数字水印技术及应用

第25卷第3期国外电子测量技术Vol. 25. No. 32006年3月Foreign Electronic Measurement TechnologyMar.,2006应用天地数字水印技术及应用陈萌(宁波工程学院电子与信息工程学院315010摘要:随着计算机技术的不断发展与进步,传统的数据加密手段越来越难以对数据安全提供有效的保护。而且,数据形式的多样化,也使传统加密技术的运用受到了制约。通过对数字水印技术的原理、分类和应用领域等内容的阐述,使读者能够较全面地了解这种全新加密技术关键词:数字水印信息隐藏水印算法鲁棒性中图分类号:TP274;TP391Technique and application of digital water markChen meng(Ningbo University of Technology 315010)Abstract: With the development and progress of computer technology, traditional data-encipheringmethod is becoming more and more difficult to provide effective protection for the data security.Furthermore, the diversified forms of data also restrict the application of traditional encipheringtechnology. By elaborating on the principle, classification and application areas of digital watermark technology, this paper aimed to provide readers with a full understanding of the entirely newenciphering technologyKeywords: digital watermark, information hiding, watermark algorithm, robustness而数字水印技术以其完全不同于传统加密的方式很好地解决了互联网中因多媒体数据共享而引发的各在互联网中如何安全共享信息,同时在产生版类问题。权纠纷时能有效举证,以保护自己的合法权益是计算机科学界一直研究的重点。传统的信息安全技术1数字水印技术原理都是以密码学理论为基础的,采用密钥或公钥系统,数字水印( Digital Watermark)技术是指用信号将数据加密成密文,使非法用户不能解读。然而,随处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐藏的标着现在计算机处理能力的快速提高和利用互联网络记,在一般条件下这种标记是不可见的,即不会影响实施分布式解码技术的应用,使得这种通过不断增到多媒体数据的正常观看、使用,但通过专门的检测加密钥长度来提高系统密级的方法越来越不安全。器或阅读器可以正确检测或显示岀隐藏于多媒体数而且对于图像、视频和声音等多媒体信息,其加密要据中的标记求又不同于传统数据加密。一方面版权人希望其作多媒体数据,尤其是图像数据在传播过程中,经品能够通过互联网被大家观赏,而另一方面却又不常会被人为地做一些处理,而这些有意或无意的处希望其作品被人随意地复制、篡改。此时传统的加理,对于数字水印而言可能是毁灭性的。如果一幅密方法就显得力不从心,因为原理决定了其加密内图份厂中国煤化工响其视觉效果的同时容要么无法解密不可使用,要么成功解密随意使用。隐藏CNMHG去再被检测,此时嵌入作者简介:陈萌(1975—),男,复旦大学计算机科学系,计算机及应用专业毕业。1996年起任教于宁波工程学院电子与信息工程学院至今,讲师。本人主要研究方向为计算机图形图像处理,网络安全」2006年第3期陈萌:数字水印技术及应用到原始数据中的水印信息将失去其意义。因此作为2.1按水印特性划分有实用价值的数字水印,一般应该具有以下两个明按水印特性可以分为可见水印和不可见水印确的特征可见水印一般指以某种方式直接插入或覆盖在宿主(1)隐蔽性:在多媒体数字作品中嵌入水印标数据中的标识,这种标识在不影响宿主数据使用的记,不能引起多媒体数字作品质量的明显下降,即用前提下为视觉可见。而不可见水印则是指在一般条户通过常规观察手段应该无法区别岀多媒体数字作件下无法感知水印的存在,但是通过特殊的检测器品是否嵌入了水印标记。或阅读器能够检测出水印的存在,并能将其还原出(2)鲁棒性:数字水印信号必须能够经受一定程来。度的恶意或无意的信号处理,这些信号处理可能是2.2按水印载体划分传输信道內的噪声、滤波处理、数/模转换、剪切、位按照水印所嵌入的宿主不同.水印可以分为图栘、文件格式转换等操作。水印的鲁棒性是指当数像水印、音频水印、视频水印、文本水印及网格水印字水印经过一种或多种信号处理后,仍能在一定程度上保证其完整性或可被检测到。具有良好鲁棒性2.3按水印检测算法划分的数字水印,应该能够做到,当自身无法被准确检测根据检测水印时是否需要提供原始数据和原始到时其嵌入的宿主多媒体数字作品也将失去欣赏水印,可以将水印按其检测算法分为非盲水印、半盲或使用价值水印和盲水印。非盲水印其稳健性较好,检出率较数字水印通过专门的嵌入器嵌入到多媒体数字高但由于需要在检测过程中提供原始数据和原始作品中,当需要提取数字水印时,可以通过检测器检水印比较,因此使用不方便。半盲水印在检测时需测水印是否存在,如果存在水印则可以通过阅读器要提供原始水印而盲水印则只需提供密钥就可以重现水印。数字水印的嵌入模型一般如图1所示。进行检测。目前盲水印是研究的主要方向图2为数字水印的检测提取模式,虚线框部分在盲水印算法中是不需要的。3数字图像水印算法匚原始数据3.1空域图像水印匚密钥}[嵌入算法}[水印数据]空域图像水印技术是指利用视觉误差,在图像的空间域中嵌入水印的技术。最低有效位(LSB)算含水印数据]法就属于空域图像水印算法,这种算法用水印数据替换图像数据中的最低有效位或多个位平面的所有图1数字水印嵌入比特的算法。图像的最低有效位也称为最不显著位,当图像的该位数据被修改后,图像的视觉效果几含水印数据乎不会发生改变。这种算法属于盲水印嵌入,水印数据的嵌入与检测、提取都十分方便,但是该算法的密钥检测算法卜一原姬图像稳健性很差,实用价值不高3.2DCT域图像水印有水印?是离散余弦变换( Discrete cosine transform)简否匚报警][水印提取称DCT。DCT变换矩阵的基向量很近似于Toelite矩阵的特征向量,而 Toeplitz矩阵又体现了图2数字水印检测提取人类语言及图像信号的相关特性,故DCT常常被认为V凵中国煤化工准最佳变换。二维2数字水印分类DCTCNMHG像格式JPEG系统的核心,基于DCT域的图像水印算法对压缩、滤波数字水印技术经过多年的发展,在应用领域和噪声等处理具有更强的稳健性。基于DCT的数字算法研究上都可以分为许多不同的种类。通常数字水印技术目前得到了广泛的研究与应用,其技术日水印可以按以下几类进行区分益成熟国外电子测量技术第25卷3.3小波域图像水印要解决因为小波变换具有良好的时频特性,在新版的4.2商务交易中的票据防伪图像压缩标准JPEG2000中,小波成为一项主要的在从传统商务向电子商务转化的过程中,会出技术。基于小波域的数字水印具有四个优点,其现大量过度性的电子文件,如各种纸质票据的扫描可以保证在即将流行的JPEG2000格式下水印不会图像等。即使在网络安全技术成熟以后,各种电子被去除;其二,可以将图像编码研究中关于视觉特性票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技的研究成果用于水印技术;其三,有可能提供在压缩术可以为各种票据提供不可见的认证标志,从而大域中直接嵌入水印的方法;其四,由于小波的多分辨大增加了伪造的难度分析与人眼视觉特性是一致的,对选择适当的水印4.3声像作品版权标识的隐藏和篡改提示嵌入位置和嵌入强度有很大的帮助。由于小波域数数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价字水印在对抗压缩、基本信号处理方面具有良好的值,如遥感图像的拍摄日期、经/纬度等。没有标识适应性因此近年来,对小波域数字水印研究开展较信息的数据有时甚至无法使用,但直接将这些重要多,也取得了相当好的研究成果。信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提3.4神经网络水印供了一种隐藏标识的方法,标识信息在原始文件上人工神经网络是在现代神经学、生物学、心理学是看不到的,只有通过特殊的阅读器才可以读取。等科学研究成果的基础上产生的反映了生物神经此外,数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现系统的基本特征。将神经网络的研究成果应用于数有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不字水印技术中是最近两三年才提出的,它的主要作为人知因此如何防范对图像、录音录像数据的篡用可以分为两个部分改攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提(1)在水印嵌入时使用神经网络对图像进行分示是解决这一问题的理想技术途径,通过隐藏水印类或产生自适应于图像的水印,可以提高水印嵌入的状态可以判断声像数据是否被篡改的强度和图像的保真度;4.4隐蔽通信及其对抗(2)使用神经网络进行水印检测,可以提高水印数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非检测的正确率。 D等人在使用小波变换进行水密码的安全途径,更引发了信息战,尤其是网络情报印嵌入的基础上,在水印嵌入之前使用神经网络技战的革命,产生了一系列新颖的作战方式引起了许术产生自适应于图像内容的水印,水印的强度在保多国家的重视。网络情报战是信息战的重要组成部证图像质量的约束下可达到最大值使得水印的稳分,其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。健性获得较大的提高。迄今为止,学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思维模式,然而,经过加密的文件往数字水印的典型应用往是混乱无序的,容易引起攻击者的注意,而攻击者4.1多媒体数字作品的产权保护旦选择了正确的攻击目标,利用现在运行速度越多媒体数字作品(如视频、电脑美术、扫描图像、来越快的计算机硬件系统,解密的可能性将变得相数字音乐、三维动画)的版权保护是当前的热点问当高。数字水印技术正是利用数字化声像信号相对题。由于数字作品的拷贝修改非常容易进行所以于人的视觉、听觉冗余将重要信息隐藏到宿主数据原创者很难使用传统加密手段来进行版权保护的时、空域或变换域中,从而实现隐蔽通信数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或参考文献不可听,既不损害原作品,又达到了版权保护的目的。目前,用于版权保护的数字水印技术已经进入中国煤化工们西安西安电子科技大了初步实用化阶段,IBM公司在其“数字图书馆”软Ttx小小及其应用[J.信息技术,件中就提供了数字水印功能, Adobe公司也在其著2003,27(10名的 Photoshop软件中集成了 Digimarc公司的数3]祁强,陈建安数字水印技术的综述几电子科技,28(1字水印插件。然而,目前市场上的数字水印产品在[4]钮心忻,等信息隐藏理论与关键技术研究[.电信科技术上还不成熟,真正达到实用化还有很多问题需学,2004(12)