数字水印与防伪技术

数字水印与防伪技术

出处：（计算机世界报 第44期 B3、B5）

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　　防伪技术是用于保护物品使其难以被伪造的一类特殊技术，它既要惟一，又要难以伪造，同时还必须能准确识别。

　　防伪技术首先要具备惟一性，使相应技术无法从别处直接获得；第二，要求技术难以伪造，因为对于伪造者而言，首先想到的是是否值得投入很大的人力和物力，是否需要相当长的时间。而且，防伪技术的存在和发展必须依附于被保护标的物的需求，防伪技术开发的最终目的是击败伪造者，使其无法实现伪造的目的。

　　因此，必须综合防伪性能良好的防伪技术作为防伪系统的核心技术，且该技术应该能用配套仪器进行准确检测。对于重要的防伪产品用户而言，应将多项性能较高的技术组合起来使用，才能达到更有效的防伪目的。

　　防伪技术的组合原则是：感官检测的防伪暗记和机器自动检测的暗记相结合；明的防伪特征和暗的防伪特征相结合；将防伪暗记分组设置，形成多层防伪鉴别结构，以满足将不同人员的防伪鉴别权力分为不同级别的要求。

　　选择防伪技术的研究开发项目，要以满足防伪应用要求为目标，选择那些防伪性能可靠、既是惟一的又难以被同行专家仿制的技术，同时还要满足以下条件：

◆ 利用该技术生产的防伪产品应较易批量生产，且产品一致性要好；

◆ 最好能派生出多种防伪技术性能相同、但互不相通的防伪产品；

◆ 使用简单复制的方法无法进行仿制；

◆ 最好具有两个以上相对独立的科研生产步骤，以便于制约和管理；

◆ 用该技术生产的产品应具有惟一性；

◆ 所具备的感觉识别的防伪特征应易于辨别且难于仿制出类似的特征，并具备机器识别的特征，保证使用配套的识别仪器可以准确进行真伪鉴别；

◆ 利用该技术生产的防伪产品应能牢固地与被保护的标的物结成一体，不会被完整无损地转移；

◆ 所生产的产品应具有较低的成本；

◆ 防伪产品和配套仪器价格合理，整个防伪系统具备较高的功能。

　　数字水印技术的出现给防伪技术的发展带来了新的机遇，它独有的特性，彻底更新了传统防伪技术观念。

　　数字水印技术有多种分类。按作用可划分为鲁棒水印和脆弱水印。前者主要应用于数字作品中标志著作版权信息，需要嵌入的水印能够抵抗常见的编辑处理和有损压缩；后者主要用于完整性保护，判断信号是否被篡改。

　　按照水印的载体，数字水印可分为图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和印刷水印等。

　　如果按照检测方法，数字水印可分为明水印和盲水印。在检测过程中需要原数据的技术称为明水印，其鲁棒性较强;在检测过程中不需要原数据的技术称为盲水印。

　　数字水印按内容可分为内容水印和标志水印。内容水印是指水印经过攻击受损后人们仍能通过感觉判断内容;标志水印是指通过检测判断来确定信号中是否有水印标志。

　　当按用途来分类时，数字水印可分为版权保护水印、篡改提示水印、票据防伪水印、隐蔽标识水印、印刷数字水印等。

　数字水印具有以下主要特性:

不可感知性 多媒体信息加入水印后并不改变其感知效果，水印在通常的感知条件下不被感觉，这是数字水印最基本的特点，即多媒体信息嵌入水印后，数字信息发生的变动和失真应低于可感知的门限。

如图像加入水印后，人们感觉不到图像在视觉上有任何变化，即使通过自然光或其他外光源照射也察觉不出与原图像有何差异。

鲁棒性 指多媒体中的水印信息能够抵抗应用过程中的各种破坏，如数字信号处理技术，包括噪声、滤波和有损压缩等。

安全性 数字水印系统使用一个或多个密钥来确保安全，防止修改和擦除水印。信息被隐藏在多媒体内容中，并不因文件格式转换而丢失，且未经授权者不能检测出水印。

自相似性 数字水印在原图像经过较大的破坏后，仍能从原数据中恢复出隐藏的水印，而且在恢复过程中不需原图像，这需要水印算法本身具有自相似性。也可以认为是水印信息分布在载体数据的很多样本中，利用其中的小部分数据就可以恢复出水印。

　　应用数字水印印刷防伪技术，不仅使商标等版权拥有者可以更好地保护知识产权，增强用户对其商品的信任感，维护企业的品牌形象和经济利益，而且可以使各类重要证件的印刷防伪技术措施上一个新的台阶。

　　与在互联网中的应用相比，数字水印技术应用于印刷或打印有许多特点。从技术的角度来讲，设计软件和算法时，需要更好的鲁棒性和抗攻击性，同时还需要满足一些特殊的性质：

　　视觉不可见性 即人眼在视觉上察觉不出有隐藏的水印，同时它不影响原有印刷品的视觉质量。利用软件将数字水印嵌入到数字图像中，在网络上流通时，容易满足视觉不可见性；而用于印刷防伪，此特性表现在采用打印或印刷设备时，在各种分辨率下加入的水印，不能因分辨率的降低或升高而使水印显现。

　　机读性 检测方式为机读方式，既可以采用简便的专用仪器或普通扫描仪加上软件完成隐藏水印的检测，也可以根据需要配合数据库的支持和网络认证。

　　抵抗非线性的鲁棒性 所设计的数字水印算法实现软件必须能抵抗A/D和D/A转换，即通过计算机加入数字水印，并通过打印机将含有水印的图像进行打印或印刷输出。经过流通后图像经过光电检测输入到计算机内，这其中包括非线性的量化失真和空间混叠。鲁棒性和视觉不可见性是相互矛盾的。

　　抵抗旋转、缩放和剪切 在印刷品产生过程中，要产生缩放等比例变化。在检测过程中，由于印刷品摆放的位置不正，也可能产生旋转和剪切变化。

　　抵抗色彩变换和文件格式变换 在A/D和D/A转化过程中，数字水印算法需抵抗伽玛矫正和色彩失真。打印和印刷的图像在再流通过程中，由于印刷品的老化也会产生色彩失真。文件格式变换也是经常遇到的，如BMP、TIFF、CYMK等的格式切换。

　　保密性 好的数字水印算法不仅在视觉上感觉不到，而且加入水印的编码方式和位置都考虑了保密性，如与密码学相结合，将会起到双重加密的作用。

　　水印容量 水印容量和鲁棒性之间是相互矛盾的。水印容量的增加会带来鲁棒性的下降，对不可见性也有影响。为抵抗各种变换，水印通常需要在图像中按照一定的排列方式反复加入多次，当水印容量大时，这样做的结果会导致重复次数减少，而鲁棒性不好就会导致检测结果的不可靠。

　　面向用户性 数字水印系统可以根据用户的需要进行设计，即面向用户的定制系统。

　　视觉不可见性是数字水印技术中最外在的特征，其实质是利用人类的视觉冗余或不敏感性，因而基于感知理论的水印研究是非常必要的。感知水印是在水印处理中利用感知信息的数字水印技术。目前的感知水印大都利用了基于人眼的调制传输函数（MTF）的频率灵敏度，为了提高数字水印的鲁棒性，需要建立适于水印的更完善的人类视觉模型。

　　每幅图像都有其自身独特的性质，数字水印是隐藏在这些图像当中的，要使数字水印隐藏的强度和鲁棒性达到最大，必须在全面考虑HVS的同时，兼顾个体图像的特点即图像的个体特征。因而应将人类的视觉系统、图像的个体特征以及时、频域的局部特性结合起来，研究基于内容的感知数字水印技术，这对于降低水印的视觉显著性，提高数字水印技术的稳定性和抵御各种攻击的鲁棒性，都是一种很有潜力和发展前景的途径。