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雷鋒網(wǎng)按：本文作者fuqiang liu，文章原載于知乎，雷鋒網(wǎng)已獲授權(quán)。
本文通過一個的實(shí)驗(yàn)，簡要介紹頻域手段添加數(shù)字盲水印的方法，并進(jìn)一步驗(yàn)證其抗攻擊性。在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)躲避數(shù)字盲水印的方法。（多圖預(yù)警）
本文分為四個部分，第一部分綜述；第二部分頻域數(shù)字盲水印制作原理介紹；第三部分盲水印攻擊性實(shí)驗(yàn)；第四部分總結(jié)；
一、綜述
本文提供的一種實(shí)現(xiàn)“阿里通過肉眼無法識別的標(biāo)識碼追蹤員工”的技術(shù)手段。通過看其他答主的分析，阿里可能還沒用到頻域加水印的技術(shù)。
相對于空域方法，頻域加盲水印的方法隱匿性更強(qiáng)，抵抗攻擊能力更強(qiáng)。這類算法解水印困難，你不知道水印加在那個頻段，而且受到攻擊往往會破壞圖像原本內(nèi)容。本文簡要科普通過頻域手段添加數(shù)字盲水印。對于web，可以添加一個背景圖片，來追蹤截圖者。
所謂盲水印，是指人感知不到的水印，包括看不到或聽不見（沒錯，數(shù)字盲水印也能夠用于音頻）。其主要應(yīng)用于音像作品、數(shù)字圖書等，目的是，在不破壞原始作品的情況下，實(shí)現(xiàn)版權(quán)的防護(hù)與追蹤。
添加數(shù)字盲水印的方法簡單可分為空域方法和頻域方法，這兩種方法添加了冗余信息，但在編碼和壓縮情況不變的情況下，不會使原始圖像大小產(chǎn)生變化（原來是10MB添加盲水印之后還是10MB）。
空域是指空間域，我們?nèi)粘Ｋ姷膱D像就是空域?？沼蛱砑訑?shù)字水印的方法是在空間域直接對圖像操作（之所以說的這么繞，是因?yàn)椴粌H僅原圖是空域，原圖的差分等等也是空域），比如將水印直接疊加在圖像上。
我們常說一個音有多高，這個音高是指頻率；同樣，圖像灰度變化強(qiáng)烈的情況，也可以視為圖像的頻率。頻域添加數(shù)字水印的方法，是指通過某種變換手段（傅里葉變換，離散余弦變換，小波變換等）將圖像變換到頻域（小波域），在頻域?qū)D像添加水印，再通過逆變換，將圖像轉(zhuǎn)換為空間域。相對于空域手段，頻域手段隱匿性更強(qiáng)，抗攻擊性更高。
所謂對水印的攻擊，是指破壞水印，包括涂抹，剪切，放縮，旋轉(zhuǎn)，壓縮，加噪，濾波等。數(shù)字盲水印不僅僅要敏捷性高（不被人抓到），也要防御性強(qiáng)（抗打）。就像Dota的敏捷英雄往往是脆皮，數(shù)字盲水印的隱匿性和魯棒性是互斥的。（魯棒性是抗攻擊性的學(xué)術(shù)名字）
信號是有頻率的，一個信號可以看做是無數(shù)個不同階的正弦信號的的疊加。
上式為傅里葉變換公式，是指時(shí)域信號（對于信號我們說時(shí)域，因?yàn)槭桥c時(shí)間有關(guān)的，而圖像我們往往說空域，與空間有關(guān)），是指頻率。想要對傅里葉變換有深入了解的同學(xué)，建議看一下《信號與系統(tǒng)》或者《數(shù)字信號處理》的教材，里面系統(tǒng)介紹了傅里葉變換、快速傅里葉變換、拉普拉斯變換、z變換等。
簡而言之，我們有方法將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換成為頻域，同樣，我們也能將二維信號（圖像）轉(zhuǎn)換為頻域。在上文中提到，圖像的頻率是指圖像灰度變換的強(qiáng)烈情況。關(guān)于此方面更系統(tǒng)的知識，參見岡薩雷斯的《圖像處理》。
下面以傅里葉變換為例，介紹通過頻域給圖像添加數(shù)字盲水印的方法。注意，因?yàn)閳D像是離散信號，我們實(shí)際用的是離散時(shí)間傅里葉變換，在本文采用的都是二維快速傅里葉變換，快速傅里葉變換與離散時(shí)間傅里葉變換等價(jià)，通過蝶型歸并的手段，速度更快。下文中傅里葉變換均為二維快速傅里葉變換。
上圖為疊加數(shù)字盲水印的基本流程。編碼的目的有二，一是對水印加密，二控制水印能量的分布。以下是疊加數(shù)字盲水印的實(shí)驗(yàn)。
這是原圖像，尺寸300*240
之后進(jìn)行傅里葉變換，下圖變換后的頻域圖像，
這是我想加的水印，尺寸200*100，
這是我編碼后的水印，編碼方式采用隨機(jī)序列編碼，通過編碼，水印分布到隨機(jī)分布到各個頻率，并且對水印進(jìn)行了加密，
將上圖與原圖的頻譜疊加，可見圖像的頻譜已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，
之后，將疊加水印的頻譜進(jìn)行傅里葉逆變換，得到疊加數(shù)字水印后的圖像，
肉眼幾乎看不出疊加水印后的圖像與原圖的差異，這樣，數(shù)字盲水印已經(jīng)疊加到圖像中去。
實(shí)際上，我們是把水印以噪聲的形式添加到原圖像中。
下圖是在空域上的加水印圖與原圖的殘差（調(diào)整了對比度，不然殘差調(diào)小看不見），
可以看出，實(shí)際上上述方法是通過頻域添加冗余信息（像噪聲一樣）。這些噪聲遍布全圖，在空域上并不容易破壞。
最終，均方誤差（MSE）為0.0244
信噪比（PSNR）為64.2dB
那么，為什么頻譜發(fā)生了巨大的變化，而在空域卻變化如此小呢？這是因?yàn)槲覀儽荛_了圖像的主要頻率。下圖是原圖頻譜豎過來的樣子，其能量主要集中在低頻。
水印提取是水印疊加的逆過程，
經(jīng)提取后，我們得到如下水印，問：為什么水印要對稱呢？嘿嘿，大家想想看。
本部分進(jìn)行攻擊性實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證通過頻域手段疊加數(shù)字盲水印的魯棒性。
1.進(jìn)行涂抹攻擊，這是攻擊后的圖片：
再進(jìn)行水印提取：
2.進(jìn)行剪切攻擊，就是網(wǎng)上經(jīng)常用的截圖截取一部分的情況：
進(jìn)行循環(huán)補(bǔ)全：
提取水?。?/p>
3.伸縮攻擊（這個實(shí)驗(yàn)明碼做的，水印能量較高，隱匿性不強(qiáng)）：
提取水印（水印加的不好，混頻挺嚴(yán)重的）：
4.旋轉(zhuǎn)攻擊（明碼）：
提取水?。?/p>
5.JPEG壓縮后（這個實(shí)驗(yàn)我好像是拿明碼做的，能量主要加在了高頻）：
提取結(jié)果：
6. PS 4像素馬賽克/均值濾波等，攻擊后圖像
提取水印后圖像：
7.截屏，
截屏后我手動摳出要測試的圖像區(qū)域，并且抽樣或者插值到原圖尺寸：
測試結(jié)果：
8. 亮度調(diào)節(jié)（明碼）：
水印提?。?/p>
9.色相調(diào)節(jié)（明碼）：
水印提?。?/p>
10.飽和度調(diào)節(jié)（明碼）：
水?。?/p>
11.對比度（明碼）：
水印：
12. 評論區(qū)用waifu2x去噪后圖片：
解水印：
13.美圖秀秀，我對我女票一鍵美顏，美白，磨皮，加腮紅，加唇彩（有一種很羞恥的感覺，捂臉）：
提取水印：
14. 對于背景純色的圖其實(shí)也是無所謂的
能量系數(shù)為10時(shí)加水印圖片：覺得太顯噪就把能量系數(shù)調(diào)低，不過水印的隱秘性和魯棒性是互斥的
最終提取出的水?。?/p>
15.我用將RGB>600的像素設(shè)置成為(0，255，0)來模擬PS魔術(shù)手，
提取水印為：
16.屏攝，好吧，這個實(shí)驗(yàn)我做哭了
屏攝圖：
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
我把水印能量系數(shù)調(diào)整到2000都沒有用。
屏攝之后與原圖信噪比為4dB左右，我用多抽樣濾波的方式試過，濾不掉屏攝引入的噪聲。屏攝不僅引入了椒鹽噪聲，乘性噪聲，還有有規(guī)律的雪花紋理（摩爾紋）。
基于頻域的盲水印方法隱藏性強(qiáng)，魯棒性高，能夠抵御大部分攻擊。但是，對于盲水印算法，魯棒性和隱匿性是互斥的。
本文方法針對屏攝不行，我多次實(shí)驗(yàn)沒有成功，哪位大神可以做一下或者討論討論。還有二值化不行，這是我想當(dāng)然的，覺得肯定不行所以沒做實(shí)驗(yàn)。其他的我試了試，用給出的方法調(diào)整一下能量系數(shù)都可以。
我想大家最關(guān)心的是什么最安全，不會被追蹤。
不涉及圖像的都安全，比如拿筆記下來。
涉及圖像的屏攝最安全，
截屏十分不安全。
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