淺談數(shù)字水印技術(shù)與基本理論

摘 要：現(xiàn)在是信息化互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，各種信息數(shù)字產(chǎn)品的推廣與獲取變得越來(lái)越方便，同時(shí)這些作品的信息安全保護(hù)和版權(quán)保護(hù)也成為亟待解決的實(shí)際問(wèn)題。數(shù)字水印是近年來(lái)在信息安全領(lǐng)域興起的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新方法。其主要目的是如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)超越人類感官極限的信息嵌入，因此，數(shù)字水印在圖像、音頻、視頻制品中迅速得到廣泛的研究與發(fā)展。本文主要介紹數(shù)字水印的特征、基本框架以及相應(yīng)的信號(hào)攻擊等。

關(guān)鍵詞：特征；發(fā)展動(dòng)態(tài)；水印系統(tǒng)框架；水印攻擊

中圖分類號(hào)：TP309

1 數(shù)字水印基本特征

1.1 安全可靠

指攻擊者在知道水印嵌入和提取算法的前提下，對(duì)嵌入水印產(chǎn)品進(jìn)行一定的信號(hào)處理攻擊，但版權(quán)所有者仍能將水印正常提取。

1.2 提供證明

水印可以為受版權(quán)保護(hù)的產(chǎn)品提供有力的信息證明，產(chǎn)品所有者可以正常提取。

1.3 視覺(jué)透明性

嵌入水印后的產(chǎn)品，在視覺(jué)上要與未嵌入水印產(chǎn)品達(dá)到基本無(wú)差別的情況。就是通過(guò)人的肉眼無(wú)法區(qū)別一幅圖像是否嵌入水印信息。

1.4 魯棒性

在接受一定的信號(hào)處理攻擊下，水印仍然能夠正常從產(chǎn)品中提取出來(lái)。

2 數(shù)字水印的應(yīng)用范圍

數(shù)字水印是無(wú)法感知的，總體來(lái)說(shuō)它有以下應(yīng)用：

2.1 數(shù)字產(chǎn)品產(chǎn)權(quán)保護(hù)

這是數(shù)字水印最為廣泛的應(yīng)用，將秘密的數(shù)字信號(hào)嵌入到有價(jià)值的數(shù)字文件中，這些數(shù)字信號(hào)作為產(chǎn)權(quán)標(biāo)識(shí)在不破壞數(shù)字文件的情況下防止被盜，起到產(chǎn)權(quán)保護(hù)的作用。

2.2 文件內(nèi)容鑒定

水印技術(shù)在鑒定數(shù)據(jù)建立者和鑒別數(shù)據(jù)內(nèi)容有著特殊運(yùn)用，目的是檢測(cè)是否經(jīng)過(guò)特殊處理或數(shù)據(jù)是否發(fā)生了修改。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)識(shí)

一些文件中提示數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)信息往往比文件本身更重要，這就可以通過(guò)數(shù)字水印技術(shù)加以解決

2.4 商務(wù)交易中票據(jù)防偽

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)以及高質(zhì)量圖像設(shè)備的發(fā)展，貨幣、支票以及其它票據(jù)的偽造案例層出不窮?？梢匝芯坑糜谄睋?jù)防偽的數(shù)字水印技術(shù)。

3 數(shù)字水印系統(tǒng)基本框架

簡(jiǎn)單地講，數(shù)字水印系統(tǒng)包括嵌入系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)兩大部分。嵌入系統(tǒng)至少具有兩個(gè)輸入量：一個(gè)是水印信息，它通過(guò)適當(dāng)變換后作為待嵌入水印信號(hào)；另一個(gè)就是原數(shù)字產(chǎn)品。水印嵌入系統(tǒng)的輸出結(jié)果為含水印的生成產(chǎn)品。之后，這件產(chǎn)品可作為水印檢測(cè)系統(tǒng)的輸入量。檢測(cè)系統(tǒng)可判斷水印的存在性，若存在則輸出為所嵌入的水印信號(hào)。如圖1，它可以定義為九元體（M，X，W，K，G，Em，At，D，Ex），分別定義如下：

（1）M表示所有可能原始信息的集合；

（2）X表示所要保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品x的集合，就是指內(nèi)容；

（3）W表示所有可能水印信號(hào)w的集合；

（4）K表示水印密鑰k的集合；

（5）G表示利用原始信息m、密鑰k和原始數(shù)字產(chǎn)品x共同生成水印算法，即G：M×X×K→W，w=G（m，x，k）

注：原數(shù)字產(chǎn)品不一定參與水印生成過(guò)程，圖中用細(xì)線表示。

（6）Em表示將水印w嵌入到數(shù)字產(chǎn)品x中的嵌入算法，即Em：X×W→X，

xW=Em（x，w）。這里的x表示原始產(chǎn)品，xW表示含水印產(chǎn)品。

（7）At表示對(duì)含水印產(chǎn)品xW的攻擊算法，即At：X×K→X，x’=At（xW，K’）

這里K’是偽造的密鑰，x’是被攻擊后的含水印的產(chǎn)品。

（8）D表示水印檢測(cè)算法

即D：X×K→{0，1}，D（x’，K）=1，如果x’中存在w（H1）

0，若x’中不存在w（H0）

這里，H1和H0各表示有水印和沒(méi)有水印。

（9）Ex表示水印提取算法，即Ex：X×K→W，w’=Ex（x’，K）

圖1

4 常見(jiàn)的數(shù)字水印攻擊方法

信息安全的每一個(gè)分支領(lǐng)域都必須研究“攻”和“守”兩個(gè)問(wèn)題，數(shù)字水印當(dāng)然也不例外。數(shù)字水印的嵌入可看做是“守”的主體，數(shù)字水印的分析（或攻擊）就是其對(duì)立面了。在實(shí)際應(yīng)用中，水印主要面臨的是主動(dòng)攻擊，典型的主動(dòng)攻擊包括：

（1）幾何變形攻擊：通過(guò)一定的幾何變形，在不破壞數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，可以破壞數(shù)據(jù)的同步性。

（2）非線性濾波：中值濾波或其他各種順序統(tǒng)計(jì)濾波既可以改變信號(hào)的頻域特性，又可以破壞同步性，是一種復(fù)合攻擊。

（3）多拷貝平均：對(duì)多個(gè)發(fā)行版本的同一作品進(jìn)行數(shù)值平均，利用水印隨機(jī)性去除水印。

（4）各種線性濾波：針對(duì)頻域水印算法，可以構(gòu)造具有特定頻域特征的線性濾波器，攻擊頻域上隱藏水印信息。

（5）二次或多次水印攻擊：攻擊者利用自己的算法在產(chǎn)品中嵌入水印，雖然這樣并不會(huì)破壞原始水印的信息，但會(huì)造成水印標(biāo)識(shí)的混亂，從而給司法鑒定帶來(lái)困難。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)經(jīng)發(fā)展了進(jìn)二十年，它涉及了不同科學(xué)領(lǐng)域的思想和理論，所以對(duì)于一個(gè)新算法的提出與研究，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)檢測(cè)方法以及嵌入都有待進(jìn)一步提高。不論是從理論角度還是應(yīng)用角度，開(kāi)展對(duì)數(shù)字水印的研究，不僅具有學(xué)術(shù)意義，還有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

但目前數(shù)字水印技術(shù)仍有諸多不足，目前大部分算法在原理上大同小異，研究者并沒(méi)有對(duì)不同類型原理的算法進(jìn)行內(nèi)在聯(lián)系以及深入提煉研究，這是現(xiàn)在數(shù)字水印技術(shù)亟待跨越發(fā)展的關(guān)鍵。

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作者簡(jiǎn)介：宗傳濤（1992.08-），男，河南濮陽(yáng)人，本科生，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

作者單位：四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610000