摘? 要: 數字水印技術的發展現狀及在版權保護、多播系統監視、防拷貝控制、保密通信等領域的應用,對數字水印技術的未來研究方向作出了預測。

　　關鍵詞: 數字水印? 信息安全? 攻防對抗? 算法研究

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　　隨著計算機網絡和通信技術的飛速發展,數字媒體(包括數字圖像、數字視頻、數字音頻)已得到廣泛的應用,而隨之而來的數字媒體的信息安全、知識保護和認證等問題也變得日益突出,并成為數字世界中一個非常緊迫的重要議題。傳統的加密系統在數據傳輸過程中可以起到保護作用。但是數據一旦被接收并解密,其保護作用也隨之消失。數字水印作為傳統加密方法的有效補充手段,是一種可以在開放的網絡環境下保護版權和認證來源及完整性的新技術,近年來已引起了人們的高度重視,并已成為多媒體信號處理領域的一個研究熱點。

1?數字水印技術

　　數字水印是永久鑲嵌在宿主數據中具有可鑒別性的數字信號或模式(文字、標識、序列號或徽標等),而且并不影響宿主數據的可用性。被嵌入的信息通常是不可視或不易察覺的,但是通過一些操作可以被檢測或被提取。

　　從技術上講,目前的數字水印嵌入算法可以分成二類:空域嵌入算法和變換域嵌入算法。

　　(1)空域嵌入算法?？沼蚯度胨惴ㄊ侵笇⑼ㄟ^密鑰產生的隨機序列直接加入聲音、圖像或視頻信號中作為水印。由于嵌入信號的能量很低,所以不會被人的視覺和聽覺所察覺。常用的空域數字水印算法有LSB(最低有效位)和擴展頻譜二種。LSB算法是將水印直接嵌入到原始信號表示數據的最低有效位中,是一種早期的數字水印技術?？沼驍U頻嵌入算法是通過擴頻碼將水印信息調制成類似噪聲的信號,這種信號的能量散布在整個頻帶上,難以通過頻域濾波恢復。這種方法實際上就是擴譜通信系統的軟件實現?？沼蚯度胨惴ǖ膬烖c是隱藏的數據量大,而且可以根據信號的局部特性進行自適應。其缺點是魯棒性差,常用的信號處理過程(如信號的縮放、剪切等)都可以破壞水印。

　　(2)變換域嵌入算法。變換域嵌入算法首先將原始的圖像或聲音信號進行DCT或小波變換,在變換域上嵌入水印信息,然后經反變換輸出。在檢測水印時,首先要對信號作相應的數學變換,然后通過相關運算檢測水印。DCT變換域上的數字水印具有很強的魯棒性,可以抗各種信號變形。由于JPEG、MPEG等數據壓縮方法也是在DCT變換域上操作的,所以DCT變換域數字水印具有與生俱來的抗有損壓縮能力。但是,DCT變換域水印方法不能作到對圖像、聲音等信號內容的自適應,所以會造成對圖像亮度等特征的明顯損害。小波變換域上的數字水印方法兼具時空域方法和DCT變換域方法的優點,是一種既有自適應性,又有魯棒性的技術。其缺點是計算量大。

通常,數字水印應具有如下的基本特性。

　　(1)安全性。水印應能為受到版權保護的信息產品的歸屬提供完全和可靠的證據。水印算法能識別被嵌入到保護對象中的所有者的有關信息(如注冊的用戶號碼、產品標志或有意義的文字等),并能在需要的時候將其提取出來。水印可以用來判別對象是否受到保護,并能夠監視被保護數據的傳播、鑒別真偽以及控制非法拷貝等。就目前已經出現的很多算法而言,攻擊者完全可以破壞掉圖像中的水印,或復制出一個理論上存在的原始圖像,這導致文件所有者不能令人信服地提供版權歸屬的有效證據。因此一個好的水印算法應該能夠提供完全沒有爭議的版權證明,要做到這一點還需要做很多工作。

　　(2)不可見性。不可見包括二方面的含意:一方面指視覺上的不可見性,即因嵌入水印導致圖像的變化對觀察者的視覺系統來講應該是不可察覺的,最理想的情況是水印圖像與原始圖像在視覺上一模一樣,這是絕大多數水印算法所應達到的要求;另一方面水印用統計方法也是不能恢復的,如對大量的用同樣方法和水印處理過的信息產品,即使用統計方法也無法提取水印或確定水印的存在。

　　(3)魯棒性。魯棒性對水印而言極為重要。一個數字水印應該能夠承受大量的、不同的物理和幾何失真,包括有意的(如惡意攻擊)或無意的(如圖像壓縮、濾波、掃描與復印、噪聲污染、尺寸變化等)。顯然在經過這些操作后,魯棒的水印算法應仍能從水印圖像中提取出嵌入的水印或證明水印的存在。如果不掌握水印的所有知識,數據產品的版權保護標志應該很難被偽造。若攻擊者試圖刪除水印,則將導致多媒體產品的徹底破壞。

與魯棒性問題密切相關的一個問題是水印的攻擊行為。水印攻擊與魯棒性可以說是一對矛盾。目前的文獻已經陸續描述了很多水印攻擊方法,在這里將水印攻擊方法歸為四大類。在將水印分類的過程中,只考慮那些并不嚴重導致圖像失真的方法。因為如果沒有這個假設,則總是可以尋找到某種成功的攻擊方法,包括完全刪除水印圖像。

　　(4)簡單攻擊。簡單攻擊也可稱為波形攻擊或噪聲攻擊。即只是通過對水印圖像進行某種操作,削弱或刪除嵌入的水印,而不是試圖識別水印或分離水印。這些攻擊方法包括線性或非線性濾波、基于波形的圖像壓縮(JPEG、MPEG)、添加噪聲、圖像裁剪、圖像量化、模擬數字轉換及圖像的矯正等。

　　(5)同步攻擊。同步攻擊也稱檢測失效攻擊。即試圖使水印的相關檢測失效或使恢復嵌入的水印成為不可能。這種攻擊一般是通過圖像的集合操作完成的,如圖像仿射變換、圖像放大、空間位移、旋轉、圖像裁剪、象素交換、重采樣、象素的插入和抽取以及一些幾何變換等。這類攻擊的一個特點是水印實際上還存在于圖像中,但水印檢測函數已不能提取水印或不能檢測水印的存在。

　　(6)迷惑攻擊。迷惑攻擊指試圖通過偽造原始圖像和原始水印來迷惑版權保護。由于這種攻擊最早由IBM的Craver等人提出,所以又稱IBM攻擊。這種攻擊實際上使數字水印的版權保護功能受到了挑戰,如何有效地解決這個問題已引起研究人員的極大興趣。

　　(7)刪除攻擊。刪除攻擊指針對某些水印方法通過分析水印數據來估計圖像中的水印,然后將水印從圖像中分離出來并使水印檢測失效。

2? 數字水印技術的應用

　　數字水印有著廣闊的應用前景。與其他嵌入技術相比,數字水印的嵌入不會影響圖像作品的外表美觀。當作品被顯示或轉化為其他文件格式時水印不會被消除。通過檢查水印的變化可以獲悉作品的哪些部分曾被攻擊者篡改過。不同的應用場合對水印的性質提出了不同的要求。只有區別不同性質的水印,才有可能確定相應的評價基準。目前水印的主要應用領域有:

　　(1)版權保護。數字水印具有很多重要的應用,最原始的動機是將水印應用于以數字形式傳播的多媒體內容的版權保護中。數字作品的所有者用密鑰產生一個水印,并將其嵌入公開發布的水印作品。在Adobe公司的著名Photoshop圖像處理軟件中就采用了Digimarc公司的這種水印技術。當該作品被盜版或出現版權糾紛時,所有者可將從盜版作品或水印作品中獲取的水印信號作為依據,從而保護所有者的權益。采用脆弱性水印技術,可以將數據完整性的信息直接嵌入媒體中。對媒體的任何篡改也會作用在水印上,因而可以檢測有無篡改,有時還可確定篡改的位置和程度。將不同的水印嵌入到不同的副本中,可以跟蹤參與盜版的用戶。例如,DiVX公司銷售的每個DVD播放器都會在它播放的視頻中嵌入獨一無二的水印,當出現盜版糾紛時,DiVX公司可通過解密盜版水印確定盜版者所使用的DiVX播放器。

　　(2)多播系統監視。多播系統監視研究是當前一個新的研究熱點,其需要者主要是購買了電視、電臺廣告時間的客戶。購買廣告時間的客戶關心他們的廣告能否按協議的次數播出。但是,目前的多播框架只能使每個用戶接收到的是嵌入同樣水印的數據內容,因而無法達到目的。問題的關鍵是如何在現有多播監視系統中,針對不同的用戶和不同的播放次數,嵌入不同的水印。

　　(3)防拷貝控制。防拷貝控制的功能是威脅盜版者并提供有力的調查工具。如果在音像的錄制設備中裝有檢測水印的電路,則可以實現拷貝控制的功能。目前DVD業和數字音樂銷售業都在從事這方面的工作,一個典型的例子是DVD防拷貝系統。1997年夏天,國際版權保護技術工作組引入數字水印技術,將有記錄控制與回放控制二類應用水印技術的模塊加入到DVD防拷貝系統中,記錄控制模塊利用水印的魯棒性將拷貝管理系統數據保護起來,從而保證拷貝控制比特不會被輕易除去,有效地防止了因消除有關數據而引起的非法拷貝?；胤趴刂颇K根據DVD拷貝中是否存在數字水印而判斷是否拒絕回放。

　　(4)保密通信。數字水印技術不僅提供了非密碼的安全途徑,更引發了信息戰尤其是網絡情報戰的革命,產生了一些列新穎的作戰方式,引起了許多國家的重視。迄今為止,學術界在保密通信方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思維模式。然而,經過加密的文件往往是雜亂無序的,容易引起攻擊者的注意。網絡多媒體技術的廣泛應用使得利用公用網絡進行保密通信有了新的思路。由于人們很難察覺到數字水印信息在多媒體數據中的存在,某些重要信息在傳輸過程中就可以隱藏在普通的多媒體數據中,從而避開第三方的監視和控制。這種方法與普通的電話通信、電子郵件通信以及加密通信相比,隱蔽性高,不容易監控,而且很難被察覺。

3?數字水印技術的發展

　　數字水印是一門新興技術,它橫跨了圖像處理、數字通信、密碼學等多學科領域,引起了眾多不同背景的研究人員的興趣。自從1990年Tanaka發表第一篇關于數字水印的文章以來,數字水印技術越來越受到人們的重視。短短十幾年,各種水印算法如雨后春筍般不斷涌現。但數字水印技術仍然是一個未成熟的研究領域,還有許多問題需要解決,其理論基礎依然非常薄弱,大多數水印算法還是經驗性的。主要有以下幾個方面還需努力:

　　(1)現有水印算法分析需要繼續深化。目前出現的水印技術可以分別對抗一些低級的攻擊手段,如簡單攻擊和一部分同步攻擊,但是不能同時抵抗復雜的同步攻擊、迷惑攻擊和刪除攻擊。研究表明,將這些攻擊的對策簡單結合是不能解決問題的。因此,針對結合多種不同類型的攻擊組成的綜合攻擊展開研究、尋求對策是一個很重要的方向。通過對現有的數字水印算法的魯棒性、安全性、抗攻擊性等特性的研究,結合數字信號處理技術,尋找出它們之間的關系,從而發現更加好的數字水印技術是一個很好的方向。

　　(2)水印技術的理論框架有待不斷完善。水印技術的攻擊方法和對策的研究依賴于水印技術整體的理論框架的建立。同時,攻擊與對策的研究也會促進水印理論框架的完善。目前,一些學者已開始數字水印評價體系方面的研究,并取得了一些初步進展,但仍缺乏普遍性和很強的理論支持。通過對應用中遇到的同步攻擊、迷惑攻擊的研究,能夠發現一些新的需求,提出一些新的概念,如同步性、不可逆性等。這些概念需要在水印技術的理論框架中給予定義,并使用數學公式加以描述。通過對這些概念從理論角度的研究和分析,可以給攻擊與對策研究一些新的指導。

　　(3)聲頻和視頻水印的解決方案還不完善。目前,大多數的視頻水印算法實際上是將其圖像水印的結果直接應用在視頻領域中,而沒有考慮視頻應用中大數據量以及近乎實時的特性。從發展角度看,水印在包括DVD等數字產品在內的視頻和音頻領域將有極為廣闊的應用前景。因此,今后研究的重點是將水印技術與現行國際圖像及視頻壓縮標準(如JPEG2000和MPEG-4)相結合,將數字水印技術有效地應用于DVD工業標準中,設計出成熟的、合乎國際規范的水印算法。

　　(4)所有權的證明問題還沒有完全解決。就目前已經出現的很多算法而言,攻擊者完全可以破壞掉圖像中的水印,或復制出一個理論上存在的“原始圖像”,這導致文件所有者不能令人信服地提供版權歸屬的有效證據。因此一個好的水印算法應該能夠提供完全沒有爭議的版權證明。目前將水印作為版權保護的法律證據還不可能,在這方面還需要做很多工作。

4? 結? 論

　　數字水印技術是近幾年來國際學術界興起的一個前沿研究領域,它與信息安全、信息隱藏、數據加密等均有密切的關系。特別是在網絡技術和應用迅速發展的今天,水印技術的研究更具現實意義。今后水印技術的研究仍將著重于魯棒性、真偽鑒別、版權證明、網絡快速自動驗證以及聲頻和視頻水印等方面,并將與數據加密技術緊密結合。水印技術研究表明,要解決應用性問題,必須先解決水印技術的安全性和穩健性問題。而安全性和穩健性的研究必須研究水印的攻擊方法,并從理論上尋求相應的對策。

參考文獻

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