數字水印技術(shù)的研究

本欄目責任編輯:李桂瑾.......人工智能及識別技術(shù)●數字水印技術(shù)的研究藍嵐(湖南農業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南長(cháng)沙410128)摘要:當今時(shí)代,作為計算機領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),數字水印技術(shù)得到了廣泛的應用。本文介紹了數字水印技術(shù)的基本原理、數字水印的特征及其分類(lèi),并對典型的水印算法及其應用領(lǐng)域進(jìn)行了闡述。最后,分析指出了數字水印技術(shù)的研究現狀與發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:數字水印;水印嵌入;水印算法;版衩保護中圖分類(lèi)號:TP309文獻標識碼:A文章編號:1009- -3044(2007)10- -21091-01Research on Digital Watermarking TechnologyLAN Lan(School of Information Science & Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract:As one of hot research topics in the area of computer, digital watermarking technology has gained wide applications nowadays.This paper makes an introduction of the basic working principle, characteristics and casifications of digtal watermark technology, makes discus-sion and analysis of typical algorithm and is application. Finally， it gives the recent research circs and the prospect of digital watermarking tech-nology.Key'words.digtal watermarking; watermark embedment; watermark algoithm; copyright protection.1引言了作品發(fā)布及使用后,仍保有水印本身原始的信息不變。因此,數信息時(shí)代的兩大重要特征是多媒體信息的數字化和計算機字水印對正常的數字作品操作應該具有免疫能力。面向不同的應網(wǎng)絡(luò )的廣泛應用。前者提高了信息表達的效率和準確度,為信息用要求,數字水印一般具備以下基本特征[3]:的存取提供了極大便利;后者特別是Intermet的飛速發(fā)展,則使數附加數據輸入水印提取字作品的發(fā)布及傳輸有了更方便、快捷的途徑。開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境、數字化的多樣信息讓人們極大感受到信息資源共享的愜意,然而一系列亟待解決的信息安全問(wèn)題也隨之產(chǎn)生,典型的有水印.作晶L作品侵權問(wèn)題、非法復制及傳播問(wèn)題、信息篡改及數據泄密問(wèn)題原始作晶嵌入原始作品等,這都使得信息安全技術(shù)越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統的圈1數字水印系 統模型加密技術(shù)將數據加密后傳輸，使沒(méi)有密鑰的人難以獲取機密數(1)魯棒性,這是數字水印最重要的特征。它又稱(chēng)穩健性,即指據;但這顯然限制了數據信息的交流,而數據一旦被解密,就完全嵌入水印后的數字作品在經(jīng)過(guò)各種有意或無(wú)意的處理或攻擊之被解密人掌握,其保護作用由此消失。數字水印技術(shù)則與之不同,后,仍能成功檢測出其水印的能力。從數字水印技術(shù)誕生的應用背它使一些不可見(jiàn)或不可察的信息與數據結合,但能保留數據的原最來(lái)看,數字水印信息至少應該難以(最好是不可能)被除去。始形式，且不妨礙用戶(hù)使用、檢驗或操作數據。其目的不在于限制(2)確定性,即水印所攜帶的所有者等信息能夠被唯- -地鑒正常數據的存取,而在于保證隱藏數據不被侵犯或發(fā)現,從而較別確定,即使在遭到攻擊時(shí),對確認水印信息的精度不會(huì )有大的好解決了信息共享與版權保護之間的矛盾。影響。2數字水印技術(shù)(3)透明性,即指水印信息植入到原始作品的數據中后,不會(huì )破壞原有數字產(chǎn)品的質(zhì)量,而用戶(hù)在視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)上感覺(jué)不到水印2.1數字水印的基本原理數字水印(Digital Watermarking)技術(shù)是在數字多媒體技術(shù)及的存在?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下應運而生的一種信息安全技術(shù)。它.水印信息。(4)易提取性.即指數字作品的所有者應能很容易地提取出利用人類(lèi)感覺(jué)器官的不敏感以及數字信號本身存在的冗余,將具.(5)安全性,這要求水印信息隱藏的位置以及內容不能被非有特定意義的標志性信息，通過(guò)數字嵌入的技術(shù)隱藏在文本、圖法用戶(hù)檢測識別。像、音頻、視頻等數字產(chǎn)品中[I],水印信息可以是作者的序列號、公司標志或有特殊意義的文本等,并能夠抵抗一些攻擊而生存下2.3數字水印的分類(lèi)數字水印技術(shù)已開(kāi)始應用到諸多領(lǐng)域，其分類(lèi)方法也眾多，來(lái)。同加密技術(shù)相比,數字水印技術(shù)不改變數字產(chǎn)品的基本特性典型的劃分原則有:和使用價(jià)值,也并不能阻止盜版活動(dòng)的發(fā)生。但它可以判別對象(1)按水印的載體劃分將數字水印劃分為圖像水印、音頻水是否受到了保護,能監視被保護數據的傳播情況完成真偽鑒別、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;隨限制非法拷貝、甚至能用于解決版權糾紛等法律問(wèn)題。數字水印系統的處理過(guò)程一般包含水印嵌人和水印提取兩部著(zhù)更多種類(lèi)的數字媒體出現,相應的水印也會(huì )出現。分,其基本模型如圖I所示。其中,水印嵌入系統利用私有密鑰或(2)按水印的特性劃分,可以將數字水印分為魯棒數字水印公開(kāi)密鑰把水印信息嵌人到原始載體信息中,得到隱秘載體;而水和脆弱數字水印。前者主要用于在數字作品中標識著(zhù)作權信息,印提取系統則通過(guò)專(zhuān)用的檢測器或閱讀器、利用相應的密鑰從隱如作者、作品序號等,它要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用的編蔽載體中檢測或恢復出水印2]。沒(méi)有解密密鑰時(shí),攻擊者一般很難輯處理。后考主要用干宗整件保護與魯棒水印的要求相反,脆弱從隱秘載體中發(fā)現或修改水印，從而保證了嵌人的相關(guān)特殊信息水印;中國煤化工據脆弱水印的狀態(tài)就可以保持原有形態(tài),使具有標志意義的數據能更安全的保存下來(lái)。判斷HCcNM HGR劃分為時(shí)(空)坡數字術(shù)2.2數字水印的典型特征數字水印作為嵌人到數字產(chǎn)品原始數據中的特殊信息,不僅印.頻域數字水印、時(shí)/頻域數字水印和時(shí)間/尺度域數字水印。時(shí)(下轉第1095 頁(yè))要保證被隱藏后不被侵犯或發(fā)現,更重要的是應該保證其在經(jīng)歷收稿日期:2007-03-231091本欄目責任編輯:李桂瑾......人工智能及識別技術(shù)●Communications (TCC.03), 2003Int. Workshop VLSI Design & Video Tech. Suzhou, China, May 28-[10]. Fu Y, Shen R, Shen L. A novel asynmetie watermarking30,2005.260-263scheme. Proceedings of the Third Intemational Conference on Ma-[12] Tzeng J, Hwang W L, and Chem 1 L, An asymmetrie sub-chine learming and Cybemetics, Shanghai, August 2004.26-29space watermarking method for copyright protection， IEEE Trans.[] Guo-fu Gui, Ling -ge Jjang and Chen He. General con-Signal Process, 2005,53(2): 784-792struction of asymmetric watermarking based on permutation. IEEE(上接第1091頁(yè)換得到水印圖像|*,解碼函數則分別計算原始圖像[和水印圖像(空)域數字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數字]*的離散余弦變換,并提取嵌人的水印W*,再做相關(guān)檢驗以確定水印、時(shí)/頻域數字水印和時(shí)間/尺度域數字水印則分別是在DCT水印的存在與否。該方法即使當水印圖像經(jīng)過(guò)-些通用的幾何變變換域、時(shí)/頻變換域和小波變換域上隱藏水印。形和信號處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后,仍然能夠提取出可(4)按水印的內容特性劃分,分為有意義水印和無(wú)意義水印。信賴(lài)的水印拷貝.因此具有較強魯棒性。在隱藏和提取信息的操前者本身可能正是數字圖像或數宇音頻片段的編碼內容,但后者作方面,此算法稍顯復雜,隱藏信息量仍不能很大;但由于其抗攻本身則只是-一個(gè)序列號。擊能力強,所以在數字作品版權保護方面得到較廣泛應用。(5)按 檢測過(guò)程劃分,將數字水印劃分為明文水印和盲水印。(4)Cox算法明文水印在檢測過(guò)程中需要原始數據,而盲水印的檢測只需要密該算法因其提出人而得名,因其實(shí)用價(jià)值高而使其在數字水鑰,不需要原始數據。印算法中占有重要地位。實(shí)現思想是:先以密鑰為種子來(lái)產(chǎn)生偽(6)按用途劃分,將數字水印劃分為票據防偽水印版權保護隨機序列,該序列具有高斯分布的特征,密鑰一般由作者的標識水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印等。它們都以隱藏某些難以復碼和圖像的哈希值組成;然后,對圖像做DCT變換,最后用偽隨機制的標志信息為手段,為限制對數字產(chǎn)品的非法操作提供了可能。高斯序列來(lái)調制(疊加)該圖像除直流分量外的1000個(gè)最大的2.4數字水印技術(shù)的常用算法DCT系數。Cox算法提出了增強水印魯棒性和抗攻擊算法的重要理論上,數字水印將對保護各種形式的數字產(chǎn)品起到重要作原則,即:水印信號應該嵌人源數據中對人感覺(jué)最重要的部分,這用。但目前學(xué)術(shù)界對其研究多半仍集中于靜止圖像的水印上,許種水印信號由獨立同分布隨機實(shí)數序列構成，且該實(shí)數序列應該多討論依然圍繞著(zhù)數字水印系統的框架構建等基礎問(wèn)題;相比之具有高斯分布的特征。所以,該算法具有較強的魯棒性、安全性以下,對音頻水印、視頻水印的研究尚屬少數。盡管如此,對下述幾及透明性等,由于采用了特殊的密鑰形式,因此還可以有效防止種典型的數字圖像水印算法(某些算法也適用于視頻和音頻數IBM攻擊(最具典型性的水印攻擊)。據)的分析,仍可以了解到數字水印算法的基本思路和實(shí)現方法。3結束語(yǔ)(1)空間域算法隨著(zhù)對數字水印技術(shù)研究的深人,其在版權保護、票據防偽、這類(lèi)算法中典型的處理思想是將信息嵌人到隨機選擇的圖內容認證和完整性檢驗.內容標識與注釋.操作跟蹤、拷貝保護、像點(diǎn)中最不重要的象素位(ISB,Least Significant Bits)上,這就能隱藏通信及其對抗、指紋識別以及使用控制等方面的應用將更加保證嵌人的水印是不可見(jiàn)的。但其算法的魯棒性差,水印信息很廣泛。其中最具代表意義的正是數字產(chǎn)品版權保護。信息時(shí)代,盜容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。另一種思路是利用版已成為對數字化產(chǎn)業(yè)最大的威脅。據有關(guān)資料顯示,美國每年象素的統計特征將信息嵌人其亮度值中。例如,隨機選擇N對象有超過(guò)50萬(wàn)人因盜版數字產(chǎn)品遭遇糾紛，直接或間接經(jīng)濟損失索點(diǎn)(ai,b),然后將每個(gè)a點(diǎn)的亮度值加1,每個(gè)b點(diǎn)的亮度值臧達數億美元。世界上許多國家和地區也都遭遇到類(lèi)似問(wèn)題,這在1,這樣整個(gè)圖像的平均亮度可保持不變。適當調整參數的情況相當程度上阻礙了全球數字化的進(jìn)程。對數字多媒體信息的版權下,這種方法能對JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵所有者而言,反盜維權的要求迫在眉睫;作為近年來(lái)國際學(xué)術(shù)界.抗力,但其嵌入的信息量卻是有限的。的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域,數字水印技術(shù)同信息安全、數據加密、數據這類(lèi)基于JPEGMPEG標準的壓縮域數字水印系統不僅節省(2)壓縮域算法隱藏等計算機技術(shù)關(guān)聯(lián)甚密,已逐漸成為數字作品版權保護的利了大量的完全解碼和重新編碼過(guò)程,而且在數字電視廣播及VOD器。在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,數字水印的研究更具現實(shí)意義;(Video on Demand)中有很大的實(shí)用價(jià)值。相應地,水印檢測與提隨著(zhù)信息與計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，數字水印已經(jīng)在電子信取也可直接在壓縮域數據中進(jìn)行。這類(lèi)算法的關(guān)鍵在于如何把水息安全等領(lǐng)域有了成功的應用,其研究與應用必將擁有更加廣閼印信號加到數據信號中,即加入到表示視頻幀的數據流中。其原的發(fā)展前景。參考文獻:理是,首先對DCT編碼數據塊中每-輸人的Hufman碼進(jìn)行解碼[I] Cox I J, Miller M L Bloom J A.Digital W aermarking[M],北和逆量化,以得到當前數據塊的一個(gè)DCT系數;然后把相應水印京:電子工業(yè)出版社, 2003:63-66.信號塊的變換系數與之相加，從而得到水印疊加的DCT系數,再[2] Kutter M, Bbattackarjee S K, Ebrahimi T.Towards Sel :ond重新進(jìn)行量化和Huffman編碼，最后對新的Hufman碼字的位數Generation W atermarking Schemes[J].ProcInt Conf Image Processing,nl與原來(lái)的無(wú)水印系數的碼字n0 進(jìn)行比較。在n0不大于nl的情1999 ,1(1):25-28.況下才傳輸水印碼字.否則傳輸原碼字,從而保證了不增加視頻[3] Eggers J, Buml P, Girod B.A communications approach to數據流位率[4]。image steganography[C].SanJose, USA: Proceedings of SPIE: Elec-(3)變換域算法這類(lèi)算法中,大部分都采用了擴展頻譜通信(Spread Spectrumtronic Imaging, Security and W atermarking of Multimedia ContentsIV, 2002.26-37.Communication, 簡(jiǎn)稱(chēng)擴頻)技術(shù)。算法實(shí)現過(guò)程為:先計算圖像的中國煤化工體數字水印技術(shù)小通信學(xué)離散余弦變換(DCT),然后將水印疊加到DCT域中幅值最大的前k系數上(不包括直流分量)。若DCT系數的前k個(gè)最大分量表示fHC NM HG算機工程與設計206.22為D=(di),i=1 ,2,. ,k;水印是服從高斯分布的隨機實(shí)數序列W=(1):46-50.(i),i=1,2,.. ,k。那么水印的嵌人算法為di=di(1+awi),其中常數a為尺度因子,控制水印添加的強度[5- -6]。然后用新的系數做反變[6]蔣華,股肖川.數字水印技術(shù)的研究[J.現代電子技術(shù)，2004, 181(14):84- -86,90.1095