數(shù)字水印及其應(yīng)用.ppt

數(shù)字水印及其應(yīng)用 數(shù)字水印背景知識(shí)介紹南開(kāi)大學(xué)嵌入式系統(tǒng)與信息安全實(shí)驗(yàn)室竇毅 內(nèi)容概要 水印及相關(guān)概念水印特點(diǎn)水印的分類水印框架與常用算法常見(jiàn)攻擊文本數(shù)字水印數(shù)字水印的應(yīng)用 水印及相關(guān)概念 加密技術(shù) 利用密鑰將明文變換為無(wú)意義或其他意思的密文 信息隱藏 將機(jī)密信息隱藏于公開(kāi)信息中 通過(guò)傳遞公開(kāi)信息而傳遞機(jī)密信息 數(shù)字水印 數(shù)字水印是以可感知或不可感知的形式嵌入到數(shù)字多媒體產(chǎn)品 文本 音頻 視頻 圖形和圖象等 中的 用于版權(quán)保護(hù) 內(nèi)容檢驗(yàn)或提供其它信息的信號(hào) 數(shù)字水印處理技術(shù)是水印生成 嵌入 抽取和檢測(cè)以及攻擊等過(guò)程的統(tǒng)稱 水印的特點(diǎn) 魯棒性 就是水印信息不能因?yàn)樗拗餍畔⒌母膭?dòng)而輕易受到損害 透明性 水印信息不能嚴(yán)重影響宿主信息的有效性 安全性 嵌入的水印不應(yīng)該很容易的被發(fā)現(xiàn) 有效性 水印信息確實(shí)能夠證明宿主信息的重要屬性 水印的分類 按照水印脆弱性按照水印可視性根據(jù)水印檢測(cè)過(guò)程按宿主信息類型按水印嵌入位置劃分 按水印脆弱性分類 魯棒性水印 水印不會(huì)因宿主變動(dòng)而輕易被破壞 通常用于版權(quán)保護(hù) 脆弱水印 對(duì)宿主信息的修改敏感 用于判斷宿主信息是否完整 按水印的檢測(cè)過(guò)程分類 盲水印 在水印檢測(cè)過(guò)程中不需要原宿主信息的參與 只用密鑰信息即可 明文水印 明文水印的水印信息檢測(cè)必須有原宿主信息的參與 盲水印 含水印圖像 抽取的水印 盲抽取算法 明文水印 按可視性分類 可見(jiàn)水印 不可見(jiàn)水印 右圖為左圖加入水印后效果 嵌入水印 按宿主信息類型分類 圖像水印 音頻水印 視頻水印 文本水印 音頻水印 視頻水印 文本水印 按照嵌入位置分類 空間域水印 直接對(duì)宿主信息變換嵌入信息 如最低有效位方法 用于圖象 音頻信息 文檔結(jié)構(gòu)微調(diào) 文本水印 變換域水印 基于常用的圖象變化 離散余眩變換DiscreteCosineTransformDCT 小波變換WT 等 例如對(duì)整個(gè)圖象或圖象的某些分塊作DCT變換 然后對(duì)DCT系數(shù)作改變 最低有效位方法 DCT變換 通用水印框架 常見(jiàn)算法 空間域算法 通過(guò)直接對(duì)宿主信息作變換來(lái)嵌入水印信息的算法 最低有效位 早期的數(shù)字水印算法以空域算法為主 算法通常比較簡(jiǎn)單 運(yùn)算量小 缺點(diǎn)是抵抗攻擊的能力往往會(huì)比較弱 變換域算法 通常首先對(duì)宿主信息作特殊變換 DCT DFT WF 然后在變換的基礎(chǔ)上嵌入信息 通常比較復(fù)雜 運(yùn)算量大 但抵抗攻擊的能力往往會(huì)強(qiáng)一些 DCT域數(shù)字水印算法 小波域數(shù)字水印算法 空間域算法舉例 schyndel算法 首先將密鑰輸入到一個(gè)M序列發(fā)生器 產(chǎn)生水印信號(hào) 然后將這些M序列水印信號(hào)重新排列成2維水印信息 并按像素點(diǎn)逐一插入到像素值的最低位 由于水印信號(hào)被安排在最低位 因此不易覺(jué)察 但是由于水印的嵌入位置固定 因此水印信息也很容易遭到破壞 魯棒性不好 空間域算法舉例 Patchwork算法 首先選中N對(duì)像素點(diǎn) 然后通過(guò)增加一個(gè)點(diǎn)的亮度值 而相應(yīng)降低另一個(gè)點(diǎn)的像素值 以此來(lái)嵌入信息 為了提高水印的魯棒性 算法將像素對(duì)擴(kuò)展為像素區(qū)域?qū)?對(duì)有損的濾波 壓縮 扭轉(zhuǎn)等具有較好的抵抗能力 文本水印算法 文本水印算法 通過(guò)改變行間距 字間距 字符特征或同義詞替換等來(lái)嵌入信息 變換域算法 DCT變換域算法 將圖像分成多個(gè)小塊 然后對(duì)每個(gè)小塊進(jìn)行DCT變換 得到DCT系數(shù)組 由密鑰控制選定一些DCT系數(shù) 然后通過(guò)對(duì)這些系數(shù)作變換而嵌入水印 數(shù)據(jù)改變的幅度比較小 透明性好 抵抗幾何變換攻擊的能力會(huì)比較弱 DCT嵌入算法 DCT嵌入圖例 NEC算法 NEC算法 NEC實(shí)驗(yàn)室的COX等人提出的水印算法 原則為 水印信號(hào)應(yīng)該嵌入源數(shù)據(jù)中對(duì)人的感覺(jué)最重要的部分 在頻譜空間中 這種重要部分就是低頻分量 這樣 攻擊者在破壞水印的過(guò)程中 不可避免地會(huì)引起圖象質(zhì)量的嚴(yán)重下降 水印信號(hào)應(yīng)該由具有高斯分布的獨(dú)立同分布隨機(jī)實(shí)數(shù)序列構(gòu)成 這使得水印經(jīng)受多拷貝聯(lián)合攻擊的能力大大增強(qiáng) 實(shí)現(xiàn)方法是 對(duì)整幅圖象做DCT變換 選取除DC分量外的1000個(gè)最大的DCT系數(shù)插入由N 0 1 所產(chǎn)生的一個(gè)實(shí)數(shù)序列水印信號(hào) NEC嵌入圖例 常見(jiàn)的攻擊方法 通過(guò)對(duì)作品的技術(shù)處理來(lái)破壞水印信息的攻擊 例如圖像壓縮 裁減 濾波運(yùn)算 打印 掃描處理以及A DD A處理等 通過(guò)偽造水印信息而和原水印信息產(chǎn)生糾紛 并以此否定原水印信息 IBM攻擊 又稱解釋攻擊 這是針對(duì)可逆 明文水印算法而進(jìn)行的攻擊 主要出現(xiàn)在這種情況 設(shè)原始圖象為I 加入水印WA的圖象為IA I WA 攻擊者首先生成自己的水印WF 然后創(chuàng)建一個(gè)偽造的原圖IF IA WF 也即IA IF WF 此后 因?yàn)楦鶕?jù)IF能夠從IA中提取水印 因此攻擊者可聲稱他擁有IA的版權(quán) 由于攻擊者可利用偽造原圖IF從IA中檢測(cè)出其水印WF 但原作者也能利用原圖I從IA中檢測(cè)出其水印WA 這就產(chǎn)生無(wú)法分辨與解釋的情況 IBM攻擊 串謀攻擊 所謂串謀攻擊就是利用同一原始多媒體的不同水印信號(hào)版本 來(lái)生成一個(gè)近似的多媒體數(shù)據(jù)集合 以此來(lái)逼近恢和復(fù)原始數(shù)據(jù) 其目的是使檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法在這一近似的數(shù)據(jù)集合中檢測(cè)出水印信號(hào)的存在 其中最簡(jiǎn)單的一種實(shí)現(xiàn)就是平均法 StirMark攻擊 它采用軟件方法 對(duì)水印載體圖像進(jìn)行處理 從而在水印載體圖象中引入一定的誤差 如StirMark可對(duì)水印載體進(jìn)行重采樣攻擊 首先進(jìn)行打印輸出 然后在通過(guò)掃描得到圖像 還可以對(duì)圖像進(jìn)行幾何失真處理 如剪切 旋轉(zhuǎn)處理 以及通過(guò)函數(shù)處理模擬非線性的A D變換所帶來(lái)的缺陷進(jìn)行攻擊 跳躍攻擊 主要是針對(duì)音頻信號(hào)水印信息采取得攻擊 首先將信號(hào)數(shù)據(jù)分成固定大小的段 然后在每一段中隨機(jī)復(fù)制和刪除一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 這雖然對(duì)于聽(tīng)覺(jué)效果影響并不明顯 但是卻可以影響水印檢測(cè)的定位 因而阻止水印信息檢測(cè) 文本數(shù)字水印 格式文本水印 主要是指水印嵌入是通過(guò)改變文本文件的格式信息完成的 例如改變行間距 字間距或在文件的特定位置加入空白信息等 純文本水印 這種水印信息的嵌入主要是通過(guò)改變文本信息本身來(lái)實(shí)現(xiàn)的 例如同義詞替換 句子結(jié)構(gòu)變換等 格式文本水印算法 行移編碼 通過(guò)上下移動(dòng)某些行 而改變行間距來(lái)嵌入信息 字移編碼 通過(guò)左右移動(dòng)字符而改變字間距來(lái)嵌入信息 字符特征編碼 改變字寬 字高等嵌入信息 空域編碼 通過(guò)在段的開(kāi)頭或結(jié)尾甚至標(biāo)題之后加入空格鍵來(lái)嵌入信息 行移編碼 行移編碼 右圖相對(duì)于左圖 第1 3行上移了一個(gè)象素 空域編碼 純文本水印算法 基于造句法 這種方法就是在不明顯改變語(yǔ)義和語(yǔ)氣的情況下 通過(guò)改變句子的結(jié)構(gòu)或措辭來(lái)嵌入信息 基于語(yǔ)義 基于語(yǔ)義的 這種方法是通過(guò)同義詞替換來(lái)嵌入信息 基于漢字特性 因?yàn)樵跐h語(yǔ)中 有很多字符雖然意思不同 但是在人們閱讀過(guò)程中并不是非常留意這些區(qū)別 因此可以用來(lái)嵌入信息 純文本水印舉例 基于造句法 將句子beforethenightisover Iwillhavefinished 改為 willhavefinishedbeforethenightisover 基于語(yǔ)義 同義詞替換或用縮寫(xiě)詞替