信息隐藏与数字水印

0.引言

随着计算机信息技术和网络技术的发展, 人类社会已经进入了一个全新的数字信息时代。人们对信息的处理由原来的纸质文本、模拟的声音与图像逐渐转变为数字化的文本、图像、图形、音频、视频等集成的多媒体信息。这些数字化信息在计算机技术及网络技术的支撑下, 具有易复制、易修改、易加工、易传播、易交流、易分发的优点, 方便了人们对信息的获取、交流, 使人们能在全世界范围内实现信息、知识、资源的共享。但在数字化信息给人们带来这些方便的同时, 也产生了许多的弊端, 许多非法的恶意攻击者利用这些便利, 对多媒体数字信息进行攻击、篡改, 侵犯他人的合法权益。在这种背景下, 对多媒体数字信息安全的保护就成了当今数字时代的一个重要的研究课题。

1.信息隐藏技术

1.1信息隐藏的基本原理及模型]1[

信息隐藏（Info rmat ion Hiding)不同于传统的密码学技术。密码技术主要是研究如何将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式（密文）进行传递；而信息隐藏则主要研究如何将某一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息。对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全；但对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者则难以从公开信息中判断机密信息是否存在，难以截获机密信息，从而能保证机密信息的安全。我们称待隐藏的信息为秘密信息，它可以是版权信息或秘密数据，也可以是一个序列号；而公开信息则称为载体信息，如视频、音频片段。这种信息隐藏过程一般由密钥（Key）来控制，即通过嵌入算法（Embedding alg orithm）将秘密信息隐藏于公开信息中，而隐蔽载体( 隐藏有秘密信息的公开信息) 则通过信道（Communicat ion channel）传递，然后检测器( Detector) 利用密钥从隐蔽载体中恢复/ 检测出秘密信息。

信息隐藏技术主要由两部分组成：(1)信息嵌入算法，它利用密钥来实现秘密信息的隐藏。(2)隐蔽信息检测/提取算法，它利用密钥从隐蔽载体中检测/恢复出秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载体中得到或删除，甚至发现秘密信息。

1.2信息隐藏技术分类

信息隐藏

数字水印潜信道叠像术信息伪装

脆弱水印稳健水印语义伪装技术伪装可见水印不可见水印

1.3信息隐藏的重要性]2[

人们往往认为对通讯内容加密即可保证通讯的安全，然而在实际中这是远远不够的。特洛伊战争中的谋士们和一些其他古代的作者，专注于隐藏信息更甚于仅仅是将它们译为密码；尽管现代的密码学从文艺复兴时期开始发展，我们却发现Wilkins 在1641 年还是乐于隐藏甚于加密，因为这样做很少会引起注意。这种应用持续到现在的某些场合。例如，一份

加密之后的电子邮件信息，如果它在毒贩和其他尚未被怀疑的人之间，或者国防建设的雇员与敌方含某种深意。所以，对通讯安全的研究不仅包括加密，还包括以隐藏信息为根本的传输安全。这一学科包含如下一些技术：发散谱广播，它广泛用于战术军事系统，目的是防止发送者被敌方定位；临时的移动用户标志，用于数字电话中，目的是防止用户的位置被揭发；匿名转发邮箱，它可以隐藏一份电子邮件的发送者信息]3[。

2.数字水印技术

2.1 数字水印基本原理及典型数字水印系统模型

数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向，它是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌到多媒体内容中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的感觉系统觉察或注意到。只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。这种被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等, 而且这种水印通常是不可见或不可察的,它与原始数据( 如图像、音频、视频数据) 紧密结合并隐藏其中, 并可以经历一些不破坏源数据使用或商用价值的操作而能保存下来。为了给攻击者增加去除水印的难度, 目前大多数水印制作方案都采用密码( 包括公开、私有密钥) 技术来加强, 在水印的嵌入、提取时采用一种密钥, 甚至几种密钥联合使用。图1 为水印信号嵌入模型, 其功能是完成将水印信号加入原始数据中; 图2 为水印信号检测模型, 用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号。

图1 水印信号嵌入模型

图2 水印信号检测模型

2.2 数字水印技术分类：

（1）按外表划分：可感知和不易感知水印

（2）按嵌入技术划分：空域和变换域水印

（3）按应用划分：鲁棒和脆弱（半脆弱）水印

（4）按水印的载体上划分：图象水印、音频水印、视频水印、文本水印、软件水印

（5）按检测过程划分：盲水印（公开）、非盲（私有）水印、半盲（半私有）水印

（6）按密钥划分：私钥（对称）和公钥（非对称）水印

（7）按内容划分：有意义水印和无意义水印

2.3 数字水印的重要性]4[

由于数字化信息具有传播方便、快捷、易于复制等特点，版权保护问题也由之而生。一方面人们期望自己可以直观地获得所需信息，另一方面，却不希望这些信息被其他人所掌握。这显然与目前广泛使用的Internet网所提供的自由和以广泛的信息交流目的相冲突，数字图像隐藏技术就是解决这一问题的一个有效方法。

随着计算机技术及网络的不断发展，版权问题日趋尖锐。国际互联网在带来便利的同时也带来了盗版的高风险性。因为音频、视频和其它一些作品可以数字化形式出现，用数字录制设备盗版数字作品不仅快捷且盗版后作品质量畸变轻微。完美复制品的易于得到，导致大量未授权复制品的产生，这受到音乐、电影、图书和软件出版业的广泛关注。

内容所有者对有效的版权保护有着迫切的需求。最早使用，也是最常见的方法是密码学。密码学也是一门发展最为完善并衍生为一门科学的技术之一。在分发作品副本之前加密内容，只把密钥给予那些购买了内容的合法副本的用户。这样，即使盗版者可以通过网络分发获得加密后的文件，但是没有正确密钥，该文件也是无用的。遗憾的是，通过加密并不能帮助销售者监视合法用户如何处理解密后的内容。也就是说，密码学只能保护传输中的内容，一旦内容被解密，密码的保护作用也就此失效。盗版者购买产品后，使用密钥获取无保护的内容副本，就可以继续发行非法副本。

水印的出现弥补了密码学的不足，它即使在作品经过解密甚至数－模变换后也能够继续保护内容。这是因为水印把信息嵌入内容之中，而在一般的使用中它不会被消除。即使经过解密、再加密、压缩、数－模变换和改变文件格式这些过程，设计巧妙的水印也仍能继续存在。根据不同的设计要求，水印对各种变换具有不同的鲁棒性。

在版权保护和防止拷贝的大量应用中，都考虑到了使用水印。这两项应用是水印领域研究的主要驱动力量，除此之外，水印还可用于广播监视、操作跟踪、认证等。

在许多应用领域，信息隐藏技术正越来越受到重视。数字化音频、视频和图片正逐渐被冠以可以区别的、不可见的标志，这些标志可能隐含了一些版权说明、序列号、甚至可能直接限制未授权的复制。军用通讯系统不断拓展信量安全技术的使用，他们不仅仅是使用加密技术来加密一条消息的内容，还力图隐藏消息的发送者、接收者，甚至是消息本身的存在。同样的技术也使用在移动电话系统和电子选举方案中。犯罪分子将之用于现有的通讯系统，而警方则试图限制他们的使用。在这个新兴的、迅速发展的领域，许多这类技术已经被提出，尽管这样，它们可以追溯到遥远的古代，并且令人吃惊的是，其中一些方法可以很容易地被包含在本文中，我们试图对这个领域做一个概括介绍，包括我们所知道的、有效的和无效的信息隐藏技巧，以及一些有趣的研究课题。

3.信息隐藏与数字水印技术的应用领域]5[

（1）数字作品的知识产权保护: 版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。数字作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布其水印版本作品。

（2）标题与注释: 即将作品的标题、注释等内容(如照片的拍摄时间等)以水印形式嵌入到作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。

（3）篡改提示: 由于现有的信号拼接和镶嵌技术可以作到移花接木而不为人知，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声像信号是否被篡改。为实现该目的，通常可将原始图像分成多个独立块，再将每个块加入不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。