數位影像浮水印技術

數位浮水印技術是把特定的資料，如商標、個人肖像、文字或密碼等，這些 統稱為浮水印(watermark)，並將之嵌入(embed)至要保護的數位媒體之中。就影 像上的數位浮水印技術而言，要保護的數位媒體稱為原始影像(host image)或掩護 影 像 (cover image) ， 嵌 入 浮 水 印 之 後 的 影 像 則 稱 為 含 有 浮 水 印 的 影 像 (watermarked image)或偽裝影像(stego image)。

在數位浮水印的技術架構之中基本上有兩個操作程序，第一為浮水印之嵌 入，第二則為浮水印之擷取(extraction)。在嵌入過程中，基於安全性與強韌性的 考量，可以將浮水印進行打亂的動作，此動作可藉由虛擬隨機亂數產生器 (pseudo-random number generator, PRNG)透過一把種子金鑰(seed key)產生隨機亂 數來達成。在浮水印以此亂數打亂後，再進行嵌入程序，便可得到偽裝影像，如 圖2.1所示。

嵌入程序 原始影像

浮水印 種子金鑰

含有浮水印的影像 (偽裝影像)

圖 2.1：一般浮水印技術之嵌入流程圖

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在擷取階段中，我們將偽裝影像送進擷取程序中，並以上述種子金鑰進行浮 水印的還原動作，如圖2.2所示。一般而言，我們只需要偽裝影像與種子金鑰即 可還原出浮水印，但每種浮水印技術的擷取需求皆不一樣，有些需要原始影像做 輔助，有些需要原浮水印做輔助。在實際上，不需原始影像、原浮水印的擷取技 術較有應用價值。

擷取程序

種子金鑰 浮水印 含有浮水印的影像

(偽裝影像)

圖 2.2：一般浮水印技術之擷取流程圖

目前已有許多專家學者提出不同的浮水印技術。第一章曾提過，基本上浮水 印分為可視型與不可視型兩大類；除此之外，每個技術的嵌入方法、強韌度需求 與擷取方式，皆不盡相同，以下便一一說明這些細部技術的分類。

2.1.1 嵌入方法的種類

數位浮水印可視為一連串數值的處理，以灰階影像為例，此連串數值便是原 始影像像素灰階值的陣列，與浮水印像素灰階值的陣列，嵌入方法一般可分為直 接型與間接型，直接型是指直接對原始影像像素值進行修改，間接型是將原始影 像像素值進行轉換得到另一係數，再對此係數進行修改。而在文獻上常見的分類 方 式 有 三 種 ： 空 間 域 (spatial domain) 、 頻 率 域 (frequency domain) 與 轉 換 域 (transform domain)。空間域的方法是指直接對影像的像素值(pixel)進行修改，典

型的範例為，把影像像素值的最小有效位元(least significant bit, LSB)[4]當作嵌入 浮水印的位置；這類方法的優點是計算量不大，但對攻擊的抵抗性較差。頻率域 的方法是將影像的像素值做頻率域公式轉換，例如:離散餘弦轉換(discrete cosine transform, DCT)[5, 6]、離散傅立葉轉換(discrete fourier transform, DFT)[7]與離散 小波轉換(discrete wavelet transform, DWT)[8]，並將轉換後的係數進行修改，以嵌 入浮水印資訊，此類方法雖然有較多的計算量，但對攻擊的抵抗性卻優於空間域 方法。轉換域的定義則是以是否經過公式轉換做區別，所以上述的頻率域方法也 包含在此定義中，但在習慣上還是多以頻率域方法稱之。除此之外，如同奇異值 分解此類非頻率域的轉換方法，也歸類於轉換域中。總而言之，轉換域的定義包 含了頻率域，為一更廣泛的分類，但由於和頻率域的方法有所重疊，所以在一般 文獻上，分類的方式多以空間域與頻率域，或空間域與轉換域為分類方式。

2.1.2 強韌度需求的種類

依照浮水印不同的強韌度需求在應用上可分成三類：強韌型浮水印(robust watermark) 、易 碎型浮 水 印 (fragile watermark) 與半易碎型 浮水印 (semi-fragile watermark)。

強韌型浮水印的訴求在於抵抗各種不同攻擊的能力，此類技術主要應用在保 護智慧財產權上，由於不同的方法對不同類型的攻擊常會有不一樣的強韌性，所 以強韌型浮水印要盡可能地考量所有種類的攻擊。易碎型浮水印不強調抵抗攻擊 的能力，而是利用被破壞的浮水印找出影像被修改的部分，此類方法多應用在確 保資料傳遞的完整性上。半易碎型浮水印同樣也是利用被破壞的浮水印找出影像 被修改的部分，但不一樣的是，它可以判斷出此修改是屬於正常的影像處理或是 惡意修改。

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2.1.3 擷取方式的種類

在擷取程序中，依所需資料的不同可分將浮水印演算法分為三類[8, 9]：公 開浮水印(public watermark)、私密浮水印(private watermark)與半私密浮水印 (semi-private watermark)。

公開浮水印又稱為盲型浮水印(blind watermark)，此類浮水印在擷取過程中 只需要種子金鑰就能取出浮水印，如圖 2.2。私密浮水印又稱非盲型浮水印 (non-blind watermark)。此類浮水印在擷取過程中需要種子金鑰與原始影像(host image) 才 能 取 出 浮 水 印 。 半 私 密 浮 水 印 又 稱 為 半 盲 型 浮 水 印 (semi-blind watermark)，介於上述兩者之間，它需要種子金鑰與原浮水印才能取出浮水印。

就應用上來說，公開浮水印的方法最為可行，因為只需較少的資訊就能取出浮水 印，但缺點是此種方法其強韌性較差。

綜合上述說明，浮水印技術與應用的分類如表 1 所示：

表 1：浮水印的分類

分類依據： 類別名稱：

視覺 可視型、不可視型

嵌入方法 空間域、頻率域、轉換域

強韌度 強韌型、易碎型、半易碎型

擷取方式 公開、私密、半私密