數(shù)字水印的發(fā)展簡介

1、數(shù)字水印的發(fā)展簡介 水印背景、算法及相關(guān)理論內(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?。╠igital watermark）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(hào)。被嵌入的記號(hào)通常

2、是不可見或不可察的，但是通過一些計(jì)算操作可以被檢測(cè)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(jià)值或商用價(jià)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(huì)

3、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?。褐苯釉诳沼蛑袑?duì)采樣點(diǎn)的幅度值作出改變，嵌入水印信息的稱為空域水??；對(duì)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(duì)稱水印和非對(duì)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(gè)密鑰輸入一個(gè)m-序列發(fā)生器來產(chǎn)生水印信號(hào)，然后排列成2維水印信號(hào)，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(hào)被安排在了最低位

4、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?；蚴窃诜?hào)級(jí)或語義級(jí)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(jì)特性的水印算法，該算法首先隨機(jī)選取N對(duì)象素點(diǎn)，然后通過增加象素對(duì)中一個(gè)點(diǎn)的亮度值，而相應(yīng)降低另一個(gè)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(shí)，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

5、變換方法。 .壓縮域算法：把水印信號(hào)加到表示視頻幀的數(shù)據(jù)流中去。對(duì)于輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流而言，可分為數(shù)據(jù)頭信息、運(yùn)動(dòng)向量和DCT編碼信號(hào)塊三部分，對(duì)DCT編碼數(shù)據(jù)塊中每一輸入的Huffman碼進(jìn)行解碼和逆量化，把得到的DCT系數(shù)與相應(yīng)水印信號(hào)塊的變換系數(shù)相加，對(duì)新的DCT系數(shù)重新進(jìn)行量化和Huffman編碼。然后比較新的Huffman碼字的位數(shù)n1與原來的無水印系數(shù)的碼字n0，只在n1不大于n0的時(shí)候才傳輸水印碼字，否則傳輸原碼字。這就保證了不增加視頻數(shù)據(jù)流的位率。 .NEC算法：NEC實(shí)驗(yàn)室的COX等人提出的基于擴(kuò)展頻譜的水印算法,原則為： 1)水印信號(hào)應(yīng)該嵌入源數(shù)據(jù)中對(duì)人的感覺最重要的

6、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程中，不可避免地會(huì)引起圖象質(zhì)量的嚴(yán)重下降。 2)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)。 3）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)。 生理模型算法：利用人的生理模型的特性，包括HVS和HAS來提高多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)質(zhì)量和效率。它們的基本思想是利用從視覺模型導(dǎo)出的JND描述來確定在圖象的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度，從而避免破壞視覺質(zhì)量。這一方法同時(shí)具有好的透明性和

7、強(qiáng)壯性。數(shù)字水印攻擊分析 1. 魯棒性攻擊 它包括常見的各種信號(hào)處理操作，如圖象壓縮、線性或非線性濾波、疊加噪聲、圖象量化與增強(qiáng)、圖象裁剪、幾何失真、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換以及圖象的校正等。2. IBM攻擊 這是針對(duì)可逆、非盲（non-oblivious）水印算法而進(jìn)行的攻擊。其原理為設(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。這就產(chǎn)生無法分辨與解釋的情況。防止這一攻擊的有效辦法就是研究不可逆水印嵌入算法，如哈希過程。3. StirMark攻擊 Stirmark是英國劍橋大學(xué)開發(fā)的水印攻擊軟件，它采用軟件

8、方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)水印載體圖象進(jìn)行的各種攻擊，從而在水印載體圖象中引入一定的誤差，我們可以以水印檢測(cè)器能否從遭受攻擊的水印載體中提取/檢測(cè)出水印信息來評(píng)定水印算法抗攻擊的能力。如StirMark可對(duì)水印載體進(jìn)行重采樣攻擊，它可模擬首先把圖象用高質(zhì)量打印機(jī)輸出，然后再利用高質(zhì)量掃描儀掃描重新得到其圖象這一過程中引入的誤差。4. 馬賽克攻擊 其攻擊方法是首先把圖象分割成為許多個(gè)小圖象，然后將每個(gè)小圖象放在HTML頁面上拼湊成一個(gè)完整的圖象。一般的Web瀏覽器都可以在組織這些圖象時(shí)在圖象中間不留任何縫隙，并且使其看起來這些圖象的整體效果和原圖一模一樣，從而使得探測(cè)器無法從中檢測(cè)到侵權(quán)行為。5. 串謀攻擊

9、所謂串謀攻擊就是利用同一原始多媒體數(shù)據(jù)集合的不同水印信號(hào)版本，來生成一個(gè)近似的多媒體數(shù)據(jù)集合，以此來逼近和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，其目的是使檢測(cè)系統(tǒng)無法在這一近似的數(shù)據(jù)集合中檢測(cè)出水印信號(hào)的存在。6. 跳躍攻擊 跳躍攻擊主要用于對(duì)音頻信號(hào)數(shù)字水印系統(tǒng)的攻擊，其一般實(shí)現(xiàn)方法是在音頻信號(hào)上加入一個(gè)跳躍信號(hào)，即首先將信號(hào)數(shù)據(jù)分成500個(gè)采樣點(diǎn)為一個(gè)單位的數(shù)據(jù)塊，然后在每一數(shù)據(jù)塊中隨機(jī)復(fù)制或刪除一個(gè)采樣點(diǎn)，來得到499或501個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)塊，然后將數(shù)據(jù)塊按原來順序重新組合起來。實(shí)驗(yàn)表明，這種改變對(duì)古典音樂信號(hào)數(shù)據(jù)也幾乎感覺不到，但是卻可以非常有效地阻止水印信號(hào)的檢測(cè)定位，以達(dá)到難以提取水印信號(hào)的目的。類似的方

10、法也可以用來攻擊圖象數(shù)據(jù)的數(shù)字水印系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)方法也非常簡單，即只要隨機(jī)地刪除一定數(shù)量的象素列，然后用另外的象素列補(bǔ)齊即可，該方法雖然簡單，但是仍然能有效破壞水印信號(hào)存在的檢驗(yàn)。7. 法學(xué)攻擊 法學(xué)攻擊(legal attacks)：這種攻擊方法與前三種方法極為不同。比如：現(xiàn)有的或?qū)⒂械年P(guān)于版權(quán)及數(shù)字信息所有權(quán)的法律，不同法庭對(duì)于法律條款的不同解釋，原告與被告的信譽(yù)，攻擊者質(zhì)疑水印方案的能力，原告與被告的財(cái)力，他們各自能請(qǐng)到的專家證人和律師等等，等等。 數(shù)字水印研究方向 1.水印基本原理和評(píng)價(jià)方法的研究，包括水印理論模型、水印結(jié)構(gòu)、水印嵌入策略、水印檢測(cè)算法、水印性能評(píng)價(jià)以及水印的標(biāo)準(zhǔn)化等 2

11、現(xiàn)有水印算法分析 3基于特征的數(shù)字水印技術(shù) 因基于統(tǒng)計(jì)特征的數(shù)字水印技術(shù)容易受到非線形等變換方法的攻擊，而基于圖象高層特征的數(shù)字水印技術(shù)如基于邊界信息等則具有較好魯棒性。 4公鑰數(shù)字水印系統(tǒng) 即使用一個(gè)專有的密鑰來疊加水印信號(hào)，而任何人均可通過一個(gè)公開的密鑰來檢測(cè)出水印信號(hào)，但是用公開的密鑰來推導(dǎo)專有密鑰和用公開的密鑰來去除水印信號(hào)這兩個(gè)過程都非常困難。 5數(shù)字水印代理（Agent） 其核心思想是將數(shù)字水印技術(shù)與TSA（trusted spotting agent）相結(jié)合。這種數(shù)字水印代理在網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器之間漫游，扮演著基于數(shù)字水印檢測(cè)、驗(yàn)證和追蹤非法拷貝的偵探角色。 6目前其它的數(shù)字水印技術(shù)

12、，如對(duì)基于圖形、矢量圖和動(dòng)畫等媒體的數(shù)字水印技術(shù)研究得比較少。網(wǎng)格數(shù)字水印 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，物體常常用三角形網(wǎng)格模型來描述。水印的研究工作還剛剛起步。Praun99利用多分辨率分析的思想，對(duì)網(wǎng)格頂點(diǎn)構(gòu)造一組標(biāo)量基函數(shù)，并把基函數(shù)作為權(quán)值，對(duì)網(wǎng)格的頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行加權(quán)的輕微擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明此算法具有較好的強(qiáng)壯性。但是仍然存在著不足之處，如計(jì)算量大，完全獨(dú)立于常用的網(wǎng)格處理和編輯算法，水印信息是實(shí)數(shù)序列而不是二值序列。 網(wǎng)格水印的難點(diǎn)在于： .水印嵌入過程中，由于網(wǎng)格數(shù)據(jù)具有不規(guī)則性，缺乏進(jìn)行頻率分解的某種自然的參數(shù)化方法。 水印檢測(cè)過程中，網(wǎng)格簡化和其它的攻擊方法可能會(huì)改變網(wǎng)格的連接關(guān)系，或稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

13、。 Head Headwm Bunny Bunnywm (6769 vertices and 13472 faces) (8704 vertices and 17332 faces)圖 5-4：原始模型和水印模型紋理水印 紋理對(duì)于增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)感起著非常重要的作用，它既是版權(quán)保護(hù)的重要對(duì)象，也是對(duì)三維網(wǎng)格水印的有益補(bǔ)充。目前的圖象水印所處理的對(duì)象基本上是風(fēng)景、人物照片，并沒有專門考慮紋理特點(diǎn)進(jìn)行增加水印信息的算法。( 1 )尺寸問題。我們考慮把一個(gè)VRML文件中的多幅紋理作為一個(gè)整體來嵌入水印。( 2 )紋理特性問題。很多紋理具有一定的重復(fù)特性，容易受到Fridrich在11中指出的攻擊。( 3 )色彩轉(zhuǎn)換問題。目前的圖象水印研究集中在單一灰度圖象的水印上，專門針對(duì)彩色圖象的水印算法還沒有出現(xiàn)。由于一個(gè)VRML場(chǎng)景中既可能有灰度紋理，也可能有彩色紋理，我們必須統(tǒng)一考慮。我們的方法是先將彩色圖象從RGB色彩空間轉(zhuǎn)換到Y(jié)IQ色彩空間，然后對(duì)Y分量（