数字水印的发展

数字水印的发展简介—水印背景、算法及相关理论李黎浙江大学CAD&CG国家重点实验室

2001.9.17内容安排顺序数字水印提出的背景数字水印的概念、特性及分类图像数字水印的几种算法常见的几种数字水印攻击方法今后研究方向数字水印涉及的相关理论及软件数字水印提出的背景多媒体信息安全中传统的加解密系统并不能很好地解决版权保护问题。因为，虽然经过加密后只有被授权持有解密密钥的人才可以存取数据，但是这样就无法向更多的人展示自己的作品；而且数据一旦被解开，就完全置于解密人的控制之下，原创作者没有办法追踪作品的复制和二次传播。数字水印的概念数字水印（digitalwatermark）技术，是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号。被嵌入的记号通常是不可见或不可察的，但是通过一些计算操作可以被检测或者被提取。水印与源数据（如图象、音频、视频数据）紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。1原始图像2加入水印后的图像3水印数字水印的特性

透明性（隐藏性）。强壮性（免疫性）：所谓的操作包括：传输过程中的信道噪声、滤波、增强、有损压缩、几何变换、D/A或A/D转换等。所谓的攻击包括：篡改、伪造、去除水印等。隐藏位置的安全性：指将水印信息藏于目标数据的内容之中，而非文件头等处，防止因格式变换而遭到破坏。无歧义性：恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表明所有权，不会发生多重所有权的纠纷。通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种程度上意味着易用性。数字水印的分类1. 可视水印与不可视水印。2. 易损水印和鲁棒水印。3. 空域水印和频域水印：直接在空域中对采样点的幅度值作出改变，嵌入水印信息的称为空域水印；对变换域中的系数作出改变，嵌入水印信息的称为频域水印。4. 非盲水印和盲水印。5. 私有水印和公开水印。6. 对称水印和非对称水印。通用数字水印系统框架

图像数字水印的算法

.空域算法：此算法首先把一个密钥输入一个m-序列发生器来产生水印信号，然后排列成2维水印信号，按象素点逐一插入到原始图象象素值的最低位。由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基于同样的原因，它可以轻易地被移去，因此不够强壮。.文本水印算法：它们主要是通过轻微改变字符间距，行间距或是增加、删除字符特征如底纹线等方法来嵌入水印。或是在符号级或语义级加入水印。例如，可以用big替换文本中的large。一种基于改变图象数据统计特性的水印算法，该算法首先随机选取N对象素点，然后通过增加象素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点的亮度值的调整来隐藏信息。.频域算法：图象的频域空间中可以嵌入大量的比特而不引起可察的降质，当选择改变中频或低频分量（除去直流分量）来加入水印时，强壮性还可大大提高。频域水印技术可以利用通用的离散余弦变换，小波变换和傅立叶变换等变换方法。.压缩域算法法：把水印印信号加到到表示视频频帧的数据据流中去。。对于输入入的MPEG-2数数据流而言言，可分为为数据头信信息、运动动向量和DCT编码码信号块三三部分，对对DCT编编码数据块块中每一输输入的Huffman码进行行解码和逆逆量化，把把得到的DCT系数数与相应水水印信号块块的变换系系数相加，，对新的DCT系数数重新进行行量化和Huffman编码码。然后比比较新的Huffman码字字的位数n1与原来来的无水印印系数的码码字n0，，只在n1不大于n0的时候候才传输水水印码字，，否则传输输原码字。。这就保证证了不增加加视频数据据流的位率率。.NEC算法法：NEC实验室的的COX等等人提出的的基于扩展展频谱的水水印算法,原则为：：1)水印信号应应该嵌入源源数据中对对人的感觉觉最重要的的部分。在在频谱空间间中，这种种重要部分分就是低频频分量。这这样，攻击击者在破坏坏水印的过过程中，不不可避免地地会引起图图象质量的的严重下降降。2)水印信号应应该由具有有高斯分布布的独立同同分布随机机实数序列列构成。这这使得水印印经受多拷拷贝联合攻攻击的能力力大大增强强。3）实现方方法是：对对整幅图象象做DCT变换，选选取除DC分量外的的1000个最大的的DCT系系数插入由由N(0,1)所产产生的一个个实数序列列水印信号号。生理模型算算法：利用用人的生理理模型的特特性，包括括HVS和和HAS来来提高多媒媒体数据压压缩系统质质量和效率率。它们的的基本思想想是利用从从视觉模型型导出的JND描述述来确定在在图象的各各个部分所所能容忍的的数字水印印信号的最最大强度，，从而避免免破坏视觉觉质量。这这一方法同同时具有好好的透明性性和强壮性性。数字水印攻击击分析1.鲁棒性性攻击它包括常见的的各种信号处处理操作，如如图象压缩、、线性或非线性性滤波、叠加噪噪声、图象量量化与增强、、图象裁剪、、几何失真、、模拟数字转换换以及图象的的校正等。2.IBM攻击这是针对可逆逆、非盲（non-oblivious）水印印算法而进行行的攻击。其其原理为设原原始图象为I，加入水印印WA的图象为IA=I+WA。攻击者首先先生成自己的的水印WF，然后创建一一个伪造的原原图IF=IA-WF，也即IA=IF+WF。这就产生无无法分辨与解解释的情况。。防止这一攻攻击的有效办办法就是研究究不可逆水印印嵌入算法，，如哈希过程程。3.StirMark攻击Stirmark是英国国剑桥大学开开发的水印攻攻击软件，它它采用软件方方法，实现对对水印载体图图象进行的各各种攻击，从从而在水印载载体图象中引引入一定的误误差，我们可可以以水印检检测器能否从从遭受攻击的的水印载体中中提取/检测测出水印信息息来评定水印印算法抗攻击击的能力。如如StirMark可对对水印载体进进行重采样攻攻击，它可模模拟首先把图图象用高质量量打印机输出出，然后再利利用高质量扫扫描仪扫描重重新得到其图图象这一过程程中引入的误误差。4.马赛克克攻击其攻击方法是是首先把图象象分割成为许许多个小图象象，然后将每每个小图象放放在HTML页面上拼凑凑成一个完整整的图象。一一般的Web浏览器都可可以在组织这这些图象时在在图象中间不不留任何缝隙隙，并且使其其看起来这些些图象的整体体效果和原图图一模一样，，从而使得探探测器无法从从中检测到侵侵权行为。5.串谋攻攻击所谓串谋攻击击就是利用同同一原始多媒媒体数据集合合的不同水印印信号版本，，来生成一个个近似的多媒媒体数据集合合，以此来逼逼近和恢复原原始数据，其其目的是使检检测系统无法法在这一近似似的数据集合合中检测出水水印信号的存存在。6.跳跃攻攻击跳跃攻击主要要用于对音频频信号数字水水印系统的攻攻击，其一般般实现方法是是在音频信号号上加入一个个跳跃信号，，即首先将信信号数据分成成500个采采样点为一个个单位的数据据块，然后在在每一数据块块中随机复制制或删除一个个采样点，来来得到499或501个个采样点的数数据块，然后后将数据块按按原来顺序重重新组合起来来。实验表明明，这种改变变对古典音乐乐信号数据也也几乎感觉不不到，但是却却可以非常有有效地阻止水水印信号的检检测定位，以以达到难以提提取水印信号号的目的。类类似的方法也也可以用来攻攻击图象数据据的数字水印印系统，其实实现方法也非非常简单，即即只要随机地地删除一定数数量的象素列列，然后用另另外的象素列列补齐即可，，该方法虽然然简单，但是是仍然能有效效破坏水印信信号存在的检检验。7.法学攻攻击法学攻击(legalattacks)：这这种攻击方法法与前三种方方法极为不同同。比如：现现有的或将有有的关于版权权及数字信息息所有权的法法律，不同法法庭对于法律律条款的不同同解释，原告告与被告的信信誉，攻击者者质疑水印方方案的能力，，原告与被告告的财力，他他们各自能请请到的专家证证人和律师等等等，等等。。数字水印研究究方向1.水印基本本原理和评价价方法的研究究，包括水印印理论模型、、水印结构、、水印嵌入策策略、水印检检测算法、水水印性能评价价以及水印的的标准化等2． 现有水水印算法分析析3． 基于特特征的数字水水印技术因因基于统计计特征的数字字水印技术容容易受到非线线形等变换方方法的攻击，，而基于图象象高层特征的的数字水印技技术如基于边边界信息等则则具有较好鲁鲁棒性。4． 公钥数数字水印系统统即使用用一个专有的的密钥来叠加加水印信号，，而任何人均均可通过一个个公开的密钥钥来检测出水水印信号，但但是用公开的的密钥来推导导专有密钥和和用公开的密密钥来去除水水印信号这两两个过程都非非常困难。5． 数字水水印代理（Agent））其核心心思想是将数数字水印技术术与TSA（（trustedspottingagent）相结结合。这种数数字水印代理理在网络上的的服务器之间间漫游，扮演演着基于数字字水印检测、、验证和追踪踪非法拷贝的的侦探角色。。6． 目前其其它的数字水水印技术，如如对基于图形形、矢量图和和动画等媒体体的数字水印印技术研究得得比较少。网格数字水印印计算机图形学学中，物体常常常用三角形形网格模型来来描述。水印的研究工工作还刚刚起起步。Praun99利用多分分辨率分析的的思想，对网网格顶点构造造一组标量基基函数，并把把基函数作为为权值，对网网格的顶点坐坐标进行加权权的轻微扰动动。实验证明明此算法具有有较好的强壮壮性。但是仍仍然存在着不不足之处，如如计算量大，，完全独立于于常用的网格格处理和编辑辑算法，水印印信息是实数数序列而不是是二值序列。。网格水印的难难点在于：.水印嵌入过过程中，由于于网格数据具具有不规则性性，缺乏进行行频率分解的的某种自然的的参数化方法法。水印检测过程程中，网格简简化和其它的的攻击方法可可能会改变网网格的连接关关系，或称拓拓扑结构。纹理水印纹理对于增强强虚拟现实世世界的真实感感起着非常重重要的作用，，它既是版权权保护的重要要对象，也是是对三维网格格水印的有益益补充。目前前的图象水印印所处理的对对象基本上是是风景、人物物照片，并没没有专门考虑虑纹理特点进进行增加水印印信息的算法法。1)尺寸问问题。我们考考虑把一个VRML文件件中的多幅纹纹理作为一个个整体来嵌入入水印。2)纹理特特性问题。很很多纹理具有有一定的重复复特性，容易易受到Fridrich在[11]中指出的攻攻击。3)色彩转转换问题。目目前的图象水水印研究集中中在单一灰度度图象的水印印上，专门针针对彩色图象象的水印算法法还没有出现现。由于一个个VRML场场景中既可能能有灰度纹理理，也可能有有彩色纹理，，我们必须统统一考虑。我我们的方法是是先将彩色图图象从RGB色彩空间转转换到YIQ色彩空间，，然后对Y分分量（即灰度度分量）