信息隐藏与水印技术-第7章

第7章数字水印技术

返回总目录目录7.1数字水印的形式和产生7.2数字水印框架7.3图像数字水印技术

返回总目录7.4视频数字水印技术7.5音频数字水印技术7.6软件数字水印技术7.7数字指纹技术7.8数字水印协议与安全体系●基本要求：

１）熟悉基于各种媒体的数字水印技术；

２）熟悉数字水印协议与安全体系；

３）了解数字水印的产品现状。●学习重点：

１）图像、音频、视频数字水印技术;

２）数字水印协议与安全体系；

7.1数字水印的形式和产生

返回目录7.1.1

数字水印的形式和产生

有意义的字符表示需要标注的信息，以比特流的形式嵌入为提高稳健性，可采用纠错编码伪随机序列把需要表示的标识对应于伪随机序列可视图片徽标、签名等稳健性较强7.2数字水印框架7.2.1

数字水印的嵌入框架

嵌入7.2数字水印框架7.2.1

数字水印的嵌入框架

：对被保护的数字产品C进行的预处理：对数字水印W进行的预处理：数字水印嵌入算法

：的逆操作C：被保护的数字产品W：水印信息K：数字水印嵌入算法的密钥：嵌入数字水印后的数字产品7.2数字水印框架7.2.2

数字水印的提取框架

提取/水印是否存在7.2数字水印框架7.2.2

数字水印的提取框架

D：数字水印提取算法WRP：对直接提取水印的算法，就是WPP的逆操作对判决水印存在与否的算法，则就是数字水印的判决算法提取过程的输出：两种直接提取水印判断水印是否存在提取时是否需要原始载体，取决于嵌入提取算法7.3图像数字水印技术7.3.1

水印嵌入位置的选择

水印嵌入位置的选择应该考虑：安全性问题：指嵌入的水印不能被非法使用者轻易地提取出来，或者是被轻易的擦除。对载体质量的影响问题：嵌入的水印，应该不能影响数字载体的使用，嵌入水印引起的失真，应该对人类的感官是不可察觉的。7.3图像数字水印技术7.3.1

水印嵌入位置的选择

对图像而言：纹理较复杂的区域、物体的边缘区域，人类的视觉系统对这些位置的失真不太敏感，适合嵌入。图像取值比较均匀的光滑区域，人眼对这些地方的失真非常敏感，不适合嵌入。1、基于心理视觉考虑的水印嵌入位置选择7.3图像数字水印技术7.3.1

水印嵌入位置的选择

嵌入容量较小时，可随机选择位置。“拼凑”算法（P81）：根据密钥随机选择n个象素对，更改它们的亮度值

提取时，计算S－＞2n，则存在水印。2、嵌入容量较小时的水印嵌入位置选择7.3图像数字水印技术7.3.2

工作域的选择

水印的嵌入可以在不同的工作域上进行空间域：如拼凑算法、LSB算法等。变换域：如离散傅立叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）等等。7.3图像数字水印技术7.3.3

脆弱性数字水印技术

按水印的健壮性分类：健壮性的数字水印：健壮性又称稳健性或鲁棒性（Robustness）。在没有特别说明时，大部分数字水印技术一般都是指健壮性的数字水印技术。脆弱性的数字水印：指在保证多媒体信息感知质量的前提下，将数字、序列号、文字、图像标志等作为数字水印嵌入到多媒体数据中，当多媒体内容受到质疑时，可将该水印提取出来用于多媒体内容的真伪识别，并且指出篡改的位置，甚至攻击类型等。又称为易碎水印，载体发生变化，水印则受到破坏。7.3图像数字水印技术7.3.3

脆弱性数字水印技术

1、脆弱性数字水印的基本特征：检测篡改：理想情况是能够提供修改或破坏量的多少及位置，甚至能够分析篡改的类型，并能对篡改的内容进行恢复健壮性与脆弱性：水印是在满足一定健壮性条件下的脆弱（脆弱与半脆弱）。不可感知性：一般情况下是不可见的。可靠性：应具有较小的误检率和漏检率，确保检测的准确可靠是脆弱性水印设计的关键。7.3图像数字水印技术7.3.3

脆弱性数字水印技术

2、脆弱性数字水印算法的分类：完全脆弱水印：水印能够检测出任何对图象像素值进行改变的操作或对图象完整性的破坏。半脆弱水印：水印能够允许图象有一定的改变，它是在一定程度上的完整性检验。图像可视内容鉴别：水印对图象的主要特征进行真伪鉴别，即比前两类水印更加稳健。自嵌入水印：把图象本身作为水印加入，不仅可以鉴别图象的内容，还可以部分恢复被修改的区域7.4视频数字水印技术7.4.1

视频水印的特点

每一帧是静止图像，但与图像又有很大不同视频信息量大，提取时需要实现盲检测虽然视频容量大，但视频水印经常有实时要求，要达到算法的实时性，必须降低算法复杂度攻击特殊：如帧平均、帧剪切、帧重组、掉帧、速率改变等要与视频编码标准相结合7.4视频数字水印技术7.4.1

视频水印的特点

对视频水印的要求不可感知性稳健性复杂度（水印嵌入应该复杂，以抵抗各种可能的攻击，而水印提取和检测基于实时应用应当简单）考虑视频的压缩编码（视频数据通常以压缩的格式存储，基于复杂度要求，宜将水印加入压缩码流中。如果解码后加入水印再进行编码，计算量将相当大）加入水印不应增加视频流码率盲检测：水印检测时不应需要原始视频7.4视频数字水印技术7.4.2

视频水印的分类

1、按水印技术是否与内容相关分类第一代视频水印：与视频内容无关MPEG1和MPEG2：帧内图I、预测图P、双向预测图B

第二代视频水印：基于内容的视频水印MPEG4标准首次以视频对象（VideoObject）概念来实现基于内容的表示，视频对象主要被定义为画面分割出来的不同物体，通过运动信息、形状信息、纹理信息来描述7.4视频数字水印技术7.4.2

视频水印的分类

2、按照水印嵌入的策略分类在未压缩域中：移植静止图像的水印技术，结合视频帧结构特点，形成适用于视频的水印方案在视频编码器中：通过修改变换域系数，能得到较好的视频质量和较强的水印抗攻击能力，同时不会增加数据比特率在视频码流中：最大优点就是不需要完全解码和再编码，提高了水印嵌入和提取的效率，但是能够嵌入的水印容量受到较大的限制，而且水印的嵌入有可能对视觉产生影响7.4视频数字水印技术7.4.2

视频水印的分类

3、按照水印技术适用的视频载体分类

基于MPEG1或MPEG2标准：在未压缩域对视频帧进行水印嵌入，或者在视频压缩编码中进行嵌入修改，也有直接将水印信息嵌入到压缩码流中基于MPEG4标准：先提取视频对象，然后选择视频对象的部分属性作变换，嵌入水印基于其它压缩标准的视频：如ASF、AVI、MOV、DIVX格式等，这类视频水印技术的文章较少。7.4视频数字水印技术7.4.3

视频水印的算法

视频水印嵌入策略7.4视频数字水印技术7.4.3

视频水印的算法

方案一、在原始视频流中嵌入水印优点：水印嵌入方法多，原则上图像水印方案均可应用于此，算法成熟，有稳健性水印、脆弱性水印等，可用于多种目的缺点：①经过视频编码处理后，会造成部分水印信息丢失，给水印的提取和检测带来不便；会增加数据比特率；②对于已压缩的视频，需先解码，嵌入水印后，再重新编码，运算量大、效率低，防攻击能力差。7.4视频数字水印技术7.4.3

视频水印的算法

方案二、在视频编码器中嵌入水印通过修改编码阶段的DCT域中的量化系数，并且结合人类视觉特性嵌入水印优点：①水印仅嵌入DCT系数中，不会增加数据比特率；②易设计出抗多种攻击的水印缺点：存在误差积累，嵌入的水印数据量低，没有成熟的三维时空视觉隐蔽模型7.4视频数字水印技术7.4.3

视频水印的算法

方案三、在视频压缩码流中嵌入水印优点：没有解码和再编码的过程，提高了水印嵌入和提取的效率缺点：压缩比特率的限制限定了嵌入水印的数据量的大小，嵌入后效果可能有可察觉的变化基本要求：(1)水印信息的嵌入不能影响视频码流的正常解码和显示；(2)嵌入水印的视频码流仍满足原始码流的码率约束条件；(3)内嵌水印在体现视觉不易察觉性的同时，能够抗有损压缩编码7.4视频数字水印技术7.4.3

视频水印的算法

三种方案盘点：以上讲的三种方案均是指基于帧的视频水印方案。实际使用中，非法使用者常常并不使用整副图像帧，而只是剪切图像帧中某些有意义的对象来非法使用。针对这种情况，人们提出了基于对象的视频压缩算法。MPEG4是一种高效的基于对象的视频压缩标准。目前，基于对象的视频水印迅速成为视频水印的一个热门研究方向。7.4视频数字水印技术7.4.4

视频水印的发展方向

水印与视频对象同步

：利用视频对象的边缘属性、心理特性、运动特性等嵌入水印水印在空域的不均匀分布：MPEG4的发展使得视频对象成为水印的载体，水印在空域的分布不再遍及所有点。同一视频中水印的多样性：亮度水印、纹理水印和时间水印（在运动区域嵌入的水印）。7.5音频数字水印技术7.5.0

引言

音频信号的特点一维信号人耳听觉系统（HAS）比人眼视觉系统（HVS）灵敏得多对音频水印的要求不可感知性稳健性同步要求盲水印7.5音频数字水印技术7.5.0

引言

根据水印加载方式的不同，可分为三类：时间域音频水印变换域音频水印压缩域音频水印7.5音频数字水印技术7.5.1

时间域音频数字水印

最低有效位方法（LSB）回声隐藏法

通过改变信号幅值的隐藏算法7.5音频数字水印技术7.5.2

变换域音频数字水印

傅氏变换DCT变换小波变换7.5音频数字水印技术7.5.2

变换域音频数字水印

嵌入数字水印为一个伪随机序列(x1,x2,…)选择适当的小波基对原始语音信号进行L级分解，在第L级的小波细节分量中嵌入水印水印嵌入算法1、基于小波变换的音频水印算法7.5音频数字水印技术7.5.2

变换域音频数字水印

1、基于小波变换的音频水印算法提取在水印检测端（作品所有者或第三方认证机构），原始的语音信号以及水印信号需要保留以备检测时用对L级分解的细节分量，利用原始语音信号找到隐藏了N个随机数的位置，求计算提取水印与原始水印的相关值，判断是否有水印信号存在7.5音频数字水印技术7.5.2

变换域音频数字水印

1、基于小波变换的音频水印算法算法特点水印信号放在了语音信号能量最大的部分一方面语音信号遮盖了水印的影响，使其不易被发觉

另一方面即使受到一定的破坏，只要语音信号有一定的可懂度，水印信号就可以检测出来7.5音频数字水印技术7.5.2

变换域音频数字水印

1、基于小波变换的音频水印算法7.5音频数字水印技术7.5.2

变换域音频数字水印

1、基于小波变换的音频水印算法7.5音频数字水印技术7.5.2

变换域音频数字水印

1、基于小波变换的音频水印算法7.5音频数字水印技术7.5.3

压缩域音频数字水印

特点在压缩后的音频数据流中直接嵌入避免了复杂的编解码过程，但健壮性不高，且能够嵌入的水印容量不大。

压缩如MPEG音频压缩等。7.5音频数字水印技术7.5.4

音频数字水印的发展方向

音频水印的分类在原始音频信号中嵌入在音频编码器中嵌入，这种方法稳健性较高，但需要复杂的编码和解码过程，运算量大，实时性不好在压缩后的音频数据流中直接嵌入，这种方法避免了复杂的编解码过程，但稳健性不高，而且能够嵌入的水印容量不大（压缩域数字水印）7.5音频数字水印技术7.5.4

音频数字水印的发展方向

音频水印需解决的问题缺乏有效的同步技术完善对数字水印方案的评价研究寻找与新一代压缩标准ＭＰ3、ＭＰＥＧ、ＡＣ-3相适应的数字音频水印算法研究音频与视频结合的数字水印，达到对多媒体数据的完整保护在实用性方面，研究数字水印的网络快速自动验证技术，降低水印提取算法的复杂性7.6软件数字水印技术软件水印把程序的版权信息和用户身份信息嵌入到程序中软件（通常是一段可执行程序）与一般的数字产品不同，它不能在进行大量的、深层次的修改后仍保持原有的特征软件水印与多媒体水印有本质的不同7.6.1

软件水印的特征和分类

7.6软件数字水印技术7.6.1

软件水印的特征和分类

对软件水印的要求能够证明软件的产权所有者具有鲁棒性。能够抵抗攻击、防止篡改，软件的正常压缩解压以及文件传输不会对水印造成破坏软件水印不应依赖于某一具体的体系结构软件水印应该便于生成、分发以及识别对软件已有功能和特征的影响在实际环境下可以忽略7.6软件数字水印技术7.6.1

软件水印的特征和分类

1、按照水印的嵌入位置分类代码水印：隐藏在程序的指令部分数据水印：隐藏在数据中（如头文件、字符串和调试信息等）

7.6软件数字水印技术7.6.1

软件水印的特征和分类

2、根据水印被加载的时刻分类静态水印：存储在可执行程序代码中。如将水印信息嵌入在指令代码中，或者是调试信息的符号部分。静态代码水印/静态数据水印动态水印：保存在程序的执行状态中，而不是程序源代码本身。EasterEgg水印/数据结构水印/执行状态水印动态水印需要有预先输入，根据输入，程序会运行到某种状态，这些状态就代表水印7.6软件数字水印技术7.6.2

软件水印简介

静态数据水印将水印信息嵌入在程序的一些数据中，但是它很容易被迷乱攻击破坏如：把所有的数据分解成一系列数据，然后散布到整个程序中，这样代表水印信息的数据也被分解，增加了水印检测的困难程度；或者用一个产生这些数据的子程序来代替这些数据，这样在程序中就找不到该数据的原型，也就无法检测水印7.6软件数字水印技术7.6.2

软件水印简介

静态代码水印利用目标代码中包含冗余信息嵌入水印比如：通过调整两条无依赖关系指令的顺序可以嵌1bit的水印信息IBM提出了一种把寄存器出入栈的顺序作为水印的方法，同样可以通过排列有m个分支的case语句的顺序来编码比特信息经不起一些简单的攻击，如调整指令的顺序7.6软件数字水印技术7.6.2

软件水印简介

EasterEgg水印通过一个输入产生输出比如：输入一个字符串，屏幕上显示出版权信息或一幅图像主要问题：水印在程序中的位置容易找到，一旦输入正确信息，用softice这样的标准调试软件就可以跟踪程序执行情况，进而找到水印的位置，所以这种水印不是很安全7.6软件数字水印技术7.6.2

软件水印简介

动态数据结构水印输入特定信息激发程序，把水印信息隐藏在堆、栈或者全局变量域等程序状态中。当所有信息都输完之后，通过检测程序变量的当前值来进行水印提取。可以安排一个提取水印信息的进程或者是在调试器下运行程序查看变量取值动态数据水印没有输出，而且水印的提取过程不是封装在应用程序中，因而不容易找到水印在程序中的位置，但是这种水印也经不住迷乱变换攻击7.6软件数字水印技术7.6.2

软件水印简介

动态执行过程水印程序在特定的输入下运行时，对程序中指令的执行顺序或内存地址走向进行编码生成水印水印检测则通过控制地址和操作码顺序的统计特性来进行7.6软件数字水印技术7.6.3

软件水印发展方向

软件水印是密码学、软件工程、算法设计、图论、程序设计等学科的交叉研究领域。今后软件水印技术的研究跟多多媒体水印一样应该侧重于完善理论、提高水印算法的健壮性，建立相关标准等。必须认识到，对软件版权保护仅仅靠技术是不够的，最终要靠人们知识产权意识的提高和法制观念的进步。7.7数字指纹技术7.7.1

数字指纹的概念

指纹（fingerprint）一个客体所具有的、能把自己和其它相似客体区分开的特征如果加入指纹的客体是数字格式，以至于计算机能处理其指纹，则称之为数字指纹7.7数字指纹技术7.7.2

数字指纹的主要应用

版权保护发行者在每一个拷贝中嵌入具有微小差异的数字水印，这些差异标记了作品的购买者，以此可以进行产品跟踪，追查盗版者卫星电视广播发送给用户们一组用于解密视频流的密钥，并且电视台能在每个传输包中插入指纹比特来检测非授权的使用

高速检索指纹码。如：“Computer&CommunicationsSecurityReviews”能使用“comcsr”简单找到7.7数字指纹技术7.7.3

对数字指纹的要求

能够抵抗合谋攻击即使攻击者获得了一定数量的拷贝，通过比较这些拷贝，攻击者不应该能够找到、生成或者删除这些拷贝中的指纹不可察觉性嵌入的数字指纹不应该降低作品的质量，影响作品的使用稳健性应能够容忍一定程度的对作品的有意或无意的破坏，只要破坏没有严重影响作品的质量，则数字指纹都应该能提取出来7.7数字指纹技术7.7.4

几种指纹方案

合谋安全指纹能够抵抗合谋攻击的数字指纹叛逆者追踪指纹跟踪盗版者匿名指纹（盲签名）保护隐私权7.8数字水印协议与安全体系7.8.0

引言

单靠技术是不能完全保护版权的还要依赖于法律和管理依赖于技术的实现协议以及一套完整的安全水印体系7.8数字水印协议与安全体系7.8.0

引言

版权纠纷的例子A在作品M中加注水印信息Wa

生成MaB对Ma做一些处理得到M’，并从中提取一些信息作为自己的水印数据Wb

，然后在M’中加注水印Wb

生成Mb，同时B将M’作为自己的原始作品保存在A和B发生版权纠纷时，A可以在B的原始作品M’和水印作品Mb中检测出A的水印信息Wa

，而B也可以在A的原始作品M和水印作品Ma中检测出B的水印信息Wb

7.8数字水印协议与安全体系7.8.1

数字水印协议

版权注册协议建立与权威机构之间的安全信道，到权威机构注册数字作品的版权，获取权威机构公证过的数字水印

水印加载协议由权威机构的水印加载服务器或购买者与销售者共同运行的水印加载程序来完成水印验证协议验证作品中的数字水印，以确定数字作品可能的版权人

7.8数字水印协议与安全体系7.8.1

数字水印协议

纠纷仲裁协议在单靠数字水印不能解决数字作品的版权人时（如，在作品中检测出不同的水印数据，或者由于作品本身受到太多的损害而不能恢复水印数据时），需要双方当事人按照仲裁协议进行仲裁仲裁的依据是仲裁协议中规定的与以上三个协议中密切相关的数据7.8数字水印协议与安全体系7.8.2

安全水印体系

在Internet网络这样的开放环境里，保护数字产品的版权必须采用一套严密完整的体系标准，规定网络上利益联系的实体、可信任第三方、加载和检验水印的实体、各个实体的责任、应遵守的协议等，即安全数字水印体系

7.8数字水印协议与安全体系7.8.2

安全水印体系

IMPRIMATUR体系结构IMPRIMATUR是由欧洲委员会DGIII计划制定的网络数字产品的知识产权保护IPR（IntellectualPropertyRights）认证和保护体系标准定义了电子商务环境下的若干重要角色，描述了角色间的关系1、结构模型7.8数字水印协议与安全体系7.8.2

安全水印体系

2、模型中的角色作品原创者：如作者、电影制造商、音像产品制造商等RH(RightsHolder)：版权所有者CP(CreationProvider)：内容提供商MD(MediaDistributor)：内容分发者CP和MD必须从版权所有者那里得到发行许可才能提供服务为了简化模型，可以认为CP和MD是一个机构，执行同样的功能，统称为网络多媒体产品的提供商7.8数字水印协议与安全体系7.8.2

安全水印体系

2、模型中的角色UNI(UniqueNumberIssuer)：产品序列号分发机构。主要负责为数字产品产生唯一标识的序列号CA(CertificationAuthority)：认证中心，是数字水印的检验机构，同时负责提供水印算法和分发水印密钥

IPRDatabase：IPR信息数据库，是法律授权的权威机构，负责登记产品的版权信息、版权所有者的信息、经过版权所有者许可的网络多媒体产品提供商的信息7.8数字水印协议与安全体系7.8.2

安全水印体系

2、模型中的角色买家：数字产品的购买者MSP(MonitoringServiceProvider)：监视数字产品的非法拷贝工作可以由法定部门进行，也可以由服务提供商提供

7.8数字水印协议与安全体系7.8.2

安全水印体系

3、角色之间的关系作品原创者从版权所有者那里获取版税版权所有者向网络多媒体产品提供商和中间分发商提供发行许可网络多媒体产品提供商和购买者之间是买方和卖方的关系可信任第三方有：产品序列号分发机构、认证中心、IPR信息数据库7.8数字水印协议与安全体系7.8.2

安全水印体系