信息隐藏与数字水印的研究及发展_钮心忻

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信

息隐藏和数字水印的研究是在２０世纪９０年代受到重视并蓬勃发展起来的。多媒体信息在网络

上的传递、发布和扩散带来了一系列的问题和应用需求，从总体上来说可以分为两大部分：伪装式保密信息传递（即信息隐藏）和多媒体信息的版权保护问题（即数字水印）。信息隐藏主要应用在需要安全保密通信的部门，利用多媒体信息中的冗余空间携带隐蔽信息，达到秘密信息伪装传递的目的；同时，信息隐藏还要研究其对立面——隐蔽信息的分析和检测，这与密码编制学和密码分析学是类似的，信息隐藏与分析是一对矛盾统一体，它们相互对立又相互促进。数字水印从实质上说也是一类信息隐藏，但是其目的不是为了保密通信，而是为了标明载体本身的一些信息，如多媒体信息的创作者、版权信息、使用权限等一系列需要标明的信息，利用数字水印，还可以跟踪多媒体产品的非法传播和扩散，打击盗版。数字水印技术目前正处于一个快速发展和持续深入的阶段，应用领域也在快速扩展。从最初的图像水印、音频水印，发展到软件水印、视频水印、文字水印；从最初的算法研究，扩展到行业领域的应用，如数字地图的版权保护、数字图书的版权保护、证件防伪、多媒体数据的检索、电子公文防篡改等。

１．信息隐藏的主要研究领域

信息隐藏的研究分为正反两方面：隐藏和分析。隐

信息隐藏与数字水印的研究及发展

北京邮电大学 钮心忻／文

藏的目的是要在多媒体载体中隐藏尽可能多的信息，同时不能引起任何可察觉的变化（包括感观上的变化和信息统计分析上的变化）；分析的目的就是要在一批看似正常的多媒体载体中，通过各种分析方法，找出被怀疑隐藏有秘密信息的载体，然后通过提取、破译或者破坏，达到拦截和破坏秘密信息隐蔽传递的目的。

根据信息隐藏的载体分类，可以分为图像中的信息隐藏、视频中的信息隐藏、语音中的信息隐藏、文本中的信息隐藏、各类数据中的信息隐藏等。在不同的载体中，信息隐藏的方法有所不同，需要根据载体的特征选择合适的隐藏算法。比如图像、视频、音频中的信息隐藏，大部分都是利用了人的感观对于这些载体信号的冗余度来隐藏信息。而文本或其他各类数据就无法利用冗余度来隐藏信息，因此在这些没有冗余度或者冗余度很小的载体中隐藏信息，就需要从另外的角度来设计隐藏方案。

根据目前已经提出的信息隐藏算法，从它们对载体的修改方式上进行分类，可以分为：时域（空域）替换技术、变换域技术、扩展频谱技术、统计方法。

根据隐藏载体以及载体传输过程中可能遭到的破坏和攻击的类型不同，可考虑设计不同的算法抵抗破坏和攻击。对载体的破坏包括非恶意的和恶意的，非恶意的破坏例如载体在传输过程中叠加了噪声、受到有损压缩

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等，而恶意的破坏旨在消除隐藏的秘密信息。对数字图像的常见破坏主要有：图像加噪、低通滤波、有损压缩、图像剪切、图像拼接、图像大小变化、图像旋转、打印扫描等。对数字视频的常见破坏主要有：加噪、视频压缩编码、丢帧、插帧、帧重组、视频流剪切和拼接等。对数字音频的常见破坏主要有：加噪、滤波、语音压缩编码、数模模数转换、重采样、采样率变化等。对于数据集合的常见破坏主要有：数据跨平台的格式转换、数据删除、数据添加等。

２．信息隐藏的重点发展方向

信息隐藏目前的研究热点和难点在以下几个方面：信息隐藏的容量问题。信息隐藏在算法研究到一定程度后，急需解决一些深层的基础理论问题，例如，如何建立不可感知性的数学度量模型，信息隐藏的容量上界如何计算，能否达到此容量上界，通过哪些指标综合评价信息隐藏算法的优劣等。

信息隐藏的对立面——隐藏分析（现在越来越受到重视）。信息隐藏技术是一把双刃剑，它既可以被合法使用，用于保护国家重要信息，又可以被违法犯罪分子甚至恐怖分子所利用，达到逃避监控的目的。因此，为了使信息隐藏理论与技术能够健康发展，其对立面必须得到同步发展。

信息隐藏分析的目的有三个层次。第一，要回答在一个载体中，是否隐藏有秘密信息。第二，如果藏有秘密信息，提取出秘密信息。第三，如果藏有秘密信息，不管能否提取出秘密信息，都不想让秘密信息正确到达接收者手中，因此，第三步就是将秘密信息破坏，但是又不影响伪装载体的感观效果（视觉、听觉、文本格式等），也就是说使得接收者能够正确收到伪装载体，但是又不能正确提取秘密信息，并且无法意识到秘密信息已经被攻击。

在信息隐藏分析中，类似于密码分析，可以根据检测者已知的消息进行分类：仅知伪装对象分析，已知载体分析，已知消息分析，选择伪装对象分析，选择消息

攻击，已知隐藏算法、载体和伪装对象攻击。

即使已知某些消息，并假定攻击者有最好的攻击条件，提取隐藏的信息仍然是非常困难的。对于一些稳健性非常强的隐藏算法，破坏隐藏信息也不是一件容易的事情。

主要的隐藏分析方法有：感观分析、统计分析、特征分析。

３．数字水印的主要研究领域

数字水印的提出是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，人们已经发现了水印更多更广的应用。

目前，数字水印技术的应用大体上可以分为版权保护、数字指纹、认证和完整性校验、内容标识和隐藏标识、使用控制、内容保护、安全不可见通信等几个方面。

版权保护：当数字水印应用于版权保护时，其潜在的应用市场有：电子商务、在线（或离线）分发多媒体内容以及大规模的广播服务。潜在的用户则有：数字产品的创造者和提供者；电子商务和图像软件的供应商；数字图像、视频摄录机、数字照相机和ＤＶＤ的制造者等。

数字指纹：为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可在其每个产品拷贝中分别嵌入不同的水印（称为数字指纹）。如果发现了未经授权的拷贝，则通过检索指纹来追踪其来源。在此类应用中，水印必须是不可见的，而且能抵抗恶意的擦除、伪造以及合谋攻击等。

认证和完整性校验：在许多应用中，需要验证数字内容未被修改或假冒。尽管数字产品的认证可通过传统的密码技术来完成，但利用数字水印来进行认证和完整性校验的优点在于，认证同内容是密不可分的，因此简化了处理过程。

当对插入了水印的数字内容进行检验时，必须用惟一的与数据内容相关的密钥提取出水印，然后通过检验提取出的水印完整性来检验数字内容的完整性。数字水印在认证方面的应用主要集中在电子商务和多媒体产品分发至终端用户等领域。

内容标识和隐藏标识：此类应用中，插入的水印信息构成一个注释，提供有关数字产品内容的进一步信息。