数字水印的发展简介..

• .NEC算法：NEC实验室的COX等人提出的基于扩展 频谱的水印算法,原则为： • 1)水印信号应该嵌入源数据中对人的感觉最重要 的部分。在频谱空间中，这种重要部分就是低频 分量。这样，攻击者在破坏水印的过程中，不可 避免地会引起图象质量的严重下降。 • 2)水印信号应该由具有高斯分布的独立同分布随 机实数序列构成。这使得水印经受多拷贝联合攻 击的能力大大增强。 • 3）实现方法是：对整幅图象做DCT变换，选取除 DC 分量外的 1000 个最大的 DCT 系数插入由 N(0,1) 所产生的一个实数序列水印信号。
网格数字水印
• 计算机图形学中，物体常常用三角形网格模型来描述。 水印的研究工作还刚刚起步。Praun99利用多分辨率分 析的思想，对网格顶点构造一组标量基函数，并把基 函数作为权值，对网格的顶点坐标进行加权的轻微扰 动。实验证明此算法具有较好的强壮性。但是仍然存 在着不足之处，如计算量大，完全独立于常用的网格 处理和编辑算法，水印信息是实数序列而不是二值序 列。 • 网格水印的难点在于： • .水印嵌入过程中，由于网格数据具有不规则性，缺乏 进行频率分解的某种自然的参数化方法。 • 水印检测过程中，网格简化和其它的攻击方法可能会 改变网格的连接关系，或称拓扑结构。
数字水印的发展简介
— 水印背景、算法及相关理论
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。
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：把水印信号加到表示视频 帧的数据流中去。对于输入的MPEG-2数据 流而言，可分为数据头信息、运动向量和 DCT编码信号块三部分，对DCT编码数据块 中每一输入的 Huffman 码进行解码和逆量 化，把得到的 DCT 系数与相应水印信号块 的变换系数相加，对新的 DCT 系数重新进 行 量 化 和 Huffman 编 码 。 然 后 比 较 新 的 Huffman 码字的位数 n1 与原来的无水印系 数的码字n0，只在n1不大于n0的时候才传 输水印码字，否则传输原码字。这就保证 了不增加视频数据流的位率。
2. IBM攻击
• 这是针对可逆、非盲（ non-oblivious ）水印 算法而进行的攻击。其原理为设原始图象为 I ， 加入水印WA的图象为IA=I+WA。攻击者首先生成 自 己 的 水 印 WF ， 然 后 创 建 一 个 伪 造 的 原 图 IF=IA-WF，也即IA=IF+WF。这就产生无法分辨与 解释的情况。防止这一攻击的有效办法就是研 究不可逆水印嵌入算法，如哈希过程。
数字水印的概念
• 数字水印（digital watermark）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。
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。
涉及的相关理论和软件
• • • • • • 数字图像处理的编码与压缩原理 数字图像相关的概率统计特征 数字图像的DFT、DCT、DWT变换 计算机密码学作为前处理和后处理 各种攻击算法的原理 VC++的编程环境或MATLAB软件等
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。
3. StirMark攻击
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Stirmark是英国剑桥大学开发的水印攻击 软件，它采用软件方法，实现对水印载体图象 进行的各种攻击，从而在水印载体图象中引入 一定的误差，我们可以以水印检测器能否从遭 受攻击的水印载体中提取 / 检测出水印信息来 评定水印算法抗攻击的能力。如StirMark可对 水印载体进行重采样攻击，它可模拟首先把图 象用高质量打印机输出，然后再利用高质量扫 描仪扫描重新得到其图象这一过程中引入的误 差。
• 生理模型算法：利用人的生理模型的特性，包 括HVS和HAS来提高多媒体数据压缩系统质量和 效率。它们的基本思想是利用从视觉模型导出 的JND描述来确定在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。这一方法同时具有好的透明性和强壮 性。
数字水印攻击分析
• 1. 鲁棒性攻击 • 它包括常见的各种信号处理操作，如图象压缩、 线性或非线性滤波、叠加噪声、图象量化与增 强、图象裁剪、几何失真、模拟数字转换以及 图象的校正等。
• 1.水印基本原理和评价方法的研究，包括水印 理论模型、水印结构、水印嵌入策略、水印检 测算法、水印性能评价以及水印的标准化等 • 2． 现有水印算法分析 • 3． 基于特征的数字水印技术 因基于统计特 征的数字水印技术容易受到非线形等变换方法 的攻击，而基于图象高层特征的数字水印技术 如基于边界信息等则具有较好鲁棒性。
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所谓串谋攻击就是利用同一原始多媒体数 据集合的不同水印信号版本，来生成一个近似 的多媒体数据集合，以此来逼近和恢复原始数 据，其目的是使检测系统无法在这一近似的数 据集合中检测出水印信号的存在。
6. 跳跃攻击
• 跳跃攻击主要用于对音频信号数字水印系统的攻击， 其一般实现方法是在音频信号上加入一个跳跃信号， 即首先将信号数据分成500个采样点为一个单位的数据 块，然后在每一数据块中随机复制或删除一个采样点， 来得到 499 或 501 个采样点的数据块，然后将数据块按 原来顺序重新组合起来。实验表明，这种改变对古典 音乐信号数据也几乎感觉不到，但是却可以非常有效 地阻止水印信号的检测定位，以达到难以提取水印信 号的目的。类似的方法也可以用来攻击图象数据的数 字水印系统，其实现方法也非常简单，即只要随机地 删除一定数量的象素列，然后用另外的象素列补齐即 可，该方法虽然简单，但是仍然能有效破坏水印信号 存在的检验。
纹理水印
• 纹理对于增强虚拟现实世界的真实感起着非常 重要的作用，它既是版权保护的重要对象，也 是对三维网格水印的有益补充。目前的图象水 印所处理的对象基本上是风景、人物照片，并 没有专门考虑纹理特点进行增加水印信息的算 法。
( 1 )尺寸问题。我们考虑把一个VRML文件中的多 幅纹理作为一个整体来嵌入水印。 ( 2 )纹理特性问题。很多纹理具有一定的重复特性， 容易受到Fridrich在[11]中指出的攻击。 ( 3 )色彩转换问题。目前的图象水印研究集中在单 一灰度图象的水印上，专门针对彩色图象的水印 算法还没有出现。由于一个VRML场景中既可能 有灰度纹理，也可能有彩色纹理，我们必须统一 考虑。我们的方法是先将彩色图象从RGB色彩空 间转换到 YIQ 色彩空间，然后对 Y 分量（即灰度 分量）进行水印。 ( 4 )公开水印问题。在水印提取和检测过程中不需 要原始纹理图象，这既极大地便利了版权认证过 程，又保证了原始图象的安全。如果原始图象可 以轻易被他人获取，那么再安全的水印算法钥数字水印系统 即使用一个专有的密 钥来叠加水印信号，而任何人均可通过一个公 开的密钥来检测出水印信号，但是用公开的密 钥来推导专有密钥和用公开的密钥来去除水印 信号这两个过程都非常困难。 • 5． 数字水印代理（Agent） 其核心思想是将 数字水印技术与TSA（trusted spotting agent）相结合。这种数字水印代理在网络上 的服务器之间漫游，扮演着基于数字水印检测、 验证和追踪非法拷贝的侦探角色。 • 6．目前其它的数字水印技术，如对基于图形、 矢量图和动画等媒体的数字水印技术研究得比 较少。
4. 马赛克攻击
• 其攻击方法是首先把图象分割成为许多个小图 象，然后将每个小图象放在 HTML页面上拼凑成 一个完整的图象。一般的 Web 浏览器都可以在 组织这些图象时在图象中间不留任何缝隙，并 且使其看起来这些图象的整体效果和原图一模 一样，从而使得探测器无法从中检测到侵权行 为。