数字水印的背景

当前,计算机和互联网的飞速发展在许多方面改变了人们的生活。人们的很多生产的成果都以数字的形式存储和传输。基于计算机和网络的多媒体数字作品的使用、传播提供了极为便利的途径,多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度,其发布形式愈加丰富了。人们可以通过Internet网发布自己的作品,传递重要信息,进行网络贸易等。但是与此同时其暴露出的安全问题也越来越严重：数字作品极易被非法拷贝和复制,使得很多版权所有者不愿意轻易公开其作品,这在相当程度上阻碍了其自身发展。目前,盗版已成为数字化产业最大的威胁。数字产品的版权保护问题迫在眉睫,如何既充分利用Internet网的便利,又能有效地保护知识产权,已受到人们的高度重视。

仅靠密码学已不能很好地解决这一问题。因为虽然经过加密后只有被授权持有解密密钥的人才可以存取数据,但是经加密后的数据变得“杂乱无章”,这样就无法向别人展示自己的作品,同时也容易引起攻击者的怀疑；而且数据一旦被解开,就完全置于解密人的控制之下,原创作者或版权所有者没办法追踪复制或二次传播。在这种情况下,数字水印技术作为一种解决数字产品版权问题的有效手段得到了广泛关注,引起众多不同背景的研究人员的兴趣,并逐渐成为了当今国际IT学术界的一个研究热点^{[3-27,36-55,71-101]}。

1.1 数字水印应用领域

数字水印虽然只是90年代以后才发展起来,但其应用前景和应用领域将是巨大的,总的来说,数字水印技术有以下一些主要应用领域^[4,5]：

（1）版权保护（Copyright Protection）

随着互联网和电子商务的迅速发展,互联网上的多媒体信息急剧膨胀,数字化多媒体产品也可通过下载的方式从网上直接购买。而如何有效地保护这些数字产品的版权就成为一个极其关键的问题,也是数字水印技术研究的主要推动力。目前,版权保护可能是水印最主要的应用。其目的是嵌入数据的来源以及包含有版权所有者特征的信息,从而防止其它团体对该数据宣称拥有版权。这样水印就可公正地用来解决所有权问题,这种应用要求有非常高的鲁棒性。此外,还需要考虑其他一些要求,比如：水印必须明确无歧义（Unambiguous）,并且在其他人嵌入另外的水印以后,仍然能够判断出正确的所有权。

（2）违反者追踪（Traitor Tracking）

数字水印还可用于监视或追踪数字产品的非法复制,这种应用通常称作“指纹（Fingerprinting）”。其目的是传输合法接收者的信息而不是数据来源者的信息,主要用于识别单个发行拷贝。它很类似于软件产品的序列号,即在每个发行的拷贝中嵌入不同的水印。因为单个加入水印的拷贝会受到共谋攻击（Collusion Attacks）,嵌入的水印必须被设计成共谋安全的（Collusion-Secure）。同样,对于某些数字指纹应用来说,它们要求水印易于提取,且有很低的复杂度,例如对WWW应用,有专门的Web搜索者寻找嵌入了水印的盗版图像。数字指纹应用也需要很高的健壮性,不仅能抵抗一些常见的信号处理操作,还要能抵抗恶意的攻击。

（3）防止非法复制

要有效地保护版权,还应该有有效的技术手段,以使非授权者不能对数字产品进行非法拷贝。在开放系统中很难实现拷贝保护,然而在封闭或私有系统中,拷贝保护是可行的,一种方法就是在数字产品中的嵌入反映拷贝状态的水印。一个典型的例子就是DVD防拷贝系统,在该系统中,数据中的水印含有拷贝信息。一个符合要求的DVD播放器不允许重放或拷贝带有“禁止拷贝（Copy Never）”水印信息的数据。对含有“允许拷贝一次（Copy Once）”水印的数据只能拷贝一次,而不能多次拷贝。1996年,美国电影协会（MPAA）、消费电子产品制造商协会（CEMA）和部分计算机厂商联合成立了国际版权保护技术工作组（CPTWG）来研究防止数字视频被盗版。在过去几年,该协会已研制成功了DVD防拷贝系统。1997年夏天,CPTWG专门成立了数据隐藏子工作组（DHSG）来评价当前的水印技术应用于防拷贝系统的先进性和可靠性,希望引入数字水印技术。按照 DHSG的约定,将有两类应用水印技术的模块加入到DVD防拷贝系统中,分别是记录控制与回放控制。它利用水印的鲁棒性将拷贝管理系统（CGMS）数据保护起来,保证拷贝控制比特不会被轻易除去,从而有效防止因消除有关数据而引起的非法拷贝。引入回放控制的优点在于：如果盗版者成功地生成了不含内容加扰系统（CSS）密钥信息的非法 DVD RAM拷贝,由于水印仍然存在于这一拷贝中,符合标准的光盘播放机将会读出受水印保护的拷贝控制信息并根据RAM盘片本身的特点作出拒绝回放的判断。这样就将这种非法盘片的市场仅限制在那些拥有非标准播放设备的用户中,而另一方面,这种设备却不能播放合法的正版DVD光盘,以此增强防拷贝系统的抗破坏能打。现今世界各大知名公司如 IBM、NEC、SONY、PHILIPS等,都在加速数字水印技术的研制和完善。

（4）图像认证（Image Authentatication）

认证的目的是确定数据的修改。当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时,常需要确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。这可用“易损水印（Fragile Watermarking）”来实现图像认证,它对特定的修改（如压缩）有弱的鲁棒性,而其它的修改则是破坏性的。此外,根据不同的数据类型和应用,相应的鲁棒性要求也有所不同。不过,在所有可能的水印应用中,易损水印对鲁棒性要求最低。与其它水印不同的是,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）电子商务中的网页保护和防伪

近几年来,各种各样的网站如雨后春笋般不断涌现,随之而来的网页内容的篡改和非法盗用日益突出。在网页中加入合适的水印也将成为保护网页,防止非法篡改的一个有效手段。随着高质量复制设备的出现和电子商务的兴起,票据防伪技术也在不断发展。显然,电子商务中各种电子票据的有效防伪是十分重要的。电子票据的水印技术将在今后几年得到更多的研究。

1.2 数字水印特点及分类

数字水印技术除应具备信息隐藏技术的一般特点外,还有着其固有的特点和研究方法。例如,从信息安全的保密角度而言,隐藏的信息如果被破坏掉,系统可以视为安全的,因为秘密信息并未泄露；但是,在数字水印系统中,隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失,从而失去了版权保护的功能,这一系统就是失败的。数字水印应具有的特征随具体应用要求的不同而不同,但以下几个特征是通常的数字水印应具备的基本特征^[3,4,7,8,10]。

（1）透明性（隐藏性）：经过一系列隐藏处理,不会导致目标数据可感知的降质现象,而隐藏的数据又无法人为地看见或听见。

（2）鲁棒性（免疫性）：指阻抗各种信号处理操作和恶意攻击而不导致水印信息丢失的能力。所谓的信号处理操作包括：传输过程中的信道噪声、滤波、模糊、信号增强、有损压缩、几何变换、D/A或A/D转换等。所谓的攻击包括：篡改、伪造、去除水印等。数字水印技术起源于信息隐藏技术,这一点可从它的隐藏性要求得到证实。

（3）无歧义性：恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表明所有权,不会发生多重所有权的纠纷。

（4）隐藏位置的安全性：指将水印信息藏于目标数据的内容之中,而非文件头等处,防止因格式变换而遭到破坏。

（5）通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种程度上意味着易用性。

（6）计算效率：最后水印算法的效率也是应考虑的因素之一,水印算法应能用硬件或软件有效地实现。特别是水印算法的速度对分布式网络上的多媒体数据监视来说应足够快。

但数字水印技术并不等同于信息隐藏技术,两者的区别在于对强壮性的要求不同。信息隐藏一般依赖于一个假设：秘密通信在可以信任的双方之间发生,第三方并不知道存在这样的秘密信道。所以,信息隐藏的强壮性要求可以相对降低,也就是说,在数据经过改动之后,允许隐藏信息的丢失。而这个假设无法在数字水印应用中成立。恶意的攻击人不仅知道一个多媒体数据中含有水印,而且还想方设法地破坏它。而水印必须能够在一定限度内承受这种攻击而存留下来,这样才能实现有意义的版权保护。

数字水印的分类方法有很多种,分类的出发点不同导致了分类的不同,它们之间是既有联系又有区别的。最常见的分类方法包括以下几类^[3,6,7,10]：

（1）可视水印与不可视水印：从外观上可将数字水印分为可视水印和不可视水印两类。如果嵌入的水印强度足够大,能够用肉眼直接观察到,则称之为可视水印。相较于不可视水印,可视水印^[17,18]同样具有极大研究价值,它应满足如下一些原则：（A）水印自适应地保持半透明,不可对原图像造成太大的视觉影响；（B）水印必须是不可或极难擦除的。再者,对于可视水印来说,不存在水印的提取问题,因为水印是浮现在原始图像上的,起的是一种直观的版权信息告示,但同时又不能影响对原始图像作品的欣赏。所以可视水印鲁棒性分析主要集中如何抵抗盗版者试图去掉水印而又不损害原图像方面。可视水印的例子如图2.6所示。而含有不可视水印的数据通常与原始数据紧密结合在一起,难以用肉眼观察到。

（2）易损水印和鲁棒水印：根据数字水印的鲁棒性特征将其分为易损水印和鲁棒水印。易损水印^{[52,55,100,101]}很容易被破坏,主要应用于完整性验证等应用之中,它随着对象的修改而破坏,哪怕细小的修改也会影响数字水印的提取和检测。鲁棒水印则应该经得起一般处理操作而存留下来,应用范围更加广泛,主要应用于版权保护中,是水印研究的重点。

（3）空域水印和频域水印：直接在空域中对采样点的幅度值作出改变,嵌入水印信息的称为空域水印；对变换域中的系数进行改变（傅里叶系数、DCT系数、小波系数等）以嵌入水印信息的称为频域水印。一般来说频域算法可嵌入水印数据量大,透明性好,安全性高,但算法复杂度也高。现在水印算法大多集中在变换域部分。

（4）非盲水印和盲水印：亦称为私有水印^{[38,71-75,88-91]}和公开水印^{[39-42,50,92-94]}。在提取或检测水印的过程中,如果需要原始数据来提取水印信号,称为非盲水印算法；如果不需要原始数据参与,可直接根据水印数据来提取出水印信号,称为盲水印算法。一般来说,非盲水印比盲水印具有更好的鲁棒性,但盲水印更符合所有权验证的需要,实用性更强,是水印算法发展的方向。

（5）私钥水印和公钥水印：私钥水印只能被持有特定密钥持的人读取或检测,水印插入与水印提取或检测过程所使用的密钥相同；而公钥水印^[106-108]允许公众利用公钥提取或检测水印以验证所有者,创作者或版权所有者利用一个私钥嵌入水印,但是利用公钥来推导私钥和利用公钥来去除水印这两个过程都非常困难。通常来说,公钥水印的安全性和强壮性比不上私钥水印,但公钥水印在声明版权信息和预防侵权行为上无疑具有优势,是水印发展的方向。公钥水印系统的突破必将极大地推进数字水印的实用化进程。

（6）按照水印嵌入的载体不同,可将数字水印分为静态图像水印^{[36-42,71-101]}、视频水印^[45-49]、音频水印^[53-55]和文本水印^[12,43,44]等。