（信号与信息处理专业论文）基于mpeg的数字水印技术研究.pdf

茎堡望三奎堂堡主堂垡笙苎 摘要 ( 数字水印是近年来出现的数字产品版权保护技术，它可以标识作者等版 权保护信息和认证信息。作为密码学的加密或置乱技术的补充，使用水印技 术可以鉴别出非法复制和盗用的数字产品，保护数字产品的合法拷贝和传 播，因此它一出现即成为热点问题。但是目前数字水印技术还是处于其发展 初期阶段，尚缺乏有关数字水印的理论，可以说从理论到实际都有许多问题 有待解决o l 夕7 本文主要针对数字水印技术在m p e g 视频版权保护中的应用，研究了现 有的整查奎燮和m p e g 塑塑奎燮的异同点，分析了将现有的静态水 印技术加之于m p e g 视频上的可能性以及可能出现的问题，并提出了一种实 用的用于m p e g 视频水印的算法，给出了分析和实际验证的结果。 在第一章中简要介绍了课题背景和当前的研究状况，在第二章中介绍了 数字水印技术的基本原理和目前在静态图像上添加水印的常用算法。在第三 章中介绍了与m p e g 系统解码相关的一些概念，在第四章中分析了m p e g 编解码算法。在第五章中，首先根据m p e g 文件格式及其编解码算法的特点 提出了在视频中嵌入水印的位置，比较了它和静态水印技术的异同点。给出 了一种衡量m p e g 视频水印技术的方法。然后我们研究了空域水印算法，将 该算法应用于m p e g 视频，给出了模拟实验结果，并对实验的结果进行了分 析。在第五章中我们还主要研究了在d c t 变换域添加水印的算法，以c + + 编程，实现了将这种算法应用于m p e g 视频，给出了实验结果并分析了造成 这种结果的原因。 在对以上算法进行分析的基础上，我们吸收了d c t 变换类型算法中分 块嵌入水印的思想，但是在对d c t 变换后的系数进行调整时，采用了逐步 调整的算法，避免了d c t 变换类型算法中的整数舍入误差。同时考虑到p 帧和b 帧中运动向量计算的特点，将嵌入水印的块的位置进行了一定程度的 偏移，这样就有利于p 帧和b 帧中水印信号的检测。经过实验证明了这种方 法对于i 帧的压缩仍然具有1 0 0 的检测能力，即使对于p 帧和b 帧的压缩 也有不错的效果。上，一i o 关键字：数字水印版权保护t 衢c h 算法、m p e g j 茎望堡三盔堂堡主堂垡堡苎 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g yh a sb e e ni n t r o d u c e dt op r o t e c tt h ec o p y r i g h t o fd i g i t a lp r o d u c t si nr e c e n ty e a r s w i t ht h i st e c h n o l o g y , y o uc a ne m b e dt h e c o p y r i g h ti n f o r m a t i o n a n da u t h e n t i c a t i o ni n f o r m a t i o ns u c ha st h ea u t h o ro r o t h e r s a n da st h ec o m p l e m e n t a r i t yo fc i p h e rt e c h n o l o g y ，i tc a ni d e n t i f yt h e d i g i t a lp r o d u c tw h i c hh a sb e e ni l l e g a l l yc o p i e d ，a n d i tc a np r o t e c tt h el e g a l c o p i e dp r o d u c t b e c a u s eo f t h e s em e r i t s ，t h ew a t e r m a r kt e c h n o l o g yh a sb e e nh o t s i n c ei t sa p p e a r a n c e n o wt h e r ea r em a n yp a p e r so nd i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g y ，b u tm o s to f t h e ma r ef o c u s e do nh o wt od e s i g nas h e m eo rh o wt oa a a c kaw a t e r m a r k a n d m o s to ft h e s et h e m e so rp r o d u c t sa r en o ts op e r f e c tb e c a u s er e l e x a t i o no ft h e b a s i ct h e o r ya b o u td i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g y w ec a ns a yt h a tw ca r es t i l li n t h ee a r l yt i m eo ft h i st e c h n o l o g ya n dt h e r ea r em a n yd i f f i c u l t i e s i nt h i sp a p e r , t h eu s a g eo fw a t e r m a r kt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nt h em p e g s y s t e m i s d i s c u s s e d t h e t e c h n o l o g y o fs t a t i cw a r e r m a r ka n dt l l em p e g w a t e r m a r kt e c h o n o l o g ya r l c o m p a r e d w ic o n s i d e rt h ep o s s i b i l i t yt oa p p l yt h e s t a t i cw a r t e r m a r kt e c h n o l o g yo nm p e g s y s t e md i r e c t l y ，a n dw ea l s oc o n s i d e rt h e p r o b l e m sm a yo c c u r a tl a s t ，an e wm e t h o d o fe m b e d i n ga n d d e t e c t i n g w a t e r m a r ka r ei n t r o d u c e dw i t ht h er e s u l to f e x p e r i m e n t s i n c h a p t e r l ，t h eb a e k g r o u da n dt h e s t a t eo fw a t e r m a r kt e c h n o l o g ya r e i n t r o d u c e d i n c h a p t e r 2 ，w e d i s c u s st h eb a s i c t h e o r y a n dt h em e t h o do f w a t e r m a r k i n gu s e df r e q u e n t l y i nc h a p t e r3a n dc h a p t e r4 ，t h em p e ge n c o d i n g a l g o d t h r aa n di t sf i l ef o r m a ta r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r5 w ed i s c u s sw h e r et o e m b e dt h ew a t e r m a r kb a s e do nt h em p e g se n c o d i n ga l g o r i t h m 。t h ed i f f e r e n c e s b e t w e e nm p e g s y s t e ma n ds t a t i ci m a g ea r ec o n s i d e r e d w ea l s od i s c u s sh o w t o m e s u r et h eq u l i t yo fak i n do f w a t e r m a r k i n gm e t h o d i nc h a p t e r5 ，as p a t i a lm e t h o do fw a t e r m a r k i n gi s a p p l i e do nt h em p e g s y s t e md i r e c t l y , w ea n a l y s et h er e s u l ta n dd i s c u s st h ef a u l to ft h i sm e t h o d w e a l s ot e s ta n o t h e rm e t h o db a s e do nd c t t r a n s f 0 1 t f l f i n di t sf a u l ta n dc o n s i d e rh o w t oa v o i d a tl a s t ，an e wm e t h o db a s e do nd c tt r a n s f o r mi sc o n s i d e r e d 。w et e s ti ta n d g e tab e t t e rr e s u l tt h a nt h et w om e t h o d sw eh a v ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：w 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 ，k o c ha l g o r i t h m ，m p e g - l i 第1 章绪论 1 1课题背景和系统研究的意义 信息媒体的数字化及计算机网络的发展为信息的存取提供了快速、高效 和方便的途径，信息的传播和获取，从来没有像今天这样快捷和方便。人们 可以借助扫描仪、数字相机和调制解调器等电子设备将数字信息传送到世界 的各个角落，因而使电子图书馆、在线服务和电子商务等先进的多媒体服务 有了十分广阔的前景。然而，新的技术必然会带来一些新的问题，特别是信 息安全方面的问题。数字媒体，尤其是数字化的图像、音乐、电影等等，很 容易被非法复制或者在传输过程中遭受第三方的蓄意篡改。如何能既充分利 用网络的便利性，又能有效地保护数字图像等数字媒体的版权和信息的安全 存储、传输等，这一问题已变得越来越重要了。 传统的加密技术是防止窃取信息的重要手段，但是这种方法应用于数字 图像中有三个缺点： 1 ) 图像或视频一旦被解密，就不再受保护了，使用者可以对解密后的图 像进行任何形式的电子传播。 2 ) 人们在网上发布图像文件，除了一部分需要保密外，大多数是以交流 或传播为目的的，仅仅为了版权保护，都将其转化为一般人都读不懂的密文， 将严重影响人们利用网络的效率。 3 ) 密文形式的图像很容易引起攻击者的注意。 为了克服这些问题，近几年国际上提出了一种全新的信息安全领域的技 术，即数字水印技术。“数字水印”的概念最初是由c a r o n n i 于1 9 9 3 年提出 来的，并应用于图像，引起了电子出版界、学术界的极大兴趣，同时被广泛 应用于视频、音频等其他数字媒体。由于它在版权保护、真伪鉴别、秘密通 信和隐含标注等领域有着广泛的应用前景，因此日益成为一个非常重要的研 究领域。 亟坚里三奎兰堡圭堂篁笙塞一 1 2 水印技术在视频点播系统中的应用 数字水印技术在视频点播中的一个重要应用是盗版追踪，在这种应用 中，版权所有者在数字产品中嵌入产品购买者的身份标识，如果某个购买者 以自己购买的产品为模板，进行非法拷贝和传播，那么就能通过这些非法拷 贝中的身份标识追查到盗版的来源。 一个视频点播系统的基本框架包括一个服务端( 服务提供者) 和多个客户 端( 服务购买和使用者) 。以下给出在视频点播服务中嵌入数字水印的一个框 架，其基本思想是，针对不同的用户，在视频数据的不同拷贝中嵌入不同的 用户身份。如下图所示： 图1 1 在服务器端嵌入水印的模型 在这里，数字水印用来标识每个拷贝接收者的身份。如果出现了非法的 拷贝，那么，可以从该拷贝中提取出所嵌入的水印，查出非法拷贝的来源。 在这种方案中，需要对所分发的数字产品的各个不同的拷贝进行不同的 处理。很显然，如果所有的水印嵌入工作全部集中在服务端进行，则服务端 需要进行大量的处理。因此，这种水印嵌入方案只适用于不需要实时处理， 甚至可以离线处理的情况，即使应用于实时处理中，也局限于在同一时间内 仅仅有少量不同的视频流需要分发，水印嵌入的计算负载有限的情况。对于 大规模的视频点播服务，服务端的计算复杂度是难以承受的。针对这一问题， 可以采用另一种方案，把添加水印的处理放在客户端进行。如下图所示。 图1 2 在客户端嵌入水印的模型 该方案中，水印嵌入需要和条件访问控制机制相结合进行。其中的一个 应用就是在机项盒中，合法的用户拥有解密密钥，可以对视频服务器发送的 加密数据流进行解密。在解密之后并不直接进行播放，而是紧跟着一个添加 水印的过程，添加的水印是用户标识等信息。很显然，问题的关键在于，数 据流在解密之后、添加水印之前是应该保证不能被访问到的。因此，解密和 添加水印的处理般放在一个防篡改设备内进行。 1 2 1 视频点播系统中嵌入水印的协议 这里需要用到公钥密码体制，设服务端的公钥k s u ，私钥为k s v ，客户 的公钥为k c u ，私钥为k c v 。客户端对视频流数据的解密、解码、添加水印 和播放等处理都在一个防篡改设备，比如说机顶盒内进行。 客户端生成一个随机数q ，先用自己的私钥k c v 签名，再用服务端的 公钥k s u 的加密，得到： l 2 e k 。( e k 。，( q ) ) 并发送给服务端。 服务端对接收到的l 先用自己的私钥k s v 解密，得到： g 2 d k s v ( e k 。( e k 。，( q ) ) ) = e k c v ( q ) 验证其中客户端的签名，在数据库内登记g 和客户端的身份标识i d 。 再用自己的私钥k s v 对l 和i d 进行签名： t = e k s v ( l ，i d ) 并发送给客户端，表示自己正确收到l 。 茎堡堡三盔堂堡主兰焦笙苎 客户端接收到t ，验证是否是对l 和i d 的签名a 如果验证正确，则 请求服务端传送数据流，否则，拒绝执行。 服务端接收到客户端的请求信息，开始传送加密数据。客户端解密接 收到的数据流得到原始数据流x ，准备添加水印。 客户端利用随机数q ，用户身份标识i d ，得到水印嵌入密钥k ，比如 利用散列函数h 来生成密钥k ： k = h ( i d ，q ) 然后用该密钥在解密后的数据流采用水印技术嵌入水印。 水印添加完毕，客户端销毁随机数q 和水印嵌入密钥k 。 1 2 2 对盗版的验证 如果出现了非法拷贝，服务端怀疑是某个客户端制造的拷贝，可以采用 如下方法进行验证，也就是水印检测过程： 服务端从登记的数据库中取出该客户端所对应的g ，用客户的公钥 k c u 解密，得到： d k 。( g ) = d k 。( e k 。( q ) ) = q 服务端利用该随机数q ，客户端用户身份标识i d ，得到水印嵌入密钥 k ： k = h ( i d ，q ) 0 然后用该密钥在受到攻击后的数据流r 中采用水印技术检测水印是 否存在，如果存在，则证明是该客户端制造的盗版。 如果服务端不能确定是哪个客户端进行了盗版，可以在其数据库内对所 有已登记的客户端，找出其对应的随机数q ，采用以上方法进行搜索，直到 找到一个客户端，可以证明r 中出现了其身份标识为止。 加密! 堕墨壁丝鱼一- 1 含水印 图1 3 客户端的工作 我们对客户端所作的工作，如图1 3 所示。 茎望望三查堂堡主堂焦堡苎 在本方案中，对加密数据流的解密和添加水印的处理过程都是在一个防 篡改设备内进行，以避免已经解密但还没有添加水印的数据被窃取。这里通 过一个动态生成的随机数q 来得到水印嵌入密钥k ，因此我们必须保证： ( 1 ) 在防篡改设备和服务端外，都无法得到随机数q ，这样，除服务端 外，任何其他人都不可能检测、伪造或移去水印： ( 2 ) 保证服务端收到的是正确的随机数q ，这样，才能保证服务端能够 正确找到盗版者。 这里的第( 1 ) 点是通过服务端的公钥k s u 的加密来保证的，协议的第1 、 2 步所传输的数据，其中的随机数q 都受到了服务端的公钥k s u 的保护，显 然，只有服务端才能根据自己的私钥解密得到q 。 第2 点要复杂一些。协议的第2 步，服务端验证客户端的签名，能够在 某种程度上保证数据的来源是正确的，但是客户端的私钥k s v 可能已经泄露， 因此，攻击者可能截取由防篡改设备生成的 l = e k 。( e k 。( q ) ) 而选取其它的随机数q 得到： l ，= e k 。( e k “q ) ) 并将其传送给服务端，协议的第2 步服务端验证签名能够正确进行，接 下来服务端对l 和i d 进行签名，得到： t = e k 。，( l ，i d ) 注意这里不是对l ，的签名。当协议执行到第3 步时，客户端( 在防篡改 设备内) 验证t 中是否包含服务端的签名时就会出现问题，因为它会发现t 不是对l 的签名，因为任何其他人不知道服务端的私钥，也就无法伪造对l 的签名。 另外，在水印检测阶段，盗版者是无法否认自己的盗版行为的，因为版 权所有者可以向可靠的第三方出示客户端对应的随机数q ，客户端用户身份 标识i d ，通过水印检测算法验证非法拷贝中存在与该客户对应的水印，同时 出示： g = e k 。，( q ) ， 表示随机数q 确实是由该客户生成的，这样，该客户就无法否认自己的 盗版行为了。 1 3当前国内外研究应用情况 数字水印是近年来出现的数字产品版权保护技术，一经提出就迅速成为 热点问题，出现了许多数字水印方案，也有许多公司已推出了数字水印的产 品。 但总的来说，由于数字水印的研究要以计算机科学、密码学、通信理论、 算法设计和信号处理等领域的思想和概念为基础，一个数字水印方案一般总 是综合利用这些领域的最新进展，但也无法避免这些领域固有的一些缺点a 目前的文献大多是讨论如何设计数字水印方案或如何攻击数字水印，各种方 案或产品还都有着这样或那样的问题，尚缺乏有关数字水印的理论，可以说 数字水印技术还是处于其发展初期阶段，从理论到实际都有许多问题有待解 决。 1 9 9 6 年，美国电影协会( m p a a ) 、消费电子产品制造商协会( c e m a ) 和部 分计算机厂商联合成立了国际版权保护技术工作f t 俎( c p t w g ) 来研究防止数 字视频、特别是d v d 产品私自复制的技术问题。c p t w g 在过去的几年中已 经成功地研制出d v d 防拷贝系统的主要部分，这包括已在应用中的3 种比 较可取的管理技术。即内容加扰系统( c s s ) 、模拟信号防护系统( a p s ) 和拷贝 管理系统( c g m s ) ，它们的基本功能和系统特点如下： ( 1 ) c s s 技术是三菱公司研制的一种对m p e g 2 视频流进行加扰的措施。 它实际上是一种复杂的密钥技术。密钥只能被专用芯片读取，对于那些不具 备专用芯片的播放设备将无法读取密钥信息，也就无法对视频流进行解扰； 同时密钥信息也不可能被复制，确保盗版光盘不能被任何设备播放。 ( 2 ) a p s 技术是美国m i c r o v i s i o n 公司开发的一种对模拟电视信号进行改 造，防止光盘上的数字化影音信号被转录为v h s 模拟信号的技术。 ( 3 ) c o m s 技术仅在m p e g 2 视频流头部加入几位数据，用来标识3 种状 态：“自由复制”、“禁止复制”和“一次复制”( 允许复制一次，以后禁止复 制1 。 通过采取以上各项技术措施，使得进行非法盗版活动的机会已经大大减 少了。但由于各地区技术和市场情况的差异，单纯依靠这些方法还不足以杜 绝盗版d v d ，充分保证版权所有者和合法经销商的权益。 在1 9 9 7 年5 月6 目的c p t w g 会议上，专门成立了数据隐藏子工作组 茎堡里三盔堂塑主堂垡笙苎一 ( d h s g ) ，来评价水印技术用于防拷贝系统的先进性和可靠性，希望借助数 字水印技术来完普d v d 防拷贝系统功能。d h s g 发布了征求建议( c f p l 0 ) 以寻求数字隐藏系统( d h s 水印) 的解决方案。同年9 月先后有1 1 家厂商提 供了自拟的技术建议。后经协商于1 9 9 9 年2 月i b m ，n e c ，s o n y ，p i o n e e r ， h i t a c h e 联合提出组成针对d v d 版权保护的水印技术标准建议“银河水印系 统”( g a l a x yw a t e r m a r k ) ；另一方面，由d i g i m a r c ，m a c r o v i s i o n ，p h i l i p s 三家 组成的千年联l 坦( m i l l i u mg r o u p ) 也提出了一套针对d v d 版权保护的水印技 术标准建议。 1 3 1 银河版权保护技术 1 、系统主要特点 ( 1 ) 水印检测可在基带和m p e g 2 域实现； ( 2 ) 系统支持复制控制而不影响或者废弃现有设备； ( 3 ) 8 位水印，其中2 位用于水印复制控制信息w m c c i ( w a t e r m a r kc o p y c o n t r o li n f o r m a t i o n ) ； ( 4 ) 误检率小于1 0 。1 2 检测周期； ( 5 ) 除了银河水印的嵌入，在制作内容时没有别的处理要求。 2 、水印算法 银河水印技术在未压缩( 基带) 的数字视频中嵌入8 位数据作为一个透明 的数字水印，这个水印可以在基带和m p e g 2 域中校检测出来。在银河水印 技术中，这个水印称为“主水印”( p m ) 。p m 的前2 位用于表示复制控制信 息：“禁止复制”、“一次复制”和“自由复制”。所有复制控制信息均可由水 印嵌入系统生成。检测器以一预先确定的误检率( 小于1 0 q 2 ) 检测到p m 。 嵌入p m 的过程分为两步：第一步，进行自动的图像内容分析来估计可 以被嵌入到视频内容的水印信号量；第二步，根据估计结果进行每个像素亮 度值的实际修改并嵌入水印。对图像内容的分析是逐像素进行的，这保证了 较高的图像质量。 水印信号p m 嵌入到每一场中，这意味着当水印信号足够多时，来自每 场的8 位水印数据均可以被检测出来。这保证水印将不会受帧场结构( 隔行扫 描或逐行扫描) 或帧速率( 2 5 或3 0f s ) 不同的影响。 嵌入的水印具有平移不变性。这样，即使画面被水平或垂直移动后仍可 茎堡里三盔堂堡主堂垡笙茎 以检测出水印。这提供了抵抗可能由蓄意攻击而导致的画面移动的鲁棒性。 最终用户、设备制造商和内容拥有者都不希望嵌入的水印信号对视觉质 量产生可察觉的影响。嵌入算法自适应地确定每个像素亮度分量可以变动的 幅度，以在保持最高逼真度的同时，尽量加大嵌入水印的强度a 在基带和m p e g 域中都可以检测出p m ，因为除了对初始视频数据输入 的处理，在基带和m p e g 域中的检测算法几乎是一致的。在m p e g 域，为 了得到d c t 系数需要进行部分的m p e g 解码。可以用d c t 系数完成检测， 而无须完全解压缩得到基带图像。当没有基带视频，需要在数字域中完成检 、 测时，这样可以节省很多计算量。 帧累加检测是用于检测银河水印的一项独特技术，该技术可从严重退化 的嵌有水印的画面中恢复水印信息，而不增加误检串。通过延长检测时间( 增 加用于检测的帧的数量) 直到累加水印信号的可信水平达到要求，该技术可以 以相同的可靠性水平检测出削弱的水印信号。 、 1 3 2 千年版权保护技术 1 、主要特点 千年复制控制系统具有以下特点： ( 1 ) 水印检测器位于m p e g 解码器之中。 ( 2 ) 复制控制通过密码计数器或者标签( t i c k e t ) 的方法实现。 ( 3 ) 根据具体应用和d v d 驱动器之间的安全协议向驱动器提供关于内容 的复制状态的信息。 ( 4 ) f l ：l 播放控制和录制控制抵制盗版。 ( 5 ) 8 位水印信息。 2 、水印算法 为简单起见，该系统将视频看作一系列静止图像。在一些连续的帧中嵌 入相同的水印，就标记了一个视频序列。通过缓慢改变水印图案，就可以在 时间轴上也实现水印嵌人。将水印图案w 乘以一比例系数s ，再与原始图像 x 相加，得到嵌入水印的图像y ，即 y = x + s w 上式表明水印是一种简单的加性噪声：水印图案w 的样本服从标准正 态分布n ( o ，1 ) 。考虑到亮度只能取整数，嵌人公式需要进行四舍五人： 一苎竖望三盔堂堡主兰焦堡茎一一 实验表明，上述水印信号很难避免在图像活动性较小的区域，例如纹理 较少的区域呈现出人为痕迹，解决这个问题的方法是引人一个局部比例因子 a ， y = r o u n d & c l i p ( x + s a w ) a 的值在活动缺乏的区域应该较小，在活动丰富的区域则应该较大。令 人满意的局部比例因子可以用拉普拉斯高通滤波器l 对图像滤波并取绝对值 得到： a = l 三o xj 式中l 为： r 一1 1 1 工= l 一181l l - ；一一1 j 水印检测可由下式描述： 1 一 d 2 百手只w i 式中：n 是进行相关的像素的数目，小的d 值表示水印不存在，大的d 值表示水印存在。 在实现一次复制控制功能上，千年联盟引人了一种新的标签技术协助水 印信息完成该功能。标签是一个加密而外界不能操作的记数器，其保存着允 许重放的数量和复制保护内容的记录数量。系统通过提取水印信息与标签信 息进行运算比较来实现复制控制。而标签信息自身将作为附加信息保留在光 盘的一些特殊扇区或是视频码流中特殊用户数据区中。 第2 章数字水印技术剖析 第2 章数字水印技术剖析 2 1水印系统模型 数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入多媒体内 容中，但不影响原内容的价值和使用，而且不会被人感知或注意。水印信息 可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本、图形、图像标记等， 可用于识别文件、图像或音乐制品的来源、版本原作者、拥有者、发行人以 及合法使用人对数字产品的所有权，可以归结为三种模型： 水印信号嵌入模型，如图2 1 所示，其功能是完成将水印信号加入原始 数据中。 图2 1 水印信号嵌入模型 水印信号恢复模型，如图2 2 所示，负责从水印数据中取出水印信号。 图2 - 2 水印信号恢复模型 水印信号检测模型，如图2 3 所示，用以判断某一数据中是否含有指定 的水印信号。 亟堡里三盔堂堡主堂垡堡苎 图2 3 水印信号检测模型 2 2 数字水印的特点 隐蔽性水印的存在不应明显干扰被保护的图像数据。 鲁棒性水印必须难以被破坏或伪造。对一般的信号处理操作( 如滤 波、平滑、增强、有失真压缩等) 、删除攻击、迷惑攻击等具有鲁棒性。除非 对数字水印具有足够的先验知识，任何破坏和消除水印的企图都将严重损坏 多媒体信息的质量。 确定性水印所携带的信息能够被唯一确定地鉴别。 安全性非授权用户无法检测和破坏水印，主要针对获知水印算法 或相关知识情况下的有目的攻击( t a r g e t e da t t a c k s ) 。 数据容量水印应该能够包含相当的数据容量，以满足多样化需 要。 2 3 数字水印的应用 版权保护 数字作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后 公开发布其水印版本作品当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可 利用图2 2 或图2 - 3 的方法从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为版 权依据，从而保护所有者的权益。在这种应用领域中，水印技术必须有较好 的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入的不可逆性。 篡改提示 茎堡望三盔堂堡主堂垡堡苎一 当数字作品被用于法律、医学、新闻及商业领域时，常需确定它们的内 容是否被修改、伪造或经过特殊处理。为实现该目的，通常可将原始图像分 成多个独立块，再将每个块加入不同的水印，通过检测每个数据块中的水印 信号，确定作品的完整性与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的， 并且检测水印信号时，不需原始数据。 使用控制 这种应用的一个典型例子是d v d 防拷贝系统，即将水印信息加入d v d 数据中，d v d 播放机即可通过检测d w 数据中的水印信息而判断其合法性 和可拷贝性，从而保护制造商的商业利益。 加指纹 为避免未经授权的拷贝制作和发行，出品人可以将不同用户的i d 或序 列号作为不同的水印( 指纹) 嵌入作品的合法拷贝中。旦发现未经授权的拷 贝，就可以据此拷贝所恢复出的指纹确定它的来源。对于这种应用领域，水 印技术除具有版权保护应用中的特性外，还必须具有防止串谋攻击( 多拷贝攻 击) 等功能。 标题与注释 将作品的标题、注释等内容( 如一幅照片的拍摄时间和地点等) 以水印形 式嵌入该作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。 w w w 上的应用 根据数字水印技术设计的版权认证方案，可以广泛应用在电子商务、电 子报刊、广播和视频点播、虚拟图书馆等w w w 业务中。一般方法是：利用 水印嵌入过程中用到的用户密钥，创建被嵌入的水印信息，验证从多媒体信 息中提取出来的水印与被嵌水印的相似度，如果相似度大于某一个阈值，则 成功：文件中有多个水印存在时，判断水印嵌入的先后顺序。 2 4 数字水印的常用算法 2 4 1 空域算法 伪随机序列法 对图像媒体，在空间域嵌入水印的最简单的方法就是选取像素的一个 武汉理工大学硕士学位论文 伪随机集合，并且修改其中强度级的最低有效位( l s b ) 。但是，此方法对于 噪声和一般信号处理操作非常敏感，故无实用价值。 其中的一种算法是：将2 9 位长度扩展i t i 序列( e x t e n d e dms e q u e n c e s ) 逐 行地加到5 1 2 5 1 2 图像中像素强度的最低有效位上，水印的检测通过计算 扩展m 序列和水印图像行的空间相关函数来进行。w 0 1 奄a n g 和d e l p 将上述 方法扩展到二维，更长的序列被逐行地分配到二维块中，足够多的块连接起 来覆盖整个图像，然后将序列加到像素中。在检测算法中，计算其内积并将 结果与理想值比较。由于水印是加到像素的最低有效位中，这些方法对滤波 处理而言缺乏足够的稳健性。 空间分解法 有种基于将图像8 x 8 的块进行分解的方法，它根据定义的按亮度值 划分的方法划分每一个像素块，进一步将这些区域分成两类( a 和b ) ，由编 码器的网格定义。通过改变块中亮度值嵌入水印代码，以满足每一个区域和 类的亮度均值的给定关系。上述空间域的主要缺点是不能够抵御旋转、剪裁、 平移和缩放等操作。 2 4 2 变换域算法 一种d c t ( 离散余弦交换) 域数字水印算法是：首先把图像分成8 8 的 不重叠像素块，在经过分块d c t 变换后，得到由d c t 系数组成的频率块， 然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些d c t 系数中。该算法是通过对选定的d c t 系数进行微小变换以满足特定的关系， 用以表示一个比特的信息。在水印信号提取时，选取相同的d c t 系数，并 根据系数之间的关系抽取比特信息。其特点是数据改变幅度较小，且透明性 好，但其抵御几何变换等攻击的能力较弱。另外，基于d f t 和d w t 算法具 有相似的原理。 此外，还有一些基于小波分析的多分辨率分解技术的数字水印方案。小 波的多分辨率分解算法是将水印信号和图像进行分解，然后在相应层次上加 入水印，最后还原图像，如此可以具有较强的稳健性。 这种以变换域算法为代表的通用算法普遍采用变换技术，以便在频率域 实现水印信号叠加，对水印信号进行有效的编码，从而提高了透明性和稳健 性a 同时还适当利用滤波技术对水印信号引入的高频噪声进行消除，从而增 重望堡三查堂堡主兰垡笙茎 强了对低频滤波攻击的抵抗力。 2 4 3n e c 算法 n e c 算法由其实验室的c o x 等人提出，它在数字水印算法中占有重要 地位，其实现方法是： 首先以密钥为种子产生伪随机序列，该序列具有高斯n ( o ，1 ) 分布，密 钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成。 其次对图像做d c t 变换。 最后用伪随机高斯序列调制( 叠加) 该图像除直流( d c ) 分量外的1 0 0 0 个 最大的d c t 系数。 该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥， 因此可防止i b m 攻击。该算法提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要 原则，即水印信号应该嵌入源数据中给人感觉最重要的部分。这种水印信号 由独立同分布随机实序列构成，且该实序列应该具有高斯分布n ( 0 ，1 ) 的特 征。最后p o d i l c h u k 等利用人类视觉模型又对该算法进行了改进，从而提高 了该算法的鲁棒性和透明性。 2 4 4 直接序列扩频技术 扩频是通信领域中的一项重要技术，是指用以传输信息的信号带宽远远 大于信息本身带宽的一种通信方式。由于其具有较强的抗干扰和信息隐蔽等 特点，故经常被应用到数字水印技术中。它可抵御j p e g 压缩、平移变换及 一些剪裁。 2 4 5 利用人类生理模型特性的数字水印算法 人的生理模型包括人类视觉系统h v s 和人类听觉系统h a s 。该模型不 仅被多媒体数据压缩系统所利用，同样可供数字水印系统利用。它们的基本 思路均是利用从视觉系统导出的j n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 模型，确定 在图像的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而避免破坏视觉 质量。这一方法同时具有较好的透明性和鲁棒性 2 5 数字水印的攻击 塞堡墨三奎堂堡主兰垡丝壅 数字水印并不像高级机密那样需要做到绝对地不可破解，攻击数字水印 的人往往是从经济利益来考虑，只要做到需花费大量人力物力才能将水印去 除，就足以打消攻击者的念头。根本问题不是能不能够做到，而是值不值得 去做。 对鲁棒水印的攻击分为四个方面进行攻击：破坏水印、消除水印、加入 假水印和利用水印检测器等。具体说可以有： 基本攻击：很多基于扩频的数字水印仅仅通过复制或删除一定数量 的采样点，就能造成水印提取失败，如在图像中删除几行或几列，再在其它 位置复制同样数量的行或列。一些基本的图像处理过程也会降低水印的可检 测性，如：滤波，均衡，替换，打印一再扫描，特别是“打印一再扫描”。 鲁棒性攻击：例如s t i r m a r k 攻击。该攻击针对图像进行局部轻微程 度的拉伸、剪切、旋转等几何操作，然后采用双线性插值或n y q u i s t 插值， 最后通过一个传递函数的应用，模拟了非线性的d 转换器的缺陷带来的误 差( 通常见于扫描仪或显示设备) ，很多水印算法都能被此方法成功攻击。有 的攻击方法通过估计嵌入的水印的方法来去除水印；有些算法由于其算法的 特征，攻击者能获得关于水印的信息，进而进行攻击。 共谋攻击：共谋攻击是针对指纹水印的攻击方法，攻击者通过同一数 据源的嵌入不同水印的版本，经过平均等运算得到一个新的版本，使得水印 无法被检测到。 表示攻击：如m o s a i c 攻击，这种攻击主要针对网上自动侵权探测器。 该攻击方法是将图像分成若干小块，将这些小块在w e b 页面拼成完整的图 像，使得探测器无法探测到水印。 解释攻击：也称为i b m 攻击，基本思想是在已嵌入水印的图像b 中 减去一个水印信息w ，从而得到图像c ，然后攻击者声称图像b 中有他的水 印w ，而且他拥有原图c 。这样，原水印和假水印都能检测到，造成所有者 无法证明含有水印的数字图像的所有权。此攻击主要破坏了水印的确定性， 解决此攻击的方法是采用不可逆的水印算法，或者采用第三方提供标志的方 式( 即让第三方登记，并取得认证信息，作为水印或者水印的一部分) 。 拷贝攻击：这种攻击方法与其它攻击不同，目的不是消除水印或使水 印无法检测到，而是设法将一幅图像中的水印“拷贝”到另一幅图像，从而 垦堡望三奎堂堡主堂垡垒苎一 使版权保护中标志身份的水印不再可信。 易损水印要防止的攻击与鲁棒水印完全不同，它不需要抵抗上述攻击， 只需要抵抗“伪认证攻击。因为对易损水印的攻击不是将水印信息去掉或 使其不能检测到，而是设法篡改多媒体的内容数据却不损坏水印信息，即使 多媒体的内容发生改变，但仍能通过认证。例如，如果水印攻击都可以根据 一幅已嵌易损水印的图像的数据探知水印嵌入的规律，从而使其它任意一幅 图像完全通过认证。 苎! 兰坚! 望生至竺一 第3 章m p e g 系统 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 是1 9 8 8 年成立的一个专家组。这 个专家组于1 9 9 3 年制定并公布了一个国际标准，名称是“动态图像和伴音 的编码”，用于速率在1 5 m b i t s s 以下的数字媒体。也适用于远程通信以及局 域网等。该标准通常简称为m p e g l 标准，所采用的算法简称为m p e g l 算 法。 由于m p e g l 的位速率仅为1 5 m b i t s s ，因此m p e g 组织还制定了m p e g 2 压缩标准。m p e g 4 和m p e g 7 压缩标准。 m p e g 2 标准于1 9 9 4 年1 1 月公布，主要针对高清晰度数字电视( h d t v ) 所需要的视频及伴音信号，传输速率为1 0 m b i t s s ，与m p e g l 兼容。 在后面的叙述中，如果不特殊指定时，m p e g 均指m p e g 2 标准。 m p e g 4 专家组成立于1 9 9 3 年，该标准的目标是支持多媒体应用( 主要侧 重于对多媒体信息内容的访问) ，可根据应用的不同要求现场配置解码器，于 1 9 9 9 年发布。 m p e g 7 的全称是“多媒体内容描述接口”( m u l t i m e d i ac o n t e n td e s c r i p t i o n i n t e r f a c e ) ，该标准将确定各种类型的多媒体信息标准的描述方法，于2 0 0 0 年发布。 3 1m p e g 2 标准的组成 m p e g 2 标准由9 个部分组成： 第一部分：系统，描述多个视频，音频和数据基本码流合成传输码流和 节目码流的方式。这个标准主要是用来定义电视图像数据、声音数据和其 它数据的组合，把这些数据组合成一个或者多个适合于存储或传输的基本数 据流。数据流分为两种形式，一个称为程序数据流( p r o g r a ms t r e a m ，p s ) ， 另一种称为传输数据流( t r a n s p o r ts t r e a m ，t s ) 。程序数据流是组合成一个或者 多个规格化的数据流即封装基本数据流( p a c k e t i s e de l e m e n t a r ys t r e a m s ，p e s l 而生成一种数据流，用在出现错误比较少的环境下，适合使用软件处理的应 用：传输数据流也是组合一个或者多个p e s 而生成的一种数据流，它用在出 量堡望三奎兰堡主兰垡鲨奎一 现错误相对比较多的环境下，例如在有损失或者有噪声的传输系统中。 第二部分：描述视频编码方法。 第三部分：规定声音数据的编码和解码，与m p e g l 音频标准反向兼容， 是m p e g la u d i o 的扩充，支持多个声道。 第四部分：致性测试，描述测试一个编码码流是否符合m p e g 2 码流 的方法。 第五部分：软件，描述了m p e g 2 标准的第一、二、三部分的软件实现 方法。 第六部分：d s m - c c ，数字存储媒体命令与控制，描述交互式多媒体网 络中服务器与用户间的会话信令集。这是个数字存储媒体命令和控制 ( d i g i t a ls t o r a g em e d i ac o m m a n d a n dc o n t r o l ，d s m - c c ) 扩展协议，用于管理 m p e g l 和m p e g 2 的数据流，使数据流既可在单机上运行，又可在异构网络 ( 即使用相似的设备构造，但运行不同协议的网络) 环境下运行。在d s m - c c 模型中，服务器和客户端都被认为是d s m c c 网络的用户，d s m c c 定义了 一个称为会话和资源管理( s e s s i o n a n dr e s o u r c em a n a g e r , s r m ) 的实体，用来 集中管理网络中的会话和资源。 第七部分：m p e g 2 - a a c ( a d v a n e e da u d i oc o d i n g ) ，即多声道声音编码 算法标准。这个标准除后向兼容m p e g la u d i o 标准之外，还有非后向兼容 的声音标准。 第八部分