第三讲-数字水印及信息隐藏

1,作业,密码学与隐藏学的区别和联系?什么是数字水印?它有那些基本特点?数字水印的两个主要应用是什么?在这两个应用中使用的水印有什么不同?,信息隐藏及数字水印,信息安全讲座,广东商学院信息学院胡玉平教授博士okhyp,2007年10月12日，陕西林业厅公布了猎人周正龙用数码相机拍摄的华南虎照片。随后，照片真实性受到来自部分网友、华南虎专家和中科院专家等方面质疑，并引发全国性关注,目前全球野生华南虎只有20余只，人工饲养的50余只，分别饲养在我国苏州、上海等地的动物园。自1964年陕西佛坪山民猎杀过一只华南虎以来，陕西省已经40多年没有出现过华南虎的身影了，1983年在湖北一个林场发现的1只幼虎，是我国最后一次发现野生华南虎实体，距离现在也已经24年.,问题一：如何检测数字产品的真实性,卡通画制作软件:photoshop、cartoonmarker,问题二：原创作者如何标识数字产品的版权,5,主要内容,密码学的问题信息隐藏技术数字水印,6,密码学的问题,加密方法保护下的数字媒体一般不具有可识别和理解性，因此，不利于媒体的的直接传播和使用加密方法有一个致命的缺点，那就是它明确地提示攻击者哪些是重要信息，容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性一旦加密文件经过破解后其内容就完全透明，其保护作用也随之消失,7,信息隐藏,信息隐藏及其与密码学的联系信息隐藏机理信息隐藏技术的内容,8,一、信息隐藏及其与密码学的联系,信息隐藏（伪装）就是将有意义的秘密信息隐藏于另一非机密的载体内容之中。所用载体形式可为任何一种数字媒体，如图象、声音、视频或一般的文档等等密码仅仅隐藏了信息的内容，而信息伪装不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在传统的以密码学为核心技术的信息安全和伪装式信息安全技术不是互相矛盾、互相竞争的技术，而是互补的.,9,二、可能吗？（机理）,多媒体信息存在很大的冗余性,从信息的角度来看,未压缩的多媒体信息的编码效率是很低的,所以将某些信息嵌入到多媒体信息进行秘密传送是完全可行的,并不会影响多媒体本身的传送和使用人眼或人耳对某些信息有一定的掩蔽效应,比如人眼对灰度的分辨率只有几十个灰度级;对边缘附近的信息不敏感.利用人的这些特点,可以很好地将信息隐藏而不被察觉,10,三、信息隐藏技术的内容,11,两个重要分支,共同点:将重要的、秘密的信息嵌入到不受怀疑、公开的数据中。隐写术（Steganography）通常用于秘密通信过程中;秘密的信息可以是任何信息;一般情况下，隐写术不要求算法具有鲁棒性，也就是当公开数据被破坏或失真之后，隐藏的信息将无法提取出来;它着重于最大限度地隐藏和传送信息.数字水印(Watermark)主要用于版权保护和认证;它隐藏的信息与被保护的对象及或它的所有者有关;它着重于鲁棒性的要求，即攻击者即使知道隐藏信息的存在，仍然不能够、删除水印;,12,数字水印,数字水印技术发展的动力数字水印定义数字水印的研究状况数字水印的通用模型数字水印的基本特征数字水印的分类典型数字水印算法数字水印应用数字水印攻击,13,一、数字水印技术发展的动力,数字产品知识产权保护问题20世纪90年代以来，计算机网络和多媒体技术在全世界范围内得到了迅猛的发展，数字多媒体产品得到了日益普及和广泛应用。数字产品易于编辑、复制、传输，促进了人类信息的共享,推动了社会的进步。同时，对数字产品(数字声音，文本，图象和视频)的原版进行无限制的任意编辑，修改，拷贝和散布，造成数字产品的知识产权保护和信息安全的问题日益突出。,14,二、数字水印定义,普通水印是一种几乎不可见的印记，必须放置于特定环境下才能被看到，不影响物品的使用；普通水印的制作和复制比较复杂，需要特殊的工艺和材料.普通水印常应用于诸如货币、支票、证书、护照、发票等重要印刷品中，它主要用于鉴定物品的真伪.数字水印将与多媒体内容相关一些标示信息直接嵌入多媒体内容当中，但不影响原内容的使用价值，并不容易被人的知觉系统觉察或注意到。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者，或者是否真实完整。,15,三、数字水印的研究状况,1994年Schyndel和Tirkel等在IEEE国际图像处理大会上发表了题为“adigitalwatermark”的论文，这标志着数字水印概念的诞生。1996年5月30日至6月1日，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术会议，此次会议把数字水印作为它的一个主要议题1998、1999、2001、2002、2004，2006，2007又分别召开了七界国际信息隐藏研讨会议。根据IEE/IEEEElectroniclibrary全文数据库检索的情况，从2001到2007年有关数字水印文献的数量分别为：222，302，365，438，512，596。,16,数字水印的研究状况,我国数字水印的研究起步于1998年，在何德全、周仲义、蔡吉人三位院士的倡导下，分别于1999、2000、2001、2002、2004，2006年召开了六届国内信息隐藏学术研讨会。第七届国内信息隐藏会议（CIHW2007）于2007年11月在南京举办。根据中国期刊网数据库检索的情况，从1999年到2007年文献的数量分别为：16、42、109、187、298、372，624，682篇。,17,数字水印的研究状况,国家自然科学基金立项统计1999年2项，2001年3项，2002年3项2003年2项，2004年6项，2005年4项2006年2项，2007年11项同内有一些公司开始致力于数字水印软件的开发和推广，如：上海阿须数码有限公司（）成都宇飞信息工程有限公司（）,18,四、数字水印的通用模型,数字水印技术包括嵌入和检测、提取两个过程。嵌入阶段的设计主要解决两个问题：一是数字水印的生成，可以是一串伪随机数，也可以是与作者有关的字符串、图标等信息经过加密产生；二是嵌入算法，嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印（如字符串或图标等），或是基于统计原理的检验结果以判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。,19,一,水印的嵌入:使用嵌入算法E把水印信号W嵌入到原始产品I中,水印的嵌入,一,一,20,水印的检测:在水印载体中精确提取水印或通过相关检测判断其是否包含某一水印,水印的检测,21,举例：,假设有一幅数字摄影图像，为了标识作者对该作品创作的所有权，可以采用在原图上加入可见标记的方法，但这样可能伤害图像的完整性，因此可以利用数字水印嵌入技术，将作者标识作为一种不可见数据（数字水印）隐藏于原始图像中，达到既注明了所有权又不伤害图像的主观质量和完整性的目的。含水印图像能保持原图的图像格式等信息，并不影响正常信息的复制和处理，从主观质量而言，两幅图像差别微乎其微，无法用肉眼察觉。只有通过特定的解码器才能从中提取隐藏信息。,22,举例：,数字水印的另外一个用途是鉴别资料的真伪。现在，数字相机、数字录像机拍摄出来的影像尚无法作为法庭证据，因为它很容易被篡改。如果在一幅证据照片中嵌入水印，那么对照片所进行的任何修改都会破坏水印，用专门的检测软件就能探测出照片的什么地方被改动过了。数字水印技术并不能直接阻止拷贝行为，而是通过验证产品的所有权来揭露非法拷贝、传播行为，以法律的手段对其进行制裁，间接地打消盗版者非法复制的企图，起到保护知识产权的作用,23,五、数字水印的基本特征,数字水印有四个基本特征:不可感知,鲁棒性、安全性、水印容量、可证明性。不可感知性指数字水印的嵌入不应引起数字作品的视觉/听觉质量下降。鲁棒性即当被保护的信息经过某种改动后，比如在传输、JPEG压缩、滤波，图像的几何变换如平移、伸缩、旋转、剪裁等处理下，数字水印不被破坏。,24,数字水印的基本特征,安全性数字水印的安全性与密码系统的安全性非常类似，即水印嵌入的算法是公开的，安全性建立在密钥管理基础上，只有拥有密钥才能提取水印。水印容量：嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或购买者的序列号，这样有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。尤其是隐蔽通信领域的特殊性，对水印的容量需求很大可证明性:数字水印算法能够正确认别出被嵌入到保护对象中的有关信息，例如经过注册的用户编码、产品的标识或者其他任何有意义的文字等，并且在需要时将其提取出来作为证据。,25,六数字水印的分类,从水印的嵌入策略上分类空间域水印:直接在信号采样值上叠加水印信息1最低有效位方法(LSB法);2.Patchwork方法及纹理块映射编码方法;3.文档结构微调方法。变换域水印:在信息变换后的系数上叠加水印信息DCT变换，Wavelet变换，Fourier变换，分形或其它变换域等等。,从水印的检测方法上分类非盲水印（私有水印）在检测过程中需要原始数据和原始水印的参与。半盲水印（半私有水印）在检测过程中,需要原始水印来进行检测、且仅仅给出是否包含水印的二值判断系统，这种系统所嵌入的信息量仅为1比特。盲水印（公开水印）在检测过程中,既不需要原始数据，也不需要原始水印、且能输出水印是什么的系统。一般说来，非盲水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本和通信的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是半盲水印或者盲水印。,按使用的目的分类鲁棒（稳健）水印Robustwatermark在作品遭到一定程度的破坏,水印能检够测出来易损（脆弱）水印Fragilewatermark能够检测出作品的任何篡改，如果作品被篡改，则水印检测不出来半易损水印半易损水印能容忍一定的信号失真，只有当作品的内容被篡改时,水印才检测不出来，它比易损水印有更好的应用前景。鲁棒水印主要用于版权保护,易损水印和半易损水印主要用于认证按水印所附载的媒体划分:静止图象水印；视频水印；声音水印；文档水印；,28,六典型数字水印算法,空域算法典型空域方法有最低有效位方法LSB（LeastSignificantBits）、Patchwork法和文档结构微调方法。LSB方法是将水印直接嵌入到原始信号表示数据的最不重要的位置（最低有效位）中，这可保证嵌入的水印是不可见的。该算法的鲁棒性差，水印信息很容易被滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。,29,典型数字水印算法,Patchwork方法是一种基于统计的数据水印嵌入方案，其过程是用密钥和伪随机数发生器来选择N对像素点（ai，bi），然后将每个ai点的亮度值加，每个bi点的亮度值减，这样使得整个图像的平均亮度保持不变，而这里的值就是在图像中嵌入的水印信息。文档结构微调方法是在通用文档中隐藏特定二进制信息的技术。如轻微改变文档的字符或图像行距，水平间距，或改变文字特性等来完成水印嵌入。,30,典型数字水印算法,空域数字水印技术的优点是算法简单、速度快、容易实现，几乎可以无损的恢复载体图像和水印信息。其缺点是太脆弱，常用的信号处理过程，如信号的缩放、剪切等，都可以破坏水印。,31,典型数字水印算法,变换域算法该类算法的基本思想是先对图像或声音信号等信息进行某种变换（如正交变换），在变换域上内嵌入水印，然后经过反变换而成为含水印的输出。在检测水印时，也要首先对信号作相应的数学变换，然后通过相关运算检测水印。压缩域算法水印检测与提取直接在压缩域数据中进行。,32,七、数字水印的应用,版权保护将多媒体产品的所有者的信息作为水印嵌入其中,当该作品被盗版或出现版权纠纷时,所有者即可通过提取水印来维护自己的权益。认证当数字产品被用于法庭、医学、新闻及商业时,常需要确定它们的内容是否被修改、替换或特殊处理过,这可以通过嵌入易碎或半易碎水印来验证内容的完整。,33,数字水印的应用,数据监控:其主要目的是检测和识别存储或传输的数据，此类应用可用于付款的无线广播自动监控系统或互联网中。内容标记:在数字产品中嵌入包含注释的信息,对产品作进一步的说明，如：可以在照片中加入拍摄的时间与地点。其潜在的市场为医学应用、多媒体检索等。,34,数字水印的应用,复制控制:在DVD播放系统中,通过向原始视频信号中嵌入复制控制信息来达到控制使用的目的盗版跟踪:为避免未经授权的拷贝非法销售,所有者或销售商将不同的用户识别码或序列号作为不同的水印(指纹)嵌入到作品的合法拷贝中,这样，非法拷贝一经发现,就可以通过提取水印确定它的来源。,35,八数字水印攻击,目前已出现的攻击数字水印方法大约可分为5类。普通信号处理：普通信号处理包括:线性或非线性过滤、数/模和模/数变换、重新采样、重新量化、加入随机噪声、图像锐化或模糊化、增强