淺談數(shù)字水印技術(shù)

殷明芳 周友學(xué)

[摘要]從數(shù)字水印的概念入手,分別介紹數(shù)字水印技術(shù)的基本特點(diǎn)、分類及其應(yīng)用,并介紹一些數(shù)字水印技術(shù)的算法,提出一些研究趨向。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字水印安全性隱蔽性魯棒性分類算法

中圖分類號(hào):TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1120124-01

近幾年,許多研究人員放棄了傳統(tǒng)密碼學(xué)的技術(shù)路線,嘗試用各種信號(hào)處理方法對(duì)聲像數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏加密,并將該技術(shù)用于制作多媒體的“數(shù)字水印”。數(shù)字水印(Digital Watermarking)技術(shù)是將一些標(biāo)識(shí)信息(即數(shù)字水印)直接嵌入數(shù)字載體(包括多媒體、文檔、軟件等)當(dāng)中,但不影響原載體的使用價(jià)值,也不容易被人的知覺(jué)系統(tǒng)(如視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng))覺(jué)察或注意到。通過(guò)這些隱藏在載體中的信息,可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購(gòu)買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。

一、數(shù)字水印技術(shù)的主要特點(diǎn)

1.安全性:數(shù)字水印的信息應(yīng)是安全的,難以篡改或偽造,同時(shí),應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測(cè)率,當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時(shí),數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化,從而可以檢測(cè)原始數(shù)據(jù)的變更;當(dāng)然數(shù)字水印同樣對(duì)重復(fù)添加有強(qiáng)的抵抗性。

2.隱蔽性:數(shù)字水印應(yīng)是不可知覺(jué)的,而且應(yīng)不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用;不會(huì)降質(zhì)。

3.魯棒性:是指在經(jīng)歷多種無(wú)意或有意的信號(hào)處理過(guò)程后,數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘?hào)處理過(guò)程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。

4.密鑰的唯一性:即不同的密鑰不應(yīng)產(chǎn)生等同的水印。

5.檢測(cè)的可靠性:水印檢測(cè)出錯(cuò)的概率應(yīng)小于某一合適門限值。這一特性描述了水印檢測(cè)算法必須具有一定的確信度。

二、數(shù)字水印的主要分類

1.按水印所附載的媒體劃分。按水印所附載的媒體,我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。

2.按內(nèi)容劃分,按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為有意義水印和無(wú)意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個(gè)數(shù)字圖像或數(shù)字音頻片段的編碼;無(wú)意義水印則只對(duì)應(yīng)于一個(gè)序列號(hào)。

3.按檢測(cè)過(guò)程劃分。按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測(cè)過(guò)程中需要原始數(shù)據(jù),而盲水印的檢測(cè)只需要密鑰,不需要原始數(shù)據(jù)。

4.按水印隱藏的位置劃分。按數(shù)字水印的隱藏位置,我們可以將其劃分為時(shí)(空)域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時(shí)/頻域數(shù)字水印和時(shí)間/尺度域數(shù)字水印。

5.按用途劃分。按水印的用途,我們可以將數(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識(shí)水印。

三、數(shù)字水印的主要應(yīng)用

1.數(shù)字作品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù);2.商務(wù)交易中的票據(jù)防偽;3.聲像數(shù)據(jù)的隱藏標(biāo)識(shí)和篡改提示;4.隱蔽通信及其對(duì)抗。

四、數(shù)字水印技術(shù)的研究趨向

與信息偽裝關(guān)系極為密切的另一個(gè)方面就是數(shù)字水印技術(shù)的研究。信息偽裝是將重要的數(shù)據(jù)隱藏到宿主數(shù)據(jù)中并將其發(fā)送出去,它有一個(gè)基本的假設(shè),就是第三方不知道被隱藏的數(shù)據(jù)的存在,并且主要應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的秘密通訊。因此它沒(méi)有魯棒性的要求,或者說(shuō)一旦傳遞的數(shù)據(jù)被改變,被嵌入的信息將無(wú)法恢復(fù)。而數(shù)字水印則有魯棒性的要求,即它可以抵抗第三方的攻擊或正常的、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)操作和變換。換句話說(shuō),即使攻擊者知道傳遞的數(shù)據(jù)中包含隱藏的重要信息,但也無(wú)法將其提取出來(lái),或在不嚴(yán)重?fù)p壞宿主數(shù)據(jù)的情況下無(wú)法將水印破壞掉。因此數(shù)字水印和信息偽裝是一個(gè)技術(shù)的互補(bǔ)的兩個(gè)方面,也是目前國(guó)際學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)前沿?zé)衢T方向,并可為數(shù)字圖書館版權(quán)保護(hù)等問(wèn)題提供一個(gè)潛在的有效解決方法。發(fā)展數(shù)字水印技術(shù)的原動(dòng)力是為了提供多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù),但人們發(fā)現(xiàn)數(shù)字水印還具有一些其他的重要應(yīng)用,如下面所示,這些需求都促進(jìn)了當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)信息偽裝的研究熱情。

1.軍事和智能機(jī)構(gòu)所需要的不受干擾的通訊手段;

2.國(guó)家安全部門對(duì)隱藏?cái)?shù)據(jù)的通訊技術(shù)的關(guān)注;

3.罪犯對(duì)使用常規(guī)通訊器材進(jìn)行特殊的信息傳遞;

4.政府部門對(duì)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上匿名的和經(jīng)過(guò)加密處理的信息進(jìn)行篩選和控制等;

5.電子郵件的防偽以及數(shù)據(jù)認(rèn)證等等。

盡管在過(guò)去的五年中,各種水印算法如雨后春筍般地不斷涌現(xiàn),但數(shù)字水印技術(shù)仍然是一個(gè)未成熟的研究領(lǐng)域,還有許多問(wèn)題需要解決,其理論基礎(chǔ)依然非常薄弱,大多數(shù)水印算法還是經(jīng)驗(yàn)性的。主要有以下幾個(gè)方面還需努力:

1.設(shè)計(jì)對(duì)水印系統(tǒng)進(jìn)行公正的比較和評(píng)價(jià)方法。

2.如何將水印技術(shù)與現(xiàn)行國(guó)際圖像及視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(如JPEG2000和MPEG-4)相結(jié)合,以及如何將水印技術(shù)應(yīng)用于DVD工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。

3.所有權(quán)的證明問(wèn)題還沒(méi)有完全解決。

4.聲頻和視頻水印的解決方案還不完善,大多數(shù)的視頻水印算法實(shí)際上是將其圖像水印的結(jié)果直接應(yīng)用與視頻領(lǐng)域中,而沒(méi)有考慮視頻應(yīng)用中大數(shù)據(jù)量以及近乎實(shí)時(shí)的特性。

五、數(shù)字水印技術(shù)的主要算法

目前對(duì)數(shù)字圖像水印技術(shù)已有大量的研究,提出了很多水印算法。對(duì)數(shù)字水印的侵犯方式也有多種,而普遍認(rèn)為旋轉(zhuǎn)和縮放比其他侵犯更具挑戰(zhàn)性。0.Ruanaidh等人首先提出了一種方法。該方法首先計(jì)算一幅圖像的離散傅立葉變換,然后對(duì)其幅度進(jìn)行傅立葉一梅林變換,將水印嵌入變換后的幅度中。該方法可從受到幾何攻擊(RST)的嵌入水印的圖像中抽取出水印,但實(shí)施困難較大。Lin等人提出建立一個(gè)不受幾何形狀扭曲影響的水印方法。該方法不用判明圖像受到的幾何變換,再由圖像傅立葉變換得到的不受位移和縮放影響的一維信號(hào)中嵌埋水印,將傅立葉幅度變換到對(duì)數(shù)極坐標(biāo)中,然后將這些幅度沿對(duì)數(shù)半徑軸求和,但該方法繁瑣耗時(shí)。Zheng等人提出一個(gè)基于對(duì)數(shù)極坐標(biāo)仿射(LPM)和相位相關(guān)性不受幾何攻擊影響的水印方案,但需要原始圖像來(lái)抽取水印。

雖然已經(jīng)有商業(yè)化的水印系統(tǒng),但對(duì)水印的研究還遠(yuǎn)未成熟,許多問(wèn)題如魯棒性、真?zhèn)舞b別、版權(quán)證明、網(wǎng)絡(luò)快速自動(dòng)驗(yàn)證以及聲頻和視頻水印等方面仍然還需要比較完美的解決方案。

參考文獻(xiàn):

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