數(shù)字水印技術(shù)及其應用綜述

1、數(shù)字水印技術(shù)及其應用綜述隨著Internet 網(wǎng)絡的快速發(fā)展, 越來越多的多媒體數(shù)字產(chǎn)品（包括圖像、音頻、視頻等形式的產(chǎn)品）在網(wǎng)絡上發(fā)布, 人們可以非常方便快捷地從網(wǎng)絡上獲取數(shù)字多媒體產(chǎn)品, 因此,數(shù)字多媒體的信息安全、版權(quán)保護和完整性認證問題就成為迫切需要解決的一個重要問題。數(shù)水印( digital watermarking)技術(shù)是目前信息安全技術(shù)領(lǐng)域的一個新方向, 是一種可以在開放網(wǎng)絡環(huán)境下保護版權(quán)和認證來源及完整性的新型技術(shù), 它在篡改鑒定、數(shù)據(jù)的分級訪問、數(shù)據(jù)跟蹤和檢測、商業(yè)和視頻廣播、Internet 數(shù)字媒體的服務付費、電子商務認證鑒定等方面具有十分廣闊的應用前景。自1993 年以

2、來, 該技術(shù)己經(jīng)引起人們的濃厚興趣, 并日益成為國際上非?；钴S的研究領(lǐng)域, 受到國際學術(shù)界和企業(yè)界的高度關(guān)注, 而且數(shù)字水印技術(shù)是一門新興的多學科交叉的應用技術(shù), 它涉及了不同學科領(lǐng)域的思想和理論, 如信號處理、信息論、編碼理論、密碼學、檢測理論、隨機理論、通信理論、對策論、計算機科學及網(wǎng)絡技術(shù)、算法設(shè)計等技術(shù)。因此, 數(shù)字水印技術(shù)的研究無論是從理論上還是從應用上都具有重要意義。1 數(shù)字水印的特點、分類及其應用1.1 數(shù)字水印的基本特點數(shù)字水印的基本思想是在數(shù)字圖像、音頻和視頻等多媒體數(shù)字產(chǎn)品中嵌入秘密信息, 以保護數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán),證明產(chǎn)品的真實性, 跟蹤盜版行為或提供產(chǎn)品的附加信息等。數(shù)字水

3、印系統(tǒng)通常具有下列幾方面的特點：（1）魯棒性 即圖像水印抵抗常見圖像處理操作的能力, 也就是說含水印圖像經(jīng)歷無意修改而保留水印信息的能力。一般說來, 當含水印圖像經(jīng)過一些基本處理（如噪聲濾波、平滑、增強、有損壓縮, 平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和裁剪等）后, 仍可檢測出水印。（2）透明性 即不可見性, 水印的存在不應明顯干擾載體的圖像數(shù)據(jù), 數(shù)字水印的嵌入不應使得原始數(shù)據(jù)發(fā)生可感知的改變, 也不能使得載體數(shù)據(jù)在質(zhì)量上發(fā)生可以感覺到的失真。（3）安全性 水印算法抵抗惡意攻擊的能力。即它必須能承受一定程度的人為攻擊, 而使水印信息不會被刪除、破壞或竊取。應該保證非授權(quán)用戶無法檢測或破壞水印。數(shù)字水印應該難以被

4、偽造或者加工,并且, 未經(jīng)授權(quán)的個體不得閱讀和修改水印, 理想情況是未經(jīng)授權(quán)的客戶將不能檢測到產(chǎn)品中是否有水印存在。（4） 數(shù)據(jù)容量 水印應該包含相當?shù)臄?shù)據(jù)容量,以滿足多樣化的需要。（5）可證明性在實際的應用過程1.2 數(shù)字水印的分類（1）依據(jù)所嵌入的載體不同, 可分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印和網(wǎng)絡水印等。（2） 按照水印透明性, 可分為可視水印和不可視水印。如果嵌入的水印強度足夠大, 能夠用肉眼直接觀察到, 則稱之為可視水印。而含有不可視水印的數(shù)據(jù)通常與原始數(shù)據(jù)緊密結(jié)合, 難以用肉眼觀察到。（3）按照水印生成方式,可分為非適應水印和自適應水印。（4）按照水印的抗攻擊能力, 可分

5、為脆弱水印、半脆弱水印和魯棒水印。脆弱水印對任何圖像變換或處理都非常敏感,半脆弱水印是對某些特定的圖像處理方法有穩(wěn)健性而對其他的處理不具備穩(wěn)健性, 魯棒水印對常見的各種圖像處理方法都具備穩(wěn)健性。（5）從水印檢測是否需要原始圖像參與來分,可以分為私有水印和公有水印。私有水印的檢測需要原始圖像的參與而公有水印的檢測不需要原始圖像的參與。通常來說, 公有水印的安全性和強壯性比不上私有水印, 但公有水印在聲明版權(quán)信息和預防侵權(quán)行為上無疑具有優(yōu)勢, 是水印發(fā)展的方向。1.3 數(shù)字水印的應用數(shù)字水印主要應用在以下幾個方面:（1）可以維護所有權(quán)(Ownership assertion)為了表明對數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容

6、的所有權(quán), 所有者用私鑰產(chǎn)生特定的水印, 然后將其嵌入到載體數(shù)據(jù)中, 公開發(fā)布含水印的作品, 當該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時, 所有者即可從被盜版作品中獲取水印信號作為依據(jù), 從而保護其合法權(quán)益。對這種應用領(lǐng)域來說,水印技術(shù)必須有較好的魯棒性, 同時也必須能防止被偽造。（2）數(shù)字指紋(digital fingerprinting)為了避免未經(jīng)授權(quán)的復制和分發(fā)可公開得到的多媒體內(nèi)容, 作品的所有者可以將不同用戶的序列號作為不同的水印(指紋)嵌入到作品的合法拷貝中。一旦發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝, 就可以根據(jù)此拷貝所恢復出的指紋來確定它的來源。對這種應用領(lǐng)域來說, 水印技術(shù)除具有版權(quán)保護應用中的特性不可見

7、性外,還必須能抵抗惡意的去除、偽造或試圖使水印無效的攻擊。（3）認證和完整性校驗(authentication and integrityverification)在許多應用中, 需要驗證數(shù)字內(nèi)容未被改變、修改或造假。對有些媒體數(shù)據(jù)是不允許修改的, 如醫(yī)學照片, 交通錄像等。為了檢驗其完整性, 通常采用脆弱水印, 通過檢驗提取出的水印完整性來檢驗數(shù)字內(nèi)容的完整性, 如有被修改, 可以確定被修改的位置。與其他水印不同的是, 這類水印必須是脆弱的, 并且檢測水印信號時, 不需要原始數(shù)據(jù)。（4）訪問控制（Visiting control）利用數(shù)字水印技術(shù)可以將訪問控制信息嵌入到媒體中, 在使用媒體之

8、前通過檢測嵌入到其中的訪問控制信息, 以達到訪問控制的目的, 它要求水印具有很高的魯棒性。這種應用的一個典型例子是DVD防拷貝系統(tǒng), 即將水印信息加入DVD數(shù)據(jù)中, 這樣DVD播放機即可通過檢測DVD數(shù)據(jù)中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性, 從而保護制造商的商業(yè)利益。（5）信息隱藏(Information hide)數(shù)字水印可用于作品的標識、注釋、檢索信息等內(nèi)容的隱藏, 這樣不需要額外的帶寬, 且不易丟失。另外, 數(shù)字水印技術(shù)還可以用于隱蔽通信, 這將在國防和情報部門得到廣泛的應用。2 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀初期的數(shù)字版權(quán)保護希望通過安全的加密技術(shù)來解決數(shù)字作品的未授權(quán)復制問題, 即鎖定數(shù)字作品

9、的內(nèi)容, 并限制只能將它分發(fā)給付了費的用戶。現(xiàn)在的數(shù)字版權(quán)保護則涵蓋了對各種形式的版權(quán)使用的標識、交易、保護、監(jiān)視和跟蹤, 包括了對版權(quán)所有者關(guān)系的管理。目前, 方正技術(shù)研究院正在進行電子圖書的數(shù)字版權(quán)保護技術(shù)的研究和開發(fā)工作, 并在電子圖書的版權(quán)保護方面取得了一定進展 7 , 北京彩虹天地信息技術(shù)有限公司提出了RG-DRM 的數(shù)字版權(quán)保護解決方案。國外在數(shù)字版權(quán)保護方面進行開發(fā)的公司有Microsoft 8 、Adobe9 、Intertrust 10 等, 這些公司目前已經(jīng)有相應的產(chǎn)品推出, 但在數(shù)字作品的可計數(shù)性、數(shù)字版權(quán)的權(quán)利控制、交易過程的安全及互操作性、用戶標識采集等方面的技術(shù)還存

10、在不足。由于數(shù)字版權(quán)保護的技術(shù)與市場還未成熟, 各廠商的產(chǎn)品互相不兼容, 數(shù)字內(nèi)容的安全交換方面也沒有形成統(tǒng)一的標準, 目前出現(xiàn)的數(shù)字內(nèi)容的安全交換協(xié)議有EBX( Electronic Book Exchange) 、XrML( eXtensible rights Markup Language) 等?，F(xiàn)在有多個開放組織正在進行數(shù)字版權(quán)保護的標準化工作, 其中Open eBook Forum 的重點在于數(shù)字內(nèi)容的交換協(xié)議和電子圖書格式 11 ,MPEG 工作組主要的工作是在多媒體方面 12 。此外, IETF( Internet Engineering Task Force) 在做底層數(shù)字版權(quán)

11、保護方面的工作, 而World Wide Web Consortium 也領(lǐng)導了一個數(shù)字版權(quán)保護的研究組。目前在流媒體數(shù)字版權(quán)保護領(lǐng)域的代表主要有Microsoft 和RealNetworks 13 公司。Microsoft 的WMRM(Windows Media Rights Manager) 系統(tǒng)只支持微軟自己的媒體格式ASF、WMA 和WMV;DRM 客戶端集成于Windows Media Player, 沒有為其他播放器提供插件; 打包器( Packager) 和許可證服務器( License Server) 需要授權(quán); 一旦某個Packager 的安全主密鑰( Secret mast

12、er key) 被獲取, 該Packager 產(chǎn)生的內(nèi)容都會被破解; License 與設(shè)備關(guān)聯(lián)而不是用戶。RealNetworks 的RMCS系統(tǒng)目前只支持RealMedia 的codecs, 支持基本的使用規(guī)則, 零售商的功能需要編程擴展。3 今后研究方向數(shù)字水印近十年來得到了迅速的發(fā)展, 基于水印的魯棒性、安全性、抗攻擊性的研究一直是數(shù)字水印研究領(lǐng)域的主要內(nèi)容。（1）數(shù)字水印與其他技術(shù)的結(jié)合, 在網(wǎng)絡環(huán)境下多媒體信息安全問題是當前一個研究熱點。多媒體信息安全主要是指安全傳遞、訪問控制和版權(quán)保護。數(shù)字水印技術(shù)并非是萬能的, 它必須與密碼學技術(shù)及數(shù)字認證、數(shù)字簽名或者數(shù)字信封等技術(shù)一起使用,

13、 才能構(gòu)造綜合的數(shù)據(jù)安全體系, 才能抵抗各種攻擊。（2）水印基本理論和算法研究: 數(shù)字水印技術(shù)的基本理論和算法研究一直都是研究的重點, 但目前數(shù)字水印技術(shù)的研究中模型和理論尚處于發(fā)展階段。需要繼續(xù)做進一步研究的方面有: 水印結(jié)構(gòu)、水印嵌入對策、水印檢測方法、水印攻擊方法及其對策、水印性能評價標準和水印的標準化等。（3）水印系統(tǒng)模型的研究。過去的水印研究中,基于統(tǒng)計特征的數(shù)字水印易受非線性變換的影響。為了提高水印檢測中的糾錯能力, 可利用現(xiàn)代通信原理,將水印的嵌入等價為一個通信模型, 采用信道編碼的方法來降低嵌入水印的檢測誤碼率。各種攻擊具有不同的特性, 所引起的水印檢測誤碼率也不同。如何根據(jù)不同攻擊的特性, 將其等效為通信理論中的問題,并應用相應的通信技術(shù)提高水印檢測時的正確率, 是未來研究的一個重要課題。（4）基于自適應算法的研究。充分利用人眼的視覺特性和數(shù)據(jù)特征, 產(chǎn)生自適應數(shù)字