第12章 信息隐藏与数字水印技术

• 5按水印的检测过程，数字水印可分为明文水印和 盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据， 而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。 一般明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存 储成本的限制。 • 6按水印的载体不同，将水印分为文本水印，图像 水印，音频水印和视频水印等。随着数字技术的 发展，会有更多类型的数字媒体出现，同时也会 产生相应的水印技术。
12.1.2 信息隐藏系统的模型
• 图12.1是信息隐藏系统的一般模型。
密钥生成器 嵌入密钥 提取密钥 伪装对象 嵌入过程 嵌入对象 载体对象 伪装分析者 提取过程 嵌入对象 载体对象
Байду номын сангаас
• 根据信息隐藏目的及技术的不同，对隐藏技术也将有不同 的要求，下面是数字隐藏技术的一些基本要求： • 1鲁棒性(Robustness)：它是指隐藏算法有较强的抗攻击 能力，即它必须能够承受一定程度的人为攻击 ，即使在 传输过程中隐秘载体受到诸如信道噪音、滤波操作、重采 样、有损编码压缩、D/A或A/D转换等破坏也应能恢复隐 藏信息。 • 2不可检测性(Undetectability)：它是指隐蔽载体与原始 载体具有一致的特性。如具有一致的统计噪声分布等，以 便使非法拦截者无法判断载体中是否有隐蔽信息 。 • 3透明性(Imperceptibility)：它是指利用人类视觉系统或 人类听觉系统属性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没 有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法看见或听见
第12章 信息隐藏与数字水印技术
12.1.1信息隐藏的基本概念
• 信息隐藏有时也称数据隐藏（data hiding）。从 广义上看，信息隐藏有多种含义：一是信息不可 见；二是信息的存在性隐蔽；三是信息的接收方 和发送方隐蔽；四是传输的信道隐蔽等。信息隐 藏就是将保密信息隐藏于另一非保密载体中，以 不引起检查者的注意。这里的载体可以是图像、 音频、视频等。广义上的信息隐藏技术包括隐写 术、数字水印、数字指纹、隐蔽信道、阈下信道、 低截获概率通信和匿名通信等等。从狭义上看， 信息隐藏就是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。
• 数字水印技术发展的最原始动力是提供一些数字 媒体的版权保护，但近几年来却出现了许多新的 研究热点，使数字水印技术产生很多可能的应用， 主要应用领域包括以下几个方面： • ①版权保护 ②数字指纹 ③完整性标志（篡改 提示） ④访问控制和防拷贝控制 ⑤商务交易中 的票据防伪
12.2.2数字水印技术的分类和基本特征
• 信息隐藏技术的分类：①隐藏信道：它是一种通 信信道，存在于计算机系统之中，其特点是信息 的传送方式违背了系统的安全原则，使成为一个 隐藏的信息传输通道。②隐写术：它是信息隐藏 技术的一个重要分支，和传统的密码技术不同， 它着眼于隐藏信息自身的存在。现代的隐写术主 要是指在数字信息处理和计算机领域，利用信息 中普遍存在的冗余性向其中潜入秘密数据。③匿 名技术：它是在网络环境下不暴露个人身份和特 征的一种技术，主要有匿名重发和网络代理等。 ④版权标记：它是向数字作品中潜入可以鉴别的 版权标记信息，是进行数字作品版权保护的一种 有效技术。
12.2 数字水印技术
• 数字水印是利用数字作品中普遍存在的冗余数据 与随机性，向数字作品中加入不易察觉但可以判 定区分的秘密信息——水印，从而起到保护数字 作品版权或完整性的一种技术。被嵌入的水印可 以是一段文字、标识、ID序列号等。水印通常是 不可见或不可察觉的，与原始数据紧密结合并隐 藏其中，但不影响数字作品的使用，并且可经历 一些不破坏原数据使用价值或商用价值的操作而 保存下来。与传统加密系统不同，水印的目的不 是限制对媒体的访问，而是确保媒体中水印不被 发现、改变或消除，为媒体提供必要的证明信息。 数字水印为数字化产品的版权侵犯、非法复制、 分发、泄密和完整性等诸多问题提供了一种可行 的解决途径。
• 数字水印都具有以下基本特性： • 1不可感知性（unobtrusiveness）：也称作感知 透明性或不可见性。在大多数水印算法中，都要 求嵌入的水印不影响宿主数据的感知质量 • 2鲁棒性（robustness）：是指嵌入水印后的载 体数据在经历多种无意或有意的信号处理过程后， 数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。 • 3有效性（effectiveness）：水印作品是输入到 检测器后能检测出水印的作品。 • 4数据容量（data capacity）：数据容量指在单 位时间或一幅作品中能嵌入水印的比特数。
12.2.3 数字水印模型及基本原理
• 一般数字水印系统的通用模型包括嵌入和检测(提 取)两个阶段。在数字水印的嵌入阶段，嵌入算法 的设计目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之 间找到一个较好的折衷。检测(提取)阶段主要是 设计一个对应于嵌入过程的检测(提取)算法。
密钥
原始水印 原始图像 水印 嵌入算法 含水印图像 检测算法 水印或判断有无水印
12.1.3 密码技术和信息隐藏技术的关系
• 信息隐藏沿袭了传统加密技术的一些基本思想和 概念，但不同于传统的密码学技术。密码技术是 把原始的信息改编成一种观察者不容易看明白的 特殊的编码形式，从而形成不可识别的密文进行 保存或传递；隐藏学则是研究隐藏一个信息在另 一个信息里的技术学科，没有暴露被隐藏信息的 存在。隐藏学和密码学相比有一个明显的优势： 对加密通信而言，可能的监听者或非法拦截者可 通过截取密文，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，在公开信息中没有迹象表明被隐藏 信息的存在， 可能的监听者或非法拦截者难以判 断机密信息是否存在，从而能保证机密信息的安 全。
• 4信息量： 虽然希望在载体中能隐藏尽可能多的 信息，但在实际应用中是有限制的，在保证不可 感知性的前提下，隐藏的信息越多，鲁棒性就越 差，所以对于每一个具体的系统都要考虑到鲁棒 性、不可感知性以及信息量之间的折中。 • 5安全性(Security ):它是指隐藏算法有较强的抗 攻击能力，能承受一定程度的人为攻击，而使隐 藏信息不会被破坏。与信息加密一样，信息隐藏 技术最终也需要把对信息的保护转化为对密钥的 保护。 • 6自恢复性(Recovery )：它是指经过操作或变换 后，原图可能会产生较大的破坏，但是依据留下 的片段数据，仍能恢复隐藏信号，且恢复过程不 需要宿主信号。
• 5确定性(unambiguous )：数字水印所携带的信息 能够被唯一地鉴别出来，为受到版权保护的信息产 品的归属提供完全和可靠的证据，同时能够监视被 保护数据的传播，防止非法拷贝，有效的识别数据 的所有者、真实性和完整性。 • 6安全性（security）：安全性表现为水印能够抵杭 恶意攻击的能力。 • 7逼真度（fidelity）：一般来说，水印系统的逼真 度是指原始作品同其嵌入水印版本之间的感官相似 度。 • 8盲检测与明检测（blind and informed detection）：需要原始不含水印的拷贝参与的检测 器称作明检测器，不需要原始作品任何信息的检测 器称作盲检测器。
• 数字水印的分类按照不同的角度有以下几种分法： • 1按表现形式的不同，一般可分为可见水印和不可 见水印。可见的数字水印，如同我们在观赏电视节 目时常常看到的电视的台标，主要是对图像数据库 或万维网（WWW）中的预览图像进行明显地标记， 以防止其用于商业用途。不可见水印则要求在嵌入 到数字产品中之后不会对其产生可以感知的变化。 通常所说的数字水印主要指隐形数字水印。 • 2按水印特性，数字水印可分为鲁棒数字水印和脆 弱数字水印。鲁棒数字水印要求嵌入的水印能够经 受各种常用的编辑处理，主要用于在数字作品中标 识著作权信息；脆弱数字水印对信号的改动很敏感， 主要用于完整性保护，人们根据脆弱水印的状态就 可以判断数据是否被篡改过。
• 3按水印的内容，数字水印可分为有意义水印和无 意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字 图像(如商标)或数字音频片段的编码；无意义水印 则只对应于一个序列号。有意义水印如果受到攻击 或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以 通过视觉观察确认是否有水印；对于无意义水印来 说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只 能通过统计学原理来确定信号中是否含有水印。 • 4按水印的隐藏位置，可以将其划分为时(空)域数 字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/ 尺度域数字水印。时(空)域数字水印是直接在信号 空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时/频域 数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在DCT 变换域、时/频变换域和小波变换域上隐藏水印。