数字水印的发展

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字水印的发展简介,水印背景、算法及相关理论,李黎,浙江大学CAD&CG国家重点实验室2001.9.17,内容,安,安排,顺,顺序,数字,水,水印,提,提出,的,的背,景,景,数字,水,水印,的,的概,念,念、,特,特性,及,及分,类,类,图像,数,数字,水,水印,的,的几,种,种算,法,法,常见,的,的几,种,种数,字,字水,印,印攻,击,击方,法,法,今后,研,研究,方,方向,数字,水,水印,涉,涉及,的,的相,关,关理,论,论及,软,软件,数字,水,水印,提,提出,的,的背,景,景,多媒,体,体信,息,息安,全,全中,传,传统,的,的加,解,解密,系,系统,并,并不,能,能很,好,好地,解,解决,版,版权,保,保护,问,问题,。,。因,为,为，,虽,虽然,经,经过,加,加密,后,后只,有,有被,授,授权,持,持有,解,解密,密,密钥,的,的人,才,才可,以,以存,取,取数,据,据，,但,但是,这,这样,就,就无,法,法向,更,更多,的,的人,展,展示,自,自己,的,的作,品,品；,而,而且,数,数据,一,一旦,被,被解,开,开，,就,就完,全,全置,于,于解,密,密人,的,的控,制,制之,下,下，,原,原创,作,作者,没,没有,办,办法,追,追踪,作,作品,的,的复,制,制和,二,二次,传,传播,。,。,数字,水,水印,的,的概,念,念,数字,水,水印,（,（digitalwatermark,）,）技,术,术，,是,是指,在,在数,字,字化,的,的数,据,据内,容,容中,嵌,嵌入,不,不明,显,显的,记,记号,。,。被,嵌,嵌入,的,的记,号,号通,常,常是,不,不可,见,见或,不,不可,察,察的,，,，但,是,是通,过,过一,些,些计,算,算操,作,作可,以,以被,检,检测,或,或者,被,被提,取,取。,水,水印,与,与源,数,数据,（,（如,图,图象,、,、音,频,频、,视,视频,数,数据,）,）紧,密,密结,合,合并,隐,隐藏,其,其中,，,，成,为,为源,数,数据,不,不可,分,分离,的,的一,部,部分,，,，并,可,可以,经,经历,一,一些,不,不破,坏,坏源,数,数据,使,使用,价,价值,或,或商,用,用价,值,值的,操,操作,而,而存,活,活下,来,来。,1,原,原,始,始图,像,像2,加,加,入,入水,印,印后,的,的图,像,像3,水,水,印,印,数字,水,水印,的,的特,性,性,透明,性,性（,隐,隐藏,性,性）,。,。,强壮,性,性（,免,免疫,性,性）,：,：所,谓,谓的,操,操作,包,包括,：,：传,输,输过,程,程中,的,的信,道,道噪,声,声、,滤,滤波,、,、增,强,强、,有,有损,压,压缩,、,、几,何,何变,换,换、D/A或A/D转,换,换等,。,。所,谓,谓的,攻,攻击,包,包括,：,：篡,改,改、,伪,伪造,、,、去,除,除水,印,印等,。,。,隐藏,位,位置,的,的安,全,全性,：,：指,将,将水,印,印信,息,息藏,于,于目,标,标数,据,据的,内,内容,之,之中,，,，而,非,非文,件,件头,等,等处,，,，防,止,止因,格,格式,变,变换,而,而遭,到,到破,坏,坏。,无歧,义,义性,：,：恢,复,复出,的,的水,印,印或,水,水印,判,判决,的,的结,果,果应,该,该能,够,够确,定,定地,表,表明,所,所有,权,权，,不,不会,发,发生,多,多重,所,所有,权,权的,纠,纠纷,。,。,通用,性,性：,好,好的,水,水印,算,算法,适,适用,于,于多,种,种文,件,件格,式,式和,媒,媒体,格,格式,。,。通,用,用性,在,在某,种,种程,度,度上,意,意味,着,着易,用,用性,。,。,数字,水,水印,的,的分,类,类,1.,可,可,视,视水,印,印与,不,不可,视,视水,印,印。,2.,易,易,损,损水,印,印和,鲁,鲁棒,水,水印,。,。,3.,空,空,域,域水,印,印和,频,频域,水,水印,：,：直,接,接在,空,空域,中,中对,采,采样,点,点的,幅,幅度,值,值作,出,出改,变,变，,嵌,嵌入,水,水印,信,信息,的,的称,为,为空,域,域水,印,印；,对,对变,换,换域,中,中的,系,系数,作,作出,改,改变,，,，嵌,入,入水,印,印信,息,息的,称,称为,频,频域,水,水印,。,。,4.,非,非,盲,盲水,印,印和,盲,盲水,印,印。,5.,私,私,有,有水,印,印和,公,公开,水,水印,。,。,6.,对,对,称,称水,印,印和,非,非对,称,称水,印,印。,通用,数,数字,水,水印,系,系统,框,框架,图像,数,数字,水,水印,的,的算,法,法,.,空域,算,算法,：,：此,算,算法,首,首先,把,把一,个,个密,钥,钥输,入,入一,个,个m-序,列,列发,生,生器,来,来产,生,生水,印,印信,号,号，,然,然后,排,排列,成,成2,维,维水,印,印信,号,号，,按,按象,素,素点,逐,逐一,插,插入,到,到原,始,始图,象,象象,素,素值,的,的最,低,低位,。,。由,于,于水,印,印信,号,号被,安,安排,在,在了,最,最低,位,位上,，,，它,是,是不,可,可见,的,的，,基,基于,同,同样,的,的原,因,因，,它,它可,以,以轻,易,易地,被,被移,去,去，,因,因此,不,不够,强,强壮,。,。,.,文本,水,水印,算,算法,：,：它,们,们主,要,要是,通,通过,轻,轻微,改,改变,字,字符,间,间距,，,，行,间,间距,或,或是,增,增加,、,、删,除,除字,符,符特,征,征如,底,底纹,线,线等,方,方法,来,来嵌,入,入水,印,印。,或,或是,在,在符,号,号级,或,或语,义,义级,加,加入,水,水印,。,。例,如,如，,可,可以,用,用big,替,替换,文,文本,中,中的large。,一种,基,基于,改,改变,图,图象,数,数据,统,统计,特,特性,的,的水,印,印算,法,法，,该,该算,法,法首,先,先随,机,机选,取,取N,对,对象,素,素点,，,，然,后,后通,过,过增,加,加象,素,素对,中,中一,个,个点,的,的亮,度,度值,，,，而,相,相应,降,降低,另,另一,个,个点,的,的亮,度,度值,的,的调,整,整来,隐,隐藏,信,信息,。,。,.,频域,算,算法,：,：图,象,象的,频,频域,空,空间,中,中可,以,以嵌,入,入大,量,量的,比,比特,而,而不,引,引起,可,可察,的,的降,质,质，,当,当选,择,择改,变,变中,频,频或,低,低频,分,分量,（,（除,去,去直,流,流分,量,量）,来,来加,入,入水,印,印时,，,，强,壮,壮性,还,还可,大,大大,提,提高,。,。频,域,域水,印,印技,术,术可,以,以利,用,用通,用,用的,离,离散,余,余弦,变,变换,，,，小,波,波变,换,换和,傅,傅立,叶,叶变,换,换等,变,变换,方,方法。,.,压缩,域,域算,法,法：,把,把水,印,印信,号,号加,到,到表,示,示视,频,频帧,的,的数,据,据流,中,中去,。,。对,于,于输,入,入的MPEG-2,数,数据,流,流而,言,言，,可,可分,为,为数,据,据头,信,信息,、,、运,动,动向,量,量和DCT编,码,码信,号,号块,三,三部,分,分，,对,对DCT,编,编码,数,数据,块,块中,每,每一,输,输入,的,的Huffman,码,码进,行,行解,码,码和,逆,逆量,化,化，,把,把得,到,到的DCT系,数,数与,相,相应,水,水印,信,信号,块,块的,变,变换,系,系数,相,相加,，,，对,新,新的DCT系,数,数重,新,新进,行,行量,化,化和Huffman编,码,码。,然,然后,比,比较,新,新的Huffman码,字,字的,位,位数n1,与,与原,来,来的,无,无水,印,印系,数,数的,码,码字n0,，,，只,在,在n1不,大,大于n0,的,的时,候,候才,传,传输,水,水印,码,码字,，,，否,则,则传,输,输原,码,码字,。,。这,就,就保,证,证了,不,不增,加,加视,频,频数,据,据流,的,的位,率,率。,.,NEC算法：NEC实验室的COX等人提出的,基,基于扩展频谱的,水,水印算法,原则,为,为：,1),水印信号应该嵌,入,入源数据中对人,的,的感觉最重要的,部,部分。在频谱空,间,间中，这种重要,部,部分就是低频分,量,量。这样，攻击,者,者在破坏水印的,过,过程中，不可避,免,免地会引起图象,质,质量的严重下降,。,。,2),水印信号应该由,具,具有高斯分布的,独,独立同分布随机,实,实数序列构成。,这,这使得水印经受,多,多拷贝联合攻击,的,的能力大大增强,。,。,3）实现方法是,：,：对整幅图象做DCT变换，选,取,取除DC分量外,的,的1000个最,大,大的DCT系数,插,插入由N(0,1)所产生的一,个,个实数序列水印,信,信号。,生理模型算法：,利,利用人的生理模,型,型的特性，包括HVS和HAS,来,来提高多媒体数,据,据压缩系统质量,和,和效率。它们的,基,基本思想是利用,从,从视觉模型导出,的,的JND描述来,确,确定在图象的各,个,个部分所能容忍,的,的数字水印信号,的,的最大强度，从,而,而避免破坏视觉,质,质量。这一方法,同,同时具有好的透,明,明性和强壮性。,数字水印攻击分,析,析,1.鲁棒性攻,击,击,它包括常见的各,种,种信号处理操作,，,，如图象压缩、,线性或非线性,滤波、叠加噪声,、,、图象量化与增,强,强、图象裁剪、,几,几何失真、,模拟数字转换以,及,及图象的校正,等。,2.IBM,攻,攻击,这是针对可逆、,非,非盲（non-oblivious）水印算法,而,而进行的攻击。,其,其原理为设原始,图,图象为I，加入,水,水印W,A,的图象为I,A,=I+W,A,。攻击者首先生,成,成自己的水印W,F,，然后创建一个,伪,伪造的原图I,F,=I,A,-W,F,，也即I,A,=I,F,+W,F,。这就产生无法,分,分辨与解释的情,况,况。防止这一攻,击,击的有效办法就,是,是研究不可逆水,印,印嵌入算法，如,哈,哈希过程。,3.StirMark攻击,Stirmark是英国剑桥大,学,学开发的水印攻,击,击软件，它采用,软,软件方法，实现,对,对水印载体图象,进,进行的各种攻击,，,，从而在水印载,体,体图象中引入一,定,定的误差，我们,可,可以以水印检测,器,器能否从遭受攻,击,击的水印载体中,提,提取/检测出水,印,印信息来评定水,印,印算法抗攻击的,能,能力。如StirMark可对,水,水印载体进行重,采,采样攻击，它可,模,模拟首先把图象,用,用高质量打印机,输,输出，然后再利,用,用高质量扫描仪,扫,扫描重新得到其,图,图象这一过程中,引,引入的误差,。,4.马赛克攻,击,击,其攻击方法是首,先,先把图象分割成,为,为许多个小图象,，,，然后将每个小,图,图象放在HTML页面上拼凑成,一,一个完整的图象,。,。一般的Web,浏,浏览器都可以在,组,组织这些图象时,在,在图象中间不留,任,任何缝隙，并且,使,使其看起来这些,图,图象的整体效果,和,和原图一模一样,，,，从而使得探测,器,器无法从中检测,到,到侵权行为。,5.串谋攻击,所谓串谋攻击就,是,是利用同一原始,多,多媒体数据集合,的,的不同水印信号,版,版本，来生成一,个,个近似的多媒体,数,数据集合，以此,来,来逼近和恢复原,始,始数据，其目的,是,是使检测系统无,法,法在这一近似的,数,数据集合中检测,出,出水印信号的存,在,在。,6.跳跃攻击,跳跃攻击主要用,于,于对音频信号数,字,字水印系统的攻,击,击，其一般实现,方,方法是在音频信,号,号上加入一个跳,跃,跃信号，即首先,将,将信号数据分成500个采样点,为,为一个单位的数,据,据块，然后在每,一,一数据块中随机,复,复制或删除一个