信息安全报告—图像数字水印技术

目录1.数字水印技术背景及意义 (2)1.1背景 (2)1.2意义 (2)2.图像水印技术概念及特征 (4)2.1概念 (4)2.2特征 (4)3.水印技术的分类及应用 (5)3.1分类 (5)3.2应用 (8)4.图像数字水印系统的组成 (9)4.1图像数字水印系统基本框架 (9)4.2数字水印系统 (11)5.数字图像水印技术的典型算法 (13)5.1典型的算法 (13)5.2其他算法 (14)6.水印技术工作流程 (15)6.1生成水印工作流程 (15)6.2嵌入水印工作流程 (15)6.3提取水印工作流程 (16)6.4水印攻击工作流程 (18)7. 总结 (19)1.数字水印技术背景及意义1.1背景从上世纪90年代初开始，计算机网络通讯技术飞速发展，数字化信息的存取变得非常便捷，计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备实现了人们将信息向世界各地迅速而准确传输的理想。

但是，随之而来的负面效应也相当严重，有恶意的个人或团体可以在并没有得到作品所有者许可的情况下拷贝和传播有版权的数字作品，这对数字媒体信息的版权保护和信息安全造成了严重的威胁，由此而显现的盗版问题和版权纠纷已成为日益严重的社会问题。

然而，传统的信息安全技术已经无法在这种新兴的、信息开发性的计算机网络环境下实施知识产权保护及重要信息的保密等工作。

因此，近年来，国内外许多学者提出了一系列新的信息安全技术思想，数字水印技术就是其中最重要的一种，它作为信息隐藏技术在多媒体领域的一项重要应用，为多媒体信息版权保护以及信息的合法使用提供了一种有效的解决办法。

1.2意义数字水印（Digital Watermarking）技术已经成为现代信息安全领域中非常重要且有效的数字信息版权保护手段。

数字水印技术是将具有特定意义的标记（版权标志，用户序列号，产品的相关信息或者是其它有意义的数据）运用一定的嵌入算法隐藏在数字图像、音频和视频等多媒体数字产品中，用以证明数字产品的版权、数字产品的完整性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息等。

这些标志性信息嵌入到多媒体数据中不影响原数据的观赏价值和使用价值，不被人的感知所察觉，只有通过专门的检测器或阅读器才能提取出来。

水印的概念最初是在1993年由Tirkel等人首次提出，次年第一届国际信息隐藏会议召开，数字水印技术开始得到很多关注，世界各国的科研机构、大学和商业团体都积极参与或投资支持此方面的研究，如美国财政部、美国空军研究院、美国版权工作组、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本NTT信息与通信系统研究中心、加利福尼亚大学、麻省理工学院、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、日内瓦大学、朗讯贝尔实验室、微软公司等都在进行这方面的研究工作。

在我国，数字水印技术也得到了一些学者和研究机构的高度关注。

1999年5月，国家自然科学基金委员会政策局等组织有关专家召开了“网络计算和信息安全论坛”，会议中强调了研究信息隐藏的重要性，与会专家建议基金委在“十五”期间应当重点关注包括数字水印在内的网络环境下的信息安全领域的研究。

同年12月11日在北京召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会，极大的促进了我国数字水印技术研究的发展。

数字水印技术作为一种新兴的科学交叉的应用技术，已成为当前多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术，而且受到了国际学术界和企业界的高度关注。

数字水印涉及了不同科学领域的思想和理论，如信息处理、图像处理、信息论、编码理论、密码学、检测理论、概率论和随机理论、数字通信、对策论、计算机科学及网络技术、算法设计技术，还包括公共策略和法律等。

因此无论从理论角度还是应用角度来看，开展对数字水印技术的研究，不但具有重要的学术意义，还有极为重要的经济意义。

2.图像水印技术概念及特征2.1概念图像数字水印技术就是将特定的标记，如作者名、创作时间、所有权等信息，利用数字内嵌的方法嵌入到数字图像中，用以证明创作者对其作品的所有权。

同时还可以作为鉴定、起诉非法侵权的证据，通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整性。

作为版权信息嵌入到图像中的秘密信息即称为数字水印，它可以是无意义的随机序列，也可以是文字、图像、声音等有意义的信息。

数字水印与原始图像紧密结合并隐藏其中，能经历一些不破坏原始图像的使用价值或商用价值的操作而保存下来。

数字水印不影响图像的可用性。

它是信息隐藏技术的最重要的一个分支，是解决多媒体数据版权保护问题的有效手段之一。

2.2特征数字水印一般具有如下基本特性：（1）不可感知性：是指人视觉或听觉上不可感知性，即嵌入水印导致作品的变化对判别者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，且数字水印的存在不影响被保护数据的正常使用。

（2）鲁棒性：是指含水印作品在经过JPEG压缩或常规的数字信号处理后，水印依然能被检测和提取的特性。

（3）安全性：是指水印系统能够抵挡恶意攻击的能力。

（4）唯一性：水印信息能够被唯一的鉴别确定，而且在遭到攻击时，水印不但能够继续存在，并且对它的鉴别不能出现歧义。

（5）嵌入有效性：是指嵌入水印后紧接着检测到水印的概率。

（6）数据容量：是指在需要保护作品中能嵌入水印的比特数。

3.水印技术的分类及应用3.1分类1、按特性：分为可见水印和不可见水印可见水印：可见水印是可以看的到的水印，它的应用不是很广泛，和人民币的水印防伪线类似。

图3.1可见水印图3.2 可见水印不可见水印：如用PS打开图片，点“文件----文件简介”就可以看到图片的作者情况和版权信息（包括鲁棒数字水印和脆弱数字水印）。

①鲁棒数字水印：标识著作权信息（作者，作品序号等），水印能经受各种常用的编辑处理。

②脆弱数字水印：用于保护完整性，与鲁棒数字水印相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就能判断数组是否被篡改过。

2、按检测过程分：明文水印：在检测过程中需要原始数据，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。

盲文水印：检测只需要密钥，目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。

3、按内容：有意义水印：指水印本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音频片段的编码，有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。

无意义水印：无意义水印则只对应于一个序列号，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。

4、按用途：票据防伪水印：主要用于打印票据和电子票据的防伪。

图3.3 票据防伪水印版权保护水印：是目前研究的最多的一类数字水印，主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。

图3.4 版权保护水印篡改提示水印：是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。

隐藏标识水印：目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。

5、按水印隐藏的位置：时（空）域数组水印：直接在信号空间上叠加水印信息频域数字水印：在DCT变换域上隐藏水印。

时/频域数字水印：在时/ 频变换域上隐藏水印。

时间/尺度域数字水印：在小波变换域上隐藏水印。

注：随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。

应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。

3.2应用1、版权保护数字作品的所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据。

数字作品的所有者将水印嵌入到原始数据中，然后公开发布水印化作品，当作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可以从盗版作品或者水印化作品中提取出版权信息，从而保护自己的权益。

这要求水印必须有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入不可逆性。

2、标题与注释将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品中。

例如，一幅照片的拍摄时间和地点等。

这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。

3、篡改提示当数字作品被用于法庭、医学、新闻、商业和军事时，常需要确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。

为实现该目的，通常需要将原始图像分成多个独立块，每个块加入不同的水印。

为确定其完整性，可通过检测每个数据块中的水印信号，可确定作品的完整性。

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、盗版跟踪为了防止作品未经授权被拷贝，作者或出品人可在每个合法拷贝中加入不同的ID或序列号。

一旦发现未经授权的拷贝，就可从此拷贝中提取出ID或序列号，然后根据ID或序列号来确定它的来源，这一应用领域要求水印不仅具有很强的鲁棒性，而且还要能抵抗共谋攻击。

5、使用控制在媒体的录放设备的设计中应用图像数字水印技术，当录放设备工作时，检测媒体上是否有水印的存在，以决定该媒体是否应该被录放。

从而拒绝非法拷贝媒体的流行和使用。

一个典型的例子是1996年美国电影协会（MPAA）、消费电子产品制造商协会（CEMA）和部分计算机厂商联合成立了国际版权保护技术工作组（CPTWG）研究DVD拷贝系统。

6、保密通信可以把需要传递的秘密信息嵌入可以公开的图像中，由于嵌入秘密信息的图像在主观视觉上并未发生变化，察觉到秘密信息的存在概率非常小。

从这个意义上讲，传输秘密信息的信道也是秘密的，这将有效地减少遭受攻击的可能性。

同时，由于信息的嵌入方法是秘密的，如果在此基础上结合密码学的方法，即使攻击者知道秘密信息的存在，要提取和破译信息也非易事。

这一点在军事上具有重大意义。

4.图像数字水印系统的组成4.1图像数字水印系统基本框架数字水印系统主要包含水印的生成、水印的嵌入、水印的提取或检测三部分。

如图4.1给出了数字水印系统的基本框架的详细示意图。

图4.1 数字水印系统基本框架m表示所有可能原始信息的集合，包括图像，随机序列及与作品有关的数字信息等。

X表示所有要保护的数字作品X的集合。

W表示水印信号W的集合。

S表示当水印为图像数据时的置乱加密预处理过程。

K表示水印密钥K的集合。

G表示利用原始数字作品X和密钥K和共同生成水印的算法，即：G:X×K→W，w = G(x,K) （1.1）这里，原始数字产品不一定参与水印生成过程，因此图1.1用虚线表示。

Em表示对含水印W嵌入数字产品中的嵌入算法，即：Em:X×W→X，x w=Em(x,w) （1.2）At表示对水印产品X W的攻击。

D表示水印检测算法，即：D:X×K→{0,1}，D(x',K)={）（中存在如果）（中不存在若1''wx1wxHH} （1.3）这里，H1和H0代表二值假设，分别表示水印的有无。

Ex表示水印提取算法，即：Ex:X×K→W，w'=Ex(X',K) （1.4）4.2数字水印系统1、水印生成水印生成是数字水印嵌入前的准备工作和预处理工作，一般是把数字作品的版权信息、保密信息等原始水印信息M在密钥K的配合下生成适合于嵌入到原始载体中的特嵌入水印信号W的过程中，其中G表示水印产生函数，经常通过伪随机排序、置换、扩频等方法将原始的有意义的水印转化为无意义的杂乱无章的看似噪声的信号。