數字水印技術及其應用

侯艷軍

中圖分類號:TP3文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0710109-01

一、引言

數字水印(digital watermarking)是近年來出現的數字產品版權保護技術。它是利用數字作品中普遍存在的冗余數據與隨機性,向數字作品中加入不易察覺但可以判定區分的秘密信息水印,水印可以是一段文字、標識、ID序列號等,并攜帶有版權保護信息和認證信息,作為密碼學的加密或置亂技術的補充,保護數字產品的合法拷貝和傳播。數字水印技術是信息隱藏技術研究領域的重要分支,也是當今網絡信息安全和數字媒體版權保護研究的熱點。

二、數字水印的基本特征

數字水印技術除應具備信息隱藏技術的一般特點外,還有著其固有的特點。數字水印技術基本特征主要有:

1.隱蔽性:數字產品加入數字水印后,應不會引起數字作品的明顯質降,并不易被接收者察覺。

2.安全可靠性:水印體制要商業應用,其算法必須公開。算法的安全性完全取決于密鑰,而不是對算法進行保密。所以,密鑰空間需足夠大,而且分布比較均勻。另外,數字水印應能對抗非法的探測和解碼,面對非法的攻擊也能以極低的差錯率識別作品的所有權,同時數字水印應很難為他人所復制和偽造。

3.魯棒性:指不因多媒體文件的某種改動而導致隱藏信息丟失的能力。

4.計算復雜度:不同應用對水印嵌入算法和提取算法的計算復雜度有不同的要求。如:指紋水印要求嵌入算法速度要快,而對檢測算法則不需要很快;其它的水印一般對嵌入的速度要求不高,但對檢測的速度要求很快。

5.自恢復性:由于經過一些操作或變換后,可能會使原圖產生較大的破壞,如果只從留下的片斷數據仍能恢復隱藏信號,而且恢復過程不需要宿主信號,這就是所謂的自恢復性。

不同應用對嵌入信息的比率有不同的要求。一般來說,注釋水印要求有較高的嵌入比率,魯棒水印次之,而易損水印在這方面的要求不是重點。易損水印不需要冗余性,所以它通常可以含有大量的數據。而且因為判斷數據的失真情況是易損水印的目的,所以易損水印不注重嵌入了多少數據,而注重在安全的前提下盡可能地報告失真情況。易損水印的算法需要有標示能力,即不僅能檢測到水印,而且對于數據有失真的情況,檢測算法要能指明失

真的區域,甚至指明頻域上的失真情況、分析造成失真的原因等。

三、數字水印的應用前景

數字水印的提出是為了保護版權,然而隨著數字水印技術的發展,人們已經發現了水印更多更廣的應用。

1.數字作品的知識產權保護:數字作品的所有者可用密鑰產生一個水印,并將其嵌入原始數據,然后公開發布其水印版本作品。當該作品被盜版或出現版權糾紛時,所有者即可從盜版作品或水印版作品中獲取水印信號作為依據,從而保護所有者的權益。

2.商務交易中的票據防偽:美國、日本以及荷蘭都已開始研究用于票據防偽的數字水印技術。麻省理工學院媒體實驗室受美國財政部委托開始研究在彩色打印機、復印機輸出的每幅圖像中加入唯一的、不可見的數字水印,在需要時可以實時地從掃描票據中判斷水印的有無,快速辨識真偽。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志,從而大大增加了偽造的難度。

3.標題與注釋:醫學、制圖、多媒體索引和網絡搜索等領域中,可以將一些作品的標題、注釋等內容以水印形式嵌入該作品中作為隱式注釋。這種隱式注釋不需要額外的帶寬且不易丟失。

4.篡改提示:由于現有的信號拼接和鑲嵌技術可以做到移花接木而不為人知,基于數字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術途徑,通過隱藏水印的狀態可以判斷聲像信號是否被篡改。為實現該目的,通常可將原始圖象分成多個獨立塊,再將每個塊加入不同的水印。同時可通過檢測每個數據塊中的水印信號,來確定作品的完整性。與其它水印不同的是,這類水印必須是脆弱的,并且檢測水印信號時,不需要原始數據。

5.防止非法復制及視頻監控:在DVD防拷貝系統,即將水印信息加入DVD數據中,這樣DVD播放機即可通過檢測DVD數據中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性。從而保護制造商的商業利益。在廣播電視節目內容監控中,數字視頻水印技術除了可以對各種節目版權進行保護追查外,還可以進行內容監控和跟蹤。基于數字水印技術對節目內容的監控,可實現廣播權利的精確管理,使版權擁有者能夠了解其節目內容何時何地被第三方非法使用。

6.隱蔽通信:隱蔽通信采用數字水印技術作為穩健的隱蔽通道,是傳統的數據隱藏技術在通信領域的發展。

7.數字指紋:向分發給不同用戶的各個副本中嵌入不同的水印的一類應用稱為數字指紋。這類應用可以用于識別內容購買者,類似于軟件序列號。通過使用數字指紋,可以有效地跟蹤未經授權的拷貝的來源,防止未授權的拷貝和分發。

8.可逆可見水印:IBM已經開發了一個水印方案,稱為可逆可見水印。該水印系統中,IBM允許圖像的自由拷貝,但在圖像上加上可見水印,這些圖像在沒有去除可見水印前沒有應用價值。水印圖像作為樣本發送給用戶,如果用戶想得到有價值圖像版本,他們可以買付費去除程序,該程序可以去除圖像上的水印而將圖像恢復為原始質量。

數字水印技術是近年來國際學術界興起的一個前沿研究領域。數字水印作為信息安全領域中的新生事物,具有很高的技術含量和很強的生命力,同時也孕育著巨大的商機。這門橫跨信號處理、數字通信、密碼學、計算機網絡等多學科的新興技術,應用前景廣闊。

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