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(dòng)態(tài)和現(xiàn)實(shí)案例。一、 引言隨著信息時(shí)代的到來(lái)， 特別是 Internet 的普及，信息的安全保護(hù)問題日益突出。當(dāng)前的信息安全技術(shù)基本上都以密碼學(xué)理論為基礎(chǔ)， 無(wú)論是采用傳統(tǒng)的密鑰系統(tǒng)還是公鑰系統(tǒng)， 其保護(hù)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(jì)算機(jī)處理能力的快速提高， 這種通過不斷增加密鑰長(zhǎng)度來(lái)提高系統(tǒng)密級(jí)的方法變得越來(lái)越不安全。另一方面，多媒體技術(shù)已被廣泛應(yīng)用， 需要進(jìn)行加密、 認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)的聲像數(shù)據(jù)也越來(lái)越多。 數(shù)字化的聲像數(shù)據(jù)從本質(zhì)上說(shuō)就是數(shù)字信號(hào)， 如果對(duì)這類數(shù)據(jù)也采用密碼加密方式， 則其

2、本身的信號(hào)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(xué)的技術(shù)路線， 嘗試用各種信號(hào)處理方法對(duì)聲像數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(hào)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(biāo)記， 這種標(biāo)記通常是不可見的， 只有通過專用的檢測(cè)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(gè)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(huì)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(dǎo)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(wú)意或有意的信號(hào)處理過程后， 數(shù)字水印仍能保持完整性或仍能被準(zhǔn)確鑒別。 可能的信號(hào)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(duì)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(hào)變形。 然而在實(shí)際中，這兩個(gè)指標(biāo)往往不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)， 不過這并不會(huì)影響數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用一般只偏重其中的一個(gè)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(duì)魯棒性要求不高。 但對(duì)保證數(shù)據(jù)安全來(lái)說(shuō)， 情況恰恰相反， 各種保密的數(shù)據(jù)隨時(shí)面臨著被盜取和篡改的危險(xiǎn)， 所以魯棒性是十分重要的， 此時(shí)，隱藏?cái)?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(dá)人曾將軍事情報(bào)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(xué)密寫了，牛奶、白礬、果汁等都曾充當(dāng)過密寫藥水的角色。 可以說(shuō)，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(dú)立的學(xué)科，究其原因，主要是因?yàn)槊?/p>

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(lái)了新的機(jī)會(huì)。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(lái)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(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)帶來(lái)了希望。毫無(wú)疑問，密寫技術(shù)將在數(shù)字時(shí)代得以復(fù)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(jìn)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(biāo)識(shí)著作權(quán)信息， 如作者、作品序號(hào)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(hù)， 與魯棒水印的要求相反， 脆弱水印必須

6、對(duì)信號(hào)的改動(dòng)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(huì)有更多種類的數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水印技術(shù)。3. 按檢測(cè)過程劃分按水印的檢測(cè)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(cè)過程中需要原始數(shù)據(jù)，而盲水印的檢測(cè)只需要密鑰，不需要原始數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，明文水印的魯棒性比較強(qiáng)， 但其應(yīng)用受到存儲(chǔ)成本的限制。 目前學(xué)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(wú)意義水印。 有意義水印是指水印本身也是某個(gè)數(shù)字圖像 （如商標(biāo)圖像） 或數(shù)字音頻片段的編碼； 無(wú)意義水印則只對(duì)應(yīng)于一個(gè)序列號(hào)。 有意義水印的優(yōu)勢(shì)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(rèn)是否有水印。 但對(duì)于無(wú)意義水印來(lái)說(shuō)， 如果解碼后的水印序列有若干碼元錯(cuò)誤， 則只能通過統(tǒng)計(jì)決策來(lái)確定信號(hào)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(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識(shí)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(lái)說(shuō)，偽幣的制造

8、者不可能對(duì)票據(jù)圖像進(jìn)行過多的修改， 所以，諸如尺度變換等信號(hào)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(cè)的要求， 用于票據(jù)防偽的數(shù)字水印算法不能太復(fù)雜。版權(quán)標(biāo)識(shí)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(shí)作品，這種雙重性決定了版權(quán)標(biāo)識(shí)水印主要強(qiáng)調(diào)隱蔽性和魯棒性， 而對(duì)數(shù)據(jù)量的要求相對(duì)較小。篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標(biāo)識(shí)宿主信號(hào)的完整性和真實(shí)性。隱蔽標(biāo)識(shí)水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來(lái)， 限制非法用戶對(duì)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(shí)（空）域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、

9、時(shí) / 頻域數(shù)字水印和時(shí)間 / 尺度域數(shù)字水印。時(shí)（空）域數(shù)字水印是直接在信號(hào)空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字水印、時(shí) / 頻域數(shù)字水印和時(shí)間 / 尺度域數(shù)字水印則分別是在 DCT變換域、時(shí) / 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(shuō)，只要構(gòu)成一種信號(hào)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(lái)了一系列政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和文化問題，產(chǎn)生了許多新的研究熱點(diǎn)， 以下幾個(gè)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(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)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(dòng)畫）的版權(quán)保護(hù)是當(dāng)前的熱點(diǎn)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(yán)重?fù)p害作品質(zhì)量的辦法來(lái)加上版權(quán)標(biāo)志，而這種明顯可見的標(biāo)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(biāo)志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達(dá)到了版權(quán)保護(hù)的目的。 目前，用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了初步實(shí)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(shí)事求是地說(shuō)， 目前市場(chǎng)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(shí)用還有很長(zhǎng)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(jī)和高精度彩色復(fù)印機(jī)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(guó)官方報(bào)道， 僅在 1997 年截獲的價(jià)值 4000 萬(wàn)美元的假鈔中， 用高精度彩色打印機(jī)制造的小面額假鈔就占 19，這個(gè)數(shù)字是 1995 年的 9.05 倍。目前，美國(guó)、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(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室受美國(guó)財(cái)政部委托， 已經(jīng)開始研究在彩色打印機(jī)、 復(fù)印機(jī)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(shí)可以實(shí)時(shí)地從掃描票據(jù)中判斷水印的有無(wú)，快速辨識(shí)真?zhèn)?。另一方面，在從傳統(tǒng)商務(wù)向電子商務(wù)轉(zhuǎn)化的過程中， 會(huì)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(rèn)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(rèn)證標(biāo)志，從而大大增加了偽造的難度。3聲像數(shù)據(jù)的隱藏標(biāo)識(shí)和篡改提示數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)信息往往比數(shù)據(jù)本身更具有保密價(jià)值，如遙感圖像的拍攝日期、經(jīng) / 緯度等。沒有標(biāo)識(shí)信息的數(shù)據(jù)有時(shí)甚至無(wú)法使用， 但直接將這些重要信息標(biāo)記在原始文件上又很危險(xiǎn)。 數(shù)字水印技術(shù)提供了一種隱藏標(biāo)識(shí)的方法， 標(biāo)識(shí)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(guó)外一些公開的遙感圖像數(shù)據(jù)庫(kù)所采用。此外，數(shù)據(jù)的篡改提示也是一項(xiàng)很重要的工作。 現(xiàn)有的信號(hào)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(duì)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(hào)是否被篡改。4隱蔽通信及其對(duì)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(bào)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(guó)家的重視。網(wǎng)絡(luò)情報(bào)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(jìn)行保密數(shù)據(jù)傳送。迄今為止，學(xué)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(wú)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(jìn)行保密通信有了新的思路，利用數(shù)字化聲像信號(hào)相對(duì)于人的視覺、聽覺冗余，可以進(jìn)行各種時(shí)（空）域和變換域的信息隱藏，從而實(shí)現(xiàn)隱蔽通信。五、 研究動(dòng)態(tài)從公開發(fā)表的文獻(xiàn)看， 國(guó)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(guó)軍方及財(cái)政部的支持，該技術(shù)研究的發(fā)展速度非?？?。 1998 年以來(lái)， IEEE圖像處理、 IEEE 會(huì)報(bào)、 IEEE 通信選題、 IEEE 消費(fèi)電子學(xué)等許多國(guó)際重要期刊都組織了數(shù)字水印的技術(shù)?？?qū)ｎ}新聞報(bào)道。- 在美國(guó)

15、，以麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室為代表的一批研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)申請(qǐng)了數(shù)字水印方面的專利。 1998 年，美國(guó)政府報(bào)告中出現(xiàn)了第一份有關(guān)圖像數(shù)據(jù)隱藏的 AD報(bào)告。目前，已支持或開展數(shù)字水印研究的機(jī)構(gòu)既有政府部門，也有大學(xué)和知名企業(yè)，它們包括美國(guó)財(cái)政部、美國(guó)版權(quán)工作組、美國(guó)空軍研究院、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、 德國(guó)國(guó)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(xué)院、伊利諾斯大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)、劍橋大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院、西班牙 Vigo 大學(xué)、 IBM 公司 Watson 研究中心、微軟公司劍橋研究院、朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)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(guó)劍橋牛頓研究所召開了第一屆國(guó)際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，至今已舉辦了三屆。 SPIE 和 IEEE 的一些重要國(guó)際會(huì)議也開辟了相關(guān)的專題。我國(guó)學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字水印技術(shù)的反應(yīng)也非?？?， 已經(jīng)有相當(dāng)一批有實(shí)力的科研機(jī)構(gòu)投入到這一領(lǐng)域的研究中來(lái)。 為了促進(jìn)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(guó)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(guó)第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)。 2000 年 1 月，由國(guó)家“ 863”智能機(jī)專家組和中科院自動(dòng)化所模式識(shí)別國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組織召開了數(shù)字水印學(xué)術(shù)研討會(huì)，

17、 來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、 國(guó)家信息安全測(cè)評(píng)認(rèn)證中心、中國(guó)科學(xué)院、北京郵電大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、北京大學(xué)、北京理工大學(xué)、中山大學(xué)、北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所等單位的專家學(xué)者和研究人員深入討論了數(shù)字水印的關(guān)鍵技術(shù)，報(bào)告了各自的研究成果。從這次會(huì)議反應(yīng)的情況上看， 我國(guó)相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究與世界水平相差不遠(yuǎn)， 而且有自己獨(dú)特的研究思路。目前，已支持或開展數(shù)字水印研究的機(jī)構(gòu)既有政府部門，也有大學(xué)和知名企業(yè)，它們包括美國(guó)財(cái)政部、 美國(guó)版權(quán)工作組、 美國(guó)空軍研究院、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)國(guó)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(xué)院、伊利諾斯大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)、劍橋大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院、西班牙 Vigo 大學(xué)、 IBM公司 Watson 研究中心、微軟公司劍橋研究院、朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)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(guó)劍橋牛頓研究所召開了第一屆國(guó)際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，至今已舉辦了三屆。 SPIE 和 IEEE 的一些重要國(guó)際會(huì)議也開辟了相關(guān)的專題。我國(guó)學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字水印技術(shù)的反應(yīng)也非?？?， 已經(jīng)有相當(dāng)一批有實(shí)力的科研機(jī)構(gòu)投入到這一領(lǐng)域的研究中來(lái)。 為了促進(jìn)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(guó)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)