數(shù)字水印技術(shù)：概念應(yīng)用及現(xiàn)狀

1、講述了數(shù)字水印技術(shù)的概念、 產(chǎn)生背景、分類、應(yīng)用狀況、研究動態(tài)和現(xiàn)實案例。一、 引言隨著信息時代的到來， 特別是 Internet 的普及，信息的安全保護問題日益突出。當前的信息安全技術(shù)基本上都以密碼學理論為基礎(chǔ)， 無論是采用傳統(tǒng)的密鑰系統(tǒng)還是公鑰系統(tǒng)， 其保護方式都是控制文件的存取， 即將文件加密成密文， 使非法用戶不能解讀。 但隨著計算機處理能力的快速提高， 這種通過不斷增加密鑰長度來提高系統(tǒng)密級的方法變得越來越不安全。另一方面，多媒體技術(shù)已被廣泛應(yīng)用， 需要進行加密、 認證和版權(quán)保護的聲像數(shù)據(jù)也越來越多。 數(shù)字化的聲像數(shù)據(jù)從本質(zhì)上說就是數(shù)字信號， 如果對這類數(shù)據(jù)也采用密碼加密方式， 則其

2、本身的信號屬性就被忽略了。 最近幾年， 許多研究人員放棄了傳統(tǒng)密碼學的技術(shù)路線， 嘗試用各種信號處理方法對聲像數(shù)據(jù)進行隱藏加密，并將該技術(shù)用于制作多媒體的“數(shù)字水印”。二、 數(shù)字時代的密寫術(shù) 數(shù)字水印數(shù)字水?。?Digital Watermark ）技術(shù)是指用信號處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標記， 這種標記通常是不可見的， 只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向。嵌入數(shù)字作品中的信息必須具有以下基本特性才能稱為數(shù)字水?。?. 隱蔽性：在數(shù)字作品中嵌入數(shù)字水印不會引起明顯的降質(zhì)， 并且不易被察覺。2. 隱藏位置的安全性： 水印信息隱藏于數(shù)據(jù)而

3、非文件頭中， 文件格式的變換不應(yīng)導致水印數(shù)據(jù)的丟失。3. 魯棒性：所謂魯棒性是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號處理過程后， 數(shù)字水印仍能保持完整性或仍能被準確鑒別。 可能的信號處理過程包括信道噪聲、濾波、數(shù) / 模與模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。在數(shù)字水印技術(shù)中，水印的數(shù)據(jù)量和魯棒性構(gòu)成了一對基本矛盾。從主觀上講，理想的水印算法應(yīng)該既能隱藏大量數(shù)據(jù)， 又可以抗各種信道噪聲和信號變形。 然而在實際中，這兩個指標往往不能同時實現(xiàn)， 不過這并不會影響數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用，因為實際應(yīng)用一般只偏重其中的一個方面。 如果是為了隱蔽通信， 數(shù)據(jù)量顯然是最重要的， 由于通信方式極為

4、隱蔽， 遭遇敵方篡改攻擊的可能性很小， 因而對魯棒性要求不高。 但對保證數(shù)據(jù)安全來說， 情況恰恰相反， 各種保密的數(shù)據(jù)隨時面臨著被盜取和篡改的危險， 所以魯棒性是十分重要的， 此時，隱藏數(shù)據(jù)量的要求居于次要地位。數(shù)字水印技術(shù)的基本思想源于古代的密寫術(shù)。 古希臘的斯巴達人曾將軍事情報刻在普通的木板上，用石蠟填平，收信的一方只要用火烤熱木板，融化石蠟后，就可以看到密信。使用最廣泛的密寫方法恐怕要算化學密寫了，牛奶、白礬、果汁等都曾充當過密寫藥水的角色。 可以說，人類早期使用的保密通信手段大多數(shù)屬于密寫而不是密碼。 然而，與密碼技術(shù)相比， 密寫術(shù)始終沒有發(fā)展成為一門獨立的學科，究其原因，主要是因為密

5、寫術(shù)缺乏必要的理論基礎(chǔ)。如今，數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展為古老的密寫術(shù)注入了新的活力，也帶來了新的機會。在研究數(shù)字水印的過程中， 研究者大量借鑒了密寫技術(shù)的思想。 尤其是近年來信息隱藏技術(shù)理論框架研究的興起，更給密寫術(shù)成為一門嚴謹?shù)目茖W帶來了希望。毫無疑問，密寫技術(shù)將在數(shù)字時代得以復興。三、 數(shù)字水印的分類數(shù)字水印技術(shù)可以從不同的角度進行劃分。1按特性劃分按水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印兩類。 魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標識著作權(quán)信息， 如作者、作品序號等， 它要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用的編輯處理； 脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保護， 與魯棒水印的要求相反， 脆弱水印必須

6、對信號的改動很敏感， 人們根據(jù)脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過。2按水印所附載的媒體劃分按水印所附載的媒體， 我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、 音頻水印、 視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展， 會有更多種類的數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的水印技術(shù)。3. 按檢測過程劃分按水印的檢測過程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。 明文水印在檢測過程中需要原始數(shù)據(jù)，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數(shù)據(jù)。一般來說，明文水印的魯棒性比較強， 但其應(yīng)用受到存儲成本的限制。 目前學術(shù)界研究的數(shù)字水印大多數(shù)是盲水印。4按內(nèi)容劃分按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為

7、有意義水印和無意義水印。 有意義水印是指水印本身也是某個數(shù)字圖像 （如商標圖像） 或數(shù)字音頻片段的編碼； 無意義水印則只對應(yīng)于一個序列號。 有意義水印的優(yōu)勢在于， 如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損， 人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^視覺觀察確認是否有水印。 但對于無意義水印來說， 如果解碼后的水印序列有若干碼元錯誤， 則只能通過統(tǒng)計決策來確定信號中是否含有水印。5按用途劃分不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技術(shù)。 按水印的用途， 我們可以將數(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。票據(jù)防偽水印是一類比較特殊的水印， 主要用于打印票據(jù)和電子票據(jù)的防偽。 一般來說，偽幣的制造

8、者不可能對票據(jù)圖像進行過多的修改， 所以，諸如尺度變換等信號編輯操作是不用考慮的。 但另一方面， 人們必須考慮票據(jù)破損、 圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求， 用于票據(jù)防偽的數(shù)字水印算法不能太復雜。版權(quán)標識水印是目前研究最多的一類數(shù)字水印。數(shù)字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權(quán)標識水印主要強調(diào)隱蔽性和魯棒性， 而對數(shù)據(jù)量的要求相對較小。篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標識宿主信號的完整性和真實性。隱蔽標識水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標注隱藏起來， 限制非法用戶對保密數(shù)據(jù)的使用。6按水印隱藏的位置劃分按數(shù)字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、

9、時 / 頻域數(shù)字水印和時間 / 尺度域數(shù)字水印。時（空）域數(shù)字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字水印、時 / 頻域數(shù)字水印和時間 / 尺度域數(shù)字水印則分別是在 DCT變換域、時 / 頻變換域和小波變換域上隱藏水印。隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展， 各種水印算法層出不窮， 水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。 應(yīng)該說，只要構(gòu)成一種信號變換， 就有可能在其變換空間上隱藏水印。四、 應(yīng)用前景多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展和 Internet 的普及帶來了一系列政治、經(jīng)濟、軍事和文化問題，產(chǎn)生了許多新的研究熱點， 以下幾個引起普遍關(guān)注的問題構(gòu)成了數(shù)字水印的研究背景。1數(shù)字作品的知識產(chǎn)權(quán)保護數(shù)字作品（如電腦美

10、術(shù)、掃描圖像、數(shù)字音樂、視頻、三維動畫）的版權(quán)保護是當前的熱點問題。 由于數(shù)字作品的拷貝、 修改非常容易， 而且可以做到與原作完全相同，所以原創(chuàng)者不得不采用一些嚴重損害作品質(zhì)量的辦法來加上版權(quán)標志，而這種明顯可見的標志很容易被篡改?！皵?shù)字水印”利用數(shù)據(jù)隱藏原理使版權(quán)標志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達到了版權(quán)保護的目的。 目前，用于版權(quán)保護的數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)進入了初步實用化階段， IBM公司在其“數(shù)字圖書館”軟件中就提供了數(shù)字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop 軟件中集成了 Digimarc 公司的數(shù)字水印插件。然而實事求是地說， 目前市場上的數(shù)字水印產(chǎn)品在技術(shù)上還不成

11、熟，很容易被破壞或破解，距離真正的實用還有很長的路要走。2商務(wù)交易中的票據(jù)防偽隨著高質(zhì)量圖像輸入輸出設(shè)備的發(fā)展，特別是精度超過 1200dpi 的彩色噴墨、激光打印機和高精度彩色復印機的出現(xiàn)， 使得貨幣、支票以及其他票據(jù)的偽造變得更加容易。據(jù)美國官方報道， 僅在 1997 年截獲的價值 4000 萬美元的假鈔中， 用高精度彩色打印機制造的小面額假鈔就占 19，這個數(shù)字是 1995 年的 9.05 倍。目前，美國、日本以及荷蘭都已開始研究用于票據(jù)防偽的數(shù)字水印技術(shù)。 其中麻省理工學院媒體實驗室受美國財政部委托， 已經(jīng)開始研究在彩色打印機、 復印機輸出的每幅圖像中加入唯一的、 不可見的數(shù)字水印，

12、在需要時可以實時地從掃描票據(jù)中判斷水印的有無，快速辨識真?zhèn)巍Ａ硪环矫?，在從傳統(tǒng)商務(wù)向電子商務(wù)轉(zhuǎn)化的過程中， 會出現(xiàn)大量過度性的電子文件，如各種紙質(zhì)票據(jù)的掃描圖像等。 即使在網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)成熟以后， 各種電子票據(jù)也還需要一些非密碼的認證方式。 數(shù)字水印技術(shù)可以為各種票據(jù)提供不可見的認證標志，從而大大增加了偽造的難度。3聲像數(shù)據(jù)的隱藏標識和篡改提示數(shù)據(jù)的標識信息往往比數(shù)據(jù)本身更具有保密價值，如遙感圖像的拍攝日期、經(jīng) / 緯度等。沒有標識信息的數(shù)據(jù)有時甚至無法使用， 但直接將這些重要信息標記在原始文件上又很危險。 數(shù)字水印技術(shù)提供了一種隱藏標識的方法， 標識信息在原始文件上是看不到的， 只有通過特殊的

13、閱讀程序才可以讀取。 這種方法已經(jīng)被國外一些公開的遙感圖像數(shù)據(jù)庫所采用。此外，數(shù)據(jù)的篡改提示也是一項很重要的工作。 現(xiàn)有的信號拼接和鑲嵌技術(shù)可以做到“移花接木”而不為人知，因此，如何防范對圖像、錄音、錄像數(shù)據(jù)的篡改攻擊是重要的研究課題。 基于數(shù)字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術(shù)途徑，通過隱藏水印的狀態(tài)可以判斷聲像信號是否被篡改。4隱蔽通信及其對抗數(shù)字水印所依賴的信息隱藏技術(shù)不僅提供了非密碼的安全途徑， 更引發(fā)了信息戰(zhàn)尤其是網(wǎng)絡(luò)情報戰(zhàn)的革命， 產(chǎn)生了一系列新穎的作戰(zhàn)方式， 引起了許多國家的重視。網(wǎng)絡(luò)情報戰(zhàn)是信息戰(zhàn)的重要組成部分，其核心內(nèi)容是利用公用網(wǎng)絡(luò)進行保密數(shù)據(jù)傳送。迄今為止，學術(shù)界在這

14、方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思維模式，然而，經(jīng)過加密的文件往往是混亂無序的，容易引起攻擊者的注意。網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得利用公用網(wǎng)絡(luò)進行保密通信有了新的思路，利用數(shù)字化聲像信號相對于人的視覺、聽覺冗余，可以進行各種時（空）域和變換域的信息隱藏，從而實現(xiàn)隱蔽通信。五、 研究動態(tài)從公開發(fā)表的文獻看， 國際上在數(shù)字水印方面的研究剛開始不久，但由于有大公司的介入和美國軍方及財政部的支持，該技術(shù)研究的發(fā)展速度非?？臁?1998 年以來， IEEE圖像處理、 IEEE 會報、 IEEE 通信選題、 IEEE 消費電子學等許多國際重要期刊都組織了數(shù)字水印的技術(shù)?？?qū)ｎ}新聞報道。- 在美國

15、，以麻省理工學院媒體實驗室為代表的一批研究機構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)申請了數(shù)字水印方面的專利。 1998 年，美國政府報告中出現(xiàn)了第一份有關(guān)圖像數(shù)據(jù)隱藏的 AD報告。目前，已支持或開展數(shù)字水印研究的機構(gòu)既有政府部門，也有大學和知名企業(yè)，它們包括美國財政部、美國版權(quán)工作組、美國空軍研究院、美國陸軍研究實驗室、 德國國家信息技術(shù)研究中心、 日本 NTT信息與通信系統(tǒng)研究中心、麻省理工學院、伊利諾斯大學、明尼蘇達大學、劍橋大學、瑞士洛桑聯(lián)邦工學院、西班牙 Vigo 大學、 IBM 公司 Watson 研究中心、微軟公司劍橋研究院、朗訊公司貝爾實驗室、 CA公司、 Sony 公司、 NEC研究所以及荷蘭菲利浦公司

16、等。1996 年 5 月 30 日 6 月 1 日，在英國劍橋牛頓研究所召開了第一屆國際信息隱藏學術(shù)研討會，至今已舉辦了三屆。 SPIE 和 IEEE 的一些重要國際會議也開辟了相關(guān)的專題。我國學術(shù)界對數(shù)字水印技術(shù)的反應(yīng)也非?？?， 已經(jīng)有相當一批有實力的科研機構(gòu)投入到這一領(lǐng)域的研究中來。 為了促進數(shù)字水印及其他信息隱藏技術(shù)的研究和應(yīng)用， 1999 年 12 月，我國信息安全領(lǐng)域的何德全院士、周仲義院士、蔡吉人院士與有關(guān)應(yīng)用研究單位聯(lián)合發(fā)起召開了我國第一屆信息隱藏學術(shù)研討會。 2000 年 1 月，由國家“ 863”智能機專家組和中科院自動化所模式識別國家重點實驗室組織召開了數(shù)字水印學術(shù)研討會，

17、 來自國家自然科學基金委員會、 國家信息安全測評認證中心、中國科學院、北京郵電大學、國防科技大學、清華大學、北方工業(yè)大學、上海交通大學、天津大學、中國科技大學、北京大學、北京理工大學、中山大學、北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所等單位的專家學者和研究人員深入討論了數(shù)字水印的關(guān)鍵技術(shù)，報告了各自的研究成果。從這次會議反應(yīng)的情況上看， 我國相關(guān)學術(shù)領(lǐng)域的研究與世界水平相差不遠， 而且有自己獨特的研究思路。目前，已支持或開展數(shù)字水印研究的機構(gòu)既有政府部門，也有大學和知名企業(yè)，它們包括美國財政部、 美國版權(quán)工作組、 美國空軍研究院、美國陸軍研究實驗室、德國國家信息技術(shù)研究中心、 日本 NTT信息與通信系統(tǒng)研究中心

18、、 麻省理工學院、伊利諾斯大學、明尼蘇達大學、劍橋大學、瑞士洛桑聯(lián)邦工學院、西班牙 Vigo 大學、 IBM公司 Watson 研究中心、微軟公司劍橋研究院、朗訊公司貝爾實驗室、CA公司、 Sony 公司、 NEC研究所以及荷蘭菲利浦公司等。1996 年 5 月 30 日 6 月 1 日，在英國劍橋牛頓研究所召開了第一屆國際信息隱藏學術(shù)研討會，至今已舉辦了三屆。 SPIE 和 IEEE 的一些重要國際會議也開辟了相關(guān)的專題。我國學術(shù)界對數(shù)字水印技術(shù)的反應(yīng)也非?？?， 已經(jīng)有相當一批有實力的科研機構(gòu)投入到這一領(lǐng)域的研究中來。 為了促進數(shù)字水印及其他信息隱藏技術(shù)的研究和應(yīng)用， 1999 年 12 月，我國信息安全領(lǐng)域的何德全院士、周仲義院士、蔡吉人院士與有關(guān)應(yīng)