浅谈数字水印技术

2009-08-25吕慧

新媒体研究 2009年15期

关键词：数字水印鲁棒性算法

吕　慧

[摘要]基于目前世界上对于数字产品版权保护的迫切需求,从特征、典型算法等方面阐述解决这一问题的热门研究方向数字水印技术。

[关键词]数字水印算法

中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810120-01

一、引言

随着信息化技术和计算机网络的迅猛发展,形式多样的数字产品(如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三

维动画)已经和人类生活相融合。与传统方式相比,数字技术的应用和网络传播形式在数字产品的创作和传播显示出突出特点,它使得产品数据的复制变得十分简单,数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证问题变得日益突出,数字水印技术应运而生。

数字水印技术是通过一定的算法将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体(如图像、音频、视频数据、电子文档等)并隐藏其中,但不影响原载体的使用价值,也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到,只有通过专用的检测仪器或阅读器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等,可用来识别数字产品的所有权。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。数字水印技术是多媒体信息安全研究领域的热点,也是信息隐藏技术的一个重要研究方向。

二、数字水印的系统模型

一般数字水印的通用模型包括嵌入和检测或提取两个阶段。如图1所示的水印嵌入过程,实现了将水印W嵌入多媒体作品I中。如图2所示数字水印的检测或提取阶段,本阶段主要是设计一个嵌入过程的检测算法,检测的结果或是原水印,或是基于统计原理的检验结果以判断水印存在与否。同时目前大多数水印制作方案都在嵌入、提取时采用了密钥,主要是为了降低被攻击者任意增加或删除水印的风险,增强数字水印的安全性。

三、数字水印系统的特征

为了达到数字水印的应用目的,水印本身必须满足一定的性能指标,其中主要的特征有:

1.透明性:或称隐蔽性、不可感知性等,指利用人类视觉系统或人类听觉系统的特性,经过一系列隐藏处理,嵌入的数字水印不应使得原始数据发生可感知的改变,也不能使得被保护数据在质量上发生可以感觉到的失真。

2.鲁棒性:或称稳健性、免疫性等,指嵌入水印的数字作品在经历多种有意或无意的信号处理或攻击后,嵌入的水印信息应保持一定的完整性,并能以一定的正确概率被检测到。

3.安全性:数字水印有较强的抗攻击能力,它必须能够承受一定程度的人为攻击,而使隐藏信息不会被破坏。数字水印应该难以被伪造或者被加工,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的存在。

4.不可检测性:指隐藏载体与原始载体具有一致的特性,使非法拦截者无法判断是否有隐藏信息。

5.确定性:数字水印所携带的信息能够为数字作品的版权所属提供唯一可靠的、带有法律效力的证据,并可在需要的时候将这些信息提取出来。

6.信息容量:水印信息传递的信息量必须足以唯一的标识数字作品的版权归属,同时传递的信息量不允许破坏作品的保真度。

四、数字水印的典型算法

1.最低有效位算法(LSB):该算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位(least significant bits)上,这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像的LSB位,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。LSB算法是一种典型的空间域数据隐藏算法。

2.Patchwork算法:这是Bander等人提出的一种通过改变图像数据的统计特性将信息嵌入到像素的亮度值中的数据水印嵌入方案。Patchwork任意选择N对图像点,在增加一点亮度的同时,相应降低另一点的亮度值,从而保持整个图像的平均亮度不变。通过这一调整过程完成水印的嵌入。该算法具有不易察觉性.并且对于有损压缩编码(JPEG)和一些恶意攻击处理具有抵抗力,但该方法嵌入的信息量有限。

3.NEC算法:首先以密钥为种子来产生伪随机序列,其次对图像做DCT变换,最后用伪随机高斯序列来调制(叠加)该图像除直流(DC)分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。

4.压缩域算法:基于JPEG、MPEG标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重新编码过程,而且在数字电视广播及VOD(Video on Demand)中有很大的实用价值。

5.生理模型算法:人的生理模型包括人类视觉系统HVS和人类听觉系统HAS。该模型不仅被多媒体数据压缩系统所利用,同样可以供数字水印系统所利用。

五、应用领域

数字水印的应用主要包括以下几个方面:

1.版权保护:版权保护是数字水印最重要的应用。其作用在于在数字作品中嵌入描述作品版权的信息,当出现版权纷争时,可以通过提取水印信息的方式来证明数字作品的所有权归属。

2.认证与篡改检测:要验证数字产品未被篡改或假冒。可在多媒体数据中嵌入脆弱水印,只要作品有所篡改,嵌入的水印就会丢失。

3.隐藏信息:数字水印可用于隐藏数字产品的标签、注释和检索信息等内容,可在医学、制图、多媒体索引和基于内容的检索等领域得到应用。

六、结束语

近年来,数字水印技术蓬勃发展,各类水印算法层出不穷。而数字水印技术作为一种数据认证和版权保护的手段,必然会受到各种形式的攻击,因此鲁棒性是水印系统的一项基本要求,也是今后数字水印技术的主要研究方向。

参考文献:

[1]魏娜,数字水印的关键技术,福建电脑,2008,(8):56-57.