1 数字水印的背景

当前，计算机和互联网的飞速发展在许多方面改变了人们的生活。人们的很多生产的成果都以数字的形式存储和传输。基于计算机和网络的多媒体数字作品的使用、传播提供了极为便利的途径，多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度，其发布形式愈加丰富了。人们可以通过Internet网发布自己的作品，传递重要信息，进行网络贸易等。但是与此同时其暴露出的安全问题也越来越严重：数字作品极易被非法拷贝和复制，使得很多版权所有者不愿意轻易公开其作品，这在相当程度上阻碍了其自身发展。目前，盗版已成为数字化产业{zd0}的威胁。数字产品的版权保护问题迫在眉睫，如何既充分利用Internet网的便利，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度重视。

仅靠密码学已不能很好地解决这一问题。因为虽然经过加密后只有被授权持有解密密钥的人才可以存取数据，但是经加密后的数据变得“杂乱无章”，这样就无法向别人展示自己的作品，同时也容易引起攻击者的怀疑；而且数据一旦被解开，就xx置于解密人的控制之下，原创作者或版权所有者没办法追踪复制或二次传播。在这种情况下，数字水印技术作为一种解决数字产品版权问题的有效手段得到了广泛关注，引起众多不同背景的研究人员的兴趣，并逐渐成为了当今国际IT学术界的一个研究热点^{[3-27,36-55,71-101]}。

1.1 数字水印应用领域

数字水印虽然只是90年代以后才发展起来，但其应用前景和应用领域将是巨大的，总的来说，数字水印技术有以下一些主要应用领域^[4,5]：

（1）版权保护（Copyright Protection）

随着互联网和电子商务的迅速发展，互联网上的多媒体信息急剧膨胀，数字化多媒体产品也可通过下载的方式从网上直接购买。而如何有效地保护这些数字产品的版权就成为一个极其关键的问题，也是数字水印技术研究的主要推动力。目前，版权保护可能是水印最主要的应用。其目的是嵌入数据的来源以及包含有版权所有者特征的信息，从而防止其它团体对该数据宣称拥有版权。这样水印就可公正地用来解决所有权问题，这种应用要求有非常高的鲁棒性。此外，还需要考虑其他一些要求，比如：水印必须明确无歧义（Unambiguous），并且在其他人嵌入另外的水印以后，仍然能够判断出正确的所有权。

（2）违反者追踪（Traitor Tracking）

数字水印还可用于监视或追踪数字产品的非法复制，这种应用通常称作“指纹（Fingerprinting）”。其目的是传输合法接收者的信息而不是数据来源者的信息，主要用于识别单个发行拷贝。它很类似于软件产品的序列号，即在每个发行的拷贝中嵌入不同的水印。因为单个加入水印的拷贝会受到共谋攻击（Collusion Attacks），嵌入的水印必须被设计成共谋安全的（Collusion-Secure）。同样，对于某些数字指纹应用来说，它们要求水印易于提取，且有很低的复杂度，例如对WWW应用，有专门的Web搜索者寻找嵌入了水印的盗版图像。数字指纹应用也需要很高的健壮性，不仅能抵抗一些常见的信号处理操作，还要能抵抗恶意的攻击。

（3）防止非法复制

要有效地保护版权，还应该有有效的技术手段，以使非授权者不能对数字产品进行非法拷贝。在开放系统中很难实现拷贝保护，然而在封闭或私有系统中，拷贝保护是可行的，一种方法就是在数字产品中的嵌入反映拷贝状态的水印。一个典型的例子就是DVD防拷贝系统，在该系统中，数据中的水印含有拷贝信息。一个符合要求的DVD播放器不允许重放或拷贝带有“禁止拷贝（Copy Never）”水印信息的数据。对含有“允许拷贝一次（Copy Once）”水印的数据只能拷贝一次，而不能多次拷贝。1996年，美国电影协会（MPAA）、消费电子产品制造商协会（CEMA）和部分计算机厂商联合成立了国际版权保护技术工作组（CPTWG）来研究防止数字视频被盗版。在过去几年，该协会已研制成功了DVD防拷贝系统。1997年夏天，CPTWG专门成立了数据隐藏子工作组（DHSG）来评价当前的水印技术应用于防拷贝系统的先进性和可靠性，希望引入数字水印技术。按照 DHSG的约定，将有两类应用水印技术的模块加入到DVD防拷贝系统中，分别是记录控制与回放控制。它利用水印的鲁棒性将拷贝管理系统（CGMS）数据保护起来，保证拷贝控制比特不会被轻易除去，从而有效防止因xx有关数据而引起的非法拷贝。引入回放控制的优点在于：如果盗版者成功地生成了不含内容加扰系统（CSS）密钥信息的非法 DVD RAM拷贝，由于水印仍然存在于这一拷贝中，符合标准的光盘播放机将会读出受水印保护的拷贝控制信息并根据RAM盘片本身的特点作出拒绝回放的判断。这样就将这种非法盘片的市场xx制在那些拥有非标准播放设备的用户中，而另一方面，这种设备却不能播放合法的正版DVD光盘，以此增强防拷贝系统的抗破坏能打。现今世界各大知名公司如 IBM、NEC、SONY、PHILIPS等，都在加速数字水印技术的研制和完善。