數(shù)字水印概況

數(shù)字水印概況2002/09/15提綱信息隱藏?cái)?shù)字水印

基本概念、水印的分類及特性

數(shù)字水印系統(tǒng)模型典型數(shù)字水印算法水印的攻擊發(fā)展方向信息隱藏

信息隱藏(InformationHiding)不同于傳統(tǒng)的密碼學(xué)技術(shù)。

密碼技術(shù)主要是研究如何將機(jī)密信息進(jìn)行特殊的編碼，以形成不可識(shí)別的密碼形式(密文)進(jìn)行傳遞

而信息隱藏則主要研究如何將某一機(jī)密信息秘密隱藏于另一公開(kāi)的信息中，然后通過(guò)公開(kāi)信息的傳輸來(lái)傳遞機(jī)密信息

多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用為信息隱藏技術(shù)的發(fā)展提供了更加廣闊的領(lǐng)域

信息隱藏待隱藏的信息為秘密信息(secretmessage)：版權(quán)信息、秘密數(shù)據(jù)、一個(gè)序列號(hào)；公開(kāi)信息稱為載體信息(covermessage)：視頻、音頻片段信息隱藏過(guò)程一般由密鑰(Key)來(lái)控制，即通過(guò)嵌入算法(Embeddingalgorithm)將秘密信息隱藏于公開(kāi)信息中，隱蔽載體通過(guò)信道(Communicationchannel)傳遞，然后檢測(cè)器(Detector)利用密鑰從隱蔽載體中恢復(fù)/檢測(cè)出秘密信息。

信息隱藏信息隱藏技術(shù)主要由下述兩部分組成:信息嵌入算法，它利用密鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)秘密信息的隱藏隱蔽信息檢測(cè)/提取算法，它利用密鑰從隱蔽載體中檢測(cè)/恢復(fù)出秘密信息。在密鑰未知的前提下，第三者很難從隱秘載體中得到、刪除、甚至發(fā)現(xiàn)秘密信息

信息隱藏特點(diǎn)魯棒性(robustness)：指不因圖象文件的某種改動(dòng)而導(dǎo)致隱藏信息丟失的能力。

不可檢測(cè)性(undetectability)：指隱蔽載體與原始載體具有一致的特性。

透明性(invisibility)：利用人類視覺(jué)系統(tǒng)或人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)屬性，經(jīng)過(guò)一系列隱藏處理，使目標(biāo)數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象，而隱藏的數(shù)據(jù)卻無(wú)法人為地看見(jiàn)或聽(tīng)見(jiàn)。

安全性(security)：指隱藏算法有較強(qiáng)的抗攻擊能力

自恢復(fù)性：留下片段數(shù)據(jù)，仍能恢復(fù)隱藏信號(hào)。

數(shù)字水印基本概念數(shù)字水印(DigitalWatermark)技術(shù)，是指在數(shù)字化的數(shù)據(jù)內(nèi)容中嵌入不明顯的記號(hào)。被嵌入的記號(hào)通常是不可見(jiàn)或不可察的，但是通過(guò)計(jì)算操作可以檢測(cè)或者被提取。水?。ㄒ欢挝淖?、標(biāo)識(shí)、序列號(hào)等）與原始數(shù)據(jù)(如圖象、音頻、視頻數(shù)據(jù))緊密結(jié)合并隱藏其中，成為源數(shù)據(jù)不可分離的一部分，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)值的操作而存活下來(lái)。

數(shù)字水印技術(shù)從不同的角度分類

按作用劃分：魯棒水印和易碎水印

按載體分：圖像水印、視頻水印、音頻水印、文本水印和圖形水印等

按檢測(cè)分：明水印、盲水印

按內(nèi)容分：水印是可視圖象、水印為隨機(jī)碼

按用途分：版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印、票據(jù)防偽水印、隱蔽標(biāo)識(shí)水印

檢測(cè)分類明水印包括私有水印和半私有水印,私有水印又分兩種類型

第１類私有水印映射關(guān)系是:Ｉ‘ｘＩｘＫ→Ｗ

第２類私有水印映射關(guān)系是:Ｉ‘ｘＩｘＫｘＷ→｛０，１｝半私有水印的映射關(guān)系是：Ｉ‘ｘＫｘＷ→｛０，１｝

盲水印映射關(guān)系是：Ｉ‘ｘＫ→Ｗ

非對(duì)稱水印系統(tǒng)的鑰匙是公開(kāi)的,即使用者可以讀取水印，但不能移除它。

可見(jiàn)水印水印加入水印的圖片用途分類版權(quán)保護(hù)水?。杭尤胨『?，圖像的擁有者希望他人看到圖像水印的標(biāo)記，在經(jīng)過(guò)各種有意攻擊與無(wú)意編輯處理后水印仍然存在。

篡改提示水?。豪眉釉趫D像中的水印來(lái)保護(hù)圖像內(nèi)容的完整性，對(duì)篡改的內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)注提示。

票據(jù)防偽水?。杭釉诩堎|(zhì)票據(jù)的數(shù)字生成過(guò)程中，歷經(jīng)印刷、打印、掃描過(guò)程后能將水印檢測(cè)出來(lái)隱蔽標(biāo)識(shí)水?。涸趫D像中加入注釋信息，對(duì)圖像進(jìn)行說(shuō)明和作者簡(jiǎn)介等

可見(jiàn)水印的應(yīng)有特性

水印在圖像中可見(jiàn);水印在圖像中不太醒目;水印很難被去除;水印加在不同的圖像中具有一致的視覺(jué)突出效果第(1),(2),(3)條特性比較容易滿足，第(4)條特性不容易滿足。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)相同的水印加在不同的圖像中具有不同的視覺(jué)結(jié)果。

易碎水印的應(yīng)有特性

水印在通?；蛱囟ㄒ曈X(jué)條件下不可見(jiàn);水印能被最普通的圖像處理技術(shù)改變;未經(jīng)授權(quán)者很難插入一個(gè)偽造水印;經(jīng)授權(quán)者能很快地抽取出水印;水印能在圖像剪切操作后仍存在;從抽取出來(lái)的水印中能看出哪里被改變.在這些特性中,有些特性在特定的應(yīng)用環(huán)境下不一定都滿足

魯棒水印的應(yīng)有特性

水印在通常或特定視覺(jué)條件下不可見(jiàn);加水印的圖像經(jīng)過(guò)普通的圖像處理技術(shù)后水印仍然保持在圖像中;未經(jīng)授權(quán)者很難檢測(cè)出水印;經(jīng)授權(quán)者能很快地抽取出水印;加水印的圖像經(jīng)過(guò)印刷或重新掃描后水印仍然能被抽取出來(lái)

典型數(shù)字水印系統(tǒng)模型

水印信號(hào)嵌入模型功能是完成將水印信號(hào)加入原始數(shù)據(jù)中；水印信號(hào)檢測(cè)模型用以判斷某一數(shù)據(jù)中是否含有指定的水印信號(hào)。

典型數(shù)字水印算法

靜止圖像水印

視頻圖像水印

文本水印

靜止圖像水印可將圖像水印編碼算法分為兩類：空間域調(diào)制和頻率域調(diào)制?？臻g域水印算法可以提供簡(jiǎn)捷有效的水印嵌入方案，具有較大的信息嵌入量，但其缺乏對(duì)圖像處理的魯棒性。頻率域水印算法具有的較強(qiáng)抗信號(hào)處理和惡意攻擊的能力，受到眾多學(xué)者的青睞。結(jié)合兩者特性的圖像自適應(yīng)水印算法是水印技術(shù)中最有前景的研究方向。

空域與頻域比較空間域方法通過(guò)改變某些像素的灰度，將要隱藏的信息嵌入其中；頻域方法是通過(guò)改變頻域的一些系數(shù)的值為隱藏信息?？臻g域方法算法簡(jiǎn)單、速度快、容易實(shí)現(xiàn)、特別是它幾乎可以無(wú)損地恢復(fù)載體圖象和水印信息，這對(duì)于某些應(yīng)用是必要的；頻域方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：水印的信號(hào)能量可以分布到所有的像素上，有利于保證水印的不可見(jiàn)性。在頻域中可以利用人類視覺(jué)系統(tǒng)的某些特性，更方便、更有效地進(jìn)行水印的編碼。由于頻域變換在變換和反變換過(guò)程中是有損的，同時(shí)運(yùn)算量大，對(duì)一些精確應(yīng)用場(chǎng)合或需要快速應(yīng)用場(chǎng)合不太合適

空間域水印技術(shù)

最低有效位算法(LSB)

脆弱，水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞

公開(kāi)密鑰水印算法

基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)字水印嵌入方案(Patchwork)

紋理塊映射公開(kāi)密鑰水印算法假設(shè)有一個(gè)Ｍ*Ｎ大小的灰度原圖Ｘｍｎ和一個(gè)等大小的二值水印圖ｂｍｎ,

Hash函數(shù)又稱為雜湊函數(shù)，是一種可將任意長(zhǎng)度的數(shù)字串M映射成一個(gè)較短的具有定長(zhǎng)輸出的數(shù)字串Ｈ的函數(shù)。Hash函數(shù)反映了多對(duì)一的映射，因此不能從Ｈ推出原來(lái)的Ｍ。

公開(kāi)密鑰水印算法水印嵌入的步驟為:將原圖和水印圖分成８×８大小的塊;將原圖塊Ｘｒ的LSB置０后與Ｍ、Ｎ一起輸入Hash函數(shù)，其輸出為Ｐｒ;將Ｐｒ和水印塊Ｂｒ作異或運(yùn)算,輸出為Ｗｒ;對(duì)Ｐｒ采用公開(kāi)密鑰加密算法加密后嵌入Ｘｒ的LSB上，水印的嵌入即為結(jié)束。提取水印的過(guò)程為嵌入水印的逆過(guò)程。

基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)字水印嵌入方案(Patchwork)

Patchwork的嵌入步驟為:用收發(fā)雙方都知道的密鑰控制一偽隨機(jī)數(shù)字發(fā)生器，產(chǎn)生變化的像素對(duì)(Pa,Pb);將像素Ｐa的亮度升高一個(gè)δ值，并將Ｐb的亮度減少一個(gè)δ值(等量)，以保證圖像平均亮度不變;重復(fù)上述過(guò)程Ｎ次(Ｎ≈１０４),以保證解碼時(shí)的效果明顯。

紋理塊映射紋理塊映射編碼方法則是將數(shù)字信息隱藏于數(shù)字圖像的任意紋理部分，其將隱藏信息紋理映射到另一紋理相似的區(qū)域。該算法對(duì)于濾波、壓縮和扭轉(zhuǎn)等操作具有抵抗能力。但僅適于具有大量任意紋理區(qū)域的圖像,而且尚不能完全自動(dòng)完成。

頻率域水印技術(shù)

較早的頻率域數(shù)字水印算法

分塊，選中頻系數(shù)基于擴(kuò)頻通信技術(shù)的頻率域數(shù)字水印嵌入策略

將整幅圖像看作一個(gè)塊進(jìn)行變換

對(duì)一幅512×512像素的原始圖像水印過(guò)程如下:(1)圖像變換。原始圖像進(jìn)行DCT變換，得到一個(gè)具有512×512個(gè)變換域系數(shù)的塊，并從中抽取要加入水印的DCT域系數(shù)序列V={Vi}。(2)產(chǎn)生水印。水印序列X由N個(gè)服從均值為0、方差為1的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)組成(因?yàn)檎龖B(tài)分布的水印信息能夠更好地抵抗“多文件聯(lián)合攻擊”)。

(3)對(duì)水印中的每一個(gè)隨機(jī)數(shù)Xi進(jìn)行如下計(jì)算，以修正圖像的變換系數(shù):V′i=Vi(1+α.Xi)。V′i和Vi分別是修正后的DCT系數(shù)和原始DCT系數(shù)，α控制水印添加的強(qiáng)度，其推薦值是0.1～0.2。

(4)對(duì)修正后的變換域系數(shù)V′組成的矩陣進(jìn)行IDCT變換，得到含有水印信息的標(biāo)注圖像。修改DCT系數(shù)使得水印信息廣泛分布在圖像上，從而該方案對(duì)裁剪(Cropping)等攻擊具有相當(dāng)?shù)牡挚鼓芰Α?5)水印恢復(fù)。對(duì)一幅待檢測(cè)的圖像V*，通過(guò)與上述4個(gè)步驟相反的操作可以得到一列隨機(jī)數(shù)X*。(6)對(duì)提取的“水印”X*跟原來(lái)的水印進(jìn)行相關(guān)分析：sim(X,X*)=XX*/(X*X*)。

水印的sim值在6以上就可以認(rèn)為已有水印，如果低于6，則認(rèn)為沒(méi)有水印

圖像自適應(yīng)水印技術(shù)

隨著水印技術(shù)研究的深入，一些有圖像編碼背景的學(xué)者從編碼角度出發(fā)，利用已有的視覺(jué)模型研究成果，提出了圖像自適應(yīng)DCT和圖像自適應(yīng)小波水印算法。通過(guò)研究圖象的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度，從而避免破壞視覺(jué)質(zhì)量。也就是說(shuō)，利用視覺(jué)模型來(lái)確定與圖象相關(guān)的調(diào)制掩模，然后再利用其來(lái)插入水印。

視頻圖像水印

視頻水印提出了一些區(qū)別于靜止圖像水印的獨(dú)特要求。

第一類嵌入方案是將水印信息直接嵌入到原始圖像碼流中，形成含水印的原始視頻信息，然后進(jìn)行Mpeg-2視頻編碼。第二類方案是將嵌入過(guò)程引入到Mpeg-2編碼器中。一般是通過(guò)調(diào)制DCT變換或量化之后的系數(shù)完成信息嵌入過(guò)程，實(shí)現(xiàn)較為容易。第三類方案直接嵌入水印信息到Mpeg-2壓縮碼流中。視頻系統(tǒng)對(duì)視頻壓縮碼率的約束將限制作為水印的嵌入信息量，同時(shí)可能對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償環(huán)路造成影響。

文本水印

ASCII文本文件或計(jì)算機(jī)源碼文件，不能被插入水印

一些高級(jí)形式的文檔通常都是格式化的(如Postscript，PDF，RTF，WORD，WPS)，并且對(duì)于這些類型的文檔可以將一個(gè)水印藏入版面布局信息(如字間距或行間距)或格式化編排中

行移編碼、字移編碼、特征編碼、編碼方式的綜合運(yùn)用

行移編碼標(biāo)記插入是通過(guò)將文本的某一整行垂直移動(dòng)。通常，當(dāng)一行被上移或下移時(shí)，與其相鄰的兩行或其中的一行保持不動(dòng)。不動(dòng)的相鄰行被看作是解碼過(guò)程中的參考位置。大部分的文檔的格式有一個(gè)特點(diǎn)，一段內(nèi)的各行的間距是均勻的。盡管眼可區(qū)分不均衡，當(dāng)垂直位移量等于或小于1/300英寸時(shí)人眼將無(wú)法辨認(rèn)。這種方法的主要特點(diǎn)體現(xiàn)于解碼過(guò)程中。既然一個(gè)文本最初的行間距是均勻的，那么一個(gè)被接收文檔是否被作標(biāo)記可以通過(guò)分析行間距來(lái)判斷，而不需要任何有關(guān)這個(gè)文檔最初未被作標(biāo)記時(shí)的附加信息。

字移編碼

標(biāo)記插入是通過(guò)將文本的某一行中的一個(gè)單詞水平移位。在編碼過(guò)程中，某一個(gè)單詞左移或右移，而與其相鄰的單詞并不移動(dòng)。這些單詞被看作是解碼過(guò)程中的參考位置。對(duì)于格式化的文檔，通常使用變化的單詞間距，讀者可以接受一行文本中單詞間距的廣泛變化。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，人眼無(wú)法辨認(rèn)1/150英寸以內(nèi)的單詞的水平位移量。既然在最初的文檔中單詞間距是不均勻的，檢測(cè)一個(gè)單詞的位移量需要對(duì)最初文檔的單詞間距有所了解。所以，在提取隱藏信息時(shí)必須掌握未作標(biāo)記文檔的單詞位置。因此只有那些擁有最初文檔的組織或其代理人可以讀到隱藏信息。

特征編碼

通過(guò)改變某個(gè)單個(gè)字母的某一特殊特征來(lái)插入標(biāo)記的技術(shù)。字母特征改變例子如改變它的高度等。同樣，保留一些特征未作改變的字母以幫助解碼。例如，檢測(cè)算法可將那些被認(rèn)為發(fā)生變化的字母與該頁(yè)中沒(méi)有變化的相同字母的高度進(jìn)行比較。通過(guò)字母變化在文本中插入不易辨認(rèn)的標(biāo)記必須非常細(xì)心，因?yàn)槿绻幸粋€(gè)與它相同的但未作變化的字母與它相鄰，讀者很容易便認(rèn)出字母的變化。在檢測(cè)一個(gè)標(biāo)記是否存在時(shí)需不需要對(duì)最初的未作標(biāo)記的原文掌握是由標(biāo)記技術(shù)以及選擇將要被變化的字母的規(guī)律來(lái)決定的。

編碼方式的綜合運(yùn)用

以上方法可以綜合運(yùn)用，這樣的編碼方式可以增加魯棒性，在破壞嚴(yán)重的情況下，依然比較容易檢測(cè)到水印的存在。一個(gè)文檔被處理的過(guò)程中，在水平與豎直方向可能會(huì)受到不同程度的破壞。對(duì)同一行同時(shí)使用行移和字移進(jìn)行編碼，可以結(jié)合控制行與被標(biāo)記行來(lái)估計(jì)出水平與豎直輪廓誰(shuí)的噪聲(或者