数字水印

第十章数字水印主要内容•背景介绍•数字水印技术•应用领域•商业应用一、背景介绍•防伪状况–输入、输出设备的发展，高精度产品（扫描、打印、复印）出现，伪造更加容易。•版权问题–通信技术的发展与普及，数字作品、电子出版物的传播和交易变得越来越便捷，侵权盗版活动也呈日益猖獗之势。•信息安全隐患–互联网的普及与黑客技术的出现，使得机要信息的发布、传递、管理更容易引起攻击者的注意，这样的状况让加密数据与未加密数据几乎一样危险。防伪状况：伪造/仿冒/造假金额：120亿元特大假发票案数量：45万余份规模：团队3人，抓获30人损失：为国家避税39.6亿元时间：2008.6.30（青岛）金额：7560余万元特大假烟案数量：84010件（中华/芙蓉王）规模：覆盖全国20个省（区、市），抓获30人时间：2008.1（河南）金额：2000余万元火车票数量：6万张（5年内最大）规模：涉案20人时间：2009.1.10（广州）除此之外，诸如伪造货币、有价证券、文件、单据、证件、信用卡、合同、商标、标识、包装物、图章、名家书画、珍贵邮票、图章等伪造较为严重……版权问题：盗版/侵权/知识产权全国集中销毁盗版及非法出版物4685万件日期：“4.26”世界知识产权日“扫黄打非”工作小组组织全国31个省、自治区、直辖市。Google支付1.25亿美元和解图书版权诉讼美国作家协会和出版商协会宣布，针对Google图书搜索计划的侵权诉讼案（2005年开始），已经与Google达成和解。除此之外，诸如多媒体软件、音乐著作权、数字作品、电子读物/出版物等侵权较为严重……“8亿元特大盗版案”宣判以正版软件为原型，伪造光盘的激光防伪膜字母图样，通过互联网下载算号器，算出软件的产品序列号。信息安全：泄密/篡改/窃取国际矿业巨头力拓公司（4名上海员工被拘）全球历史上著名商业间谍案…全球历史上著名商业间谍案…信息安全：泄密/篡改/窃取自然灾害、意外事故；计算机犯罪；人为错误，比如使用不当，安全意识差等；“黑客”行为；内部泄密；外部泄密；信息丢失；电子谍报，比如信息流量分析、信息窃取等；信息战；网络协议自身缺陷缺陷，例如TCP/IP协议的安全问题等等。信息安全威胁的主要来源2134二、数字水印技术•数字水印技术的基本思想是将含有作者电子签名、日期、公司标志、商标或使用权限等的数字信息作为水印信息，通过一定的算法将水印信息嵌入到图像、文本、食品和音频等数字媒体中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统察觉或注意到，但在需要时，能够通过一定的技术检测方法提取出水印，以此作为判断媒体的版权归属和跟踪起诉非法侵权的证据。•数字水印技术是可将标识信息(即数字水印)直接嵌入到数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中，不影响使用价值，并且主、客观上不易被察觉，具有较强隐蔽性功能。•通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。•被视抵抗多媒体盗版、印刷防伪的“最后一道防线”。数字水印和信息隐藏•信息隐藏主要用于安全保密通信，不希望被其他人注意的个人隐私传递；•数字水印是信息隐藏的一个重要分支，可为各种多媒体产品提供一种可行的版权保护措施；•数字产品的所有者迫切需要解决版权保护。数字水印与密码学数字水印的需要•密码技术局限：合法用户拥有密钥。可是一旦解密，没有控制，可以随意拷贝传播，由于数字信息的特点，传播非常快。•数字作品包含版权所有者、发行者、购买者、日期、序列号等信息，目的不是为了秘密传递这些信息，而是在检查盗版行为时，可以从数字载体中提取出有关信息，用以证明数字产品的版权，指证盗版行为。要求更高的健壮性。数字水印的基本特征•安全性–数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率，当原内容发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；当然数字水印同样对重复添加有有强的抵抗性；•隐蔽性–数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用而不会降质；•鲁棒性–是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。数字水印的基本特征•水印容量–水印容量也称嵌入率、加载率或者有效载荷，指单位时间内或在一个作品中最多可以嵌入水印的比特数。•可证明性–数字水印所携带的信息应该能够被唯一地、确定地鉴别，从而能够为已经受到版权保护的数字产品的所有权归属提供完全可靠的证据。数字水印载体分类•静止图像水印•视频水印•音频水印•软件水印•文档水印数字水印外观分类•可见水印：比如电视频道上所有特有的半透明标识，主要用于明确标识版权，防止非法使用；•不可见水印：目的是将来起诉非法使用者，作为起诉证据。往往用于商业用的高质量图像上。数字水印加载方法分类•空间域水印•变换域水印数字水印的水印检测方法分类•私有水印和公开水印：检测和提取是否需要原始载体，需要为私有，否则公开；•私钥水印和公钥水印：类似于对称加密和公开密钥算法。数字水印的水印特性分类•健壮性数字水印：主要用于嵌入著作权信息，如作者、作品序列号等，要求能够经受各种信号处理操作。只要载体没有被破坏到不可用的程度，都应该能够检测出水印信息；•脆弱性数字水印：主要用于完整性保护，对信号改动很敏感，据此判断是否被修改过。数字水印使用目的分类•版权标识水印：版权保护和认证信息，用于发生纠纷时的版权认证；•数字指纹水印：包括购买者的个人信息，防止非法拷贝。数字水印性能评价•不可感知性•好的算法是是嵌入信息多而引起感觉小•健壮性：经常和感知性矛盾数字水印原理•水印算法通常包含水印加载和水印检测两个基本方面。水印的嵌入过程水印的检测过程•一个典型的水印系统由嵌入器和检测器组成。嵌入器根据要传送的信息M生成真正的水印信号，并把它隐藏到媒体数据x中，得到含水印的信号y。为了安全起见，水印信号的生成通常依赖于密钥K。•y经过传输网络可能会有一定的信息损失，到达检测器端变成y′，这段通道对于嵌入器和检测器来说都是不可控、不可知的，可以称其为攻击通道（attackchannel）。检测器负责从y′中提取信息。对于不需要宿主信号的检测，我们称为盲水印（blindwatermarking），相反称为非盲水印（non-blindwatermarking）。由于应用的需求，盲水印一直是研究的主流。数字水印的模型数字水印的嵌入、提取和检测水印嵌入就是把水印信号W={w(k)}嵌人到原始图像x0(k)={x0(k)}中。水印嵌入过程如图1所示。水印嵌入准则分为：加法准则：x（K）=x0（K）+a*w(k)乘法准则：x(K)=x0（K）*{1+a*w(k)}a为强度因子，为了保证在水印不可见的前提下，尽可能提高嵌入水印的强度。a的选择必须考虑图像的性质和视觉系统的特性。在某些水印系统中，水印可以被精确地提取出来，这一过程被称作水印提取。例如在完整性确认的应用中。必须能够精确地提取出嵌入的水印，并且通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的变化，最好还能够通过变化的水印的位置来确定原始数据被篡改的位置。水印在提取时可以需要原始图像的参与，也可以不需要原始图像的参与。图2是水印提取的框图．虚线部分表示在提取或判断水印信号时原始图像不是必需的。水印在检测时可以需要原始图像的参与，也可以不需要原始图像的参与。但将水印技术用于图像的网络发布和传播时．如果检测时需要使用原始图像则是个缺陷，因此，当前大多数的水印检测算法不需要原始图像的参与。图3分别是水印检测的框图．虚线部分表示在提取或判断水印信号时原始图像不是必需的。数字水印的框架公钥基础设施PKI•公钥基础设施（PublicKeyInfrastructure,PKI），是一种遵循既定标准的密钥管理平台,它能够为所有网络应用提供加密和数字签名等密码服务及所必需的密钥和证书管理体系。•完整的PKI系统必须具有权威认证（CA）机构、数字证书库、密钥备份及恢复系统、证书作废系统、应用接口（API）等基本构成部分。涉及的相关理论和软件数字水印的算法空域水印算法是指将水印信号直接嵌入在原始数据中。频域水印算法是将原始信号和待检测信号同时进行变换域变换，比较两者的区别，进行嵌入水印的逆运算，得出水印信息。如果是可读的水印，那么就此结束；如果是不可读水印，如高斯噪声，就将得出的水印与已知水印作比较，由相关性判断待检测信号含不含水印，故水印的检测有两个结束点。频域法有以下优点：1、嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有像素上，有利于保证水印的不可见性；2、视觉系统的某些特性（如频率的掩盖特性）可以更方便地结合到水印编码过程中；3、频域法可与国际数据压缩标准兼容，从而实现在压缩内的水印编码。这是一种典型的空间域数据隐藏方法，就图像数据而言，一幅图像的每个像素是以多比特方式构成的，在灰度图像中，每个像素通常为8位；在真图像（RGB方式）中，每个图像为24比特，其中RGB三色各位8位，每一位的取值为0或1。把整个图像分解为8个位平面，从LSB（最低有效位0）到MSB（最高有效位7）。1、最低有效位方法（LSB）算法流程图从位平面的分布来看，随着位平面从低位到高位（即从位平面0到位平面7），位平面图像的特征逐渐变得复杂，细节不断增加。到了比较低的位平面时，单纯从一幅位平面上已经逐渐不能看出测试图像的信息了，由于低位所代表的能量很少，改变低位对图像的质量没有太大的影响，LSB方法正是利用这一点在图像低位隐藏入水印信息。COPYRIGHTCOPYRIGHTCOPYRIGHT水印信息加载秘密信息后的水印图像LSB算法分析•由于LSB位平面携带着水印，因此在嵌入水印图像没有产生失真的情况下，水印的恢复简单，只需要提取含水印图像的LSB位平面即可，而且这种方法四盲水印算法，但是LSB法最大的缺陷是对信号处理和恶意攻击的稳健性很差，对含水印图像进行简单的滤波、加躁等处理后，就无法进行水印的正确提取，通过实验可以看出，LSB算法对于滤波操作和部分几何攻击的抵抗性不是很好，水印图像不很清晰，尽管如此，由于LSB方法实现简单，隐藏量比较大，以LSB思想为原型，产生了一些变形的LSB方法，目前互联网上公布的图像隐藏软件大多使用这种方法。•空间域中加入水印的算法只能嵌入少量的数据，并且大部分算法引入的都是类似高频噪声的水印，很容易经过低通滤波，重新量化或有损压缩等操作后去除水印。•在图像的频率域中嵌入水印，可以提高水印的鲁棒性。•频率域水印算法首先利用离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）和离散傅里叶变换（DFT）等方法将数字图像的空间域数据变换为相应的频率域系数；最后将数字图像的频率域系数经相应的逆变换转化为空间域系数。频域方法•图像水印嵌入过程：（1）将原始载体图像按8*8大小进行分块，进行DCT变换；（2）选择n个方差值大的子块。为了实现在载体图像中嵌入水印后的不可感知性，应该将水引信息尽可能地嵌入到图像中纹理较复杂的子块。将图像子块的方差值作为衡量子块纹理的复杂程度。方差的大小反映了图像子块的平滑程度。当方差较小时，认为图像子块比较均匀；反之则认为图像子块包含着较为复杂的纹理或边缘。2、离散余弦变换(DCT)（3）选择水印信息的嵌入位置。人眼对位于低频部分的噪声相对敏感，为了使水印不易被察觉，应将水印信息嵌入到较高频率的DCT系数中；但将水印信息嵌入到DCT高频系数中，又会因量化、低通滤波等处理二丢失信息，影响水印的鲁棒性。因此采用折中的方法，将水印信息嵌入到载体图像的DCT中频系数中。（4）嵌入水印信息并进行分块DCT逆变换。确定合适的DCT中频系数位置后嵌入水印信息，通过子块的DCT逆变换生成含水印的图像。3基于DWT域数字图像水印算法小波变换通过平移和伸缩参数对信号的不同频率分量采用不同持续时间的窗函数来分析信号，从而实现信号不同频率分量有不同的时／频分辨率。能使我们在一个