李　超

[摘要]介紹版權(quán)保護(hù)和信息安全的一種新技術(shù)－數(shù)字水印技術(shù)，對(duì)它的特點(diǎn)、分類、模型算法、攻擊、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析，并展望今后數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展及研究方向。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字水印 信息安全 版權(quán)保護(hù)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671－7597（2009）0120014－02

隨著信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，Internet應(yīng)用日益廣泛，數(shù)字媒體因其數(shù)字特征很容易被復(fù)制、篡改、非法傳播及攻擊，已經(jīng)日益引起人們的關(guān)注，版權(quán)保護(hù)與信息完整性保證已逐漸成為人們迫切需要解決的一個(gè)重要問題，除了與傳統(tǒng)作品版權(quán)保護(hù)相類似的法律和管理手段外，還應(yīng)該針對(duì)數(shù)字媒體提供技術(shù)上的保護(hù)。數(shù)字水印技術(shù)研究就是在這種要求下迅速發(fā)展起來的。

一、數(shù)字水印的特點(diǎn)

1．安全性：數(shù)字水印中的信息應(yīng)該是安全的，難以被篡改或者偽造。安全性要求在攻擊者知道或部分知道數(shù)字水印算法的情況下，惡意的進(jìn)行各種攻擊操作，試圖實(shí)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的嵌入、提取或檢測(cè)、刪除水印時(shí)，依然可以保證水印的正確。

2．不可感知性：在宿主數(shù)據(jù)中隱藏的數(shù)字水印應(yīng)該是不可感知的，包括兩方面的含義：一個(gè)是指感官上的不可感知，就是通過人的視覺聽覺無法察覺出宿主數(shù)據(jù)中因嵌入水印而發(fā)生的變化。另一方面即使采用統(tǒng)計(jì)方法也無法確定水印是否存在。

3．可證明性：數(shù)字水印可以使已經(jīng)注冊(cè)用戶的號(hào)碼、產(chǎn)品標(biāo)志或者有意義的文字等，他們被嵌入到宿主數(shù)據(jù)中，需要時(shí)可以將其提取出來，判斷數(shù)據(jù)是否收到保護(hù)，并能夠監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播以及非法復(fù)制，進(jìn)行真?zhèn)舞b別等。

4．魯棒性（健壯性）：數(shù)字水印應(yīng)難以被擦除，如果只能得到部分信息，應(yīng)該無法完全擦除水印，任何試圖完全破壞水印的操作，將對(duì)載體的質(zhì)量造成嚴(yán)重破壞使得載體的數(shù)據(jù)無法使用。一個(gè)好的水印算法應(yīng)該信號(hào)處理、通常的幾何變形，以及惡意的攻擊具有健壯性。

二、數(shù)字水印的分類

（一）基于外觀的分類

水印從外觀上可分為兩大類：可見水印和不可見水?。嚎梢娝∈侵缚梢钥匆姷乃?，它主要應(yīng)用與圖像或視頻，防止這些圖像被用于商業(yè)用途。這樣雖然降低了資料的商業(yè)價(jià)值，卻無損于所有者的使用；不可見水印是一種應(yīng)用更加廣泛的水印，與可見水印相反，它從表面是不可察覺的，但是當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛時(shí)，所有者可以從中提取標(biāo)記，從而證明物品為某人所有。

（二）基于載體的分類

加載數(shù)字水印的數(shù)字產(chǎn)品，可以是任何一種多媒體類型。根據(jù)載體的不同，可以分為以下幾類：靜止圖像水印、視頻水印、音頻水印、軟件水印、文檔水印等，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更多種類的數(shù)字載體出現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水印技術(shù)。

（三）按所嵌入水印信息的抗攻擊能力來分類

分為脆弱水印、半脆弱水印和魯棒水印。脆弱水印對(duì)信號(hào)的改動(dòng)很敏感，人們根據(jù)脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過，主要用于完整性保護(hù)，魯棒水印要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用的圖像處理，操作，主要用于版權(quán)保護(hù)。半脆弱水印能夠容忍一定的信號(hào)失真，主要用于認(rèn)證。

（四）按水印的提取過程分

劃分為：非盲水印，半盲水印和盲水印。非盲水印在提取過程中需要原始數(shù)據(jù)和原始水印的參與；半盲水印則不需要原始數(shù)據(jù)，但需要原始水??；非盲水印只需要密匙，既不需要原始數(shù)據(jù)，不需要原始水印。

（五）按水印嵌入的空間分類

分為空域水印和變換域水印?？沼蛩∈侵苯釉诳沼蛑袑?duì)采樣點(diǎn)的幅度值做出改變而嵌入水印，其最大特點(diǎn)是直觀，方便，效率比較高，其缺點(diǎn)也很明顯，穩(wěn)健性比較差。變換域水印是在嵌入水印前先對(duì)圖像進(jìn)行某種可逆的數(shù)學(xué)變換，然后通過修改變換域的某些系數(shù)來嵌入水印，再進(jìn)行逆變換得到加水印后的圖像。它主要包括離散傅立葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）和離散小波變換域（DWT），其共同的特點(diǎn)是：可嵌入水印的數(shù)據(jù)量大，而且能夠達(dá)到較好的不可感知性和魯棒性的要求，但算法復(fù)雜度較高。

三、數(shù)字水印系統(tǒng)的基本模型

所有嵌入水印的方法都包括兩種基本的構(gòu)造模塊：水印嵌入系統(tǒng)和水印恢復(fù)系統(tǒng)。

（一）水印嵌入系統(tǒng)

是輸入水印、載體數(shù)據(jù)和一個(gè)可選的公匙或密匙。水印可以是任何形式的數(shù)據(jù)。比如文本、數(shù)值、圖像當(dāng)水印與密匙結(jié)合時(shí)，嵌入水印的技術(shù)通常稱為秘密水印技術(shù)和公開水印技術(shù)。水印系統(tǒng)輸出加了水印的數(shù)據(jù)。如圖1。

（二）水印的恢復(fù)系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸入是已經(jīng)嵌入水印的數(shù)據(jù)、私匙或公匙、原始數(shù)據(jù)或原始水印，輸出的是水印或某種可信度的值。如圖2。

四、對(duì)數(shù)字水印的攻擊

（一）刪除攻擊

它將數(shù)字水印看作是特定統(tǒng)計(jì)特征的噪聲，試圖通過消除噪音的方法來分析和刪除水印，恢復(fù)原圖。

（二）幾何變形攻擊

它并不是試圖刪除水印，而只是通過各種幾何變形來改變?cè)瓐D片的空間分布，使檢測(cè)算法檢測(cè)不出原水印。

（三）解密攻擊

一種是通過字典搜索逐個(gè)嘗試找出隱秘鍵，另一種是通過攻擊水印檢測(cè)程序，反向解密獲得原圖。還有一種通過統(tǒng)計(jì)平均的方法。

（四）協(xié)議攻擊

例如原圖I加水印W1后生成圖像I'，利用這一弱點(diǎn)，攻擊者可用I'再加水印W1生成圖像I”，然后聲稱I”是他（攻擊者）的作品。此時(shí)雖然原水印仍完好無損，但保護(hù)版權(quán)的功能卻完全失效了。解決方法是把數(shù)字水印集成到一個(gè)大的安全系統(tǒng)中，為每一個(gè)水印打上時(shí)間印戳。

五、數(shù)字水印的算法

（一）空間數(shù)字水印

是直接在聲音、圖像或視頻等信號(hào)空間上疊加水印信息。最常見的有最低有效位法（LSB）和擴(kuò)展頻譜方法。

LSB算法是最早提出的一種典型的空間域信息隱藏方法。它使用特定的密匙通過偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)，然后按照一定的規(guī)律排列成二維水印信號(hào)。并逐一插到原始圖像相應(yīng)像素值的最低幾位。該算法雖然可以隱藏較多的信息，但是隱藏的信息可以輕易被移去，很容易受到有損壓縮、量化、有噪信道傳輸?shù)挠绊?。不過作為大量數(shù)據(jù)的隱藏方法，LSB在隱藏通信中仍占有很重要地位。

直接序列擴(kuò)頻水印算法是擴(kuò)頻通信技術(shù)在數(shù)字水印的應(yīng)用。擴(kuò)頻通信將待傳遞的信息通過擴(kuò)頻碼調(diào)制后散布于非常寬的頻帶中，使其具有抗干擾性強(qiáng)、高度保密的特征。擴(kuò)頻水印方法與擴(kuò)頻通信類似，是將水印信息經(jīng)擴(kuò)頻調(diào)制后疊加在原始數(shù)據(jù)上。

（二）變換域數(shù)字水印

是指在DCT變換域，時(shí)/頻變換域（DFT）或小波變換域（DWT）上隱藏水印。在圖像從時(shí)域到頻域的變換過程中，對(duì)水印信息進(jìn)行一定的頻域調(diào)制。使其更好的隱藏在圖像重要的能量部分，同時(shí)又不引起圖像質(zhì)量的明顯下降。由于它很好的滿足了數(shù)字水印技術(shù)透明性和魯棒性的要求，而成為當(dāng)前最重要的水印算法。其中DCT變換域數(shù)字水印算法是在圖像的DCT變換域上選擇中低頻系數(shù)疊加水印信息，因?yàn)槿搜鄣母杏X主要集中在這一頻段。由于JPEG，MPEG等壓縮算法的核心是在DCT變換域上進(jìn)行數(shù)據(jù)量化，所以通過巧妙的融合水印過程和量化過程，就可以使水印抵御有損壓縮。

六、數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）用于版權(quán)保護(hù)

數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)是當(dāng)前的熱點(diǎn)問題，由于數(shù)字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到和原作品完全相同，所以作者不得不采用一些嚴(yán)重?fù)p害作品質(zhì)量的方法來加上版權(quán)標(biāo)識(shí)，而這種標(biāo)識(shí)還是很容易被竄改。數(shù)字水印可以即不損害原作品，又達(dá)到了保護(hù)版權(quán)的目的。

（二）用于盜版跟蹤的數(shù)字指紋

為了避免數(shù)字產(chǎn)品被非法復(fù)制和散發(fā)，作者可在每個(gè)產(chǎn)品拷貝中分別嵌入不同的水?。ǚQ為數(shù)字指紋）。如果發(fā)現(xiàn)了未經(jīng)授權(quán)的拷貝，則可以通過檢索指紋來追蹤其來源

（三）用于圖像認(rèn)證的水印

在鑒定應(yīng)用中，使用水印的目標(biāo)是對(duì)數(shù)據(jù)的修改進(jìn)行檢測(cè)。這就是所謂的“脆弱性水印”它對(duì)于特定的修改，有弱的健壯性，而對(duì)它的修改是破壞性的。

（四）商務(wù)交易中的票據(jù)防偽

由于高精度的打印機(jī)的出現(xiàn)，商務(wù)交易中的貨幣、支票以及其他票據(jù)的偽造變地更加容易，美國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)開始研究用于票據(jù)防偽的數(shù)字水印技術(shù)。數(shù)字水印技術(shù)可以為各種票據(jù)提供不可見的認(rèn)證標(biāo)志，從而大大增加了偽造的難度。

（五）隱蔽標(biāo)識(shí)

在這類應(yīng)用中可以插入水印構(gòu)成一個(gè)注釋，提供有關(guān)數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)一步的信息。數(shù)字水印隱藏標(biāo)識(shí)和標(biāo)簽可以用在醫(yī)學(xué)、制圖、多媒體索引和基于內(nèi)容的檢索等領(lǐng)域。

七、數(shù)字水印的研究展望

（一）算法的發(fā)展

許多應(yīng)用對(duì)數(shù)字水印的健壯性要求很高，所以要有健壯性更好的算法，因此，研究健壯性更好的算法是數(shù)字水印的重點(diǎn)發(fā)展方向，但也應(yīng)該保持較好的不可見性以及較大的信息容量。

（二）數(shù)字水印系統(tǒng)與加密體系的結(jié)合

將使多媒體通信技術(shù)的安全性大大地提高。

（三）數(shù)字水印與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的結(jié)合

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字水印的應(yīng)用，應(yīng)重點(diǎn)研究水印的網(wǎng)絡(luò)快速自動(dòng)驗(yàn)證技術(shù)，研究動(dòng)態(tài)水印或具有交互心智的數(shù)字水印技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中可以通過在水印中加入JAVA模塊或含有特定URL等方法來實(shí)現(xiàn)。

（四）基于高層信息識(shí)別的水印技術(shù)

通常水印主要信賴于計(jì)算技術(shù)，而基于更高層的信息特征如文本信息、圖像內(nèi)容則具更好的健壯性。

（五）數(shù)字水印應(yīng)用技術(shù)

研究數(shù)字水印在實(shí)際應(yīng)用中的模式、方法和領(lǐng)域也是數(shù)字水印的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是該技術(shù)走向市場(chǎng)的主要途徑。

數(shù)字水印技術(shù)作為解決數(shù)字媒體安全問題的一種有效手段有著巨大的潛力，無論在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界還是商業(yè)界都具有廣泛的研究前景。盡管目前數(shù)字水印技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在著許多問題未曾解決，但隨著研究工作的深入，數(shù)字水印技術(shù)會(huì)逐漸走向成熟。

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作者簡(jiǎn)介：

李超，男，安徽來安，蚌埠醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，助教，安徽大學(xué)在讀08級(jí)信息管理專業(yè)碩士生。