數字水印技術概念分析論文

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【摘要】文章從數字水印的概念入手，分別介紹了數字水印技術的基本特性、分類及其應用，并在此基礎上提出了一些數字水印技術的研究趨向。

【關鍵詞】數字水印；隱蔽性；魯棒性

隨著信息時代的到來，特別是Internet的普及，信息的安全保護問題日益突出。當前的信息安全技術基本上都以密碼學理論為基礎，無論是采用傳統的密鑰系統還是公鑰系統，其保護方式都是控制文件的存取，即將文件加密成密文，使非法用戶不能解讀。但隨著計算機處理能力的快速提高，這種通過不斷增加密鑰長度來提高系統密級的方法變得越來越不安全。另一方面，多媒體技術已被廣泛應用，需要進行加密、認證和版權保護的聲像數據也越來越多。數字化的聲像數據從本質上說就是數字信號，如果對這類數據也采用密碼加密方式，則其本身的信號屬性就被忽略了。最近幾年，許多研究人員放棄了傳統密碼學的技術路線，嘗試用各種信號處理方法對聲像數據進行隱藏加密，并將該技術用于制作多媒體的“數字水印”。

一、數字時代的密寫術———數字水印

數字水印（DigitalWatermark）技術是指用信號處理的方法在數字化的多媒體數據中嵌入隱蔽的標記，這種標記通常是不可見的，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。數字水印是信息隱藏技術的一個重要研究方向。嵌入數字作品中的信息必須具有以下基本特性才能稱為數字水印：

（一）隱蔽性

嵌入水印后的數據與原始數據相比，應感覺不到差別。嵌入水印后的數據不應該包括人們可以感覺到的失真而造成原始數據質量下降，這是一個具有主觀性的屬性，因而目前沒有一個定量的標準來衡量。

（二）魯棒性

所謂魯棒性是指在經歷多種無意或有意的信號處理過程后，數字水印仍能保持完整性或仍能被準確鑒別。嵌入水印后的數據經受對數據一些惡意的處理，譬如濾波、再量化、抖動等以及一些蓄意的攻擊后，應該還能得到嵌入的數據。

（三）密鑰的唯一性

即不同的密鑰不應產生等同的水印。

（四）檢測的可靠性

水印檢測出錯的概率應小于某一合適門限值。這一特性描述了水印檢測算法必須具有一定的確信度。

二、數字水印的分類

數字水印技術可以從不同的角度進行劃分。

（一）按特性劃分

按水印的特性可以將數字水印分為魯棒數字水印和脆弱數字水印兩類。

（二）按水印所附載的媒體劃分

按水印所附載的媒體，我們可以將數字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網格模型的網格水印等。

（三）按檢測過程劃分

按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數據。

（四）按內容劃分

按數字水印的內容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個數字圖像或數字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應于一個序列號。

（五）按用途劃分

按水印的用途，我們可以將數字水印劃分為票據防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。

（六）按水印隱藏的位置劃分

按數字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數字水印、頻域數字水印、時/頻域數字水印和時間/尺度域數字水印。

三、數字水印的應用

多媒體技術的飛速發展和Internet的普及帶來了一系列政治、經濟、軍事和文化問題，產生了許多新的研究熱點，以下幾個引起普遍關注的問題構成了數字水印的研究背景。

（一）數字作品的知識產權保護

數字作品的版權保護是當前的熱點問題。由于數字作品的拷貝、修改非常容易，而且可以做到與原作完全相同，所以原創者不得不采用一些嚴重損害作品質量的辦法來加上版權標志，而這種明顯可見的標志很容易被篡改。“數字水印”利用數據隱藏原理使版權標志不可見或不可聽，既不損害原作品，又達到了版權保護的目的。然而實事求是地說，目前市場上的數字水印產品在技術上還不成熟，很容易被破壞或破解，距離真正的實用還有很長的路要走。（二）商務交易中的票據防偽

隨著高質量圖像輸入輸出設備的發展，特別是精度超過1200dpi的彩色噴墨、激光打印機和高精度彩色復印機的出現，使得貨幣、支票以及其他票據的偽造變得更加容易。另外，在從傳統商務向電子商務轉化的過程中，會出現大量過度性的電子文件，如各種紙質票據的掃描圖像等。即使在網絡安全技術成熟以后，各種電子票據也還需要一些非密碼的認證方式。數字水印技術可以為各種票據提供不可見的認證標志，從而大大增加了偽造的難度。

（三）聲像數據的隱藏標識和篡改提示

數據的標識信息往往比數據本身更具有保密價值。沒有標識信息的數據有時甚至無法使用，但直接將這些重要信息標記在原始文件上又很危險。數字水印技術提供了一種隱藏標識的方法，標識信息在原始文件上是看不到的，只有通過特殊的閱讀程序才可以讀取。這種方法已經被國外一些公開的遙感圖像數據庫所采用。此外，數據的篡改提示也是一項很重要的工作。現有的信號拼接和鑲嵌技術可以做到“移花接木”而不為人知，因此，如何防范對圖像、錄音、錄像數據的篡改攻擊是重要的研究課題。基于數字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術途徑，通過隱藏水印的狀態可以判斷聲像信號是否被篡改。

（四）隱蔽通信及其對抗

數字水印所依賴的信息隱藏技術不僅提供了非密碼的安全途徑，更引發了信息戰尤其是網絡情報戰的革命，產生了一系列新穎的作戰方式，引起了許多國家的重視。網絡情報戰是信息戰的重要組成部分，其核心內容是利用公用網絡進行保密數據傳送。迄今為止，學術界在這方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思維模式，然而，經過加密的文件往往是混亂無序的，容易引起攻擊者的注意。網絡多媒體技術的廣泛應用使得利用公用網絡進行保密通信有了新的思路，利用數字化聲像信號相對于人的視覺、聽覺冗余，可以進行各種時（空）域和變換域的信息隱藏，從而實現隱蔽通信。

四、數字水印的未來

數字水印技術還有很多其它用途，并且其應用領域還在不斷擴大。除了技術發展，市場營銷和商業規劃也極為重要，并且需要有深度的分析與戰略計劃。技術推廣和普及也必不可少，以保證市場為接受數字水印技術做好準備。對此提出一些想法。

第一，如何利用水印算法，在網絡環境中解決多媒體信息安全問題，成為了當前一個研究熱點。多媒體信息的安全問題是：安全傳遞、訪問控制和版權保護。通迃加密解密可以實現前兩個目的，但是，解密后的數據可以隨意在網絡上分布、傳播。在數字內容中嵌入唯一的標志（即數字水印），在出現爭端糾紛時，根據提出的水印，可以證明真正的版權擁有者，或者找出非法傳播的人。但是，這些應用只是被動的在爭端發生時才體現出來，而且由于缺乏相應的法律支持，這些想法沒有真正的實施。因此，有人提出數字水印，利用移動技術，在網絡上自動搜尋非法或未授權的數字媒體內容，但是，其前提是主機需要安裝相應的程序，因而帶來了新的安全問題。我們提出在網絡通信路上，如在路由器中加入水印檢測算法（數字水印），在網路上檢測非法傳播，從而杜絕網絡上數字媒體內容的非法傳播。

第二，目前關于多播體系下嵌入水印的方案有人已經提出。但是，在此方案下的水印需要滿足的具體特性，還沒有詳細的考察。傳統的多播基于Internet首先要研究多播體系下的水印算法需要滿足的特性，然后，針對特性設計相應的水印算法。

第三，數字影院的建設需要利用數字水印保護，通過嵌入不同版本的水印，跟蹤非法泄漏。其中，對于小規模的應用，只要嵌入魯棒水印，就可以很好地滿足要求。對于大規模應用，則主要考慮共謀攻擊。另外，還要結合數字影院的體系結構，如果采用多播，則要結合網絡特性和壓縮編碼。

第四，提出activewatermark概念。首先，在媒體中嵌入不同等級的水印，決定用戶的權限，在網絡中檢測提取水印，路由器根據這些水印的權限，決定是否轉發，并且提供截獲的詳細報告。其次，在防火墻中嵌入水印模塊，對出去的媒體內容，提取水印，根據水印判斷是否為重要的內容，不能外泄，對局域網的多媒體內容提供有效保護；對傳進來的多媒體內容，可以根據提取的水印判斷員工是否有權使用，從而防止出現不必要的違法侵權行為。

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