数字水印技术ppt

1、1 本章重点内容：本章重点内容：数字水印的基本框架数字水印的基本框架 数字水印的分类和特点数字水印的分类和特点 数字水印的嵌入、提取和检测数字水印的嵌入、提取和检测 数字水印的算法数字水印的算法 数字水印的攻击技术数字水印的攻击技术 数字水印的应用和发展数字水印的应用和发展2 一、数字水印的基本框架一、数字水印的基本框架数字水印的一般框架数字水印的一般框架3一个典型的水印系统由嵌入器和检测器组成。嵌入器根据要传送的信息M生成真正的水印信号，并把它隐藏到媒体数据x中，得到含水印的信号y。为了安全起见，水印信号的生成通常依赖于密钥K。 y经过传输网络可能会有一定的信息损失，到达检测器端变成y，这段

2、通道对于嵌入器和检测器来说都是不可控、不可 知的，可以称其为攻击通道（attack channel）。检测器负责从y中提取信息。对于不需要宿主信号的检测，我们称为盲水印（blind watermarking），相反称为非盲水印（non-blind watermarking）。由于应用的需求，盲水印一直是研究的主流。4数字水印的基本思想数字水印的基本思想 数字水印的基本思想是在原始媒体数据中，数字水印的基本思想是在原始媒体数据中，如音频、视频、图像等，隐藏具有一定意义的如音频、视频、图像等，隐藏具有一定意义的附加信息作为标记，这些信息与原始数据附加信息作为标记，这些信息与原始数据紧紧密结合，并随

3、之一起被传输。在接收端，通过密结合，并随之一起被传输。在接收端，通过计算机水印信号被提取出来用于各种目的，可计算机水印信号被提取出来用于各种目的，可能的应用包括数字签名、数字指纹、广播监视、能的应用包括数字签名、数字指纹、广播监视、内容认证、拷贝控制和内容认证、拷贝控制和秘密通信等。数字水秘密通信等。数字水印被视做抵抗多媒体盗版的印被视做抵抗多媒体盗版的“最后一道防线最后一道防线”。因此从水印技术自身来说，它具有广泛的应用因此从水印技术自身来说，它具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。前景和巨大的经济价值。 567二、二、数字水印的分类和特点数字水印的分类和特点1、按水印的特性可以将数字水印分为

4、鲁棒数字水印和易损数字水印两类 2、按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等 3、按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印 4、按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印 5、按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票证防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 6、按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时（空）域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。 8数字水印的特点数字水印的特点鲁棒性鲁棒性(robustness)不因图像文件的某些改动而导致隐藏信息丢失的能

5、力。不因图像文件的某些改动而导致隐藏信息丢失的能力。如传输过程中的信道噪声、滤波采样、有损压缩编码、如传输过程中的信道噪声、滤波采样、有损压缩编码、D/A或或A/D转换转换不可检测性不可检测性(undetectability)指隐藏载体与原始数据具有一致的特性。如具有一致的指隐藏载体与原始数据具有一致的特性。如具有一致的计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息信息透明性透明性(invisibility)利用人类视觉系统特性，经过一系列隐藏处理，使目标利用人类视觉系统特性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的质量下降，隐藏数据也不会

6、被发现数据没有明显的质量下降，隐藏数据也不会被发现安全性安全性(security)指隐藏算法有较强的抗攻击能力，隐藏信息不易破坏指隐藏算法有较强的抗攻击能力，隐藏信息不易破坏9三、数字水印的嵌入、提取和检测三、数字水印的嵌入、提取和检测水印嵌入就是把水印信号W=w(k)嵌人到原始图像x0(k)=x0(k)中。水印嵌入过程如图1所示。水印嵌入准则分为：加法准则：x（K）=x0（K）+a *w(k)乘法准则：x(K)=x0（K）* 1+a*w(k)a为强度因子，为了保证在水印不可见的前提下，尽可能提高嵌入水印的强度。a的选择必须考虑图像的性质和视觉系统的特性。10在某些水印系统中，水印可以被精确地

7、提取出来，这一过程被称作水印提取。例如在完整性确认的应用中。必须能够精确地提取出嵌入的水印，并且通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的变化，最好还能够通过变化的水印的位置来确定原始数据被篡改的位置。水印在提取时可以需要原始图像的参与，也可以不需要原始图像的参与。图2是水印提取的框图虚线部分表示在提取或判断水印信号时原始图像不是必需的11水印在检测时可以需要原始图像的参与，也可以不需要原始图像的参与。但将水印技术用于图像的网络发布和传播时如果检测时需要使用原始图像则是个缺陷，因此，当前大多数的水印检测算法不需要原始图像的参与。图3分别是水印检测的框图虚线部分表示在

8、提取或判断水印信号时原始图像不是必需的。12 四、四、数字水印的算法数字水印的算法数字水印算法可以分成两类：空域水印算法和频域水印算法。空域水印算法是指将水印信号直接嵌入在原始数据中。频域水印算法是将原始信号和待检测信号同时进行变换域变换，比较两者的区别，进行嵌入水印的逆运算，得出水印信息。如果是可读的水印，那么就此结束；如果是不可读水印，如高斯噪声，就将得出的水印与已知水印作比较，由相关性判断待检测信号含不含水印，故水印的检测有两个结束点。13频域法有以下优点：频域法有以下优点：1、嵌入的水印信号能量可以分布到空、嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有像素上，有利于保证水印的不域的所有像素上

9、，有利于保证水印的不可见性；可见性；2、视觉系统的某些特性（如频率的掩、视觉系统的某些特性（如频率的掩盖特性）可以更方便地结合到水印编码盖特性）可以更方便地结合到水印编码过程中；过程中；3、频域法可与国际数据压缩标准兼容，、频域法可与国际数据压缩标准兼容，从而实现在压缩内的水印编码从而实现在压缩内的水印编码14 这是一种典型的空间域数据隐藏方法，就图像数据而言，一幅图像的每个像素是以多比特方式构成的，在灰度图像中，每个像素通常为8位；在真图像（R. G B方式）中，每个图像为24比特，其中R. G B三色各位8位，每一位的取值为0或1.把整个图像分解为8个位平面，从LSB（最低有效位0）到MS

10、B（最高有效位7）4.1 最低有效位方法（最低有效位方法（LSB）15算法流程图算法流程图从位平面的分布来看，随着位平面从低位到高位（即从位平面0到位平面7），位平面图像的特征逐渐变得复杂，细节不断增加。到了比较低的位平面时，单纯从一幅位平面上已经逐渐不能看出测试图像的信息了，由于低位所代表的能量很少，改变低位对图像的质量没有太大的影响，LSB方法正是利用这一点在图像低位隐藏入水印信息。 16水印信息水印信息加载秘密信息后的水印图像加载秘密信息后的水印图像17 LSB算法分析 由于LSB位平面携带着水印，因此在嵌入水印图像没有产生失真的情况下，水印的恢复简单，只需要提取含水印图像的LSB位平面

11、即可，而且这种方法四盲水印算法，但是LSB法最大的缺陷是对信号处理和恶意攻击的稳健性很差，对含水印图像进行简单的滤波、加躁等处理后，就无法进行水印的正确提取，通过实验可以看出，LSB算法对于滤波操作和部分几何攻击的抵抗性不是很好，水印图像不很清晰，尽管如此，由于LSB方法实现简单，隐藏量比较大，以LSB思想为原型，产生了一些变形的LSB方法，目前互联网上公布的图像隐藏软件大多使用这种方法。18 分块DCT编码水印方法 该方法首先进行图像分块DCT，然后在DCT系数块中选取两点，设计两点的大小关系分别表示水印信息中的0和1，根据水印信息对个DCT系数块进行编码，这样就将信息嵌入到了载体图像中。1

12、9204.3基于基于DWT域数字图像水印算法域数字图像水印算法 小波变换通过平移和伸缩参数对信号的不同频率分量采用不同持续时间的窗函数来分析信号，从而实现信号不同频率分量有不同的时频分辨率。能使我们在一个时间尺度平面上表示任何信号。同时又不失原信号所包含的任何信息。在信号处理中小波变换具有放大、缩小和平移等功能，可以通过分析不同放大倍数下的变化来研究信号的动态特性21静态图像一维数字水印嵌入算法实现为了使水印算法对图像压缩具有较好的鲁棒性(压缩算法通常会去掉人类视觉上的不敏感信息，部分消除图像的高频成分)，同时为了保证嵌入水印信息后图像的质量(尽量保留低频信息)本节提出了一种将水印信息隐藏于图

13、像中频信息域中的分块分解码算法。，算法具体描述如下：设原图为矩阵A1 为与JPEG压缩的DCT变换相对应，将A2n*n 分为大小为8x8的子块：A18*8 ,A2J8*8 , A m8*8 ，(m=N8)并对Ai88，(i=l，2 m)进行两层DWT分解，各块编号如图2所示(在每一个小块中有四个小波系数)：2223242526五、数字水印的攻击技术和应用数字水印的攻击技术和应用 对媒体数据的各种编辑和修改常常导致信息损失，又由于水印与媒体数据紧密结合，所以也会影响到水印的检测和提取， 我们把这些操作统称为攻击。水印的攻击技术可以用来测试水印的性能，它是水印技术发展的一个重要方面。如何提高水印的

14、鲁棒性，抵抗攻击，是水印设计者最为关注的问题。 27 第一代水印性能评价系统Stirmark囊括了大量的信号和图像处理操作，它们可以分为： 去除水印攻击(Removal attack):主要包括A/D、D/A转换、去噪、滤波、直方图修改、量化和有损压缩等。这些操作造成了媒体数据的信息损失，特别是压缩，能在保证一定信息质量的前提下，尽可能多地剔出冗余，使得水印被去掉。 几何攻击(Geometrical attack):主要包括各种几何变换，例如旋转、平移、尺度变换、剪切、删除行或列、随机几何变换等。这些操作使得媒体数据的空间或时间序列的排布发生变化，造成水印的不可检测，因此也叫异步攻击。 共谋攻

15、击：攻击者利用同一条媒体信息的多个含水印拷贝，使用统计方法构造出不含水印的媒体数据。 重复嵌入攻击：攻击者在已嵌入他人水印的媒体数据中嵌入自己的版权信息，从而造成版权纠纷。 28第二代水印攻击系统由Voloshynovskiy提出，其核心思想是利用合理的媒体数据统计模型和最大后验概率来估计水印或者原始媒体信号，从而将水印剔除。 对攻击技术的分析和研究促进了水印技术的革新，但也为水印自身提出了一个又一个挑战。当前，还不存在一种算法能够抵抗所有的攻击，特别是几何攻击，是学术界公认的最困难的问题，目前还没有成熟的方案 29六、数字水印的应用和发展趋势六、数字水印的应用和发展趋势30MediaCrea

16、tor：数字媒体的创作者；：数字媒体的创作者；CopyrightProvider：版权提供者，买断了媒体创作者的版权，是通常意义下：版权提供者，买断了媒体创作者的版权，是通常意义下的发行者，的发行者，CopyrightProvider在数字媒体加入版权标志水印；在数字媒体加入版权标志水印；MediaDistributor：媒体分发者，媒体分发者向用户购买的合法拷贝中加入唯：媒体分发者，媒体分发者向用户购买的合法拷贝中加入唯一的数字指纹，并监视网络，防止非法复制；一的数字指纹，并监视网络，防止非法复制；TTP：可信任的第三方，建有：可信任的第三方，建有IPR数据库，存储了各数据库，存储了各Cop

17、yrightProvider版权版权信息等，同时可以验证用户购买的合法拷贝的版权；信息等，同时可以验证用户购买的合法拷贝的版权；CA：传统意义下的数字证书审核、签发、管理和撤消机构，：传统意义下的数字证书审核、签发、管理和撤消机构，CopyrightProvider和和TTP可以到此查询对方的公共密钥证书，同时和可以到此查询对方的公共密钥证书，同时和TTP一起对提交数一起对提交数字作品的字作品的CopyrightProvider进行管理和监督，应用上节介绍的协议，可以抵进行管理和监督，应用上节介绍的协议，可以抵抗各种攻击，保证了水印系统的安全性；抗各种攻击，保证了水印系统的安全性；User：购

18、买数字作品的用户；：购买数字作品的用户；OriginalMedia：没有嵌入水印的原媒体；：没有嵌入水印的原媒体；IPRdata：版权信息数据库，存有数字媒体的版权信息数据库，存有数字媒体的ID号，版权提供者的号，版权提供者的ID号，水号，水印信息等；印信息等；MediawithWm：CopyrightProvider建立的数据库，存有嵌入了版权标建立的数据库，存有嵌入了版权标志水印的数字媒体；志水印的数字媒体；MediaWithFp：MediaDistributor建立的数据库，存有从建立的数据库，存有从CopyrightProvider分发过来的并嵌入有数字指纹的数字媒体；分发过来的并嵌入

19、有数字指纹的数字媒体；MediawithWm+Fp：用户购买的数字媒体，嵌有版权标志水印和数字指纹。：用户购买的数字媒体，嵌有版权标志水印和数字指纹。311、数字作品的版权保护数字作品的版权所有者可将版权信息作为水印嵌入到作品中成为其不可分离的一部分，在发生盗版行为或版权纠纷时则可从作品中提取出水印以证明对该作品的所有权。2数字指纹当数字作品版权所有者分发其作品时，为避免该作品被非法拷贝及发行，可向分发给不同用户的作品中嵌入不同的水印，一旦发生非法拷贝，即可根据非法作品中的水印信息确定其来源。这样，数字指纹可作为调查非法拷贝和发行的技术手段。 数字水印目前的应用领域数字水印目前的应用领域323

20、.拷贝控制实际上，无论版权保护还是数字指纹都不能彻底阻止非拷贝控制实际上，无论版权保护还是数字指纹都不能彻底阻止非法拷贝，只能作为威摄和调查取证的工具，要杜绝非法拷贝最终离法拷贝，只能作为威摄和调查取证的工具，要杜绝非法拷贝最终离不开硬件上的改进。在生成一个数字作品不开硬件上的改进。在生成一个数字作品(如数字音频、视频如数字音频、视频)时即时即向其中嵌入一个水印以指明它能否被复制及可以重复拷贝的次数，向其中嵌入一个水印以指明它能否被复制及可以重复拷贝的次数，若要对这样的数字作品进行复制，预置了水印检测电路的复制设若要对这样的数字作品进行复制，预置了水印检测电路的复制设备在检测到水印信息后即会做

21、出相应的反应，或不允许复制，或控备在检测到水印信息后即会做出相应的反应，或不允许复制，或控制复制的次数。要做到这点，所有录制设备都要增加检测水印的电制复制的次数。要做到这点，所有录制设备都要增加检测水印的电路。目前，制片商和路。目前，制片商和DVD影碟机厂家联手开发利用水印技术阻止非影碟机厂家联手开发利用水印技术阻止非法拷贝机制的行动已经进入起步阶段。法拷贝机制的行动已经进入起步阶段。4信息正确性保护在电子商务中涉及到交易双方大量信息的传送，信息正确性保护在电子商务中涉及到交易双方大量信息的传送，由于传输媒介的影响、误操作或受到恶意攻击都可能导致欲传输信由于传输媒介的影响、误操作或受到恶意攻击都可能导致欲传输信息的改变，从而对接收方造成严重的影响。针对这一问题，可在信息的改变，从而对接收方造成严重的影响。针对这一问题，可在信息中嵌入脆弱水印或半脆弱水印，接收方对嵌入的水印进行检测，息中嵌入脆弱水印或半脆弱水印，接收方对嵌入的水印进行检测，如果发现接收数据中