數字水印技術研究

摘要:隨著計算機網絡通訊技術和多媒體技術的發展，數據的交換和傳輸變得簡單快捷，但隨之而來的弊端是作品的版權得不到保護，因此數字水印技術得到越來越廣泛的應用。該文對信息隱藏技術進行了介紹，重點分析了數字水印技術的系統模型、典型算法及在P2P安全上的應用。

關鍵詞:數字;水印技術;研究

中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-6779-03

Digital Watermarking Technology

ZHUANG Jian-zhong

(Department of Computer Application， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518029， China)

Abstract: With the development of computer network communication technology and Multimedia， the data exchange sum is transferred becoming simple rapid， the abuse but coming only be that up to is that the work copyright cannot get protection ， the figure watermark technology gets more and more broad application therefore. The technology concealing has carried out the main body of a book on information introduce that， priority has analysed figure watermark technology system model ， representative algorithm and the application on P2P safety.

Key words: digital; watermarking; technology

信息安全計算機網絡通訊技術和多媒體技術的發展，使數據的交換和傳輸變得簡單快捷，但隨之而來的弊端是作品侵權更容易，一些重要信息很容易遭到惡意攻擊和篡改偽造。雖說在防止非法盜版方面已有諸如密碼技術等防范措施，但僅僅靠密碼技術并不能完全解決這一問題，因為密鑰加密只能在數據的傳輸過程中對數據進行保護，一旦數據被接收并解密后，產品將不再受到保護。1996年5月在第一屆國際信息隱藏學術研討會上提出了信息隱藏學說。

1 信息隱藏

1.1 傳統的密碼技術和信息隱藏的區別

傳統的密碼技術主要研究如何將需保密的信息進行特殊編碼，形成無法識別的密碼形式后再進行傳遞(如圖1所示)，對加密通信來說，非法攔截者可以截取密文并對其進行破譯，從而破譯加密的信息;或者將密文重新修改后再發送，從而破壞密文。

信息隱藏(Information Hiding)不同于傳統的密碼學技術，它不僅隱藏信息的內容也隱藏信息的存在。它主要研究如何在不破壞原始公開信息的商用價值和使用價值的前提下，將保密信息隱藏在一個公開的載體信息中，通過傳輸公開信息的方式來傳遞保密信息(如圖2 所示)。它充分利用載體本身所具有的迷惑性來偽裝保密信息，從而逃避檢測者以達到秘密信息的傳遞。信息隱藏技術由于其具有的特點和優勢，已成為當今多媒體信息安全技術的一大重要研究熱點。

1.2 信息隱藏模型

信息隱藏技術主要由信息嵌入算法和隱蔽信息檢測/提取算法(檢測器)兩部分構成。信息嵌入算法利用密鑰來實現機密信息的隱藏。而隱蔽信息檢測/提取算法則利用密鑰從隱蔽載體中檢測/恢復機密信息。在沒有獲取密鑰的情況下，第三方很難從隱秘載體中發現機密信息。圖3是一個信息隱藏的通用模型。

圖3中，我們將待隱藏的信息稱為秘密信息，而公開信息稱為載體信息。通常情況下，信息隱藏過程是由密鑰來控制的，通過嵌入算法將機密信息隱藏在公開信息中，隱蔽載體則通過通信信道傳遞，然后檢測器通過密鑰從隱蔽載體中恢復并檢測出機密信息。

2 數字水印技術

數字水印就是向多媒體數據中添加某些數字信息以達到文件真偽鑒別、版權保護等功能。它是一種隱藏于原始圖像中的不可見數據，既保護版權又不傷害圖像的主觀質量和完整性。數字水印是信息隱藏技術的一個重要研究方向。

2.1 數字水印系統模型

從圖象處理的角度來看，嵌入水印信號就是在強背景下迭加一個弱信號，當迭加的水印信號強度低于HVS 的對比度門限時，HVS 就無法感到信號的存在。對比度門限受視覺系統的時間、空間和頻率特性的影響，因此可以在不改變視覺效果的情況下，對原始圖象作一定的調整，如嵌入信息。從數字通信的角度看，水印嵌入就是在一個寬帶信道(載體圖象)上用擴頻通信技術傳輸一個窄帶信號(水印信號)。雖然水印信號具有一定的能量，但分布到信道中任一頻率上的能量是難以檢測到的。水印的譯碼(檢測)則是一個有噪信道中弱信號的檢測問題。設載體圖象為I，水印信號為W， 密鑰為K，則水印嵌入可用如下公式描述:

IW=F(I，W，K)

上式中 F 表示水印嵌入策略(算法)。圖4為水印信號嵌入模型，其功能是將水印信號加入原始數據中。

有兩種常用的水印嵌入公式:

viw=vi+αwi (加法規則)

viw=vi(1+αwi)(乘法規則)

其中vi 和viw分別表示原載體圖像象素和嵌入水印后圖像象素，wi 為水印信號分量，

0< i

圖6為水印信號的檢測模型，主要用來判斷數據中是否含有指定的水印信號。圖5、圖6中的虛線部分表示在此處原始載體數據不是必要的。

2.2 典型算法

針對圖象數據的典型算法主要有如下幾種:

1)空域算法:其方法是將信息嵌入到隨機選擇的圖像中最不重要的像素位上，這種方法可以保證嵌入的水印不可見。由于嵌入信息時選擇了圖像中最不重要的像素位，其算法的魯棒性差，因此水印信息很容易被幾何變形、濾波、圖像量化等操作所破壞。

2)變換域算法:其方法是先將圖象分成8×8的不重疊象素塊，再經過分塊離散余弦變換(DCT)，得到由DCT系數組成的頻率塊，然后隨機選取一些頻率塊，將水印信號嵌入到由密鑰控制選擇的一些DCT系數中。該算法通過對選定的DCT系數進行微小變換以滿足特定的關系，來表示一個比特的信息。在提取水印信號時，先選取相同的DCT系數，再根據系數之間的關系抽取比特信息。

3)壓縮域算法:基于JPEG 、MPEG 標準的壓縮域數字水印系統，該算法不僅節省了大量的完全解碼和重新編碼過程，而且在數字電視廣播及視頻點播VOD中有很大的實用價值。

4)NEC算法:這一算法提出了強壯水印算法的兩個重要原則:一是水印信號應該嵌入源數據中對人的感覺最重要的部分，在頻譜空間中這種重要部分就是低頻分量。這樣，攻擊者在破壞水印的過程中不可避免地會引起圖象質量的嚴重下降。二是水印信號應該由具有高斯分布的獨立同分布隨機實數序列構成，使得水印經受多拷貝聯合攻擊的能力大大增強。其實現方法是:首先以密鑰為種子來產生一個偽隨機序列，該序列具有高斯N(0，1)分布，密鑰通常由作者的標識碼和圖象的哈希值組成，其次對圖象做DCT變換，最后用偽隨機高斯序列來調制(疊加)該圖象除直流(DC)分量外的1000個最大的DCT系數。

5)生理模型算法:人的生理模型包括人類視覺系統(HVS)和人類聽覺系統(HAS)。該模型不僅被多媒體數據壓縮系統所利用，而且可以供數字水印系統所利用。利用視覺模型，實現了一個基于分塊DCT框架、基于小波分解框架及空域數字水印系統。其基本思想都是利用從視覺模型導出的JND(Just Noticeable Difference)描述來確定在圖象的各個部分所能容忍的數字水印信號的最大強度，從而避免破壞視覺質量。換言之，就是先利用視覺模型來確定與圖象相關的調制掩模，然后再利用它插入水印。

3 數字水印技術在P2P對等網絡安全方面的應用

對等網絡(Peer-to-Peer，P2P)又稱工作組，是近年來廣受IT 業界關注的一個概念。對等網絡網上各臺計算機有相同的功能，無主從之分，任何一臺計算機即可作為服務器，設定共享資源供網絡中其他計算機所使用，又可作為工作站。對等網絡是小型局域網常用的組網方式，它的出現改變了互聯網上以網站服務器為中心的模式。目前P2P 的主要應用包括:對等計算，協同工作，文件共享和搜索引擎等。其中，協同工作是指對等點為完成某一特定的任務形成的一個群組，它們相互共享資源、即時交互，而且協作系統中的一個用戶可以在同一時刻將一個信息多點傳送到若干個用戶。 在協同工作的安全需求方面，很重要的一點，就是建立可信協作關系，運用數字水印技術就可以實現和解決身份認證和信息認證問題，即 在發送的信息中嵌入與雙方信息及傳輸內容相關的水印，可以防止第三方偽裝成通信的任何一方進行欺騙行為，同時保證信息的完整性。

當用戶下載視頻文件的內容時，受版權保護的作品已被水印(或其他標識)所表明，用戶可對文件進行選擇性的付款閱覽，如使用信用卡帳戶進行交易，根據相關條款下載等。

在P2P系統中，內容搜索所代表的是一個允許使用的相關材料和給定的功能文件，如:在線交互網站上包含的獎金、游戲、在線信貸，、惠券等福利，當用戶獲得屏幕上的提示進行互動，如根據熱點或提供的信息內容，連接到相關的在線社區或商店時，促使消費者通過合法的基礎設施尋求合法的文件分發。

P2P系統通過數字水印檢測某個文件的授權再分配，通過這種特殊的P2P應用程序或從允許或防止文件被下載，打開，或上載的再分配的特定的用戶。如數字水印是用來信號授權，檢測申請或授權該文件按照規定處理。一個P2P應用程序可以根據最佳做法給予不同標記的文件模型處理。例如，在一個以安全為重點的環境，水印可以作為來源可靠的說明，而且應用程序可能只允許上傳具有安全標記文件的。在這種情況下，直接促進了一個合法的P2P的內容分發和電子商貿環境，提供給消費者確定性的來源和完整性的內容。

4 結束語

數字化技術和互聯網的發展正在改變著文化傳播方式的載體和方式，數字水印是一門極具市場前景和挑戰性的學科，吸引起了大批科研人員的研究，它在版權標識、網絡安全、隱藏標識和篡改提示、數據防偽上具有不可替代的作用，隨著一些先進的信號處理技術和密碼設計思想的引進，數字水印必將日趨成熟且得到更為廣泛的發展應用，并將在商業、金融、軍事和個人消費上帶來巨大的商業利潤。

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