信息隐藏与数字水印的研究及发展_钮心忻

２２计算机教育 2005.1信息隐藏和数字水印的研究是在２０世纪９０年代受到重视并蓬勃发展起来的。

多媒体信息在网络上的传递、发布和扩散带来了一系列的问题和应用需求，从总体上来说可以分为两大部分：伪装式保密信息传递（即信息隐藏）和多媒体信息的版权保护问题（即数字水印）。

信息隐藏主要应用在需要安全保密通信的部门，利用多媒体信息中的冗余空间携带隐蔽信息，达到秘密信息伪装传递的目的；同时，信息隐藏还要研究其对立面——隐蔽信息的分析和检测，这与密码编制学和密码分析学是类似的，信息隐藏与分析是一对矛盾统一体，它们相互对立又相互促进。

数字水印从实质上说也是一类信息隐藏，但是其目的不是为了保密通信，而是为了标明载体本身的一些信息，如多媒体信息的创作者、版权信息、使用权限等一系列需要标明的信息，利用数字水印，还可以跟踪多媒体产品的非法传播和扩散，打击盗版。

数字水印技术目前正处于一个快速发展和持续深入的阶段，应用领域也在快速扩展。

从最初的图像水印、音频水印，发展到软件水印、视频水印、文字水印；从最初的算法研究，扩展到行业领域的应用，如数字地图的版权保护、数字图书的版权保护、证件防伪、多媒体数据的检索、电子公文防篡改等。

１．信息隐藏的主要研究领域信息隐藏的研究分为正反两方面：隐藏和分析。

隐信息隐藏与数字水印的研究及发展北京邮电大学 钮心忻／文藏的目的是要在多媒体载体中隐藏尽可能多的信息，同时不能引起任何可察觉的变化（包括感观上的变化和信息统计分析上的变化）；分析的目的就是要在一批看似正常的多媒体载体中，通过各种分析方法，找出被怀疑隐藏有秘密信息的载体，然后通过提取、破译或者破坏，达到拦截和破坏秘密信息隐蔽传递的目的。

根据信息隐藏的载体分类，可以分为图像中的信息隐藏、视频中的信息隐藏、语音中的信息隐藏、文本中的信息隐藏、各类数据中的信息隐藏等。

在不同的载体中，信息隐藏的方法有所不同，需要根据载体的特征选择合适的隐藏算法。

比如图像、视频、音频中的信息隐藏，大部分都是利用了人的感观对于这些载体信号的冗余度来隐藏信息。

而文本或其他各类数据就无法利用冗余度来隐藏信息，因此在这些没有冗余度或者冗余度很小的载体中隐藏信息，就需要从另外的角度来设计隐藏方案。

根据目前已经提出的信息隐藏算法，从它们对载体的修改方式上进行分类，可以分为：时域（空域）替换技术、变换域技术、扩展频谱技术、统计方法。

根据隐藏载体以及载体传输过程中可能遭到的破坏和攻击的类型不同，可考虑设计不同的算法抵抗破坏和攻击。

对载体的破坏包括非恶意的和恶意的，非恶意的破坏例如载体在传输过程中叠加了噪声、受到有损压缩２３计算机教育 2005.1等，而恶意的破坏旨在消除隐藏的秘密信息。

对数字图像的常见破坏主要有：图像加噪、低通滤波、有损压缩、图像剪切、图像拼接、图像大小变化、图像旋转、打印扫描等。

对数字视频的常见破坏主要有：加噪、视频压缩编码、丢帧、插帧、帧重组、视频流剪切和拼接等。

对数字音频的常见破坏主要有：加噪、滤波、语音压缩编码、数模模数转换、重采样、采样率变化等。

对于数据集合的常见破坏主要有：数据跨平台的格式转换、数据删除、数据添加等。

２．信息隐藏的重点发展方向信息隐藏目前的研究热点和难点在以下几个方面：信息隐藏的容量问题。

信息隐藏在算法研究到一定程度后，急需解决一些深层的基础理论问题，例如，如何建立不可感知性的数学度量模型，信息隐藏的容量上界如何计算，能否达到此容量上界，通过哪些指标综合评价信息隐藏算法的优劣等。

信息隐藏的对立面——隐藏分析（现在越来越受到重视）。

信息隐藏技术是一把双刃剑，它既可以被合法使用，用于保护国家重要信息，又可以被违法犯罪分子甚至恐怖分子所利用，达到逃避监控的目的。

因此，为了使信息隐藏理论与技术能够健康发展，其对立面必须得到同步发展。

信息隐藏分析的目的有三个层次。

第一，要回答在一个载体中，是否隐藏有秘密信息。

第二，如果藏有秘密信息，提取出秘密信息。

第三，如果藏有秘密信息，不管能否提取出秘密信息，都不想让秘密信息正确到达接收者手中，因此，第三步就是将秘密信息破坏，但是又不影响伪装载体的感观效果（视觉、听觉、文本格式等），也就是说使得接收者能够正确收到伪装载体，但是又不能正确提取秘密信息，并且无法意识到秘密信息已经被攻击。

在信息隐藏分析中，类似于密码分析，可以根据检测者已知的消息进行分类：仅知伪装对象分析，已知载体分析，已知消息分析，选择伪装对象分析，选择消息攻击，已知隐藏算法、载体和伪装对象攻击。

即使已知某些消息，并假定攻击者有最好的攻击条件，提取隐藏的信息仍然是非常困难的。

对于一些稳健性非常强的隐藏算法，破坏隐藏信息也不是一件容易的事情。

主要的隐藏分析方法有：感观分析、统计分析、特征分析。

３．数字水印的主要研究领域数字水印的提出是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，人们已经发现了水印更多更广的应用。

目前，数字水印技术的应用大体上可以分为版权保护、数字指纹、认证和完整性校验、内容标识和隐藏标识、使用控制、内容保护、安全不可见通信等几个方面。

版权保护：当数字水印应用于版权保护时，其潜在的应用市场有：电子商务、在线（或离线）分发多媒体内容以及大规模的广播服务。

潜在的用户则有：数字产品的创造者和提供者；电子商务和图像软件的供应商；数字图像、视频摄录机、数字照相机和ＤＶＤ的制造者等。

数字指纹：为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可在其每个产品拷贝中分别嵌入不同的水印（称为数字指纹）。

如果发现了未经授权的拷贝，则通过检索指纹来追踪其来源。

在此类应用中，水印必须是不可见的，而且能抵抗恶意的擦除、伪造以及合谋攻击等。

认证和完整性校验：在许多应用中，需要验证数字内容未被修改或假冒。

尽管数字产品的认证可通过传统的密码技术来完成，但利用数字水印来进行认证和完整性校验的优点在于，认证同内容是密不可分的，因此简化了处理过程。

当对插入了水印的数字内容进行检验时，必须用惟一的与数据内容相关的密钥提取出水印，然后通过检验提取出的水印完整性来检验数字内容的完整性。

数字水印在认证方面的应用主要集中在电子商务和多媒体产品分发至终端用户等领域。

内容标识和隐藏标识：此类应用中，插入的水印信息构成一个注释，提供有关数字产品内容的进一步信息。

２４计算机教育 2005.1数字水印可用于隐藏标识和标签，可在医学、制图、多媒体索引和基于内容的检索等领域得到应用。

使用控制：在特定的应用系统中，多媒体内容需要特殊的硬件来拷贝和观看使用，插入水印来标识允许的拷贝数，每拷贝一份，进行拷贝的硬件会修改水印内容，将允许的拷贝数减一，以防止大规模的盗版。

内容保护：在一些特定应用中，数字产品的所有者可能会希望要出售的数字产品能被公开自由地预览，以尽可能多地招徕潜在的顾客，但也需要防止这些预览的内容被他人用于商业目的，因此，这些预览内容被自动加上可见的但同样难以除去的水印。

对水印技术的要求随着应用的不同而不同，针对不同的应用，采用的技术也不一样。

一个水印方案很难满足所有应用的所有要求，因此，数字水印算法往往是针对某类应用而设计的。

４．数字水印的重点发展方向今后数字水印技术的研究将侧重于完善数字水印理论，提高数字水印算法的稳健性、安全性，研究其在实际网络中的应用，建立相关标准等。

数字水印在理论方面的工作包括建立更好的模型，分析各种媒体中隐藏水印信息的理论容量，分析算法稳健性和抗攻击等性能。

同时，也应重视对水印攻击方法的研究，这有利于促进研制更好的数字水印算法。

研究稳健性更好的水印算法仍是数字水印的重点发展方向，但在提高算法稳健性的同时应当结合人类视觉特点和听觉特点，以保持较好的不可见性及有较大的信息容量。

另外，应注意自适应思想以及一些新的信号处理算法在水印算法中的应用，如分形编码、混沌编码等。

数字水印应用中安全性自然是很重要的要求，但水印算法的安全性不能靠算法的保密而得到，这正如密码算法一样。

研制更安全的数字水印算法仍是水印研究的重点之一。

此外，应根据不同的数字产品内容分等级插入水印，即对较重要的内容和对安全性要求高的内容插入强度大、安全性好的水印，而对不太重要的内容和对安全性要求不高的内容插入强度小安全性一般的水印，以适应实际应用的要求，这种分安全等级的水印方案有助于提高效率，也间接增强了水印的安全性。

从实际应用的观点看，我们认为数字水印的下列方向应是研究的重点：对于实际网络环境下的数字水印应用，应重点研究水印的网络快速自动验证技术，这需要结合计算机网络技术和认证技术；研究动态水印或具有交互性质的数字水印技术，可以修改水印内容或者通过水印来实现某些控制，如读取、拷贝。

这要求水印中有可执行内容，在网络环境中可以通过在水印中加入Ｊａｖａ模块或含有特定的ＵＲＬ等方法来实现。

应该注意到，数字水印要得到更广泛的应用必须建立一系列的标准或协议，如加载或插入水印的标准、提取或检测水印的标准、水印认证的标准等都是急需的，因为不同的水印算法如果不具备兼容性，显然不利于推广水印的应用。

同时，需要建立一些测试标准，如ＳｔｉｒＭａｒｋ几乎已成为事实上的测试标准软件，以衡量水印的稳健性和抗攻击能力。

这些标准的建立将会大大促进数字水印技术的应用和发展。

在网络的信息技术及电子商务迅速发展的今天，水印技术的研究更具有重要意义。

数字水印技术将对保护各种形式的数字产品起到重要作用，但必须认识到数字水印技术并非是万能的，必须配合密码学技术及认证技术、数字签名等技术一起使用。

一个实用的数字水印方案必须有这些技术的配合才能抵抗各种攻击，构成完整的数字产品版权保护的解决方案。

毫无疑问，数字水印技术将对保护各种形式的数字产品内容起到重要作用，因此，尽管该领域还是个相对年轻的领域，但它已经吸引了众多的研究者。

我们会看到，对数字水印攻击方法和水印算法设计的研究将有利于更好的水印方案的出现和更成功的数字水印应用。