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關鍵詞:數字水印;系統模型;應用領域;數字水印算法

中國分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)35-10052-02

Discussion on the Digital Watermark Technology

ZHOU Liang

(Science and Technology Department, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China)

Abstract: The digital watermark technology is the important method for the copyright protection. It has widespread application prospect in the multitudinous domains, including copyright protection, content authentication, duplication control, quality monitor, broadcast monitoring and so on. This article mainly introduces the concept, model and characteristic of the digital watermark and so on. It is a new kind of recent information camouflage technology and it is also the effective methods for solving the problems of copyright protection caused by the digital products.

Key words: digital watermark; system model; domain of application; digital watermark algorithm

近年來,隨著計算機網絡技術的飛速發展,人們獲取信息和交流信息變得越來越方便。但是網絡在給人們帶來便利的同時也暴露了嚴重的安全問題:作品侵權更加容易,篡改也更加方便。現有的版權保護系統多采用密碼認證技術(例如DVD光盤的安全密碼),但僅采用密碼并不能完全解決版權保護問題。

于是數字水印技術應運而生,數字水印技術是保障信息安全的一種普遍有效的技術手段。這些年來,數字水印技術得到了全世界學術界和商界的認可。國際上有許多機構紛紛開展對數字水印技術的研究。因此,數字水印技術成為當今網絡信息安全和數字媒體版權保護研究的熱點。

1 數字水印技術的概念和系統模型

1.1 數字水印技術的概念

數字水印技術(Digital watermarking)是往多媒體數據(如圖像、聲音、視頻等信號)中添加某些數字信息(水印)而不影響原數據的視聽效果,并且這些數字信息可以部分或全部從混合數據中恢復出來,以達到版權保護等作用。

1.2 數字水印技術的系統模型

數字水印的通用模型包括水印嵌入、水印檢測或提取兩方面。如圖1所示的水印嵌入過程是將水印嵌入到作品中。圖2所示為一般水印檢測系統。輸入端為加入水印的作品、密鑰以及原始作品或原始水印。輸出端則輸出恢復的水印或檢測恢復水印與原始水印相似程度的結果。

2 數字水印的特性

嵌入數字多媒體中的信息必須具有以下基本特性才可以稱得上是數字水印。

1) 不可感知性:指向數字作品中嵌入的數字水印,是利用人類視覺或聽覺系統的特征,經過一系列隱藏處理,嵌入的數字水印不會使得原始數據發生可感知的改變,也不能使得被嵌入的水印引起人的感知。

2) 安全性:數字水印中的信息應該是安全的,難以被偽造。數字水印系統使用一個或多個密鑰來確保安全,防止修改和擦除水印。信息被隱藏在多媒體內容中,并不因文件格式轉換而丟失,且未經授權者不能檢測出水印。

3) 魯棒性:魯棒性也叫穩健性,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。

4) 可證明性:數字水印技術能為受版權保護的信息產品的歸屬者提供完全可靠的證據。數字水印可以使已經注冊用戶的號碼、產品標志或者有意義的文字等嵌入到被保護的對象中,在需要時候可以將其提取出來,判斷數據是否收到保護,并能夠監視被保護數據的傳播以及非法復制,進行真偽鑒別等。這實際上也是發展水印技術的基本動力。

5) 不可檢測性:指嵌入水印后的數據與原始載體數據具有一致的特性。使非法攔截者無法判斷是否有隱藏信息。

6) 無歧義性:恢復出的水印或水印判決的結果能夠為作品的所有者提供唯一可靠的法力依據,不會發生多重所有權的糾紛。

3 數字水印的典型算法

近年來,數字水印技術研究取得了很大的進步,人們提出了許多有效算法。

1) 最低有效位方法(Least Significant Bit):此算法首先把二維水印信號按象素點逐一插入到原始圖像象素值的最低有效位(LSB),所以這種算法也被稱為LSB算法。由于水印信號被安排在了最低位上,它是不可見的,但是基于同樣的原因,它可以輕易地被移去,因此也是不穩健的。

2) Patchwork算法:此算法是一種基于統計的數字水印嵌入方法。在Patchwork算法中,一個密鑰用來初始化一個偽隨機數發生器,而這個偽隨機數發生器將產生載體中放置水印的位置。該算法首先隨機選取N對象素點,然后通過增加象素對中一個點的亮度值,而相應降低另一個點的亮度值的調整來隱藏信息。

3) 壓縮域算法:基于JPEG、JPEG2000、MPEG-2、MPEG-4標準的壓縮域數字水印系統不僅節省了大量的完全解碼和重新編碼過程,而且在數字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的實用價值。相應地,水印檢測與提取也可直接在壓縮域數據中進行。

4) NEC算法:該算法由NEC實驗室的COX等人提出,該算法在數字水印算法中占有重要地位,其實現方法是,首先以密鑰為種子來產生偽隨機序列,其次對圖像做DCT變換,最后用偽隨機高斯序列來調制(疊加)該圖像除直流(DC)分量外的1000個最大的DCT系數。該算法具有較強的魯棒性、安全性、透明性等。

5) 生理模型算法:這種算法主要是利用視覺模型與其它算法相結合,還有基于JPEG、MPEG標準的壓縮域算法,不僅節省了大量的完全解碼和重新編碼過程,而且在數字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的使用價值,不足之處是該算法人工實驗花費高。

4 數字水印的主要應用領域

1) 版權保護:計算機技術的發展使得數字產品的拷貝非常容易,數字產品的版權保護是當前的熱點問題。數字作品包括數字圖像、圖形、音樂、視頻、計算機軟件等。數字作品的所有者可用密鑰產生一個水印,并將其嵌入原始數據,然后公開他的水印版本作品。

2) 隱藏標識和安全通信:數字水印用于隱藏標識時,水印本身攜帶標識信息,可在醫學、制圖、數字成像、數字圖像監控、多媒體索引和基于內容的檢索等領域得到應用。數字水印的安全不可見通信將在國防和情報部門得到廣泛的應用。

3) 篡改提示:當數字作品被用于法庭、醫學、新聞及商業時,常需要確定它們的內容是否被篡改、什么位置被篡改、篡改的強度如何、以及如何修復等。通常采用脆弱的水印來標定篡改的位置或強度,這樣的水印必須是全局的,并且對一個地方的破壞不影響其他地方水印的提取。

4) 使用控制:在數字產品的商業體系中,大家都希望有一種拷貝保護體制,可以用水印保護來約束數據的拷貝。例如一個帶有防拷貝功能的移動存儲器,不能拷貝帶有表示“禁止拷貝”涵義的水印的數字產品。

5 結束語

數字水印正處在蓬勃發展的過程中,掌握其發展方向對研究數字水印技術有著重要的意義,今后數字水印的技術研究將側重于提高數字水印算法的穩健性、安全性、研究其在實際網絡中的應用及作用。在信息化時代的今天,數字水印技術的研究具有重要的意義,數字水印技術將對保護各種形式的數字產品起到重要的作用。

參考文獻:

[1] 鄧英.數字水印算法分析[J].軟件導刊,2008(4):61-64.

[2] 武兵.數字水印技術淺析[J].中國科技信息,2006(11).

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關鍵詞：圖像水印；幾何攻擊；圖像分割

中圖分類號：TP301.6文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)28-6971-03

Research of Digital Watermarking Algorithm Technology

QIU Jing,XU De-zhi

(School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Digital image watermarking the research has made a lot of progress, but it is still difficult to resist geometric attacks, Based on rotation invariant and image normalization put forward a new kind of rotation and zooming constant image watermarking algorithm is proposed, the paper on some corresponding algorithm.

Key words: image watermarking; geometric attack; image segmentation

1 緒論

隨著計算機和通信技術的發展，傳統的媒體內容已經轉向數字化存儲和傳播，并且數字化的媒體信息已經占據了電子商務市場的巨大份額，學者們嘗試通過加密和數字簽名技術來解決數字媒體內容存在的信息安全問題。數字水印技術的發展已經超過10多年的歷史，并且取得了很大進展，但它尚未成為數字內容安全系統，越來越多的攻擊有效部位數字水印技術仍然面臨的問題。當前數字水印算法抵抗水印幾何攻擊的效果差，構成了難以衡量的威脅，極大地影響了數字水印技術的發展。

2 數字水印的研究現狀

數字水印是一種信息隱藏技術，一般來說，它需要正確插入嵌入式數字化改造產品，通常轉化為數字水印秘密信息。目前，數字水印算法已經變得更豐富和更成熟。數字水印包括圖像處理，多媒體技術，模式識別，密碼學，信息和通信等學科領域，需要綜合利用這些不同領域的算法、思想和觀點。隨著數字水印在許多領域中具有巨大的潛在應用市場，一些著名的實驗室、科研機構和企業都投入了大量的人力物力進行水印技術的研究與開發。如美國的麻省工學院、英國劍橋大學、哥倫比亞大學的ADVENT實驗室、日內瓦大學的數字水印研究組、德國國家信息技術研究所、美國NEC研究所、日本NTT信息與通信系研究中心、普林斯頓大學等等在數字水印領域都有較成功的研究。

3 數字水印的應用領域

數字水印的主要應用之一是版權保護，由主要生產數字水印作品擁有者，并嵌入原始數據，然后添加一個水印出版作品。當該作品被盜版或者出現版權糾紛時，水印的提取和認證能夠證明加水印作品的版權；其次數字水印技術可以對識別信息進行編碼，從而替代動態監控技術。它利用自身嵌入在內容之中的特點，無需利用廣播信號的某些特殊片段，因而能夠完全兼容于所安裝的模擬或數字的廣播基礎設備；其他的應用領域還有對所有者鑒別、所有權驗證、操作跟蹤、內容認證、拷貝控制。

4 數字水印算法研究

4.1 數字水印算法思想

本文提出了一種水印算法思想，首先，原始或者加水印的圖像被分割成一些同質的區域，并提取出特征點。然后，定義圓形區域的水印嵌入和提取。基于圖像歸一化和方向分配，旋轉、縮放和平移不變的區域可以被用于水印的嵌入和提取。分割后的圖像采用混合廣義高斯分布建模，將這個模型作為對水印處理過程的各方面進行數學分析的基礎，比如發生錯誤的概率和嵌入強度的調節。其流程如圖1所示。

4.2 水印嵌入算法

基于以上思想，首先，使用Harris和Laplace探測器提取主體圖像中穩定的特征點；然后，根據特征尺度理論自適應地確定局部特征區域，并使用圖像歸一化技術進行歸一化處理；最后，根據預矯正補償理論，通過比較DFT的中頻數值，將一些數字水印嵌入到不重疊的歸一化的局部特征區域。

水印嵌入算法可以分為一下幾個步驟：

1） 通過密鑰K1產生一個隨機序列（數字水印），L是序列的長度，序列的數值屬于集合{0,1}。

2） 將Harris-Laplace探測器應用于主體圖像，得到一個特征點的集合，作為局部特征區域的中心參考。

3） 對一組局部特征區域（圓形區域）進行重構。

4） 在每個特征區域進行零填充操作，將圓形區域映射到的尺寸的塊（是圓形區域的半徑）。然后，對每個尺寸的塊進行歸一化操作。

5） 將DFT變換應用于每個歸一化之后的塊，獲得DFT頻譜，振幅譜和相位譜。

選擇和修正水印嵌入過程中DFT參數數值的過程如下：

首先，在Fk中選擇半徑r1和rL（r1＜rL），在半徑r1和rL之間的環形區域覆蓋了DFT變換域中的中頻部分。令為在局部特征區域中圍繞零頻率部分的同心圓，這里。

然后，根據密鑰K2，在Fk的第一象限中隨機選擇DFT的中間系數。

最后，從第一個點開始，間隔90°選擇兩個點，定位在DFT平面的上半區域。嵌入1比特水印的過程如下：

a） 計算之間原來幅度的差異

b） 修正DFT的中頻數值：

如果水印的為1比特，且Δ大于α，則沒有變化，否則

如果Δ小于，則沒有變化，否則

這里和是舊數值，是在局部特征區域第i個同心圓上在和兩點上的新數值。α是水印強度。α值增大也會增加水印算法的魯棒性，但是α值較小時嵌入的水印才是不可見的。因此在魯棒性和透明性之間也存在一個平衡問題。

另外，為了在DFT頻譜修正之后產生一個實值圖像，在DFT下半平面上的對稱點也必須轉換為完全相同的數值。

通過重復上述步驟，可以將L比特的水印嵌入到環形區域中。最后，可以通過IDFT變換獲得水印歸一化塊。

6）在不同的歸一化塊和水印歸一化塊之間計算不同差異圖像塊。

7）在對差異圖像塊進行反向歸一化之后，在空間域增加原始塊，可以得到水印塊。然后通過在每個水印塊上進行零去除操作得到水印圓形區域。最后，用取代Ok。

通過在所有局部特征區域重復上述步驟（4）-（7）可以到水印圖像。

4.3 水印探測算法

探測過程使用特征點提取結果，接著使用自同步水印。在水印探測過程中，如果兩個嵌入的水印被探測到則說明水印存在。水印探測算法的步驟如下：

1） 原始水印是根據相同的密鑰K1產生的。

2） 將Harris-Laplace探測器應用于接受到的圖像，得到一系列特征點，可以作為局部特征區域的參考中心。

3） 重建一組局部特征區域。

4） 在每個局部特征區域上進行零填充操作，將圓形區域映射到的尺寸的塊（是圓形區域的半徑）。然后，對每個尺寸的塊進行歸一化操作。

5） 將DFT變換應用于每個歸一化之后的塊，獲得DFT頻譜，振幅譜。

和水印嵌入過程相似，第i個同心圓的DFT變換的中間系數是根據密鑰在第一個象限隨機選擇的，然后選擇兩個點）。提取的水印比特數由以下決定：

這里上選擇的系數值。

通過重復上述步驟，可以得到提取的水印。

6） 探測過程中有一定的誤報率。為了估計這個錯誤，比較提取的水印和原始的水印是十分必要的。對一個沒有水印的圖像，提取的比特數被假設為獨立隨即變量，如果提取的比特數和嵌入的相同則稱作成功提取，成功提取的概率為。假設。令r為在每個圓形區域成功提取的比特數，L為水印序列的大小。然后，基于伯努利試驗的假設，r是獨立于二項分布的隨機變量。如果一個圓形區域中提取的比特數大于一個閾值則說明存在水印。這個閾值為T。因此，圓形區域的誤報率就是r≥T的累計概率：

此外，至少有兩個圓形區域成功提取水印才可以確定一幅圖像中存在水印。在這種準則下，一幅圖像的誤報率為：

這里M是一幅圖像中所有圓形區域的數量。如果確定了，則可以計算出T。

如果至少兩個圓形區域成功提取水印，則說明提取成功，否則，提取失敗。

5 小結

近年來，在理論上取得了水印的快速發展，但在實踐中仍然有許多需要解決。將水印嵌入圖像的部分區域后，基于特征點的算法可以用于抵抗裁剪攻擊，與該技術結合可以抵抗更廣泛的幾何攻擊，具有較好的效果。

參考文獻：

[1] Wang J W,Gao X B,Zhong J J.A video watermarking based on 3-D complex wavelet[C].Proeeedings of IEEE International Conference on Image Processing,2007.

[2] Chao-Hung Lai,Jiunn-Lin Wu.Robust image watermarking against local geometric attacks using multiscale block matching method[J].Journal of Visual Communication and Image Representation,2009,20(6):377-388,

[3] Wei Lu,Fu-Lai Chung,Hongtao Lu,et al.Detecting fake images using watermarks and support vector machines[J].Computer Standards & Interfaces,2008,30(3): 132-136.

篇3

關鍵詞：數字水印；魯棒性；分形壓縮；IFS

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2012)36-8763-02

數字水印技術是數字產品版權保護的重要手段。通過將版權信息有效合理地嵌入到數字產品中，在版權認證時又能夠及時將其提取出來，從而有力地保證了數字產品的版權。分形壓縮[1]著眼于圖像的自相似性（或局部自相似性），以IFS(迭代函數系統)和拼貼定理為基礎，對原始圖像進行分形編碼，從而大大減少了表示圖像的信息量。該文將數字水印技術與分形壓縮技術緊密結合，使得水印的魯棒性得到了很好的提高。

1 數字水印技術

對于一個靜態圖像，對其原始信號的頻域空間（通過將原始信號進行頻域變換），運用某種算法加入一個水印信號，或在一個寬信道上傳送一個窄帶信號[2] ，都可以看成是數字水印技術的應用體現。

如果用X表示數字產品的集合、W表示水印信號的集合、K 表示水印密鑰、G表示水印信號生產算法、E表示水印信號加入算法、D表示水印信號檢測算法，整個水印處理系統可用一個六元體（X，W，K，G，E，D）來描述。各個部分之間的關系可以理解成：G 利用K和X生成W，E再將W加入到X中，待到需要時，用D從已加入水印信號的X中提取出W，進而對數字產品的版權進行認證。

2 分形壓縮技術

分形壓縮技術主要是通過分形圖像的自相似性（即圖像的局部與整體具有某種相似性），進而對原始圖像進行壓縮編碼與解碼的過程。通常可分為圖像分割、分割碼本、等距變換、編碼、參數量化、解碼六個子過程（如下）：

3 分形壓縮在數字水印中的應用

由于分形壓縮可將一幅圖像大幅壓縮，比如一個256*256像素的灰度圖像，需要65536B去存儲，而經過分形壓縮，僅需3954B存儲空間即可。在數字圖像中嵌入水印信號的時候，通過將原始水印信號分形壓縮后，再將水印信號的分形碼嵌入數字圖像中，而非像原來那樣嵌入水印原始信號，就可將水印信息成倍地嵌入。換句話說，原來數字圖像中只有一個水印信號，而現在卻有多個水印信號備份，即使有局部水印信號被篡改了，也可以通過其他備份信息來加以還原，因此水印的魯棒性大大提高。

參考文獻：

[1] 李水根,吳紀桃.分形與小波[M].北京:科學出版社,2002.

[2] 易開祥,石教英.一種自適應二維數字水印算法[C].中國第二次信息隱藏與數字水印學術論文,2000:108-112.

篇4

 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（Digital Watermark）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

篇5

關鍵詞：電力系統；數字水印；信息安全

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/ki.1672 3198.2016.22.090

1 引言

電力系統是指由發電、變電、輸電、配電和用電環節組成的電能的生產、傳輸、分配和消費同時進行的系統。隨著現代社會電力系統發展不斷進入信息化、多媒體技術的飛速發展以及計算機網絡技術的廣泛應用，我國的電力通信網應運而生。由于地區與地區的交易日益頻繁，電網需要將不同的地區聯系起來，保證電力系統的安全穩定運行。現如今，越來越多的電力企業采用自動化辦公，各種辦公文件在電力系統中傳輸過程中很有可能被非法盜取和篡改，會造成很嚴重的后果。為了解決多媒體在傳輸過程中的信息安全問題，數字水印技術被應用于電力系統中。

2 數字水印技術

2.1 數字水印定義

數字水印技術根據嵌入載體的類型劃分，可以分為圖像水印、文本水印、音頻水印以及視頻水印。數字水印技術是指利用數字載體中普遍存在的冗余數據與隨機性，在數據內容中根據一定的算法嵌入不明顯的記號，不會影響到原來數據的內容以及使用，這些記號通過有效的檢測方法可以被檢測到以及被提取出。

2.2 數字水印的特點

2.2.1 真實性

對于已嵌入水印的圖像，從視覺上來看和原始圖像是沒有差別的，也就是說，水印是不可見的，水印的加入不會影響到原始圖像的質量以及作用。

2.2.2 魯棒性

魯棒性是指圖像在、傳輸和使用的過程中遭受到了各種程度的攻擊后，嵌入的水印信息依然是存在的，并且能被以一定的正確率檢測出來。

2.2.3 安全性

安全性是指嵌入的算法具有很強的抵抗有意攻擊與無意攻擊的能力，隱藏的信息不會輕易地被破壞，水印信息可以順利被提取出來。

2.2.4 不可檢測性

不可檢測性是指原始的圖像與加入水印的圖像具有一些一致的特性，這樣非法攔截者在對數據進行攔截時候無法判斷其是否具有隱蔽的信息。

3 在電力系統中的應用

在電力系統中，各個發電廠、變電站、調度中心等時時刻刻都在進行重要的信息的發送、接受以及轉換，保護這些重要的信息在傳輸的過程中不發生差錯十分必要，否則很容易引起大范圍的停電事故或者一次系統震蕩事故等嚴重危害。數字水印技術可以解決信息傳輸過程中的安全問題，保證電力系統傳遞數據的安全與可靠。對于電力系統的信息保護，主要體現在以下幾個方面。

3.1 版權保護

在電力系統中，各個發電廠、變電站、調度中心產生的電信號都是非常重要的，一定要對它們進行保護，避免被非法盜用。對于電力系統中的重要文檔資料，也一定要對文件進行版權保護，避免被惡意篡改造成不可估量的損失。為此，一般選擇魯棒性強的水印算法，抵擋可能收到的攻擊，提高傳遞的可靠性。

3.2 隱蔽通信

電力系統中數據的傳輸的安全問題已經成了一個急需解決的問題。電力系統中一些電力設備的重要信息在傳輸的過程中需要保護其準確性以及安全性。例如若電價信息被競爭對手截獲并且惡意篡改，那么將對電廠的經濟效益造成重大的損失。通過數字水印技術，將電力系統中的重要信息進行隱藏處理，以便提高信息傳輸的可信度。

3.3 信息隱藏

電力設備的信息隱藏是指將電力系統中的重要信息作為水印信息嵌入到原有的數據中隱藏起來。通過水印檢測技術才可以查找到目標設備。

4 結論

隨著電力系統信息化不斷發展，文本、圖像、音頻、視頻文件成了電力系統中重要信息的傳播媒介。在傳輸過程中若出現差錯會嚴重影響電力系統的信息安全，數字水印技術具有很好的信息隱藏功能，將其運用在電力系統中，可以使得數據在傳遞過程中避免遭受各種各樣的破壞，可以在發送和接收端用戶之間建立可靠的信任關系，提高數據在傳送過程中的安全性以及準確性。隨著數字水印技術的不斷發展，該技術將會具有更加廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]聶曉波.基于H.264壓縮域的視頻水印算法研究[D].天津：河北工業大學，2014.

篇6

關鍵詞：數字水印技術；電子檔案；檔案保護

中圖分類號：G273 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2013）17-0243-02

電子檔案一般是指以文字、圖像、視頻等形式存在的具有保存價值的電子文件。電子檔案與紙質檔案和一般的電子文件相比較，其以磁盤、光盤等作為存儲介質，并通過數字網絡進行傳輸，這樣就容易被篡改、復制、偽造而不易發現，從而造成其原始性、真實性、完整性和保密性不同程度的破壞，為其信息根本性數據埋下安全隱患。這就要求在電子檔案的維護與應用方面必須采取相關安全技術。而數字水印是一種不同于密碼學的信息隱藏安全技術，主要應用于版權領域，起到和數字簽名相同的作用，即用于保護其內容的原始性、真實性和完整性。

一、電子檔案的弱點

電子檔案內容是以字節來表示和實現的，并通過比特形式產生和接收，其價值信息須借以數字讀取工具實現視覺和聽覺等感受，屬非實際的事物，這方面異于傳統的實體檔案。

相比于傳統類型的實體檔案而言，電子檔案有著自己的弱點：一是分離性。電子檔案的真實性表現為字節信息，而非其容易改變的格式或依附的媒體。在各種數字信息轉換中，電子檔案字節信息若未變化，其真實性表面看仍為真實的。如此看來，以傳統理念和方法來判斷電子檔案真實性就已經不相適應了。二是易復制性。被保護信息呈虛擬狀態的電子檔案，極易被修改、復制、粘貼和移動等，且一般不留任何痕跡，以致電子檔案原始性、真實性和完整性遭到破壞。三是流動性。電子檔案在數字平臺支持下，其保存和利用無局限性，可通過數字及信息技術在任意終端進行訪問、存取等，并為利用者提供有效服務。

二、數字水印技術及其分類

數字水印指采用信息處理的方法將隱蔽的數字信息嵌入在電子文件和電子檔案中的文字、圖像、符號、數字等標識性信息中，但隱蔽的數字信息一般是不可見的，只有借以專門的技術設備才能提取和檢測[1]。

數字水印技術在對電子檔案保護應用時，由于其本身的技術特點支持和處理，不會破壞電子檔案原始數據的實際使用價值。這種技術的類型從外在層面上可簡單地分為感知和不易感知兩種。感知型數字水印，是指可用肉眼看到水印，就像插入或覆蓋在圖像上的特殊標識，一般呈較淡或半透明狀，直觀性強，當所有權發生爭議時，可通過提取、檢測嵌入信息來證實法律權限歸屬[2]。不易感知型數字水印是指隱藏在數字產品數字信息中，就像加密技術，沒有特殊的密鑰就不能將其打開并讀取出有關水印信息，這種技術多用于音頻等電子檔案中[3]。

三、 數字水印技術實現電子檔案保護

（一）數字水印技術保護電子檔案原理

數字水印技術的原理是利用專門信息技術算法將一些標志性的信息數據嵌入到電子檔案關鍵位置中，其不會影響原電子檔案的真實內容及有效使用性，同時單從視覺效應上也不可覺察到嵌入數據信息的存在實際。需驗證時，可通過專業的讀取算法從電子檔案中提取嵌入的水印進行驗證。

（二）數字水印模型

數字水印的一般模型包括水印信息結構、水印加載和水印檢測三個部分。設A為需技術保護的原始電子檔案，W為數字水印信息，K為密鑰。處理后的水印記為W′，其可以通過函數F（·）實現：W′=F（A，W，K）。水印加載：設嵌入算法為E、原始電子檔案為A、水印為W′，那么加入了水印后的電子檔案AW可表示為：AW=E（A，W′）。水印提取（檢測）：設提取水印算法為D，那么輸出可以是0—1邏輯判斷，也可以是包含各種水印信息的水印數據流，如文本、圖像等。要驗證原始電子檔案A和有爭議的檔案圖像（通常加了水印）AW的一致性，只需計算：W″=D（AW，A，K），V（W，W″，K，ε）={1W 存在；0W不存在}。其中，W″為提取出的水印，K 為密鑰，函數V·為檢測算法，ε為判斷的閾值。

圖1 電子檔案中加載和檢測數字水印的過程

（三）數字水印技術對電子檔案保護實例分析

數字水印技術在電子檔案保護方面發揮著重要作用，扮演者重要角色。下面結合圖2以電子檔案重要內容之一電子印章為例分析。

圖2 數字水印技術在電子印章中的應用

從圖2中可看出，數字水印應用于電子印章的第三層中，通過編制好的代碼令水印嵌入電子印章中。通過檢測水印即可觀察到電子檔案的原始數據是否被篡改：數字水印被技術性嵌入后，會滲透至原始信息的不同空間中，任何變動即會破壞水印信息并能被發現，[4]從而體現數字防偽的有效性；通過水印完整性的提取也可驗證圖像數據是否完整：在圖像數據信息中嵌入完整的水印信息，檢測時提取該信息，而后與原始數據信息進行仔細對比，即可確定原始數據是否被修改過。

（四）數字水印處理后的電子檔案特點

通過對數字水印技術處理后的電子檔案的上述分析可以看出，它具有明顯的防篡改和防偽造功能、不可抵賴功能、身份認證功能等較多優勢。具體表現為以下特點。

1.安全性。通過技術性的專門算法嵌入在電子檔案信息數據中的數字水印數據由于其具有較強的隱蔽性能，一般情況下是難以被覺察的，更不易被擦除、篡改和偽造。同時，由于其具備較低的誤測率，數字水印會隨著原始數據信息的變化而改變，從而在一定技術手段支持下，我們就會很容易的檢測到原始數據變更與否。當然，數字水印同樣對重復添加有著一般技術所缺乏的較強的抵抗性能。

2.隱蔽性。數字水印信息被技術性嵌入到電子檔案中后是不可感知的，當然，被保護的電子檔案原始性數據信息也不會受到正常的有效使用和利用。雖然上文提到的易感知水印技術，如圖像水印等，在人的肉眼下是能被察覺和感知，但這種對水印信息的感知只是停留在對數據信息的表面而已，被嵌入的水印信息狀況如何，是否被篡改，肉眼仍是不可以確定的，換句話說，就是只有靠專業性的技術手段才可以把隱蔽的信息讀取出來。

3.魯棒性。作為電子檔案信息，不同于傳統的實體檔案，其利用的效率和方式顯而易見。這就要求電子檔案信息數據在傳輸、復制、粘貼、修改等多種形式的利用過程中，或者說不管經受任何形式的信號處理，電子檔案本身的原始信息數據也不會被破壞，仍保持其原始性、真實性、完整性等特性。而數字水印技術正是實現這一功能的關鍵性技術。

4.可證明性。數字水印數據信息被技術性嵌入到電子檔案當中，根據需要，可隨時提取和驗證，以判斷電子檔案有關存儲信息是否有效、真實和完整，甚至可以用特殊的技術手段來控制被保護電子檔案數據信息的傳播以及非法復制、粘貼、偽造等。

參考文獻：

篇7

關鍵詞：網絡信息安全；數字水印技術；數字水印算法

中圖分類號： TS872 文獻標識碼： A 文章編號：

1網絡信息安全概述

網絡信息安全是網絡安全的核心。從廣義上講,凡是涉及到網絡信息的保密性、完整性、可用性、真實性和可控性的相關技術和理論都是網絡信息安全的研究領域,其主要技術包括監控、掃描、檢測、加密、認證、防攻擊、防病毒審計以及數字水印技術等等。

2數字水印的定義和基本特征

數字水印是指嵌入在數字作品中的圖像、文字、符號、數字等標識性信息。它于1993年由Caronni最早提出,最初用于圖像中,之后研究人員將其逐漸擴展到聲音、視頻等其他數字媒體。數字水印一般具有以下幾個基本特征:

2.1不可感知性

數字水印的嵌入不會明顯干擾原始數據,不影響原始數據的正常使用,對信息接受者來說這一點變化是不易察覺的。

2.2隱蔽性與安全性

嵌入的數字水印通過統計的方法是不可能被發現的。同時,數字水印中的信息難以被篡改或偽造,只有合法用戶才能夠檢測、修改水印。

2.3魯棒性(robust)

嵌入數字水印后的原始數據在經歷一系列有意無意的數據處理(如: A/D和D/A轉換、重采樣、濾波、有失真壓縮、圖像旋轉、剪切、縮放、平移等)后出現失真時,水印仍能保持完整性和準確的可鑒別性;如果只知道部分數字水印信息而又試圖去除或破壞數字水印則會導致原始數據嚴重降質而不能被使用。數字水印的這一特征在版權保護方面具有重要作用。

3數字水印典型算法

3.1空域算法

(1) Schyndel算法:此算法首先把一個密鑰輸入一個m序列發生器來產生水印信號,然后排列成二維水印信號,按像素點逐一插入到原始圖像像素值的最低位。由于水印信號被安排在最低位上,它是不可見的;基于同樣的原因,它可以輕易地被移去,因此魯棒性較差。

(2)文本水印算法:文本數據的水印算法主要是通過輕微改變字符間距、行間距或是增加、刪除字符特征(如底紋線)等方法來嵌入水印。這些方法無法抵御攻擊,攻擊者通過把字符間距、行間距進行隨機化處理而破壞水印。

(3) Patchwork算法:該算法首先隨機選取N對像素眾,然后通過增加像素對中一個點的亮度值,而相應降低另一個點亮度值的方法來隱藏信息。

3.2頻域算法

(1)擴展頻譜通信技術。擴展頻譜通信(spread spectrum communication)技術原理為:先計算圖像的離散余弦變換(DCT),然后將水印疊加到DCT域中幅值最大的前L個系數上(不包括直流分量),通常為圖像的低頻分量。該方法即使當水印圖像經過一些通用的幾何變形和信號處理操作而產生比較明顯的變形后仍然能夠提取出一個可信賴的水印。

(2) NEC算法。NEC算法由NEC實驗室的Cox等人提出,在數字水印算法中占有重要地位。其工作原理是:首先由作者的標識碼和圖像的Hash值等組成密鑰,以該密鑰為種子來產生偽隨機序列,該序列具有高斯N (0, 1)分布;再對圖像作DCT變換,用該偽隨機高斯序列來調制(疊加)圖像除直流(DC)分量外的1000個最大的DCT系數。該算法具有較強的魯棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密鑰和不可逆的水印生成方法,因此可以有效防止IBM攻擊。

(3)生理模型算法。人的生理模型包括人類視覺系統HVS和人類聽覺系統HAS。利用生理模型的基本思想均是利用從視覺或聽覺模型導出JND (just noticeable difference)描述來確定在圖像或聲音的各個部分所能容忍的數字水印信號的最大強度,從而能夠避免破壞視覺或者聽覺的質量。也就是說,利用生理模型來確定與數據相關的調制掩模,然后再利用其來嵌入水印,這一方法同時具有好的透明性和魯棒性。

3.3網絡水印算法

尹康康等人針對計算機圖形學中常用的三角形網絡模型,提出了一種網格水印算法方案。這個方案與I-Guskov的多分辨網格處理工具箱集成,不需要建立額外的數據結構和進行額外的復雜計算,而是直接在網格低頻成分中嵌入水印,并且在利用網格處理工具箱進行網格處理時,可以較好地保留水印,所使用的網格重采樣算法簡單高效,使簡化網格和拓撲結構已改變的網格的水印槍測成為可能。

4數字水印技術的應用領域與前景展望

4.1用于數字產品的版權保護

目前,版權保護是數字水印技術的最為主要的應用。對于數字作品,原創者如果加上明顯可見的標志,不僅有損作品的質量,而且很容易被拷貝和篡改。數字水印則利用密鑰產生水印,嵌入原始數據,與原始數據合為一體,不可見或不可聽,對于作品外觀或質量沒有明顯的改變,而且不易被篡改。當團體或者個人侵犯作品的版權時,所有者可以從盜版作品和水印版作品中提取水印作為依據,有效捍衛自己的權益。IBM公司在其“數字圖書館”的軟件中就為用戶提供了數字水印的功能, Adobe公司也在Photoshop軟件中集成了Digimarc公司的數字水印插件,這些都是數字水印技術在版權保護領域里面的典型應用的例子。

4.2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,如遙感圖像的拍攝日期、經度、緯度等。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。

4.3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。

篇8

關鍵詞：電子印章；數字水印；數字簽名；PKI

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)28-6957-02

Electric Seal System Based on Digital Watermark

ZHANG Chen-cheng1, LI Liang1, ZHOU Na1, NING Zi-lan2(Communication author)

(1.Hunan Agricultural Uniyersity East Science and Technology Academy, Changsha 410128, China; 2.Hunan Agricultural Uniyersity College of Science, Changsha 410128, China)

Abstract: To meet the security requirements of digital doucuments, a electric seal system combing PKI, digital signature and digital watermark was propose. In order to avoid forgery problem used in the traditional seal the electric seal embedded with digital signature and digital watermark are brought forward, and it prevent the secret document from the illegal modification and the function of identity authentication and non-repudiation is realized.

Key words: electric seal; digital watermark; digital signature; PKI

隨著網絡和電子政務的發展，傳統手工印章和紙質文檔已經不能滿足現代網絡辦公的需要。由此一種新型的可行性解決方案――電子印章被提出來。這種新型印章具有可靠性、保密性、不可抵賴性、防篡改的特點。能夠實現網絡環境下各種組織和個人身份印章的不可復制性、真實性、合法性，保證信息傳輸過程中的保密性，數據的完整性和行為的不可否認性。電子印章使傳統手工方式與現代化信息手段相融合，真正實現電子印章的網絡化安全應用。

1 電子印章系統

從總體來講，電子印章系統可分為兩個模塊：印章制作模塊和印章管理模塊。印章制作模塊主要包括用戶信息的管理，印章圖像的制作等功能；印章管理模塊主要包括對文檔蓋章即對蓋章文檔的驗證等功能。系統總體框架如圖1。

印章和簽名都保存在Ukey（智能密碼鑰匙）中，蓋章需要提供Ukey并輸入正確的密碼。只有持有Ukey并能正確輸入密碼的人才可以對印章和蓋章后的文檔進行合法性驗證。

本系統結合PKI、數字簽名、數字水印等安全保障機制，可以具備以下特點：

1）安全性。系統使用數字簽名和數字水印實現對電子文檔和印章的保護，通過Ukey保證運算過程中的安全性，實現對印章的安全性保護。

2）穩定性。系統使用組件技術是蓋章程序完成嵌入文檔環境中，蓋章后的電子印章和文檔合為一體。

3）方便性。通過Ukey存放數字證書，密鑰，使用方便，便于攜帶。

4）直觀性。嵌入到文檔中的印章可以達到紙質蓋章同樣的效果。

2 關鍵技術

2.1 PKI

PKI（public Key Infranstructure），即公鑰基礎設施。PKI是一種基于公開密鑰理論和技術建立起來的安全體系，提供一個安全框架，主要是解決網絡中的信任問題。[1]PKI通過可信任第三方機構認證中心在統一的安全認證標準和規范基礎上提供身份認證，為網絡信息建立一個安全的運行環境。本系統用戶身份認證的憑證由CA發放數字證書。PKI的數字證書將使用者的身份及其公鑰信息綁定在一起，從而為使用者的身份提供權威保證。證書信息包括：證書版本號、證書序號、證書頒發者、有效起始時間、有效終止時間、證書主題信息。用戶將獲得的數字證書以及簽名用的密鑰存放在Ukey（智能密碼鑰匙）中。

2.2 數字簽名技術

數字簽名在ISO07498―2標準中定義為：“附加在數據單元上的一些數據，或是對數據單元所作的密碼變化，這種數據和變換允許數據單元的接受者用以確定數據單元來源和數據單元的完整性，并保護數據，防止被人進行偽造”。文檔的完整性和不可抵賴性由數字簽名來保證。系統將數字簽名后的蓋章文檔信息與印章信息制作成水印嵌入印章圖片中，同時對蓋章后的文檔進行加密，實現對蓋章后的文檔和印章的保護。本系統采用SHA―1單向散列函數對文檔進行數字簽名，該算法比MD5算法具有更好的抵抗窮舉攻擊。

2.3 數字水印技術

數字水印技術（Digital Watermarking）是信息隱藏學的一個分支。它通過一定的算法將一些標志性信息直接嵌入到信息載體中，但不影響原內容的價值和使用，并且不能被人的知覺系統察覺或注意到，只有通過專門的讀取手段才能提取。[2]

目前大多數水印制作方案都采用密碼學中的加密（包括公開密鑰、私有密鑰）體系來加強，在水印的嵌入、提取時采用一種密鑰，甚至幾種密鑰聯合使用，這樣即使信息的竊取者掌握了水印的提取方法也無法對水印進行篡改。由此可見將數字水印技術與密碼學結合起來是實現電子印章的很好一個途徑。

數字水印從不同的角度可以進行不同的分類。按水印的特性可以分為魯棒性數字水印和脆弱性數字水印兩類。魯棒性數字水印有很強的抗擾能力，且難以被去除，還能夠抵抗多種有意或偶然的攻擊或者失真，主要用于版權保護。而脆弱數字水印主要用于完整性保護，與魯棒性的要求相反，脆弱水印必須對信號的改動很敏感，這種水印被加到宿主中，是為了使所有對于宿主信息的變化和處理都反映到恢復出來的數字水印上。人們根據恢復出的脆弱水印的狀態就可以判斷數據是否被篡改過，并可以借此判斷一些攻擊的過程和屬性。按數字水印的隱藏位置，可以將其劃分為空域數字水印和頻率域數字水印。空域數字水印是直接在信號空間疊加水印信息，而頻率域數字水印是在變換域上隱藏水印。

一個可靠的電子印章系統必須保證電子印章的不可復制、不可刪除，簽章過程的不可抵賴及已簽文檔內容的真實性，為此我們在系統中采用脆弱性水印。我們將印章ID，有效期制作成脆弱性水印嵌入空間域內的最低有效位，這樣在檢測和提取水印時可以檢測出受損程度。水印嵌入過程如圖2所示。

在公文蓋章過程中，將文檔的數字簽名使用具有脆弱性的頻域算法嵌入印章中。用戶收到蓋章后的電子文檔，可以使用數字水印提取算法，驗證電子文檔和印章的合法性。

為驗證電子文檔的合法性，可以提取印章中的數字簽名水印，然后用印章持有者公鑰驗證數字簽名。若一致，表明電子文檔未被篡改。

若要驗證印章的真實性，可以從印章中提出水印，用印章制作者公鑰解密，將得到的數據與數據庫中保存的數據比較，驗證印章是否被修改。

3 結束語

電子印章系統采用Ukey，數字簽名，數字水印技術，PKI技術為電子文檔在網絡的安全傳輸提供保障。隨著信息化的發展，人們對信息安全的重視程度不斷提高，電子印章的應用一定會越來越廣泛。

參考文獻：

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篇9

關鍵詞：DCT；數字圖像水印；離散余弦；魯棒性

中圖分類號：TP309

1 數字水印技術研究的意義

由于科學技術的發展，很多的數字化產品易于加工，非法的復制和拷貝也比較容易，這樣嚴重損壞了數字產品的完整性以及數字產品作者的版權。為了解決這一問題，因而提出了數字水印技術。

數字水印技術，從1993年Caronni正式提出數字水印到現在，無論國內還是國外對數字水印的研究都引起了人們的關注。在國外方面，由于有大公司的介入和美國軍方及財政部的支持，雖然在數字水印方面的研究剛起步不久，但該技術研究的發展速度非常快。1998年以來，《IEEE圖像處理》、《IEEE會報》、《IEEE通信選題》、《IEEE消費電子學》等許多國際重要期刊都組織了數字水印的技術專刊或專題新聞報道，SPIE和IEEE的一些重要國際會議也開辟了相關的專題。IBM公司、日立公司、NEC公司、Pioneer電子公司和Sony公司等五家公司還宣布聯合研究基于信息隱藏的電子水印。國內方面，我國的數字水印技術，也已經取得了一定的研究成果，而且從學術領域的研究成果來看，我國的研究與世界水平相差的并不遠，并且有自己的獨特研究思路。

數字水印的主要用途可以分為以下幾類：（1）版權標識水印。數字水印將各種信息放在各種需要保護的數字產品中，即使經過噪聲干擾、濾波、剪切、壓縮、旋轉等攻擊，水印仍可以繼續存在。例如Adobe公司在其著名的PS軟件Corel Draw圖像處理軟件中集成了Digimarc公司的數字水印插件。（2）篡改提示水印。檢測數字產品是否被修改、偽造等的處理的過程。（3）隱蔽標識水印。在一些數字產品中，可以將數字水印嵌入作一些隱式注釋。（4）票據防偽水印。隨著現代各種先進輸出設備的發展，使得各種票據的偽造變得更加容易，數字水印技術可以增加偽造的難度。因此，研究數字技術非常有必要性。

2 基于DCT數字圖像水印技術的研究

2.1 數字水印的概念

數字水印技術是指用信號處理的方法在多媒體數據中嵌入某些能證明版權歸屬或跟蹤侵權行為的隱蔽的信息，這些信息通常是不可見的，不容易被人的知覺系統覺察或注意到，這些隱藏在多媒體內容中的信息只有通過專用的監測器或閱讀器才能提取。通過這些隱藏在多媒體內容中的信息，可以達到確認內容創建者，購買者或判斷內容是否真實完整的目的。水印系統所隱藏的信息總是與被保護的數字對象或它的所有者有關。

2.2 DCT數字圖像水印的基本理論

其中圖像二維DCT變換（M取8或16）有許多優點：

圖像信號經過變換后，變換系數幾乎不相關，經過反變換重構圖像信道誤差和量化誤差將像隨機噪聲一樣分散到塊中的各個像素中去，不會造成誤差累積，并且變換能將數據塊中的能量壓縮到為數不多的部分低頻系數中去（即DCT矩陣的左上角）。對于給定圖像f（m，n）存在兩種DCT變換方法：一種是把圖像f（m，n）看成一個二維矩陣直接對其進行DCT變換，然后嵌入水印，Cox[3]采用此種方法；另一種方法是與JPEG壓縮標準相統一，先把圖像分成8*8的不同小塊，再分別對每一塊進行DCT變換，進而嵌入水印，本文采用后一種方法嵌入水印。

一般數字水印應具有如下的特征：無論經過怎樣復雜的操作處理，通過水印算法仍能檢測到數字水印作品中的水印能力。即所謂的穩健性；通過水印算法，嵌入水印后不能最終導致圖像的質量在視覺上發生明顯變化，即視覺的不可感知性；通過數字水印算法能夠抵御非授權人的攻擊，同時檢測可以檢測到水印的概率，具有較高的安全性及有效性。

3 基于DCT的數字圖像水印算法系統的設計與實現

3.1 MATLAB軟件的介紹

MATLAB是目前最強大的編程工具之一，本文將利用MATLAB7.0軟件進行基于DCT的數字水印算法的系統的設計和實現。

MATLAB語言簡潔緊湊，庫函數豐富，程序書寫形式自由，運算符豐富，使用方便靈活。MATLAB具有結構化的面向對象編程的特性，可移植性好，且具有較強的圖形編輯界面和功能強大的工具箱。同時，MATLAB中的源程序具有開放性，可以通過對其的修改使其變成新的程序。不足之處是，MATLAB的程序執行速度較慢。利用MATLAB研究數字水印技術集成了DCT等函數，方便了研究人員編寫源程序，易實現。使用了MATLAB中很多的工具箱。

3.2 基于DCT的數字圖像水印算法系統的設計與實現

3.2.1 需求分析

離散余弦變換（Discrete Cosine Transform）簡稱DCT，基于DCT域的數字水印算法，可以分為兩大類，一類是直接對整幅圖像進行DCT整體計算，然后嵌入水印。另一類是先將整幅圖像分成塊，對每一塊分別進行DCT計算，最后再嵌入水印。由于分塊DCT計算速度比整體DCT計算速度快得多，因此目前DCT域的水印方法大多數是采用的分塊DCT方法。

基于DCT的數字圖像水印算法系統的設計與實現，可以提供用戶一個良好的交互手段，用戶可以利用本系統進行水印的嵌入、提取、攻擊等，本系統的可交互的，可視化的特點為用戶研究基于DCT的數字圖像水印算法提供了方便。

3.2.2 系統功能模塊設計

（1）水印生成。通常是通過偽隨機數發生器或混沌系統來產生水印信號，通常需要對水印進行預處理來適應水印嵌入算法。

（2）水印嵌入。水印嵌入的準則常用的有三種，分別為加法準則、乘法準則、加法乘法混合準則，混合準則近年來引起了人們的廣泛關注。

（3）水印提取。指水印被提取出來的過程。

（4）水印檢測。水印檢測是指判斷數字產品中是否存在水印的過程。

3.2.3 系統實現

一個完整水印系統的設計通常包括水印的生成、嵌入、提取和檢測四個部分。

通過選取實驗圖片，點擊導入圖片，然后進行水印的嵌入，再對嵌入水印的圖片進行高斯噪聲、濾波、剪切、旋轉等攻擊實驗后，可以繼續提取水印，進行水印信號的檢測。

（1）嵌入水印的過程。論文采用的是分塊DCT算法，水印嵌入步驟如下：

1）將灰度宿主圖像分成互不覆蓋的8×8的塊，然后對每一塊都進行DCT變換，得到與宿主圖像相同尺寸的DCT域；

2）我們用密鑰生成長度為NW的Gaussian白噪聲作為水印信號：W～N（0，1）；

3）將每個8×8的DCT系數矩陣從每一塊的中頻段取出（（64×Nw）/（M×N））個系數CK（i，j），k=1，2，…Bnum；

4）根據公式W′=W（1+alfa*mark）嵌入水印，其中alfa為尺度因子，mark為水印信息，W為原圖象的分塊DCT系數。

5）用得到的新的DCT系數對原來位置的DCT系數進行置換。

6）對新的DCT系數矩陣進行DCT反變換，得到了嵌入水印信號后的圖像。

4 結束語

本論文是在應用了MATLAB7.0軟件，設計和實現了完整的數字圖像水印處理系統，包括水印的嵌入、提取與驗證過程。所提出的方案均在該系統中進行了驗證。

數字水印技術的發展時間雖然不長，但其在版權保護、內容的完整性以及認證方面都做出了一定的貢獻。未來，數字水印在知識產權的保護、內容認證等方面會有一個更好的應用前景。我們應該抓住信息時代對于數字版權保護的迫切需求，開發出自己的水印產品。

參考文獻：

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[8]耿永軍，朱雪芹.基于離散余弦變換的數字水印算法[J].鄭州大學學報，2005.

[9]M.jiang，Z.jiang.A New Searchless Fractal Image Encoding Method Based on Wavelet Decomposition.Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and automatiaon，（2006）：83-86.

篇10

關鍵詞：視頻水印；隱密通信；重同步標識;噪聲攻擊

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-078-03オ

Secret Communication System Based on the Video Watermarking

ZHANG Yiwu

(Hunan National Vocational College,Yueyang,414000,China)

オ

Abstract：Traditional encryption communications easily be monitored and deciphered,a novel video-based digital watermarking technology secret communications system is designed.The secret data is encrypted and replaced according to BCH at first.And then,the coded data and resynchronization markers are embedded into the middle frequency coefficients in DCT domain.The experiment shows that:the system has performed well in anti-noise,video compression,and can achieve reliable data secret communication.

Keywords：video watermarking;secret communication;resynchronization marker;noise attracking

1 引 言

隨著網絡時代的到來，網絡信息安全日益突出，通信系統在網絡環境下的信息安全問題也日益顯露出來。因此，如何在網絡環境中實施有效的信息安全手段成為一個亟待解決的現實問題。傳統的通信安全是以密碼學為基礎的，即把相關數據加密成密文后進行傳輸，以使非法攻擊者無法從密文中獲得真實信息，從而達到有效保護信息的目的[1,2]。但該方法也存在著很大的局限性：一方面，加密后的數據因其不可理解性，從而不利于信息的傳播；另一方面，信息經過加密后容易引起攻擊者的好奇和注意，并有被破解的可能性，即使密碼的強度非常高而使破譯的成本非常高，但是攻擊者仍有足夠的手段進行破壞。這里，可利用生理學模型，通過適當的策略將隱密信息嵌入到視聽不敏感區域，則嵌入水印的宿主媒體便不會引起不良的視聽效果[3]。本文正是利用此特性，以實時傳輸的視頻流為平臺，將要隱密傳輸的信息以數字水印方式嵌入視頻流中傳輸，用以提高通信的安全性。實驗證明該系統的偽裝性是傳統加密通信無法比擬的，且攻擊者很難獲取隱藏信息。

2 系統基本架構

基于視頻水印的隱密通信系統的基本模型如圖1所示，其中隱密信息是以數字水印方式嵌入到實時視頻中并進行傳輸的。選擇視頻作為水印信息的載體是由于視頻可描述為時間的一維函數，在嵌入水印時可以減少運算量和時間復雜度。另外,視頻節目數據量很大，通常可以嵌入較多的水印信息。同時，人們日常使用的視頻通信軟件很大部分是雙向的，這使隱密信息的交互性成為可能。

圖1 視頻隱密通信系統的基本模型

3 水印的嵌入與提取算法

對于該隱密通信系統，其中隱藏的水印數據在通信過程中難免會遭到攻擊或破壞,而當傳輸的數據遭到攻擊或破壞時，則會導致同步丟失和字節的位漂移。這時，即使提取的水印信息從比特意義上來說是正確的，當將這些提取的比特組成字節時，則可能會是一串無意義的亂碼。對此，本文設計了一種快速的可隨機檢測的穩健視頻水印算法。

3.1 隱密數據的BCH編碼和置換

由于隱藏在視頻流中的水印數據在通信過程中會遭到有意和無意的攻擊，這里，在嵌入前，先將隱藏的信息進行信道編碼[4]，以提高其穩健性。考慮到隱藏信息是可以字節的形式表示和存儲的[5]，為此文中為待嵌入和檢測的水印信息設計了一種(24，9)形式的BCH 碼，該BCH的生成多項式可用式(1)來表示：

И

g(x)=x15+x14+x13+x12+x10+x8+

x7+x6+x5+x4+1

(1)

И

其中，該BCH碼共有29個碼字，其漢明距為8，其可糾正不大于3比特的隨機誤碼。

接下來，將需要嵌入的隱密通信數據按式(2)進行BCH編碼并置換：

И

Bj=f(key,Wi),0≤i

(2)

И

其中，Wi表示待嵌入的水印數據,BjП硎BCH碼中的一個碼字，key為變換密鑰。

3.2 重同步標識的選取和檢測

為了在出現視頻跳轉或視頻丟幀等情況時，能快速地檢測到正確的隱密信息，本文將會在嵌入水印數據的過程中，同時定期地嵌入一些重同步標識(Resynchronization Marker,RM)。其中，重同步標識是一個惟一的碼字，且不會是前面所選用的BCH碼的任何一個碼字重復。同時，也是判別視頻中是否嵌入了隱密和進行重同步的標志碼。即當進行水印檢測時，需先檢測重同步標識以獲取水印嵌入的正確位置，才能正確地提取有意義的隱密信息。

為了提高重同步標識的搜索效率和隱密信息的不可感知性。本文根據實驗選取N(N=24)位的偽隨機序列作為重同步標識，該碼以十六進制表示為：“0xF65A50”。它與前面所選的BCH信號集中的所有碼字的碼距都不小于9，即該重同步標識發生不大于4比特的數據錯誤時，都不會與所選的BCH信號集中的任何一個碼字相混淆，從而具有較強的魯棒性。

同時，搜索重同步標識是正確提取隱密信息的前提,但重同步標識在傳輸過程中也可能會遭受攻擊而出錯。對此，本文使用相似函數(式(3),式(4))來判斷是否檢測到了重同步標識[5]。

И

MaxDiff(rm,rm′)=∑Ni=1|rm(i)－rm′(i)|

(3)

sync(rm,rm′)=1(檢測到重同步標識),

MaxDiff(rm,rm′)≤Trm

0(未檢測到重同步標碼),

MaxDiff(rm,rm′)>Trm

(4)

И