数字水印概况

数字水印概况2002/09/15提纲信息隐藏数字水印

基本概念、水印的分类及特性

数字水印系统模型典型数字水印算法水印的攻击发展方向信息隐藏

信息隐藏(InformationHiding)不同于传统的密码学技术。

密码技术主要是研究如何将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式(密文)进行传递

而信息隐藏则主要研究如何将某一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息

多媒体技术的广泛应用为信息隐藏技术的发展提供了更加广阔的领域

信息隐藏待隐藏的信息为秘密信息(secretmessage)：版权信息、秘密数据、一个序列号；公开信息称为载体信息(covermessage)：视频、音频片段信息隐藏过程一般由密钥(Key)来控制，即通过嵌入算法(Embeddingalgorithm)将秘密信息隐藏于公开信息中，隐蔽载体通过信道(Communicationchannel)传递，然后检测器(Detector)利用密钥从隐蔽载体中恢复/检测出秘密信息。

信息隐藏信息隐藏技术主要由下述两部分组成:信息嵌入算法，它利用密钥来实现秘密信息的隐藏隐蔽信息检测/提取算法，它利用密钥从隐蔽载体中检测/恢复出秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载体中得到、删除、甚至发现秘密信息

信息隐藏特点鲁棒性(robustness)：指不因图象文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。

不可检测性(undetectability)：指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。

透明性(invisibility)：利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。

安全性(security)：指隐藏算法有较强的抗攻击能力

自恢复性：留下片段数据，仍能恢复隐藏信号。

数字水印基本概念数字水印(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，但是通过计算操作可以检测或者被提取。水印（一段文字、标识、序列号等）与原始数据(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。

数字水印技术从不同的角度分类

按作用划分：鲁棒水印和易碎水印

按载体分：图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和图形水印等

按检测分：明水印、盲水印

按内容分：水印是可视图象、水印为随机码

按用途分：版权保护水印、篡改提示水印、票据防伪水印、隐蔽标识水印

检测分类明水印包括私有水印和半私有水印,私有水印又分两种类型

第１类私有水印映射关系是:Ｉ‘ｘＩｘＫ→Ｗ

第２类私有水印映射关系是:Ｉ‘ｘＩｘＫｘＷ→｛０，１｝半私有水印的映射关系是：Ｉ‘ｘＫｘＷ→｛０，１｝

盲水印映射关系是：Ｉ‘ｘＫ→Ｗ

非对称水印系统的钥匙是公开的,即使用者可以读取水印，但不能移除它。

可见水印水印加入水印的图片用途分类版权保护水印：加入水印后，图像的拥有者希望他人看到图像水印的标记，在经过各种有意攻击与无意编辑处理后水印仍然存在。

篡改提示水印：利用加在图像中的水印来保护图像内容的完整性，对篡改的内容进行标注提示。

票据防伪水印：加在纸质票据的数字生成过程中，历经印刷、打印、扫描过程后能将水印检测出来隐蔽标识水印：在图像中加入注释信息，对图像进行说明和作者简介等

可见水印的应有特性

水印在图像中可见;水印在图像中不太醒目;水印很难被去除;水印加在不同的图像中具有一致的视觉突出效果第(1),(2),(3)条特性比较容易满足，第(4)条特性不容易满足。在实验中发现相同的水印加在不同的图像中具有不同的视觉结果。

易碎水印的应有特性

水印在通常或特定视觉条件下不可见;水印能被最普通的图像处理技术改变;未经授权者很难插入一个伪造水印;经授权者能很快地抽取出水印;水印能在图像剪切操作后仍存在;从抽取出来的水印中能看出哪里被改变.在这些特性中,有些特性在特定的应用环境下不一定都满足

鲁棒水印的应有特性

水印在通常或特定视觉条件下不可见;加水印的图像经过普通的图像处理技术后水印仍然保持在图像中;未经授权者很难检测出水印;经授权者能很快地抽取出水印;加水印的图像经过印刷或重新扫描后水印仍然能被抽取出来

典型数字水印系统模型

水印信号嵌入模型功能是完成将水印信号加入原始数据中；水印信号检测模型用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号。

典型数字水印算法

静止图像水印

视频图像水印

文本水印

静止图像水印可将图像水印编码算法分为两类：空间域调制和频率域调制。空间域水印算法可以提供简捷有效的水印嵌入方案，具有较大的信息嵌入量，但其缺乏对图像处理的鲁棒性。频率域水印算法具有的较强抗信号处理和恶意攻击的能力，受到众多学者的青睐。结合两者特性的图像自适应水印算法是水印技术中最有前景的研究方向。

空域与频域比较空间域方法通过改变某些像素的灰度，将要隐藏的信息嵌入其中；频域方法是通过改变频域的一些系数的值为隐藏信息。空间域方法算法简单、速度快、容易实现、特别是它几乎可以无损地恢复载体图象和水印信息，这对于某些应用是必要的；频域方法具有如下优点：水印的信号能量可以分布到所有的像素上，有利于保证水印的不可见性。在频域中可以利用人类视觉系统的某些特性，更方便、更有效地进行水印的编码。由于频域变换在变换和反变换过程中是有损的，同时运算量大，对一些精确应用场合或需要快速应用场合不太合适

空间域水印技术

最低有效位算法(LSB)

脆弱，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏

公开密钥水印算法

基于统计的数字水印嵌入方案(Patchwork)

纹理块映射公开密钥水印算法假设有一个Ｍ*Ｎ大小的灰度原图Ｘｍｎ和一个等大小的二值水印图ｂｍｎ,

Hash函数又称为杂凑函数，是一种可将任意长度的数字串M映射成一个较短的具有定长输出的数字串Ｈ的函数。Hash函数反映了多对一的映射，因此不能从Ｈ推出原来的Ｍ。

公开密钥水印算法水印嵌入的步骤为:将原图和水印图分成８×８大小的块;将原图块Ｘｒ的LSB置０后与Ｍ、Ｎ一起输入Hash函数，其输出为Ｐｒ;将Ｐｒ和水印块Ｂｒ作异或运算,输出为Ｗｒ;对Ｐｒ采用公开密钥加密算法加密后嵌入Ｘｒ的LSB上，水印的嵌入即为结束。提取水印的过程为嵌入水印的逆过程。

基于统计的数字水印嵌入方案(Patchwork)

Patchwork的嵌入步骤为:用收发双方都知道的密钥控制一伪随机数字发生器，产生变化的像素对(Pa,Pb);将像素Ｐa的亮度升高一个δ值，并将Ｐb的亮度减少一个δ值(等量)，以保证图像平均亮度不变;重复上述过程Ｎ次(Ｎ≈１０４),以保证解码时的效果明显。

纹理块映射纹理块映射编码方法则是将数字信息隐藏于数字图像的任意纹理部分，其将隐藏信息纹理映射到另一纹理相似的区域。该算法对于滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力。但仅适于具有大量任意纹理区域的图像,而且尚不能完全自动完成。

频率域水印技术

较早的频率域数字水印算法

分块，选中频系数基于扩频通信技术的频率域数字水印嵌入策略

将整幅图像看作一个块进行变换

对一幅512×512像素的原始图像水印过程如下:(1)图像变换。原始图像进行DCT变换，得到一个具有512×512个变换域系数的块，并从中抽取要加入水印的DCT域系数序列V={Vi}。(2)产生水印。水印序列X由N个服从均值为0、方差为1的正态分布的随机数组成(因为正态分布的水印信息能够更好地抵抗“多文件联合攻击”)。

(3)对水印中的每一个随机数Xi进行如下计算，以修正图像的变换系数:V′i=Vi(1+α.Xi)。V′i和Vi分别是修正后的DCT系数和原始DCT系数，α控制水印添加的强度，其推荐值是0.1～0.2。

(4)对修正后的变换域系数V′组成的矩阵进行IDCT变换，得到含有水印信息的标注图像。修改DCT系数使得水印信息广泛分布在图像上，从而该方案对裁剪(Cropping)等攻击具有相当的抵抗能力。(5)水印恢复。对一幅待检测的图像V*，通过与上述4个步骤相反的操作可以得到一列随机数X*。(6)对提取的“水印”X*跟原来的水印进行相关分析：sim(X,X*)=XX*/(X*X*)。

水印的sim值在6以上就可以认为已有水印，如果低于6，则认为没有水印

图像自适应水印技术

随着水印技术研究的深入，一些有图像编码背景的学者从编码角度出发，利用已有的视觉模型研究成果，提出了图像自适应DCT和图像自适应小波水印算法。通过研究图象的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图象相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。

视频图像水印

视频水印提出了一些区别于静止图像水印的独特要求。

第一类嵌入方案是将水印信息直接嵌入到原始图像码流中，形成含水印的原始视频信息，然后进行Mpeg-2视频编码。第二类方案是将嵌入过程引入到Mpeg-2编码器中。一般是通过调制DCT变换或量化之后的系数完成信息嵌入过程，实现较为容易。第三类方案直接嵌入水印信息到Mpeg-2压缩码流中。视频系统对视频压缩码率的约束将限制作为水印的嵌入信息量，同时可能对运动补偿环路造成影响。

文本水印

ASCII文本文件或计算机源码文件，不能被插入水印

一些高级形式的文档通常都是格式化的(如Postscript，PDF，RTF，WORD，WPS)，并且对于这些类型的文档可以将一个水印藏入版面布局信息(如字间距或行间距)或格式化编排中

行移编码、字移编码、特征编码、编码方式的综合运用

行移编码标记插入是通过将文本的某一整行垂直移动。通常，当一行被上移或下移时，与其相邻的两行或其中的一行保持不动。不动的相邻行被看作是解码过程中的参考位置。大部分的文档的格式有一个特点，一段内的各行的间距是均匀的。尽管眼可区分不均衡，当垂直位移量等于或小于1/300英寸时人眼将无法辨认。这种方法的主要特点体现于解码过程中。既然一个文本最初的行间距是均匀的，那么一个被接收文档是否被作标记可以通过分析行间距来判断，而不需要任何有关这个文档最初未被作标记时的附加信息。

字移编码

标记插入是通过将文本的某一行中的一个单词水平移位。在编码过程中，某一个单词左移或右移，而与其相邻的单词并不移动。这些单词被看作是解码过程中的参考位置。对于格式化的文档，通常使用变化的单词间距，读者可以接受一行文本中单词间距的广泛变化。经验告诉我们，人眼无法辨认1/150英寸以内的单词的水平位移量。既然在最初的文档中单词间距是不均匀的，检测一个单词的位移量需要对最初文档的单词间距有所了解。所以，在提取隐藏信息时必须掌握未作标记文档的单词位置。因此只有那些拥有最初文档的组织或其代理人可以读到隐藏信息。

特征编码

通过改变某个单个字母的某一特殊特征来插入标记的技术。字母特征改变例子如改变它的高度等。同样，保留一些特征未作改变的字母以帮助解码。例如，检测算法可将那些被认为发生变化的字母与该页中没有变化的相同字母的高度进行比较。通过字母变化在文本中插入不易辨认的标记必须非常细心，因为如果有一个与它相同的但未作变化的字母与它相邻，读者很容易便认出字母的变化。在检测一个标记是否存在时需不需要对最初的未作标记的原文掌握是由标记技术以及选择将要被变化的字母的规律来决定的。

编码方式的综合运用

以上方法可以综合运用，这样的编码方式可以增加鲁棒性，在破坏严重的情况下，依然比较容易检测到水印的存在。一个文档被处理的过程中，在水平与竖直方向可能会受到不同程度的破坏。对同一行同时使用行移和字移进行编码，可以结合控制行与被标记行来估计出水平与竖直轮廓谁的噪声(或者