSB（最低有效位）方法，利用原数据的最低 几位来隐藏信息 拼凑方法（在图像中随机选择N对像素点（ai,bi) ,然后所有的ai点亮度加1，bi点亮度减1） 文档结构微调方法 （微调行间距、字间距等）
数字水印技术工作原理
数字水印技术工作原理
数字水印技术是一种将数字信息嵌入到数字媒体中并对其进行保护的技术。
其工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 嵌入水印：选择一个合适的算法，将数字信息以特定的方式嵌入到原始的数字媒体中。
嵌入过程通常是通过修改数字媒体的像素值或频域系数来实现的。
2. 隐蔽性：嵌入的水印信息尽可能地与原始媒体混合，使其在一般观察下难以察觉。
水印的嵌入应该对原始媒体的感知质量影响较小，以保证媒体的可视品质。
3. 鲁棒性：在保证水印隐蔽性的同时，数字水印需要具有一定的抗攻击能力。
这意味着即使经过一些通常的信号处理、修改或攻击行为，数字水印依然能够被提取出来。
4. 提取水印：在需要对数字媒体进行验证或提取水印信息时，使用相应的算法对数字媒体进行处理，将嵌入的水印信息提取出来。
提取过程通常是通过检测和解码数字媒体中的特定模式或密钥来实现的。
5. 验证和认证：提取出的水印信息可以被用来进行验证和认证。
通过与预先存储的原始水印信息进行比对，可以确定数字媒体的真实性和完整性，从而进行溯源或防伪等操作。
数字水印技术广泛应用于版权保护、防伪溯源、信息认证等领
域。
它能够在不改变原始媒体内容的情况下嵌入和提取数字信息，为数字媒体的保护提供了一种有效的手段。
数字水印技术：原理、算法与应用研究
数字水印技术：原理、算法与应用研究第一章引言1.1 研究背景数字水印技术是一种将特定信息嵌入到数字媒体中的技术，它可以用于版权保护、内容认证、数据追踪等方面。
随着数字媒体的广泛应用，数字水印技术也得到了越来越多的关注和研究。
1.2 研究目的本文旨在介绍数字水印技术的原理、算法和应用研究，帮助读者了解数字水印技术的基本概念和工作原理，并探讨数字水印技术在各个领域中的应用。
第二章数字水印技术的原理2.1 数字水印的定义数字水印是指将特定信息嵌入到数字媒体中，并且这种嵌入是不可察觉的。
数字水印可以分为可见水印和不可见水印两种类型。
2.2 数字水印的分类根据嵌入的信息类型，数字水印可以分为同步水印和异步水印。
同步水印是将特定信息嵌入到数字媒体的某个特定位置，而异步水印是通过算法将特定信息嵌入到数字媒体中。
2.3 数字水印的嵌入与提取过程数字水印的嵌入过程包括特定信息的选择、特定信息的嵌入和嵌入位置的选择等步骤。
数字水印的提取过程包括水印的检测和水印的提取两个步骤。
第三章数字水印技术的算法3.1 空域水印算法空域水印算法是将数字水印直接嵌入到像素值中的算法。
常用的空域水印算法有LSB算法、块迭代算法等。
3.2 变换域水印算法变换域水印算法是在数字媒体的变换域中嵌入水印的算法。
常用的变换域水印算法有DCT算法、小波变换算法等。
3.3 混合域水印算法混合域水印算法是将空域水印和变换域水印结合起来的算法。
常用的混合域水印算法有伪随机数算法、混合素数算法等。
第四章数字水印技术的应用研究4.1 版权保护数字水印技术可以用于版权保护，可以嵌入版权信息到数字媒体中，以防止盗版和非法传播。
4.2 内容认证数字水印技术可以用于内容认证，可以验证数字媒体的完整性和真实性，以防止内容被篡改和伪造。
4.3 数据追踪数字水印技术可以用于数据追踪，可以追踪数字媒体的传播路径和使用情况，以提供数据分析和监控。
第五章数字水印技术的挑战与展望5.1 水印容量和可靠性数字水印技术在提高水印容量的同时，也需要保证水印的可靠性，即水印在传输过程中不受损失和篡改。
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2.1.2基于非相关检测的水印技术－量化
基本思想是根据水印信息的不同将原始载体数据量化到不同 的量化区间，而检测时根据数据所属的量化区间来识别水印信 息。 常 见 的 两 种 量 化 方 法 是 ： QIM （ Quantized index modulation ， 量 化 索 引 调 制 ） 方 法 和 SCS （ Scalar costa scheme）方法。
tan N ( P N ) / P( P Q N )
wr
检测区域 nc 0.5
图2.15 在固定嵌入能量P约束下或得最高鲁棒性的搜索方法
2.2
信息水印——常见方法
2.2
信息水印——结论
因此许多学者提出基于结构化码表的次优的方法，如：标量 Costa算法(SCS), 检错码, 抖动量化技术和最近的多路径网格 调制技术。
I ( x, y )
I w ( x, y )
比例因子
W ( x, y )：伪随机模式{-1,0,1}
b0 b4 b8 密钥 K b15 水印序列：b0b1...bl-1 b1 b5 b2 b6 b3 b7 b=0 :-1 b=1 : 1
假定水印序列 b1b2 ,, bi ,bl 1 ，对每一位水印 比特 bi ，都对应一个不同的相互独立的伪随 机模式 RP ，如果 bi＝1 ，则取 ＋RP 否则取 －RP ， 所有的L个模式 RPi 之和就构成了水印 W ，即：
1. 带边信息编码指的是：在编码过程中使用边信息，对于要嵌 入的信息，可利用边信息在几个可选的码向量中进行选择，嵌 入引起作品失真最小的那个码向量。 2. 将带边信息编码和带边信息嵌入结合起来，就有可能获得比 简单的盲编码和盲嵌入好得多的性能。理想Costa算法证明，可 靠嵌入的信息量独立于载体内容。 3. 实际中为了得到理想Costa算法的水印容量，带边信息编码 则需要一个结构化的脏纸码书，以便适于快速的最近邻搜索。
2.1.1基于相关检测的水印技术－影响因素
水印嵌入强度 标志空间大小 水印模式的选择
2.1.1基于相关检测的水印技术－嵌入多位水印
的方案
时/空分复用技术
CDMA(码分复用技术)
2
2.1.1基于相关检测的水印技术－时/空分复用技术
I0 I4 I8 I1 I5 I2 I6 I3 I7
2.1.1基于相关检测的水印技术－ CDMA技术
i
i i
W (2bi 1) RPi
i 1
l
2.1.1基于相关检测的水印技术－ CDMA技术
2.1.1基于相关检测的水印技术－两种方法比较
位与位之间就干扰 时/空复用 > CDMA 抗裁剪攻击 时/空复用 < CDMA 计算量 时/空复用 > CDMA
2.1.1基于相关检测的水印技术－DCT域水印检测
向量提取器
wn
运行域：空间域、变换域或压缩域 修改方法：加性噪声、最低有效位(LSB)修改、系数重排、系
数移除及对部分载体数据进行扭曲和变形等。
V
Wm
①标志向量提取 ②水印检测
减少失真：借助于人类视觉模型（HVM）来限制修改的幅度。 安全性：主要利用传统加密或混沌加密技术，对水印信号进行
随机置乱或者对提取的标志向量进行置乱。
线性相关检测难以适用于DCT变换域的盲水 印检测算法。
符号相关检测更适合DCT变换域的盲水印检 测算法。 DCT变换交流系数的统计模型非常接近拉普 拉斯分布 在拉普拉斯分布假设下，采用符号相关的水 印检测器的效率是线性相关检测器的两倍
2.1.1基于相关检测的水印技术－压缩域水印算法总结
DCT 域的方法计算量较小，且与国际数据压缩标准（ JPEG ， MPEG，H261，H263）兼容，便于在压缩域（Compressed domain） 中实现，目前用得最多。 DFT （ Discrete Fourier Transform ）域的方法有利于实现 水印的仿射变换不变性，且可利用相位信息嵌入水印但DFT与国 际压缩标准不兼容，因而限制了其应用。 DWT(Discrete Wavelet Transform) 域的方法由于小波变换 具有良好的空间/频率分解特性，以及其为新一代静止图象压缩 标准(JPEG2000)，有十分好的前景。
鲁棒性：主要受水印嵌入的深度和嵌入的水印容量影响。
1
2.1基本原理与技术－算法分类
基于相关检测的算法
基于相关检测的算法主要是将水印信号（弱信号）视为独 立于载体信号（强信号）的噪声，将水印信号加性或者乘性 地添加到载体信号中。这类算法是以扩展频谱思想为基础， 形式十分多样，可适用于时空域、变换域和压缩域。
图2.10 QIM方法的简单特例示意图
4
2.1.3基于HVS的水印能量调制
利用HVS嵌入的不可见水印比均匀能量分布嵌 入的水印在信号能量上强得多。 利用感知模型调整水印模式的方式有两种：
1. 感知受限嵌入：利用感知模型来确定全局嵌入强度 的大小， 可以理解成一个对水印信息模式进行全局缩放的过程。 2. 感知成形：对能进行较好隐蔽的某些区域的标志进行加强， 而对明显被感知的区域的标志进行削弱，对嵌入强度局部化调 节的过程。
2.1.1基于相关检测的水印技术－单比特嵌入
I ( x, y )
I w ( x, y )
比例因子
非相关检测算法
非相关检测算法主要是利用替换、关系、量化等方法修改 载体信号，使得修改后的载体信号本身存在一种标志关系 （大小关系、逻辑关系、奇偶关系等），或者载体信号与预 设信息（如码书等）有隐含的对应关系。
目录
2.1 基本ห้องสมุดไป่ตู้理与技术
基于相关检测的水印技 基于非相关检测的水印技术 基于HVS的水印能量调制
2.数字水印基本原理及技术
2.2 信息水印技术
基本思想 鲁棒性度量 带边信息编码与嵌入
2.3 水印攻击 2.4 结论
2.1基本原理与技术－基本模型
噪声、变形等 水印嵌入器 输入信息
2.2信息水印技术－模型
原始载体
co
水印嵌入器
噪声、变形等 水印检测器
输入信息
m
水印编码器
Wm
修改
Wa
cw
攻击
cwn
水印解码器
mn
输出信息
K
水印密钥
K 水印密钥
水印系统被看成某种传输信道，输入的水印信息在信道里 传输，载体作品是信道的一部分。 该模型中，载体作品被当成带边信息。 水印信息编码和嵌入都借助于原始载体信息，这对降低视 觉失真影响、提高水印鲁棒性以及水印容量等性能指标有 很大帮助。
m
2.1基本原理与技术－基本模型
媒体空间 内的向量 标志空间 水印信息 内的向量 Wm 向量提取器 修改 原始载体
水印检测器 修改
co
水印编码器
Wm
cw
攻击
cwn
水印解码器
mn
输出信息
原始载体
co
K
co
原始载体
水印密钥
K 水印密钥
Vo
Vm
逆提取器
cw
水印作品
①标志向量提取 水印系统被看成某种传输信道，输入的水印信息在信道里 传输，载体作品是信道的一部分。 在首先提出的基本模型中，载体作品被当成纯噪声。 ②标志向量修改 ③标志向量提取的逆过程
密钥 K
W ( x, y ) ：伪随机模式{-1,0,1}
I w ( x, y ) I ( x, y) W ( x, y)
2.1.1基于相关检测的水印技术－单比特嵌入
R IW ( x , y )W ( x , y ) T T
W ( x, y )
2.1.1基于相关检测的水印技术－单比特嵌入
2.1基本原理与技术－基本模型
媒体空间 内的向量 受攻击后的 水印作品 c 标志空间 内的向量 简单的 水印检测器 水印信息
2.1基本原理与技术－基本原理
原理：水印嵌入过程实际上就是根据水印信息，对载体数据进
行微小修改，并且这种修改在人类视觉感知上不能被察觉，即 载体数据的修改幅度在一定的能量允许范围内。
3
2.1.2基于非相关检测的水印技术－替换
其主要思想是用水印信息或水印信息的数值去替换原始载体 的数据或特征量，提取时只需直接提取含水印载体对应的数据 或特征量即可。 常见的替换方法有：最低有效位替换、基像素 / 系数替换和 基块替换等算法。 替换方法不仅可用在时空域，也可用在变换域和压缩域中
2.1.2基于非相关检测的水印技术－替换—最低有效
2.1.2基于非相关检测的水印技术－关系
在水印嵌入过程中，通过修改载体数据使得水印的不同取值 反映了不同的关系，如大小关系、逻辑关系和奇偶关系等，从 而在检测时根据关系得到相应的水印信息。这种嵌入方式不仅 适用于时空域，也适应于变换域和压缩域。 在时空域中，常见的方法就是利用像素间的关系、块内或块 间的统计特征量的关系或利用邻域像素与中心像素间的关系来 嵌入水印。 压缩域中已采用的关系主要包括：块内[71, 72, 174, 175]， 块间[74]、帧内[75]（针对视频）、通道间[176]（针对彩色图 像）变换系数之间的关系，各频带能量关系[177]，位置、奇偶 关系等。
5
2.2
信息水印——鲁棒性度量
2.2
信息水印——最优嵌入
归一化相关下的鲁棒性度量可以用锥形区域内的一个N 维双 曲面表示。 2 cw w r R2 w cw cw nc r
R 2 0.5 R 2 2.0
1 P C log 2 1 2 N
W ( x, y )存在 W ( x, y )不存在
（2.4）
如果水印只有{-1,1}组成，且-1的个数等于1的个数，则线性相关可表示为：