数字水印

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水印信息
加载秘密信息后的水印图像
LSB算法分析
• 由于LSB位平面携带着水印，因此在嵌入水印图 像没有产生失真的情况下，水印的恢复简单，只 需要提取含水印图像的LSB位平面即可，而且这 种方法四盲水印算法，但是LSB法最大的缺陷是 对信号处理和恶意攻击的稳健性很差，对含水印 图像进行简单的滤波、加躁等处理后，就无法进 行水印的正确提取，通过实验可以看出，LSB算 法对于滤波操作和部分几何攻击的抵抗性不是很 好，水印图像不很清晰，尽管如此，由于LSB方 法实现简单，隐藏量比较大，以LSB思想为原型， 产生了一些变形的LSB方法，目前互联网上公布 的图像隐藏软件大多使用这种方法。
算法流程图
从位平面的分布来看，随着位 平面从低位到高位（即从位平面0到 位平面7），位平面图像的特征逐渐 变得复杂，细节不断增加。到了比 较低的位平面时，单纯从一幅位平 面上已经逐渐不能看出测试图像的 信息了，由于低位所代表的能量很 少，改变低位对图像的质量没有太 大的影响，LSB方法正是利用这一 点在图像低位隐藏入水印信息。
2、离散余弦变换(DCT)
• 图像水印嵌入过程： （1）将原始载体图像按 8*8大小进行分块，进行DCT变换； （2）选择n个方差值大的子块。为了实现在载体图像中嵌入 水印后的不可感知性，应该将水引信息尽可能地嵌入到图 像中纹理较复杂的子块。将图像子块的方差值作为衡量子 块纹理的复杂程度。方差的大小反映了图像子块的平滑程 度。当方差较小时，认为图像子块比较均匀；反之则认为 图像子块包含着较为复杂的纹理或边缘。
频域法有以下优点： 1、嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有 像素上，有利于保证水印的不可见性； 2、视觉系统的某些特性（如频率的掩盖特性） 可以更方便地结合到水印编码过程中； 3、频域法可与国际数据压缩标准兼容，从而实 现在压缩内的水印编码。
1、 最低有效位方法（LSB）
这是一种典型的空间域数据隐藏方法，就图 像数据而言，一幅图像的每个像素是以多比特方 式构成的，在灰度图像中，每个像素通常为8位； 在真图像（R G B方式）中，每个图像为24比特， 其中R G B三色各位8位，每一位的取值为0或1。 把整个图像分解为8个位平面，从LSB（最低有效 位0）到MSB（最高有效位7）。
• 信息安全隐患
– 互联网的普及与黑客技术的出现，使得机要信息的 发布、传递、管理更容易引起攻击者的注意，这样 的状况让加密数据与未加密数据几乎一样危险。
防伪状况：伪造/仿冒/造假
金额：120亿元特大假发票案 数量：45万余份 金额：7560余万元特大假烟案 规模：团队3人，抓获30人 数量：84010件（中华/芙蓉王） 损失：为国家避税39.6亿元 规模：覆盖全国20个省（区、 时间：2008.6.30（青岛） 市），抓获30人 时间：2008.1（河南）
除此之外，诸如多媒体软件、音乐著作权、数字 作品、电子读物/出版物等侵权较为严重……
信息安全：泄密/篡改/窃取
全球历史上著名商业间谍案…
国际矿业巨头力拓公司
（4名上海员工被拘） 全球历史上著名商业间谍案…
信息安全：泄密/篡改/窃取
信息安全威胁的主要来பைடு நூலகம் 1
自然灾害、意外事故； 计算机犯罪；
在某些水印系统中，水印可以被精确地提取出来，这一过 程被称作水印提取。例如在完整性确认的应用中。必须能 够精确地提取出嵌入的水印，并且通过水印的完整性来确 认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的 变化，最好还能够通过变化的水印的位置来确定原始数据 被篡改的位置。水印在提取时可以需要原始图像的参与， 也可以不需要原始图像的参与。图2是水印提取的框 图．虚线部分表示在提取或判断水印信号时原始图像不是 必需的。
涉及的相关理论和软件
数字水印的算法
空域水印算法是指将水印信号直接嵌入在原始数 据中。 频域水印算法是将原始信号和待检测信号同时进 行变换域变换，比较两者的区别，进行嵌入水印 的逆运算，得出水印信息。如果是可读的水印， 那么就此结束；如果是不可读水印，如高斯噪声， 就将得出的水印与已知水印作比较，由相关性判 断待检测信号含不含水印，故水印的检测有两个 结束点。
频域方法
• 空间域中加入水印的算法只能嵌入少量的数据，并且 大部分算法引入的都是类似高频噪声的水印，很容易 经过低通滤波，重新量化或有损压缩等操作后去除水 印。 • 在图像的频率域中嵌入水印，可以提高水印的鲁棒性。 • 频率域水印算法首先利用离散余弦变换（DCT）、离 散小波变换（DWT）和离散傅里叶变换（DFT）等 方法将数字图像的空间域数据变换为相应的频率域系 数；最后将数字图像的频率域系数经相应的逆变换转 化为空间域系数。
数字水印的模型
数字水印的嵌入、提取和检测
水印嵌入就是把水印信号W={w(k)}嵌人到原始图像 x0(k)={x0(k)}中。水印嵌入过程如图1所示。 水印嵌入准则分为： 加法准则：x（K）=x0（K）+a *w(k) 乘法准则：x(K)=x0（K）* {1+a*w(k)} a为强度因子，为了保证在水印不可见的前提下，尽可能提高 嵌入水印的强度。a的选择必须考虑图像的性质和视觉系统的 特性。
数字水印性能评价
• 不可感知性 • 好的算法是是嵌入信息多而引起感觉小 • 健壮性：经常和感知性矛盾
数字水印原理
• 水印算法通常包含水印加载和水印检测两个基本 方面。 水
印 的 嵌 入 过 程
水 印 的 检 测 过 程
• 一个典型的水印系统由嵌入器和检测器组成。嵌 入器根据要传送的信息M生成真正的水印信号， 并把它隐藏到媒体数据x中，得到含水印的信号y。 为了安全起见，水印信号的生成通常依赖于密钥 K。 • y经过传输网络可能会有一定的信息损失，到达检 测器端变成y′，这段通道对于嵌入器和检测器来 说都是不可控、不可知的，可以称其为攻击通道 （attack channel）。检测器负责从y′中提取信息。 对于不需要宿主信号的检测，我们称为盲水印 （blind watermarking），相反称为非盲水印 （non-blind watermarking）。由于应用的需求， 盲水印一直是研究的主流。
金额：2000余万元火车票 数量：6万张（5年内最大） 规模：涉案20人 时间：2009.1.10（广州）
除此之外，诸如伪造货币、有价证券、文件、单据、证件、信 用卡、合同、商标、标识、包装物、图章、名家书画、珍贵邮 票、图章等伪造较为严重……
版权问题：盗版/侵权/知识产权
全国集中销毁盗版及非法出版 物4685万件 日期： “ 4.26”世界知识产权日 “扫黄打非”工作小组组织全国 31个省、自治区、直辖市。
数字水印的基本特征
• 水印容量 – 水印容量也称嵌入率、加载率或者有效载荷， 指单位时间内或在一个作品中最多可以嵌入水 印的比特数。 • 可证明性 – 数字水印所携带的信息应该能够被唯一地、确 定地鉴别，从而能够为已经受到版权保护的数 字产品的所有权归属提供完全可靠的证据。
数字水印载体分类
• • • • • 静止图像水印 视频水印 音频水印 软件水印 文档水印
人为错误，比如使用不
当，安全意识差等；
2
“黑客” 行为； 内部泄密； 外部泄密； 信息丢失； 电子谍报，比如信息流 量分析、信息窃取等； 信息战； 网络协议自身缺陷缺 陷，例如TCP/IP协议的 安全问题等等。
3
4
二、数字水印技术
• 数字水印技术的基本思想是将含有作者电子签名、 日期、公司标志、商标或使用权限等的数字信息 作为水印信息，通过一定的算法将水印信息嵌入 到图像、文本、食品和音频等数字媒体中，但不 影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉 系统察觉或注意到，但在需要时，能够通过一定 的技术检测方法提取出水印，以此作为判断媒体 的版权归属和跟踪起诉非法侵权的证据。
“8亿元特大盗版案” 宣判 以正版软件为原型， 伪造光盘的激光防 Google支付1.25亿美元和解图书 伪膜字母图样，通 版权诉讼 过互联网下载算号 美国作家协会和出版商协会宣布， 器，算出软件的产 针对Google图书搜索计划的侵权 品序列号。 诉讼案（2005年开始），已经与 Google达成和解。
第十章 数字水印
主要内容
• • • • 背景介绍 数字水印技术 应用领域 商业应用
一、背景介绍
• 防伪状况
– 输入、输出设备的发展 ，高精度产品（扫描、打 印、复印）出现，伪造更加容易。
• 版权问题
– 通信技术的发展与普及，数字作品、电子出版物的 传播和交易变得越来越便捷，侵权盗版活动也呈日 益猖獗之势。
数字水印的基本特征
• 安全性 – 数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时， 应当有较低的误检测率，当原内容发生变化时，数字 水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更； 当然数字水印同样对重复添加有有强的抵抗性； • 隐蔽性 – 数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据 的正常使用而不会降质； • 鲁棒性 – 是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字 水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。可能的信 号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、 重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。
数字水印外观分类
• 可见水印：比如电视频道上所有特有的半 透明标识，主要用于明确标识版权，防止 非法使用； • 不可见水印：目的是将来起诉非法使用者， 作为起诉证据。往往用于商业用的高质量 图像上。
数字水印加载方法分类
• 空间域水印 • 变换域水印
数字水印的水印检测方法分类
• 私有水印和公开水印：检测和提取是否需 要原始载体，需要为私有，否则公开； • 私钥水印和公钥水印：类似于对称加密和 公开密钥算法。
• 数字水印技术是可将标识信息(即数字水印) 直接嵌入到数字载体(包括多媒体、文档、软 件等)当中，不影响使用价值，并且主、客观 上不易被察觉，具有较强隐蔽性功能。 • 通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确 认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者 判断载体是否被篡改等目的。 • 被视抵抗多媒体盗版、印刷防伪的“最后一 道防线”。
数字水印的水印特性分类
• 健壮性数字水印：主要用于嵌入著作权信 息，如作者、作品序列号等，要求能够经 受各种信号处理操作。只要载体没有被破 坏到不可用的程度，都应该能够检测出水 印信息； • 脆弱性数字水印：主要用于完整性保护， 对信号改动很敏感，据此判断是否被修改 过。
数字水印使用目的分类
• 版权标识水印：版权保护和认证信息，用 于发生纠纷时的版权认证； • 数字指纹水印：包括购买者的个人信息， 防止非法拷贝。
数字水印和信息隐藏
• 信息隐藏主要用于安全保密通信，不希望 被其他人注意的个人隐私传递； • 数字水印是信息隐藏的一个重要分支，可 为各种多媒体产品提供一种可行的版权保 护措施； • 数字产品的所有者迫切需要解决版权保护。
数字水印与密码学
数字水印的需要
• 密码技术局限：合法用户拥有密钥。可是 一旦解密，没有控制，可以随意拷贝传播， 由于数字信息的特点，传播非常快。 • 数字作品包含版权所有者、发行者、购买 者、日期、序列号等信息，目的不是为了 秘密传递这些信息，而是在检查盗版行为 时，可以从数字载体中提取出有关信息， 用以证明数字产品的版权，指证盗版行为。 要求更高的健壮性。
水印在检测时可以需要原始图像的参与，也可以不需 要原始图像的参与。但将水印技术用于图像的网络发 布和传播时．如果检测时需要使用原始图像则是个缺 陷，因此，当前大多数的水印检测算法不需要原始图 像的参与。图3分别是水印检测的框图．虚线部分表示 在提取或判断水印信号时原始图像不是必需的。
数字水印的框架
公钥基础设施PKI
• 公钥基础设施（Public Key Infrastructure, PKI）， 是一种遵循既定标准的密钥管理平台,它能够为所 有网络应用提供加密和数字签名等密码服务及所 必需的密钥和证书管理体系。 • 完整的PKI系统必须具有权威认证（CA）机构、 数字证书库、密钥备份及恢复系统、证书作废系 统、应用接口（API）等基本构成部分 。