信息与通信网安全技术论文(DOC)

信息与通信网安全技术

论文

题目：信息安全中的数字水印技术

0引言

随着计算机和网络的飞速发展，数字作品的传输变得越来越便利。数字作品极易被复制，这使得它们能够被快速传播，但这一特性也会被侵权者非法利用。盗版已成为对数字化产业最大的威胁，而数字作品的版权保护不仅仅是一个立法问题，也是一个技术问题。

传统的加密方法对多媒体内容的保护具有一定的局限性，一旦被解密，则信息就完全变成明文。数字水印技术作为加密技术的补充，在多媒体信息的版权保护具有重要意义。数字水印利用数字作品中的冗余数据把版权信息嵌入在数字作品本身，从而保护数字作品版权。数字水印可以标识和验证出数字化图像，视频和声频作品的版权信息，追溯数字作品的非法分发，是目前保护数字作品版权的一种较为有效的技术手段。

1数字水印的特点、分类及其应用

1.1数字水印的基本特点

数字水印的基本思想是在数字图像、音频和视频等多媒体数字产品中嵌入秘密信息，以保护数字产品的版权，证明产品的真实性，跟踪盗版行为或提供产品的附加信息等。数字水印系统通常具有下列几方面的特点:

（1）鲁棒性

即图像水印抵抗常见图像处理操作的能力，也就是说含水印图像经历无意修改而保留水印信息的能力。一般说来，当含水印图像经过一些基本处理（如噪声滤波、平滑、增强、有损压缩，平移、旋转、缩放和裁剪等）后，仍可检测出水印。

（2）透明性

即不可见性，水印的存在不应明显干扰载体的图像数据，数字水印的嵌入不应使得原始数据发生可感知的改变，也不能使得载体数据在质量上发生可以感觉到的失真。

（3）安全性

水印算法抵抗恶意攻击的能力。即它必须能承受一定程度的人为攻击，而使水印信息不会被删除、破坏或窃取。应该保证非授权用户无法检测或破坏水印。数字水印应该难以被伪造或者加工，并且，未经授权的个体不得阅读和修改水印，理想情况是未经授权的客户将不能检测到产品中是否有水印存在。

（4）数据容量

水印应该包含相当的数据容量，以满足多样化的需要。

（5）可证明性

在实际的应用过程中，可能多次加入水印，那么数字水印技术必须能够允许多重水印嵌入到载体数据中，而且每个水印均能独立地被证明。

1.2数字水印的分类

（1）依据所嵌入的载体不同，可分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印和网络水印等。

（2）按照水印透明性，可分为可视水印和不可视水印。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。而含有不可视水印的数据通常与原始数据紧密结合，难以用肉眼观察到。

（3）按照水印生成方式，可分为非适应水印和自适应水印。

（4）按照水印的抗攻击能力，可分为脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印。脆弱水印对任何图像变换或处理都非常敏感，半脆弱水印是对某些特定的图像处理方法有稳健性而对其他的处理不具备稳健性，鲁棒水印对常见的各种图像处理方法都具备稳健性。

（5）从水印检测是否需要原始图像参与来分，可以分为私有水印和公有水印。私有水印的检测需要原始图像的参与而公有水印的检测不需要原始图像的参与。通常来说，公有水印的安全性和强壮性比不上私有水印，但公有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。

1.3数字水印的应用

数字水印主要应用在以下几个方面[3~10]:

（1）可以维护所有权(Ownershipassertion)

为了表明对数字产品内容的所有权，所有者用私钥产生特定的水印，然后将其嵌入到载体数据中，公开发布含水印的作品，当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从被盗版作品中获取水印信号作为依据，从而保护其合法权益。对这种应用领域来说，水印技术必须有较好的鲁棒性，同时也必须能防止被伪造。

（2）数字指纹(digitalfingerprinting)

为了避免未经授权的复制和分发可公开得到的多媒体内容，作品的所有者可以将不同用户的序列号作为不同的水印(指纹)嵌入到作品的合法拷贝中。一旦发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。对这种应用领域来说，水印技术除具有版权保护应用中的特性——不可见性外，还必须能抵抗恶意的去除、伪造或试图使水印无效的攻击。

（3）认证和完整性校验(authenticationandintegrityverification)

在许多应用中，需要验证数字内容未被改变、修改或造假。对有些媒体数据是不允许修改的，如医学照片，交通录像等。为了检验其完整性，通常采用脆弱水印，通过检验提取出的水印完整性来检验数字内容的完整性，如有被修改，可以确定被修改的位置。与其他水印不同的是，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。

（4）访问控制（Visitingcontrol）

利用数字水印技术可以将访问控制信息嵌入到媒体中，在使用媒体之前通过检测嵌入到其中的访问控制信息，以达到访问控制的目的，它要求水印具有很高的鲁棒性。这种应用的一个典型例子是DVD防拷贝系统，即将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性，从而保护制造商的商业利益。

（5）信息隐藏(Informationhide)

数字水印可用于作品的标识、注释、检索信息等内容的隐藏，这样不需要额外的带宽，且不易丢失。另外，数字水印技术还可以用于隐蔽通信，这将在国防和情报部门得到广泛的

应用。

1.4数字水印处理系统

数字水印处理系统主要由数字水印生成算法、嵌入算法和检测算法构成。

数字水印处理系统基本框架可以定义为9元体，即（M ，X ，W ，K ，G ，Em ，At ，D ，Ex ）[5]:

M:代表所有可能原始信息的集合。

X:代表所要保护的数字产品的集合。

W:代表所有可能水印信号的集合。

K:代表水印密钥的集合。

G:表示利用原始信息m 、密钥K 和原始数字产品x 共同生成水印的算法，即 G:M×X×K→W ，w=G(m ，x ，K)

Em:表示将水印w 嵌入数字产品x 中的嵌入算法，即

Em:X×W→X ，x m =Em(x ，w)

At:表示对含水印产品的攻击算法，即

At:X×K→X ，x*=At(x w ，K’)

这里，K'表示攻击者伪造的密钥。

D:表示水印检测算法，即

D:X×K→{0，1}，D(x*，K)= ⎩⎨⎧w *x ,0w

*x ,1中不存在中存在

Ex:表示水印提取算法，即

Ex:X×K→W ，w*=Ex(x*，K)

2数字水印生成技术

为了使水印有较好的稳健性和抗攻击性能，大多数水印算法采用伪随机序列作为水印。Cox 等人[8]提出，利用Gaussian 随机序列产生的水印具有更好的稳健性。目前一般取下述随机序列作为水印:①高斯白噪声:满足均值，方差的正态分布;②伪随机序列:具有类似白噪声的性质，但又具有周期性和规律性，可以人为地产生和复制，如二值的m 序列，M 序列，混沌序列等作为水印；③根据有特定含义的原始水印所生成的随机序列。

在许多应用场合，要求嵌入图像的信息是可读的或可视的，如有意义的文字串或一个图像(商标，印鉴等)。这种有意义的水印与无意义的伪随机噪声相比，所具有的优点是不言而喻的。图像水印属于较直观的水印，通过人类视觉进行判断，可以容忍一定的失真。如果给定的原始水印是具有特定意义的图像，文本或音频数据，则相邻的像素间具有很强的相关性，因此，必须采用一定的措施使水印信息能量分散，消除信息中相邻像素的空间相关性，提高其抵制图像剪切操作能力，以保证数字水印算法的鲁棒性，同时提高了安全性。通常的方法是采用置乱处理，图像置乱就是利用某种算法将一幅图像各像素的次序打乱，但像素的总个数不变，直方图不变，己提出的图像置乱方法有Fass 曲线、Gray 代码、Arnold 变换和方式等。Arnold 变换是Arnold 在遍历理论中提出的一种变换，又称猫脸变换(Arnold'sCatMap)，如图1所示。