數(shù)字水印的發(fā)展

數(shù)字水印的發(fā)展簡介—水印背景、算法及相關(guān)理論李黎浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2001.9.17內(nèi)容安排順序數(shù)字水印提出的背景數(shù)字水印的概念、特性及分類圖像數(shù)字水印的幾種算法常見的幾種數(shù)字水印攻擊方法今后研究方向數(shù)字水印涉及的相關(guān)理論及軟件數(shù)字水印提出的背景多媒體信息安全中傳統(tǒng)的加解密系統(tǒng)并不能很好地解決版權(quán)保護(hù)問題。因?yàn)?，雖然經(jīng)過加密后只有被授權(quán)持有解密密鑰的人才可以存取數(shù)據(jù)，但是這樣就無法向更多的人展示自己的作品；而且數(shù)據(jù)一旦被解開，就完全置于解密人的控制之下，原創(chuàng)作者沒有辦法追蹤作品的復(fù)制和二次傳播。數(shù)字水印的概念數(shù)字水?。╠igitalwatermark）技術(shù)，是指在數(shù)字化的數(shù)據(jù)內(nèi)容中嵌入不明顯的記號。被嵌入的記號通常是不可見或不可察的，但是通過一些計算操作可以被檢測或者被提取。水印與源數(shù)據(jù)（如圖象、音頻、視頻數(shù)據(jù)）緊密結(jié)合并隱藏其中，成為源數(shù)據(jù)不可分離的一部分，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價值或商用價值的操作而存活下來。1原始圖像2加入水印后的圖像3水印數(shù)字水印的特性

透明性（隱藏性）。強(qiáng)壯性（免疫性）：所謂的操作包括：傳輸過程中的信道噪聲、濾波、增強(qiáng)、有損壓縮、幾何變換、D/A或A/D轉(zhuǎn)換等。所謂的攻擊包括：篡改、偽造、去除水印等。隱藏位置的安全性：指將水印信息藏于目標(biāo)數(shù)據(jù)的內(nèi)容之中，而非文件頭等處，防止因格式變換而遭到破壞。無歧義性：恢復(fù)出的水印或水印判決的結(jié)果應(yīng)該能夠確定地表明所有權(quán)，不會發(fā)生多重所有權(quán)的糾紛。通用性：好的水印算法適用于多種文件格式和媒體格式。通用性在某種程度上意味著易用性。數(shù)字水印的分類1. 可視水印與不可視水印。2. 易損水印和魯棒水印。3. 空域水印和頻域水印：直接在空域中對采樣點(diǎn)的幅度值作出改變，嵌入水印信息的稱為空域水印；對變換域中的系數(shù)作出改變，嵌入水印信息的稱為頻域水印。4. 非盲水印和盲水印。5. 私有水印和公開水印。6. 對稱水印和非對稱水印。通用數(shù)字水印系統(tǒng)框架

圖像數(shù)字水印的算法

.空域算法：此算法首先把一個密鑰輸入一個m-序列發(fā)生器來產(chǎn)生水印信號，然后排列成2維水印信號，按象素點(diǎn)逐一插入到原始圖象象素值的最低位。由于水印信號被安排在了最低位上，它是不可見的，基于同樣的原因，它可以輕易地被移去，因此不夠強(qiáng)壯。.文本水印算法：它們主要是通過輕微改變字符間距，行間距或是增加、刪除字符特征如底紋線等方法來嵌入水印。或是在符號級或語義級加入水印。例如，可以用big替換文本中的large。一種基于改變圖象數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性的水印算法，該算法首先隨機(jī)選取N對象素點(diǎn)，然后通過增加象素對中一個點(diǎn)的亮度值，而相應(yīng)降低另一個點(diǎn)的亮度值的調(diào)整來隱藏信息。.頻域算法：圖象的頻域空間中可以嵌入大量的比特而不引起可察的降質(zhì)，當(dāng)選擇改變中頻或低頻分量（除去直流分量）來加入水印時，強(qiáng)壯性還可大大提高。頻域水印技術(shù)可以利用通用的離散余弦變換，小波變換和傅立葉變換等變換方法。.壓縮域算法法：把水印印信號加到到表示視頻頻幀的數(shù)據(jù)據(jù)流中去。。對于輸入入的MPEG-2數(shù)數(shù)據(jù)流而言言，可分為為數(shù)據(jù)頭信信息、運(yùn)動動向量和DCT編碼碼信號塊三三部分，對對DCT編編碼數(shù)據(jù)塊塊中每一輸輸入的Huffman碼進(jìn)行行解碼和逆逆量化，把把得到的DCT系數(shù)數(shù)與相應(yīng)水水印信號塊塊的變換系系數(shù)相加，，對新的DCT系數(shù)數(shù)重新進(jìn)行行量化和Huffman編碼碼。然后比比較新的Huffman碼字字的位數(shù)n1與原來來的無水印印系數(shù)的碼碼字n0，，只在n1不大于n0的時候候才傳輸水水印碼字，，否則傳輸輸原碼字。。這就保證證了不增加加視頻數(shù)據(jù)據(jù)流的位率率。.NEC算法法：NEC實(shí)驗(yàn)室的的COX等等人提出的的基于擴(kuò)展展頻譜的水水印算法,原則為：：1)水印信號應(yīng)應(yīng)該嵌入源源數(shù)據(jù)中對對人的感覺覺最重要的的部分。在在頻譜空間間中，這種種重要部分分就是低頻頻分量。這這樣，攻擊擊者在破壞壞水印的過過程中，不不可避免地地會引起圖圖象質(zhì)量的的嚴(yán)重下降降。2)水印信號應(yīng)應(yīng)該由具有有高斯分布布的獨(dú)立同同分布隨機(jī)機(jī)實(shí)數(shù)序列列構(gòu)成。這這使得水印印經(jīng)受多拷拷貝聯(lián)合攻攻擊的能力力大大增強(qiáng)強(qiáng)。3）實(shí)現(xiàn)方方法是：對對整幅圖象象做DCT變換，選選取除DC分量外的的1000個最大的的DCT系系數(shù)插入由由N(0,1)所產(chǎn)產(chǎn)生的一個個實(shí)數(shù)序列列水印信號號。生理模型算算法：利用用人的生理理模型的特特性，包括括HVS和和HAS來來提高多媒媒體數(shù)據(jù)壓壓縮系統(tǒng)質(zhì)質(zhì)量和效率率。它們的的基本思想想是利用從從視覺模型型導(dǎo)出的JND描述述來確定在在圖象的各各個部分所所能容忍的的數(shù)字水印印信號的最最大強(qiáng)度，，從而避免免破壞視覺覺質(zhì)量。這這一方法同同時具有好好的透明性性和強(qiáng)壯性性。數(shù)字水印攻擊擊分析1.魯棒性性攻擊它包括常見的的各種信號處處理操作，如如圖象壓縮、、線性或非線性性濾波、疊加噪噪聲、圖象量量化與增強(qiáng)、、圖象裁剪、、幾何失真、、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換換以及圖象的的校正等。2.IBM攻擊這是針對可逆逆、非盲（non-oblivious）水印印算法而進(jìn)行行的攻擊。其其原理為設(shè)原原始圖象為I，加入水印印WA的圖象為IA=I+WA。攻擊者首先先生成自己的的水印WF，然后創(chuàng)建一一個偽造的原原圖IF=IA-WF，也即IA=IF+WF。這就產(chǎn)生無無法分辨與解解釋的情況。。防止這一攻攻擊的有效辦辦法就是研究究不可逆水印印嵌入算法，，如哈希過程程。3.StirMark攻擊Stirmark是英國國劍橋大學(xué)開開發(fā)的水印攻攻擊軟件，它它采用軟件方方法，實(shí)現(xiàn)對對水印載體圖圖象進(jìn)行的各各種攻擊，從從而在水印載載體圖象中引引入一定的誤誤差，我們可可以以水印檢檢測器能否從從遭受攻擊的的水印載體中中提取/檢測測出水印信息息來評定水印印算法抗攻擊擊的能力。如如StirMark可對對水印載體進(jìn)進(jìn)行重采樣攻攻擊，它可模模擬首先把圖圖象用高質(zhì)量量打印機(jī)輸出出，然后再利利用高質(zhì)量掃掃描儀掃描重重新得到其圖圖象這一過程程中引入的誤誤差。4.馬賽克克攻擊其攻擊方法是是首先把圖象象分割成為許許多個小圖象象，然后將每每個小圖象放放在HTML頁面上拼湊湊成一個完整整的圖象。一一般的Web瀏覽器都可可以在組織這這些圖象時在在圖象中間不不留任何縫隙隙，并且使其其看起來這些些圖象的整體體效果和原圖圖一模一樣，，從而使得探探測器無法從從中檢測到侵侵權(quán)行為。5.串謀攻攻擊所謂串謀攻擊擊就是利用同同一原始多媒媒體數(shù)據(jù)集合合的不同水印印信號版本，，來生成一個個近似的多媒媒體數(shù)據(jù)集合合，以此來逼逼近和恢復(fù)原原始數(shù)據(jù)，其其目的是使檢檢測系統(tǒng)無法法在這一近似似的數(shù)據(jù)集合合中檢測出水水印信號的存存在。6.跳躍攻攻擊跳躍攻擊主要要用于對音頻頻信號數(shù)字水水印系統(tǒng)的攻攻擊，其一般般實(shí)現(xiàn)方法是是在音頻信號號上加入一個個跳躍信號，，即首先將信信號數(shù)據(jù)分成成500個采采樣點(diǎn)為一個個單位的數(shù)據(jù)據(jù)塊，然后在在每一數(shù)據(jù)塊塊中隨機(jī)復(fù)制制或刪除一個個采樣點(diǎn)，來來得到499或501個個采樣點(diǎn)的數(shù)數(shù)據(jù)塊，然后后將數(shù)據(jù)塊按按原來順序重重新組合起來來。實(shí)驗(yàn)表明明，這種改變變對古典音樂樂信號數(shù)據(jù)也也幾乎感覺不不到，但是卻卻可以非常有有效地阻止水水印信號的檢檢測定位，以以達(dá)到難以提提取水印信號號的目的。類類似的方法也也可以用來攻攻擊圖象數(shù)據(jù)據(jù)的數(shù)字水印印系統(tǒng)，其實(shí)實(shí)現(xiàn)方法也非非常簡單，即即只要隨機(jī)地地刪除一定數(shù)數(shù)量的象素列列，然后用另另外的象素列列補(bǔ)齊即可，，該方法雖然然簡單，但是是仍然能有效效破壞水印信信號存在的檢檢驗(yàn)。7.法學(xué)攻攻擊法學(xué)攻擊(legalattacks)：這這種攻擊方法法與前三種方方法極為不同同。比如：現(xiàn)現(xiàn)有的或?qū)⒂杏械年P(guān)于版權(quán)權(quán)及數(shù)字信息息所有權(quán)的法法律，不同法法庭對于法律律條款的不同同解釋，原告告與被告的信信譽(yù)，攻擊者者質(zhì)疑水印方方案的能力，，原告與被告告的財力，他他們各自能請請到的專家證證人和律師等等等，等等。。數(shù)字水印研究究方向1.水印基本本原理和評價價方法的研究究，包括水印印理論模型、、水印結(jié)構(gòu)、、水印嵌入策策略、水印檢檢測算法、水水印性能評價價以及水印的的標(biāo)準(zhǔn)化等2． 現(xiàn)有水水印算法分析析3． 基于特特征的數(shù)字水水印技術(shù)因因基于統(tǒng)計計特征的數(shù)字字水印技術(shù)容容易受到非線線形等變換方方法的攻擊，，而基于圖象象高層特征的的數(shù)字水印技技術(shù)如基于邊邊界信息等則則具有較好魯魯棒性。4． 公鑰數(shù)數(shù)字水印系統(tǒng)統(tǒng)即使用用一個專有的的密鑰來疊加加水印信號，，而任何人均均可通過一個個公開的密鑰鑰來檢測出水水印信號，但但是用公開的的密鑰來推導(dǎo)導(dǎo)專有密鑰和和用公開的密密鑰來去除水水印信號這兩兩個過程都非非常困難。5． 數(shù)字水水印代理（Agent））其核心心思想是將數(shù)數(shù)字水印技術(shù)術(shù)與TSA（（trustedspottingagent）相結(jié)結(jié)合。這種數(shù)數(shù)字水印代理理在網(wǎng)絡(luò)上的的服務(wù)器之間間漫游，扮演演著基于數(shù)字字水印檢測、、驗(yàn)證和追蹤蹤非法拷貝的的偵探角色。。6． 目前其其它的數(shù)字水水印技術(shù)，如如對基于圖形形、矢量圖和和動畫等媒體體的數(shù)字水印印技術(shù)研究得得比較少。網(wǎng)格數(shù)字水印印計算機(jī)圖形學(xué)學(xué)中，物體常常常用三角形形網(wǎng)格模型來來描述。水印的研究工工作還剛剛起起步。Praun99利用多分分辨率分析的的思想，對網(wǎng)網(wǎng)格頂點(diǎn)構(gòu)造造一組標(biāo)量基基函數(shù)，并把把基函數(shù)作為為權(quán)值，對網(wǎng)網(wǎng)格的頂點(diǎn)坐坐標(biāo)進(jìn)行加權(quán)權(quán)的輕微擾動動。實(shí)驗(yàn)證明明此算法具有有較好的強(qiáng)壯壯性。但是仍仍然存在著不不足之處，如如計算量大，，完全獨(dú)立于于常用的網(wǎng)格格處理和編輯輯算法，水印印信息是實(shí)數(shù)數(shù)序列而不是是二值序列。。網(wǎng)格水印的難難點(diǎn)在于：.水印嵌入過過程中，由于于網(wǎng)格數(shù)據(jù)具具有不規(guī)則性性，缺乏進(jìn)行行頻率分解的的某種自然的的參數(shù)化方法法。水印檢測過程程中，網(wǎng)格簡簡化和其它的的攻擊方法可可能會改變網(wǎng)網(wǎng)格的連接關(guān)關(guān)系，或稱拓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。紋理水印紋理對于增強(qiáng)強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)世世界的真實(shí)感感起著非常重重要的作用，，它既是版權(quán)權(quán)保護(hù)的重要要對象，也是是對三維網(wǎng)格格水印的有益益補(bǔ)充。目前前的圖象水印印所處理的對對象基本上是是風(fēng)景、人物物照片，并沒沒有專門考慮慮紋理特點(diǎn)進(jìn)進(jìn)行增加水印印信息的算法法。1)尺寸問問題。我們考考慮把一個VRML文件件中的多幅紋紋理作為一個個整體來嵌入入水印。2)紋理特特性問題。很很多紋理具有有一定的重復(fù)復(fù)特性，容易易受到Fridrich在[11]中指出的攻攻擊。3)色彩轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換問題。目目前的圖象水水印研究集中中在單一灰度度圖象的水印印上，專門針針對彩色圖象象的水印算法法還沒有出現(xiàn)現(xiàn)。由于一個個VRML場場景中既可能能有灰度紋理理，也可能有有彩色紋理，，我們必須統(tǒng)統(tǒng)一考慮。我我們的方法是是先將彩色圖圖象從RGB色彩空間轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到Y(jié)IQ色彩空間，，然后對Y分分量（即灰度度分量）