数字水印技术探究

李　超

[摘要]介绍版权保护和信息安全的一种新技术－数字水印技术，对它的特点、分类、模型算法、攻击、应用领域进行分析，并展望今后数字水印技术的发展及研究方向。

[关键词]数字水印 信息安全 版权保护

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2009）0120014－02

随着信息产业的飞速发展，数字技术的进步，Internet应用日益广泛，数字媒体因其数字特征很容易被复制、篡改、非法传播及攻击，已经日益引起人们的关注，版权保护与信息完整性保证已逐渐成为人们迫切需要解决的一个重要问题，除了与传统作品版权保护相类似的法律和管理手段外，还应该针对数字媒体提供技术上的保护。数字水印技术研究就是在这种要求下迅速发展起来的。

一、数字水印的特点

1．安全性：数字水印中的信息应该是安全的，难以被篡改或者伪造。安全性要求在攻击者知道或部分知道数字水印算法的情况下，恶意的进行各种攻击操作，试图实现未经授权的嵌入、提取或检测、删除水印时，依然可以保证水印的正确。

2．不可感知性：在宿主数据中隐藏的数字水印应该是不可感知的，包括两方面的含义：一个是指感官上的不可感知，就是通过人的视觉听觉无法察觉出宿主数据中因嵌入水印而发生的变化。另一方面即使采用统计方法也无法确定水印是否存在。

3．可证明性：数字水印可以使已经注册用户的号码、产品标志或者有意义的文字等，他们被嵌入到宿主数据中，需要时可以将其提取出来，判断数据是否收到保护，并能够监视被保护数据的传播以及非法复制，进行真伪鉴别等。

4．鲁棒性（健壮性）：数字水印应难以被擦除，如果只能得到部分信息，应该无法完全擦除水印，任何试图完全破坏水印的操作，将对载体的质量造成严重破坏使得载体的数据无法使用。一个好的水印算法应该信号处理、通常的几何变形，以及恶意的攻击具有健壮性。

二、数字水印的分类

（一）基于外观的分类

水印从外观上可分为两大类：可见水印和不可见水印：可见水印是指可以看见的水印，它主要应用与图像或视频，防止这些图像被用于商业用途。这样虽然降低了资料的商业价值，却无损于所有者的使用；不可见水印是一种应用更加广泛的水印，与可见水印相反，它从表面是不可察觉的，但是当发生版权纠纷时，所有者可以从中提取标记，从而证明物品为某人所有。

（二）基于载体的分类

加载数字水印的数字产品，可以是任何一种多媒体类型。根据载体的不同，可以分为以下几类：静止图像水印、视频水印、音频水印、软件水印、文档水印等，随着数字技术的发展，会有更多种类的数字载体出现，同时也会产生相应的水印技术。

（三）按所嵌入水印信息的抗攻击能力来分类

分为脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印。脆弱水印对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过，主要用于完整性保护，鲁棒水印要求嵌入的水印能够经受各种常用的图像处理，操作，主要用于版权保护。半脆弱水印能够容忍一定的信号失真，主要用于认证。

（四）按水印的提取过程分

划分为：非盲水印，半盲水印和盲水印。非盲水印在提取过程中需要原始数据和原始水印的参与；半盲水印则不需要原始数据，但需要原始水印；非盲水印只需要密匙，既不需要原始数据，不需要原始水印。

（五）按水印嵌入的空间分类

分为空域水印和变换域水印。空域水印是直接在空域中对采样点的幅度值做出改变而嵌入水印，其最大特点是直观，方便，效率比较高，其缺点也很明显，稳健性比较差。变换域水印是在嵌入水印前先对图像进行某种可逆的数学变换，然后通过修改变换域的某些系数来嵌入水印，再进行逆变换得到加水印后的图像。它主要包括离散傅立叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）和离散小波变换域（DWT），其共同的特点是：可嵌入水印的数据量大，而且能够达到较好的不可感知性和鲁棒性的要求，但算法复杂度较高。

三、数字水印系统的基本模型

所有嵌入水印的方法都包括两种基本的构造模块：水印嵌入系统和水印恢复系统。

（一）水印嵌入系统

是输入水印、载体数据和一个可选的公匙或密匙。水印可以是任何形式的数据。比如文本、数值、图像当水印与密匙结合时，嵌入水印的技术通常称为秘密水印技术和公开水印技术。水印系统输出加了水印的数据。如图1。

（二）水印的恢复系统

系统的输入是已经嵌入水印的数据、私匙或公匙、原始数据或原始水印，输出的是水印或某种可信度的值。如图2。

四、对数字水印的攻击

（一）删除攻击

它将数字水印看作是特定统计特征的噪声，试图通过消除噪音的方法来分析和删除水印，恢复原图。

（二）几何变形攻击

它并不是试图删除水印，而只是通过各种几何变形来改变原图片的空间分布，使检测算法检测不出原水印。

（三）解密攻击

一种是通过字典搜索逐个尝试找出隐秘键，另一种是通过攻击水印检测程序，反向解密获得原图。还有一种通过统计平均的方法。

（四）协议攻击

例如原图I加水印W1后生成图像I'，利用这一弱点，攻击者可用I'再加水印W1生成图像I”，然后声称I”是他（攻击者）的作品。此时虽然原水印仍完好无损，但保护版权的功能却完全失效了。解决方法是把数字水印集成到一个大的安全系统中，为每一个水印打上时间印戳。

五、数字水印的算法

（一）空间数字水印

是直接在声音、图像或视频等信号空间上叠加水印信息。最常见的有最低有效位法（LSB）和扩展频谱方法。

LSB算法是最早提出的一种典型的空间域信息隐藏方法。它使用特定的密匙通过伪随机序列发生器产生随机信号，然后按照一定的规律排列成二维水印信号。并逐一插到原始图像相应像素值的最低几位。该算法虽然可以隐藏较多的信息，但是隐藏的信息可以轻易被移去，很容易受到有损压缩、量化、有噪信道传输的影响。不过作为大量数据的隐藏方法，LSB在隐藏通信中仍占有很重要地位。

直接序列扩频水印算法是扩频通信技术在数字水印的应用。扩频通信将待传递的信息通过扩频码调制后散布于非常宽的频带中，使其具有抗干扰性强、高度保密的特征。扩频水印方法与扩频通信类似，是将水印信息经扩频调制后叠加在原始数据上。

（二）变换域数字水印

是指在DCT变换域，时/频变换域（DFT）或小波变换域（DWT）上隐藏水印。在图像从时域到频域的变换过程中，对水印信息进行一定的频域调制。使其更好的隐藏在图像重要的能量部分，同时又不引起图像质量的明显下降。由于它很好的满足了数字水印技术透明性和鲁棒性的要求，而成为当前最重要的水印算法。其中DCT变换域数字水印算法是在图像的DCT变换域上选择中低频系数叠加水印信息，因为人眼的感觉主要集中在这一频段。由于JPEG，MPEG等压缩算法的核心是在DCT变换域上进行数据量化，所以通过巧妙的融合水印过程和量化过程，就可以使水印抵御有损压缩。

六、数字水印的应用领域

（一）用于版权保护

数字作品的版权保护是当前的热点问题，由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到和原作品完全相同，所以作者不得不采用一些严重损害作品质量的方法来加上版权标识，而这种标识还是很容易被窜改。数字水印可以即不损害原作品，又达到了保护版权的目的。

（二）用于盗版跟踪的数字指纹

为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可在每个产品拷贝中分别嵌入不同的水印（称为数字指纹）。如果发现了未经授权的拷贝，则可以通过检索指纹来追踪其来源

（三）用于图像认证的水印

在鉴定应用中，使用水印的目标是对数据的修改进行检测。这就是所谓的“脆弱性水印”它对于特定的修改，有弱的健壮性，而对它的修改是破坏性的。

（四）商务交易中的票据防伪

由于高精度的打印机的出现，商务交易中的货币、支票以及其他票据的伪造变地更加容易，美国、日本等国家已经开始研究用于票据防伪的数字水印技术。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。

（五）隐蔽标识

在这类应用中可以插入水印构成一个注释，提供有关数字产品进一步的信息。数字水印隐藏标识和标签可以用在医学、制图、多媒体索引和基于内容的检索等领域。

七、数字水印的研究展望

（一）算法的发展

许多应用对数字水印的健壮性要求很高，所以要有健壮性更好的算法，因此，研究健壮性更好的算法是数字水印的重点发展方向，但也应该保持较好的不可见性以及较大的信息容量。

（二）数字水印系统与加密体系的结合

将使多媒体通信技术的安全性大大地提高。

（三）数字水印与网络应用的结合

对于网络环境下的数字水印的应用，应重点研究水印的网络快速自动验证技术，研究动态水印或具有交互心智的数字水印技术，在网络中可以通过在水印中加入JAVA模块或含有特定URL等方法来实现。

（四）基于高层信息识别的水印技术

通常水印主要信赖于计算技术，而基于更高层的信息特征如文本信息、图像内容则具更好的健壮性。

（五）数字水印应用技术

研究数字水印在实际应用中的模式、方法和领域也是数字水印的一项重要内容，也是该技术走向市场的主要途径。

数字水印技术作为解决数字媒体安全问题的一种有效手段有着巨大的潜力，无论在学术界、工业界还是商业界都具有广泛的研究前景。尽管目前数字水印技术在实际应用中还存在着许多问题未曾解决，但随着研究工作的深入，数字水印技术会逐渐走向成熟。

参考文献：

[1]王炳锡、彭天强，信息隐藏技术[M]．北京：国防工业出版社，2007.9，53－54．

[2]纽心忻，信息隐藏与数字水印[M]．北京：北京邮电大学出版社，2004.6，122－123．

[3]王丽娜、张焕国，信息隐藏技术与应用[M]．湖北，武汉大学出版社，2003.8，25.

[4]杨义先，数字水印基础教程[M].北京，人民邮电出版社，2007.6，14.

[5] 陈琦、王炳锡，网络环境下的信息隐藏与数字水印技术[J]．学术与技术，2001.7，21．

[6]于伟东，信息隐藏技术的研究[J].网络通讯及安全，2888.1，59.

作者简介：

李超，男，安徽来安，蚌埠医学院计算机教研室，助教，安徽大学在读08级信息管理专业硕士生。