DAY52信息隱藏與數(shù)字水印

1、內(nèi)容安排順序 v信息隱藏及數(shù)字水印技術概述 v數(shù)字音頻水印產(chǎn)品及評測 v數(shù)字音頻水印典型算法 v數(shù)字音頻水印典型攻擊及對策 v數(shù)字水印涉及的相關理論及軟件 1 信息安全的定義 v廣義定義 凡是涉及到信息的安全性，完整性，可用性，真實性和可控性的相 關理論和技術都是信息安全所要研究的領域 v狹義定義 指信息內(nèi)容的安全性，即保護信息的秘密性、真實性和完整性，避 免攻擊者利用系統(tǒng)的安全漏洞進行竊聽、冒充、詐騙、盜用等有損 合法用戶利益的行為，保護合法用戶的利益和隱私 v現(xiàn)代密碼學(Cryptography) 信息安全技術核心 2 依靠密碼學并不能完全解決問題 v加密方法的致命缺點 它明確地提示攻擊者

2、哪些是重要信息，容易引起攻擊者的好奇和注 意，并有被破解的可能性，而且一旦加密文件經(jīng)過破解后其內(nèi)容就 完全透明了 攻擊者可以在破譯失敗的情況下將信息破壞，使得即使是合法的接 收者也無法閱讀信息內(nèi)容 3 數(shù)字媒體的知識產(chǎn)權保護問題 v互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)字媒體應用 正在呈爆炸式的增長，越來越多的知識產(chǎn)品以電子版的方式在網(wǎng)上 傳播 數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡傳輸技術可以對數(shù)字媒體(數(shù)字聲音，文本，圖 象和視頻)的原版進行無限制的任意編輯，修改，拷貝和散布，造成 數(shù)字媒體的知識產(chǎn)權保護和信息安全的問題日益突出 4 以信息隱藏為核心的信息安全 v信息隱藏 將秘密信息秘密地隱藏于另一非機密的文件內(nèi)容之中。其形式可為 任

3、何一種數(shù)字媒體，如圖象、聲音、 視頻或一般的文檔等 密碼僅僅隱藏了信息的內(nèi)容，而信息隱藏不但隱藏了信息的內(nèi)容而 且隱藏了信息的存在 傳統(tǒng)的以密碼學為核心技術的信息安全和偽裝式信息安全技術不是 互相矛盾的技術，而是互補的 5 信息隱藏的歷史 v信息隱藏歷史的回顧 類似于古典密碼術，偽裝式信息安全也是自古就有了。本節(jié)將討論 古典隱寫術以及現(xiàn)代隱寫術的發(fā)展 這里，我們主要介紹一些文獻上記載的重要的歷史事件，以此來了 解歷史上人們是如何利用隱寫術的 古代的隱寫術從應用上可以分為這樣幾個方面 v技術性的隱寫術 v語言學中的隱寫術 v應用于版權保護的隱寫術 6 信息隱藏的歷史 v技術性的隱寫術 最早的隱寫

4、術的例子可以追溯到遠古時代 用頭發(fā)掩蓋信息 v在大約公元前440年，為了鼓動奴隸們起來反抗，Histiaus給他最信任的 奴隸剃頭，并將消息刺在頭上，等到頭發(fā)長出來后，消息被遮蓋，這樣 消息可以在各個部落中傳遞 使用書記板隱藏信息 v在波斯朝廷的一個希臘人Demeratus，他要警告斯巴達將有一場由波斯 國王薛西斯一世發(fā)動的入侵，他首先去掉書記板上的臘，然后將消息寫 在木板上，再用臘覆蓋，這樣處理后的書記板看起來是一個完全空白的。 事實上，它幾乎既欺騙了檢查的士兵也欺騙了接收信息的人 7 信息隱藏的歷史 將信函隱藏在信使的鞋底、衣服的皺褶中，婦女的頭飾和首飾中等 v在一篇信函中，通過改變其中某

5、些字母筆劃的高度，或者在某些字母上 面或下面挖出非常小的孔，以標識某些特殊的字母，這些特殊的字母組 成秘密信息 vWilkins(1614-1672)對上述方法進行了改進，采用無形的墨水在特定字 母上制作非常小的斑點。這種方法在兩次世界大戰(zhàn)中又被德國間諜重新 使用起來 v在1857年，Brewster就已經(jīng)提出將秘密消息隱藏“在大小不超過一個句 號或小墨水點的空間里”的設想。到1860年，制作微小圖象的難題被一 個叫Dragon的法國攝影師解決了，很多消息就可以放在微縮膠片中。如 在1870至1871年弗朗格-普魯士戰(zhàn)爭期間，巴黎被圍困時，印制在微縮 膠片中的消息就是通過信鴿傳遞的 8 信息隱

6、藏的歷史 vBrewster的設想在第一次世界大戰(zhàn)期間終于付諸實現(xiàn)，其作法是：先將 間諜之間要傳送的消息經(jīng)過若干照相縮影后縮小到微粒狀，然后粘貼在 無關緊要的雜志等文字材料中的句號或逗號上 使用化學方法的隱寫術 v如中國的魔術中采用的一些隱寫方法，用筆蘸淀粉水在白紙上寫字，然 后噴上碘水，則淀粉和碘起化學反應后顯出棕色字體 v化學的進步促使人們開發(fā)更加先進的墨水和顯影劑。但是，隨著“萬用 顯影劑”的發(fā)明，則不可見墨水的隱寫方法就無效了?！叭f用顯影劑” 的原理是，根據(jù)紙張纖維的變化情況，來確定紙張的哪些部位被水打濕 過，這樣，所有采用墨水的隱寫方法，在“萬用顯影劑”下都無效了 9 信息隱藏的歷史

7、 在藝術作品中的隱寫術 v在一些變形夸張的繪畫作品中，從正面看是一種景象，側(cè)面看又是另一 種景象，這其中就可以隱含作者的一些政治主張或異教思想 10 信息隱藏的歷史 v語言學中的隱寫術 語言學中的隱寫術，其最廣泛使用的方法是藏頭詩 v國外最著名的例子可能要算Giovanni Boccaccio(1313-1375)的詩作 Amorosa visione ,據(jù)說是“世界上最宏偉的藏頭詩”作品。他先創(chuàng)作了 三首十四行詩，總共包含大約1500個字母，然后創(chuàng)作另一首詩，使連續(xù) 三行押韻詩句的第這張一個字母恰好對應十四行詩的各字母 v到了16世紀和17世紀，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的關于偽裝術的文獻，并且其中 許

8、多方法依賴于一些信息編碼手段。Gaspar Schott(1608-1666)在他的 400頁的著作Schola Steganographica中，擴展了由Trithemius在書 Polygraphia中提出的“福哉馬利亞(Ave Maria)”編碼方法， 11 信息隱藏的歷史 其中Polygraphia和Steganographia是密碼學和隱藏學領域所知 道的最早出現(xiàn)的專著中的兩本。擴展的編碼使用40個表，其中每個表包 含24個用四種語言(拉丁語、德語、意大利語和法語)表示的條目，每個 條目對應于字母表中的一個字母。每個字母用出現(xiàn)在對應表的條目中的 詞或短語替代，得到的密文看起來象一段禱

9、告、一封簡單的信函、或一 段有魔力的咒語 vGaspar Schott還提出了可以在音樂樂譜中隱藏消息。用每一個音符對應 一個字母，可以得到一個樂譜。當然，這種樂譜演奏出來就可能被懷疑 v中國古代也有很多藏頭詩(也稱嵌字詩)，并且這種詩詞格式也流傳到現(xiàn) 在。如一年中秋節(jié)，紹興才子徐文長在杭州西湖賞月時，做了一首七言 絕句： 12 信息隱藏的歷史 平湖一色萬頃秋， 湖光渺渺水長流。 秋月圓圓世間少， 月好四時最宜秋。 其中前面四個字連起來讀，正是“平湖秋月” v中國古代設計的信息隱藏方法中，發(fā)送者和接收者各持一張完全相同的、 帶有許多小孔的紙，這些孔的位置是被隨機選定的。發(fā)送者將這張帶有 孔的紙

10、覆蓋在一張紙上，將秘密信息寫在小孔的位置上，然后移去上面 的紙，根據(jù)下面的紙上留下的字和空余位置，編寫一段普通的文章。接 收者只要把帶孔的紙覆蓋在這段普通文字上，就可以讀出留在小孔中的 秘密信息。在16世紀早期，意大利數(shù)學家Cardan(1501-1576)也發(fā)明了 這種方法，這種方法現(xiàn)在被稱作卡登格子法 13 信息隱藏的歷史 v用于版權保護的隱寫術 版權保護和侵權的斗爭從古至今一直在持續(xù)著。根據(jù)Samuelson的 記載，第一部“版權法”是“圣安妮的法令”，由英國國會于1710 年制定。 隱寫術又是如何被用于版權保護的呢？ vLorrain(1600-1682)是17世紀一個很有名的風景畫家

11、，當時出現(xiàn)了很多 對他的畫的模仿和冒充，由于當時還沒有相關的版權保護的法律，他就 使用了一種方法來保護他的畫的版權。他自己創(chuàng)作了一本稱為Liber Veritatis的書，這是一本寫生形式的素描集，它的頁面是交替出現(xiàn)的， 四頁蘭色后緊接著四頁白色，不斷重復著，它大約包含195幅素描。他 創(chuàng)作這本書的目的是為了保護自己的畫免遭偽造。 14 信息隱藏的歷史 v事實上，只要在素描和油畫作品之間進行一些比較就會發(fā)現(xiàn)，前者是專 門設計用來作為后者的“核對校驗圖”，并且任何一個細心的觀察者根 據(jù)這本書仔細對照后就能判定一幅給定的油畫是不是贗品 v類似的技術在目前仍然使用著。如，一種圖像保護系統(tǒng)ImageL

12、ock是這 樣工作的：系統(tǒng)中對每一個圖像保存一個圖像摘要，構成一個圖像摘要 中心數(shù)據(jù)庫，并且定期到網(wǎng)絡上搜尋具有相同摘要的圖像。它可以找到 任何未被授權使用的圖像，或者對任何仿造的圖像，可以通過對比圖像 摘要的辦法來指證盜版 15 信息隱藏技術內(nèi)容、特性 v信息偽裝技術研究的內(nèi)容 信息隱藏和信息的版權認證 信息訪問的合法身份認定等 其研究涉及密碼學，圖象處理，模式識別，數(shù)學和計算機科學等領 域 v特性 隱蔽性 安全性 對稱性 可糾錯性 16 信息隱藏技術的分類 隱隱 秘秘 信信 道道 基 于 語 義 的 偽 裝 術 基 于 技 術 的 偽 裝 術 偽 裝 術匿匿 名名 通通 信信 不 可 見

13、水 印可 見 水 印 水 印指 紋 穩(wěn) 健 的 版 權 標 識脆 弱 的 數(shù) 字 水 印 版 權 標 識 信信 息息 偽偽 裝裝 17 數(shù)字水印提出的背景 v傳統(tǒng)的加密/解密系統(tǒng)并不能很好地解決版權保護問題 加密文件經(jīng)過破解后其內(nèi)容就完全透明, 原創(chuàng)作者沒有辦法追蹤作品 的復制和二次傳播。攻擊者可以在破譯失敗的情況下將信息破壞， 使得即使是合法的接收者也無法閱讀信息內(nèi)容. v以MP3為代表的網(wǎng)絡音樂 在互聯(lián)網(wǎng)上肆無忌憚的復制和傳播使得藝術作品的作者和發(fā)行者的 利益受到極大損害。在這種背景下，能夠有效地實行版權保護的數(shù) 字水印(Digital Watermarking)技術應運而生 18 數(shù)字水

14、印的概念 v音頻數(shù)字水印技術 在不影響原始音頻質(zhì)量的條件下向其中嵌入具有特定意義且易于提 取的信息的過程 根據(jù)應用目的不同，被嵌入的信息可以是版權標識符、作品序列號、 文字(如藝術家和歌曲的名字)、甚至是一個小的圖像或一小段音頻等 水印與原始音頻數(shù)據(jù)緊密結(jié)合并隱藏在其中，通常是不可聽到的， 而且能夠抵抗一般信號處理和盜版者的某些惡意攻擊 19 原始圖像 帶水印圖像 水印 20 原始波形與帶水印波形 21 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的框架 附加數(shù)據(jù)附加數(shù)據(jù) 輸輸 入入 音頻信號音頻信號水印水印 嵌入嵌入 音音 樂樂 發(fā)發(fā) 布布 InternetInternet 音頻音頻 播放播放 音頻信號音頻信號 水印水

15、印 提取提取 附加數(shù)據(jù)輸出附加數(shù)據(jù)輸出 22 數(shù)字水印技術與通信系統(tǒng) v從理論的角度看 數(shù)字水印技術與通信系統(tǒng)十分類似。音頻作品視為信道，水印視為 待傳輸?shù)男盘枴ＴS多通信領域的理論和技術可以有效地應用到信息 隱藏及數(shù)字水印技術中 但一個水印信道和一個經(jīng)典的通信信道還是有重要區(qū)別的 v由各種信號處理以及攻擊引起的噪聲本質(zhì)十分不同而且難以建模描述 v對水印信號的約束是由人的感知系統(tǒng)決定的，這比傳統(tǒng)通信中簡單的L2 模型復雜得多而且至今尚未被人們完全理解。這些區(qū)別使通信理論和信 息論中的很多理論結(jié)果難以直接應用到水印技術中 23 數(shù)字音頻水印須具備的性質(zhì) v耦合性 水印必須嵌入到宿主音頻數(shù)據(jù)中，而不

16、能存儲于文件頭或單獨的文 件，否則可以很輕易的被除去或改變 v透明性 水印不應對原始音頻的聲音質(zhì)量產(chǎn)生可聽到的失真 v統(tǒng)計不可檢測性 防止攻擊者逆向嵌入過程來除去水印 v魯棒性 能抵抗宿主音頻信號上的壓縮，濾波，重采樣，重量化，剪切，加 噪聲等一般信號處理 24 數(shù)字音頻水印須具備的性質(zhì) v方便性 水印應易于提取，嵌入和檢測的計算量要低，以便其集成到一般電子產(chǎn)品中 v自同步性(self-clocking) 使水印在剪切和時間縮放等操作下能容易地檢測到 v盲檢測 原則上水印的檢測不應需要原始音頻，因為在一個開放環(huán)境下尋找原始音頻 是十分困難的 v通用性 好的水印算法適用于多種文件格式和媒體格式。

17、通用性在某種程度上意味著 易用性 25 數(shù)字水印的分類 v按作用域分類 時間/空間域水印 變換域水印(DCT，Wavelet，F(xiàn)ourier，倒譜，分形等). v按外觀分類 可見水印 不可見水印 v穩(wěn)健的不可見水印 v脆弱的不可見水印 26 數(shù)字水印的分類 v按水印載體分類 圖像水印 視頻水印 音頻水印 文本水印 v按嵌入/檢測方法分類 “insertion” vX= X f(w), X的知識會增強檢測性能，相關檢測 “relationship enforcement” v映射函數(shù)g( ), w = g(X) ，b信息完全包含在 X中，非相關檢測 27 數(shù)字水印的應用 v版權保護 一個標志作品

18、所有權的水印被嵌入到媒體數(shù)據(jù)中，成為其不可分割 的一個部分 水印只為版權所有者所知，并且能夠抵抗常規(guī)的信號處理、同步攻 擊和蓄意攻擊 水印檢測必須具有較小的錯誤率，沒有二義性，并保持盡可能小的 虛警率，而水印容量即嵌入的數(shù)據(jù)量不必很大 目前已有許多用于版權保護的音頻水印算法 28 數(shù)字水印的應用 v廣播監(jiān)控 在電視或電臺廣播中，廣告通常是一個電臺的重要收入來源，電臺 借著將廣告時段提供給廣告商播放廣告來收取費用 廣告商當然希望電臺確實將廣告依時段播出。音樂家或演員也會要 求電臺在播放他們作品時能夠付給他們應得的版稅，版權所有者也 希望能確實監(jiān)控是否有未授權的電臺播放他們的作品 可以將各不相同的

19、數(shù)字水印嵌入到各個影片或音樂片段中，并設立 一個自動監(jiān)控的接收站，用以接收監(jiān)控電臺播放的影片或聲音等媒 體，并自動在媒體中搜尋這個唯一的數(shù)字水印，這樣便可以確切知 道這些媒體被播放的時間、次數(shù)等相關信息 29 數(shù)字水印的應用 圖 1.2 數(shù)字音頻水印技術用于廣播監(jiān)控系統(tǒng)框圖 30 數(shù)字水印的應用 實際上用于商業(yè)應用的水印系統(tǒng)已經(jīng)存在了多年，類似概念也有了 較長歷史，例如 vLiquid公司在1998年發(fā)布了用于保護音樂作品的音頻水印技術，通過檢 測水印可以顯示歌曲是何時何地被何人下載 vNakamura等在2000年提出一種自動監(jiān)視無線廣播的音頻水印技術，可 以跟蹤音樂在何時被播放多長時間 3

20、1 數(shù)字水印的應用 v認證或篡改檢測 認證在密碼學中已得到完備的研究 vFriedman首次提出通過計算與圖像相關的密碼簽名來將認證用于產(chǎn)生 “可信賴的相機” v即使圖像只有一個比特被改變，那么計算出來的簽名也無法與原始簽名 相匹配，這樣對圖像的任何改變都可以被檢測到 v但是數(shù)字簽名必須和圖像一起傳輸，比如存放在某種圖像格式的文件頭 中 v如果圖像拷貝到另一種不包含該文件頭的格式，簽名就會丟失，認證也 就不再有效 32 數(shù)字水印的應用 一種更可取的辦法 v采用水印技術把輔助數(shù)據(jù)預先嵌入到源數(shù)據(jù)中，然后通過水印來判斷宿 主數(shù)據(jù)是否已被篡改 v不需要額外保持數(shù)據(jù)簽名。任何對源數(shù)據(jù)的改變也會作用到水

21、印上，使 我們可以更多地了解篡改是如何進行的 v沒有必要對除去水印或使之無法檢測的攻擊保持高魯棒性，因為這不是 攻擊者的興趣所在。但是必須防止在一個已被篡改的媒體數(shù)據(jù)中偽造一 個用于認證的水印 v希望能夠定位篡改區(qū)域，并且區(qū)分保持內(nèi)容操作(如中等強度的MP3壓縮) 和惡意篡改 v嵌入容量必須要大，檢測必須在沒有原始媒體數(shù)據(jù)的情況下進行，即進 行盲檢測或非相關檢測，因為原始數(shù)據(jù)很可能無法找到，即使存在也無 法驗證其有效性 33 數(shù)字水印的應用 v指紋鑒別 在上述版權保護、認證等應用中，對所有多媒體數(shù)據(jù)的復本拷貝， 都是嵌入同一組數(shù)字水印 然而有時候需要對每一個復本嵌入不同的水印，它可以讓多媒體版

22、 權擁有者或多媒體傳播者辨識該多媒體數(shù)據(jù)是不是一個合法的復本， 這種應用稱為指紋鑒別 假設某音樂CD在正式發(fā)售上市前，只有少數(shù)幾個復本交給相關的制 作參與者，但是在發(fā)售前卻發(fā)現(xiàn)此音樂CD已經(jīng)在盜版市場流通。由 于每一個合法復本皆有一個獨特的水印，一旦有此情形發(fā)生，將可 以從盜版的CD中提取出數(shù)字水印，以此來追查出此非法盜拷的源頭 是從哪一個復本流散出去的 34 數(shù)字水印的應用 工業(yè)界指紋鑒別的數(shù)字音頻水印產(chǎn)品 v1999年，美國高科技公司GMO發(fā)布了基于MPEG-2 AAC音頻壓縮技術 的MP4音頻格式文件，這是一種可以在網(wǎng)上下載或作為電子郵件附件傳 送的EXE自播放歌曲文件。MP4歌曲采用了

23、名為 SOLANA 技術的數(shù)字 水印，可方便追蹤和發(fā)現(xiàn)盜版發(fā)行行為。而且，任何針對MP4的非法解 壓行為都可能導致MP4原文件的損毀 v2003年，一項由德國人開發(fā)的數(shù)字水印技術在比利時開始商業(yè)應用，這 項技術可以防止在線音樂的非法復制。首個應用該技術的是比利時歌手 SoulBob的新專輯，該專輯將很快可以在網(wǎng)絡上下載。購買者的姓名以 及住址等個人信息將加入到數(shù)字水印中，這樣非法復制的音樂將可以很 快找到源頭。這項技術已經(jīng)在之前的應用中幫助抓獲了多個非法復制者 35 數(shù)字水印的應用 v拷貝及使用控制 前面所述的幾種應用，雖然可以對非法使用或非法拷貝造成一定的 阻礙作用，但還是無法阻止非法復制的

24、發(fā)生 要達到拷貝控制的要求就必須和播放或錄制的硬件機器設備配合使 用 v例如如果機器檢測到標示禁止錄制或播放的數(shù)字水印時，便會取消錄制 或播放的動作。當然這種應用需要所有硬件制造廠商的配合 36 數(shù)字水印的應用 v當前流行的MP3播放機與因特網(wǎng)連接，可以從網(wǎng)上直接下載MP3音樂并隨意復制。 但是，如果網(wǎng)上的音樂采用數(shù)字水印技術加以保護，則完全可以有效地阻止大量 無償下載并非法復制網(wǎng)上音樂 vIBM公司新發(fā)明的一種數(shù)字音頻水印技術在每一個MP3音樂數(shù)據(jù)中嵌入數(shù)字水印， 這種水印允許非營利性用戶在自己使用的范圍內(nèi)復制最多3次，如果超過3次將拷 貝失敗，從而能夠有效地防止一些惟利是圖的音樂經(jīng)營商大批

25、量地復制盜版音樂 37 數(shù)字水印的應用 v標注水印 標注水印一般要求嵌入比較多的信息，例如圖像各節(jié)內(nèi)容的說明、 作者、歌曲CD的歌詞、訂購信息，網(wǎng)站連接等等 標注水印要求采用公開水印算法，即提取水印時不需要原始數(shù)據(jù)的 任何信息 一般來說，標注水印還需要對常規(guī)的圖像或音頻信號處理，例如中 等強度的有損壓縮、濾波、噪聲等，以及輕微的同步攻擊/幾何變形 具有一定的魯棒性，但不需要抵抗惡意攻擊 38 數(shù)字水印的應用 v除了以上提到的幾種典型應用，我們在文獻中還可以發(fā)現(xiàn)一 些更有趣的應用，例如 Tachibana等使用實時水印嵌入技術將在正常情況下僅對數(shù)字格式存 儲媒體有效的音頻水印算法擴展到無線廣播和

26、現(xiàn)場直播的應用環(huán)境 中 Caccia等則提出了一種音頻水印算法用于自動識別在電視廣播節(jié)目 中的音樂片斷 39 音頻水印產(chǎn)品及評測 vSTEP2000 日本作者，作曲家和出版商權利協(xié)會(JASRAC) 2000年10月6日宣布 它已完成其用于評價和鑒定音頻數(shù)字水印技術的STEP2000計劃并鑒 定了5家公司的產(chǎn)品，推薦作為數(shù)字音樂發(fā)行的企業(yè)應用 vIBM公司 v韓國MarkAny有限公司 v日本Victor有限公司(JVC) v美國Blue Spike有限公司 v英國Signum公司 40 Audio Data Hiding for Music v透明性 由錄音棚工程師和藝術家進行聽覺測試 v支

27、持即將到來的新一代音頻 DVD-音頻質(zhì)量 (5.1 ch, 96 kHz 采樣, 24 bits ) v植入音樂的信息示例 v指示是否允許拷貝音樂的拷貝信息 v指示可以多自由地使用內(nèi)容的使用指南 v指示該音樂是什么的內(nèi)容ID v指示誰買了這段音樂的用戶ID 41 Audio Data Hiding for Music v應用 互聯(lián)網(wǎng)音樂分布(一個應用是EMMS) vEMMS(Emacs Multimedia System)是 Emacs 的一個多媒體播放插件. 它本身并不能處理多媒體, 而是通過一些外部的播放器(如 mplayer, mpg123, ogg123 等)來播放多媒體. 因此, 只

28、要外部播放器能處理的音頻 和視頻, EMMS 都能播放 商業(yè)電影廣播計數(shù) v一段商業(yè)電影已經(jīng)被廣播了多少次可以被自動計數(shù)，如果它的音 軌包含音頻數(shù)據(jù)隱藏聲音在里面 播放計數(shù) v藝術家可以發(fā)現(xiàn)他們的音樂在一個特定的電視或無線廣播頻道已 經(jīng)被播放了多少次，如果他們在音樂中植入聲音信息 42 Audio Data Hiding for Voice v聲音數(shù)據(jù)與音樂的區(qū)別 聲音通常使用的壓縮比音樂大得多，因此對聲音水印需要更強的魯 棒性 聲音和音樂有不同的聲學結(jié)構，所以需要不同的模型和方法 v應用 聲音數(shù)字隱藏技術可以保護版權或向聲音數(shù)據(jù)中植入有用的信息， 比如在語言學習CD中，聽力書中，談話百科全書

29、，談話用戶界面， 互聯(lián)網(wǎng)無線廣播，記錄的電視會議數(shù)據(jù)中 43 IBM Data Hiding for Audio vIBM數(shù)字音頻數(shù)據(jù)隱藏TM技術 是一個基于信號處理，概率論和心理聲學模型的數(shù)字水印技術。該 產(chǎn)品已經(jīng)在STEP2000上被簽定為優(yōu)秀并可用于實際商業(yè)用途。未經(jīng) 授權的蓄意除去或改變嵌入數(shù)據(jù)是非常難的，如果不使音頻質(zhì)量嚴 重下降 性能指標 vTwo successive D/A and A/D conversions vFM radio broadcasting The watermark can be retrieved after successive D/A, frequen

30、cy- modulated radio broadcasting, reception by a consumer receiver, and A/D processes 44 IBM Data Hiding for Audio vResampling and down conversion of channels The watermark can be detected at any sampling rate down to 16 kHz vTime compression/expansion with pitch shift and pitch preserved Linear spe

31、ed changes within 10% and pitch-invariant time scaling within 4% vData reduction coding MPEG-1 L1/L2/L3, MPEG-2 AAC, and ATRAC-1 vNonlinear amplitude compression 45 IBM Data Hiding for Audio vAdditive or multiplicative noise the embedded signal survives white noise addition with a constant level of

32、30 dB lower than the long-term averaged music power vFrequency response distortion such as equalization vAddition of echo maximum delay: 100 msec, feedback coefficient: around 0.5 vBand-pass filtering 8 kHz low-pass filtering 46 數(shù)字音頻水印算法概述 v算法作用域 時間域算法 頻率域算法 壓縮域算法 v與數(shù)字圖像相比 數(shù)字音頻數(shù)據(jù)量較大，且主要應用于廣播、在線分發(fā)等環(huán)境

33、，所以 原則上要求音頻水印的檢測算法必須是盲檢測，即不需要原始音頻 信號 47 時間域算法 v基本原理 在時間域上將水印直接隱藏入數(shù)字音頻信號，相對容易實現(xiàn)，但對 一般信號處理如音頻壓縮和濾波等的抵抗能力較差 v經(jīng)典算法 最低比特位LSB方法把每個采樣點的最低比特位用一個水印比特來代 替 Mansour等通過用樣條插值函數(shù)來改變音頻信號兩個連續(xù)的最大值和 最小值之間的相對長度，使之大于或小于某一閾值來分別植入1或0 回聲數(shù)據(jù)隱藏方法通過在時間域向音頻信號上引入作為水印的回聲 信號 來隱藏信息 48 頻率域算法 v早期頻域音頻水印技術 將水印信號放在如高頻區(qū)域之類的聽覺上不重要的區(qū)域，以使之不

34、可聽到 Tilki 等在一個交互式電視系統(tǒng)的開發(fā)中，2.4kHz到6.4kHz范圍內(nèi)的 中頻帶傅立葉變換系數(shù)被數(shù)字簽名所代替，將信息隱藏進電視伴音 人耳對聲音的相位不太敏感，尤其是缺乏感知絕對相位值的能力， 但對相位值的相對差異要敏感些。相位成分比振幅成分更重要, Bender等提出了一種相位編碼的方法 49 頻率域算法 v直接序列擴頻系統(tǒng)DSSS 即將一個數(shù)字水印序列與高速偽隨機碼相乘后疊加到原始音頻信號 上，并利用人類聽覺系統(tǒng)的掩蔽效應進一步整形水印信號以保證其 不可聽到 擴頻理論保證水印在統(tǒng)計上是不可檢測的，且通常作用在頻域上， 集中了兩種技術的優(yōu)點，對音頻壓縮，剪輯等信號處理具有很強的

35、 魯棒性，缺點是檢測時需要原始信號或原始水印 擴頻系統(tǒng)的同步問題 v偽隨機序列PN與待檢測信號必須精確對齊 50 頻率域算法 v基于倒譜的音頻信號數(shù)據(jù)隱藏方法 vMultipurpose audio watermarking 大多數(shù)水印方法不能同時用于多種用途。如果需要實現(xiàn)多個目的， 就需要同時注入多個水印 因為不同的水印擔負不同的使命，隱藏的順序十分重要(魯棒性水印 脆弱性水印) Lu等采用雞尾酒水印(cocktail watermarking)方法將兩個功能互補的 魯棒性水印和脆弱性水印同時植入原始音頻。 v對音頻保護，可得到高的魯棒性 v對音頻認證，可以檢測到篡改的區(qū)域 51 壓縮域算法

36、 v目標 得到帶水印的壓縮格式音頻 v兩種方式 在壓縮域上進行，水印直接加到MPEG音頻比特流上，水印嵌入非常 迅速，但魯棒性較差，任何解壓縮/再壓縮處理都可以輕易地除去水 印 首先將壓縮格式的音頻解壓，然后將水印植入到非壓縮域，最后帶 水印的音頻內(nèi)容再被重新壓縮成帶水印的壓縮格式音頻?？梢蕴岣?水印的魯棒性，但時間開銷太大，不適合在線交易和分發(fā) 52 壓縮域算法 v經(jīng)典算法 劍橋大學的Petitcolas等提出一種叫做MP3Stego的水印技術，在 壓縮過程中將水印信息隱藏進MP3文件，魯棒性較差，解壓比特流/ 重新壓縮可除去隱藏的水印信息。MP3Stego實際上并沒有在壓縮域 上直接植入水

37、印，被處理的對象是PCM數(shù)據(jù)，很耗時 Qiao等人提出兩種將水印直接嵌入到MPEG音頻流中的方法。第一 個將水印嵌入到MPEG音頻流的比例因子(Scale Factors)中，第二個 將水印嵌入到MPEG編碼的樣本數(shù)據(jù)中 53 基于內(nèi)容的音頻水印算法 v更加強調(diào)對音頻內(nèi)容的使用 v經(jīng)典算法 Xu等對每個幀進行音頻特征提取，基于特征測量，將音頻幀按照預 定義的類分類，并選擇適合于該類的植入算法 Wu等基于音頻內(nèi)容分析提取基于人耳敏感特征的顯著點(salient point)來定位水印嵌入?yún)^(qū)域, 在傅立葉變換域上采用擴頻技術嵌入水 印 54 第二代數(shù)字水印技術 v第一代數(shù)字水印技術 將水印植入到時

38、間域樣本/空間域象素或頻率域變換系數(shù)，沒有明顯 地利用知覺上重要的數(shù)據(jù)特征，把信息嵌入到數(shù)據(jù)知覺上最重要的 部分 v第二代數(shù)字水印技術 Kutter等明確指出在水印過程中要充分利用媒體中重要的數(shù)據(jù)特征 vTowards Second Generation Watermarking SchemesM. Kutter S. K. Bhattacharjee T. Ebrahimi (ICIP99) 55 第二代數(shù)字水印技術 v數(shù)據(jù)知覺重要特征 特征也許是抽象的，也許是數(shù)據(jù)在語義上有意義的特征 以圖像為例，特征可以是邊緣，邊角，紋理區(qū)域或具有特殊特性的 圖像部分 對音頻數(shù)據(jù)諧音之間的關系也許是一個有

39、用的特征 并不是所以的特征都適合水印。例如圖像的均勻區(qū)域就不是一個好 的特征因為如果圖像縮放的話它會改變 56 第二代數(shù)字水印技術 v適合于水印的特征應該具有如下特點 對噪聲不變(有損壓縮，加性乘性噪聲等) v保證只有重要的特征被選擇，攻擊一般不會改變重要特征否則數(shù)據(jù)的商 業(yè)價值就會受到損失 對幾何變換不變(旋轉(zhuǎn)，平移，子采樣，寬高比變化) v描述了特征點在受到幾何變形攻擊下的行為，中等程度的幾何變形不應 該損壞或改變特征 局域化 v剪切數(shù)據(jù)不應該改變其余的特征點，抵抗剪切之類的攻擊 57 第二代數(shù)字水印技術 v提取出來的特征可以按照兩種方式使用 特征可以作為標準水印方法的輔助手段 v例如，特

40、征可以為一個標準水印方案作為參考位置和方向。這種方案的 基本目標就是增強對幾何改變的魯棒性，雖然也希望達到其它目標 在嵌入過程中直接使用特征 v提取出來的特征被直接修改來嵌入水印信息 58 音頻水印系統(tǒng)的攻擊及解決方案 v根據(jù)對音頻信號同步結(jié)構的影響把攻擊主要分為兩類 音頻信號處理 vMPEG壓縮、低通/帶通濾波、加性/乘性噪聲、加入回聲、再采樣/再量 化、混頻、調(diào)幅等 v這種類型的攻擊不顯著影響音頻信號的同步結(jié)構 時間域同步攻擊 v抖動(jittering)、時間尺度縮放(time-scale warping)、變調(diào)(pitch-shift warping)以及上下采樣(up/down sa

41、mpling) v這種類型的攻擊會損壞音頻信號的同步結(jié)構，比第一種類型的攻擊更具 挑戰(zhàn)性 59 音頻水印系統(tǒng)的攻擊及解決方案 v對于數(shù)字音頻來說，同步攻擊需要引起特別的注意。剪切掉不想要的音 頻片段或隨機向音頻數(shù)據(jù)中添加和刪除樣本，都會引起這個問題。擴頻 技術中采用的相關檢測器依賴于待檢測信號和水印信號之間精確的對齊， 同步錯誤會對檢測性能產(chǎn)生嚴重的影響 v其它攻擊 針對某種水印技術專門設計的攻擊 協(xié)議層的解釋攻擊 Stirmark for Audio 基準測試工具 60 音頻水印系統(tǒng)的攻擊及解決方案 v抵抗同步攻擊的幾種方法 窮舉搜索 v通過定義有關參數(shù)(如時間縮放及延遲)的變化范圍和變化步

42、長，使它們 的每種組合代表一個假設已經(jīng)對作品進行的攻擊。檢測水印時首先逆轉(zhuǎn) 每個可能的組合，然后各應用一次水印檢測器 v兩個問題 一是計算代價，隨著搜索空間增大計算量也急劇增大 二是對水印檢測器多次操作會增加虛警率。小搜索空間時才有效 自相關 v具有自相關性質(zhì)的嵌入數(shù)據(jù)可同時作為同步數(shù)據(jù)和負載數(shù)據(jù)。自相關函 數(shù)在零點有一個大的峰值，在非零點上迅速減小到零。自相關模式類似 于加同步標記，具有很大的潛力 61 音頻水印系統(tǒng)的攻擊及解決方案 同步標記 v基于擴頻技術的水印算法要求被懷疑含有水印的作品檢測時要和原始水 印或原始作品精確對齊，這個過程在音頻文獻中叫做同步 (synchronization)，在圖像處理文獻中叫做對齊(registration) v一種同步方法是在水印數(shù)據(jù)中除了數(shù)據(jù)負載之外再加上一個同步標記。 水印檢測時首先找到同步標記，然后通過與嵌入時的同步標記比較來識 別作品受到的攻擊，這些攻擊被逆轉(zhuǎn)后再檢測水印