數字水印技術(shù)及應用

第25卷第3期國外電子測量技術(shù)Vol. 25. No. 32006年3月Foreign Electronic Measurement TechnologyMar.,2006應用天地數字水印技術(shù)及應用陳萌(寧波工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院315010摘要:隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,傳統的數據加密手段越來(lái)越難以對數據安全提供有效的保護。而且,數據形式的多樣化,也使傳統加密技術(shù)的運用受到了制約。通過(guò)對數字水印技術(shù)的原理、分類(lèi)和應用領(lǐng)域等內容的闡述,使讀者能夠較全面地了解這種全新加密技術(shù)關(guān)鍵詞:數字水印信息隱藏水印算法魯棒性中圖分類(lèi)號:TP274;TP391Technique and application of digital water markChen meng(Ningbo University of Technology 315010)Abstract: With the development and progress of computer technology, traditional data-encipheringmethod is becoming more and more difficult to provide effective protection for the data security.Furthermore, the diversified forms of data also restrict the application of traditional encipheringtechnology. By elaborating on the principle, classification and application areas of digital watermark technology, this paper aimed to provide readers with a full understanding of the entirely newenciphering technologyKeywords: digital watermark, information hiding, watermark algorithm, robustness而數字水印技術(shù)以其完全不同于傳統加密的方式很好地解決了互聯(lián)網(wǎng)中因多媒體數據共享而引發(fā)的各在互聯(lián)網(wǎng)中如何安全共享信息,同時(shí)在產(chǎn)生版類(lèi)問(wèn)題。權糾紛時(shí)能有效舉證,以保護自己的合法權益是計算機科學(xué)界一直研究的重點(diǎn)。傳統的信息安全技術(shù)1數字水印技術(shù)原理都是以密碼學(xué)理論為基礎的,采用密鑰或公鑰系統,數字水印( Digital Watermark)技術(shù)是指用信號將數據加密成密文,使非法用戶(hù)不能解讀。然而,隨處理的方法在數字化的多媒體數據中嵌入隱藏的標著(zhù)現在計算機處理能力的快速提高和利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )記,在一般條件下這種標記是不可見(jiàn)的,即不會(huì )影響實(shí)施分布式解碼技術(shù)的應用,使得這種通過(guò)不斷增到多媒體數據的正常觀(guān)看、使用,但通過(guò)專(zhuān)門(mén)的檢測加密鑰長(cháng)度來(lái)提高系統密級的方法越來(lái)越不安全。器或閱讀器可以正確檢測或顯示岀隱藏于多媒體數而且對于圖像、視頻和聲音等多媒體信息,其加密要據中的標記求又不同于傳統數據加密。一方面版權人希望其作多媒體數據,尤其是圖像數據在傳播過(guò)程中,經(jīng)品能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)被大家觀(guān)賞,而另一方面卻又不常會(huì )被人為地做一些處理,而這些有意或無(wú)意的處希望其作品被人隨意地復制、篡改。此時(shí)傳統的加理,對于數字水印而言可能是毀滅性的。如果一幅密方法就顯得力不從心,因為原理決定了其加密內圖份廠(chǎng)中國煤化工響其視覺(jué)效果的同時(shí)容要么無(wú)法解密不可使用,要么成功解密隨意使用。隱藏CNMHG去再被檢測,此時(shí)嵌入作者簡(jiǎn)介:陳萌(1975—),男,復旦大學(xué)計算機科學(xué)系,計算機及應用專(zhuān)業(yè)畢業(yè)。1996年起任教于寧波工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院至今,講師。本人主要研究方向為計算機圖形圖像處理,網(wǎng)絡(luò )安全」2006年第3期陳萌:數字水印技術(shù)及應用到原始數據中的水印信息將失去其意義。因此作為2.1按水印特性劃分有實(shí)用價(jià)值的數字水印,一般應該具有以下兩個(gè)明按水印特性可以分為可見(jiàn)水印和不可見(jiàn)水印確的特征可見(jiàn)水印一般指以某種方式直接插入或覆蓋在宿主(1)隱蔽性:在多媒體數字作品中嵌入水印標數據中的標識,這種標識在不影響宿主數據使用的記,不能引起多媒體數字作品質(zhì)量的明顯下降,即用前提下為視覺(jué)可見(jiàn)。而不可見(jiàn)水印則是指在一般條戶(hù)通過(guò)常規觀(guān)察手段應該無(wú)法區別岀多媒體數字作件下無(wú)法感知水印的存在,但是通過(guò)特殊的檢測器品是否嵌入了水印標記?；蜷喿x器能夠檢測出水印的存在,并能將其還原出(2)魯棒性:數字水印信號必須能夠經(jīng)受一定程來(lái)。度的惡意或無(wú)意的信號處理,這些信號處理可能是2.2按水印載體劃分傳輸信道內的噪聲、濾波處理、數/模轉換、剪切、位按照水印所嵌入的宿主不同.水印可以分為圖栘、文件格式轉換等操作。水印的魯棒性是指當數像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印及網(wǎng)格水印字水印經(jīng)過(guò)一種或多種信號處理后,仍能在一定程度上保證其完整性或可被檢測到。具有良好魯棒性2.3按水印檢測算法劃分的數字水印,應該能夠做到,當自身無(wú)法被準確檢測根據檢測水印時(shí)是否需要提供原始數據和原始到時(shí)其嵌入的宿主多媒體數字作品也將失去欣賞水印,可以將水印按其檢測算法分為非盲水印、半盲或使用價(jià)值水印和盲水印。非盲水印其穩健性較好,檢出率較數字水印通過(guò)專(zhuān)門(mén)的嵌入器嵌入到多媒體數字高但由于需要在檢測過(guò)程中提供原始數據和原始作品中,當需要提取數字水印時(shí),可以通過(guò)檢測器檢水印比較,因此使用不方便。半盲水印在檢測時(shí)需測水印是否存在,如果存在水印則可以通過(guò)閱讀器要提供原始水印而盲水印則只需提供密鑰就可以重現水印。數字水印的嵌入模型一般如圖1所示。進(jìn)行檢測。目前盲水印是研究的主要方向圖2為數字水印的檢測提取模式,虛線(xiàn)框部分在盲水印算法中是不需要的。3數字圖像水印算法匚原始數據3.1空域圖像水印匚密鑰}[嵌入算法}[水印數據]空域圖像水印技術(shù)是指利用視覺(jué)誤差,在圖像的空間域中嵌入水印的技術(shù)。最低有效位(LSB)算含水印數據]法就屬于空域圖像水印算法,這種算法用水印數據替換圖像數據中的最低有效位或多個(gè)位平面的所有圖1數字水印嵌入比特的算法。圖像的最低有效位也稱(chēng)為最不顯著(zhù)位,當圖像的該位數據被修改后,圖像的視覺(jué)效果幾含水印數據乎不會(huì )發(fā)生改變。這種算法屬于盲水印嵌入,水印數據的嵌入與檢測、提取都十分方便,但是該算法的密鑰檢測算法卜一原姬圖像穩健性很差,實(shí)用價(jià)值不高3.2DCT域圖像水印有水印?是離散余弦變換( Discrete cosine transform)簡(jiǎn)否匚報警][水印提取稱(chēng)DCT。DCT變換矩陣的基向量很近似于Toelite矩陣的特征向量,而 Toeplitz矩陣又體現了圖2數字水印檢測提取人類(lèi)語(yǔ)言及圖像信號的相關(guān)特性,故DCT常常被認為V凵中國煤化工準最佳變換。二維2數字水印分類(lèi)DCTCNMHG像格式JPEG系統的核心,基于DCT域的圖像水印算法對壓縮、濾波數字水印技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,在應用領(lǐng)域和噪聲等處理具有更強的穩健性?；贒CT的數字算法研究上都可以分為許多不同的種類(lèi)。通常數字水印技術(shù)目前得到了廣泛的研究與應用,其技術(shù)日水印可以按以下幾類(lèi)進(jìn)行區分益成熟國外電子測量技術(shù)第25卷3.3小波域圖像水印要解決因為小波變換具有良好的時(shí)頻特性,在新版的4.2商務(wù)交易中的票據防偽圖像壓縮標準JPEG2000中,小波成為一項主要的在從傳統商務(wù)向電子商務(wù)轉化的過(guò)程中,會(huì )出技術(shù)?；谛〔ㄓ虻臄底炙【哂兴膫€(gè)優(yōu)點(diǎn),其現大量過(guò)度性的電子文件,如各種紙質(zhì)票據的掃描可以保證在即將流行的JPEG2000格式下水印不會(huì )圖像等。即使在網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)成熟以后,各種電子被去除;其二,可以將圖像編碼研究中關(guān)于視覺(jué)特性票據也還需要一些非密碼的認證方式。數字水印技的研究成果用于水印技術(shù);其三,有可能提供在壓縮術(shù)可以為各種票據提供不可見(jiàn)的認證標志,從而大域中直接嵌入水印的方法;其四,由于小波的多分辨大增加了偽造的難度分析與人眼視覺(jué)特性是一致的,對選擇適當的水印4.3聲像作品版權標識的隱藏和篡改提示嵌入位置和嵌入強度有很大的幫助。由于小波域數數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價(jià)字水印在對抗壓縮、基本信號處理方面具有良好的值,如遙感圖像的拍攝日期、經(jīng)/緯度等。沒(méi)有標識適應性因此近年來(lái),對小波域數字水印研究開(kāi)展較信息的數據有時(shí)甚至無(wú)法使用,但直接將這些重要多,也取得了相當好的研究成果。信息標記在原始文件上又很危險。數字水印技術(shù)提3.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )水印供了一種隱藏標識的方法,標識信息在原始文件上人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是在現代神經(jīng)學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)是看不到的,只有通過(guò)特殊的閱讀器才可以讀取。等科學(xué)研究成果的基礎上產(chǎn)生的反映了生物神經(jīng)此外,數據的篡改提示也是一項很重要的工作?，F系統的基本特征。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的研究成果應用于數有的信號拼接和鑲嵌技術(shù)可以做到“移花接木”而不字水印技術(shù)中是最近兩三年才提出的,它的主要作為人知因此如何防范對圖像、錄音錄像數據的篡用可以分為兩個(gè)部分改攻擊是重要的研究課題?；跀底炙〉拇鄹奶?1)在水印嵌入時(shí)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對圖像進(jìn)行分示是解決這一問(wèn)題的理想技術(shù)途徑,通過(guò)隱藏水印類(lèi)或產(chǎn)生自適應于圖像的水印,可以提高水印嵌入的狀態(tài)可以判斷聲像數據是否被篡改的強度和圖像的保真度;4.4隱蔽通信及其對抗(2)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行水印檢測,可以提高水印數字水印所依賴(lài)的信息隱藏技術(shù)不僅提供了非檢測的正確率。 D等人在使用小波變換進(jìn)行水密碼的安全途徑,更引發(fā)了信息戰,尤其是網(wǎng)絡(luò )情報印嵌入的基礎上,在水印嵌入之前使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技戰的革命,產(chǎn)生了一系列新穎的作戰方式引起了許術(shù)產(chǎn)生自適應于圖像內容的水印,水印的強度在保多國家的重視。網(wǎng)絡(luò )情報戰是信息戰的重要組成部證圖像質(zhì)量的約束下可達到最大值使得水印的穩分,其核心內容是利用公用網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行保密數據傳送。健性獲得較大的提高。迄今為止,學(xué)術(shù)界在這方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思維模式,然而,經(jīng)過(guò)加密的文件往數字水印的典型應用往是混亂無(wú)序的,容易引起攻擊者的注意,而攻擊者4.1多媒體數字作品的產(chǎn)權保護旦選擇了正確的攻擊目標,利用現在運行速度越多媒體數字作品(如視頻、電腦美術(shù)、掃描圖像、來(lái)越快的計算機硬件系統,解密的可能性將變得相數字音樂(lè )、三維動(dòng)畫(huà))的版權保護是當前的熱點(diǎn)問(wèn)當高。數字水印技術(shù)正是利用數字化聲像信號相對題。由于數字作品的拷貝修改非常容易進(jìn)行所以于人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)冗余將重要信息隱藏到宿主數據原創(chuàng )者很難使用傳統加密手段來(lái)進(jìn)行版權保護的時(shí)、空域或變換域中,從而實(shí)現隱蔽通信數字水印”利用數據隱藏原理使版權標志不可見(jiàn)或參考文獻不可聽(tīng),既不損害原作品,又達到了版權保護的目的。目前,用于版權保護的數字水印技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入中國煤化工們西安西安電子科技大了初步實(shí)用化階段,IBM公司在其“數字圖書(shū)館”軟Ttx小小及其應用[J.信息技術(shù),件中就提供了數字水印功能, Adobe公司也在其著(zhù)2003,27(10名的 Photoshop軟件中集成了 Digimarc公司的數3]祁強,陳建安數字水印技術(shù)的綜述幾電子科技,28(1字水印插件。然而,目前市場(chǎng)上的數字水印產(chǎn)品在[4]鈕心忻,等信息隱藏理論與關(guān)鍵技術(shù)研究[.電信科技術(shù)上還不成熟,真正達到實(shí)用化還有很多問(wèn)題需學(xué),2004(12)