數位水印

數位水印，是指將特定的信息嵌入數位訊號中，數位訊號可能是音頻、圖片或是視頻等。若要拷貝有數位水印的信號，所嵌入的信息也會一併被拷貝。數位水印可分為浮現式和隱藏式兩種，前者是可被看見的水印（visible watermarking），其所包含的信息可在觀看圖片或視頻時同時被看見。一般來說，浮現式的水印通常包含著作權擁有者的名稱或標誌。右側的示例圖片便包含了浮現式水印。電視台在畫面角落所放置的標誌，也是浮現式水印的一種。

隱藏式的水印是以數字數據的方式加入音頻、圖片或視頻中，但在一般的狀況下無法被看見。隱藏式水印的重要套用之一是保護著作權，期望能藉此避免或阻止數字媒體未經授權的複製和拷貝。隱寫術（Steganography）也是數位水印的一種套用，雙方可利用隱藏在數位訊號中的信息進行溝通。數字照片中的注釋數據能記錄照片拍攝的時間、使用的光圈和快門，甚至是相機的廠牌等信息，這也是數位水印的套用之一。某些檔案格式可以包含這些稱為“metadata”的額外信息。

基本介紹

• 中文名：數位水印
• 外文名：Digital watermarking
• 領域：光學

簡介

數位水印，是指將特定的信息嵌入數位訊號中，數位訊號可能是音頻、圖片或是視頻等。若要拷貝有數位水印的信號，所嵌入的信息也會一併被拷貝。數位水印可分為浮現式和隱藏式兩種，前者是可被看見的水印（visible watermarking），其所包含的信息可在觀看圖片或視頻時同時被看見。一般來說，浮現式的水印通常包含著作權擁有者的名稱或標誌。右側的示例圖片便包含了浮現式水印。電視台在畫面角落所放置的標誌，也是浮現式水印的一種。

隱藏式的水印是以數字數據的方式加入音頻、圖片或視頻中，但在一般的狀況下無法被看見。隱藏式水印的重要套用之一是保護著作權，期望能藉此避免或阻止數字媒體未經授權的複製和拷貝。隱寫術（Steganography）也是數位水印的一種套用，雙方可利用隱藏在數位訊號中的信息進行溝通。數字照片中的注釋數據能記錄照片拍攝的時間、使用的光圈和快門，甚至是相機的廠牌等信息，這也是數位水印的套用之一。某些檔案格式可以包含這些稱為“metadata”的額外信息。

性質要求

• 安全性：水印信息應當難以篡改、難以偽造。
• 隱蔽性：水印對感官不可知覺，水印的嵌入不能影響被保護數據的可用性大大降低。不具備這一特性的水印，稱為可見水印（Visible Watermarking）。如電視台播放信號的時候在某個角落經常嵌有它的標誌。
• 強健性：水印能夠抵禦對嵌入後數據的一定操作，而不因為一些細微的操作而磨滅。包括數據的傳輸中產生的個別位錯誤，圖像或視頻、音頻的壓縮。不具備這一特性的水印，稱為脆弱水印（Fragile Watermarking）。
• 水印容量：是指載體可以嵌入水印的信息量。

常用技術

數位水印生成技術

• 偽隨機生成
• 擴頻水印

數位水印嵌入技術

• LSB
• QIM
• SCS

數位水印檢測技術

• 計算自相關

數位水印攻擊技術

• 剪下-貼上攻擊

視頻水印技術

常用水印攻擊

1. 數字類比轉換（A/D,D/A conversion）
2. 旋轉（rotation）
3. 放大縮小（scaling）
4. 切割（cropping）
5. 壓縮（compression）
6. 再量化（requantization）
7. 再取樣（resample）

功能需求

• 隱蔽性或透明性（Imperceptible or Transparency）－原始視頻在嵌入數位水印後的差異必須是人眼所無法察覺到的，也就是不能降低或破壞原始視頻的品質。
• 不易移除性（Non-removable）－水印要設計得不容易甚至不可能被黑客移除。
• 強健性（Robustness）－經過水印技術處理後的視頻經由噪聲、壓縮處理、視頻處理以及各種攻擊後，所萃取的數位水印仍然可以清楚的呈現以便於人眼辨識或判斷。
• 明確性（Unambiguous）－萃取的數位水印，經過各種攻擊後，有損不會很嚴重，可以明確的讓擁有者辨識或判斷。

數位水印的發展

視頻水印的發展

一般而言，視頻水印技術是透過更改視頻中的數據來嵌入水印，其作法上有兩個主要的領域:

• 空間域（時間域）法

早期的視頻水印研究主要是發展在空間域中，以灰階視頻而言，每個取樣點（pixel）一般是以八個比特來表示，且由最高有效比特（MSB）開始向右排列至最低有效比特（LSB），表示數據比特的重要性次序，因此可透過更改每個取樣點中敏感度最低的LSB來嵌入水印信息，使得水印具有較高的隱密性，這是信息隱藏技術中最常被用來藏入信息的一個既簡單又容易實現的方法。但其缺點是容易被不法人士惡意破壞，且難以抵抗噪聲、壓縮處理、視頻處理以及剪下處理等各種攻擊。

• 變換域法

在頻域中的水印主要是原始視頻轉換到頻域里，在加入水印數據，將水印嵌入至不同頻率成分信號可滿足不同需求，當嵌入至高頻信號，較不容易被人眼視覺系統所察覺，嵌入至低頻成分信號，由於能量較高因而不容易被破壞。

• 離散餘弦轉換域

離散餘弦轉換是靜態視頻壓縮技術（如JPEG）以及動態視頻壓縮技術（如MPEG）中的主要核心，而從視頻以8*8的像素區塊為單位來做離散餘弦轉換，轉換後仍然以8*8的區塊大小來表示頻率信息，其目的主要是將區塊中各個像素的關係性打散，使得大部分的能量可以集中在少數幾個基底函式上。

以離散餘弦轉換為工具，根據水印所嵌入的頻帶位置不同又分為:

1. 嵌入DC係數的水印技術
2. 嵌入低頻係數的水印技術：小波域

離散小波轉換也是一種可將視頻的空間域信息轉換為頻率域信息的技術，其優點除了可以有效的將視頻中各個像素的關係性打散之外，還提供了多重解析度與多頻率的特性，使得在處理聲音、視頻以及視頻等信息時的彈性較大，因此近年來被廣泛的套用在視頻處理、數據壓縮以及信息隱藏等研究領域。而離散小波轉換可透過相對應的濾波器而分別作用在視頻信息中的列與行來實現。以離散小波轉換為工具，根據水印所嵌入的頻帶位置不同又分為：嵌入頻帶HL1的水印技術；嵌入頻帶LH2的水印技術。