淺談數(shù)字水印技術(shù)

呂　慧

[摘要]基于目前世界上對于數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)的迫切需求,從特征、典型算法等方面闡述解決這一問題的熱門研究方向數(shù)字水印技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字水印 算法

中圖分類號:TP3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810120-01

一、引言

隨著信息化技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展,形式多樣的數(shù)字產(chǎn)品(如電腦美術(shù)、掃描圖像、數(shù)字音樂、視頻、三

維動(dòng)畫)已經(jīng)和人類生活相融合。與傳統(tǒng)方式相比,數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)傳播形式在數(shù)字產(chǎn)品的創(chuàng)作和傳播顯示出突出特點(diǎn),它使得產(chǎn)品數(shù)據(jù)的復(fù)制變得十分簡單,數(shù)字媒體的信息安全、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和認(rèn)證問題變得日益突出,數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

數(shù)字水印技術(shù)是通過一定的算法將一些標(biāo)識信息(即數(shù)字水印)直接嵌入數(shù)字載體(如圖像、音頻、視頻數(shù)據(jù)、電子文檔等)并隱藏其中,但不影響原載體的使用價(jià)值,也不容易被人的知覺系統(tǒng)(如視覺或聽覺系統(tǒng))覺察或注意到,只有通過專用的檢測儀器或閱讀器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列號、公司標(biāo)志、有特殊意義的文本等,可用來識別數(shù)字產(chǎn)品的所有權(quán)。通過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、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。數(shù)字水印技術(shù)是多媒體信息安全研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),也是信息隱藏技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。

二、數(shù)字水印的系統(tǒng)模型

一般數(shù)字水印的通用模型包括嵌入和檢測或提取兩個(gè)階段。如圖1所示的水印嵌入過程,實(shí)現(xiàn)了將水印W嵌入多媒體作品I中。如圖2所示數(shù)字水印的檢測或提取階段,本階段主要是設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入過程的檢測算法,檢測的結(jié)果或是原水印,或是基于統(tǒng)計(jì)原理的檢驗(yàn)結(jié)果以判斷水印存在與否。同時(shí)目前大多數(shù)水印制作方案都在嵌入、提取時(shí)采用了密鑰,主要是為了降低被攻擊者任意增加或刪除水印的風(fēng)險(xiǎn),增強(qiáng)數(shù)字水印的安全性。

三、數(shù)字水印系統(tǒng)的特征

為了達(dá)到數(shù)字水印的應(yīng)用目的,水印本身必須滿足一定的性能指標(biāo),其中主要的特征有:

1.透明性:或稱隱蔽性、不可感知性等,指利用人類視覺系統(tǒng)或人類聽覺系統(tǒng)的特性,經(jīng)過一系列隱藏處理,嵌入的數(shù)字水印不應(yīng)使得原始數(shù)據(jù)發(fā)生可感知的改變,也不能使得被保護(hù)數(shù)據(jù)在質(zhì)量上發(fā)生可以感覺到的失真。

2.魯棒性:或稱穩(wěn)健性、免疫性等,指嵌入水印的數(shù)字作品在經(jīng)歷多種有意或無意的信號處理或攻擊后,嵌入的水印信息應(yīng)保持一定的完整性,并能以一定的正確概率被檢測到。

3.安全性:數(shù)字水印有較強(qiáng)的抗攻擊能力,它必須能夠承受一定程度的人為攻擊,而使隱藏信息不會(huì)被破壞。數(shù)字水印應(yīng)該難以被偽造或者被加工,并且未經(jīng)授權(quán)的個(gè)體不得閱讀和修改水印,理想情況是未經(jīng)授權(quán)的客戶將不能檢測到產(chǎn)品中是否有水印的存在。

4.不可檢測性:指隱藏載體與原始載體具有一致的特性,使非法攔截者無法判斷是否有隱藏信息。

5.確定性:數(shù)字水印所攜帶的信息能夠?yàn)閿?shù)字作品的版權(quán)所屬提供唯一可靠的、帶有法律效力的證據(jù),并可在需要的時(shí)候?qū)⑦@些信息提取出來。

6.信息容量:水印信息傳遞的信息量必須足以唯一的標(biāo)識數(shù)字作品的版權(quán)歸屬,同時(shí)傳遞的信息量不允許破壞作品的保真度。

四、數(shù)字水印的典型算法

1.最低有效位算法(LSB):該算法是將信息嵌入到隨機(jī)選擇的圖像點(diǎn)中最不重要的像素位(least significant bits)上,這可保證嵌入的水印是不可見的。但是由于使用了圖像的LSB位,算法的魯棒性差,水印信息很容易被濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。LSB算法是一種典型的空間域數(shù)據(jù)隱藏算法。

2.Patchwork算法:這是Bander等人提出的一種通過改變圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性將信息嵌入到像素的亮度值中的數(shù)據(jù)水印嵌入方案。Patchwork任意選擇N對圖像點(diǎn),在增加一點(diǎn)亮度的同時(shí),相應(yīng)降低另一點(diǎn)的亮度值,從而保持整個(gè)圖像的平均亮度不變。通過這一調(diào)整過程完成水印的嵌入。該算法具有不易察覺性.并且對于有損壓縮編碼(JPEG)和一些惡意攻擊處理具有抵抗力,但該方法嵌入的信息量有限。

3.NEC算法:首先以密鑰為種子來產(chǎn)生偽隨機(jī)序列,其次對圖像做DCT變換,最后用偽隨機(jī)高斯序列來調(diào)制(疊加)該圖像除直流(DC)分量外的1000個(gè)最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。

4.壓縮域算法:基于JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全解碼和重新編碼過程,而且在數(shù)字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的實(shí)用價(jià)值。

5.生理模型算法:人的生理模型包括人類視覺系統(tǒng)HVS和人類聽覺系統(tǒng)HAS。該模型不僅被多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)所利用,同樣可以供數(shù)字水印系統(tǒng)所利用。

五、應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)字水印的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面:

1.版權(quán)保護(hù):版權(quán)保護(hù)是數(shù)字水印最重要的應(yīng)用。其作用在于在數(shù)字作品中嵌入描述作品版權(quán)的信息,當(dāng)出現(xiàn)版權(quán)紛爭時(shí),可以通過提取水印信息的方式來證明數(shù)字作品的所有權(quán)歸屬。

2.認(rèn)證與篡改檢測:要驗(yàn)證數(shù)字產(chǎn)品未被篡改或假冒?？稍诙嗝襟w數(shù)據(jù)中嵌入脆弱水印,只要作品有所篡改,嵌入的水印就會(huì)丟失。

3.隱藏信息:數(shù)字水印可用于隱藏?cái)?shù)字產(chǎn)品的標(biāo)簽、注釋和檢索信息等內(nèi)容,可在醫(yī)學(xué)、制圖、多媒體索引和基于內(nèi)容的檢索等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

六、結(jié)束語

近年來,數(shù)字水印技術(shù)蓬勃發(fā)展,各類水印算法層出不窮。而數(shù)字水印技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)的手段,必然會(huì)受到各種形式的攻擊,因此魯棒性是水印系統(tǒng)的一項(xiàng)基本要求,也是今后數(shù)字水印技術(shù)的主要研究方向。

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