信息与通信网安全技术论文

1、 信息与通信网安全技术论文题目：信息安全中的数字水印技术 0引言随着计算机和网络的飞速发展，数字作品的传输变得越来越便利。数字作品极易被复制，这使得它们能够被快速传播，但这一特性也会被侵权者非法利用。盗版已成为对数字化产业最大的威胁，而数字作品的版权保护不仅仅是一个立法问题，也是一个技术问题。传统的加密方法对多媒体内容的保护具有一定的局限性，一旦被解密，则信息就完全变成明文。数字水印技术作为加密技术的补充，在多媒体信息的版权保护具有重要意义。数字水印利用数字作品中的冗余数据把版权信息嵌入在数字作品本身，从而保护数字作品版权。数字水印可以标识和验证出数字化图像，视频和声频作品的版权信息，追溯数字

2、作品的非法分发，是目前保护数字作品版权的一种较为有效的技术手段。1数字水印的特点、分类及其应用1.1数字水印的基本特点数字水印的基本思想是在数字图像、音频和视频等多媒体数字产品中嵌入秘密信息，以保护数字产品的版权，证明产品的真实性，跟踪盗版行为或提供产品的附加信息等。数字水印系统通常具有下列几方面的特点:（1）鲁棒性即图像水印抵抗常见图像处理操作的能力，也就是说含水印图像经历无意修改而保留水印信息的能力。一般说来，当含水印图像经过一些基本处理（如噪声滤波、平滑、增强、有损压缩，平移、旋转、缩放和裁剪等）后，仍可检测出水印。（2） 透明性即不可见性，水印的存在不应明显干扰载体的图像数据，数字水印

3、的嵌入不应使得原始数据发生可感知的改变，也不能使得载体数据在质量上发生可以感觉到的失真。（3） 安全性水印算法抵抗恶意攻击的能力。即它必须能承受一定程度的人为攻击，而使水印信息不会被删除、破坏或窃取。应该保证非授权用户无法检测或破坏水印。数字水印应该难以被伪造或者加工，并且，未经授权的个体不得阅读和修改水印，理想情况是未经授权的客户将不能检测到产品中是否有水印存在。（4） 数据容量水印应该包含相当的数据容量，以满足多样化的需要。（5）可证明性在实际的应用过程中，可能多次加入水印，那么数字水印技术必须能够允许多重水印嵌入到载体数据中，而且每个水印均能独立地被证明。1.2数字水印的分类（1）依据所

4、嵌入的载体不同，可分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印和网络水印等。（2）按照水印透明性，可分为可视水印和不可视水印。如果嵌入的水印强度足够大，能够用肉眼直接观察到，则称之为可视水印。而含有不可视水印的数据通常与原始数据紧密结合，难以用肉眼观察到。（3）按照水印生成方式，可分为非适应水印和自适应水印。（4）按照水印的抗攻击能力，可分为脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印。脆弱水印对任何图像变换或处理都非常敏感，半脆弱水印是对某些特定的图像处理方法有稳健性而对其他的处理不具备稳健性，鲁棒水印对常见的各种图像处理方法都具备稳健性。（5）从水印检测是否需要原始图像参与来分，可以分为私有水印和公有水印

5、。私有水印的检测需要原始图像的参与而公有水印的检测不需要原始图像的参与。通常来说，公有水印的安全性和强壮性比不上私有水印，但公有水印在声明版权信息和预防侵权行为上无疑具有优势，是水印发展的方向。1.3数字水印的应用数字水印主要应用在以下几个方面310:（1） 可以维护所有权(Ownershipassertion)为了表明对数字产品内容的所有权，所有者用私钥产生特定的水印，然后将其嵌入到载体数据中，公开发布含水印的作品，当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从被盗版作品中获取水印信号作为依据，从而保护其合法权益。对这种应用领域来说，水印技术必须有较好的鲁棒性，同时也必须能防止被伪造。（2）数

6、字指纹(digitalfingerprinting)为了避免未经授权的复制和分发可公开得到的多媒体内容，作品的所有者可以将不同用户的序列号作为不同的水印(指纹)嵌入到作品的合法拷贝中。一旦发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。对这种应用领域来说，水印技术除具有版权保护应用中的特性不可见性外，还必须能抵抗恶意的去除、伪造或试图使水印无效的攻击。（3）认证和完整性校验(authenticationandintegrityverification)在许多应用中，需要验证数字内容未被改变、修改或造假。对有些媒体数据是不允许修改的，如医学照片，交通录像等。为了检验其完整性，通

7、常采用脆弱水印，通过检验提取出的水印完整性来检验数字内容的完整性，如有被修改，可以确定被修改的位置。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，不需要原始数据。（4）访问控制（Visitingcontrol）利用数字水印技术可以将访问控制信息嵌入到媒体中，在使用媒体之前通过检测嵌入到其中的访问控制信息，以达到访问控制的目的，它要求水印具有很高的鲁棒性。这种应用的一个典型例子是DVD防拷贝系统，即将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通过检测DVD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。（5） 信息隐藏(Informationhide)数字

8、水印可用于作品的标识、注释、检索信息等内容的隐藏，这样不需要额外的带宽，且不易丢失。另外，数字水印技术还可以用于隐蔽通信，这将在国防和情报部门得到广泛的应用。1.4数字水印处理系统数字水印处理系统主要由数字水印生成算法、嵌入算法和检测算法构成。数字水印处理系统基本框架可以定义为9元体，即（M，X，W，K，G，Em，At，D，Ex）5:M:代表所有可能原始信息的集合。X:代表所要保护的数字产品的集合。W:代表所有可能水印信号的集合。K:代表水印密钥的集合。G:表示利用原始信息m、密钥K和原始数字产品x共同生成水印的算法，即G:MXKW，w=G(m，x，K)Em:表示将水印w嵌入数字产品x中的嵌入

9、算法，即Em:XWX，xm=Em(x，w)At:表示对含水印产品的攻击算法，即At:XKX，x*=At(xw，K)这里，K表示攻击者伪造的密钥。D:表示水印检测算法，即D:XK0，1，D(x*，K)= Ex:表示水印提取算法，即Ex:XKW，w*=Ex(x*，K)2数字水印生成技术为了使水印有较好的稳健性和抗攻击性能，大多数水印算法采用伪随机序列作为水印。Cox等人8提出，利用Gaussian随机序列产生的水印具有更好的稳健性。目前一般取下述随机序列作为水印:高斯白噪声:满足均值，方差的正态分布;伪随机序列:具有类似白噪声的性质，但又具有周期性和规律性，可以人为地产生和复制，如二值的m序列，M

10、序列，混沌序列等作为水印；根据有特定含义的原始水印所生成的随机序列。在许多应用场合，要求嵌入图像的信息是可读的或可视的，如有意义的文字串或一个图像(商标，印鉴等)。这种有意义的水印与无意义的伪随机噪声相比，所具有的优点是不言而喻的。图像水印属于较直观的水印，通过人类视觉进行判断，可以容忍一定的失真。如果给定的原始水印是具有特定意义的图像，文本或音频数据，则相邻的像素间具有很强的相关性，因此，必须采用一定的措施使水印信息能量分散，消除信息中相邻像素的空间相关性，提高其抵制图像剪切操作能力，以保证数字水印算法的鲁棒性，同时提高了安全性。通常的方法是采用置乱处理，图像置乱就是利用某种算法将一幅图像各

11、像素的次序打乱，但像素的总个数不变，直方图不变，己提出的图像置乱方法有Fass曲线、Gray代码、Arnold变换和方式等。Arnold变换是Arnold在遍历理论中提出的一种变换，又称猫脸变换(ArnoldsCatMap)，如图1所示。水印生成算法主要有:伪随机、扩频、混沌、纠错编码、变换、分解、自适应等。水印模型的好坏，影响嵌入水印后图像的视觉效果，视觉质量的量度方法可通过嵌入图像的PSNR（峰值信噪比）来衡量。峰值信噪比的计算公式为:式中，M和N为图像的宽度和高度；f(i，j)和f(i，j)为原始图像与含水印图像的像素值。图1水印生成算法框图3数字水印的嵌入技术根据所基于的域不同，数字水

12、印嵌入技术主要分为:时空域算法、变换域算法和压缩域算法，不管在什么域上，都是要先确定嵌入位置，位置的多少反映了水印容量的大小，再设计嵌入方法，最后给出检测方法和对算法的评价。早期人们对数字水印的研究基本上是基于时空域的，算法相对简单，实时性较强，但鲁棒性差。目前变换域算法比较多，效果好，常用的变换域有离散傅立叶(DFT)变换域、离散余弦变换(DCT)域、小波变换(DWT)域、哈达玛变换域等。一般说来，在变换域中嵌入信号有利于不可见性和安全性。在低频段中嵌入水印，鲁棒性好，但容易影响原始图像的质量，在高频段嵌入水印，不可见性好，但鲁棒性差。因此，大多数都采用在中频段嵌入水印。由于小波变换的良好时

13、频特性且JPEG2000使用了小波变换，从而使得水印在JPEG2000有损压缩下不会被去除，可以在压缩域中直接嵌入水印。另外，由于小波的多分辨分析与人眼视觉特性的一致性，可以根据HVS自适应地选择水印的嵌入位置和确定嵌入的强度，以最大限度地保证鲁棒性与不可见性。所以，基于小波变换的数字水印技术方面的文章也越来越多，成为目前一个研究热点。3.1空域方法空域方法是直接改变图像数据来嵌入数字水印的，1993年A.Tirkel等人9首次提出了在最不重要位LSB(leastsignificantbit)上嵌入数字水印的方法，因为在LSB位上的改变是不易察觉的，可满足不可见性要求。但该算法鲁棒性差，安全性

14、也差，水印很容易被滤波、量化、几何变形等操作破坏，主要用于内容完整性论证。Lu等人10对视频数据，将水印嵌入到多个位平面中，通常是采用第4位以下的位平面中，位平面不固定，可以随机选择，因此具有较好的安全性和不可见性，有一定的鲁棒性。W.Bender等人11提出著名的Patchwork方法，通过选择像素对，在保持总均值不变的情况下，修改像素对的值。该方法对JPEG压缩、FIR滤波以及图像剪切具有一定的抵抗力，但嵌入的信息量有限。3.2变换域方法变换域方法是首先通过对图像数据进行变换，然后在变换域中的适当位置嵌入水印，最后通过反变换得到含水印的图像。变换域的方法与空域的方法相比具有如下优点:在变换

15、域中嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有像素上，有利于保证不可见性;在变换域上，可以更充分地利用人类视觉的特性，使数字水印的稳健性能得到最大的提高;小波变换与国际数据压缩标准兼容，从而实现在压缩域(compresseddomain)内的水印算法。常用的嵌入方法主要有加性和乘性嵌入方法、替换方法、量化方法等5。加性嵌入:Xi=Xi+Wi，其中Wi为水印序列，Xi为原始图像，Xi为含水印图像，为嵌入水印的强度。越大，水印鲁棒性越好，但图像的质量就会降低;反之，越小，水印鲁棒性越差，但图像的质量就越高;也可以不取固定，可随点或块变化，以提高鲁棒性和自适应性。乘性嵌入规则:Xi=Xi(1+Wi)，水

16、印嵌入的强度随原始图像系数值大小动态改变，具有自适应性。量化方法可以实现水印的盲取，该方法是将数据量化到不同的区间，检测时根据数据所属的区间提取水印信息。常采用量化索引调制法(QIM)12，13，例如，如果水印信息由0和1组成，采用两种量化区间来区分0和1，这种方法有较好的鲁棒性和不可见性。零树嵌入的方法，将最高分解层的小波系数与给定阈值进行比较，如果小于阈值的系数则被认为是不重要系数，如果父节点（或根节点）和所有的子节点（自其同方向的较低分解层的系数）都是不重要系数，则形成一棵零树。零树树根被编码为特殊字符，以标识整个零树。利用零树嵌入水印具有较好的鲁棒性和不可见性。利用人眼的视觉特征和图像

17、的纹理和亮度特征，来选择嵌入位置点及嵌入的水印强度。采取根据各像素点的视觉差异，对嵌入水印权值进行限定的方法16，可以取得较好的效果。该方法利用人眼视觉特征，在能量大的边缘、纹理所对应的系数上可以嵌入较大能量的水印信息，从而在保证不可见性的前提下提高了水印的鲁棒性。4数字水印的检测和提取水印检测是指不需要提取水印，而直接从可能含有水印信息的特征集中进行统计分析以判断是否具有指定水印。基于检测的数字水印方法应用范围有限，主要是针对数字媒体的版权保护来进行数字水印的算法设计。水印信号检测过程如图2所示。图2水印信号检测过程水印提取是从待检测的图像数据中提取出水印信息，把提取出来的水印和原始水印进行

18、比较，据此判断出图像中是否存有水印。衡量方法采用相似性测量，即应用NC系数(normalizedcorrelation)来衡量提取出来的水印与原水印的相似性程度。通常情况下，提取出的水印W*与原始水印W不相等，然后计算相似性系数:设定阈值为T，当满足下面不等式NCT时，认为有水印，否则没有水印。检测过程可能包含两个错误:一是实际没有水印，却检测出有水印;二是实际有水印，却没有检测到水印。上述错误发生的概率分别称为虚警概率和漏报概率。一般说，当虚警概率变小时，漏报概率会相应变大，反之亦然。T减小，漏警概率降低而虚警概率提高;T增大，则虚警概率降低而漏警概率提高。5今后研究方向数字水印近十年来得到

19、了迅速的发展，基于水印的鲁棒性、安全性、抗攻击性的研究一直是数字水印研究领域的主要内容17。（1）数字水印与其他技术的结合，在网络环境下多媒体信息安全问题是当前一个研究热点。多媒体信息安全主要是指安全传递、访问控制和版权保护。数字水印技术并非是万能的，它必须与密码学技术及数字认证、数字签名或者数字信封等技术一起使用，才能构造综合的数据安全体系，才能抵抗各种攻击。（2）水印基本理论和算法研究:数字水印技术的基本理论和算法研究一直都是研究的重点，但目前数字水印技术的研究中模型和理论尚处于发展阶段。需要继续做进一步研究的方面有:水印结构、水印嵌入对策、水印检测方法、水印攻击方法及其对策、水印性能评价

20、标准和水印的标准化等。（3）水印系统模型的研究。过去的水印研究中，基于统计特征的数字水印易受非线性变换的影响。为了提高水印检测中的纠错能力，可利用现代通信原理，将水印的嵌入等价为一个通信模型，采用信道编码的方法来降低嵌入水印的检测误码率。各种攻击具有不同的特性，所引起的水印检测误码率也不同。如何根据不同攻击的特性，将其等效为通信理论中的问题，并应用相应的通信技术提高水印检测时的正确率，是未来研究的一个重要课题。（4）基于自适应算法的研究。充分利用人眼的视觉特性和数据特征，产生自适应数字水印和自适应嵌入算法，以保证水印的不可见性、鲁棒性和安全性是未来水印的研究方向。研究水印的嵌入位置及嵌入强度，

21、找到合适的嵌入位置和嵌入强度，有利于水印嵌入后的视觉质量和减小检测过程的误码率。（5） 基于多小波变换的水印嵌入方法也是研究的一个方向。目前大多都是在单小波变换域中嵌入水印。如何利用多小波的良好性质，结合视觉特性，在图像数据中嵌入水印以保证较好的鲁棒性、不可见性和安全性，是目前研究的一个重要课题。参考文献：1 VOYATZIS G, PITAS I. The use of watermarks in the protection of digital multimedia productsJ. Proceedings of the IEEE, 1999, 87(7) : 1 197 1 207

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23、nce and Remote Sensing Symposium, 2001,(3): 1 1911 193.4 CRAVER S, MEMON N. Can invisible watermarks resolve rightful ownerships R.Repnort：IBM Technology,1996.5 孙圣和, 陆哲明. 数字水印技术及应用M. 北京：科学出版社, 2004.6 COX I J, LINNARTZ J P. Some general methods for tampering with watermarks J. IEEE Journal on Selecte

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