什么是数字水印？

问题描述:

如何用数字种子水印技术加密文件？

分析:

数字水印技术直接嵌入一些与多媒体内容相关或无关的标记信息，但不影响原始内容的使用价值，不易被人类感知系统感知或注意到。通过多媒体内容中的这些隐藏信息，我们可以确认内容的创作者、购买者或真实性。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。

作为一种数字水印技术，它主要有以下特点:

-安全性:数字水印的信息应该是安全的，难以篡改或伪造。同时要有较低的误检率。当原始内容发生变化时，数字水印也要发生变化，这样才能检测到原始数据的变化；当然，数字水印也具有很强的抗重复添加能力。

-隐蔽性:数字水印应该是不可察觉的，不应该影响受保护数据的正常使用；不会降级；

-鲁棒性:是指数字水印在经历各种无意或有意的信号处理过程后，仍能保持部分完整性，并能被准确识别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数模和模数转换、重采样、裁剪、位移、尺度变化和有损压缩编码。脆弱水印，一种主要用于版权保护的数字水印，主要用于完整性保护。这种水印还在内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发生变化时，这些水印信息也会随之变化，这样我们就可以识别原始数据是否被篡改。

-水印容量:嵌入的水印信息必须足以表明多媒体内容创作者或所有者的标识信息或购买者的序列号，有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法所有者的利益。特别是在隐蔽通信领域，对水印容量的需求非常大。

数字水印的分类

-1.按特征划分

根据水印的特性，数字水印可以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识别数字作品中的版权信息。通过使用这种水印技术，创作者和所有者的标识信息或购买者的标识(即序列号)被嵌入到多媒体内容的数据中。在发生版权纠纷时，使用创作者或所有者的信息来识别数据的版权所有者，而使用序列号来跟踪违反协议的用户，并为盗版提供多媒体数据。用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性和安全性。除了在一般的图像处理(如滤波、加噪、替换、压缩)中存活，还需要能够抵抗一些恶意攻击。

脆弱水印，与鲁棒水印的要求相反，脆弱数字水印主要用于完整性保护。这种水印还在内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发生变化时，这些水印信息也会随之变化，这样我们就可以识别原始数据是否被篡改。易受攻击的水印应该对一般的图像处理(如滤波、加噪、替换、压缩等)具有很强的免疫性(鲁棒性)。)，同时又要有很强的灵敏度，即既要允许一定程度的失真，又要能检测到失真。它必须对信号的变化敏感，人们可以根据脆弱水印的状态来判断数据是否被篡改。

-2.根据附在水印上的媒体。

-根据附着在水印上的介质，我们可以将数字水印分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印和三维网格模型的网格水印。随着数字技术的发展，更多种类的数字媒体将会出现，相应的水印技术也将会产生。

-3.根据检测过程。

根据水印的检测过程，数字水印可以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，而盲水印检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明文水印是鲁棒的，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多是盲水印。

-4.按内容划分

根据数字水印的内容，水印可以分为有意义水印和无意义水印。有意义的水印是指水印本身也是数字图像(如商标图像)或数字音频片段的编码；无意义的水印只对应一个序列号。有意义水印的优点是，如果解码后的水印由于攻击或其他原因被破坏，人们仍然可以通过视觉观察来确认是否存在水印。但是对于无意义的水印，如果解码后的水印序列中存在一些符号错误，我们只能通过统计判决来确定信号中是否包含水印。

-5.按目的

-不同的应用需求产生了不同的水印技术。根据水印的用途，可以将数字水印分为票证防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐藏识别水印。

票证防伪水印是一种特殊的水印，主要用于印刷票据、电子票据和各种证件的防伪。一般来说，假币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以不考虑尺度变换等信号编辑操作。但另一方面，人们必须考虑到票据破损、图案模糊的情况，考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。

版权标志水印是目前研究最多的一种数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据的要求相对较小。

篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是鉴别原始文件信号的完整性和真实性。

-隐蔽识别水印的目的是隐藏机密数据的重要标记，限制非法用户对机密数据的使用。

-6.根据水印的隐藏位置。

根据数字水印的隐藏位置，我们可以将其分为时间(空间)域数字水印、频率域数字水印、时间/频率域数字水印和时间/尺度域数字水印。

时间(空间)域数字水印直接将水印信息叠加在信号空间上，而频域数字水印、时间/频率域数字水印和时间/尺度域数字水印分别在DCT变换域、时间/频率变换域和小波变换域隐藏水印。

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以上四种。应该说，只要形成一个信号变换，就有可能将水印隐藏在它的变换空间中。

典型数字水印算法

近年来，数字水印技术的研究取得了很大进展。这里对一些典型算法进行分析。除非特别说明，这些算法主要是针对图像数据的(有些算法也适用于视频和音频数据)。

-空域算法这类算法中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选取的图像点的最低有效位(LSB)中，可以保证嵌入的水印不可见。但由于使用了图像中不重要的像素，算法的鲁棒性较差，水印信息容易被滤波、图像量化和几何变形破坏。另一种常见的方法是利用像素的统计特性，将信息嵌入到像素的亮度值中。

- Patchwork算法是随机选取n对像素点(ai，bi)，然后在每个ai点的亮度值上加1，在每个bi点的亮度值上减1，使整个图像的平均亮度保持不变。通过适当调整参数，Patchwork方法可以抵抗JPEG压缩、FIR滤波和图像裁剪，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，我们可以将图像分块，然后嵌入每个图像块。

-变换域算法在这类算法中，大多数水印算法采用扩频通信技术。该算法是通过对图像进行离散余弦变换(DCT)计算，然后将水印叠加在DCT域中幅度最大的前k个系数上(不包括DC分量)，该分量通常是图像的低频分量。如果DCT系数的前k个最大分量表示为D={ di}，i=1，...，k，水印是一个服从高斯分布的随机实数序列，W ={ wi}，i=1，...，k，则水印的嵌入算法为di = di(1+awi)。然后用新的系数进行逆变换，得到水印图像I。解码函数分别计算原始图像I和水印图像I *的离散余弦变换，提取嵌入的水印W *，然后进行相关检验，确定水印是否存在。该方法即使在水印图像经过一些一般的几何变形和信号处理操作后出现明显变形的情况下，仍能提取出可靠的水印副本。一个简单的改进是将水印嵌入到DCT域的中频分量中，而不是低频分量中，以调节水印的鲁棒性和不可见性之间的矛盾。此外，数字图像的空间域数据可以通过离散傅里叶变换(DFT)或离散小波变换(DWT)转换成相应的频域系数。其次，根据要隐藏的信息类型，进行适当的编码或变形；第三，根据隐藏信息的大小及其对应的安全目标，选择一些类型的频域系数序列(如高频或中频或低频)；第三，确定一定的规则或算法，用待隐藏信息的相应数据修改先前选择的频域系数序列；最后，通过相应的逆变换将数字图像的频域系数变换为空域数据。这类算法隐藏和提取信息的操作比较复杂，隐藏的信息量不能很大，但具有很强的抗攻击能力，非常适合用于数字作品版权保护的数字水印技术。

-压缩域算法基于JPEG和MPEG标准的压缩域数字水印系统，不仅省去了大量的完整解码和重新编码，在数字电视广播和VOD(视频点播)中也有很大的实用价值。因此，水印检测和提取也可以直接在压缩域数据中进行。介绍了一种适用于MPEG-2压缩视频数据流的数字水印方案。虽然MPEG-2数据流语法允许将用户数据添加到数据流中，但这种方案并不适合数字水印技术，因为用户数据可以简单地从数据流中删除，同时，将用户数据添加到MPEG-2编码的视频数据流中会增加比特率，使其不适合固定带宽的应用，所以关键是如何将水印信号添加到数据信号中，即添加到表示视频帧的数据流中。对于输入的MPEG-2数据流，可以分为三部分:头信息、运动矢量(用于运动补偿)和DCT编码信号块。在该方案中，仅改变MPEG-2数据流的最后一部分数据。其原理是:首先对DCT编码数据块中的每个输入霍夫曼码进行解码和反量化，得到当前数据块的DCT系数；其次，将相应水印信号块的变换系数相加，得到水印叠加的DCT系数，然后再次进行量化和霍夫曼编码。最后，将新霍夫曼码字的比特数n1与没有水印系数的原始码字n0进行比较。只有当n1不大于n0时，才能传输水印码字，否则传输原始码字，保证视频数据流的码率不增加。这种方法有一个值得考虑的问题，即水印信号的引入是一个引起退化的误差信号，基于运动补偿的编码方案会传播和积累一个误差。为了解决这个问题，该算法采用了漂移补偿方案来抵消水印信号的引入带来的视觉失真。

- NEC算法该算法由NEC实验室的Cox等人提出，在数字水印算法中占有重要地位。其实现方法是:首先以密钥为种子生成一个伪随机序列，该序列具有高斯n (0，1)分布，密钥一般由作者的识别码和图像的哈希值组成；其次对图像进行DCT变换，最后用伪随机高斯序列对图像进行调制(叠加)。该算法具有很强的鲁棒性、安全性和透明性。由于密钥特殊，可以防止IBM攻击，算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的一个重要原则，即水印信号应嵌入到源数据最重要的部分，由独立同分布的随机实数序列组成，实数序列应具有高斯分布n (0，1)的特性。

-生理模型算法人体生理模型包括HVS(HumanVisualSystem，HVS)和人类听觉系统(Human auditional system，HAS)。该模型不仅可用于多媒体数据压缩系统，也可用于数字水印系统。使用视觉模型的基本思想是利用视觉模型导出的JND(恰可察觉差异)描述来确定图像各部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而避免损害视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然后利用它来嵌入水印。该方法具有良好的透明性和鲁棒性。

数字水印的应用领域

随着数字水印技术的发展，数字水印的应用领域也不断扩大。数字水印的基本应用领域是版权保护、隐藏识别、认证和安全隐形通信。

当数字水印应用于版权保护时，潜在的应用市场在于电子商务、多媒体内容的在线或离线分发以及大规模广播服务。当数字水印用于隐藏标志时，它可以应用于医学、制图学、数字成像、数字图像监控、多媒体索引和基于内容的检索等领域。在数字水印的认证中，身份证、信用卡和ATM卡上数字水印的安全隐形通信将在国防和情报部门得到广泛应用。多媒体技术的飞速发展和互联网的普及带来了一系列的政治、经济、军事和文化问题，并产生了许多新的研究热点。以下引起广泛关注的问题构成了数字水印的研究背景。

-1.数字作品的知识产权保护

数字作品(如计算机艺术、扫描图像、数字音乐、视频和三维动画)的版权保护是目前的热点问题。由于复制和修改一部数字作品是非常容易的，而且可以和原作一模一样，所以原创者不得不使用一些严重损害作品质量的方法来添加版权标记，而这种明显可见的标记很容易被篡改。

——“数字水印”利用数据隐藏的原理，使版权标记不可见或不可闻，既不损害原作，又达到版权保护的目的。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入初步实用阶段。IBM已经在其“数字图书馆”软件中提供了数字水印功能，Adobe也在其著名的Photoshop软件中集成了Digimarc的数字水印插件。但实事求是地说，目前市面上的数字水印产品技术并不成熟，容易被破坏或破解，距离真正实用还有很长的路要走。

-2.商业交易中的票据防伪

随着高质量图像输入/输出设备的发展，特别是彩色喷墨、激光打印机和精度超过1200dpi的高精度彩色复印机的出现，伪造货币、支票等票据变得更加容易。

另一方面，在传统商务向电子商务转型的过程中，会出现大量过量的电子文档，比如各种纸质票据的扫描图像。即使在网络安全技术成熟之后，各种电子票据仍然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隐形的认证标记，大大增加了伪造的难度。

-3.文件的真实性鉴定

-信息隐藏技术可以广泛应用。作为证件，每个人都需要不止一个证件，可以证明个人身份的:身份证、护照、驾驶证、通行证等。某种能力的证明有:各种学历证书、资格证书等。

目前，中国在证件防伪领域面临着巨大的商机。由于缺乏有效措施，“打假”、“买假”、“用假”成为常态，严重干扰了正常的经济秩序，对国家形象造成了不良影响。通过水印技术可以确认证书的真实性，使得证书无法复制和拷贝。

-4.视听数据的隐藏识别和篡改提示

-数据的识别信息往往比数据本身更机密，比如遥感影像的拍摄日期、经纬度等。有时候没有识别信息的数据甚至无法使用，但是直接在原始文件上标注这些重要信息是很危险的。数字水印技术提供了一种隐藏徽标的方法。logo信息在原始文件中是看不到的，只能通过专门的读取程序读取。这种方法已被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。

-另外，数据篡改提示也是一项非常重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以在不为人知的情况下实现“嫁接”，因此如何防止对图像、音频和视频数据的篡改攻击是一个重要的研究课题。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视听信号是否被篡改。

-5.隐蔽通信及其对策

数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了一种非密码的安全途径，而且引发了信息战特别是网络情报战的一场革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起了许多国家的关注。

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共网络传输机密数据。这方面的学术研究至今未能突破“文件加密”的思维模式。但是加密文件往往比较混乱，容易引起攻击者的注意。随着网络多媒体技术的广泛应用，利用公共网络进行安全通信成为一种新思路。利用数字视听信号相对于人的视觉和听觉的冗余性，可以将信息隐藏在各种时间(空间)和变换域中，从而实现隐蔽通信。