信息隐藏原理及数字水印技术的若干问题和趋势

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摘
要 从信息隐藏的原理入手， 论述 了信息隐藏的基本模型以及在教 字元元水印技术上的应用。 阐述信息陈藏基本原 理 、 算法和基本特性 ， 以及相关技术的研 究与进展现状 ， 以数字水印技 术为例 ， 重点分析 了教字水印技术原理特点 、 型 模
典型算法以 及对数字水印攻击方法， 最后探讨了 毅字水印技术的研究发展趁势及其应用前景
文章首先给出了 信息隐藏技术基本原理模型以及它们的 特性 ， 其次讨论了数字水印的原理特点、 系统模型和对数字水 印的攻击方法， 进而分析了当前信息隐藏和数字水印技术的一 些典型算法， 最后对数字水印技术的研究发展及其应用前景指
出 了一些 可能 的方 向
的存在。而信息加密是将资料加密完全变为秘文， 没有密钥的
泄密 ， 它主要用于保密通信上Ｊ
数字水印技术涉及到通信理论 、 编码理论、 噪声理论、 视听 觉感知理论、 扩频技术、 信号处理 、 数宇图像处理 、 多媒体技术 、
模式识别技术 、 算法设计、 人工智能等理论 ， 对数字水印的研究
圈 １ 伯斑随获和握取的系统懊型
已逐渐成为多媒体信息安全研究领域的一个热点ｒ ｎ ｏ
的是载体信息 ， 它要 比一般信息隐藏有更高的鲁棒性 、 安全性
秘密伯息（ 犷一 Ｍ
喊沛亡），｛ Ｃ 密钥 （１ Ｈ
密钥 （） 皿
嵌入万法
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和透明性 ． 因为隐藏的信息丢失意味着对多媒体信息版权等保 护功能丧失 而信息隐藏中隐藏的信息丢失并没有造成信息的
体 Ｃ具有充分接近的特性 ，信息隐藏对人的视觉或听觉系统 透明， 感觉不到隐秘载体的明显变化 如具有一致的统计特性 、
秘密、公开｝ 口 ｋ ：私钥 、公钥水印 ｆ 、变换城水印
盲 水印 北盲水〔 口
肉眼无法区分隐秘图像与原始图像区别等， 当然个别场合也采
用可见的水印。
（） Ｒｂｓ ｅｓ． ２％棒性（ｏｕｔ ｓ）隐秘载体 Ｓ ｎ 收到一定的干扰 ， 仍 然能够恢复秘密信息的能力 对隐秘载体资料干扰通常包括滤 波、 平滑、 、 增强 重采样 、 有失真压缩，／ Ａ Ｄ或 Ｄ Ａ变换， ／ 噪音干
信息隐藏原理及数字水印技术的若干问题和趋势
刘世栋 ’ 杨 林 “ 王建新 ２ ， （ 南京解放军理工大学通信工程学院， 南京 ２０ １） １０６ ２ １ （ 北京总参第６ 研究所， 北京 １０３ ） ００９
Ｅ ｍ ｉ ｓｉ ｎｌ（１３ ｍ － ａ ： Hale Waihona Puke Baiduｇｕｂ ， ｍ ｌｈ ｄ ｉ？ ６
通常信息隐藏和提取 的系统模型如图 １ 所示
预处理
当前数字水印制作方案同信息隐藏一样，在水印的嵌人、 提取时多采用加密体制来加强信息的隐秘性， 但数字水印除 了
具备信息隐藏技术的一般特点之外 ， 还有 自己的一些特点和研
峨 Ｃ 体： ）
究方法Ｒ１ ｂ 。从对信息的保护对象角度来看， 数字水印最终保护
鑫金项目：十五’ “ ． 部委预研项 目 作者简介： 刘世栋 男 博士研究生 主要研究方向 信息安全 ， 数字水印
２ 信息隐藏的模型 ． ２
信息隐藏技术主要内容包括信息嵌人算法和隐蔽信息检
杨林 ， 博士， 男， 离级工程师 ， 研究生导师 、 主要研究方向 信号处理 ， 信息
安全。王建新， 研究员， 男 博士生导师 主要研究方向： 动化信息处理， 自 信息安全 １８ ３１ ２０． 计算机工程与应用 ５ ０ ２
关健词 信 ４悠藏 数 字水印 ． 多媒体信息安全 版权保护
亨赶撅 识 码 Ａ 巾圈 分举 号 Ｔ ３ １ １ Ｐ９ ． ４
寺 音 脸 昙 Ｉ － ３ １ （０１）２ ０ ５ － ３ （１ ８ ３ 一 ２ ３ １－ １８ ０ ｘ２
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的保护， 尤其是网络上 日益增多的多媒体信息进行保护已经引
信息隐藏（ ｆｍ ｔｎ ｉ ） Ｉｏ ａｏ Ｈｄ ｇ是把一个有意义的秘密信 ｎ ｒ ｉ ｉｎ
息如软件序列号、 秘文或版权信息通过某种嵌人算法隐藏到载
体信息（ ｖ ｍｓ ｇ） ｃ ｅ ｅ ａ 中从而得到隐秘载体（ｅ ｃ ｅ 的过 ｏ ｒ ｓ ｅ ｓｇ ｏ ｒ ｔｏ ） ｖ 程。通常载体可以是文字、 图像、 声音和视频等， 而嵌入算法也
水印（ ｗ
（）＇ ３Ｗ钥及安全性（ｅｕｔ ＂， Ｓｃｒ ） 对密钥的保护以及嵌人算 ｉ ｙ
法有较强的对抗攻击能力，能够抵抗攻击者一定程度的攻击 ． 使秘密信息不会被破坏。
（） ４隐藏的信息量， 嵌人的秘密信息必须能够具有足够多 的信息 例如足够表示多媒休信息的版权等 实际上， 隐藏的信
万方数据
测／ 提取算法。信息嵌人算法利用对称密钥或公开密钥来实现 秘密信息的隐藏， 得到隐秘载体。 隐蔽信息检测／ 提取算法利用
相应的密钥从隐蔽载体中检测或恢复出秘密信息“ 。 州 没有解密
保护资料的传播 、 真伪鉴别和非法拷贝、 解决版权纠纷并为法
庭提供证据
密钥 ， 攻击者很难从隐秘载体中发现和编辑秘密信息
起了人们的高度重视。人们在通过网络发布软件文文件 、 多媒
体作品时， 希望能够有效地保护自己的作品版权， 防止他人对 信息进行非法复制、 传播以及篡改。 为了解决此类的安全间题，
在近些年信息安全技术研究领城出现了一个新的研究方向一 信 息隐藏和数字水印技术ｎ作为版权保护、 ， 违反者 、 防止非法复
制、 图像安全认证 、 隐蔽通讯 与对抗 以及电子商务 中网页保护 和票据防伪等方面的有力工具， 已得到了广泛的关注和发展叹
信息隐藏虽然继承了信息加密的一些基本思想， 但信息隐 藏目不是限制资料信息的交流存取． 而在于保证隐藏信息不被
察觉和破坏 信息隐藏不但隐藏了信息的内容而且隐藏 了 信息
进行操作‘ 如对图像进行几何变化 ， 数据压缩或者传输 ） 不 时，
应该破坏所隐藏的秘密信息，即对通常的操作具有免疫性ｎ 凡
根据信息隐藏的 目的和技术要求 通常将信息隐藏要求和特性
主要分为 以 下 个方面 几
可见水印、不可贝 印 （ 水 德幼．用 ） ｕ ｋ
盆 宇水印 分类
（） １不可感知性（ ｒ ｐｂｉ）指隐蔽载体 Ｓ Ｉｐ ｃ ｔｉｙ ｍ ｅ ｅ ｉｌ ， ｔ 与原始栽
２ 信息隐藏的特性 ． ３
根据信息隐藏的基本原理 ， 当对含有秘密信息的隐秘载体
３ 数字水印的分类 ． ２
数字水印的分类方法很多０该文主要从水印的载休 、 、 ， 外观
检测方法 、 嵌人策 略上进 行分类 。主要分类如 图 ２所示 〕
份止图像 、 视领． Ｆ 文 文件、 音Ｓ． 二讲和３ ｈ
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ｒ ｃ ｉｎ ｅ ｔｏ ｓ
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Ｋ ｙ ｏｄ ： ｒａｏ Ｈｄ ｇＤｇａ Ｗ ｔｍ ｒｎ ， ｕｉｅｉ ｓ ｕｔ， ｒｈ Ｐ ｔ ｔｎ ｅｗ ｒｓ Ｉｏ ｔｎ ｉ ，ｉｔ ａ ｒａ ｉ Ｍ ｌ ｄ ｅ ｒ Ｃｐ ｉ ｔ ｅ ｉ ｎ ｍｉ ｆ ｉｎ ｉｌ ｅ ｋ ｇ ｔ ａ ｉ ｏｙｇ ｒ ｃｏ ｍ ｃ ｙ ｏ １ 引言 ｉ算机网络技术和多媒体信息处理技术的迅速发展， ｔ 给人 们带来便利的同时也幕瞩出越来越严重的安全问题 由于计算 机网络是发布信息 、 提供应用和服务的主要煤介， 对网络信息
人难 以获取机密资料 ， 一旦被解密 ， 则信息就完全变成明文 ， 对
信息的保护作用也随之消失， 并且传统的加密方法由此也表明
了哪些是重要信息， 这会引起攻击者注意， 况且攻击者可以在
破 译失败的情况 下将信息破坏 ， 使合法的接收者无法阅读信息
内容１ －
２ 信息隐藏 ２１ 信息隐藏 的基本原理 ．
扰、 几何变换以及人为的破坏等
圈 ２ 敏字水印的分类
３ 典型数字水印系统模型 ． ３
水印的嵌入和提取／ 检测模型如图 ３ 和图 ４ 所示。图 ３ 为 水印信号嵌人模型， 功能是将水印信号加人载体资料中； 图４
为水印信 号提取／ 检测模 型，用 于判断载休 中是否含有水印信 号以及从隐秘载体中提取出水印信 号 － ｎｉ ０
Ｆ ｍ ｅ ｏｅ ｏ ｉｏ ａｏ ｈ ｉ ， ｉ ｐｐｒ ｉ ｄ ｃｓ ｓ ｉｏ ａｏ ｈ ｉ ａｄ ｉｌ ｏ ｏ ｈ ｈ ｉ ｆ ｍ ｉ ｉ ｇ ｈ ａ ｒ ｔ ｔ ｒｓ ｎ ｒ ｔｎ ｎ ｔｓ ｅ ｍ ｎ ｕｓ ｔ ｎ ｒ ｔｎ ｎ ｎ ｄ ｔ Ｗａｔ ｅ ｆ ｄ ａ ｉ ｅ ｈ ｆｍ ｉ ｉ ｇ ｉ ａ ｓ ｅ ｄ ｇ ｍ ｒ ｎ ｔ ｈｉ ｅ Ｆ ｔ ｉ ｕ ｅ ｔ ｂ ｉ Ｉ ｍｅ，ｇ ｉｍ ａｄ ａ ｃ ｒｔｓ ｔ ｉｏ ａｏ ｈ ｉ ａｄ ｉ ａ ｉ ｅ ｎ ｕｓ ｉ ｉｄ ｃｓ ｓ ａ ｃ ｉ ａ ｍｔ ｓ ｃ ｒ ｔｉｉ ｏ ｈ ｎ ｒ ｔｎ ｎ ｎ ｔ ｒ ｋ ｇ ｑ ．ｒ ｔ ｓ ｈ ｓ ｈ ｓ ｌ ｈ ｎ ｈ ａ ｅｓｃ ｆ ｆｍ ｉ ｉ ｇ ｈ ｃ ｓ ｓ ｅ ｅ ｅ ｄ ｅ
主要利用了多媒体信息的时间或空间冗余性和人对信息变化 的掩蔽效应。信息隐藏后， 非法使用者无法确认该载体中是否 隐藏了其它信息， 也难于提取或去除所隐藏的秘密信息。隐秘 载体通过信道到达接收方后 ， 接收方通过检测器（ ｔ ｔ ） ｄ ｅｏ 利 ｅｃｒ
用密钥从 中恢复或检测出隐藏的秘密信息１ １ 一 ｏ ］ ，
Ｌｕ ｉ ｎｒ ｎ Ｌｎ ｎ ｉ Ｓ ｄ ｇ Ｙ ｇ ｅ ｎ Ｊ ｎ ＇ ｈ ｏ ａ ｉ Ｗａｇ ｘ ｉ ｄ ａ ｃ ｉ Ｔｃｎ ｏｙＰＡＮｎｎ １０６ ＇ｎｉｔ ｏ Ｃｍ ｕｉ ｔｎ ｈｏ ｇ， ，ａ ｉ ２０１） （ ｓ ｕ ｆ ｍ ｎ ａｏ ｅ ｌ Ｌ Ｉ ｔ ｅ ｏ ｔ ｊｇ ＇ ｈ Ｓ ｔ ｆ ｔ ｄ ｙ ｅｅ ｔ ， ｊ １ ３） Ｃｎ ａ Ｓ ｆＢｉ ｇ ０９ （ ｅ ｙｉ Ａａ ｍ ， ｒ ｔ ｅｉ ０ Ｔ ｉ －ｒ ｃ ｅ ｘ ｓ ａ ｎ ０
息与系统的鲁捧性是一对矛盾， 嵌人的秘密信息越多， 鲁棒性
就越差
多 赚体信 息（
公钥２ 私有密钥Ｋ （ Ｘ １ 圈 ３ 水印信号嵌入栩型
３ 数字水印
３１ 数字水印的原理特点 ．
数宇水印是信息隐藏技术研究领城的重要分支， 它的出现 主要为了解决多媒休信息在网络上的版权保护间题 数字水印 主要是通过在原始资料中嵌人秘密信息一水印（ａ ｒａ ） ｗｔｍ ｒ 来 ｅ ｋ 证实该资料的所有权。嵌人的水印是有特殊意义的信息， 如文 字、 序列号、 公司标志、 声音等， 用来识别多媒休信息的作者、 版 本、 所有者、 发行者 、 合法使用人对数字产品的拥有权等， 并拚 带有版权保护信息和认证信息。 水印可以隐含、 、 显示 半透明等