殷明芳 周友學(xué)

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

[關(guān)鍵詞]數(shù)字水印安全性隱蔽性魯棒性分類算法

中圖分類號:TP2文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)密碼學(xué)的技術(shù)路線,嘗試用各種信號處理方法對聲像數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏加密,并將該技術(shù)用于制作多媒體的“數(shù)字水印”。數(shù)字水印(Digital Watermarking)技術(shù)是將一些標(biāo)識信息(即數(shù)字水印)直接嵌入數(shù)字載體(包括多媒體、文檔、軟件等)當(dāng)中,但不影響原載體的使用價值,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。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。

一、數(shù)字水印技術(shù)的主要特點(diǎn)

1.安全性:數(shù)字水印的信息應(yīng)是安全的,難以篡改或偽造,同時,應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測率,當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時,數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化,從而可以檢測原始數(shù)據(jù)的變更;當(dāng)然數(shù)字水印同樣對重復(fù)添加有強(qiáng)的抵抗性。

2.隱蔽性:數(shù)字水印應(yīng)是不可知覺的,而且應(yīng)不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用;不會降質(zhì)。

3.魯棒性:是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號處理過程后,數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘柼幚磉^程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)產(chǎn)生等同的水印。

5.檢測的可靠性:水印檢測出錯的概率應(yīng)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(shù)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(shù)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(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。

2.按內(nèi)容劃分,按數(shù)字水印的內(nèi)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(shù)字圖像或數(shù)字音頻片段的編碼;無意義水印則只對應(yīng)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(shù)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(shù)據(jù),而盲水印的檢測只需要密鑰,不需要原始數(shù)據(jù)。

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

5.按用途劃分。按水印的用途,我們可以將數(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識水印。

三、數(shù)字水印的主要應(yīng)用

1.數(shù)字作品的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù);2.商務(wù)交易中的票據(jù)防偽;3.聲像數(shù)據(jù)的隱藏標(biāo)識和篡改提示;4.隱蔽通信及其對抗。

四、數(shù)字水印技術(shù)的研究趨向

與信息偽裝關(guān)系極為密切的另一個方面就是數(shù)字水印技術(shù)的研究。信息偽裝是將重要的數(shù)據(jù)隱藏到宿主數(shù)據(jù)中并將其發(fā)送出去,它有一個基本的假設(shè),就是第三方不知道被隱藏的數(shù)據(jù)的存在,并且主要應(yīng)用于點(diǎn)對點(diǎn)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(shù)據(jù)被改變,被嵌入的信息將無法恢復(fù)。而數(shù)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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)操作和變換。換句話說,即使攻擊者知道傳遞的數(shù)據(jù)中包含隱藏的重要信息,但也無法將其提取出來,或在不嚴(yán)重?fù)p壞宿主數(shù)據(jù)的情況下無法將水印破壞掉。因此數(shù)字水印和信息偽裝是一個技術(shù)的互補(bǔ)的兩個方面,也是目前國際學(xué)術(shù)界研究的一個前沿?zé)衢T方向,并可為數(shù)字圖書館版權(quán)保護(hù)等問題提供一個潛在的有效解決方法。發(fā)展數(shù)字水印技術(shù)的原動力是為了提供多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù),但人們發(fā)現(xiàn)數(shù)字水印還具有一些其他的重要應(yīng)用,如下面所示,這些需求都促進(jìn)了當(dāng)前學(xué)術(shù)界對信息偽裝的研究熱情。

1.軍事和智能機(jī)構(gòu)所需要的不受干擾的通訊手段;

2.國家安全部門對隱藏數(shù)據(jù)的通訊技術(shù)的關(guān)注;

3.罪犯對使用常規(guī)通訊器材進(jìn)行特殊的信息傳遞;

4.政府部門對國際互聯(lián)網(wǎng)上匿名的和經(jīng)過加密處理的信息進(jìn)行篩選和控制等;

5.電子郵件的防偽以及數(shù)據(jù)認(rèn)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(xiàn),但數(shù)字水印技術(shù)仍然是一個未成熟的研究領(lǐng)域,還有許多問題需要解決,其理論基礎(chǔ)依然非常薄弱,大多數(shù)水印算法還是經(jīng)驗(yàn)性的。主要有以下幾個方面還需努力:

1.設(shè)計(jì)對水印系統(tǒng)進(jìn)行公正的比較和評價方法。

2.如何將水印技術(shù)與現(xiàn)行國際圖像及視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(如JPEG2000和MPEG-4)相結(jié)合,以及如何將水印技術(shù)應(yīng)用于DVD工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。

3.所有權(quán)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(shù)的視頻水印算法實(shí)際上是將其圖像水印的結(jié)果直接應(yīng)用與視頻領(lǐng)域中,而沒有考慮視頻應(yīng)用中大數(shù)據(jù)量以及近乎實(shí)時的特性。

五、數(shù)字水印技術(shù)的主要算法

目前對數(shù)字圖像水印技術(shù)已有大量的研究,提出了很多水印算法。對數(shù)字水印的侵犯方式也有多種,而普遍認(rèn)為旋轉(zhuǎn)和縮放比其他侵犯更具挑戰(zhàn)性。0.Ruanaidh等人首先提出了一種方法。該方法首先計(jì)算一幅圖像的離散傅立葉變換,然后對其幅度進(jìn)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(shí)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(shù)極坐標(biāo)中,然后將這些幅度沿對數(shù)半徑軸求和,但該方法繁瑣耗時。Zheng等人提出一個基于對數(shù)極坐標(biāo)仿射(LPM)和相位相關(guān)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(jīng)有商業(yè)化的水印系統(tǒng),但對水印的研究還遠(yuǎn)未成熟,許多問題如魯棒性、真?zhèn)舞b別、版權(quán)證明、網(wǎng)絡(luò)快速自動驗(yàn)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。

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