数字水印攻击及对策分析

数字水印攻击及对策分析

【摘要】数字水印技术作为数字媒体版权保护的重要手段越来越引起人们的重视。文章讨论了数字水印的概念、特征, 重点介绍了数字水印的鲁棒性及影响数字水印鲁棒性的因素，总结和分析了数字水印主要攻击方式并提出相应的应对措施。

【关键词】数字水印；简单攻击；同步攻击；削去攻击；混淆攻击

【 abstract 】 digital watermarking technology, as the essential protecting method of digital media copyright protection, has drawn more and more attention from the public. in this paper, the concept and features of digital watermarking were analyzed in details, among which the robustness of digital watermarking and factors that affect it were introduced in special stress. in addition, the main type of attack of digital watermarking was discussed and some corresponding solutions were given as well.

【 keywords 】 digital watermarking; simple attacks; synchronization attacks; removal attacks; ambiguity attacks 1 引言

随着多媒体技术和互联网的迅猛发展，网上的数字媒体应用正在呈爆炸式的增长，越来越多的知识产品以电子版的方式在网上传

播。数字信号处理和网络传输技术可以对数字媒体的原版文件进行无限制的任意编辑、修改、拷贝和散布，由此引发出数字媒体的知识产权保护和信息安全的问题，这一问题日益突出，已成为数字世界的一个非常重要和紧迫的议题。因此，如何防止知识产品被非法复制及传播，也是目前急需解决的问题。

数字水印技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中

嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。

数字水印技术源于开放的网络环境下保护多媒体版权的新型技术，它可验证数字产品的版权拥有者、识别销售商、购买者或提供关于数字产品内容的其他附加信息，并将这些信息以人眼不可见的形式嵌入在数字图像或视频序列中，用于确认数字产品的所有权和跟踪侵权行为。除此之外，它在证据篡改鉴定，数字的分级访问，数据产品的跟踪和检测，商业视频广播和因特网数字媒体的服务付费，电子商务的认证鉴定，商务活动中的杜撰防伪等方面也具有十分广阔的应用前景。自从1993年首次提出“数字水印”概念以后，数字水印技术引起工业界的深厚兴趣，已成为非常活跃的研究领域。

2 数字水印特性

数字水印一般具有不可感知性、鲁棒性、检测的可靠性、计算的

有效性、安全性、唯一性、嵌入有效性等特性和要求。数字水印的鲁棒性是指加入的数字水印不仅能抵抗非恶意的攻击，而且要求能抵抗一定失真的恶意攻击，并且经过一般的数据处理不影响水印的的检测。数字水印算法的鲁棒性反映水印算法经受各种攻击的能力。一个好的数字水印系统，理论上应该使得加入水印后的原始图像具有较强的鲁棒性和最小的视觉失真。攻击目的是想改变数据，使嵌入于其中的水印标记无法辨认，即降低检测水印的可能性。有效的水印算法必须具有鲁棒性，即数字水印必须很难被清除，从理论上讲，只要具有足够的知识，任何水印都可以去掉。但是如果只能得到部分信息，如水印在图像中的精确位置未知，那么任何企图破坏水印的操作都将导致图像质量的严重下降。一个实用的水印算法应该对信号处理、通常的几何变形以及恶意攻击具有稳健性。

3 影响水印鲁棒性的因素

3.1 嵌入的信息量

在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形，然而在实际中，这两个指标往往不能同时实现。要嵌入的信息越多，水印的鲁棒性就越差。

3.2 水印嵌入强度

水印嵌入强度和水印不可见性之间存在一个折衷。增加鲁棒性就要增强水印嵌入强度而相应地会降低水印透明性。

3.3 图像尺寸和特性

图像的尺寸对嵌入水印的鲁棒性有直接影响。尽管太小的含水印的图片没有多少商业价值，但一个实用的水印软件程序应能从图片中恢复出水印，这就避免了对它们的马赛克攻击。此外图像的特性也对水印的鲁棒性产生重要影响，如对扫描的自然图像具有高鲁棒性的方法在应用于合成图像时，鲁棒性大大削弱。

3.4 秘密信息如密钥

数字水印算法中，密钥空间必须足够大，以使穷举攻击法失效。许多安全系统不能够抵御一些简单的攻击，往往是因为系统在设计时就没有遵循基本的密码学原理。

4 数字水印攻击与对策

对数字水印的攻击一般是针对水印的鲁棒性提出的要求，数字水印的鲁棒性是指水印信号在经历多种标准数据处理或恶意的攻击之后，仍能保持完整性或仍能被准确鉴别的特征。这里的标准数据处理是指数据经过数据发布渠道，如编辑、打印增强、格式转换等的过程。恶意的攻击是指那些带有损害性、毁坏性的，或者试图移去水印信号的处理过程。鲁棒的水印应该能够抵抗各种水印攻击行为。按照攻击后的水印作品具有的商业价值可以将攻击分类为成功的攻击和毁坏性的攻击。一种成功的攻击可以为攻击者创造商业价值。它能够把水印削弱到无法恢复和提取的地步，同时攻击后的载体数据只有一些少许的变动，不影响载体数据的商业价值。这是实

际应用中最需要考虑进行对抗的攻击。而毁坏性攻击无法为攻击者创造良好的商业价值，但是它可以起到破坏的作用，影响数字水印的实际应用。

按照攻击原理可以将攻击分为四类：简单攻击、同步攻击、削去攻击和混淆攻击。

4.1 简单攻击及对策

简单攻击是试图对整个嵌入水印后的载体数据进行操作来削弱嵌入的水印的幅度，从而导致数字水印提取发生错误，甚至根本提取不出水印信号。常见的操作有线性滤波、通用非线性滤波、压缩（jpeg、mpeg）、加噪、象素域量化、数模转换等。

可以采用两种方法抵抗这种类噪声失真：增加嵌入水印的幅度和冗余嵌入。通过增加嵌入水印幅度的方法，可以大大地降低攻击产生的类噪声失真现象，在多数应用中是有效的。冗余嵌入是将一个水印信号多次嵌入，采用大多数投票制度实现水印提取。另外，采用错误校验码技术进行校验，可以更有效地根除攻击者产生的类噪声失真。

4.2 同步攻击及对策

同步攻击是试图破坏载体数据和水印的同步性，即试图使水印的相关检测失效或使恢复嵌入的水印成为不可能。被攻击的数字作品中水印仍然存在，而且幅度没有变化，但是水印信号已经错位，不