數位浮水印技術介紹

近幾年，由於網際網路的蓬勃發展，使得人們不僅可從書本上取得所要的資 料，也可以透過網際網路直接搜尋取得，徹底顛覆了以前人類大部分只能從書本 取得資料的方式，並且經由多媒體技術的快速發展，使得資料全面數位化，造成 任何人可以輕易的修改和複製，也因此不法人士利用這些特性，藉此來販售盜版，

以謀取不當所得，嚴重威脅到著作者的權益，造成著作者不想再創作下去，如此 的惡性循環，也將破壞市場的機制，使得擁有版權的公司無法再經營下去，所以 為了遏止這些不法人士的侵權行為，資訊隱藏技術之數位浮水印技術應運而生。

西元 1999 年，Petitcolas 等人[16]對資訊隱藏技術做了分類，如圖 2-1 所示。

Information hiding

Covert

channels Steganography Anonymity Copyright

marking

Linguistic steganography

Technical steganography

Robust copyright marking

Fragile watermarking

Fingerprinting Watermarking

Imperceptible watermarking

Visible watermarking

圖 2 - 1 Petitcolas 等人所提出的資訊隱藏技術分類圖[16]

在 資 訊 隱 藏 技 術 中 ， 其 中 比 較 耳 熟 能 詳 的 技 術 有 兩 種 ， 一 種 是 隱 寫 術 (Steganography)，這個名詞是由 steganos 和 graphein 兩個希臘字合併而來，steganos 的字義為遮蔽和隱藏的意思，而 graphein 的字義為描述的意思，所以這兩個字義 合併起來就是把描述隱藏起來的意思。

隱寫術主要是使用在秘密通訊上，強調的功能在於一段機密的資訊經過編碼 處理之後，附加在另一個將被傳輸的資料上，除了發送者與接收者能夠讀取機密 的資訊之外，其他人只能讀取的到資料的內容，而無法察覺出資料的內容裡還藏 有機密的資訊，但是這項技術不考慮資料被攻擊的情況，一旦資料被偵測出來有 機密的資訊，就會使得機密的資訊很容易被讀取出來，喪失隱藏機密資訊的功 能。

另一種是數位浮水印技術(Watermarking)，數位浮水印技術允許任何人知道此 數位影像有嵌入浮水印，並且也知道取出浮水印的方法，但是除了合法的所有者 能取出浮水印之外，其他人都無法取出浮水印，而受保護的數位影像中的浮水印 必須具備不會輕易的被破壞和被刪除的能力。

以下表 2-1 為隱寫術與數位浮水印技術的比較表：

表 2 - 1 隱寫術與數位浮水印技術的比較表

隱寫術 數位浮水印技術

嵌入機密資訊或浮水印後的資料量 變大 保持不變

讀取機密資訊或取出浮水印的方法 不公開 公開

機密資訊或浮水印的攻擊與破解方式 編碼方法 鑰匙或數位影像處理

隱藏機密資訊或浮水印的能力 高 中

機密資訊或浮水印的抵抗攻擊能力 無 佳

數位浮水印技術依目的不同發展出兩種不同特性的浮水印，以下為兩種不同 特性的浮水印說明：

(1) 強健型浮水印(Robust Watermarking)

主要的目的是受保護的數位影像中的浮水印有一定程度的抵抗攻擊能力，並 且從受攻擊後的受保護數位影像中取出的浮水印，還可以證明此數位影像的合法 所有者是誰，因此，必須保證攻擊無法只破壞受保護的數位影像中的浮水印，而 不破壞受保護數位影像的品質，否則將失去保護著作者或版權所有人的目的。

(2) 易碎型浮水印(Fragile Watermarking)

主要的目的是偵測受保護的數位影像有無被竄改，強調數位影像的真實性與 完整性，如果受保護的數位影像遭受到攻擊或竄改，即使只有稍微一點點被攻擊 或竄改，取出的浮水印也能夠偵測出數位影像遭受到竄改的部分或者是被何種攻 擊種類所破壞，所以易碎型浮水印雖然沒有任何的抵抗攻擊能力，但是對於重要 的精密影像(例如是醫學影像等)或機密影像，則是比較需要嵌入易碎型浮水印來 驗證是否與原始的精密影像或機密影像相同。

然而在強健型浮水印裡面，又可分為兩種不同特性的浮水印，一種為可視浮 水印，另一種為不可視浮水印。

以下圖 2-2 為強健型浮水印中兩種不同特性的浮水印示意圖：

(a) (b) (c)

圖 2 - 2 強健型浮水印 (a) 浮水印；(b) 可視浮水印；(c) 不可視浮水印

(1) 可視浮水印(Visible Watermarking)

可視浮水印可以直接用人眼辨識出受保護數位影像的合法所有者是誰，不需 要任何的方法運算即可取出浮水印，如圖 2-2(b)所示，但是此浮水印卻會直接破 壞受保護數位影像的品質，並且不法人士可以直接取得浮水印，進而進行違法的 竄改或刪除。

(2) 不可視浮水印(Imperceptible Watermarking)

不可視浮水印強調受保護的數位影像無法直接用人眼辨識出合法的所有者 是誰，必須使用方法運算才能夠取出浮水印，如圖 2-2(c)所示，因此，不法人士 無法直接取得浮水印進行違法的竄改或刪除，必須使用攻擊的方式來破壞浮水印，

但是攻擊難以只破壞受保護的數位影像中的浮水印，而不破壞受保護數位影像的 品質，所以不可視浮水印相對於可視浮水印還要來的強健許多。

以下表 2-2 為可視浮水印與不可視浮水印的優缺點比較表：

表 2 - 2 可視浮水印與不可視浮水印的優缺點比較表

可視浮水印 不可視浮水印

優點

1. 可以直接用人眼辨識出浮水印 2. 不需要任何的方法運算就可以

嵌入與取出浮水印

1. 不易破壞受保護數位影像的品 質

2. 浮水印的抵抗攻擊能力較佳

缺點

1. 浮水印會直接破壞受保護數位 影像的品質

2. 不法人士可以直接取得浮水印 進行違法的竄改或刪除

1. 必須透過方法運算才能夠嵌入 和取出浮水印

在不可視浮水印裡面，目前可分為兩種嵌入浮水印的方式，一種為空間域的 方式，另一種為頻率域的方式。

(1) 空間域(Spatial Domain)方式

空間域方式是早期數位浮水印技術的浮水印嵌入方式，最簡單的做法為將浮 水印嵌入至數位影像中二進制像素值的最低位元(Least Significant Bit, LSB)，因為 最低位元的改變對於人眼的敏感度極低，並且也對於數位影像中的資訊改變很小，

使得受保護數位影像的品質可以與原始數位影像的品質幾乎一樣，具有極佳的不 易察覺性，而且因為是直接對數位影像中的像素值做修改，使得空間域方式具有 快速嵌入和取出浮水印的優點以及擁有與原始數位影像同樣尺寸大小的浮水印 嵌入容量，但是最大的缺點在於浮水印容易受到數位影像處理和壓縮處理的破壞，

造成浮水印的抵抗攻擊能力較差，具有強健性不足的問題。

(2) 頻率域(Frequency Domain)方式

為了改善空間域方式的浮水印強健性不足的缺點，頻率域方式的數位浮水印 技術則幾乎取代了空間域的方式，主要的作法為將空間域的數位影像經由轉換公 式運算到頻率域的數位影像，而頻率域的數位影像中的每一個係數值代表著數位 影像資訊的重要部分與不重要部分，通常使用重要和不重要之間的部分，亦即為 浮水印不容易被攻擊所破壞和不容易影響數位影像品質的部分來嵌入浮水印，完 成浮水印的嵌入之後，頻率域的數位影像再經由反轉換公式運算到空間域的數位 影像，即可得到受保護的數位影像。

使用頻率域方式嵌入的浮水印具有較佳的抵抗攻擊能力，並且受保護數位影 像的品質也有使用者能夠接受的程度，但是最大的缺點在於轉換公式的運算需要 大量的運算量，即為計算複雜度(Computation Complexity)較高，導致無法很快速 的嵌入和取出浮水印。

頻率域方式的轉換公式最主要分為三種轉換方式，分別為離散傅利葉轉換 (Discrete Fourier Transform, DFT)、離散餘弦轉換(Discrete Cosine Transform, DCT) 與離散小波轉換(Discrete Wavelet Transform, DWT)，其中離散小波轉換為近幾年 所發展出來的頻率域轉換技術，它的優點為計算複雜度相對於其他兩種頻率域轉 換方式還來的低，亦即為離散小波轉換的運算速度較快，因此，不論是在數位浮 水印技術方面，還是其它相關的研究領域，均有相當多的技術使用離散小波轉換 來進行研究。

以下表 2-3 為空間域方式與頻率域方式來嵌入浮水印的優缺點比較表：

表 2 - 3 空間域方式與頻率域方式來嵌入浮水印的優缺點比較表

空間域方式 頻率域方式

優點

1. 具有快速嵌入和取出浮水印的 能力

2. 具有好的受保護數位影像的品 質

3. 擁有與原始數位影像同樣尺寸 大小的浮水印嵌入容量

1. 浮水印有較佳的抵抗攻擊能力

缺點 1. 浮水印的抵抗攻擊能力較差

1. 空間域的數位影像轉換至頻率 域的數位影像需要大量的運算 量，導致無法很快速的嵌入與取 出浮水印