數字水印的價值及應用

[摘要] 介紹數字水印技術的基本概念、基本特征和分類，數字水印技術廣泛的應用領域，分析數字水印技術的應用前景。

[關鍵詞] 數字水印 數據安全 多媒體

一、引言

隨著計算機和網絡技術的飛速發展，特別是因特網的普及，信息的安全保護問題日益突出。此外，多媒體技術已被廣泛應用，數字圖像、音頻和視頻等多媒體數字產品愈來愈需要一種有效的版權保護方法。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”。

二、數字水印特征及分類

所謂數字水印技術，就是在被保護的數字對象（如靜止圖像、視頻、音頻等）中嵌入某些能夠證明版權歸屬或跟蹤侵權行為的信息，這些信息可能是作者的序列號、公司標志、有意義的文本等等。水印中的隱藏信息能夠抵抗各類攻擊。即使水印算法是公開的，攻擊者要毀掉水印仍十分困難。將某種不可感知的信息如數字、序列號、文字、圖像標志等版權信息嵌入到多媒體數據中，以起到版權保護、秘密通信、數據文件的真偽鑒別和產品標識等作用。在發生數字媒體侵權使用、版權爭議時，通過檢測媒體內容中的數字水印，獲得數字媒體的版權信息、授權信息等，從而起到媒體知識產權保護的目的。數字水印是信息隱藏技術的一個重要研究方向。

1.數字水印特征

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：

（1)不可感知性:在數字作品中嵌入數字水印不會引起明顯的降質，并且不易被察覺。

（2)隱藏位置的安全性:水印信息隱藏于數據而非文件頭中，文件格式的變換不應導致水印數據的丟失。

（3)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。可能的信號處理過程包括信道噪聲、濾波、數/模與模/數轉換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。

（4)隱藏的信息量:嵌入的秘密信息必須能夠具有足夠多的信息。實際上，隱藏的信息與系統的魯棒性是矛盾的，即嵌入的秘密信息越多，魯棒性就越差。

2.數字水印分類

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。魯棒數字水印主要用于在數字作品中標識著作權信息，如作者、作品序號等，它要求嵌入的水印能夠經受各種常用的編輯處理；脆弱數字水印主要用于完整性保護，與魯棒水印的要求相反，脆弱水印必須對信號的改動很敏感，人們根據脆弱水印的狀態就可以判斷數據是否被篡改過。

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。

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。一般來說，明文水印的魯棒性比較強，但其應用受到存儲成本的限制。

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（如商標圖像）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。有意義水印的優勢在于，如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損，人們仍然可以通過視覺觀察確認是否有水印。但對于無意義水印來說，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統計決策來確定信號中是否含有水印。

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。

票據防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用于打印票據和電子票據的防偽。一般來說，偽幣的制造者不可能對票據圖像進行過多的修改，所以，諸如尺度變換等信號編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求，用于票據防偽的數字水印算法不能太復雜。

版權標識水印是目前研究最多的一類數字水印。數字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權標識水印主要強調隱蔽性和魯棒性，而對數據量的要求相對較小。

篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標識宿主信號的完整性和真實性。

隱蔽標識水印的目的是將保密數據的重要標注隱藏起來，限制非法用戶對保密數據的使用。

三、數字水印的應用領域

1.數字作品的知識產權保護

數字作品（如電腦美術、掃描圖像、數字音樂、視頻、三維動畫）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。目前，用于版權保護的數字水印技術已經進入了初步實用化階段，IBM公司在其“數字圖書館”軟件中就提供了數字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop軟件中集成了Digimarc公司的數字水印插件。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。

2.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。

另一方面，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。

3.證件真偽鑒別

信息隱藏技術可以應用的范圍很廣，作為證件來講，每個人需要不只一個證件，證明個人身份的有：身份證、護照、駕駛證、出入證等；證明某種能力的有：各種學歷證書、資格證書等。

國內目前在證件防偽領域面臨巨大的商機，由于缺少有效的措施，使得“造假”、“買假”、“用假”成風，已經嚴重地干擾了正常的經濟秩序，對國家的形象也有不良影響。通過水印技術可以確認該證件的真偽，使得該證件無法仿制和復制。

4.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/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。

5.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、數字水印的發展趨勢

雖然數字水印技術最初的開發目的是為了解決數字媒體的版權保護問題，然而在實際的研究中，數字水印的應用領域遠遠超出了版權保護領域；同時，由于目前數字水印技術難以解決的串謀攻擊、機會攻擊以及解釋攻擊問題，使得數字水印在版權保護、訪問與拷貝控制、數字指紋等方面的應用受到了很大的限制。因此，許多研究者正致力于上述問題的解決，如果這些問題得到解決，數字水印則極有可能成為媒體安全領域的重要的技術基礎。但從目前的發展來看，利用數字水印技術進行數字廣播監聽、媒體內容認證、小范圍內媒體使用跟蹤等方面則更加實際可行，而且也是非常有意義的，并且在這些領域已經開始實際使用與測試。此外，數字水印技術還可以用于提供媒體增值業務，如提供數字媒體相關內容的因特網鏈接、隱藏水印信息在數字媒體中以降低媒體傳輸造成的錯誤。

參考文獻:

[1]戴元軍:信息隱藏與數字水印技術.安全文摘，2002

[2]王道順:數字圖象可視隱藏、加密和數字水印技術若干理論及應用研究.四川大學理學院，2001

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。