淺談數字水印技術

殷明芳 周友學

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

[關鍵詞]數字水印安全性隱蔽性魯棒性分類算法

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1120124-01

近幾年,許多研究人員放棄了傳統密碼學的技術路線,嘗試用各種信號處理方法對聲像數據進行隱藏加密,并將該技術用于制作多媒體的“數字水印”。數字水印(Digital Watermarking)技術是將一些標識信息(即數字水印)直接嵌入數字載體(包括多媒體、文檔、軟件等)當中,但不影響原載體的使用價值,也不容易被人的知覺系統(如視覺或聽覺系統)覺察或注意到。通過這些隱藏在載體中的信息,可以達到確認內容創建者、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。

一、數字水印技術的主要特點

1.安全性:數字水印的信息應是安全的,難以篡改或偽造,同時,應當有較低的誤檢測率,當原內容發生變化時,數字水印應當發生變化,從而可以檢測原始數據的變更;當然數字水印同樣對重復添加有強的抵抗性。

2.隱蔽性:數字水印應是不可知覺的,而且應不影響被保護數據的正常使用;不會降質。

3.魯棒性:是指在經歷多種無意或有意的信號處理過程后,數字水印仍能保持部分完整性并能被準確鑒別。可能的信號處理過程包括信道噪聲、濾波、數/模與模/數轉換、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:即不同的密鑰不應產生等同的水印。

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

二、數字水印的主要分類

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格模型的網格水印等。

2.按內容劃分,按數字水印的內容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個數字圖像或數字音頻片段的編碼;無意義水印則只對應于一個序列號。

3.按檢測過程劃分。按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據,而盲水印的檢測只需要密鑰,不需要原始數據。

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

5.按用途劃分。按水印的用途,我們可以將數字水印劃分為票據防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。

三、數字水印的主要應用

1.數字作品的知識產權保護;2.商務交易中的票據防偽;3.聲像數據的隱藏標識和篡改提示;4.隱蔽通信及其對抗。

四、數字水印技術的研究趨向

與信息偽裝關系極為密切的另一個方面就是數字水印技術的研究。信息偽裝是將重要的數據隱藏到宿主數據中并將其發送出去,它有一個基本的假設,就是第三方不知道被隱藏的數據的存在,并且主要應用于點對點的秘密通訊。因此它沒有魯棒性的要求,或者說一旦傳遞的數據被改變,被嵌入的信息將無法恢復。而數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、標準的數據操作和變換。換句話說,即使攻擊者知道傳遞的數據中包含隱藏的重要信息,但也無法將其提取出來,或在不嚴重損壞宿主數據的情況下無法將水印破壞掉。因此數字水印和信息偽裝是一個技術的互補的兩個方面,也是目前國際學術界研究的一個前沿熱門方向,并可為數字圖書館版權保護等問題提供一個潛在的有效解決方法。發展數字水印技術的原動力是為了提供多媒體數據的版權保護,但人們發現數字水印還具有一些其他的重要應用,如下面所示,這些需求都促進了當前學術界對信息偽裝的研究熱情。

1.軍事和智能機構所需要的不受干擾的通訊手段;

2.國家安全部門對隱藏數據的通訊技術的關注;

3.罪犯對使用常規通訊器材進行特殊的信息傳遞;

4.政府部門對國際互聯網上匿名的和經過加密處理的信息進行篩選和控制等;

5.電子郵件的防偽以及數據認證等等。

盡管在過去的五年中,各種水印算法如雨后春筍般地不斷涌現,但數字水印技術仍然是一個未成熟的研究領域,還有許多問題需要解決,其理論基礎依然非常薄弱,大多數水印算法還是經驗性的。主要有以下幾個方面還需努力:

1.設計對水印系統進行公正的比較和評價方法。

2.如何將水印技術與現行國際圖像及視頻壓縮標準(如JPEG2000和MPEG-4)相結合,以及如何將水印技術應用于DVD工業標準中。

3.所有權的證明問題還沒有完全解決。

4.聲頻和視頻水印的解決方案還不完善,大多數的視頻水印算法實際上是將其圖像水印的結果直接應用與視頻領域中,而沒有考慮視頻應用中大數據量以及近乎實時的特性。

五、數字水印技術的主要算法

目前對數字圖像水印技術已有大量的研究,提出了很多水印算法。對數字水印的侵犯方式也有多種,而普遍認為旋轉和縮放比其他侵犯更具挑戰性。0.Ruanaidh等人首先提出了一種方法。該方法首先計算一幅圖像的離散傅立葉變換,然后對其幅度進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,但實施困難較大。Lin等人提出建立一個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中嵌埋水印,將傅立葉幅度變換到對數極坐標中,然后將這些幅度沿對數半徑軸求和,但該方法繁瑣耗時。Zheng等人提出一個基于對數極坐標仿射(LPM)和相位相關性不受幾何攻擊影響的水印方案,但需要原始圖像來抽取水印。

雖然已經有商業化的水印系統,但對水印的研究還遠未成熟,許多問題如魯棒性、真偽鑒別、版權證明、網絡快速自動驗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:

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