数字水印技术研究

• 信息隐藏（Information Hiding）
利用人类感知系统以及计算机处理系统的 冗余 载体可以是任何一种多媒体数据，如音频、 视频、图像、甚至文本、数据等 被隐藏的信息也可以是任何形式（全部作 为比特流）
必要性
• 信息隐藏
– 加密：对秘密信息本身进行保护，但信息的传递过 程是暴露的 – 隐藏：掩盖秘密信息存在的事实
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。
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。
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。
数字水印的分类
• 鲁棒水印和脆弱水印。
• 密码仅仅隐藏了信息的内容，而信息伪装不但 隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在；
• 传统的以密码学为核心技术的信息安全和伪装 式信息安全技术不是互相矛盾、互相竞争的技 术，而是互补的；
内容
• 信息伪装技术研究的内容包括信息隐藏和信 息的版权认证，信息访问的合法身份认定等。 其研究涉及密码学，图象处理，模式识别， 数学和计算机科学等领域。 • 特性：
信息隐藏的应用
• 军事和情报部门
–军事通信中通常使用诸如扩展频谱调制或流星 散射传输的技术使得信号很难被敌方检测到或 破坏掉 –伪装式隐蔽通信正是可以达到不被敌方检测和 破坏的目的
• 需要匿名的场合
–包括很多合法的行为，如公平的在线选举、个 人隐私的安全传递、保护在线自由发言、使用 电子现金等 – 非法的行为，如诽谤、敲诈勒索以及假冒的商 业购买行为
Watermark (50 x 20 pixels)
Watermarked Image
Recovered Watermark
LSB的健壮性很差
Recovered Watermark after addition of 1% Gaussian Noise
Recovered Watermark after JPEG Compression with Quality 95
128 127 127 … 121 124 124 … …… 86 85 87 …
信息隐藏的思想
利用以 – 数字信号处理理论（图像信号处理、音频信 号处理、视频信号处理等） – 人类感知理论（视觉理论、听觉理论） – 现代通信技术 – 密码技术 等为代表的伪装式信息隐藏方法来研究信息的保 密和安全问题
信息隐藏与数字水印技术
—背景、算法及相关理论
王昭顺 北京科技大学信息工程学院
信息隐藏问题描述
• 囚犯问题
–两个囚犯A和B被关押在监狱的不同牢房，他们想通 过一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通 过看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者 怀疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间 的秘密信息
• 化学方式实现的高级隐写术
– 用笔蘸淀粉水写在白纸上，喷上碘水后显示棕 色字体
• 艺术作品中隐写术
– 变形夸张的绘画作品 – 二次大战女钢琴家的慰问演出
• 藏头诗
藏头诗
我闻西方大力士，为人了却凡心。 秋来明月照蓬门，香满禅房幽径。 屈指灵山会后，居然紫竹成林。 童男童女拜观音，仆仆何嫌荣顿？ 我画蓝江水悠悠，爱晚厅上枫叶愁。 秋月溶溶照佛寺，香烟袅袅绕经楼。
基于DCT变换的水印技术
正变换：
Fc ( , )
2 MN
c( )c( ) f ( x, y) cos[2N (2 x 1) ] cos[2M (2 y 1) ]
x 0 y 0
M 1 N 1
逆变换： f ( x, y)
M 1 N 1 2 MN 0 0
如果Bi(u1,v1) - Bi(u2,v2) > k，则嵌入1，否则嵌入0 不满足关系式的系数值通过加入随机噪声进行修改
Recovered Watermark
Watermarked Image
鲁棒性
5% Gaussian Noise
15% Gaussian Noise
JPEG Compression Q=50
1 原始图像
2 水印
3 加入水印后的图像
数字水印的特性
透明性(隐藏性)： 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，在视觉或听觉上具有不可感知性。
鲁棒性：指不因图象文件的某种改动而导致隐藏信息
丢失的能力，这些改动包括传输过程中的信道噪声、 滤波、增强、有损压缩、几何变换、D/A或A/D转换等 。
信息伪装
隐秘信道
伪装术
匿名通信
版权标识
脆弱的数字水印
基于语义的伪装术
基于技术的伪装术
稳健的版权标识
水印
指纹
不可见水印
可见水印
信息隐藏的历史
• 公元前440年出现用头发掩盖信息的方法 • 将信函隐藏在信使的鞋底、衣服的皱褶， 妇女的头饰、首饰中 • 在信函中改变字母笔画的高度，或在字 母上（下）面挖非常小的孔 • 17世纪的无形墨水：在特定的字母上制 作非常小的斑点 • 19世纪的微缩胶片
S

i 1
n
~ ~ (ai bi )
如果这个载体确实包含了一个水印，就可以预计这个 和为2n，否则它将近似为零。
频率域数字水印算法
• 频率域算法：
–图象的频域空间中可以嵌入大量的比特而不 引起可察的降质，当选择改变中频或低频分 量（除去直流分量）来加入水印时，强壮性 还可大大提高。 –频域水印技术可以利用通用的离散余弦变换， 小波变换和傅立叶变换等变换方法。
信息隐藏的攻击
• 被动攻击
–监视和破译隐藏的秘密信息
• 主动攻击
–破坏隐藏的秘密信息 –篡改秘密信息
• 非恶意修改
–压缩编码，信号处理技术，格式转换，等等
信息隐藏的健壮性
• 伪装载体受到某种攻击后，仍然能够从 中提取出隐藏信息，称为算法对这种攻 击是健壮的 • 隐藏容量、安全性、健壮性相互制约
LSB数字水印和健壮性问题
1）隐蔽性; 2）安全性; 3）对称性; 4）可纠错性。
• 信息隐藏的应用
– 信息隐藏
伪装式隐蔽通信
– 数字水印 – 数字版权管理DRM
数字产品的版权保护
• 信息伪装技术（广义信息隐藏）
– 为防止数据泄漏，在某种载体中嵌入数据 – 古代的隐写术（Steganography）：隐蔽机 密信息
• 将密码学与信息隐藏相结合，就可以同时保证 信息本身的安全和信息传递过程的安全 • 数字水印
– 数字产品的无失真复制的特点，造成版权保护和管百度文库理方面的漏洞
技术上的可行性
• 利用人类感知系统的冗余
– 视觉 – 听觉
• 利用计算机处理系统的冗余
– 图像 视频 – 音频
• 利用各种潜信道
信息隐藏技术的分类
• 数字水印技术已发展成为涉及数学、密码学、 通信理论、编码理论、扩频技术、信号处理技 术、数据压缩技术、躁声理论和视听觉感知理 论等学科的综合技术。
数字水印的概念
• 数字水印（digital watermark）技术，是指在数 字化的数据内容中嵌入不明显的记号。 • 被嵌入的记号通常是不可见或不可察的，但是 通过一些计算操作可以检测或者提取。 • 水印与源数据（如图象、音频、视频数据）紧 密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一 部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值 或商用价值的操作而存活下来。
• 看守者
–被动看守者：只是检查传递的信息有没有可疑的地方 –主动看守者：故意去修改一些可能隐藏有信息的地方， 或者假装自己是其中的一个囚犯，隐藏进伪造的消息， 传递给另一个囚犯
信息隐藏问题
0 1
1 0
1 … 0 …
……
0
1
1 …
128 127 126 … 120 123 124 … …… 85 85 86 …
• 隐藏者
尽可能多地将信息隐藏在公开消息之中 尽可能不让对手发现任何破绽
• 攻击者
尽可能地发现和破坏对手利用信息隐藏技术隐藏在公开消息 中的机密信息
信息隐藏与信息安全
• 信息隐藏（伪装）就是将秘密信息秘密地隐藏 于另一非机密的文件内容之中。其形式可为任 何一种数字媒体，如图象、声音、视频或一般 的文档等等；
c( )c( )F ( , ) cos[ (2x 1) ] cos[
c 2N
2M
(2 y 1) ]
12 x 0 c 其中：( x) x 1,2,...,N 1 1
１６ １２ １４ １４ １８ １１ １２ １３ １７ ２２ １０ １４ １６ ２２ ３７ １６ １９ ２４ ２９ ５６
JPEG Compression Q=20
NEC算法
• NEC算法：NEC实验室的COX等人提出的基于扩展 频谱的水印算法,原则为： –水印信号应该嵌入源数据中对人的感觉最重要 的部分。在频谱空间中，这种重要部分就是低 频分量。这样，攻击者在破坏水印的过程中， 不可避免地会引起图象质量的严重下降。 –水印信号应该由具有高斯分布的独立同分布随 机实数序列构成。这使得水印经受多拷贝联合 攻击的能力大大增强。
Ideal Watermark-Object
• 图像
Watermark-Object with 25% Additive Gaussian Noise
图像数字水印算法
• 空间域算法：
– 典型的算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最 不重要的像素位上，算法的鲁棒性差，水印信息很 容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。 – 另一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入 像素的亮度值中，如Patchwork算法，随机选择Ｎ对 像素点 (ai，bi) ，然后将每个ai点的亮度值加 1 ，每 个bi点的亮度值减 1，这样整个图像的平均亮度保 持不变。检测时，计算
离合诗（Acrostic）
七律•问缘 我常夜半询姻命， 与月为邻爱晚星。 秋槿含情风后落， 香獐有意谷间鸣。 天街雨过涤新树， 长路云收现旧亭。 地老皆缘蕃草木， 久愁比翼痛风铃。
施耐庵《水浒传》第61回 吴用诱使卢俊义将离合诗
卢花潭上有扁舟， 俊杰黄昏独自游。 义到尽头原有命， 反弓逃难必无忧。
题于墙上，使卢俊义遭官府 迫害逼上梁山
信息隐藏的原理框图
载体对象c 载体信 息源
伪装对象c’
A 秘密消息m
信息嵌入 算法
不安全信 道
信息提取 算法
Ｂ 秘密消息m
密钥k
信息隐藏的原理框图
实现信息隐藏的基本要求
• 载体对象是正常的，不会引起怀疑 • 伪装对象与载体对象无法区分，无论从 感观上，还是从计算机的分析上 • 信息隐藏的安全性取决于第三方有没有 能力将载体对象和伪装对象区别开来 • 对伪装对象的正常处理，不应破坏隐藏 的信息
– 鲁棒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； – 脆弱水印对信号的改动很敏感，根据脆弱水印的状态 就可以判断数据是否被篡改过，主要用于完整性保护 。
• 空间域水印和频率域水印：
– 直接在空间域中对采样点的幅度值作出改变，嵌入水 印信息的称为空间域水印； – 对变换域中的系数作出改变，嵌入水印信息的称为频 率域水印。
数字水印技术
• • • • • 数字水印提出的背景 数字水印的概念、特性及分类 图像数字水印的几种算法 常见的几种数字水印攻击方法 数字水印的应用
数字水印提出的背景
• 多媒体信息安全中传统的加解密系统并不能很 好地解决版权保护、信息防伪问题。
–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，但是这样就无法向更多的人展 示自己的作品；而且数据一旦被解开，就完全置于 解密人的控制之下，原创作者没有办法追踪作品的 复制和二次传播。 –数字水印技术是信息隐藏在多媒体领域的重要应用。
• 非盲水印和盲水印。
– 非盲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。
• 可见水印与不可见水印。
盲水印
含水印图像
明文水印
盲抽取算法
原始图像
含水印图像 抽取的 水印
抽取的水印
• 可见水印
• 不可见水印
嵌入水印
通用数字水印系统框架
数字水印的选择
• 文本
W: 1010111 1000111: G
２４ ２６ ４０ ５１
４０ ５８ ５７ ８７
５１ ６０ ６９ ８０
６１ ５５ ５６ ６２
６８ １０９ １０３ ７７
２４
４９ ７２
３５
６４ ９２
５５
７８ ９５
６４
８１ １０４ １１３ ９２
８７ １０３ １２１ １２０ １０１ ９８ １１２ １００ １０３ ９９
DCT变换域
JPEG压缩量化表
DCT系数比较法