脆弱数字水印技术概述

余朔望

【摘要】计算机网络的开放共享使得盗版越来越容易，人们重视版权保护的意识越来越强，数字水印技术作为保护版权的有力工具也融入了到人们的生活中。本文首先介绍了脆弱数字水印的发展背景和基本概念，接着分析并描述了脆弱数字水印独有的特性。最后从多媒体内容认证的角度出发，分析了现有脆弱数字水印方案以及技术路线的优缺点。

【关键词】脆弱数字水印；认证：算法

【中图分类号】TP309.7 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0204-02

一、脆弱数字水印的产生

随着计算机网络和多媒体信息处理技术的迅速发展，使得图像、视频和音频等各种形式的多媒体数字作品的制作、编辑、复制和传输变得极其便利。然而，新技术必然会带来一些新的问题，例如，软件产品的盗版、数字文档的非法拷贝、数字多媒体产品的版权保护等等；尤其，当数字多媒体作品被用于法庭、医学、新闻和商业用途时，需要确定其内容是否曾被修改、伪造或者特殊处理过，必须保证数字多媒体作品内容的真实性和完整性。在开放的网络环境下，人们对信息安全的要求越来越迫切，都希望能在信息传播的过程中对自己的秘密信息加以保护。数字水印技术作为版权保护和安全认证的有力工具诞生于90年代初，并且在数字多媒体产品中的应用需求日益增加，呈现出巨大的商业潜力。

数字水印作为信息隐藏技术研究领域的一个重要分支，是一种可以在开放的网络环境下，保护多媒体产品版权和认证来源及完整性的新型技术。数字水印技术通过将数字、序列号、文字和图像标记等版权信息嵌入到多媒体当中，在嵌入过程中对多媒体载体进行尽量小的修改，以达到最强的鲁棒性，当含有水印信息的多媒体受到攻击后仍然可以恢复或者检测出水印的存在，这也是实现多媒体产品版权保护的有效办法。数字水印技术的诞生为多媒体产品的信息安全问题注入了新的生机与活力。数字水印技术是一个多学科交叉的新兴研究领域，它涉及了信号处理、密码学、通信理论、数理统计理论、编码理论、数据压缩和人类视，听觉理论等多门学科。数字水印的提出是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，人们已经发现了数字水印技术更多更广的应用。

第一种应用于图像的水印技术是由Caronni等于1993年提出的“。后来，数字水印技术的应用范围逐渐扩展到其它数字媒体，如音频、视频等。数字水印技术的功能也逐渐由最基本的多媒体作品版权保护，发展到访问控制、票据防伪、多媒体数据篡改提示、隐蔽通信等更多的应用需求方面。与图像和视频数字水印相比，由于人类听觉系统HAS（Human Auditory System）比视觉系统HVS（Hman Visual System）具有更高的敏感度，对随机噪声相当敏感，使得可以嵌入的水印数据量非常有限，所以向音频信号当中嵌入水印信息时，对水印的隐蔽性有着更高的要求，水印的隐藏也显得更加困难，因此，国内外对音频数字水印的研究并不多见。而且通常情况下，由于多媒体传播环境的开放与复杂，多媒体编辑处理工具的广泛开发，使得多媒体数据总是会受到有意或者无意的攻击操作，于是，目前的研究大多集中于数字水印的鲁棒性设计，希望多媒体产品无论受到何种变形操作，都能从中提取出水印来，但是，对用于真实性和完整性保护的脆弱数字水印的研究却相对较少。

与一般的数字水印一样，脆弱数字水印也是在保证多媒体作品一定视觉或听觉质量的前提下，将序列、文档、或者图像作为水印信息，以人类不可感知的方式嵌入到多媒体作品当中。但是与鲁棒性数字水印不同的是，当嵌有脆弱数字水印的多媒体作品数据发生篡改时，通过对水印的检测或者提取，可以对多媒体载体的真实性和完整性进行鉴定，并且能够指出被篡改的位置，甚至是篡改的程度和篡改类型等等。介于鲁棒性水印和脆弱性水印之间的是半脆弱数字水印，它对恶意篡改非常敏感，同时又对一些常规的信号处理操作（如添加噪声、滤波、MP3压缩等）有一定的鲁棒性，主要用于选择认证，保护一般的多媒体数据内容。而对一些要求极其精确的数字媒体，如文档、医学图像、法律证据音频录音等，即使是非常轻微的修改都可能造成实质上完全不同的信息，脆弱数字水印正是针对这类应用而设计的，它能够准确地检测出对多媒体数据内容的任何修改并且能够对修改的部分进行精确定位。无论从理论角度还是应用角度来看，开展对脆弱性数字水印技术的研究，不但具有重要的学术意义，还有极为重要的经济意义。

二、脆弱数字水印的特点

脆弱数字水印技术就是在保证多媒体文件在一定听觉/视觉质量的前提下，将序列号、文字、图像标志等版权信息，以人类不可感知的方式，嵌入到多媒体文件的数据中。脆弱数字水印主要用于多媒体文件的内容及版权等关键信息的真实性鉴定，防止非法篡改和伪造，强调的是一种多媒体数据完整性和有效性的标注功能，以及对多媒体数据破坏和攻击的定位分析能力。因此，脆弱数字水印是一类对常见信号处理操作都比较敏感的水印，只要含有水印的多媒体文件稍作修改，嵌入其中的水印就能反映出多媒体文件发生的轻微变化，只有这样才能通过对水印信息的检测或提取来鉴定多媒体文件的真伪以及被篡改的情况。

用于多媒体作品完整性和真实性认证的脆弱数字水印，除了具有数字水印的基本特征如不可感知性、安全性以外，还必须具有对恶意篡改的敏感性和脆弱性。在实际应用中，一个实用的脆弱数字水印应该具备以下特征：

（1）良好的透明性。对多媒体文件来说就是不可感知性，嵌入水印后的多媒体文件要让人在视觉或听觉范围内，感觉不到任何变化，这样才能保证原始多媒体文件的使用价值，保证文件内容的真实性，因此在水印的不可感知性要求上，对脆弱性数字水印的要求比鲁棒性水印要更高些。

（2）盲检测认证。在完整性认证阶段不需要原始的多媒体文件，这对用于认证的脆弱数字水印来说是必须的，如果能确知原始的多媒体文件，就不存在真实性保护的问题了；另一方面，某些应用中根本就没有原始数据，比如询问证人的证词录音，为保证证词的真实性，需要在录音时自动嵌入水印，否则无法实现真实性的鉴别。

（3）良好的敏感性。要求多媒体文件中的脆弱水印能灵敏地被最普通的信号处理技术所改变。理论上，在检测端作完整性认证时，应该能够检测到所有影响多媒体文件质量的恶意篡改，即对恶意篡改的检测概率趋向于100%。

（4）防止“伪认证”攻击的能力。意思就是防止多媒体数据被篡改后仍能通过认证。对脆弱数字水印来说，不必强调其对恶意攻击的抵抗能力，因为对脆弱数字水印的攻击不是将水印信息除去或者使其不能被检测到，而是设法篡改多媒体的内容数据且不损坏水印信息，即使多媒体文件的内容发生了改变，但仍能通过认证。在图像应用中有例为证，Kundur基于小波的脆弱数字水印算法，当不采用“量化密钥”时，根据一个已嵌入脆弱水印的图像数据，可使任意一个与其相同尺寸的图像完全通过认证。音频应用中也存在这样的可能性。

（5）对篡改攻击部分进行定位。当含有水印信息的多媒体文件被恶意修改时，检测算法能指明文件内容被篡改的位置，这些信息可以用来推断篡改动机和篡改的严重程度。

如果在实际问题中有更高的要求，往往还需具备以下特征：

（6）对篡改的部分进行恢复。在篡改定位的基础之上，进一步恢复出多媒体文件被篡改前的真实内容，并且能够根据恢复的内容推断出篡改的方式以及篡改的类型，以提供篡改的证据。

（7）能与鲁棒性数字水印很好地共存。有时候单单依靠脆弱数字水印并不能同时满足多种用途，需要同时嵌入多个水印，不同的水印担负不同的使命，这样多媒体文件才能够更好地适应复杂多变的环境，满足不同应用场合的需求，同时实现多媒体文件版权保护和内容认证的功能。

三、脆弱数字水印算法概述

从1993年开始就有研究者从事脆弱数字水印算法的研究，初期的研究大多都是借用密码学的观点和方法，研究者常常使用密码学中的哈希（Hash）函数作为脆弱水印完整性认证的方法。Friedman利用密码学中的哈希函数，通过保存经过Hash后的图像数据，从而达到认证的目的，但是这样需要保存额外的认证数据——Hash值，并且认证得到的结果只有两种：“是”或“否”，并不能报告图像数据失真的具体位置。

Schneider和chang提出基于图像内容的方法，利用图像特征（如亮度直方图、DCT系数、边缘信息等），通过哈希函数得到用于认证的消息，因为图像本身的特征具有一定的稳定性，如果图像内容发生改变，则图像特征也会有所改变，这样可以保护图像数据中的每一个像素都不能改变。但是，它仍然需要保存额外的数据，不过提取图像特征的方法值得借鉴。

张和王在Yeung和PingWah的研究基础上提出了一种利用查找表和哈希函数的小波域脆弱水印算法。首先利用小波变换的时频特性，在图像的LL子带用查找表的方法嵌入一个标识水印，用于检测和定位篡改；再选取HL子带或LH子带的哈希值作为水印嵌入到HH子带中，用于抵抗各种伪认证攻击。该算法既提高了基于分块的脆弱水印算法的安全性，又保持了良好的局部修改检测性能。

李和侯提出了一种新的混沌脆弱数字水印算法，该算法利用混沌系统对初值的极端敏感性和块不相关水印技术，将图像DCT次高频系数和水印密钥合成为Logistic混沌映射的初值，从而生成水印，再将水印嵌入到图像DCT的高频系数中，利用图像DCT系数之间的关系，实现了水印的嵌入和盲检测。该算法计算简单，具有较高的峰值信噪比和良好的篡改定位能力。

脆弱数字水印技术在图像领域中的研究应用得到了很好的发展，随着多媒体介质类型的增加，音频、视频在网络上的应用需求逐渐增大，研究学者们逐渐将研究方向转向到音频领域，很多良好的算法也从图像领域移植到了音频领域。

Radhakfishnan和Memon根据听觉质量相似的两个音频之间的掩蔽曲线必定一样的原理，提出了一种基于特征的音频内容认证技术。首先计算音频掩蔽曲线的Hash值，然后采用已知的数据隐藏方法将Hash值作为水印信息嵌入到音频信号当中。检测时，将水印信息提取出来与之前计算的Hash值进行比较，计算其相关系数，再与事先设定的相关系数门限值进行比较，判断内容是否被篡改。检测算法可以将常规的音频信号处理与恶意篡改操作区分开来。

王等利用离散小波变换的多分辨率特性，提出了一种小波域脆弱音频水印算法，通过等概率随机量化音频信号不同子带的小波系数，并将视觉可辨别的有意义的二值图像作为水印嵌入其中，该算法对滤波、有损压缩、重采样等攻击具有很强的敏感性，通过比较提取出的水印和原始水印的归一化相关系数，可以很容易对音频信号是否被篡改做出结论。

全和张以改进的心理声学模型为基础，提出了一种小波包域的脆弱音频水印算法。该算法将改进后的心理声学模型用于比小波域灵活性更大的小波包域中，首先根据子带掩蔽阈值，水印嵌入和提取端要求的计算复杂度，自适应地选择最好小波包基函数，对音频信号进行接近于临界频带的分解，然后采用量化小波包系数的方法自适应地嵌入二值图像水印信号。检测算法不仅能够认证音频的完整性，而且能够在时域和频域中定位被篡改区域，可用于衡量法庭证据及新闻广播等的可信度。

袁等提出了一种音频内容认证系统。该算法通过计算音频帧之间的相似性，得到基于音频特征的位置序列，将其置乱和调制后，嵌入到原始音频的离散小波域中。采用相关检测来实现对音频内容的认证，并通过提取出的位置序列，找到被篡改帧的最相似帧，进行篡改内容的近似恢复。该算法在抵抗中等强度的MP3压缩、上下行采样等保持内容的音频信号处理的同时，能够检测出篡改、剪切等恶意攻击操作，能够对篡改位置进行精确定位对被篡改的音频片段进行近似恢复。

冯等利用音频特征生成数字水印，提出了一种用于音频内容认证与恢复的数字水印算法。该算法将音频分段后的每段主要DCT系数及其位置信息作为主要特征，经过量化和加密生成水印，再将水印嵌入到另一个音频段的最低比特位中。该算法不仅能检测和定位对音频内容的篡改，而且能够对篡改的音频段进行近似的恢复，保持较好的复原质量。

四、总结

正是因为脆弱数字水印对修改的敏感性，它常常被应用在对完整性要求很高的领域中，用于多媒体文件的内容认证，有时，脆弱数字水印也被称之为数字认证水印。

目前，脆弱数字水印已广泛应用于电子政务、电子商务、国家安全、科学研究、法律案件、新闻图片、医学图像、工程设计等领域，人们对脆弱数字水印技术的认知度也在逐渐提高，越来越多的脆弱水印应用将更快地被挖掘出来。脆弱数字水印由最初的仅仅判断多媒体作品是否被篡改，到现在对多媒体作品被篡改位置的定位，可见人们对真实性和完整性认证的要求正在逐渐提高，这也推动着脆弱数字水印算法的不断改进与创新。脆弱数字水印技术是一个多学科交叉的新兴研究领域，必须与密码学、多媒体技术、通信理论、编码理论、心理声学、信号处理、模式识别等多个学科有效结合，才能产生新的思路并实现可实际应用的脆弱数字水印系统。