第1章概 论
本章从概念､特征､算法､分类､原理以及应用等方面对数字水印技术进行全面论 述，为后面各章地理空间数据数字水印理论和方法的研究建立基础，使读者对数字水印 技术建立基本认识｡
1.1引 言
始于20世纪中后期的数字化革命，经历了五十多年的发展，将人类社会推进到信 息化社会阶段，社会的信息化极大地改变了人类的生产与生活方式，使得处在全世界各 地的人们进行信息交流更加方便､直接和经济，同时也极大地提高了信息表达的效率和 准确率｡信息化社会为人类带来便利的同时也带来了各种安全风险和隐患｡近几年来， 恐怖主义､战争威胁､计算机病毒､信息对抗､信息安全等问题困扰全人类，人们开始 关心数据信息来自何方､送到何处，数据的保密性､真实性､完整性､通信对象的可信 赖性､个人隐私的保护以及辛勤劳动所创造的数据产品的安危等｡针对侵权盗版活动日 益猖獗的情况，一方面可通过立法来加强对数字产品版权的保护，另一方面也必须要采 用先进的版权保护技术来保障法律的实施｡传统的版权保护技术如激光防伪标签､条 码､特殊符号以及隐形标记等在数字化产品的版权保护上无能为力，寻求适用于数字产 品版权保护的技术手段成为十分紧迫的社会需求及课题｡
空间数据作为一种特殊的数据信息，有自己特殊的应用场合，随着近几年对地理信 息系统的开发和研究，地理空间数据的应用得到了快速增长｡例如，地理空间数据可应 用于汽车导航系统､带有GPS定位服务的移动通信设备､基于WEB的数字地图服务， 以及采用地理信息系统(GIS)技术用于地理国情监测和灾难应急响应系统等｡地理空 间数据生产成本高､精度高，但作为数据的一种，同样也易于更改､复制和传播，一旦 对地理空间数据的发布失去控制，造成地理空间数据的流失和滥用，就会损害相关单位 的正当权益，甚至损害我国的国防安全｡
1.1.1传统信息安全技术的不足
传统的信息安全技术主要是加密技术｡该技术目前已经发展得比较成熟，在信息社 会的各个领域中得到了广泛的应用｡加密技术是将信息的语义隐藏起来，对手得到密码 后，虽然知道其中有秘密信息存在，却不知道秘密信息的含义而已｡加密技术对内容的 保护只局限在加密通信的信道中或其他加密状态下，一旦解密，则毫无保护可言｡目 前，计算机技术的飞速发展使得密码破译能力越来越强，常规密码的安全性受到了很大 的威胁｡而密码一旦破译，内容完全透明，信息就会失控，信息版权就得不到保护，也
为盗版侵权行为提供了便利(孙圣和等，2004)｡传统加密方法的局限如图1.1所示 (潘蓉，2005)｡为了弥补密码技术的缺陷，人们开始寻求另一种技术来对加密技术进行 补充，从而使解密后的内容仍能受到保护｡用户B
图1.1传统加密方法
1.1.2数字水印技术的需求
数字水印技术是信息安全领域中近年发展起来的前沿技术，并有希望成为这样一种 补充技术，数字水印技术是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性把版权信息嵌 人在数字作品本身中，因为它在数字产品中嵌人的信息不会被常规处理操作去除从而起 到保护数字作品版权的一种技术(孙圣和等，2004)｡数字水印技术是通过计算机以一 定的算法嵌人的，一般不易感知，只能通过计算机提取和检测｡在发生版权纠纷时，可 以通过相应的算法提取出来，从而验证数字产品的版权归属，确保版权所有者的合法利 益(杨义先和钮心忻，2006)｡基于数字水印技术的保护版权的方法如图1.2所示(潘 蓉，2005)｡数字水印技术一方面弥补了密码技术的缺陷，可以为解密后的数据提供进 一步的保护;另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名技术的缺陷，因为它可以在原 始数据中一次性嵌人大量的秘密信息(李黎，2004)｡数字水印技术是目前信息安全技 术领域的一个新方向，是一种可以在开放网络环境下保护版权､认证来源及完整性的新 型技术，创作者的创作信息和个人标志通过数字水印技术系统以人们所不可感知的水印 形式嵌人在数字产品中｡
与数字加密相比，数字水印技术具有以下的优点:第一，数字水印技术被嵌入到数 据本身内容之中，并不影响数据的正常使用与传播，而数字加密对数据本身内容进行扰 乱，影响了数据的有效传播;第二，由于数字水印技术被嵌人到数据本身内容之中，因 此对数据复制､一般处理与传播都不会改变数字水印技术的主要信息，除非对数据进行 较多的处理，而这样往往会造成数据质量的严重下降，使其失去使用价值或商业价值; 第三，通过检测数据中的数字水印技术信息，不仅能够判断数据的版权信息，还可以对"W
图1.2数字水印技术过程
数据的侵权行为进行监视与跟踪’这一点可以通过在数据中嵌人购买者的数字标志来实 现｡因此，使用数字水印技术可以较好地弥补数字加密的不足之处(姚俊，2002)｡随 着数字水印技术的发展，研究者发现了越来越多的应用，有许多是当初所没有预料到 的｡如今，数字水印技术在数字内容的广播监控､所有者鉴别､所有权验证､操作跟 踪､内容认证､拷贝控制和设备控制等方面得到了十分广泛的应用(Tirkel etal.， 1993)，关于数字水印的详细介绍见1.2节｡
目前，数字水印技术得到了高度重视和发展｡但是，大部分的研究和应用仅限于数 字图像､声音和视频｡这一方面是因为计算机和网络技术的发展使得这些产品得到了普 及，提出了比较明确的需求;另一方面是因为随着通信技术和信息处理技术的发展，产 生了大量成熟的数据处理算法｡已经有许多学者和研究机构对地理空间数据水印技术进 行了研究，并取得了一些研究成果，但是从总体上来看，数字水印技术在地理空间数据 方面的研究还处于起步和发展阶段｡
1.2数字水印技术
水印技术最早出现于意大利的造纸业中，1282年，意大利法布里阿诺(Fabriano) 的一家造纸厂在纸张的制造过程中，将具有图案或者标识的压胶辊压制于纸桨之上，使 得造出来的纸张具有某种隐隐约约的印记，这就是早期的水印，早期纸张中的水印技术 主要用于增强纸张的美感｡
最早将水印作为防伪功能应用于印钞的是德国｡1772年，德国为了使发行的纸币 能够防伪，就在新发行的萨克森纸币上首先应用了水印｡到了 19世纪后期，世界上的 许多国家都在本国纸币上应用了水印｡
类似于数字水印技术的案例最早出现于1954年，当时美国的E. Hembrooke申请 了一'个名为Identification of Sound and Like Signals的发明，提出一'种将不可感知的 标识码嵌人到音乐作品中以保护作品的版权的专利｡该专利申请书中写道“申请的发明 能有效追踪音乐产品的版权同时提供一种保护隐私的手段，就像纸张中的水印一样”" 这是最早出现的电子水印技术｡
随着计算机技术的不断发展和普及，数据版权保护的重要性越来越突出，在这一历 史条件下，数字水印技术应运而生｡1993年，Tirkel等发表了一篇名为KertronkWa- termark的文章，首先提出了 “电子水印”的说法，然后又发表了另外一篇名为A Digital Watermark 的文章(Schyndel et al.， 1994)，提出了 “数字水印技术”这一-概 念，并引起了许多学者和公司的关注｡从此之后，对于数字水印技术的研究如雨后春笋 般涌现出来｡经过近20年来大量学者和研究机构的共同努力，数字水印技术的研究取 得了较大进步｡在数字水印技术理论研究方面，每年都会有大量关于数字水印技术的论 文发表，分析近几年的数字水印技术方面的论文可以发现对于数字水印技术的研究发生 了很大的变化，取得了较大的进步｡从早期简单的空间域水印算法到现在鲁棒性好的空 间域和变换域相结合的水印算法，从早期仅仅考虑简单的单一水印攻击到现在考虑复杂 的复合水印攻击，从早期算法模型研究到现在算法和水印数据评价的研究，从早期图像 水印算法的研究到现在的视频､音频､文本､三维模型和地理空间数据等多种载体数据 水印算法的研究，这一系列变化使得对水印理论的研究正朝着更深更广的方向发展，这 为数字水印技术的发展和应用奠定了坚实基础｡
数字水印技术自提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地位，发展较为迅 速，世界各国的科研机构､大学和商业集团都积极地参与或投资支持此方面的研究｡例 如，美国财政部､美国版权工作组､美国洛斯阿拉莫斯国家实验室､美国海陆空研究实 验室､欧洲电信联盟､德国国家信息技术研究中心､日本NTT信息与通信系统研究中 心､麻省理工学院､南加利福尼亚大学､剑桥大学､瑞士洛桑联邦工学院､西班牙 Vigo大学､微软公司剑桥研究院､CA公司､荷兰菲利浦公司､朗讯贝尔实验室等都在 进行这方面的研究工作｡(M公司､日立公司､NEC公司､Pioneer电子公司和Sony 公司五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印｡
近年来，国际上相继发表了大量的关于数字水印技术的学术文章，内容主要是数字 水印技术的理论研究，包括数字水印技术的特点､分类､模型､应用和模型等，几个有 影响的国际会议(如IEEE，SPIE等)及一些国际权威学术期刊(如Sgnal Processing等)相继出版了有关数字水印技术的专题｡1996年5月，国际第一届信息 隐藏学术讨论会(International Information Hiding Workshop，IHW)在英国剑桥牛顿 研究所召开｡在1999年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印技术成为主旋律， 全部33篇文章中有18篇是关于数字水印技术的研究｡1998年的国际图像处理大会 (ICIP)上，还开辟了两个关于数字水印技术的专题讨论｡由M.Kutter创建的Water¬marking World成为一个关于数字水印技术的著名网上论坛｡
除了理论研究以外，一些机构也正在积极开发采用数字水印技术的产品，在20世 纪90年代末期一些公司开始正式地销售水印产品｡在图像水印方面，美国的Digimarc 公司率先推出了第一个商用数字水印技术软件，然后又以插件形式将该软件集成到 Adobe公司的Photoshop和Corel Draw图像处理软件中｡该公司还推出了媒体桥 (Mediabridge)技术，利用这项技术用户只要将含有Digimarc水印信息的图片放在网 络摄像机(WebCamera)前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与图像内容相关联的 网络站点｡AlpVision公司推出的Lavellt软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字 符，这些字符标记可以作为原始文件出处的证明，也就是说任何电子图片，无论是用于 Word文档､出版物，还是电子邮件或者网页，都可以借助于隐藏的标记知道它的原始 出处｡AlpVision公司的SafePaper是专为打印文档设计的安全产品，它将水印信息隐 藏到纸的背面，以此来证明该文档的真伪｡SafePaper可用于证明一份文件是否为指定 的公司或组织所打印，如医疗处方､法律文书､契约等，还可以将一些重要或秘密的信 息，如商标､专利､名字､金额等，隐藏到数字水印技术中｡2001年7月，富士通公 司开发出了 “阶层型电子水印”技术，为其在因特网上实现电子博物馆和电子美术馆系 统“Musethque Light”提供了安全保障｡美国Informix软件公司开发的数据库管理系 统“INFORMIX-Universal Server”也可作为嵌人数字水印技术的软件使用｡目前国际 上报道的已经开发成功的数字水印技术软件还有:Digimarc公司的PictureMarc､ BatchMarc､Marc Center､Marc Spider，英国 Signum公司的 SureSign 系列产品，Aliroo 公司的ScarLet，Alpha公司的EIKONAmark以及MediaSec公司的SysCop系列产品等｡ 这些产品都对数字水印技术的发展起到了巨大的推动作用｡欧洲电子产业界和相关大学协 作开发了采用数字水印技术来监视复制音像软件的监视系统，以防止数字广播业者的不正 当复制行为｡该开发计划名称为 “TALISMAN” (Tracing Authors’ Rights by Labeling Im
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