（教育技术学专业论文）水印数据库通用实验平台的设计与开发.pdf

摘要 随着计算机技术的飞速发展和网络的普及，数字多媒体的存储、复制、传输变得非 常容易。这些数字作品可以任意的被编辑、修改和拷贝，使数字媒体原创者的版权和经济 利益得不到有效的保护，从而引发了盗版问题、版权纠纷问题。数字水印技术就是将代表 数字媒体著作权人的身份的特定信息、用户指定的标志或者序列码等，按照某种方式嵌入 被保护的信息中，在产生版权纠纷时，通过相应的算法提取出该数字水印，从而验证版权 的归属，实现对数字媒体的版权保护。 在网络环境下的数据库应用越来越多，迫切需要为数据库提供版权保护，因此，人们 想到了利用数字水印技术来解决数据库的版权保护问题。由于数据库数据量大但冗余小， 不能将传统多媒体数字水印技术直接应用到数据库中，必须研究数据库和数字水印技术的 特点，开发满足数据库版权保护的水印技术，来解决数据库的版权保护问题，因此人们提 出了数据库水印技术。 为了帮助人们熟悉并尽快的掌握关系数据库水印技术的基本原理和算法的设计过程， 以便人们进行算法的选择，帮助人们了解各个算法的鲁棒性、透明性等特征，设计一个关 系数据库水印的通用实验平台是一个很好的解决方案。 本文首先介绍了数字水印技术的发展现状、数字水印的定义、特征、分类；其次介绍 了关系数据库的特征和结构、关系数据库水印的特点、数据库对水印的技术要求及水印技 术对数据库的要求，从理论上对数据库水印的一些基本知识进行了分析；接着对该平台进 行需求分析、可行性分析，对系统将要实现的功能进行了详细分析，在此基础上以j a v a 为系统的开发语言、j c r e a t o r 为开发工具设计了一个关系数据库水印的通用平台，在该平 台上，普通用户可以选择相应的算法对关系数据库进行水印的嵌入、攻击、检测、提取等 操作；系统的管理员可以对系统进行维护，根据需要向系统中添加算法等操作。 实验结果表明，该系统能够很好的完成对所选关系数据库的嵌入、检测、提取操作 等实验，并且，该系统清晰直观、操作简单、具有友好的用户操作界面。 关键字：数字水印；数据库水印；版权保护；通用平台 s t r a c t o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r k s ，t h ed i g i t a l o na n dt r a n s m i s s i o nh a sb e c o m ev e r yc o n v e n i e n t t h ep r o b l e mo fc o p y r i g h tp i r a c ya n dc o p y r i g h td i s p u t e sh a sb e c o m ea ni n c r e a s i n g l ys e r i o u s s o c i a lp r o b l e m d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi st oe m b e ds p e c i f i ci n f o r m a t i o nt ot h em e d i at oe x t r a c t t h ei n f o r m a t i o ni nat i m e l ym a n n e r , i no r d e rt oa c h i e v ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i g i t a lm e d i a t h i si n f o r m a t i o nc a nb et h ei d e n t i t yo ft h ec o p y r i g h to w n e rs p e c i f i ci n f o r m a t i o n ，t h eu s e r s p e c i f i e ds y m b o lo rs e r i a ln u m b e r , e t c t h e r ea r em o r ea n dm o r ed a t a b a s ea p p l i c a t i o n si nn e t w o r k ，a n di ti su r g e n tf o rt h ec o p y r i g h t p r o t e c t i o no fd a t a b a s e s op e o p l er e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo fd i g i t a lw a t e r m a r kt op r o t e c tt h e c o p y r i g h to fd a t a b a s e t h ed a t a b a s eh a sl a r g en u m b e ro fd a t ab u tl i t t l er e d u n d a n c y i tn e e d s s o m eo p e r a t i o n sn o r m a l l y , s oi tc a n ta p p l yt h et r a d i t i o n a ld i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g yt o d a t a b a s ed i r e c t l y i ti sr e q u i r es t u d y i n gt h ec h a r a c t e r so fd a t a b a s ea n dw a t e r m a r kt e c h n o l o g y , d e v e l o p i n gaw a t e r m a r km e c h a n i s mt os a t i s f yc o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd a t a b a s e i ti s c a l l e d d a t a b a s ew a t e r m a r kt e c h n o l o g y i no r d e rt ol e tm o r ep e o p l ef a m i l i a r 、新t l la n dq u i c k l yg r a s pt h eb a s i ct h e o r ya n dt h e a l g o r i t h md e s i g np r o c e s so fd a t a b a s ew a t e r m a r kt e c h n o l o g y , h e l pp e o p l et ou n d e r s t a n dt h e d i f f e r e n t r o b u s t n e s s ，t r a n s p a r e n c ya n do t h e rf e a t u r e s ，t h ed e s i g no f ac o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a ld a t a b a s ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gs y s t e mi sag o o ds o l u t i o n i nt h i s p a p e r , f i r s t s h o wt h e d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y a n di t s p r i n c i p l e s ， c h a r a c t e r i s t i c s a sw e l la st h ec u r r e n ts t a t u so ft h ea p p l i c a t i o n t h e ni n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c s a n ds t r u c t u r eo ft h er e l a t i o n a ld a t a b a s e ，t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rt h e w a t e r m a r ka n d w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yd e m a n d so nt h ed a t a b a s e t h e ni n d u c et h ep l a t f o r mn e e d sa n a l y s i s ， f e a s i b i l i t ya n a l y s i sa n dh ef u n c t i o no ft h es y s t e m o nt h i sb a s i s ，u s ej a v ad e v e l o p m e n tl a n g u a g e a n dj c r e a t o rd e v e l o p m e n tt o o l sd e s i g naw a t e r m a r k i n gr e l a t i o n a ld a t a b a s e sf o re x p e r i m e n t p l a t f o r m t h es y s t e mc a nc o m p l e t es o m ee x p e r i m e n t sa sw a t e r m a r k se m b e d d i n g ，e x t r a c t i n g a n dr o b u s t n e s sd e t e c t i n g s y s t e ma d m i n i s t r a t o r sc a nm a i n t a i nt h es y s t e m ；a d dt h ea l g o r i t h m o p e r a t i o na c c o r d i n gt ot h es y s t e mn e e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nb ev e r yg o o dc o m p l e t e ds o m e e x p e r i m e n t sa st h ew a t e r m a r k se m b e d d i n g ，e x t r a c t i n ga n d r o b u s t n e s sd e t e c t i n g i na d d i t i o n ，t h e s y s t e m sd e s i g ni s c l e a ra n di n t u i t i v e ，s i m p l ef o ro p e r a t i n g ，h a sav e r yg o o de f f e c ti n p o p u l a r i z a t i o n k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k ；d a t a b a s ew a t e r m a r k ；c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ； c o m m o np l a t f o r m ； i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i 图目录i v 第一章绪论1 第一节选题背景1 第二节水印实验平台研究现状1 一、国外研究现状1 二、国内研究现状2 三、存在问题2 第三节课题研究的意义3 第四节研究目标和内容3 一、研究目标3 二、研究内容3 第五节论文结构安排4 第二章关系数据库水印的相关理论5 第一节数字水印技术概述5 一、数字水印发展现状5 二、数字水印的定义6 三、数字水印的特征6 四、数字水印的分类7 第二节关系数据库特性和结构8 第三节关系数据库水印技术概述9 一、关系数据库水印的特点9 二、关系数据库水印模型1 0 三、数据库对水印的技术要求1 1 四、水印技术对数据库的要求1 1 五、理想的关系数据库数字水印技术1 2 第三章水印关系数据库通用实验平台的需求分析与总体设计1 3 第一节需求分析1 3 一、对水印数据库平台的需求分析1 3 二、可行性分析1 4 第二节水印关系数据库实验平台的总体设计1 4 i i 一、系统概述1 4 二、常用的数据库类型分析1 5 三、系统的功能分析1 6 四、系统的功能模块图1 7 第四章水印数据库通用实验平台的详细设计1 9 第一节详细设计概述1 9 一、详细设计的任务1 9 二、详细设计的原则1 9 三、详细设计的方法2 0 第二节平台设计原则2 0 一、界面设计原则2 0 二、用户界面的主要形式2 1 三、导航设计与策略2 2 第三节系统的流程图2 2 第四节系统的主要功能模块分析2 4 一、系统的登录功能分析2 4 二、水印嵌入模块分析2 4 三、水印检测模块分析2 5 四、水印攻击模块分析2 6 第五章水印数据库通用实验平台的开发与测试2 8 第一节开发语言、开发工具的选择2 8 一、开发语言选择的原则2 8 二、开发语言的选择2 8 三、开发工具的选择3 0 第二节系统功能模块的开发实现3 0 一、系统的主界面的实现3 0 二、系统管理模块的实现3 2 三、数据库管理模块的实现3 3 四、算法管理模块的实现3 4 五、水印管理模块的实现3 4 第三节系统测试3 9 第六章小结4 2 参考文献：4 3 在校期间研究成果及发表的学术论文4 5 致谢4 6 i i i 图目录 图3 2 1 系统的功能模块图1 8 图4 3 1 系统流程图2 3 图4 4 一l 用户登录流程图2 4 图4 4 2 水印嵌入流程图2 5 图4 - 4 - 3 水印检测流程图2 6 图5 - 2 - i 系统主界面3 1 图5 - 2 - 2 系统登录界面3 3 图5 2 3 修改密码界面3 3 图5 - 2 - 4 数据库设置界面3 4 图5 - 2 5 算法管理界面3 4 图5 2 6 水印管理界面3 5 图5 2 7 水印嵌入界面3 6 图5 2 8 水印攻击界面3 6 图5 2 9 水印检测界面3 7 图5 3 1 数据库选择界面4 0 图5 3 2 水印嵌入界面4 0 图5 3 3 水印提取界面4 1 i v 水印数据库通用实验平台的设计与开发 第一章绪论 第一节选题背景 数字水印技术是在2 0 世纪9 0 年代出现的，它的出现解决了数字媒体的版权保护问题， 其主要思想是利用媒体数据中存在的冗余信息位，将一定意义的信息按照预先设计好的方 式嵌入到这些冗余位中。这些信息在这些冗余位中是不可见的，一旦发生了版权纠纷，原 作者就可以按照一定的算法从媒体中提取出事前嵌入的有意义的信息，因此可以很好解决 数字多媒体信息的版权保护问题。 随着网络的普遍使用，越来越多的部门需要将一定的数据库外发出去与他人共享，一 些供应商也利用网络向用户提供远程数据库的服务，用户支付一定的费用后，就可以登录 远程的数据库中进行数据的访问。然而很多非法商利用不法的手段窃取数据库，从中将数 据库中有用的信息非法的卖给他人，使供应商蒙受到了巨大的损失，因此，人们呼吁对数 据库进行版权保护。数字技术在多媒体信息中的成功使用引发了人们对数据库思考，是否 可以利用数字技术对数据库进行版权保护呢? 各国的学者专家对此十分的关注，并进行了 研究，提出了在数据库中添加水印的思想，数据库水印技术因此也越来越受到人们的关注 和重视。为了帮助人们熟悉并尽快的掌握关系数据库水印的基本原理和算法的设计过程， 设计一个关系数据库水印的通用实验平台是一个很好的解决方案。 一、国外研究现状 第二节水印实验平台研究现状 1 剑桥大学的f a b i e n p e t i t c o l a s 等人设计了一个通用的图像水印基准测试软件s t i r m a r k 。此软件从1 9 9 7 年1 1 月开始可以从网上自由下载，现在已被广泛地用于水印系统 的测试，软件发布到3 1 版。其后，s t i r m a r k 软件的设计者希望能够制定出一个基于s t i r m a r k 的水印测试基准，于是提出了s t i r m a r kb e n c h m a r kp r o j e c t 计划，该计划已得到了包 括i n r i a 、m i c r o s o f tr e s e a r c h 、c m di p s i 和u s t ll i f l 等多个研究机构的响应，目前 已发布的测试软件为s t i r m a r k b e n c h m a r k 4 0 。 2 c h e c k m a r k 是由p e r e i r a 开发的，他来自瑞士日内瓦大学的t h i e r r yp u n 教授领导下 的计算机视觉研究组。c h e c k m a r k 是一种基准测试工具，是在u n i x 或w i n d o w s 平台下 运行于m a t l a b 上的用于数字水印技术的一组基准套件。第二代水印测试软件c h e c k m a r k 具有s t i r m a r k 全部的攻击类型，c h e c k m a r k 包含了一些未在s t i r m a r k 中提出的攻击。而 水印数据库通用实验平台的设计与开发 且，他还考虑了水印应用，这意味着从单个攻击得出的分数将根据他们对于一个给定的水 印用途的重要性进行加权，因此它提供了一种更好地评估水印技术的有效工具。 3 o p t i m a r k 是用于静态图像水印算法的基准测试工具，它由希腊t h e s s a l o n i k i 的 a r i s t o t l e 大学信息学系的人工智能和信息分析实验室开发。与s t i r m a r k 和c h e c k m a r k 不同 的是，o p t m a r k 具有图形界面，它能利用不同的水印密钥和信息，使用多重测试进行检测 解码性能评估。o p t m a r k 针对水印检测器给出的不同结果，相应给出不同的性能测量方 法的评估。此外，o p t m a r k 还提供了对解码性能的测量方法，平均嵌入和检测时间，算法 有效载荷以及某攻击和某一性能标准的算法崩溃极限的评估。使用用户在选定的攻击和 图像上定义的权值后，o p t m a r k 能给出多重等级的结果，并且用户还可以选择自定义和事 先设置的基准部分。 二、国内研究现状 国内清华大学的王建民教授提出了一个可以在关系数据库系统中基于不同用户有选 择地为关系数据嵌入水印的方案，方案的设计思路是通过为r d b m s 扩展水印的功能，在 r d b m s 内部实现关系水印的嵌入，无须再借用外部工具。它是在传统的关系数据库管理 系统的内部为其增加一个水印子系统，通过这个子系统来实现对关系数据的水印嵌入操 作。该系统只保存原始的数据，水印的嵌入是在r d b m s 执行数据查询时候根据用户的不 同有选择的进行，在执行数据的读取操作的时候，首先会把数据传递给数据库内的水印子 系统，由该系统判断是否应该对此用户添加水印。如果需要添加水印则进行相应的水印嵌 入操作；否则系统将不进行水印嵌入的操作。嵌入水印后，水印子系统将数据传递给执行 引擎进行下一步查询处理操作，直到操作过程执行完毕，执行引擎再将最后的查询结果返 回给用户。这样，最终的用户得到的数据有的是已经嵌入水印的数据，有的是原始的没有 添加任何水印的数据。因此本系统可以分别为内部用户和外部用户提供原始数据和嵌入水 印的数据。该系统通过执行特定的s q l 语句来实现对水印参数的添加、修改和删除，从 而实现对关系数据版权的保护。 三、存在问题 1 相关水印数据库的通用实验平台研究很少 经调研发现，目前针对数据库水印算法的研究很多，可相关的通用实验平台很少，几 乎所有的实验都是针对某一种具体的算法进行验证，而且用户只能看到实验结果，不能亲 自进行实验，因此不能很好的了解该算法的一些具体的特性，也无法进行多个算法的比较， 从而选择更适合的算法。 2 现有系统缺少用户选择的自主性 清华大学的王建民教授提出的在关系数据库水印系统中基于不同的用户有选择的嵌 2 食 水印数据库通用实验甲台的设计与开发 入水印的方案，该方案是系统自动根据用户的不同来决定是否对数据库进行嵌入水印操 作。对于内部的用户，系统不需要对数据库进行嵌入水印的操作；而对于外部用户，为了 防止数据库的数据被非法拷贝、传播，需要对数据库进行嵌入水印的操作。这种有选择的 嵌入方案在一定的程度上实现了对数据库的版权保护，然而，这种方案是针对一种固定的 水印算法进行嵌入，用户不了解该算法的鲁棒性等特征，也不了解该算法的嵌入条件、嵌 入结果等，不能够自主的选择算法。 第三节课题研究的意义 随着对数据库水印技术的不断的研究，一些学者从数据的不同应用出发提出了各种各 样的算法来实现对数据库的版权保护，如何验证这些算法的鲁棒性、隐蔽性、抗攻击性等 特征必然需要相应的实验平台来实现。经调研发现，目前有关数据库水印的实验平台几乎 都是针对某一种特定的算法而设计。由于各个算法的应用平台不同，因而增加了人们选择 算法的困难性。由此可见，设计一个水印关系数据库的通用实验平台，使人们能够在该平 台上根据不同需要进行水印嵌入、提取、攻击算法的选择，帮助人们选择一种合适的数据 库水印算法等具有实际的意义和很好的应用价值。 一、研究目标 第四节研究目标和内容 本文结合数据库水印技术的特点，了解各种关系数据库水印的嵌入、提取、检测等算 法，利用j a v a 技术实现其算法，致力于开发一个水印关系数据库的通用的实验平台。在 该平台上，普通用户可以选择目标数据库的类型，选择相应的算法进行水印的嵌入、检测、 提取等操作，从而可以验证该算法的鲁棒性等。系统的管理员可以对数据库进行维护，可 以添加、修改、删除相应的数据库类型，也可以对算法进行增加、修改、删除等。 二、研究内容 1 了解相关的关系数据库水印技术 查阅了大量国内外关于数字水印和关系数据库水印的资料，关系数据库由于其本身的 特殊性，冗余的空间很小，因此嵌入水印不能引起数值的较大变化。由于关系数据库中的 数据一般都具有很强的语法意义和结构，选择嵌入的位置比较的难。因此在数据库中嵌入 水印要求不能影响原来数据的可用性，基本要求就是水印算法要在鲁棒性、不可见性之间 水印数据库通用实验甲台的设计与开发 折衷考虑。 2 分析关系数据库水印的相关算法 随着对关系数据库的研究越来越深入、成熟，出现了各种各样的关系数据库水印的算 法，各种水印算法都有不同的应用条件，应用范围，都有一定的优缺点，本文选取了一个 具有典型意义的算法进行实现，从嵌入、检测、提取、攻击等操作对该算法进行了分析设 计。 3 对相关的开发平台和开发语言的研究 开发平台的设计包括可行性分析、需求分析、概要设计、详细设计、系统检测等阶段， 对每一个阶段所包括的具体内容进行研究。开发语言有多种，进行综合比较后，结合本平 台的特点，选择j a v a 语言进行系统的开发设计。开发工具选用了j c r e a t o r ，它为用户提供 了相当强大的功能，例如项目管理功能、项目模板功能、可个性化设置语法高亮属性、行 数、类浏览器、标签文档、多功能编绎器、向导功能以及完全可自定义的用户界面。 第五节论文结构安排 第一章介绍了本文的选题背景、相关的实验平台的研究现状及现存实验平台存在的问 题、研究目标及研究内容。 第二章介绍了关系数据库水印的相关的理论，分别从数字水印的发展状况、定义、特 征、分类、关系数据库水印的特征、研究现状以及关系数据库对水印的相关的要求进行了 一一介绍，让用户能够对数据库水印的一些原理性的知识有深入的了解，从而更好的对平 台的设计与开发提供理论性的支持。 第三章是系统的设计，在本章中主要介绍了系统的需求分析及系统的总体设计。系统 的总体设计分别从系统概述、系统功能等方面进行了具体的分析，这是本文的一个重点。 第四章介绍了实验平台的详细设计，结合系统的各个模块的分析，重点介绍了系统的 各个模块的界面设计、实现的功能及实现方法，这也是本文的重点和难点。 第五章是系统的平台开发和测试，介绍了平台的开发语言、开发工具的选择及开发平 台的测试。 第六章对全文的主要内容做了一个概括总结。 4 水印数据库通用实验平台的设计与开发 第二章关系数据库水印的相关理论 第一节数字水印技术概述 一、数字水印发展现状 早期的关于数字水印技术的论述首见于t i c k l e 等人在1 9 9 3 年的一篇文章【l 】。这篇文 章首先提出了电子水印( e l e c t r o n i cw a t e r m a r k i n g ) 的说法，其随后发表了另一篇题为“a d i g i t a lw a t e r m a r k 的文章【2 】，正式提出了“数字水印 这一术语，并且提出了数字水印 将来可能的应用领域，包括图像标记、增强版权保护、防止伪造及控制存取图像数据等。 随着1 9 9 6 年第一届信息隐藏国际学术研讨会的召开，数字水印技术的研究得到了迅 速发展，许多大学、研究机构和公司纷纷开展了这方面的研究，并召开了专门的国际学术 研讨会进行定期交流。在有关信息安全的国际会议和刊物上经常可以见到相关领域的论文 和报告。鉴于数字水印技术的应用前景和其在经济、技术上的重要性，全球支持或开展此 项研究的政府机构和商业机构很多，主要有美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫 思国家实验室、美国海陆空军研究实验室、麻省理工学院、瑞士洛桑联邦工学院、微软公 司、飞利浦、朗讯贝尔实验室等众多研究机构。目前，国内已有不少研究机构及大学正在 从事数字水印方面的研究。1 9 9 9 年底，第一届全国信息隐藏学术研讨会( c i i - i w ) 在北京电 子技术应用研究所召开，至今该研讨会己举办了三届。国家“8 6 3 计划”、“9 7 3 项目 ( 国 家重点基础研究发展规划) 、国家自然科学基金等都对数字水印的研究有项目资金支持。 从目前的发展来看，我国相关学术领域的研究与世界水平处在同一阶段，有独特的思路， 而且部分已推出具有自主知识产权的产品，如上海阿须数码技术有限公司研制的“数字印 章技术和成都宇飞信息公司推出“宇飞数字水印印刷应用技术 。 纵观目前已有的水印算法，无论是空域水印方法，还是变换域水印算法，在选取与确 定水印信号嵌入位置时，大多数方法都用到了伪随机序列。通常，所选取的图像系数个数 要远大于要嵌入信号的长度，这样可以重复嵌入水印信号并增强鲁棒性。由对各种算法的 分析比较可知，空域水印算法对类噪声攻击的抵抗性较差，如p j e g 压缩等处理，优点是 当图像被限幅或变换后，水印信号较容易恢复，这在变换域水印算法中是没有的。变换域 水印算法对鲁棒性的影响非常大，如在d c t 域中嵌入水印信号，其嵌入位置很关键，往 往决定着水印信号的恢复与提取。小波变换系数既能提供空间信息又能提供位置信息，而 且小波的多分辨分析与人眼视觉特性是一致的，这对根据h v s 选择适当的水印嵌入位置和 嵌入强度有很大的帮助，因此是近年来研究的热点。 总的说来，无论国内还是国外，数字水印技术都属于一个新兴的学科，目前都处于技 术评估阶段，在此阶段，研究者的主要任务就是设计出更多、更有效的数字水印算法，为 水印数据库通用实验平台的设计与开发 本学科的发展积累技术经验，促使数字水印技术向质变发展。 二、数字水印的定义 所谓的数字水印技术口1 ，就是将代表数字媒体著作权人的身份的特定信息、用户指 定的标志或者序列码等，按照某种方式嵌入被保护的信息中，在产生版权纠纷时，通过 相应的算法提取出该数字水印，从而验证版权的归属，确保著作权人的合法利益，避免 非法盗版的威胁。被保护的信息可以是任何一种数字媒体，如软件、图像、音频、视频 或一般性的电子文档等。数字水印是嵌入在数字产品中的数字信号，水印的存在要以不 破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。 数字水印是把数字、符号信息秘密地、牢固地嵌入各种数字对象( 如图像、视频、音 频等) 中，借此标识原文件、作者、内容、使用、权利、完整性或者目标，以达到版权保 护等作用。水印、数据嵌入技术是着眼于设计一种更灵活、更精确、更有隐蔽性的算法来 隐藏信息本身。在宿主数据中嵌入一些长久驻留的信息，如果遇到所有权的纠纷问题，就 可以根据提取出的信息对此进行证实。与加密方法不同的是，水印并不禁止别人对数据的 存取，数据即使被解密，作品的合法权利同样得到保护。 三、数字水印的特征 数字水印是在数据媒体中加入特殊的标志来实现对数据媒体的版权保护。它的主要 特征有4 叫： 1 透明性：又叫不可感知性，不可见性，指的是数字作品不能因为加入了水印而降低 了数据的使用价值，即在被保护作品中嵌入水印后，应该不引起作品质量的显著下降和视 觉效果的明显变化。这一要求通常要利用人类视觉系统( h v s ) 特性来嵌入水印。透明性是 不可见水印算法的基本要求。 2 鲁棒性：鲁棒性是指不因数据信息的丢失而影响到嵌入的水印信息。它是指数字水 印经过常规信号处理包括信道噪声、滤波、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩 编码等操作后，仍能够检测到水印的能力。鲁棒性满足用户对数据的正常操作而不会导致 水印信息的丢失。 3 安全性：指的是水印抵抗恶意攻击的能力。恶意攻击是指非法者以消去水印信息为 目的的攻击。水印信息与原来数据是融为一体的，嵌入水印后的数据与原来数据具有相同 的分布而不可能被攻击者发现水印的位置，它要求攻击者即使对大量嵌入水印后的数据进 行分析也不能提取水印或确定水印的存在，更不能对水印的信息进行修改。安全性和鲁棒 性是不同的，鲁棒性是安全性的一个必要条件，而不是充分条件，安全性的水印一定是鲁 棒的，而鲁棒的水印不一定是安全的。 4 检测性：数字水印嵌入到数字媒体中的作用是对数字产品进行版权保护，能够在 6 水印数据库通用实验平台的设计与开发 版权发生纠纷时，通过水印信息的检测为数字产品的归属提供可靠的证据。因此，要求 能够随嵌入的水印信息进行检测并能提取出相应的水印信息，并且要保证在媒体数据遭 受一定的攻击破坏后，仍然能够提出水印信息。 四、数字水印的分类 随着对数字水印的研究的不断深入，数字水印的分类也越来越多，根据分类方法不 同，数字水印分为如下几类u j ： 1 按特性划分 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒性数字水 印要求嵌入的水印的信息能够经受住各种形式的攻击，在数据受到攻击后，仍然可以提取 嵌入的水印信息；而脆弱性水印和鲁棒性水印正好相反，它对水印的改动很敏感，要求对 数据的微小的改动都可以感觉出来。 2 按水印的主观形式划分 从数字水印的主观形式角度出发，可将数字水印分为可见数字水印和不可见数字水印 两种。可见的数字水印嵌入到媒体中后会留下明显的痕迹，它主要用于识别版权，防止媒 体被非法使用，这种形式的水印降低了资料的商用价值，但是却不妨碍使用者的使用，如 正版书上的防伪标志。而不可见数字水印嵌入到数字媒体中不可见，这种形式的数字水印 不影响作品的质量，因此具有较高的使用价值。 3 按内容划分 数字水印按照其内容可以划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身 也是某个数字媒体的不可分割的组成部分：而无意义水印则只是对应于一个序列号。有意 义水印的优势在于，如果水印信息受到攻击或是其他因素而受到破坏后，不需要进行水印 算法的检测，人们通过视觉就可以观察到水印是否存在或是是否受到破坏。但对于无意义 水印来说，如果水印遭到攻击后，人们是无法通过视觉来观察到水印信息是否存在，只能 通过一定的检测算法来确认。 4 按水印检测提取过程划分 按照水印的检测提取过程是否需要原始媒体信息，可以将数字水印划分为有源检测水 印、无源检测水印和半源检测水印。无源检测水印，也叫盲检测水印，即水印的检测和提 取不需要原始媒体的参与，可以在任何检测平台上进行，但是检测时需要一些固有属性， 因此鲁棒性不高；有源检测水印，也, t t t e 盲检测水印，它与盲检测水印正好相反，它的检 测与提取过程必须在原始媒体的参与下完成的，可嵌入水印的位置选择范围较大，水印的 鲁棒性较好。然而由于水印检测和提取必须提供原媒体，因而一定程度地限制了它的应用； 半源检测水印，也叫半盲检测水印，它是介于盲检测水印和非盲检测水印之间的一种水印 检测的方式，它的检测需要某些与原始媒体数据有关的信息但是不需原始媒体数据。 7 水印数据库通用实验平台的设计与开发 5 按用途划分 数字水印按照用途划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水 印。票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防伪，对于这 种特殊方式的水印，票据的伪造者不可能修改票据的大小、尺寸等，也不可能对票据的图 像作过多的修改。这类水印是目前的版权标识中研究最多的一类数字水印。数字作品既是 商品又是知识作品的这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，因而相对 的对数据量的要求较小一些。篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完 整性和真实性。隐蔽标识水印是为了限制非法用户对保密数据的使用而将保密数据的重要 标注隐藏起来的一种水印。 6 按数字水印的嵌入位置划分 数字水印按嵌入位置可以划分为时空域数字水印和频域数字水印。时空域数字水印 主要是通过直接修改媒体数据采样值的强度实现水印嵌入。这种方式的水印嵌入无需对原 始媒体进行变换，复杂度低，实施效率高，有较好的不可感知性；缺点是由于可修改的属 性范围较小，生成的水印信息具有一定的局限性，因而鲁棒性较差。频域数字水印，也叫 变换域数字水印，这类算法先对原媒体进行某种形式的正交变换，在变换后得到的系数的 基础上再嵌入水印信息，然后再经过相应地逆变换得到含水印的媒体。这种方式可以方便 地调节水印的不可见性和鲁棒性的平衡。 第二节关系数据库特性和结构 关系数据库有其自身的特殊性，它包含了许多独立的记录，记录中每一个字段都有固 定的取值，因此，信息的冗余空间很小。在关系数据库中，有些数据如金融、气象、地理 等数据是由整数部分和小数部分组成的，其中整数部分决定了某字段的值，这些数据中小 数部分微小的变化不会对整体的数据造成太大的影响，因此，我们可以在这些数据的小数 部分的某几位嵌入一定的水印信息。基于这些自然特性，对关系数据库中字段的值进行微 小修改产生允许的变形，这样就能够对增加了冗余空间的数据库进行水印嵌入，在这样的 一个前提下，我们假定： 1 关系数据表中有些数值型属性的属性值可以有微小的变化而不影响数据的使用，因 此称这样的属性为水印候选属性。这种属性的取值是一个实数，它可以有微小变化而不影 响数据效用的数位，称为不重要位，记作l s d ( l e a s ts i g n i f i c a n td i g i t ) ，另外有些数位会因 为微小变化而大大影响数据效用，称为m s d 重要位，记作( m o s ts i g n i f i c a n td i g i t ) 。l s d 一般取实数值的末几位，m s d 一般取重要的前几位。 2 关键属性( 如：主键) 一般不允许有改动，一旦数据窃取者改变了这些属性值，那 么将会影响到很多针对数据库的正常操作( 如：选择、投影、联接、更新等) ，将这些关 8 水印数据库通用实验平台的设计与开发 键属性记为m s a ( m o s ts i g n i f i c a n ta t t r i b u t e s ) 。 第三节关系数据库水印技术概述 一、关系数据库水印的特点 关系数据库水印是指用信号处理的方法在数据库中嵌入不易察觉且难以去除的标记， 在版权发生纠纷的时候，能够提取出这些标志。它是在不破坏数据库内容和可用性的前提 下，达到保护数据库安全的目的。由于数据库的特殊性，其数据的冗余空间很小，不易找 到可以嵌入水印标记的冗余空间，它与多媒体数据之间的差别如下【8 】： 1 多媒体数据对象是由大量的位组成的，并且许多位都是冗余的，因此存在大量的冗 余空间来嵌入水印信息；而关系数据库则是由许多独立的元组组成，结构很严密，难以找 到可辨认的冗余空间。 2 多媒体数据对象各个点之间存在空间上的有序关系，而组成关系数据库的元组之间 以及元组的属性值集合之间是无序的，数据间一般存在依赖关系。 3 对多媒体数据对象进行某个部分的删除或替换，像是删除一幅画的一部分，很容易 看出来，能够引起视觉上的变化，而关系数据库中对元组进行简单的修改或是删除操作却 很难被发现。 4 对数据库中数据的操作主要是通过相应的程序来读取和处理的的，而多媒体数据是 基于人类视觉模型( m r s ) 或听觉模型( h a s ) 来实现数字水印的隐蔽嵌入。 5 静态的多媒体数据很少进行更新，而数据库以其特殊性，需要经常对里面的数据进 行更新，因此给水印信息的鲁棒性带来了困难。 关系数据库中数字水印和其他如图像、声频、视频和文本等数字媒体中数字水印一样， 有其基本特征例： 1 不可见性：不因加了水印而降低关系数据库数据的使用价值，数据库的使用者应该 感觉不到水印的存在。 2 鲁棒性：不因用户对数据库数据的某种改动而导致隐藏的水印信息丢失的能力。这 里的改动是指对关系数据正常的数据更新( 如增加、删除元组或者修改元组的属性值等) 和各种恶意攻击。如果攻击者修改的关系数据的元组数量足以破坏该关系数据的水印，那 么该关系数据也会因数据修改太多而失去了其本身使用价值。 3 检测能力：从可疑的数据库中检查到一定数量的元组含有所做的标记的能力，同时 降低误判率，这里的误判是指没嵌入加水印的关系数据库却检测到水印，而嵌入水印的关 系数据库却没有检测到水印的存在。 9 水印数据库通用实验平台的设计与开发 二、关系数据库水印模型 关系数据库水印模型如图2 - 3 1 主要包括四个部分： 图2 - 3 - 1 关系数据库水印模型 1 数据库水印的生成：水印信息可以根据用户自己的需要，选择相应的类型，可以是 数字、文本、图像、声音等，这些形式通过一定的处理后，再根据水印的生成算法，得到 待嵌入的水印信息。通常我们所要嵌入的水印信息都是有一定意义的，比如作者的姓名、 单位等等。 2 数据库水印的嵌入：包括水印嵌入位置、嵌入强度、如何嵌入三个部分。首先要确 定水印的嵌入位置，由于数据库中数据的冗余空间很小的特殊性，有些数据是不允许进行 水印的嵌入的，因此必须要判断可以进行水印嵌入的属性。嵌入强度是指嵌入水印多少的 问题，如果嵌入的水印过少，当数据被修改后，很难检测出原来的水印信息，即水印的完 整性将受到破坏；如果嵌入水印的信息过多，又会使原来数据库中的数据受到较大的影响， 因此，必须掌握好嵌入的强度，才能取得水印的鲁棒性和不可见性的最优化。 3 数据库水印攻击：数据库水印的攻击分为良性攻击和恶性攻击。良性攻击是指对数 据库