数字水印技术：隐秘信息编码与嵌入

基于印刷二维码的链接技术，都会涉及二维码占据印刷版面的问题，一些人还会把版面印刷的黑白二维码视为是一种干扰。数字水印技术是比二维码技术更加先进，可以与二维码类似的方式使用，并可用常规印刷印制的一种解决方案。借助数字水印技术，同样的信息可与二维码编码一样，被隐藏在静止的图像内。数字水印传统上用于数字版权的管理，手机性能提高后，移动终端已能从印刷图像解码数字水印。

数字水印是把信息嵌入到数字文件，人的视觉系统无法看到，用统计方法无法检出的方法。Pitas^[19]认为，数据水印即是把信息嵌入到图像，视觉上图像未发现有被篡改，通过检测嵌入过程的修改记录，可对信息进行解码。此外，数字水印方法还可批量产生相互之间互不相同的数字水印。

数字信息的嵌入过程如图6-9所示。信息M被嵌入到图像I，密钥为K。在链接应用中，信息M可为特定链接的索引，相当于索引型二维码的编码信息。密钥K描述信息的各个部分在图像中应如何分布。信息因密匙作用而被隐藏，解码需有密匙才能完成。链接应用中信息无需隐藏，密钥K通常可设为常数。嵌入算法输出图像I'。从图像识读数字水印，视应用的具体任务而定，识读的结果可以为原始信息M，也可为图像I'含信息M的概率；前者可用于链接应用，后者对数字版权管理更加有用。

图6-9 数字水印的嵌入

水印技术有三个基本特征，即隐蔽性、抗变换性（鲁棒性）和数据容量^[21]，三者之间互相关联。隐蔽性描述数字水印的可见程度；数据容量描述数字水印可嵌入的信息量；抗变换性描述嵌入数字水印的图像可被篡改到何种程度，嵌入的水印才无法解码。嵌入的数字水印要求抗变换性和隐蔽性尽可能高，但这一要求限制了水印的数据容量。同样，要求数字水印的数据容量高，反过来会降低水印的抗变换性和隐蔽性。

Nuutinen^[20]研究了印刷图像嵌入水印时颜色分量的运用。图6-10所示为分别以蓝色、绿色分量嵌入数字水印的性能，嵌入水印的数据容量相同。抗变换性用位元差错率表示，隐蔽性则用主观测试界定。位元差错率计算错误解码的位元数占编码总位元数的比例。如图6-10所示，蓝色分量被嵌入水印后，图像质量视觉上没有降低，缺点是水印的抗变换性差。绿色分量存在的问题则刚好相反，嵌入水印的抗变换性好，但嵌入的水印使图像质量降低。

图6-10 数字水印的整体性能

印刷图像数字水印的检测，主要受几何失真和信号失真两个问题^[21]影响。链接应用嵌入水印的图像通常用纸张印刷，印刷的图像被照相手机获取，所得的图像数据被解码后得到数字水印。图像的印刷、获取过程相当于数字—模拟、模拟—数字转换，过程中会产生信号失真。信号失真肉眼可见，包括图像的亮度、色彩和反差变化。模拟—数字转换时，模拟信号被采样、量化、转变为数字信息并被压缩，会产生信息损失，转换的准确性取决于终端的设置和性能。

相对于信号失真，几何失真平常肉眼不易发现，但即使是轻微的几何失真，如图像的旋转和比例失真，也会显著降低嵌入水印的抗变换性。旋转失真是由识读过程产生，图像识读时很难确保识读终端、纸面图像（水平）方向完全一致。比例失真是由印刷（打印）设备与图像传感器的分辨率差异产生。

光学失真、透视失真同样是由图像获取过程产生。数码相机的图像处理器，现在对光学失真已能作较好的校正。产生光学失真的原因，有相机内成像镜头的桶形失真和枕形失真，摄像模块的生产厂家，知道镜头失真的大小、程度，通过校正算法和正确的参数设置可加以校正。透视失真是由图像获取角度产生，失真的大小每次获取图像都不尽相同。针对透视失真问题，已开发不同的方法进行校正^[22，23]，这些方法通常都是找出图像的四角，再由反透视转换把图像恢复到原始形状。透视转换是二维码解码的一项重要工作^[24]。(www.xing528.com)

Liu^[21]按数字水印的嵌入方式，把数字水印分为三类，即按空域、频域、图案方式嵌入数字水印。数字水印还可按解码方式分类。数字水印可用移动终端的内置软件解码，也可通过外部的服务器解码。前者是移动终端捕获印刷图像，再由终端的内部计算从图像提取嵌入的信息，然后，移动终端根据提取的信息，比如可与外部网站连接。后者是移动终端捕获的印刷图像被传输给外部服务器，外部服务器再把提取的信息返回到移动终端。

嵌入水印最简单的方法，是根据嵌入信息直接改变像素的密度值，以空域方式嵌入水印。优点是空域嵌入相对而言易于实施，缺点是嵌入水印需从嵌入时相同的像素位置读取，容易产生几何失真。频域嵌入水印是把水印信息嵌入各个频率分量，因此嵌入水印的抗变换性更强。由空域到频域的变换，一般是由离散傅里叶变换（DFT变换）、离散余弦变换（DCT变换）和离散小波变换（DWT变换）实现。水印嵌入的第三种方法，是以图案方式把数字水印叠加在图像上面。频域嵌入的水印，解码时占用大量的识读终端资源，因此，用于链接应用的数字水印，通常以空域方式或图案方式嵌入。

Nakamura等^[25]介绍一种用于链接应用的数字水印技术，这一技术是以图案方式把水印信息叠加到图像上面，其基本原理如图6-11所示。水印信息用二维的正弦波图形P⁺和P^-嵌入，图形的正弦波夹角为90 °，图形大小与图像I一致。嵌入时根据嵌入位元，用图形P⁺和P^-的组块（blocks）产生图案P。嵌入的位元值若等于“0”，则选取图形P^-的组块，嵌入的位元值若等于“1”，则选取图形P⁺的组块。最后，图案P被乘以嵌入强度a，再被叠加到原始图像I，产生嵌入水印的图像I′，如式（6-1）所示。

若考虑视觉、原始图像I的特性，Nakamura等介绍的方法可作进一步改进^[25]。叠加了水印图案的图像I′，由于水印图案的叠加，局部的感知质量可能降低，或叠加的图案局部难以检测。此时，在图像质量下降难以被感知的部位，可调整水印嵌入图案的相对强度，提高嵌入水印的抗变换性，并同时保持图像的感知质量。基于这一思路可生成一加权矩阵W，由式（6-2）得到嵌入水印的图像：

图6-11 用二维正弦波图形嵌入的数字水印^[25]

Moroon和Noda^[26]介绍一种空域方式嵌入水印，用于链接应用的水印方法。这一方法嵌入水印的数据容量为12个数字字符，与日本的JAN条码相同。JAN条码是普通条码，是日本的通用商品条码，在日本得到广泛应用，相当于欧洲EAN条码。Moroon和Noda介绍的方法，利用图像两相邻像素块的黄色相对密度差嵌入信息，其基本思路为，图像被分割成大小相等的像素块，若嵌入的位元值等于“0”，假设右边像素块的密度大，若嵌入的位元值为“1”，则假设左边像素块的密度大。嵌入水印的图像如何修改，如图6-12所示。

图6-12 利用图像相邻像素块黄色的相对密度差嵌入信息^[26]

Saarelma等^[27]介绍一种链接应用方法。这一方法具有外部服务器解码水印共同特征，并让印刷图像各部位的元数据（metadata）发生关联。图像的元数据和对应的位置信息，被储存于如外部服务器内。印刷图像被获取后，获取的图像本身或与图像相关的信息，被传输给外部服务器。捕获图像相应的位置，经过反馈若与服务器储存的图像位置一致，则可调取服务器储存内相关位置的元数据，以及元数据指向的额外数据。