（通信与信息系统专业论文）加密域的数字水印方案的研究.pdf

摘要 互联网和多媒体技术的快速发展为数字产品的传播和使用提供了便利的途 径，但是也使得数字产品更加容易被复制和篡改。数字产品的版权保护问题越来 越受到人们的重视，而数字水印技术正是解决版权问题的重要手段之一。目前对 数字水印的研究主要集中在传统的水印算法方面，而依据数字水印协议对加密域 的水印方案的研究相对来说比较少。好的数字水印协议需要在加密域的水印方案 支持下，才能应用到数字产品的实际交易中。一、本文对目前已经提出的数字水 印协议进行了深入的研究，在分析了m e m o n 和、o n g 、l 七i 等人和z h a n g 等人的数字 水印协议的基础上，总结了设计数字水印协议的一些原则。二、本文对s o i a l l k i 等 人提出的s e c 数字水印方案进行了改进，减少了计算量，同时增加了有效的水印嵌 入容量。三、按照在数字水印协议中使用的公钥密码体制的重要性质，并在改进 的数字水印方案的基础上，本文提出了一种新的加密域的数字水印方案。新的加 密域方案具有灵活的嵌入容量，提高了水印化图像抵抗j p e g 压缩的鲁棒性，并且 在盲提取时能够检测出对图像内容的篡改。实验结果表明新的加密域方案要优于 k u 曲a v a s h j 和t 觚a k a 提出的方案。因此，对于将现有的数字水印协议应用到实际交 易中，本文提出的加密域的数字水印方案是一种合适的解决方案。 关键词：数字水印水印协议信息隐藏多媒体安全版权保护 a b s t r 乏l c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fh l t e r n e ta 芏l dm m t i i i l e d i at e c h n 0 1 0 9 ) rp r 0 v i d e s 丘a c c e s s t od i g i t a lc o n t e n t si nd e l i v e r ) ，a n du 鞠g e m e m m r h i l e ，i tm a k e st l l ed i g i t a lc o n t e n t se 船y t 0b ed u p l i c a t e d 锄dt 舭驴r e d t h cc o p 蜘g h tp r o t e c t i o np m b l e mo f t h ed i g i t a lc o m e m s i sp a i dm o r e 锄dm o r e 硼e i n j o i l a l l dd i g i t a lw a t e n 础gt e c l l l l 0 1 0 9 yi so 地o ft l l e i m p o 心m tm e t h o d s t os 0 1 v et 1 】i s p r o b l e m a tp r c s e n t ，t h e f e s e a r c ho nd i 百t a l w a t e n n a r k i n gf o c u sm a i l l l yo nt h ec o n v e m i o n a lw a t e m l a r k i l l ga l g o r i 也m s h o w e v c t a c c o r d i i l gt 0w 纳e f l a f k i n gp r o t o c o l s ，t l l er e s e a r c ho nt l l ew a t e m l 卸i k i n gs c h e m ei nt h e e n c r y p t e d d o m a i l li sc o m p a r a t i v e l yl 鼯s ag o o dd i g i t a lw a t e 肋a r k i n gp r o t o c o ln e e d s t h es u p p o no f t l l ew a t e n n a r k i n gs c h e m ei nt l l ee n 四僻e dd o m a i l li no r d e rt ob ca p p l i e d t ot h e 腓t i c a ld i 百t a lc o n t e 船把l d e i i lt l l i st 1 1 e s i s ，f i r s t l ya i ln d e p t l lg n j d yo fm e e 姑s t i i 培w a t e f m a r b n gp r o t o c 0 1 si sp r o 、，i d e d ，a n dm e ns o m ep r i n c i p l e s md e s i g n j n g w a c l 啪蛐gp r o t o c o l sa 托g c n e r a l i z e d ，b a s c do nt l l e 锄a l y s i so f 也r e ew l 惦a r 王【i n g p f o t o c o l sp r e s e i l t e db ym e m o na n dw o n 舀l e ie ta 1 ，a i l d 弛ge ta 1 r c s p e c d v e l y s e c o n d l y ，a nc x i s t i l l gw l t e 胁矾血gs c h e n l e ，s o l a n hc ta 1 ss e cs c h c m e ，i se i l l l a n c e d i l lt e n n so fr e d u c i i l gc o m p u t i i l go v c r l o a d 锄di n c r e a s i i l ge 虢c t i v ew a t e m l 心n g c a p a c i t y t h i r d l y ，a c c o r d i l l g t 0s o m e i i n p o n a mp r o p 硎e s o fm ep u b l i c k e y c r y p t o s y s t e m su s c di nw a t e r ma r ! k i n gp r o t o c o l sa n db a s e do n 也ee n h a n c e ds c h c m e ，a n e ww a t e m l 幽gs c h e i l l ei nt l l e e n c i y p t e dd o i 芏l a i n i s p r o p o s e d w i t hf l e x i b l e w a t c 珊a d d n gc 印a c i t y ，t l l en e ww a 伦n n 抛g h 锄ei nt h ee n c 聊t e d d o m a i n i m p r o v e st h er o b 璐伽e s so fw a t e 加a r k e di i i l a g ea g a i n _ s t j p e gc o m p r e s s i o na f t c r d e c r y p t i o l l ，锄di te 1 1 a b l e si i n a g et a m p e r i n gd 如c t i o n 、】i ，i n lb l i n dw ：l t e l m a r ke x t r a c t i o m e 雄r i m e m a lr e s u l t sd e m o n s 妣也a tt h en e ww a t e l 髓a f gs c h 锄ei i lt h ee n 疆y p e e d d o m 豳o u t p i 耐o n l l sap r e 、，i o l l ss c h e m ep r e s e n t c db y 心l r i b a y a s l l i 觚d t a i l a k 乱 t h e r e f o r e ，t l l ep z o p o s e dw a t e m l a r k i n gs c h e m ei nt h ee n c r y p t e dd o m a i l li sas u i t a _ b i e s o l u t i o nt oa p p l y i l l g “i s t i n gw a t e m l a r k m gp r o t o c o l st ot l l ep r a c t i c a l 仃a d e k e w o r d s ：d i 矛t a lw a t e 珊a r l i n gw a t e 珊a r l i n gp m t o c o l i n f o 珊a t i o n h i d i n g m u l t i m e d i as e c u r i t y c o p y r i g h tp r o t e c t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：叁趟日期： 劲君l3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：盘丛日期：垫! ! ：l 呈 导师签名：霆坠垒 日期： 如9 男，f 。3 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了数字水印的研究意义、数字水印的概念、数字水印协议的研 究现状，最后给出了论文的主要工作以及各章节的内容安排。 1 1 数字水印的研究意义 随着网络技术与多媒体技术的飞速发展，图像、文本、音频和视频等数字形 式的多媒体得到了广泛的传播和运用。众多的制造商、销售者和用户都利用数字 设备制作、处理和存储数字产品，而且数字化的多媒体信息可以在互联网上方便 快捷地传输，多媒体通信逐渐成为人们之间信息交流的重要手段。在这样的环境 下，数字产品很容易被复制和处理。盗版者正是利用数字产品的这些特性，侵犯 他人的合法权益，获得个人的利益。由此引发了信息安全问题和数字产品的版权 保护问题。信息安全与版权保护不仅涉及国家的利益，而且与商业以及个入都有 极大的关系。 数字水印是近十几年发展起来的版权保护技术，它利用多媒体数据的冗余性， 将与版权有关的信息嵌入到多媒体中，通过这些隐藏在多媒体中的信息，可以确 认数字产品的知识产权，或者判断内容是否真实完整，起到版权保护的目的。数 字水印技术作为解决版权保护问题的有效手段，引起了欧美一些著名大学和公司 的广泛关注。比如美国u i u c ，p u r d u e 大学，英国剑桥大学，加拿大多伦多大学， h p 、i b m 的研究中心等都投入相当的人力和财力，并取得了一些成果。许多很有 影响的国际会议( 比如i e e ei c i p 、i e e ei c a s s p 、e ei c m e 、s p i ee i 等) 以及 一些国际的权威杂志( 比如i e e et r a i l s a c t i o n o n s i 酬p r o c e s s i n g 、h n a g e p r o c e s s i n g 、 h l f o m l a t i o nf o r e n s i c s 锄ds e c l l r i t y 等) 相继出版了数字水印技术的专题。因此，作 为数字产品版权保护的有力工具，数字水印是当今信息技术中的研究热点，有着 广阔的应用前景。 1 2 数字水印的概念 数字水印技术就是在图像、文本、音频和视频等多媒体中，秘密地嵌入具有 可鉴别性的数字信号或码字，用来识别或鉴定数字产品的发源地、卖方、内容、 使用权、序列号、完整性或终点等。因为数字水印技术是在不影响直观质量的情 况下，秘密地嵌入与该数字产品有关的数据，它不仅可以解决数字产品的版权保 2 加密域的数字水印方案的研究 护问题，还可以为多媒体数据文件在认证、防篡改、保障数据安全和完整等方面 提供有效的技术手段。数字水印技术是一个涉及多学科的技术，它横跨数字信号 处理、编码理论、信息论、密码学、数字通信、多媒体技术、模式识别、视觉感 知理论等多学科领域。 数字水印技术除具备信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和区 别。信息隐藏技术是通过隐藏或秘密地嵌入信息来进行秘密通信的，它不会引起 别人去怀疑在媒介中( 如数字图像) 可能隐藏了重要的秘密信息。从保密的角度 来说，信息隐藏通常认为“秘密通信是否存在”是未知的，它通常用于两个信任 双方点对点的秘密通信；而数字水印技术在实际使用中需要制定成协议和标准， 它的整个系统是公开的。从攻击者的目的来说，信息隐藏的攻击者试图揭露所携 带的隐藏信息；而在数字水印系统中，盗版者或者试图去除水印来破坏版权认证， 或者预测水印以获得虚假的版权。从信息安全的意义来说，在信息隐藏中，隐藏 的信息如果被破坏掉，系统可能还是安全的，因为秘密信息并未泄露。所以，隐 藏的信息可以不具有鲁棒性，也就是说，经过一些信号处理隐藏的信息就不能恢 复了。但是在数字水印系统中，隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失，从而失 去了版权保护的功能。因此，信息隐藏技术和数字水印技术的主要区别在于鲁棒 性的高低。 作为版权保护的数字水印技术应该具备以下三个特点： ( 1 )不可感知性：也称为透明性，指人类的视觉或听觉器官感觉不到数字产 品中水印的存在。嵌入到数字产品中的水印不能影响到它的质量。 ( 2 )鲁棒性：对数字产品进行常规的处理，例如压缩、噪声、滤波、缩放、 旋转等，不会影响到水印的提取或检测。 ( 3 )安全性：数字水印技术要能够保证双方的交易公平、不可诬陷和不可否 认等安全需求。 1 3 数字水印协议的研究现状 早期，数字水印技术的提出是为了解决数字产品的版权保护问题，而那时候 的版权保护框架是相当简单的，即由版权卖方把自己的版权信息作为水印嵌入到 数字产品中。接着，为了解决数字产品的买方非法分发产品的问题，卖方在销售 数字产品的时候把买方的身份信息也作为水印嵌入到产品中，用于盗版追踪。但 是，这样的版权保护框架出现了安全性问题和公平性问题。因为一切与水印相关 的操作全在卖方的控制下，如果卖方不完全可信，那么买方的身份信息可能被泄 露或伪造。而且非法的拷贝有可能是由卖方分发出去的，用来诬陷买方获得赔偿， 这对买方而言是不公平的。同样，买方也有可能是潜在的攻击者，试图根据水印 第一章绪论 3 和交易过程的漏洞来去除水印信息，或抵赖自己是非法拷贝的来源，这样就导致 了安全性的问题。这些问题对版权保护框架提出了巨大的挑战。因此，数字产品 的版权保护除了要有健壮的数字水印算法外，安全与公平的数字水印协议同样是 必不可少的。 协议是日常生活中经常用到的一个概念。所谓协议，就是指两个或者两个以 上的参与者为了完成某一特定的任务而采取的一系列的步骤。在数字产品交易的 场景中，一般涉及到卖方和买方，可能还有第三方的参与。数字水印协议就是指 这几方为了完成交易所采取的一系列操作，包括水印的产生、水印的嵌入、水印 化产品的传输、水印的提取和验证、纠纷的仲裁等过程。在有的文献中，数字指 纹协议也是指数字水印协议，两者基本上是相同的概念。目前，数字水印技术的 研究主要集中在传统的数字水印算法上，而对数字水印协议的研究就少得多，而 依据数字水印协议对加密域的水印方案的研究相对来说就更少了。因此，要使数 字水印协议真正的实用化，必须要设计有效的加密域的数字水印方案。 1 4 1 本文的工作 1 4 论文内容介绍 本文的主要工作有以下几点： ( 1 ) 通过对目前已经提出的三个数字水印协议的分析，总结了设计数字水印 协议的一些原则。 ( 2 ) 对s o l 锄k i 等人提出的s e c 数字水印方案进行了改进，减少了计算量，同 时增加了有效的水印嵌入容量。 ( 3 ) 按照在数字水印协议中使用的公钥密码体制的重要性质，并在改进的数 字水印方案的基础上，提出了一种新的加密域的数字水印方案。实验结 果表明新的加密域方案要优于k u 抽a y 蒯和t 锄a k a 提出的方案。 1 4 2 本文各章节的安排 本文共分五章： 第一章，介绍了数字水印的研究意义、数字水印的概念、数字水印协议的研 究现状，最后给出了论文的主要工作以及各章节内容的安排。 第二章，介绍了数字水印协议的定义和一般框架，详细介绍了数字水印协议 中各个组成协议的功能和作用，最后分析了买卖双方的权益保护问题。 第三章，分析了m e m o n 和w o n g 、l e i 等人和z i 珊g 等人的数字水印协议，总结 4 加密域的数字水印方案的研究 了设计数字水印协议的一些原则。 第四章，分析了s o l 锄k i 等人提出的s e c 数字水印方案，提出了一种改进的数字 水印方案。 第五章，阐述了在数字水印协议中使用的公钥密码体制的重要性质，在改进 的数字水印方案的基础上，提出了一种新的加密域的数字水印方案。 第二章数字水印协议概述 5 第二章数字水印协议概述 数字水印协议是指参与的各方为了保护多媒体数字产品的版权，利用数字水 印等技术而采取的一系列步骤。比如，是由卖方生成水印，还是由权威机构来生 成水印；是由版权卖方嵌入水印，还是由第三方嵌入水印；在发生纠纷时，是否 需要第三方参与等。随着数字水印技术的发展，数字水印协议研究也得到了不断 地完善。 2 1 数字水印协议的一般框架 数字水印协议的一般框架如图2 1 所示，一般包括初始注册协议、水印嵌入协 议、水印验证协议和纠纷仲裁协议。 图2 1 数字水印协议的一般框架 化 品 ( 1 ) 初始注册协议 初始注册协议主要涉及到参与的各方的注册、版权的注册和水印的生成等问 题，是由卖方生成水印，还是由第三方来生成，这主要涉及到水印的信誉度问题。 一般情况下，建立与权威机构之间的安全信道，到权威机构注册数字产品的版权， 获取由权威机构产生和公证过的数字水印，这是数字水印协议的初始注册协议一 种好的解决方案。 ( 2 ) 水印嵌入协议 水印嵌入协议主要涉及到如何和由谁来嵌入水印的问题。一般情况下，水印 的嵌入可以由卖方进行水印的嵌入，或者由权威机构的水印嵌入服务器来完成。 6 加密域的数字水印方案的研究 考虑到如果利用权威机构的水印嵌入服务器来嵌入水印，可能要涉及到与权威机 构大量的数字产品的传输，这将会带来很多的不便。因此，通常由卖方来完成水 印的嵌入工作。但是嵌入到数字产品中的水印就不应该暴露给卖方，这一般是通 过买方对水印加密后再发给卖方来实现的，很多的水印嵌入协议是在加密的情况 下将水印嵌入到数字产品中。水印嵌入协议不仅要保证水印数据的保密性，还要 保证水印对于数字产品的有效性。 ( 3 ) 水印验证协议 数字产品的版权受到侵犯时可以通过水印验证协议来验证数字产品中的水 印，以确定数字产品的版权人和盗版者。在水印的检测过程中，我们必须考虑水 印和水印密钥的安全。对于对称数字水印方案，水印嵌入密钥和检测密钥是一样 的。因此，在水印检测过程中，水印的嵌入者需要提供检测密钥。而这将会给检 测过程带来不便：检测过程必须有嵌入者的参与才能进行；一旦检测密钥泄漏， 将会威胁到水印的安全性，使不法分子利用检测密钥嵌入或移去水印。解决上述 问题一般有两种方法，一种是非对称数字水印方案，它利用传统的公钥密码体制 的思想，用私钥作嵌入密钥，公钥为检测密钥；另一种是利用零知识证明的水印 验证方案，它利用密码学上的零知识证明的思想，即可以使水印验证者确信水印 存在的同时又不泄漏水印密钥。 ( 4 ) 纠纷仲裁协议 在单独依靠数字水印技术不能解决数字产品的版权人时，比如在数字产品中 检测出不同的水印数据，或者由于数字产品本身受到太多的破坏而不能恢复水印 数据时，需要双方按照仲裁协议进行仲裁，仲裁的依据是仲裁协议中规定的与以 上协议中密切相关的交易数据。 2 2 权益保护问题 在数字水印协议的应用过程中，一个突出的问题就是买方的权益保护问题。【l 】 目前，大多数的传统的数字水印方案都是用来保护卖方的版权，而不是买方的使 用权。卖方完全控制了水印的编码，水印的嵌入，以及水印的验证过程。买方必 须从卖方那里接受交易，买方权益的保护问题很少被考虑。由于整个水印过程完 全是由卖方控制，卖方可以利用水印来诬陷诚实的买方获取赔偿。 但是如果买方的权益得不到保护，卖方的权益也相应得不到保护。对于传统 的数字水印方案，制作盗版的买方可以否认自己的违法行为，因为卖方完全可以 制作出含有买方的水印的盗版。一旦发生版权纠纷，裁决者根本无法判断到底是 第二章数字水印协议概述 7 谁进行了违法行为。 为保护卖方和买方双方的权益，就不能简单的相信卖方或买方，而应该制定 一个对所有的交易方都公平的版权保护方案，真正实现卖方和买方的权益保护。 因此，针对现实应用中存在的诸多问题，必须考虑到卖方和买方双方的权益来进 行数字水印协议的设计。这个问题如果不能得到合适的解决，就无法真正实现用 数字水印技术来保护版权的目的。 因此，大部分数字水印协议是利用现有的比较完善的公钥密码体制和一些比 较成熟的水印嵌入和检测算法。数字水印协议的安全性也完全依赖于协议中所使 用的公钥密码体制和水印算法的安全性。 第三章数字水印协议的研究 9 第三章数字水印协议的研究 3 1m e m o n 和w d n g 的数字水印协议 2 0 0 1 年，m 锄o n 和w b n g 在文献f 2 】中提出一个买方卖方( b u y e r s e l i e f ) 数字水印 协议，比较好的解决了买卖双方权益保护的问题。该协议共由四个子协议组成： 水印生成协议、水印嵌入协议、侵权验证协议和纠纷裁决协议。该数字水印协议 中每个子协议的参与者如图3 1 所示。 图3 1 m o n 和w b n g 的数字水印协议 ( 1 ) 水印生成协议 买方b 向一个值得信任的水印鉴定权威机构c 发送自己的认证信息和公钥，申 请一个有效的水印。水印权威机构c 在建立了买方b 的档案后，为其生成一个随机 但是有效的水印序列玎，o 并用b 的公钥脚加密后发送给买方b 。同时c 还向b 发送一 个数字签名s 劬c ( e e “功) ，可以证明加密水印e d 叨的有效性。买方向权威机构申 请交易水印，主要是防止买方向卖方提供无效水印。 ( 2 ) 水印嵌入协议 买方b 向卖方s 请求购买产品墨并同时发送已经加密的水印e 船( 叨和数字签名 1 0 加密域的数字水印方案的研究 蹰阳 k “聊) 。卖方s 首先需要验证数字签名魄阳( e b ( 叻) ，以确定加密水印e d 叻 的确是由权威机构c 所生成的有效水印。s 还应为此次交易生成一个特定水印n 并 将之嵌入到原始的产品肿，得到嵌入水印的产品r 。水印啪作用就是s 将来用于 鉴定非法用户的。因此，水印嵌入方案的选择应该由s 来完全决定。 然后卖方s 根据买方b 的公钥皿，将已经加密的水印嵌入到所购买的产品中。 为了防止买方随意去除产品中的水印，s 可以先置乱买方的加密水印，再进行水印 嵌入。此次水印嵌入，应该采用具有“同构性质”的公钥加密技术。也就是说： ( z ) = e 刍( x 0 p ( 形) ) = & 8 ( x ) 固( 尸( 形) ) = 点二( x 7 ) 0 p ( 局( 形) ) ( 3 - 1 ) 最后，卖方s 将加密后的产品函心发送给买方b 。同时，在自己的数据库砀6 彪 中保留关于b 的标识符上d ，加密的水印局文功，特定水印n 数字签名蹰玎c ( 局d 即) ， 置乱规则p 等信息，以备将来版权验证的需要。b 解密从s 收到的数据局d r ，就可 得到嵌入水印的产品f 。 ( 3 ) 侵权验证协议 一旦发现未授权的产品ls 检测为每个买方分配的特定水印睐判定谁是泄密 的一方。卖方s 将原始产 拟作为输入，通过水印检测函数d 的，可以得到提取 信号玑根据us 可以在死6 ，p 中定位产品y 的买方，具体的定位方法取决于所采用 的水印技术。一般是利用帅勋6 拓中的每个特定水印瞄行相关计算，如果最大相 关性超过验证阈值，就可以定位非法买方。如果无法匹配到勋6 跆中的任何水印， 则返回失败信息。 ( 4 ) 纠纷裁决协议 纠纷裁决协议是一个三方协议，如果b 否认侵权产品y 由其泄漏，卖方s 可以 向法官提供b 加密的水印e 船( 叨，数字签名豫 c ( e k “叻) 和置乱规则p 等信息。法 官首先验证数字签名跚玎c 循k “叨) 的有效性，然后要求买方b 向其提供私人水印职 以验证产品y 中是否存在p ( 聊。为了防止买方b 提供虚假信息，法官可以用b 的公 钥 毋加密水印职核对与e k “功是否相等。在验证水印确合法性后，法官可以对 侵权产品y 执行水印提取操作，核对以聊是否存在。如果存在，则判定b 有罪；否 则，b 无罪。 第三章数字水印协议的研究 因此，只有当所采用的水印技术具有较高的安全性和鲁棒性时，买方卖方水 印协议才能真正实现其安全交易的目的。需要注意的是，该协议并没有特别指定 水印技术和公钥加密函数，只要公钥密码体制对水印的嵌入操作具有“同构性质”， 就可以采用。 3 2l e i 等人的数字水印协议 2 0 0 4 年，l e i 等人在文献【3 】中提出一种有效的和匿名的数字水印协议，该协议 是在m e m o n 和w o n g 的协议的基础上改进而来的。他们认为m e m o n 和w o n g 的协议 存在以下缺点： ( 1 )买方的身份信息暴露给卖方，不能匿名地购买数字产品，这不符合人们 日常购买商品的实际情况。 ( 2 )买方需要与一个可信第三方水印中心交互，获得合法的水印提交给卖方， 这不符合人们日常购买商品的实际情况。 ( 3 )水印与数字产品不关联，即“未绑定”问题。一旦卖方找到一个非法的数 字产品，便可从中提取水印，并把该水印嵌入到更贵的数字产品中，借 此来诬告买方以获得更高的赔偿。 因此，l e i 等人的协议作了以下的改进，交易模型如图3 2 所示： ( 1 ) 订单 ( 2 ) 申请水印 ( 4 ) 发货( 3 ) 获得水印 图3 2l e i 等人的数字水印协议交易模型 ( 1 )买方向认证中心( c a ) 申请匿名数字证书，然后通过该匿名证书来实现匿 名购买。而且必要时，卖方可以通过匿名数字证书的信息向c a 中心索取 用户的真实身份。 ( 2 )嵌入到数字产品中的水印是卖方向水印中心申请得到的。卖方把买方发 送过来的匿名证书和购买信息发到水印中心，水印中心生产一个有效的 水印，因此买方不需和水印中心进行交互。 加密域的数字水印方案的研究 ( 3 )卖方获得的水印是与数字产品相关联的，因此避免了“未绑定”问题。 l e i 等人的协议最大的优点在于实现了匿名性，然而匿名性的实现需要数字证 书中心支持匿名数字证书。但是考虑到匿名数字证书申请之后就可以在以后的交 易中多次使用，因此只要c a 中心支持，匿名性还是可以方便的实现。由于l e i 等人 的协议是基于m 锄o n 和w o n g 的协议而提出的，它同样是基于具有“同构性质”的公 钥密码体制。 3 3z h a n g 等人的数字水印协议 2 0 0 4 年，z h a i l g 等人在文献【4 】中分析了现有的基于买方卖方交易模型的水印协 议，发现这一类水印协议为了达到数字产品版权保护的目的至少需要解决下列一 些问题： ( 1 )盗版追踪问题：当出现盗版时，卖方必须能够识别出是哪个买方制作了 盗版，并能从原始交易记录中提取出相应的证据控告盗版者。 ( 2 )消费者权益问题：必须防止卖方恶意制作和分发买方购买的数字产品的 水印化版本，而诬陷买方盗版。 ( 3 )未绑定问题：必须防止卖方将已出现的盗版中的水印内容移植到另一个 价值更高的数字产品中去，恶意控告盗版者以获取更多补偿。 ( 4 )匿名性问题：为了保护消费者的隐私，在数字产品交易过程中，买方可 以选择匿名交易。 ( 5 )共谋问题：必须防止第三方与交易的一方共谋侵害另一方的利益。一方 面，卖方可能与第三方共谋，人为的制作和分发买方购买的水印化产品， 而恶意诬蔑买方盗版。另一方面，买方也可能与第三方共谋，从数字产 品中移除水印，从而随意的制作和分发盗版，卖方却无法追踪。 以前的数字水印协议着重探讨了前四个问题，都没有考虑共谋问题。由于在 现实生活中很难找到可信的第三方，而且可信第三方往往成为攻击的重点，因此， 可信第三方的引入在很大程度上影响了水印协议的可实现性。反之，如果协议没 有可信第三方的假设，则不可避免的会遭遇共谋问题。z l l a n g 等人在l e i 等人的数 字水印协议基础上，利用秘密共享的思想，提出了一个无第三方参与的买方卖方 水印协议，可以完全避免共谋问题的发生。 z h a n g 等人提出的数字水印协议在交易过程中只涉及买方和卖方两方，简化的 交易模型如图3 3 所示。该买方卖方数字水印协议分为：注册协议、水印协议、仲 裁协议等三个子协议。 第三章数字水印协议的研究 1 3 ( 1 ) 订单 ( 2 ) 发货 图3 3 办g 等人的数字水印协议交易模型 ( 1 ) 注册子协议 如果买方b 想在交易过程中保持匿名性，他可以使用注册子协议在交易之前向 证书机构( c a ) 申请一个匿名证书。b 首先随机选择一个密钥对( p ，曲。) ，并将公 钥p k 发送给c a 。当c a 收到p k 后，它产生一个匿名证书r 乜( p ) 并发送给b 。 这里，将础。作为匿名与颁发给b 的匿名证书相关联。相反，如果不需要匿名，b 也可以跳过整个注册过程而使用他的普通数字证书。 ( 2 ) 水印子协议 交易开始后，买方b 和卖方s 遵循下面描述的水印子协议。 1 为了购买数字作品墨b 首先与s 协商并填写购买订单口r g ) ，彳r g 明确阐述 双方的权利和义务，并列出相关数字作品的清单。特别的是：彳r g 将本次交易和x 唯一绑定；另外，在协商中，为了不透露身份，b 可以使用他的匿名肚。 2 初始协商之后，b 随机产生一次性交易密钥对( 肚，s 舻) 和买方秘密艇c 。， 并用交易私钥旃+ 对加密的买方秘密e m ( 艇 c 。) 和彳r g 签名，即 s 细。( 点_ ( & l ) ，爿r g ) 。然后，产生一个匿名证书砖。o 露) ，使得交易公钥 础+ 与匿名比相关联，用p j j + 代表比。这样，c a 保证了p k 的合法性，而盹 又保证了p 量+ 的合法性。最后，b 将c 打b ( p 吒) 、幽( p j i + ) 、4 r g 、点0 ( 艇g ) 以及s 枷。( 如。( 龇l ) ，彳r g ) 发送给s 。 3 s 收到c o r b ( p k ) 、c p 融。( p 七+ ) 、4 r g 、e 肚。( s e c 口) 以及 _ s 纫。( e 。( 胚g ) ，4 r g ) 后，验证所有的证书和签名，如果其中任何一个无效，则 终止交易。否则，s 产生代表本次交易的检索水印矿，并计算= 工。矿。其中， x7 是水印化的数字作品。检索水印矿可以帮助s 在发现盗版时从销售记录中快速 定位。接着，s 随机产生卖方秘密9 e g ，并且在加密的情况下得到加密的水印内 容点二。( ) 。 1 4 加密域的数字水印方案的研究 e 矿( 矿) = e 扩( 艇bo 舾g ) = e 耻。( 艇b ) o ( 艇g ) ( 3 2 ) 然后，s 在加密的情况下来进行水印嵌入操作，这时，s 不知道实际的水印内 容矽。 j 。( x 。) = j ( x o 矽) = e 妒( x ) o ( 形) ( 3 3 ) 其中，o 表示加法运算，而p 表示的运算可以与0 相同，也可以不同，这取 决于所选用的加密算法e 。另外，实际中也存在这样的加密算法e 满足上述的等 式。比如p a i l l i c r 密码体制嘲和m 一，c h i y a m a 密码体制【9 1 中的加密算法都具有加 法同构的性质。 此后，s 保存矿、q ，乜( p k ) 、玎肚。( p 驴) 、爿r g 、三0 ( 艇g ) 、& - 0 和 s 细( e 时。( 艇_ 巴) ，4 r g ) 作为数字作品x 的销售记录，并将。( z 。) 发送给b 。 4 b 收到e 衅( x ) 后，用睹+ 解密得到水印化的数字作品x 。= k ( 。( x ) ) 。 ( 3 ) 仲裁子协议 当s 在市场上发现数字作品x 的盗版】，时，仲裁子协议将用于确定盗版者的身 份，并以不可否认的证据说明就是先前交易中的买方。 s 首先使用水印提取算法从】，中提取交易时嵌入的检索水印，用表示。然后， s 用检索数字作品石的销售记录表，查找匹配项的机制视具体的水印方案而定。 找到匹配项以后，s 收集保存在该项中的相关信息，( 通过计算x o 圪得到， 其中吆是匹配项的关键字) q r 乞( 比) 、q 一肚。( p 舻) 、彳r g 、( s e g ) 、 s 枷o ( e 舻( 舾g ) ，4 r g ) 和舾g ，并将它们连同y 一起发送给仲裁机构( a r b ) 请求 仲裁。 a r b 收至0 爿1 、c 0 ，f d ( p ) 、c 台疗肚。( p 膏) 、4 胄g 、j k ( 艇g ) 、 s 枷k 。( e t 。( 艇b ) ，4 胄g ) 、艇g 和j ，后，验证证书和签名的有效性，如果其中任 何个无效，则拒绝诉讼。否则，舢出要求c a 联系b 解密e m ( 艇g ) 得到距( 如 果b 拒绝或不能正确解密，则灿出将判决b 有罪) 。然后，越出计算 = & c 。o 艇1 c 。，并运行相关水印检测算法( 用、形和r 作为输入) 以判断形 是否在】，中存在。如果】，中确实有形，a r b 将要求c a 揭示交易公钥础背后的真 实身份。一旦拥有廊+ 的买方身份被揭露，a r b 将宣判买方有罪并结束诉讼。如 果】，中检测不出矿，买方将被认为是无辜的，他的身份依旧保密，而卖方将被认 为有诬告的嫌疑。 z h a l l g 等人提出的水印协议基本上能够同时解决盗版追踪、消费者权益保护和 第三方共谋等前面提到的五个问题。该协议基于秘密共享的思想，协议中用于盗 第三章数字水印协议的研究 1 5 版追踪的水印是由买方和卖方共同产生的，因此，买卖双方都不知道完整的水印 内容。 与现有的买方卖方水印协议相比，该协议只涉及买方和卖方两方，没有第三 方的参与，更接近于现实情况，不会出现交易的瓶颈，不会影响协议的安全性， 更有利于提高消费者进行数字产品交易的兴趣。同时，信息交互次数和计算量明 显减少，更有利于协议的实现和应用。这个无第三方参与的买方卖方水印协议同 样是基于具有“同构性质”的公钥密码体制。 3 4 设计数字水印协议的原则 通过对已经提出的数字水印协议进行分析，我们总结出在设计数字水印协议 时需要遵循的三条原则： ( 1 )买方用于交易的水印由可信的第三方产生并签名。水印若由买方产生， 则对数字产品卖方而言是不可信的；水印若由数字产品卖方产生，则对 买方而言是不可信的。就目前提出的水印协议而言，大多采用山可信第 三方产生水印的办法，暂时没有更为高效和安全的途径。然而买方只需 申请合法水印一次，便可用于以后多次交易，因此这个第三方的部署还 是可以接受的。 ( 2 ) 卖方不能得到最终嵌入到数字产品中的买方的水印。由于数字产品在卖 方的手上，买方与可信第三方不适和做水印嵌入的操作，因此水印嵌入 的操作应该由卖方进行，那么最终嵌入到数字产品中的买方的水印就不 应该暴露给卖方。一般是通过买方对水印加密后再发给卖方来实现的， 很多数字水印协议就是使用这样的方法。 ( 3 ) 卖方不能得到买方最终获得的水印化的数字产品。一般也是通过加密的 手段来实现的，即卖方只拥有买方最终获得水印化的数字产品的密文， 而且卖方没有买方拥有的解密密钥，因此不能获得水印化的数字产品的 明文。 第四章一种改进的数字水印方案 1 7 第四章一种改进的数字水印方案 4 1s e c 数字水印方案 s o l a l l k i 等人在文献【5 】中提出一种图像自适应的数字水印方案有选择性的 系数嵌入( s e l e c t i v e l ye m b c d d i i l gi nc o e f f i c i e m s s e c ) 方案。为了使视觉的失真降低 到最小，s e c 方案使用门限准则在所有的d c t 系数中选择嵌入的位置。现在简要 地介绍一下s e c 方案的过程。 将一幅图像分成8 8 的像素块进行d c t 变换，然后将d c t 系数“除以设定 好的q f 下的量化矩阵必p 。经过之字形扫描，将给定的低频范围( 1 中的量 化d c t 系数q 都取整到最近的整数，再取绝对值得到珞。 一i i 珞= l i n t ( q ) l ，l j i n ( 4 1 ) - 门限准则为当咯的值大于某个正整数的门限值f ，对应的量化d c t 系数就被 选中，进行水印比特的嵌入。量化d c t 系数按照下面的公式嵌入水印比特。 矾= i n t ，( c ；) i f 咯 a n d1 后n ， + f ， i f 咯2 a 1 1 d l | i n ， ( 4 2 ) q ， o t h e r w i s e 其中，i n t 6 ) 代表i n t 。 ) 取整到最近的偶数( 当水印比特为o ) ，或者代表 i m 。“) 取整到最近的奇数( 当水印比特为1 ) 。再经过反向的之字形扫描、乘以设 定好的q f 下的量化矩阵m p 和逆d c t 变换，就能得到嵌入水印后的各个8 8 的像素块。 但是，s e c 方案存在着一些问题。如果嵌入水印比特的d c t 系数i n t 。( q ) 与 门限值，相等，那么在水印提取时这些d c t 系数将被忽略，嵌入的水印比特也会 丢失掉。因为根据门限准则，这些值并没有大于门限值 就不会被选中。实际上， 这种情况发生在1 2 ) 和( 件1 ) 之间的量化d c t 系数q 上，如图4 1 ( a ) 所示。 为了保持嵌入和提取时的位置同步，s e c 方案采用了检测和重新嵌入的方法 来处理这些丢失的水印比特。如果嵌入水印比特的d c t 系数i m m ( q ) 与门限值f 相等，那么相同的水印比特6 ，将会被嵌入到下一个合适的d c t 系数上。这样一来， s e c 方案的计算量会明显的增加，因为这个方法需要一直检测这种导致丢失水印 比特的倩况是否发生。而且大约有一半在( f + l 2 ) 和( 什1 ) 之间的量化d c t 系数q 是 无效的嵌入，进行重新嵌入后，原来有效的嵌入容量将会减少。 1 8 加密域的数字水印方案的研究 j 冉， i 厂、 i ，、 yj 汀万i一一f 卜 i 。 、 ) 一r ，e x 仃 )一广 j 一f l 一l )l (a)(b)(c) 图4 1 ( a ) s e c 方案( ”改进的方案( c ) 水印的提取过程 4 2 改进的数字水印方案 为了解决以上的问题，本文提出了一种改进的数字水印方案。将一幅图像分 成8 8 的像素块进行d c t 变换，再将d c t 系数白除以设定好的q f 下的量化矩 阵埘尹，然后经过之字形扫描。在给定的低频范围( 1 s 曼n ) 中，将那些绝对值在， 和( 件1 ) 之间的量化d c t 系数q 进行预处理。即将它们都取整到最近的整数，留出 一个保护间隔，如图4 1 ( b ) 所示。 一 q 2 虹 叭 阱( f + 三) ，趴d 1 | j 飒 ( f + 1 ) ， i f 。+ 三) i l o + 1 ) ，a n d 1 七n ， ( 4 3 ) 气， o 也e r 、i s e 一 然后按照相同的步骤，将给定的低频范围( 1 野习叼中的量化d c t 系数q 都取 整到最近的整数，再取绝对值得到吃。改进的方案与s e c 方案采用相同的门限准 则，即当咯的值大于某个正整数的门限值r ，对应的量化d c t 系数就被选中，进 行水印比特的嵌入。量化d c t 系数按照新的公式嵌入水印比特。 玉： 竺m 气xi ：，二! 。? 4 1 七n h 4 ， 【q ，o m e n v i s e 、7 第四章一种改进的数字水印方案 1 9 再经过反向的之字形扫描、乘以设定好的q f 下的量化矩阵m 严和逆d c t 变 换，就能得到嵌入水印后的各个8 8 的像素块。 在改进的方案中，预处理的作用于s e c 方案中公式( 2 ) 的第二行破= 士f 的作 用是相同的，但是避免了采用检测和重新嵌入的方法来处理丢失的水印比特。因 为改进的方案不会使嵌入水印比特的d c t 系数m 。( q ) 与门限值r 相等，所以嵌 入的水印比特能够全部提取出来，不会丢失水印比特。因此，改进的方案和s e c 方案相比减少了由检测和重新嵌入的方法带来的计算量，同时增加了有效的嵌入 容量。 在水印的提取过程中，改进的方案与s e c 方案采用相同的方法得到噍，再采 用相同的门限准则确定水印比特的嵌入位置，如图4 1 ( c ) 所示。然后，水印比特可 以根据简单的奇偶判别一个个地提取出来。如果吃是一个偶数，那么嵌入的水印 比特为0 ；如果吃