數字水印技術探究

李　超

[摘要]介紹版權保護和信息安全的一種新技術－數字水印技術，對它的特點、分類、模型算法、攻擊、應用領域進行分析，并展望今后數字水印技術的發(fā)展及研究方向。

[關鍵詞]數字水印 信息安全 版權保護

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0120014－02

隨著信息產業(yè)的飛速發(fā)展，數字技術的進步，Internet應用日益廣泛，數字媒體因其數字特征很容易被復制、篡改、非法傳播及攻擊，已經日益引起人們的關注，版權保護與信息完整性保證已逐漸成為人們迫切需要解決的一個重要問題，除了與傳統(tǒng)作品版權保護相類似的法律和管理手段外，還應該針對數字媒體提供技術上的保護。數字水印技術研究就是在這種要求下迅速發(fā)展起來的。

一、數字水印的特點

1．安全性：數字水印中的信息應該是安全的，難以被篡改或者偽造。安全性要求在攻擊者知道或部分知道數字水印算法的情況下，惡意的進行各種攻擊操作，試圖實現(xiàn)未經授權的嵌入、提取或檢測、刪除水印時，依然可以保證水印的正確。

2．不可感知性：在宿主數據中隱藏的數字水印應該是不可感知的，包括兩方面的含義：一個是指感官上的不可感知，就是通過人的視覺聽覺無法察覺出宿主數據中因嵌入水印而發(fā)生的變化。另一方面即使采用統(tǒng)計方法也無法確定水印是否存在。

3．可證明性：數字水印可以使已經注冊用戶的號碼、產品標志或者有意義的文字等，他們被嵌入到宿主數據中，需要時可以將其提取出來，判斷數據是否收到保護，并能夠監(jiān)視被保護數據的傳播以及非法復制，進行真?zhèn)舞b別等。

4．魯棒性（健壯性）：數字水印應難以被擦除，如果只能得到部分信息，應該無法完全擦除水印，任何試圖完全破壞水印的操作，將對載體的質量造成嚴重破壞使得載體的數據無法使用。一個好的水印算法應該信號處理、通常的幾何變形，以及惡意的攻擊具有健壯性。

二、數字水印的分類

（一）基于外觀的分類

水印從外觀上可分為兩大類：可見水印和不可見水?。嚎梢娝∈侵缚梢钥匆姷乃。饕獞门c圖像或視頻，防止這些圖像被用于商業(yè)用途。這樣雖然降低了資料的商業(yè)價值，卻無損于所有者的使用；不可見水印是一種應用更加廣泛的水印，與可見水印相反，它從表面是不可察覺的，但是當發(fā)生版權糾紛時，所有者可以從中提取標記，從而證明物品為某人所有。

（二）基于載體的分類

加載數字水印的數字產品，可以是任何一種多媒體類型。根據載體的不同，可以分為以下幾類：靜止圖像水印、視頻水印、音頻水印、軟件水印、文檔水印等，隨著數字技術的發(fā)展，會有更多種類的數字載體出現(xiàn)，同時也會產生相應的水印技術。

（三）按所嵌入水印信息的抗攻擊能力來分類

分為脆弱水印、半脆弱水印和魯棒水印。脆弱水印對信號的改動很敏感，人們根據脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數據是否被篡改過，主要用于完整性保護，魯棒水印要求嵌入的水印能夠經受各種常用的圖像處理，操作，主要用于版權保護。半脆弱水印能夠容忍一定的信號失真，主要用于認證。

（四）按水印的提取過程分

劃分為：非盲水印，半盲水印和盲水印。非盲水印在提取過程中需要原始數據和原始水印的參與；半盲水印則不需要原始數據，但需要原始水印；非盲水印只需要密匙，既不需要原始數據，不需要原始水印。

（五）按水印嵌入的空間分類

分為空域水印和變換域水印?？沼蛩∈侵苯釉诳沼蛑袑Σ蓸狱c的幅度值做出改變而嵌入水印，其最大特點是直觀，方便，效率比較高，其缺點也很明顯，穩(wěn)健性比較差。變換域水印是在嵌入水印前先對圖像進行某種可逆的數學變換，然后通過修改變換域的某些系數來嵌入水印，再進行逆變換得到加水印后的圖像。它主要包括離散傅立葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）和離散小波變換域（DWT），其共同的特點是：可嵌入水印的數據量大，而且能夠達到較好的不可感知性和魯棒性的要求，但算法復雜度較高。

三、數字水印系統(tǒng)的基本模型

所有嵌入水印的方法都包括兩種基本的構造模塊：水印嵌入系統(tǒng)和水印恢復系統(tǒng)。

（一）水印嵌入系統(tǒng)

是輸入水印、載體數據和一個可選的公匙或密匙。水印可以是任何形式的數據。比如文本、數值、圖像當水印與密匙結合時，嵌入水印的技術通常稱為秘密水印技術和公開水印技術。水印系統(tǒng)輸出加了水印的數據。如圖1。

（二）水印的恢復系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸入是已經嵌入水印的數據、私匙或公匙、原始數據或原始水印，輸出的是水印或某種可信度的值。如圖2。

四、對數字水印的攻擊

（一）刪除攻擊

它將數字水印看作是特定統(tǒng)計特征的噪聲，試圖通過消除噪音的方法來分析和刪除水印，恢復原圖。

（二）幾何變形攻擊

它并不是試圖刪除水印，而只是通過各種幾何變形來改變原圖片的空間分布，使檢測算法檢測不出原水印。

（三）解密攻擊

一種是通過字典搜索逐個嘗試找出隱秘鍵，另一種是通過攻擊水印檢測程序，反向解密獲得原圖。還有一種通過統(tǒng)計平均的方法。

（四）協(xié)議攻擊

例如原圖I加水印W1后生成圖像I'，利用這一弱點，攻擊者可用I'再加水印W1生成圖像I”，然后聲稱I”是他（攻擊者）的作品。此時雖然原水印仍完好無損，但保護版權的功能卻完全失效了。解決方法是把數字水印集成到一個大的安全系統(tǒng)中，為每一個水印打上時間印戳。

五、數字水印的算法

（一）空間數字水印

是直接在聲音、圖像或視頻等信號空間上疊加水印信息。最常見的有最低有效位法（LSB）和擴展頻譜方法。

LSB算法是最早提出的一種典型的空間域信息隱藏方法。它使用特定的密匙通過偽隨機序列發(fā)生器產生隨機信號，然后按照一定的規(guī)律排列成二維水印信號。并逐一插到原始圖像相應像素值的最低幾位。該算法雖然可以隱藏較多的信息，但是隱藏的信息可以輕易被移去，很容易受到有損壓縮、量化、有噪信道傳輸的影響。不過作為大量數據的隱藏方法，LSB在隱藏通信中仍占有很重要地位。

直接序列擴頻水印算法是擴頻通信技術在數字水印的應用。擴頻通信將待傳遞的信息通過擴頻碼調制后散布于非常寬的頻帶中，使其具有抗干擾性強、高度保密的特征。擴頻水印方法與擴頻通信類似，是將水印信息經擴頻調制后疊加在原始數據上。

（二）變換域數字水印

是指在DCT變換域，時/頻變換域（DFT）或小波變換域（DWT）上隱藏水印。在圖像從時域到頻域的變換過程中，對水印信息進行一定的頻域調制。使其更好的隱藏在圖像重要的能量部分，同時又不引起圖像質量的明顯下降。由于它很好的滿足了數字水印技術透明性和魯棒性的要求，而成為當前最重要的水印算法。其中DCT變換域數字水印算法是在圖像的DCT變換域上選擇中低頻系數疊加水印信息，因為人眼的感覺主要集中在這一頻段。由于JPEG，MPEG等壓縮算法的核心是在DCT變換域上進行數據量化，所以通過巧妙的融合水印過程和量化過程，就可以使水印抵御有損壓縮。

六、數字水印的應用領域

（一）用于版權保護

數字作品的版權保護是當前的熱點問題，由于數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到和原作品完全相同，所以作者不得不采用一些嚴重損害作品質量的方法來加上版權標識，而這種標識還是很容易被竄改。數字水印可以即不損害原作品，又達到了保護版權的目的。

（二）用于盜版跟蹤的數字指紋

為了避免數字產品被非法復制和散發(fā)，作者可在每個產品拷貝中分別嵌入不同的水印（稱為數字指紋）。如果發(fā)現(xiàn)了未經授權的拷貝，則可以通過檢索指紋來追蹤其來源

（三）用于圖像認證的水印

在鑒定應用中，使用水印的目標是對數據的修改進行檢測。這就是所謂的“脆弱性水印”它對于特定的修改，有弱的健壯性，而對它的修改是破壞性的。

（四）商務交易中的票據防偽

由于高精度的打印機的出現(xiàn)，商務交易中的貨幣、支票以及其他票據的偽造變地更加容易，美國、日本等國家已經開始研究用于票據防偽的數字水印技術。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志，從而大大增加了偽造的難度。

（五）隱蔽標識

在這類應用中可以插入水印構成一個注釋，提供有關數字產品進一步的信息。數字水印隱藏標識和標簽可以用在醫(yī)學、制圖、多媒體索引和基于內容的檢索等領域。

七、數字水印的研究展望

（一）算法的發(fā)展

許多應用對數字水印的健壯性要求很高，所以要有健壯性更好的算法，因此，研究健壯性更好的算法是數字水印的重點發(fā)展方向，但也應該保持較好的不可見性以及較大的信息容量。

（二）數字水印系統(tǒng)與加密體系的結合

將使多媒體通信技術的安全性大大地提高。

（三）數字水印與網絡應用的結合

對于網絡環(huán)境下的數字水印的應用，應重點研究水印的網絡快速自動驗證技術，研究動態(tài)水印或具有交互心智的數字水印技術，在網絡中可以通過在水印中加入JAVA模塊或含有特定URL等方法來實現(xiàn)。

（四）基于高層信息識別的水印技術

通常水印主要信賴于計算技術，而基于更高層的信息特征如文本信息、圖像內容則具更好的健壯性。

（五）數字水印應用技術

研究數字水印在實際應用中的模式、方法和領域也是數字水印的一項重要內容，也是該技術走向市場的主要途徑。

數字水印技術作為解決數字媒體安全問題的一種有效手段有著巨大的潛力，無論在學術界、工業(yè)界還是商業(yè)界都具有廣泛的研究前景。盡管目前數字水印技術在實際應用中還存在著許多問題未曾解決，但隨著研究工作的深入，數字水印技術會逐漸走向成熟。

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作者簡介：

李超，男，安徽來安，蚌埠醫(yī)學院計算機教研室，助教，安徽大學在讀08級信息管理專業(yè)碩士生。