论文部分内容阅读
摘 要： 本研究主要是分析了数字水印的原理，特点和类型，对于数字作品安全方面存在的问题和解决方案进行了阐述。
关键词： 数字水印；攻击；安全
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110223-01
多媒体技术的快速发展，使得很多企业的发展都得到了便利，发展的阶段开始转向信息化时代，但是使用广泛的网络技术也带来了一定的安全问题，网络安全问题比比皆是，对于声像数据也是一样的，所以对其要进行加密，认证和版权保护这些错误，以保证其不被盗版等。数字化的声像数据的根源就是数字信号，这类数据的密码加密方式常常被用来进行安全管理，但是对其本身具备的信号属性，却经常被研究者忽略，这些年研究人员对于传统密码学技术路线选择了放弃，开始隐藏声像数据或是对其加密的方法来尽心应用，这种方法对于多媒体来说就是数字水印技术的应用。
1 数字水印设计原理
一般而言，根据信号处理科学的分析，对于载体作品水印的嵌入是从强信号下增到一层的弱信号，对于水印的信息增强，只要能够弱于人的视觉和听觉感知，人们对于水印信号的存在就无法感知，因为人类的视觉和听觉感知都被很多条件所限制，比如空间，时间和频率特性等条件。所以调整载体作品，加上水印，能够在人类没有感知的情况下给与作品一定的版权安全。从数字通信角度来看，嵌入水印就是在宽带的信道上传递一个窄带的信号，通过扩频技术将其嵌入，因为水印信号本身的能量就很小，所以宽带信道上任何的频率上都得到分布后，就更加无法被检测了[1]。水印检测系统工作原理如图1。
2 数字水印的特性
1）有效性。有效性是指嵌入器的输出被水印化的机率，即作品嵌入水印后检测器能检测到水印的机率。嵌入了水印，如果检测不到信号，有两方面的原因。一种是检测器设计有问题，如有的验钞机把假币验成真的，把真币验成假的。一种是水印技术本身的原因，如嵌入信息太少。
2）保真度。带水印的作品和不带水印的作品在人们眼中和感觉上的相似程度。有效性与保真度是冲突的，不同用户选择不同方案。对于一幅作品的销售商，希望允许一定程度的失真，以获得100%的有效性。而对于作者，则希望作品具有100%的真实性。
3）数据的有效载荷。数据的有效载荷是一个作品中水印编码的比特数。一个作品中水印编码少于数据的有效载荷，水印检测不出来。不同作品，要求数据的有效载荷不同。音乐作品要求每分30比特，视频作品要求每分1.2比特。水印的编码长度与其能嵌入的信息条数成正比，编码长度为n比特的水印可嵌入2n条不同的信息[2]。
4）鲁棒性。所谓鲁棒性，就是作品被正常处理或是操作以后，水印就可以被检测，这些处理或是操作一般就是压缩图像，平移图像，旋转图像，复制和录制视频等。
3 数字水印分类
1）按内容分类。无意义水印和有意义水印是按照数字水印内容来进行的分类。所谓有意义水印，就是水印自身就是某个数字音频的片段编码，优势在于水印一旦被攻击而形成破坏以后，人们可以观察和确认到是否有水印。无意义的水印就是一个序列号，在序列号里应用信号，那么解码后，水印序列一旦有错误，就要用统计分析来确定信号里的水印是否存在，这样就给检测带来了麻烦，而且程序较为复杂[3]。
2）按特性分类。水印的分类按照其特性分类又可以分为脆弱数字水印，鲁棒数字水印。一般而言，后者主要是在数字作品中得到应用，比如作者号和作品序号等等，这就要求水印要进行各种操作，这就是水印的鲁棒特性，要经过很多的操作才能进行完整的嵌入，而脆弱数字水印则在保护作品完整性中经常被应用，他的优势是人们通过水印的状态就可以判断数据有没有被改过，其状态非常的敏感，对于信号的变化也能做出敏锐的反应。
3）按用途分类。水印按照其用途可以分为，票据防伪水印、篡改提示水印、版权保护水印和隐蔽标识水印四种类型。票据防伪水印在电子票据防伪和打印票据中经常使用，主要是对于快速检测的便利性很强，票据防伪的水印算法上比较简单，这样才能被广泛使用。篡改提示水印是主要就是为了能够对于宿主信号的真实性和完整性进行标志，也属于脆弱水印，比较敏感。版权标识水印研究中，数字水印是研究最多的一类，因为他既是作品的标识也是一种商品，所以具有双重属性，这种双重属性对于版权标志是有着很重要的作用的，鲁棒性和隐蔽性都能够发挥，而且对于数据量的要求又不高，所以这种水印应用非常的广泛。隐蔽标识水印的作用是将需保密数据的标注隐藏起来，对非法用户对保密数据的使用进行限制。
4）按水印隐藏的位置分类。按数字水印的隐藏位置，可以将其分为变换域数字水印和时域数字水印。变换域数字水印是在小波变换域、时/频变换域和DCT变换域上隐藏水印。时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息[4]。
4 数字作品的安全性
1）保障数字作品安全的困难性。一是低廉的复制代价。传统艺术品例如绘画、书法、雕塑等的复制，是需要技术非常专业的，而且技术性非常强才能够完成，但是对于数字作品来说，复制就非常的简单，而且可以大批量的复制，衣服花费很长时间的绘画作品，只要上传，就可以短时间被无数次的拷贝，有时候甚至复制者和原创者都无法分辨，所以低成本的复制导致了电脑影像作品非常泛滥的被复制出来，同时给追查侵权行为造成了困难。二是司法鉴定的困难。传统艺术品和纸质文书很难被辨别出来，所以司法鉴定方面的解决方案也没有能够出来，长期没有该类技术导致了艺术品市场的混乱，如纸张鉴定、笔迹鉴定等都没有司法意义上的鉴定[5]。这就是数字作品即便侵权，在知识产
权执法过程中没法取证，这成为了一个很棘手的问题。三是篡改方便，传统艺术品的更改是很困难的，但是数字作品就不同，他可以接收编辑处理，那么对其进行更改就非常的容易，所以也就有了侵权行为，而且不断的增多。 2）保障数字作品安全的方案。针对不同的水印攻击，应采用不同解决方案。
对于二次水印攻击，需要综合运用多种数字水印技术防范。安全的数字水印技术是公开算法的，其安全性依赖于产生水印的密钥，但公开算法会导致技术的失控。每一个能够读懂水印算法的人，都可以在隐藏了水印的数字作品里加入自己的水印，导致权利信息标识的混乱。解决这种二次水印问题，需要综合运用多种数字水印技术来控制[6]。
对于拼接攻击，只能采用增加数字水印编码元素的方式进行抵抗。网页资源的盗用者将盗取的数字声音或图像分成若干小文件，然后在网页上拼接起来，这样虽然不影响听觉和视觉效果，但对大多数数字水印算法都构成了威胁。抗拼接攻击的数字水印在编码时会存在一定冗余数据，而冗余数据太多会影响水印本身的信息量。
对于多图平均攻击，可以采用“基于内容”的数字水印[7]。如果攻击者获得了含有水印的数字作品的多个拷贝，他可以对这些复制作品进行平均操作，利用水印随机性去除水印。抵抗多图平均攻击的方法是采用“基于内容”的数字水印，使媒体数据与数字水印有一定程度的相关。
5 总结
数字水印是通过有一个强信号（或宽带信道）叠加一个弱信号（窄带信号）实现。它具有保真性、有效性、鲁棒性等特性。而数字作品由于其低成本的拷贝和篡改，安全保障比较困难，必须通过综合运用多种数字水印技术来控制。
参考文献：
[1]王丽娜，信息隐藏技术与应用[M].武汉：武汉大学出版社，2003.
[2]王炳锡、陈琦、邓峰森等，数字水印技术[M].西安：西安电子科技出版社，2003.
[3]IngemarJ.Coc等.王颖、黄志蓓译，数字水印[M].北京：电子工业出版社，2003.
[4]杨义先，数字水印理论与技术[M].北京：高等教育出版社，2006.
[5]刘传才、傅晓菲，DCT域中DC分量上嵌入水印的稳健性检验，计算机工程与应用[J].2001，21：13-15.
[6]隋媛媛、胡俊等，逆镶嵌水印攻击和单向数字水印，计算机工程与应用[J].2000，4：60-64.
[7]周利军、周源华，基于M序列的多重图像水印，上海交通大学学报[J].2001，35（9）：1317-1320.
关键词： 数字水印；攻击；安全
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110223-01
多媒体技术的快速发展，使得很多企业的发展都得到了便利，发展的阶段开始转向信息化时代，但是使用广泛的网络技术也带来了一定的安全问题，网络安全问题比比皆是，对于声像数据也是一样的，所以对其要进行加密，认证和版权保护这些错误，以保证其不被盗版等。数字化的声像数据的根源就是数字信号，这类数据的密码加密方式常常被用来进行安全管理，但是对其本身具备的信号属性，却经常被研究者忽略，这些年研究人员对于传统密码学技术路线选择了放弃，开始隐藏声像数据或是对其加密的方法来尽心应用，这种方法对于多媒体来说就是数字水印技术的应用。
1 数字水印设计原理
一般而言，根据信号处理科学的分析，对于载体作品水印的嵌入是从强信号下增到一层的弱信号，对于水印的信息增强，只要能够弱于人的视觉和听觉感知，人们对于水印信号的存在就无法感知，因为人类的视觉和听觉感知都被很多条件所限制，比如空间，时间和频率特性等条件。所以调整载体作品，加上水印，能够在人类没有感知的情况下给与作品一定的版权安全。从数字通信角度来看，嵌入水印就是在宽带的信道上传递一个窄带的信号，通过扩频技术将其嵌入，因为水印信号本身的能量就很小，所以宽带信道上任何的频率上都得到分布后，就更加无法被检测了[1]。水印检测系统工作原理如图1。
2 数字水印的特性
1）有效性。有效性是指嵌入器的输出被水印化的机率，即作品嵌入水印后检测器能检测到水印的机率。嵌入了水印，如果检测不到信号，有两方面的原因。一种是检测器设计有问题，如有的验钞机把假币验成真的，把真币验成假的。一种是水印技术本身的原因，如嵌入信息太少。
2）保真度。带水印的作品和不带水印的作品在人们眼中和感觉上的相似程度。有效性与保真度是冲突的，不同用户选择不同方案。对于一幅作品的销售商，希望允许一定程度的失真，以获得100%的有效性。而对于作者，则希望作品具有100%的真实性。
3）数据的有效载荷。数据的有效载荷是一个作品中水印编码的比特数。一个作品中水印编码少于数据的有效载荷，水印检测不出来。不同作品，要求数据的有效载荷不同。音乐作品要求每分30比特，视频作品要求每分1.2比特。水印的编码长度与其能嵌入的信息条数成正比，编码长度为n比特的水印可嵌入2n条不同的信息[2]。
4）鲁棒性。所谓鲁棒性，就是作品被正常处理或是操作以后，水印就可以被检测，这些处理或是操作一般就是压缩图像，平移图像，旋转图像，复制和录制视频等。
3 数字水印分类
1）按内容分类。无意义水印和有意义水印是按照数字水印内容来进行的分类。所谓有意义水印，就是水印自身就是某个数字音频的片段编码，优势在于水印一旦被攻击而形成破坏以后，人们可以观察和确认到是否有水印。无意义的水印就是一个序列号，在序列号里应用信号，那么解码后，水印序列一旦有错误，就要用统计分析来确定信号里的水印是否存在，这样就给检测带来了麻烦，而且程序较为复杂[3]。
2）按特性分类。水印的分类按照其特性分类又可以分为脆弱数字水印，鲁棒数字水印。一般而言，后者主要是在数字作品中得到应用，比如作者号和作品序号等等，这就要求水印要进行各种操作，这就是水印的鲁棒特性，要经过很多的操作才能进行完整的嵌入，而脆弱数字水印则在保护作品完整性中经常被应用，他的优势是人们通过水印的状态就可以判断数据有没有被改过，其状态非常的敏感，对于信号的变化也能做出敏锐的反应。
3）按用途分类。水印按照其用途可以分为，票据防伪水印、篡改提示水印、版权保护水印和隐蔽标识水印四种类型。票据防伪水印在电子票据防伪和打印票据中经常使用，主要是对于快速检测的便利性很强，票据防伪的水印算法上比较简单，这样才能被广泛使用。篡改提示水印是主要就是为了能够对于宿主信号的真实性和完整性进行标志，也属于脆弱水印，比较敏感。版权标识水印研究中，数字水印是研究最多的一类，因为他既是作品的标识也是一种商品，所以具有双重属性，这种双重属性对于版权标志是有着很重要的作用的，鲁棒性和隐蔽性都能够发挥，而且对于数据量的要求又不高，所以这种水印应用非常的广泛。隐蔽标识水印的作用是将需保密数据的标注隐藏起来，对非法用户对保密数据的使用进行限制。
4）按水印隐藏的位置分类。按数字水印的隐藏位置，可以将其分为变换域数字水印和时域数字水印。变换域数字水印是在小波变换域、时/频变换域和DCT变换域上隐藏水印。时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息[4]。
4 数字作品的安全性
1）保障数字作品安全的困难性。一是低廉的复制代价。传统艺术品例如绘画、书法、雕塑等的复制，是需要技术非常专业的，而且技术性非常强才能够完成，但是对于数字作品来说，复制就非常的简单，而且可以大批量的复制，衣服花费很长时间的绘画作品，只要上传，就可以短时间被无数次的拷贝，有时候甚至复制者和原创者都无法分辨，所以低成本的复制导致了电脑影像作品非常泛滥的被复制出来，同时给追查侵权行为造成了困难。二是司法鉴定的困难。传统艺术品和纸质文书很难被辨别出来，所以司法鉴定方面的解决方案也没有能够出来，长期没有该类技术导致了艺术品市场的混乱，如纸张鉴定、笔迹鉴定等都没有司法意义上的鉴定[5]。这就是数字作品即便侵权，在知识产
权执法过程中没法取证，这成为了一个很棘手的问题。三是篡改方便，传统艺术品的更改是很困难的，但是数字作品就不同，他可以接收编辑处理，那么对其进行更改就非常的容易，所以也就有了侵权行为，而且不断的增多。 2）保障数字作品安全的方案。针对不同的水印攻击，应采用不同解决方案。
对于二次水印攻击，需要综合运用多种数字水印技术防范。安全的数字水印技术是公开算法的，其安全性依赖于产生水印的密钥，但公开算法会导致技术的失控。每一个能够读懂水印算法的人，都可以在隐藏了水印的数字作品里加入自己的水印，导致权利信息标识的混乱。解决这种二次水印问题，需要综合运用多种数字水印技术来控制[6]。
对于拼接攻击，只能采用增加数字水印编码元素的方式进行抵抗。网页资源的盗用者将盗取的数字声音或图像分成若干小文件，然后在网页上拼接起来，这样虽然不影响听觉和视觉效果，但对大多数数字水印算法都构成了威胁。抗拼接攻击的数字水印在编码时会存在一定冗余数据，而冗余数据太多会影响水印本身的信息量。
对于多图平均攻击，可以采用“基于内容”的数字水印[7]。如果攻击者获得了含有水印的数字作品的多个拷贝，他可以对这些复制作品进行平均操作，利用水印随机性去除水印。抵抗多图平均攻击的方法是采用“基于内容”的数字水印，使媒体数据与数字水印有一定程度的相关。
5 总结
数字水印是通过有一个强信号（或宽带信道）叠加一个弱信号（窄带信号）实现。它具有保真性、有效性、鲁棒性等特性。而数字作品由于其低成本的拷贝和篡改，安全保障比较困难，必须通过综合运用多种数字水印技术来控制。
参考文献：
[1]王丽娜，信息隐藏技术与应用[M].武汉：武汉大学出版社，2003.
[2]王炳锡、陈琦、邓峰森等，数字水印技术[M].西安：西安电子科技出版社，2003.
[3]IngemarJ.Coc等.王颖、黄志蓓译，数字水印[M].北京：电子工业出版社，2003.
[4]杨义先，数字水印理论与技术[M].北京：高等教育出版社，2006.
[5]刘传才、傅晓菲，DCT域中DC分量上嵌入水印的稳健性检验，计算机工程与应用[J].2001，21：13-15.
[6]隋媛媛、胡俊等，逆镶嵌水印攻击和单向数字水印，计算机工程与应用[J].2000，4：60-64.
[7]周利军、周源华，基于M序列的多重图像水印，上海交通大学学报[J].2001，35（9）：1317-1320.