数字水印技术及其应用综述3上课讲义

数字水印技术及其应用综述3数字水印技术及其应用综述随着Internet 网络的快速发展, 越来越多的多媒体数字产品（包括图像、音频、视频等形式的产品）在网络上发布, 人们可以非常方便快捷地从网络上获取数字多媒体产品, 因此,数字多媒体的信息安全、版权保护和完整性认证问题就成为迫切需要解决的一个重要问题。

数水印( digital watermarking)技术是目前信息安全技术领域的一个新方向, 是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术, 它在篡改鉴定、数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、Internet 数字媒体的服务付费、电子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景。

自1993 年以来, 该技术己经引起人们的浓厚兴趣, 并日益成为国际上非常活跃的研究领域, 受到国际学术界和企业界的高度关注, 而且数字水印技术是一门新兴的多学科交叉的应用技术, 它涉及了不同学科领域的思想和理论, 如信号处理、信息论、编码理论、密码学、检测理论、随机理论、通信理论、对策论、计算机科学及网络技术、算法设计等技术。

因此, 数字水印技术的研究无论是从理论上还是从应用上都具有重要意义。

1 数字水印的特点、分类及其应用1.1 数字水印的基本特点数字水印的基本思想是在数字图像、音频和视频等多媒体数字产品中嵌入秘密信息, 以保护数字产品的版权,证明产品的真实性, 跟踪盗版行为或提供产品的附加信息等。

数字水印系统通常具有下列几方面的特点：（1）鲁棒性即图像水印抵抗常见图像处理操作的能力, 也就是说含水印图像经历无意修改而保留水印信息的能力。

一般说来, 当含水印图像经过一些基本处理（如噪声滤波、平滑、增强、有损压缩, 平移、旋转、缩放和裁剪等）后, 仍可检测出水印。

（2）透明性即不可见性, 水印的存在不应明显干扰载体的图像数据, 数字水印的嵌入不应使得原始数据发生可感知的改变, 也不能使得载体数据在质量上发生可以感觉到的失真。

（3）安全性水印算法抵抗恶意攻击的能力。

即它必须能承受一定程度的人为攻击, 而使水印信息不会被删除、破坏或窃取。

应该保证非授权用户无法检测或破坏水印。

数字水印应该难以被伪造或者加工,并且, 未经授权的个体不得阅读和修改水印, 理想情况是未经授权的客户将不能检测到产品中是否有水印存在。

（4）数据容量水印应该包含相当的数据容量,以满足多样化的需要。

（5）可证明性在实际的应用过程1.2 数字水印的分类（1）依据所嵌入的载体不同, 可分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印和网络水印等。

（2）按照水印透明性, 可分为可视水印和不可视水印。

如果嵌入的水印强度足够大, 能够用肉眼直接观察到, 则称之为可视水印。

而含有不可视水印的数据通常与原始数据紧密结合, 难以用肉眼观察到。

（3）按照水印生成方式,可分为非适应水印和自适应水印。

（4）按照水印的抗攻击能力, 可分为脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印。

脆弱水印对任何图像变换或处理都非常敏感,半脆弱水印是对某些特定的图像处理方法有稳健性而对其他的处理不具备稳健性, 鲁棒水印对常见的各种图像处理方法都具备稳健性。

（5）从水印检测是否需要原始图像参与来分,可以分为私有水印和公有水印。

私有水印的检测需要原始图像的参与而公有水印的检测不需要原始图像的参与。

通常来说, 公有水印的安全性和强壮性比不上私有水印, 但公有水印在声明版权信息和预防侵权行为上无疑具有优势, 是水印发展的方向。

1.3 数字水印的应用数字水印主要应用在以下几个方面:（1）可以维护所有权(Ownership assertion)为了表明对数字产品内容的所有权, 所有者用私钥产生特定的水印, 然后将其嵌入到载体数据中, 公开发布含水印的作品, 当该作品被盗版或出现版权纠纷时, 所有者即可从被盗版作品中获取水印信号作为依据, 从而保护其合法权益。

对这种应用领域来说,水印技术必须有较好的鲁棒性, 同时也必须能防止被伪造。

（2）数字指纹(digital fingerprinting)为了避免未经授权的复制和分发可公开得到的多媒体内容, 作品的所有者可以将不同用户的序列号作为不同的水印(指纹)嵌入到作品的合法拷贝中。

一旦发现未经授权的拷贝, 就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。

对这种应用领域来说, 水印技术除具有版权保护应用中的特性——不可见性外,还必须能抵抗恶意的去除、伪造或试图使水印无效的攻击。

（3）认证和完整性校验(authentication and integrityverification)在许多应用中, 需要验证数字内容未被改变、修改或造假。

对有些媒体数据是不允许修改的, 如医学照片, 交通录像等。

为了检验其完整性, 通常采用脆弱水印, 通过检验提取出的水印完整性来检验数字内容的完整性, 如有被修改, 可以确定被修改的位置。

与其他水印不同的是, 这类水印必须是脆弱的, 并且检测水印信号时, 不需要原始数据。

（4）访问控制（Visiting control）利用数字水印技术可以将访问控制信息嵌入到媒体中, 在使用媒体之前通过检测嵌入到其中的访问控制信息, 以达到访问控制的目的, 它要求水印具有很高的鲁棒性。

这种应用的一个典型例子是DVD防拷贝系统, 即将水印信息加入DVD数据中, 这样DVD播放机即可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性, 从而保护制造商的商业利益。

（5）信息隐藏(Information hide)数字水印可用于作品的标识、注释、检索信息等内容的隐藏, 这样不需要额外的带宽, 且不易丢失。

另外, 数字水印技术还可以用于隐蔽通信, 这将在国防和情报部门得到广泛的应用。

2 国内外相关研究现状初期的数字版权保护希望通过安全的加密技术来解决数字作品的未授权复制问题, 即锁定数字作品的内容, 并限制只能将它分发给付了费的用户。

现在的数字版权保护则涵盖了对各种形式的版权使用的标识、交易、保护、监视和跟踪, 包括了对版权所有者关系的管理。

目前, 方正技术研究院正在进行电子图书的数字版权保护技术的研究和开发工作, 并在电子图书的版权保护方面取得了一定进展[ 7] , 北京彩虹天地信息技术有限公司提出了RG-DRM 的数字版权保护解决方案。

国外在数字版权保护方面进行开发的公司有Microsoft[ 8] 、Adobe[9] 、Intertrust[ 10] 等, 这些公司目前已经有相应的产品推出, 但在数字作品的可计数性、数字版权的权利控制、交易过程的安全及互操作性、用户标识采集等方面的技术还存在不足。

由于数字版权保护的技术与市场还未成熟, 各厂商的产品互相不兼容, 数字内容的安全交换方面也没有形成统一的标准, 目前出现的数字内容的安全交换协议有EBX( Electronic Book Exchange) 、XrML( eXtensible rights Markup Language) 等。

现在有多个开放组织正在进行数字版权保护的标准化工作, 其中Open eBook Forum 的重点在于数字内容的交换协议和电子图书格式[ 11] ,MPEG 工作组主要的工作是在多媒体方面[ 12] 。

此外,IETF( Internet Engineering Task Force) 在做底层数字版权保护方面的工作, 而World Wide Web Consortium 也领导了一个数字版权保护的研究组。

目前在流媒体数字版权保护领域的代表主要有Microsoft 和RealNetworks[ 13] 公司。

Microsoft 的WMRM(Windows Media Rights Manager) 系统只支持微软自己的媒体格式ASF、WMA 和WMV;DRM 客户端集成于Windows Media Player, 没有为其他播放器提供插件; 打包器( Packager) 和许可证服务器( License Server) 需要授权; 一旦某个Packager 的安全主密钥( Secret master key)被获取, 该Packager 产生的内容都会被破解; License 与设备关联而不是用户。

RealNetworks 的RMCS系统目前只支持RealMedia 的codecs, 支持基本的使用规则, 零售商的功能需要编程扩展。

3 今后研究方向数字水印近十年来得到了迅速的发展, 基于水印的鲁棒性、安全性、抗攻击性的研究一直是数字水印研究领域的主要内容。

（1）数字水印与其他技术的结合, 在网络环境下多媒体信息安全问题是当前一个研究热点。

多媒体信息安全主要是指安全传递、访问控制和版权保护。

数字水印技术并非是万能的, 它必须与密码学技术及数字认证、数字签名或者数字信封等技术一起使用, 才能构造综合的数据安全体系, 才能抵抗各种攻击。

（2）水印基本理论和算法研究: 数字水印技术的基本理论和算法研究一直都是研究的重点, 但目前数字水印技术的研究中模型和理论尚处于发展阶段。

需要继续做进一步研究的方面有: 水印结构、水印嵌入对策、水印检测方法、水印攻击方法及其对策、水印性能评价标准和水印的标准化等。

（3）水印系统模型的研究。

过去的水印研究中,基于统计特征的数字水印易受非线性变换的影响。

为了提高水印检测中的纠错能力, 可利用现代通信原理,将水印的嵌入等价为一个通信模型, 采用信道编码的方法来降低嵌入水印的检测误码率。

各种攻击具有不同的特性, 所引起的水印检测误码率也不同。

如何根据不同攻击的特性, 将其等效为通信理论中的问题,并应用相应的通信技术提高水印检测时的正确率, 是未来研究的一个重要课题。

（4）基于自适应算法的研究。

充分利用人眼的视觉特性和数据特征, 产生自适应数字水印和自适应嵌入算法, 以保证水印的不可见性、鲁棒性和安全性是未来水印的研究方向。

研究水印的嵌入位置及嵌入强度, 找到合适的嵌入位置和嵌入强度, 有利于水印嵌入后的视觉质量和减小检测过程的误码率。

（5）基于多小波变换的水印嵌入方法也是研究的一个方向。

目前大多都是在单小波变换域中嵌入水印。

如何利用多小波的良好性质, 结合视觉特性, 在图像数据中嵌入水印以保证较好的鲁棒性、不可见性和安全性, 是目前研究的一个重要课题。