【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)字水印技術(shù) 有著非常寬廣的應(yīng)用 ， 當(dāng)今 比較活躍的 研究 系統(tǒng)有：圖書館電子 資料 水印保護 、票據(jù) 水印 防偽、數(shù)字 產(chǎn)品 電子交易、身份證防偽 水印 等。 伴 隨電子商務(wù)政務(wù)的逐漸 展開 ， 怎樣 綜合運用 數(shù)字水印技術(shù)和密碼技術(shù)解決電子商務(wù)政務(wù)中的信息安全問題 亟待解決 [2]。 對于 水印系統(tǒng)的實際應(yīng)用非常必要 的是根據(jù) 不同的應(yīng)用制定 其 相應(yīng)的水印標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字水印要得到更廣泛的應(yīng)用 ，那 必須建立一系列的標(biāo)準(zhǔn)， 比 如水印的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn) 、 嵌入水印的標(biāo)準(zhǔn)等， 每種 水印算法的 評價都應(yīng)該是建立在 一定的 標(biāo)準(zhǔn)之上?？茖W(xué)的測評體系 是 標(biāo)準(zhǔn)化工作的基礎(chǔ)， 假若 沒有 一個公認(rèn)的、符合需求的 評價標(biāo)準(zhǔn) ，技術(shù)方案之間就 沒有辦法去 比較優(yōu)劣 性 ，更談不上 去 形成 一個 統(tǒng)一的技術(shù) 準(zhǔn)則 。在數(shù)字水印技術(shù)的研究中， 迄今為止都 沒有一個統(tǒng)一的 被 大家所接受的評價體系。 要建立 一個比較 科學(xué)的測評體系， 就 必須 要 有一個兼容各種信息隱藏與攻擊算法的統(tǒng)一的理論框架，并 且在這個 框架 的基礎(chǔ)上 構(gòu)建測評的理論基礎(chǔ)， 確定 測評 的 指標(biāo)及 它的 理論值。 水印 的 應(yīng)用研究還包括 對 水印協(xié)議的研究。水印生成協(xié)議、水印嵌入?yún)f(xié)議 都屬于水印協(xié)議 。一些具體應(yīng)用系統(tǒng)的協(xié)議 已經(jīng)在研究中，但 是 水印協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化還沒有進(jìn)行。 2 數(shù)字水印技術(shù)概述 數(shù)字水印的基本特征 對于不同的用途 ， 數(shù)字水印的要求 各不一樣 [3]。 常常 我們要求數(shù)字水印應(yīng)具有如下基本特征： （ 1）魯棒性 （ Robustness）：字面意思為 “強健性、堅固性、強壯性 ”。數(shù)字水印具備 這些 的特性 時我們稱它具有魯棒性 ：當(dāng)被保護的信息經(jīng)過 如 傳輸、過濾操作、編碼、放大、加入噪聲等 操作的 改動后，嵌入的信息應(yīng)保持 它的 完整性， 一般 不能去除，并 以 一定的正確概率被檢測到。當(dāng)有敵意的第三方 想要 通過某些處理 來 去除或修改 被 嵌入的信息時，保護信息 就會發(fā)生 明顯改變，從而達(dá)到對信息的保護作用 ，并 提醒合法的所有者或使用者 對其進(jìn)行保護 。 如果 對魯棒性的要求不同 ， 水印應(yīng)用 也就會有所不同 ， 正常都 能夠抵抗 一般 的圖像處理。 對水印要求最強的是 版權(quán)保護的魯棒 性水印， 能夠 抵抗惡意 性 攻擊， 但不同的是，對 易損 的 水印 和 注釋 的 水印 不需要 特別強調(diào)對 一些 惡意攻擊的 抵御 能力。 （ 2）不可感知性 （ Imperceptibility） ： 不可感知的字面意思為 “很難 覺察，感覺不 到”，是指水印信息在嵌入后，被保護的信息不應(yīng)該引起原始被保護信息質(zhì)量的大幅下降和視覺效果的顯著變化。這對于魯棒和易損的不 可見水印來說是一個最基本的要求。這種技術(shù)在實際操作中實現(xiàn)起來是比較困難的，其實從信息處理的角度看，不可感知性和魯棒性是一對互相矛盾的特性，如果過多的注重這一方面，就會削弱另一方面的性能。所以在這兩者之間必須進(jìn)行折中。雖然這種技術(shù)很困難，但是它并不是不可能，因為人類的知覺系統(tǒng)也并不是特別精確，不可感知并不是絕對感覺不到的?，F(xiàn)在，如果需要兼顧這兩方面，通常人們是在“相對”不能感知的前提下盡量的去提升水印的魯棒性。 （ 3）可檢測性：作品的作者或公證機構(gòu)來提取或者檢測數(shù)字水印。當(dāng)作品發(fā)生版權(quán)問題糾紛時就可以通過對作 品當(dāng)中存在的水印信息進(jìn)行提取從而確認(rèn)作品的歸屬權(quán)。如果一個水印不能具備陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 34 頁 可以檢測性，那么這個水印也就失去了它的意義。 （ 4） 安全性：數(shù)字水印的信息應(yīng) 該保證安全性 ， 很難改變 或偽造， 與此同時 ， 還 應(yīng)當(dāng)有低誤檢測率 。如果 原 來的 內(nèi)容發(fā)生變化，水印應(yīng)當(dāng) 也 發(fā)生 改變 ，從而可以 檢驗到原來數(shù)據(jù)的改變。 （ 5）嵌入容量 (embedding capacity)：是指載體在不發(fā)生形變的前提下可嵌入的 水印 信息量。尤其是隱蔽通 信領(lǐng)域的特殊性，對水印的容量希求很大。 數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域 研究 數(shù)字水印技術(shù)是與數(shù)字媒體的 保護版權(quán)是密切 相關(guān)的， 當(dāng)今 數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，概括起來主要包括 下面 幾個方面 [4]： （ 1）跟蹤非法傳播 這是使用 用戶 的信息作為水印嵌入 到 產(chǎn)品中， 嵌入的 這些水印信息就 像 人的指紋或 DNA 基因一樣，可以 精確 地區(qū) 別 每一個不 一樣 的個體， 所以 又叫 “指紋 ”。拷貝未經(jīng)授權(quán)時，就可 按照 此拷貝恢復(fù)出的 信息 來確定它的 具體 來源， 就可以找出違法 傳播者。 （ 2）標(biāo)題與注釋 將媒體的相關(guān)注釋或標(biāo)題等信息利用水印技術(shù)加入其中， 方便 自己或他 人用。 例如 ，在照片中加入拍攝 的 時間、地點、作者等；在音樂中隱藏樂典的簡介、作曲、訪問鏈接等。這種注釋不 用 增加額外的帶寬 ，并且很 不容易丟失， 所以這 是一種比較理想的 標(biāo)識方式 。 （ 3）內(nèi)容保護 一些應(yīng)用中，擁有數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容的人可能會希望要賣的多媒體內(nèi)容能任意地預(yù)覽，為了多招來顧客，但是需要注意的是，要防止這些內(nèi)容不會被其它人用于其它目的。因此，預(yù)覽的內(nèi)容就被自動加上 水印。 數(shù)字水印 的 技術(shù) 因為 自身的優(yōu)點 很多，很多的 應(yīng)用領(lǐng)域 都在 關(guān)注，但是 目前 技術(shù) 自身 還不能完全滿足安全性 和 可用性等要求。然而 在 現(xiàn)代密碼學(xué)的研究和 不斷 發(fā)展 的基礎(chǔ)上， 數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用 有了很好的依靠 。現(xiàn)代密碼學(xué) 所 提供的 特性是 保密 、 認(rèn)證、不可抵賴 和 完整性， 利用這個 可以設(shè)計 比較 安全的數(shù)字水印 以便 服務(wù)不同的應(yīng)用 領(lǐng)域 [5]。 數(shù)字水印的分類 對 數(shù)字水印 的分類有很多種 ， 按照 不同的角度可以 按照下面 進(jìn)行分類： （ 1） 按 能 見性劃分 按水印是否 能 見 劃分， 數(shù)字水印 被 分為可見水印和不可見水印。 當(dāng)需要 當(dāng)場聲明 一個 數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)歸屬，威懾和約束盜版者，對 于 數(shù)字 的 產(chǎn)品進(jìn)行宣傳 是就采用可見水印 。不可見水印 雖然 不能夠 阻擋數(shù)字產(chǎn)品 非法 的 復(fù)制 與盜用 ，但 是 可 以 用 它 來證明所有權(quán)， 還可以 作為鑒 別和 起訴非法侵權(quán) 行為 的證據(jù)。 （ 2） 按水印 是否具有 魯棒性劃分 如果 按 照 水印的魯棒性 ， 數(shù)字水印 將 分為脆弱數(shù)字水印和魯棒數(shù)字水印。 對 多媒體的 各種 變換或處理都非常敏感 的是脆弱水印 ；對各種處理操作和攻擊均有較強的魯棒性 的叫做魯棒水印 ， 一個陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 共 34 頁 好的魯棒水印算法甚至可以 把水印 從質(zhì)量已被破壞的數(shù)字作品中提取出 來 ； 如果 用于在數(shù)字作品中標(biāo)識著作權(quán)信息，如作者、作品序號等 ，就要在用魯棒水印 。 如果是 用于完整性認(rèn)證和內(nèi)容保護 就采用脆弱數(shù)字水印 。 按照 脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù) 是不是 被 改變 ， 從而 實現(xiàn)對多媒體的被破壞情況的定位 或者跟蹤 。 （ 3） 按水印的內(nèi)容劃分 按內(nèi)容 劃分， 數(shù)字水印分為有意義的水印和 沒有 意義 的 水印。有意義 的 水印 指的是 水印本身 就是某個數(shù)字圖像或 著 編碼； 沒有 意義 的 水印則只 是對應(yīng) 一個序列號。 對 有意義 的 水印 來說，優(yōu)點在于 ，如果由于受到 各種攻擊 或其它原因致使水印破損，人們?nèi)钥梢酝ㄟ^ 知覺系統(tǒng) 確認(rèn) 水印是否存在 。但 如果是 無意義的水 印 ，如果 有 錯誤，則只能通過統(tǒng)計決策來確定信息中 水印還是否存在 。 （ 4） 按水印 要 嵌入的空間劃分 按嵌入的空間 來 劃分 ， 數(shù)字水印 被 分為空域 和 頻域水印?？?間 域水印的嵌入和提取 ，是 通過修改圖像 的 像素點強度或 著圖像的 灰度值來實 現(xiàn)， 嵌入信息量大 ，但 是很 難抵抗常見圖像處理的 各種攻擊及 各種 噪聲干擾 對它的 影響， 魯棒性很差 。頻域 的 方法 則 是水印 被 添加到原始圖像的某種變換系數(shù)中， 可以 與數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，如 JPEG 等兼容。 所以 ，頻域水印算法魯棒性更強。 （ 5） 按用途劃分 不同的水印技術(shù) 滿足 不同的應(yīng)用需求。 如果 按水印的用途 劃分 ，我們將數(shù)字水印劃分為、版權(quán)保護 、 票據(jù)防偽、篡改提示和隱藏標(biāo)識水印。 數(shù)字水印技術(shù)原理和基本模型 所謂 的 數(shù)字水印 ，就 是 要 嵌入在數(shù)字產(chǎn)品中的信號，可以是圖像、符號、數(shù)字等一切可以作為標(biāo)識的信息。它存在 的原則 是不破壞原數(shù)據(jù)的 價值。數(shù)字水印 指的是 利用數(shù)字產(chǎn)品信息 的 冗余性，與多媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的一些標(biāo)識信息 被 直接嵌入多媒體內(nèi)容中，并能夠 及時被 檢測或提取出來的技術(shù)。這種技術(shù)利用了人的知覺系統(tǒng)（ HVS）的冗余特性 [6]。 如果是 從圖像處理的角度 來看 ，嵌入水印信號 的過程 可以 認(rèn)為是 在 一個 強背景（原始圖像）下又疊加一個弱信號（水?。?前提是 疊加的水印信號強度 必須要 低于 HVS（ Human Vision System）的對比度門限 。 因此，通過 調(diào)整 原始圖像， 就 有可能在不改變視覺效果的情況下嵌入 信 息。 假設(shè) 載體圖像為 I ， 有 待嵌入 載體的 水印信息為 W ，實際 上要 嵌入的水印信號為 39。W ,密鑰為K ,水印 的 提取 以及 檢測函數(shù) 為 D ,水印嵌入函數(shù)為 F。 這樣的 框架大致 可以 分為 下面 三步： 步驟 1：生成 水印信號 ： 按照 不同的 需求 ，有時 候 要對 需要對 水印信息進(jìn)行預(yù)處理，最 后 水印信號形成。這 樣的過程 可以表示為函數(shù) G ： ? ?KWGW ，?39。 (21) 步驟 2：嵌入 水印信號： 用一定的算法 把 水印信息加到圖像的中，最終生成水印圖像 : ? ?KIF WI , 39。w ? (22) 算法應(yīng) 該 使 得 對原始圖像 做 的 改變 最小， 與此 同時 也 要保證魯棒性 很強 。這一步是 非常重要陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 34 頁 的。 步驟 3：水印的提取 以及 檢測：從 含 水印圖像中 把水印 完全恢復(fù)的過程 叫做 水印 圖像 的提取 ；判斷 一個 圖像中特定 的 水印信號的存在性過程 叫做水印的檢測 。水印的提取檢測可表示為： ?? KIDW ,? (23） 或者 ?? KWIDP ,39。,? (24) 其中 P =0/1， 0表示水印不存在， 1表示存在 。 實際應(yīng)用 的水印技術(shù)整體設(shè)計方案可以用圖 、圖 來概括描述 [7]。 嵌入水印含水印圖像信息預(yù)處理水印信息密鑰原始數(shù)據(jù) 圖 水印的嵌入 模型 水 印 檢 測 算 法 水 印 信 息 含 水 印 信 息 數(shù) 據(jù)密 鑰 k原 始 數(shù) 據(jù)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 34 頁 圖 水印的提取模型 圖 為的嵌入 水印信號 模型 [8]，水印信息 是輸入信號 ，原始信息，用來增強算法的安全性 是密鑰 ，實際應(yīng)用的系統(tǒng)中至少使用一個密鑰， 但是 有的甚至是 用 幾個密鑰結(jié)合來對水印信息加密或控制水印的嵌入位置。這 樣 并不 會影像 水印的本 來 算法。水印信息可以為任何形式的數(shù)據(jù)，原始信息可以為音頻 、 圖像或文本等，相應(yīng)的水印信息經(jīng)過嵌入算法的處理就被嵌入到 原始信息當(dāng) 中去，最后就 得到嵌入水印信息后的信息。 圖 為提取水印信息模型， 等待 檢測的含水印 的 信息 有 可能受過攻擊，在進(jìn)行 恢復(fù) 水印信息時，可以 按照 所采用具體 嵌入的 方法不 一樣 ， 選擇 應(yīng)用 和 不應(yīng)用原始信息 和 水印信息來 恢復(fù) 嵌入的水印信息?；謴?fù)的 信號 可與原始的水印信號進(jìn)行相似度測量來判定水印信息 是不是存在。 典型數(shù)字水印算法分析 數(shù)字水印技術(shù)是一門 相互 交叉 的 學(xué)科，特點在于它橫跨多科領(lǐng)域，以 多科 領(lǐng)域的思想 、算法 和概念為基礎(chǔ)，是真正 的一個 快速發(fā)展的技術(shù)。 研究者 們研究數(shù)字水 都是 各 用 自學(xué)科的獨特視角， 從而 相繼出現(xiàn)了 各種各樣的 數(shù)字水印算法，數(shù)字水印系統(tǒng)的典型算法 如下：