摘 要:数字水印技术的发展现状及在版权保护、多播系统监视、防拷贝控制、保密通信等领域的应用,对数字水印技术的未来研究方向作出了预测。

关键词:数字水印 信息安全 攻防对抗 算法研究

　　随着计算机网络和通信技术的飞速发展,数字媒体(包括数字图像、数字视频、数字音频)已得到广泛的应用,而随之而来的数字媒体的信息安全、知识保护和认证等问题也变得日益突出,并成为数字世界中一个非常紧迫的重要议题。传统的加密系统在数据传输过程中可以起到保护作用。但是数据一旦被接收并解密,其保护作用也随之消失。数字水印作为传统加密方法的有效补充手段,是一种可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新技术,近年来已引起了人们的高度重视,并已成为多媒体信号处理领域的一个研究热点。

1 数字水印技术

　　数字水印是永久镶嵌在宿主数据中具有可鉴别性的数字信号或模式(文字、标识、序列号或徽标等),而且并不影响宿主数据的可用性。被嵌入的信息通常是不可视或不易察觉的,但是通过一些操作可以被检测或被提取。

　　从技术上讲,目前的数字水印嵌入算法可以分成二类:空域嵌入算法和变换域嵌入算法。

　　(1)空域嵌入算法。空域嵌入算法是指将通过密钥产生的随机序列直接加入声音、图像或视频信号中作为水印。由于嵌入信号的能量很低,所以不会被人的视觉和听觉所察觉。常用的空域数字水印算法有LSB(最低有效位)和扩展频谱二种。LSB算法是将水印直接嵌入到原始信号表示数据的最低有效位中,是一种早期的数字水印技术。空域扩频嵌入算法是通过扩频码将水印信息调制成类似噪声的信号,这种信号的能量散布在整个频带上,难以通过频域滤波恢复。这种方法实际上就是扩谱通信系统的软件实现。空域嵌入算法的优点是隐藏的数据量大,而且可以根据信号的局部特性进行自适应。其缺点是鲁棒性差,常用的信号处理过程(如信号的缩放、剪切等)都可以破坏水印。

　　(2)变换域嵌入算法。变换域嵌入算法首先将原始的图像或声音信号进行DCT或小波变换,在变换域上嵌入水印信息,然后经反变换输出。在检测水印时,首先要对信号作相应的数学变换,然后通过相关运算检测水印。DCT变换域上的数字水印具有很强的鲁棒性,可以抗各种信号变形。由于JPEG、MPEG等数据压缩方法也是在DCT变换域上操作的,所以DCT变换域数字水印具有与生俱来的抗有损压缩能力。但是,DCT变换域水印方法不能作到对图像、声音等信号内容的自适应,所以会造成对图像亮度等特征的明显损害。小波变换域上的数字水印方法兼具时空域方法和DCT变换域方法的优点,是一种既有自适应性,又有鲁棒性的技术。其缺点是计算量大。

通常,数字水印应具有如下的基本特性。

　　(1)安全性。水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证据。水印算法能识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息(如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等),并能在需要的时候将其提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护,并能够监视被保护数据的传播、鉴别真伪以及控制非法拷贝等。就目前已经出现的很多算法而言,攻击者完全可以破坏掉图像中的水印,或复制出一个理论上存在的原始图像,这导致文件所有者不能令人信服地提供版权归属的有效证据。因此一个好的水印算法应该能够提供完全没有争议的版权证明,要做到这一点还需要做很多工作。

　　(2)不可见性。不可见包括二方面的含意:一方面指视觉上的不可见性,即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的,最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上一模一样,这是绝大多数水印算法所应达到的要求;另一方面水印用统计方法也是不能恢复的,如对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品,即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在。

　　(3)鲁棒性。鲁棒性对水印而言极为重要。一个数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真,包括有意的(如恶意攻击)或无意的(如图像压缩、滤波、扫描与复印、噪声污染、尺寸变化等)。显然在经过这些操作后,鲁棒的水印算法应仍能从水印图像中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。如果不掌握水印的所有知识,数据产品的版权保护标志应该很难被伪造。若攻击者试图删除水印,则将导致多媒体产品的彻底破坏。

与鲁棒性问题密切相关的一个问题是水印的攻击行为。水印攻击与鲁棒性可以说是一对矛盾。目前的文献已经陆续描述了很多水印攻击方法,在这里将水印攻击方法归为四大类。在将水印分类的过程中,只考虑那些并不严重导致图像失真的方法。因为如果没有这个假设,则总是可以寻找到某种成功的攻击方法,包括完全删除水印图像。

　　(4)简单攻击。简单攻击也可称为波形攻击或噪声攻击。即只是通过对水印图像进行某种操作,削弱或删除嵌入的水印,而不是试图识别水印或分离水印。这些攻击方法包括线性或非线性滤波、基于波形的图像压缩(JPEG、MPEG)、添加噪声、图像裁剪、图像量化、模拟数字转换及图像的矫正等。

　　(5)同步攻击。同步攻击也称检测失效攻击。即试图使水印的相关检测失效或使恢复嵌入的水印成为不可能。这种攻击一般是通过图像的集合操作完成的,如图像仿射变换、图像放大、空间位移、旋转、图像裁剪、象素交换、重采样、象素的插入和抽取以及一些几何变换等。这类攻击的一个特点是水印实际上还存在于图像中,但水印检测函数已不能提取水印或不能检测水印的存在。

　　(6)迷惑攻击。迷惑攻击指试图通过伪造原始图像和原始水印来迷惑版权保护。由于这种攻击最早由IBM的Craver等人提出,所以又称IBM攻击。这种攻击实际上使数字水印的版权保护功能受到了挑战,如何有效地解决这个问题已引起研究人员的极大兴趣。

　　(7)删除攻击。删除攻击指针对某些水印方法通过分析水印数据来估计图像中的水印,然后将水印从图像中分离出来并使水印检测失效。

2 数字水印技术的应用

　　数字水印有着广阔的应用前景。与其他嵌入技术相比,数字水印的嵌入不会影响图像作品的外表美观。当作品被显示或转化为其他文件格式时水印不会被消除。通过检查水印的变化可以获悉作品的哪些部分曾被攻击者篡改过。不同的应用场合对水印的性质提出了不同的要求。只有区别不同性质的水印,才有可能确定相应的评价基准。目前水印的主要应用领域有:

　　(1)版权保护。数字水印具有很多重要的应用,最原始的动机是将水印应用于以数字形式传播的多媒体内容的版权保护中。数字作品的所有者用密钥产生一个水印,并将其嵌入公开发布的水印作品。在Adobe公司的著名Photoshop图像处理软件中就采用了Digimarc公司的这种水印技术。当该作品被盗版或出现版权纠纷时,所有者可将从盗版作品或水印作品中获取的水印信号作为依据,从而保护所有者的权益。采用脆弱性水印技术,可以将数据完整性的信息直接嵌入媒体中。对媒体的任何篡改也会作用在水印上,因而可以检测有无篡改,有时还可确定篡改的位置和程度。将不同的水印嵌入到不同的副本中,可以跟踪参与盗版的用户。例如,DiVX公司销售的每个DVD播放器都会在它播放的视频中嵌入独一无二的水印,当出现盗版纠纷时,DiVX公司可通过解密盗版水印确定盗版者所使用的DiVX播放器。

　　(2)多播系统监视。多播系统监视研究是当前一个新的研究热点,其需要者主要是购买了电视、电台广告时间的客户。购买广告时间的客户关心他们的广告能否按协议的次数播出。但是,目前的多播框架只能使每个用户接收到的是嵌入同样水印的数据内容,因而无法达到目的。问题的关键是如何在现有多播监视系统中,针对不同的用户和不同的播放次数,嵌入不同的水印。

　　(3)防拷贝控制。防拷贝控制的功能是威胁盗版者并提供有力的调查工具。如果在音像的录制设备中装有检测水印的电路,则可以实现拷贝控制的功能。目前DVD业和数字音乐销售业都在从事这方面的工作,一个典型的例子是DVD防拷贝系统。1997年夏天,国际版权保护技术工作组引入数字水印技术,将有记录控制与回放控制二类应用水印技术的模块加入到DVD防拷贝系统中,记录控制模块利用水印的鲁棒性将拷贝管理系统数据保护起来,从而保证拷贝控制比特不会被轻易除去,有效地防止了因消除有关数据而引起的非法拷贝。回放控制模块根据DVD拷贝中是否存在数字水印而判断是否拒绝回放。

　　(4)保密通信。数字水印技术不仅提供了非密码的安全途径,更引发了信息战尤其是网络情报战的革命,产生了一些列新颖的作战方式,引起了许多国家的重视。迄今为止,学术界在保密通信方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思维模式。然而,经过加密的文件往往是杂乱无序的,容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路。由于人们很难察觉到数字水印信息在多媒体数据中的存在,某些重要信息在传输过程中就可以隐藏在普通的多媒体数据中,从而避开第三方的监视和控制。这种方法与普通的电话通信、电子邮件通信以及加密通信相比,隐蔽性高,不容易监控,而且很难被察觉。

3 数字水印技术的发展

　　数字水印是一门新兴技术,它横跨了图像处理、数字通信、密码学等多学科领域,引起了众多不同背景的研究人员的兴趣。自从1990年Tanaka发表第一篇关于数字水印的文章以来,数字水印技术越来越受到人们的重视。短短十几年,各种水印算法如雨后春笋般不断涌现。但数字水印技术仍然是一个未成熟的研究领域,还有许多问题需要解决,其理论基础依然非常薄弱,大多数水印算法还是经验性的。主要有以下几个方面还需努力:

　　(1)现有水印算法分析需要继续深化。目前出现的水印技术可以分别对抗一些低级的攻击手段,如简单攻击和一部分同步攻击,但是不能同时抵抗复杂的同步攻击、迷惑攻击和删除攻击。研究表明,将这些攻击的对策简单结合是不能解决问题的。因此,针对结合多种不同类型的攻击组成的综合攻击展开研究、寻求对策是一个很重要的方向。通过对现有的数字水印算法的鲁棒性、安全性、抗攻击性等特性的研究,结合数字信号处理技术,寻找出它们之间的关系,从而发现更加好的数字水印技术是一个很好的方向。

　　(2)水印技术的理论框架有待不断完善。水印技术的攻击方法和对策的研究依赖于水印技术整体的理论框架的建立。同时,攻击与对策的研究也会促进水印理论框架的完善。目前,一些学者已开始数字水印评价体系方面的研究,并取得了一些初步进展,但仍缺乏普遍性和很强的理论支持。通过对应用中遇到的同步攻击、迷惑攻击的研究,能够发现一些新的需求,提出一些新的概念,如同步性、不可逆性等。这些概念需要在水印技术的理论框架中给予定义,并使用数学公式加以描述。通过对这些概念从理论角度的研究和分析,可以给攻击与对策研究一些新的指导。

　　(3)声频和视频水印的解决方案还不完善。目前,大多数的视频水印算法实际上是将其图像水印的结果直接应用在视频领域中,而没有考虑视频应用中大数据量以及近乎实时的特性。从发展角度看,水印在包括DVD等数字产品在内的视频和音频领域将有极为广阔的应用前景。因此,今后研究的重点是将水印技术与现行国际图像及视频压缩标准(如JPEG2000和MPEG-4)相结合,将数字水印技术有效地应用于DVD工业标准中,设计出成熟的、合乎国际规范的水印算法。

　　(4)所有权的证明问题还没有完全解决。就目前已经出现的很多算法而言,攻击者完全可以破坏掉图像中的水印,或复制出一个理论上存在的“原始图像”,这导致文件所有者不能令人信服地提供版权归属的有效证据。因此一个好的水印算法应该能够提供完全没有争议的版权证明。目前将水印作为版权保护的法律证据还不可能,在这方面还需要做很多工作。

4 结 论

　　数字水印技术是近几年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域,它与信息安全、信息隐藏、数据加密等均有密切的关系。特别是在网络技术和应用迅速发展的今天,水印技术的研究更具现实意义。今后水印技术的研究仍将着重于鲁棒性、真伪鉴别、版权证明、网络快速自动验证以及声频和视频水印等方面,并将与数据加密技术紧密结合。水印技术研究表明,要解决应用性问题,必须先解决水印技术的安全性和稳健性问题。而安全性和稳健性的研究必须研究水印的攻击方法,并从理论上寻求相应的对策。

参考文献

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