摘? 要: 數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及在版權(quán)保護、多播系統(tǒng)監(jiān)視、防拷貝控制、保密通信等領(lǐng)域的應(yīng)用,對數(shù)字水印技術(shù)的未來研究方向作出了預測。

　　關(guān)鍵詞: 數(shù)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(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字媒體(包括數(shù)字圖像、數(shù)字視頻、數(shù)字音頻)已得到廣泛的應(yīng)用,而隨之而來的數(shù)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(shù)字世界中一個非常緊迫的重要議題。傳統(tǒng)的加密系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中可以起到保護作用。但是數(shù)據(jù)一旦被接收并解密,其保護作用也隨之消失。數(shù)字水印作為傳統(tǒng)加密方法的有效補充手段,是一種可以在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保護版權(quán)和認證來源及完整性的新技術(shù),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(lǐng)域的一個研究熱點。

1?數(shù)字水印技術(shù)

　　數(shù)字水印是永久鑲嵌在宿主數(shù)據(jù)中具有可鑒別性的數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)上講,目前的數(shù)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(chǎn)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(shù)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(shù)據(jù)的最低有效位中,是一種早期的數(shù)字水印技術(shù)?？沼驍U頻嵌入算法是通過擴頻碼將水印信息調(diào)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(tǒng)的軟件實現(xiàn)?？沼蚯度胨惴ǖ膬?yōu)點是隱藏的數(shù)據(jù)量大,而且可以根據(jù)信號的局部特性進行自適應(yīng)。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(jīng)反變換輸出。在檢測水印時,首先要對信號作相應(yīng)的數(shù)學變換,然后通過相關(guān)運算檢測水印。DCT變換域上的數(shù)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(shù)據(jù)壓縮方法也是在DCT變換域上操作的,所以DCT變換域數(shù)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(nèi)容的自適應(yīng),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(shù)字水印方法兼具時空域方法和DCT變換域方法的優(yōu)點,是一種既有自適應(yīng)性,又有魯棒性的技術(shù)。其缺點是計算量大。

通常,數(shù)字水印應(yīng)具有如下的基本特性。

　　(1)安全性。水印應(yīng)能為受到版權(quán)保護的信息產(chǎn)品的歸屬提供完全和可靠的證據(jù)。水印算法能識別被嵌入到保護對象中的所有者的有關(guān)信息(如注冊的用戶號碼、產(chǎn)品標志或有意義的文字等),并能在需要的時候?qū)⑵涮崛〕鰜?。水印可以用來判別對象是否受到保護,并能夠監(jiān)視被保護數(shù)據(jù)的傳播、鑒別真?zhèn)我约翱刂品欠截惖取＞湍壳耙呀?jīng)出現(xiàn)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(quán)歸屬的有效證據(jù)。因此一個好的水印算法應(yīng)該能夠提供完全沒有爭議的版權(quán)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(tǒng)來講應(yīng)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(shù)水印算法所應(yīng)達到的要求;另一方面水印用統(tǒng)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(chǎn)品,即使用統(tǒng)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(shù)字水印應(yīng)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(jīng)過這些操作后,魯棒的水印算法應(yīng)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(shù)據(jù)產(chǎn)品的版權(quán)保護標志應(yīng)該很難被偽造。若攻擊者試圖刪除水印,則將導致多媒體產(chǎn)品的徹底破壞。

與魯棒性問題密切相關(guān)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(jīng)陸續(xù)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(shè),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(shù)字轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)、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(shù)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(quán)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(shù)字水印的版權(quán)保護功能受到了挑戰(zhàn),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(shù)據(jù)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(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用

　　數(shù)字水印有著廣闊的應(yīng)用前景。與其他嵌入技術(shù)相比,數(shù)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(zhuǎn)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(yīng)用場合對水印的性質(zhì)提出了不同的要求。只有區(qū)別不同性質(zhì)的水印,才有可能確定相應(yīng)的評價基準。目前水印的主要應(yīng)用領(lǐng)域有:

　　(1)版權(quán)保護。數(shù)字水印具有很多重要的應(yīng)用,最原始的動機是將水印應(yīng)用于以數(shù)字形式傳播的多媒體內(nèi)容的版權(quán)保護中。數(shù)字作品的所有者用密鑰產(chǎn)生一個水印,并將其嵌入公開發(fā)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(shù)。當該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)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(jù),從而保護所有者的權(quán)益。采用脆弱性水印技術(shù),可以將數(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)監(jiān)視。多播系統(tǒng)監(jiān)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(guān)心他們的廣告能否按協(xié)議的次數(shù)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(shù)據(jù)內(nèi)容,因而無法達到目的。問題的關(guān)鍵是如何在現(xiàn)有多播監(jiān)視系統(tǒng)中,針對不同的用戶和不同的播放次數(shù),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(diào)查工具。如果在音像的錄制設(shè)備中裝有檢測水印的電路,則可以實現(xiàn)拷貝控制的功能。目前DVD業(yè)和數(shù)字音樂銷售業(yè)都在從事這方面的工作,一個典型的例子是DVD防拷貝系統(tǒng)。1997年夏天,國際版權(quán)保護技術(shù)工作組引入數(shù)字水印技術(shù),將有記錄控制與回放控制二類應(yīng)用水印技術(shù)的模塊加入到DVD防拷貝系統(tǒng)中,記錄控制模塊利用水印的魯棒性將拷貝管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(guān)數(shù)據(jù)而引起的非法拷貝?；胤趴刂颇K根據(jù)DVD拷貝中是否存在數(shù)字水印而判斷是否拒絕回放。

　　(4)保密通信。數(shù)字水印技術(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)情報戰(zhàn)的革命,產(chǎn)生了一些列新穎的作戰(zhàn)方式,引起了許多國家的重視。迄今為止,學術(shù)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(jīng)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(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)進行保密通信有了新的思路。由于人們很難察覺到數(shù)字水印信息在多媒體數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中,從而避開第三方的監(jiān)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(jiān)控,而且很難被察覺。

3?數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展

　　數(shù)字水印是一門新興技術(shù),它橫跨了圖像處理、數(shù)字通信、密碼學等多學科領(lǐng)域,引起了眾多不同背景的研究人員的興趣。自從1990年Tanaka發(fā)表第一篇關(guān)于數(shù)字水印的文章以來,數(shù)字水印技術(shù)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(xiàn)。但數(shù)字水印技術(shù)仍然是一個未成熟的研究領(lǐng)域,還有許多問題需要解決,其理論基礎(chǔ)依然非常薄弱,大多數(shù)水印算法還是經(jīng)驗性的。主要有以下幾個方面還需努力:

　　(1)現(xiàn)有水印算法分析需要繼續(xù)深化。目前出現(xiàn)的水印技術(shù)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(jié)合是不能解決問題的。因此,針對結(jié)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(xiàn)有的數(shù)字水印算法的魯棒性、安全性、抗攻擊性等特性的研究,結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù),尋找出它們之間的關(guān)系,從而發(fā)現(xiàn)更加好的數(shù)字水印技術(shù)是一個很好的方向。

　　(2)水印技術(shù)的理論框架有待不斷完善。水印技術(shù)的攻擊方法和對策的研究依賴于水印技術(shù)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(shù)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(yīng)用中遇到的同步攻擊、迷惑攻擊的研究,能夠發(fā)現(xiàn)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(shù)的理論框架中給予定義,并使用數(shù)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(shù)的視頻水印算法實際上是將其圖像水印的結(jié)果直接應(yīng)用在視頻領(lǐng)域中,而沒有考慮視頻應(yīng)用中大數(shù)據(jù)量以及近乎實時的特性。從發(fā)展角度看,水印在包括DVD等數(shù)字產(chǎn)品在內(nèi)的視頻和音頻領(lǐng)域?qū)⒂袠O為廣闊的應(yīng)用前景。因此,今后研究的重點是將水印技術(shù)與現(xiàn)行國際圖像及視頻壓縮標準(如JPEG2000和MPEG-4)相結(jié)合,將數(shù)字水印技術(shù)有效地應(yīng)用于DVD工業(yè)標準中,設(shè)計出成熟的、合乎國際規(guī)范的水印算法。

　　(4)所有權(quán)的證明問題還沒有完全解決。就目前已經(jīng)出現(xiàn)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(quán)歸屬的有效證據(jù)。因此一個好的水印算法應(yīng)該能夠提供完全沒有爭議的版權(quán)證明。目前將水印作為版權(quán)保護的法律證據(jù)還不可能,在這方面還需要做很多工作。

4? 結(jié)? 論

　　數(shù)字水印技術(shù)是近幾年來國際學術(shù)界興起的一個前沿研究領(lǐng)域,它與信息安全、信息隱藏、數(shù)據(jù)加密等均有密切的關(guān)系。特別是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用迅速發(fā)展的今天,水印技術(shù)的研究更具現(xiàn)實意義。今后水印技術(shù)的研究仍將著重于魯棒性、真?zhèn)舞b別、版權(quán)證明、網(wǎng)絡(luò)快速自動驗證以及聲頻和視頻水印等方面,并將與數(shù)據(jù)加密技術(shù)緊密結(jié)合。水印技術(shù)研究表明,要解決應(yīng)用性問題,必須先解決水印技術(shù)的安全性和穩(wěn)健性問題。而安全性和穩(wěn)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(yīng)的對策。

參考文獻

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