【文章內(nèi)容簡介】 圖像等。數(shù)字水印技術(shù)可以為各 種票據(jù)提供不可見的認證標(biāo)志，從而大大增加了偽造的難度。 聲像數(shù)據(jù)的隱藏標(biāo)志和篡改提示 有些數(shù)據(jù)的標(biāo)志信息往往比數(shù)據(jù)本身更具有保密價值，如遙感圖像的拍攝日期經(jīng)緯度等。沒有標(biāo)志信息的數(shù)據(jù)有時甚至無法使用，但直接將這些重要信息標(biāo)記在原始文件上又很危險。數(shù)字水印技術(shù)提供了一種隱藏標(biāo)志的方法：標(biāo)志信息在原始文件上是看不到的，只有通過特殊的閱讀程序才可以讀取。這種方法已被國外一些公開的遙感圖像數(shù)據(jù)庫所采用。 此外，數(shù)據(jù)的篡改提示也是一項很重要的工作?，F(xiàn)有的信號拼接和鑲嵌技術(shù)可以做到 “移花接 木 ”而不為人知。因此，如何防范對象圖像、錄音、錄像數(shù)據(jù)的篡改攻擊時重要的研究課題?；跀?shù)字水印的篡改提示是解決這一問題的理想途徑，通過隱藏水印的狀態(tài)可以判斷聲音信號是否被篡改。 隱蔽通信及其對抗 數(shù)字水印所依賴的信息隱藏技術(shù)不僅提供了非秘密的安全途徑，更引發(fā)了信息戰(zhàn)尤其是網(wǎng)絡(luò)情報戰(zhàn)的革命，產(chǎn)生了一系列新穎的作戰(zhàn)方式，引起許多國家的重視。 綜上所訴，數(shù)字水印在以數(shù)字化為特征的信息技術(shù)變革中具有重要的應(yīng)用和地位。數(shù)字水印的研究正在成為世界各國許多研究機構(gòu)和人員的重要課題。為了適應(yīng)這 種形式，我國必須在這個領(lǐng)域加快研究步伐，才能在信息時代的角逐中掌握主動權(quán)。目前，我國已有大量的研究人員投入到該領(lǐng)域加快研究步伐，并取得了很多重要成果，但與多媒體和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的要求相比，還有很多亟待解決的問題需要研究。 數(shù)字圖像水印技術(shù) 以圖像為載體的數(shù)字水印技術(shù)是當(dāng)前水印技術(shù)研究的重點之一，它吸引了眾多研究人員和學(xué)者的興趣。在該領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)目要遠大于以音頻、視頻等信號為載體的水印方面的論文。下面我們分別介紹空域、 DCT域、 DWT域、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像水印技術(shù)，并對脆弱圖像數(shù) 字水印技術(shù)也進行簡單介紹。 空域圖像水印技術(shù) 空域圖像水印技術(shù)是指在圖像的空間域中嵌入水印的技術(shù)。最簡單和有代表性的方案就是用水印信息代替圖像的最低有效位或者多個位平面的所有比特的算法，這里的水印信息指的是二值比特序列。圖像的最低有效位也稱為最不顯著位，它是指數(shù) 79基于 Patchwork 算法的數(shù)字水印嵌入技術(shù) _patchwork 字圖像的像素值用二進制表示時的最低位。 1993 年， Tirkel等人提出了數(shù)字圖像水印的一種方法。該方法將 m 序列的偽隨機信號以編 碼形式的水印嵌入到灰度圖像數(shù)據(jù)的 LSB 中。為了能得到完整的 LSB 位平面而不引入噪聲，圖像通過自適應(yīng)直方圖處理，首先將每個像素值從 8b 壓縮為 7b，然后將編碼信息作為像素值的第 8 個比特，即嵌入了水印。這一方法是單個 LSB 編碼方法的擴展，在單個LSB編碼方法中， LSB直接被編碼信息所代替。 由于 LSB位平面攜帶著水印，因此，在嵌入水印圖像沒有產(chǎn)生失真的情況下，水印的恢復(fù)很簡單，只需要提取含水印圖像的 LSB位平面即可，而且這種方法是盲水印算法。但是， LSB算法最大的缺陷是對信號處理和惡意攻擊的穩(wěn)健性很差， 對含水印圖像進行簡單的濾波、加噪等處理后，就無法進行水印的正確提取。 針對 LSB算法表現(xiàn)的缺陷，一些研究人員對空域圖像水印技術(shù)進行了改進，使算法的穩(wěn)健性和安全性得到了提高。 Matsui 等提出了一種用于圖像的水印技術(shù)。該方法是建立在對灰度級圖像進行預(yù)測編碼的基礎(chǔ)之上。預(yù)測編碼方法中用預(yù)測誤差編碼代替對單個灰度值編碼，得出相鄰像素點之間的相關(guān)性。按預(yù)先確定的順序掃描數(shù)字圖像，遍歷像素點 {xi}，用預(yù)測編碼法對像素點集進行編碼，保留第一個值 x1，后面的值相鄰像素點間的差值 ej 來代替。他們 引入一張編碼表，表中一個可能的差值 dj對應(yīng)一個位值 cj，二者的關(guān)系是保密的。為了 嵌入一位數(shù)據(jù) b，要選擇一個像素 xj 及相應(yīng)的差值 ej，查詢編碼表，看對應(yīng)于 ej 的位值 cj是否和位 b 的值相同。如果相同，即代表當(dāng)前水印位為 b，繼續(xù)進行下一位水印比特 的嵌入；如果不同，則在表中選一個與 ej接近的值，使它所對應(yīng)的位值也符合要求。圖 像作者通過在編碼表中尋找相應(yīng)位，可以實現(xiàn)對水印的恢復(fù)。 1996 年， Bender 等人提出了空域圖像水印方法中著名的Patchwork 算法。這 是一種統(tǒng)計算法，即在一個載體圖像中嵌入具有特定統(tǒng)計特性的水印。與 LSB算法不同， Patchwork 是將水印信息隱藏在圖像數(shù)據(jù)的亮度統(tǒng)計特性中，給出了一種原始的擴頻調(diào)制機制。盡管該算法一般只能隱藏 1bit信息，但仍然可以在一定程度上對圖像數(shù)據(jù)的版權(quán)給予保護。 DCT 域圖像水印技術(shù) 離散預(yù)先變換簡稱 DCT。任何連續(xù)的實對稱函數(shù)的傅里葉變換只有余弦項，因 此，余弦變換與傅里葉變換一樣有明確的物理意義， DCT 變換避免了傅里葉變換中的復(fù)數(shù)運算，他是基于實數(shù)的正交變換。 DCT變 換矩陣的基向量很近似于 Toeplitz 矩陣的特征向量，而 Toeplitz矩陣有體現(xiàn)了人類語言及圖像信號的相關(guān)特性，故 DCT 常常被認為是對語音和圖像信號的準(zhǔn)確變換。 與空域圖像水印相比，離散余弦變換域圖像水印對壓縮、濾波和其他一些數(shù)字處理算子具有更強的穩(wěn)健性，同時又與常用的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) JPEG 兼容，因而得到了廣泛的重視，基于 DCT 的數(shù)字水印技術(shù)是目前水印技術(shù)中研究得最多、最深入并且也是最成熟的。 較早的 DCT 水印算法是由 Cox 等人提出的。 Cox 算法不是采用分塊 DCT，而是對整個圖像進行 DCT，隨后使用一個隨機向量改變圖像中前 N 個感知上最重要的 DCT 系數(shù)來嵌入水印。通過改變DCT 系數(shù)的量化方法，并通過校驗來改變其中的部分系數(shù)也可以達到嵌入水印信息的目的。 在采用分塊 DCT 的水印算法中，塊的大小均選擇 8?8。有學(xué)者根據(jù)高斯網(wǎng)絡(luò)分類器決策選出一些特定的塊，然后利用一個線性 DCT約束或環(huán)形 DCT檢測對中頻段的 DCT系數(shù)進行變換，以傳輸水印信息。還可以通過對 DCT 塊進行頻率掩蔽以嵌入水印。將輸入圖像分為若干方塊，對這些方塊進行計算，由于掩蔽柵格可以提供掩蔽頻率附近的信號柵格的可視閥值，對每個 DCT 塊計算它的頻率掩蔽。通過對最大長度的偽隨機信號進行 DCT 變換，對可見的掩蔽頻率進行放縮和處理，然后將這一水印加入到相應(yīng)的 DCT 塊中，并通過空間掩蔽來驗證水印是否不可見，并控制縮放因子。水印的測試需要原始水印和原始水印和原始圖像，并利用假設(shè)檢驗。該方法對 JPEG壓縮、有色噪聲和剪切有很好的穩(wěn)健性。 小波域圖像水印技術(shù) 基于小波的多媒體水印技術(shù)是近年來一個比較活躍的研究領(lǐng)域，特別是隨著 JPEG2020 將小波變換納入其中，對該領(lǐng)域的研究更加具有實際意義。小波變換是 20 世紀(jì) 80年代后期發(fā)展起來的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支，很快被發(fā)過學(xué)者 Daubechies 和 Mallat 等人引入到信號及圖像處理領(lǐng)域。它具有許多良好的特征，這些性質(zhì)奠定了小波域水印技術(shù)的基礎(chǔ)。這些特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：意識圖像邊緣和紋理等區(qū)域的空間頻率位置信息，而這些信息對于保證所嵌入水印的魯棒性是十分重要的；二是多分辨率特性。小 波變換構(gòu)成了對圖像的多尺度視頻分解，它將圖像分解為低分辨率逼近圖像和各層次的水平、垂直、對角線方向的高分辨率的細節(jié)成分，小波域的這種對圖像的對分辨率表示，對于含有水印圖像的漸進傳輸和可分 級解碼等具有重要意義。采用該機制進行數(shù)字水印檢測可以大量節(jié)省處理時間，三是小波分解的空間頻率特性與 HVS 某些視覺特性的相似性。該特性是小波變換區(qū)別于 FFT和 DCT 的一個重要方面，根據(jù)該特性可以影響高強度的水印嵌入到 HVS 不太敏感的區(qū)域，這樣在保證不影響如想視覺質(zhì)量的前提下，可以最大限度地增加嵌入水印的強度；四是小波變換的自適應(yīng)性。小波變換的濾波器和分解結(jié)構(gòu)可以根據(jù)宿主信息特性進行自適應(yīng)選擇 ——這種小波變換機制被稱為小波包變換，小波包變換最近已被應(yīng)用到數(shù)字水印中，取得了很好的效果。 數(shù)字水印 的應(yīng)用實例 隨著電子政務(wù)、電子商務(wù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上交易逐年遞增，電子文件、電子票據(jù)的真實性、完整性、不可否認性、保密性必須得到保證，數(shù)字水印技術(shù)為其提供了一個有效的技術(shù)手段。下面給出當(dāng)前數(shù)字水印技術(shù)在電子政務(wù)、電子商務(wù)中較為實用的幾個實例。 數(shù)字簽名 數(shù)字簽名是一種對多媒體信息進行論證的有效手段，它是由信息發(fā)送者對要傳送的信息進行某種處理，用以論證信息的信息隱藏技術(shù)與傳統(tǒng)密碼學(xué)有本質(zhì)的區(qū)別，傳統(tǒng)密碼學(xué)是將明文加密成密文，使信息不可理解，是隱藏了信息的內(nèi)容； 而信息隱藏技術(shù)著重隱藏了信息的存在。數(shù)字水印技術(shù)和數(shù)字簽名各有優(yōu)勢和不足。數(shù)字簽名容易受到攻擊，而數(shù)字水印的安全度不高。如果將數(shù)字水印和數(shù)字簽名有機地結(jié)合起來，以之為基礎(chǔ)構(gòu)成一種新的水印方案，其安全性、可信度、求證精度都將會大大地提高，這無疑將是多媒體技術(shù)研究發(fā)展的一個很有前途的方向。 把數(shù)字簽名作為水印隱藏在圖像中，數(shù)字簽名方法用 DSA，數(shù)字水印方法用 DCT。 DSA 簽名基于離散對數(shù)問題的數(shù)字簽名標(biāo)準(zhǔn)，雖說它僅提供數(shù)字簽名，不提供數(shù)據(jù)加密功能，但它具有算法簡 便實用、易實現(xiàn)等優(yōu)點。而考慮 用 DCT 是實變換，它具有良好的能量壓縮能力，而且可以利用人的視覺系統(tǒng)在 DCT 域內(nèi)的特性。 在電子印章中的應(yīng)用 電子印章是實現(xiàn)電子公文的一個核心技術(shù)，目前常用的電子印章設(shè)計方法一般是利用 Active X控件嵌入技術(shù)，并對此控件圖像進行鏤空處理，使印章更逼真。同時，每個印章都對應(yīng)有一個印章識別碼使印章唯一可識別，以及設(shè)置密碼用來防止他人對印章的修改。這種印章在外觀表現(xiàn)形式上雖能達到紙上蓋章的效果，也具有一定的防修改、防偽功能，但這些都是為了保護印章本身的，不能對電子公文進行保護。 電子印章應(yīng)保證信息的完整性和真實性。我國《電子簽名法》的頒布為其推廣使用提供了法律基礎(chǔ)。但是，電子印章只能對電子數(shù)據(jù)的完整性和真實性進行驗證，而不能對電子文件保證真實性和不可篡改性，因此需要對文件的身份進行驗證，來證明文件的有效性。電子印章必須與電子文件建立某種邏輯關(guān)聯(lián)，利用單項散列算法或摘要算法生成待簽文件的摘要，用以辨別電子文件簽署者的身份，保證文件的完整性，并表示簽署者同意電子文件所陳述的內(nèi)容?？梢酝ㄟ^密碼驗證、簽名驗證、指紋驗證、虹膜驗證等方式驗證用戶身份。電子印章和文件綁定，可驗證文件 的可靠性，一旦被綁定的區(qū)域發(fā)生改變，印章將失效。 指紋身份認證水印 生物特征的認證是根據(jù)人體特征信息進行的認證技術(shù)，包括指紋、掌紋、虹膜、話音、人臉、足紋、 DNA 等。研究表明，上述的任何一個特征，兩個人相同的概率及其微小，可唯一證明個人身份，滿足個人身份的確定性和不可否認性。在這些特征中，終生不變，易于獲取，應(yīng)用廣泛，全世界各個行業(yè)都接受的個人特征應(yīng)首選指紋。 利用指紋的唯一性和不變性生成數(shù)字水印信號，基于人眼視覺系統(tǒng)特性，在宿主圖像的高頻小波子層中嵌入合法用戶的指 紋特征信息，同時，合理地調(diào)整水印嵌入強度，使攻擊者難以察覺到指紋信息的存在，指紋身份認證水印綜合了水印技術(shù)和指紋識別兩者的優(yōu)勢。 遠程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，指紋特征的提取和匹配時分離的，指紋特征的信息需要通過公共 通信信道傳送給遠端匹配器，所以很容易受到攻擊。直接采用數(shù)字水印用于身份認證仍然不足以抵抗此類重放攻擊。一旦攻擊者通過非法竊取嵌入指紋特征的水印圖像，雖然不能得到指紋特征信息，但通過重新發(fā)提交水印圖像，仍然可以通過身份認證獲取對遠程系統(tǒng)的訪問權(quán)。通過采用用戶端和服務(wù)器端兩次 “握手 ”方式來抵 抗這種重放攻擊，并構(gòu)造了一個指紋身份認證水印系統(tǒng)。 79基于 Patchwork 算法的數(shù)字水印嵌入技術(shù) _patchwork 第三章 Patchwork 數(shù)字水印 Patchwork 算法的概述 “Patchwork”一詞原指一種用各種顏色和形狀的碎布片拼接而成的布料，它形象地說明了該算法的核心思想，即在圖像域上通過大量的模式冗余來實現(xiàn)魯棒數(shù)字水印。 Patchwork 算法是一種數(shù)據(jù)量較小、能見度很低、魯棒性很強的數(shù)字水印算法，其生成的水印能夠抗圖像剪裁、模糊化和色彩抖 動。 以隱藏 1bit 數(shù)據(jù)為例， Patchwork 算法首先通過偽隨機數(shù)生成器產(chǎn)生兩個隨機數(shù)序列，分別按圖像的尺寸進行縮放，成為隨機點坐標(biāo)序列。然后將其中一個坐標(biāo)序列對應(yīng)的像素亮度值降低，同時升高另一坐標(biāo)序列對應(yīng)的像素亮度。 由于亮度變化的幅度很小，而且隨機散布，并不集中，所以不會明顯影響圖像質(zhì)量。所選取的偽隨機數(shù)生成器的種子就是算法的密鑰。 Patchwork 算法方法描述 假設(shè)算法針對 256級線性量化系統(tǒng)，其初始值為 0，所有亮度等級均勻分布，各點相互獨立。算法敘 述如下。 在圖像中隨機選出兩點 A和 B。設(shè) A 的亮度為 a， B的亮度為b，令