数码时代关键技术：数字水印

2003-04-28 13:12　　陈运迪/(ChinaByte)
计算机和网络的广泛应用，大大地方便了人们获取信息和交流信息。由于数字化信息以多种形式在网络上迅速便捷地传输，政府、企业及个人都逐渐把网络作为主要的通信手段，大量重要文件和个人信息以数字化形式存储和传输，电子商务则通过网络为我们提供了各种服务，网络与信息安全问题变得越来越重要。

　　传统的信息加密方法可以加密文本信息，保证其传输的安全，但如果要对图像、视频和声音等多媒体信息进行加密，则基于密码学的传统加密方法就比较困难了，随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不可靠。特别是随着网络多媒体技术的发展，信息已经不仅仅局限于文本，许多信息是图形图象和视频格式，需要认证和版权保护的声像数据也越来越多。此外，在军事领域，人们可能需要将一幅作战地图隐藏在一幅艺术作品中。这些应用需求正是数字水印技术要解决的问题。

　　数字水印技术近几年才发展起来信息隐藏学的一个分支。随着国内信息化程度的提高和电子商务逐渐走向实用，数字水印技术将会拥有更加广阔的应用前景，本文简要介绍数字水印的概念、主要的应用领域和核心技术。
 
　　一、数字水印的概念和基本原理

　　数字水印（Digital Watermark）技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检测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，可用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权。与加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、真伪鉴别和非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。

　　嵌入数字多媒体作品中的数字水印须具有以下特性：不可见性或隐蔽性  不易被察觉，不会引起原来数字作品明显的图像质量下降，即看不到数字水印的存在。

　　鲁棒性 即当被保护的信息经过某种改动后，比如在传输、压缩、滤波，图像的几何变换如平移、伸缩、旋转、剪裁等处理下，数字水印不容易被破坏。安全性 加入水印和检测水印的方法对没有授权的第三方是保密的而且不可轻易被破解，即使被黑客检测到了也不能读出（数字水印需要加密）。

　　在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际这两个指标往往不能同时实现，但是实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信,数据量显然是最重要的,由于通信方式极为隐蔽,遭遇敌方篡改攻击的可能性很小,因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说,情况恰恰相反,各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险,所以鲁棒性是十分重要的,此时,隐藏数据量的要求居于次要地位。

　　一般数字水印的通用模型包括嵌入和检测、提取两个阶段。数字水印的生成阶段，嵌入算法的嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中。检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印（如字符串或图标等），或是基于统计原理的检验结果以判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。为了给攻击者增加去除水印的不可预测的难度，目前大多数水印制作方案都在加入、提取时采用了密钥，只有掌握密钥的人才能读出水印。

　　二、数字水印的起源

　　信息隐藏，也称为信息伪装（Steganography），该单词来源于古希腊，意思是将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在，就是将秘密信息秘密地隐藏于另一非机密的文件内容之中。密码学是研究如何保护消息内容的，而伪装术是专门研究如何隐藏它们的存在性。

　　数字水印技术的基本思想源于古代的伪装术（密写术）。古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热木板，融化石蜡后就可以看到密信。使用最广泛的密写方法恐怕要算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。大约700年前，在手工造纸技术中出现了纸张上的水印。
　　可以说，人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。但与密码技术相比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，其中的主要原因是密写术缺乏必要的理论基础。

　　然而今天的数字化技术的发展为古老的密写术注入了新的活力，在研究数字水印的过程中，研究者大量借鉴了信息伪装的思想。尤其是近年来信息隐藏技术理论框架研究的兴起，更给密写术成为一门严谨的科学带来了希望。

　　三、 数字水印的分类

　　数字水印技术从不同的角度有下面的一些划分方法。

　　1. 按特性划分

　　按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。

　　2. 按水印所附载的媒体划分

　　按水印所附载的媒体，数字水印分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。

　　3. 按检测过程划分

　　按水印的检测过程将数字水印分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥,不需要原始数据。一般明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前数字水印大多数是盲水印。

　　4. 按内容划分

　　按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标）或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印如由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。

　　5. 按用途划分

　　不同的应用需求造就了不同的水印技术。关于这一点在本文的后面有介绍。

　　6. 按水印隐藏的位置划分

　　按数字水印的隐藏位置划分为时域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在DCT变换域、时/频变换域和小波变换域上隐藏水印。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。实际上只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。

　　四、数字水印的应用领域

　　以下几个引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景和应用领域。

　　1. 数字作品的知识产权保护　

　　版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印由于数字作品的拷贝、修改非常容易,而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。数字作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布其水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。

　　目前用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶，IBM公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop软件中集成了Digimarc公司的数字水印插件。

　　2．商务交易中的票据防伪

　　随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。

　　据报道，美国、日本以及荷兰都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，已经开始研究在彩色打印机、复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判断水印的有无，快速辨识真伪。

　　此外在电子商务中会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。

　　3．标题与注释　

　　即将作品的标题、注释等内容（如照片的拍摄时间和地点等）以水印形式嵌入到作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。

　　4．篡改提示　

　　由于现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到移花接木而不为人知，基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。为实现该目的，通常可将原始图象分成多个独立块，再将每个块加入不同的水印。

　　同时可通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原始数据。

　　5．使用控制　

　　这种应用的一个典型的例子是DVD防拷贝系统，即将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性。从而保护制造商的商业利益。

　　6. 隐蔽通信及其对抗

　　数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，可以实现网络情报战的革命。网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。由于经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种信息隐藏，从而实现隐蔽通信。

　　五、数字水印技术的研究现状和发展前景

　　我国学术界对数字水印技术的研究也方兴未艾，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来，有的已经取得了重要研究成果。信息隐藏及数字水印技术作为一个前沿研究领域，它与信息安全、信息隐藏、数据加密等均有密切的关系。特别是在网络技术和应用迅速发展的今天，数字水印技术的研究更具现实意义。

　　数字水印研究特别要面向Internet上广为使用的各种数据文件,包括JPEG压缩图像、MPEG2压缩视频、WAV、MIDI、MP3音频文件、AVI及三维动画文件、PS和PDF标准文本、voice-mail或video-mail等多媒体邮件格式。

　　古老的密写术衍生出来的数字水印技术，在信息时代一定会在信息安全方面得到广泛的应用。