摘 要：現(xiàn)階段，人們足不出戶(hù)就可以獲取來(lái)自全球各地的所有信息，這些信息的來(lái)源主要是網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)字化資源。保證這些資源的版權(quán)和真?zhèn)我恢笔茄芯康臒狳c(diǎn)。數(shù)字水印技術(shù)是進(jìn)行版權(quán)保護(hù)最好的辦法，本文闡述了數(shù)字水印的四類(lèi)典型算法，介紹了數(shù)字水印攻擊的類(lèi)型，最后提出了評(píng)測(cè)數(shù)字水印系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水?。坏湫退惴?；版權(quán)保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0087-03

Abstract：At this stage，people can get all the information from all over the world without leaving home，and the source of these information is mainly based on the digital resources on the network. To guarantee the copyright and authenticity of these resources has always been the focus of research. The digital watermarking technology is undoubtedly the best way to solve this problem. This paper introduces the four types typical algorithms of digital watermarking and the type of the attack. Finally，it puts forward the index of evaluating the advantages and disadvantages of the digital watermarking algorithm.

Keywords：digital watermarking；typical algorithm；copyright protection

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化資源已經(jīng)成為人們獲取信息最重要的來(lái)源，但是與傳統(tǒng)的資源相比，數(shù)字化資源的版權(quán)和保密問(wèn)題一直未能得到有效解決。數(shù)字水印技術(shù)是數(shù)字產(chǎn)品信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，它的出現(xiàn)為知識(shí)產(chǎn)權(quán)等問(wèn)題的解決提供了新的思路。數(shù)字水印技術(shù)的關(guān)鍵是水印嵌入和提取算法，熟知各種算法的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，將成為今后開(kāi)發(fā)安全性、魯棒性和隱秘性更強(qiáng)的算法的重要依據(jù)。

1 典型算法

1.1 空域算法

空域水印算法在原始載體上按照某種算法，將水印信息直接嵌入。這種算法計(jì)算方法十分簡(jiǎn)單，嵌入的位置是載體上不重要的像素位。由于此類(lèi)算法魯棒性和保真度不高，目前一般結(jié)合空域技術(shù)來(lái)完成水印嵌入。Patchwork算法和LSB算法是空間域算法的兩種典型算法。

（1）LSB算法：Least Significant Bits，最低有效位算法，1994年由Van Schyndel提出。該算法將輸入的密鑰和m序列發(fā)生器結(jié)合，生成數(shù)字水印信號(hào)，然后在載體圖像像素值最低位置將水印逐位插入。需要檢測(cè)水印時(shí)，只要找到載體圖像的像素二進(jìn)制的最后一位并將其取出即可恢復(fù)。水印嵌入的位置在載體圖像像素值最后一位，因此，算法的透明性較強(qiáng)，但是無(wú)法進(jìn)行一些常規(guī)的信號(hào)處理，所以算法魯棒性較差；

（2）Patchwork算法：1995年由Bander等人提出。算該法的主要思想是先隨機(jī)選擇若干對(duì)像素點(diǎn)（a，b），將a點(diǎn)亮度增加一個(gè)值，b點(diǎn)亮度降低一個(gè)值，當(dāng)然這個(gè)值是一樣的，從而保持整個(gè)圖像的平均亮度。該算法對(duì)于圖像縮放、濾波、圖像剪切等方面的抵抗力較好，但是水印的容量不夠。

1.2 變換域算法

和空間域算法相比，變換域算法因?yàn)轸敯粜暂^強(qiáng)和有效數(shù)據(jù)載荷大而得到了廣泛使用。算法主要利用了擴(kuò)展頻譜通信（spread spectrum communication）技術(shù)。算法的主要思想是先結(jié)合擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，將圖像進(jìn)行DFT（離散傅立葉變換）、DCT（離散余弦變換）和DWT（離散小波變換）等正交變換，再把水印信號(hào)嵌入到圖像的DCT系數(shù)中，最后通過(guò)正交變換的逆變換恢復(fù)圖像。此類(lèi)算法的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于怎樣選擇嵌入的頻域，水印可以分別嵌入到高、中、低各個(gè)頻域，不同的嵌入頻域會(huì)形成各自不同的特點(diǎn)。變換域算法的典型算法有DCT算法、DFT算法和小波算法等。

1.3 壓縮域算法

此類(lèi)算法基于JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)廣播、壓縮視頻和數(shù)字電視等，它的優(yōu)點(diǎn)在于大大縮短了編碼解碼過(guò)程的時(shí)間。壓縮域嵌入算法有三種：

（1）不改變數(shù)據(jù)頭和運(yùn)動(dòng)矢量，只修改一幀DCT系數(shù)，此類(lèi)算法研究得最為廣泛；

（2）不改變數(shù)據(jù)頭和運(yùn)動(dòng)矢量，修改所有的DCT系數(shù)，要使用漂移來(lái)補(bǔ)償由于對(duì)B幀和P幀改動(dòng)而改變的量；

（3）把水印嵌入幅度足夠大的運(yùn)動(dòng)矢量中，修改運(yùn)動(dòng)矢量。

2 數(shù)字水印攻擊

在信號(hào)傳輸過(guò)程中，載體數(shù)據(jù)會(huì)遭受來(lái)自傳輸過(guò)程中信號(hào)或者非法入侵者的攻擊，水印同樣會(huì)受到攻擊。

2.1 水印攻擊分類(lèi)

（1）非法嵌入。攻擊者未經(jīng)授權(quán)，在原始載體數(shù)據(jù)上進(jìn)行刪除和增加操作是非法嵌入最典型的表現(xiàn)，也稱(chēng)為偽造攻擊。例如，M是一家宣傳公司，他向300個(gè)廣播電臺(tái)分發(fā)嵌有水印信息的語(yǔ)音廣告，并支付了廣告播出費(fèi)用，M可以通過(guò)水印檢測(cè)器監(jiān)聽(tīng)語(yǔ)音廣告的播出情況，而A電臺(tái)想得到M支付的宣傳費(fèi)用，又不想播放M的廣告，所以A設(shè)法獲得了M的水印信息，并把自己的廣告添加了此水印信息，這樣M在廣播監(jiān)視的時(shí)候會(huì)誤認(rèn)為自己的語(yǔ)音廣告正常播出。

（2）非法檢測(cè)。非法檢測(cè)最典型的表現(xiàn)是攻擊者未經(jīng)授權(quán)，對(duì)載體數(shù)據(jù)的水印進(jìn)行檢測(cè)，也稱(chēng)為被動(dòng)攻擊。例如，K是一家提供水印服務(wù)的公司，他們可以將用于鑒別的水印嵌入網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)字作品中，同時(shí)提供調(diào)查服務(wù)，幫助用戶(hù)確定他們的數(shù)字作品有沒(méi)有出現(xiàn)非法發(fā)布的情形，當(dāng)然這些都要收取昂貴的費(fèi)用。J公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以檢測(cè)K公司嵌入水印的工具，他又不需要花費(fèi)嵌入水印的費(fèi)用，所以J公司提供的調(diào)查服務(wù)比K公司更為便宜。

（3）非法移除。非法移除意味著沒(méi)有經(jīng)過(guò)授權(quán)者的同意，將水印刪除或者讓其看上去消失。結(jié)果表現(xiàn)為兩種：第一種情況是載體被攻擊后水印已經(jīng)完全沒(méi)有了，所以也稱(chēng)為消除攻擊。例如，O是一家影視集團(tuán)的管理者，為了抵制盜版，影視集團(tuán)旗下拍攝的所有影片都嵌入了禁止非法拷貝的水印信息，P是盜版者，他可以通過(guò)某個(gè)設(shè)備去除O電影中防止非法復(fù)制的水印，這樣，P就可以得到O電影的盜版副本；第二種情況是載體被攻擊后，水印信息還在，但是要通過(guò)性能更優(yōu)的檢測(cè)器才能檢測(cè)出來(lái)，也稱(chēng)掩蔽攻擊。例如，一個(gè)載體圖像被幾何攻擊后，原始水印通過(guò)現(xiàn)有的檢測(cè)器無(wú)法檢測(cè)出來(lái)，這樣就造成水印已經(jīng)“消失”的假象。

（4）非法修改。非法修改主要是指攻擊者未經(jīng)授權(quán)，改變了水印的信息。主要過(guò)程是先刪除原來(lái)的水印信息的，然后再嵌入自己的。這種攻擊一般結(jié)合非法移除和非法嵌入來(lái)完成。例如，在上個(gè)例子中，O在發(fā)行影片中嵌入的信息是“這是O的電影”，而盜版者P則把信息改成“這是P的電影”。

2.2 水印攻擊類(lèi)型

（1）常規(guī)攻擊。我們也可稱(chēng)為簡(jiǎn)單攻擊，主要是針對(duì)整個(gè)載體數(shù)據(jù)，可以對(duì)其造成全局性的破壞，例如對(duì)圖像的壓縮、圖像的增強(qiáng)、圖像的編輯等一些常用的圖像處理操作，這些操作可以將原始載體圖像中的水印基本去除，甚至完全去除，這是最常用、最簡(jiǎn)單的一種攻擊方法。

（2）協(xié)議攻擊。協(xié)議攻擊的基本思想是在一個(gè)已經(jīng)有水印信息的數(shù)字產(chǎn)品中非法嵌入多個(gè)水印信息，這樣在認(rèn)證過(guò)程中無(wú)法判別哪個(gè)水印是最原始的水印，哪些水印是非法嵌入的。一種典型的類(lèi)型是由IBM的Craver等人提出的歧義攻擊，或稱(chēng)為IBM攻擊。抵抗此類(lèi)攻擊的辦法是采用脆弱水印的方法或者將原始水印添加時(shí)間，類(lèi)似于郵戳的數(shù)字時(shí)間戳。

（3）疊加攻擊。疊加攻擊又可稱(chēng)為多重水印攻擊（Multiple Watermarks Attack），在原始載體的水印的基礎(chǔ)上再嵌入一個(gè)水印，但是它與協(xié)議攻擊不同，疊加攻擊嵌入的水印可以代替原始的水印信息。Digimarc公司開(kāi)發(fā)的水印軟件考慮了這個(gè)問(wèn)題，在Adobe Photoshop中，PictureMarc嵌入器會(huì)拒絕在同一幅圖中嵌入另一個(gè)水印，但是如果把原始水印破壞掉，第二個(gè)水印還是可以添加進(jìn)來(lái)的。

（4）擾亂攻擊。擾亂攻擊是一種最厲害的水印攻擊方法，它將載體數(shù)據(jù)在送到檢測(cè)器之前進(jìn)行擾亂，最典型例子是對(duì)圖像進(jìn)行裁剪、旋轉(zhuǎn)、偏量、縮放等幾何攻擊，這些攻擊會(huì)影響圖像的質(zhì)量，讓圖像的清晰度、對(duì)比度、色彩飽和度發(fā)生變化，造成圖像的輕微變換，這時(shí)檢測(cè)出水印的概率變得十分渺茫。例如，我們?cè)跒g覽互聯(lián)網(wǎng)的圖片時(shí)，圖片是先分成小塊下載下來(lái)，然后再重組，如果在這個(gè)過(guò)程中，圖像受到馬賽克攻擊，那么圖像會(huì)被分成許多小到不能進(jìn)行水印檢測(cè)的矩形塊，再由網(wǎng)絡(luò)瀏覽器自行“解擾重組”。這就是著名的馬賽克攻擊。擾亂攻擊也有一個(gè)有利的用途，那就是它可以防止未成年人在網(wǎng)絡(luò)上觀看不合適的內(nèi)容。

3 數(shù)字水印系統(tǒng)的評(píng)估

算法需要評(píng)價(jià)方法。從使用者的角度可以分為兩部分：一部分人是開(kāi)發(fā)者，需要驗(yàn)證改進(jìn)后的水印算法是否有進(jìn)步，另一部分人需要水印來(lái)保護(hù)他們的產(chǎn)品，所以對(duì)水印算法的實(shí)際應(yīng)用成果感興趣。評(píng)估一個(gè)水印算法有以下幾個(gè)性能指標(biāo)。

3.1 魯棒性

又稱(chēng)抗攻擊性，指載體在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)各種常規(guī)的信號(hào)處理或惡意破壞后，載體數(shù)據(jù)中的水印仍然能被檢測(cè)到。一般情況下，我們從兩個(gè)方面來(lái)考慮水印的魯棒性：第一，經(jīng)受常規(guī)攻擊后水印的魯棒性，主要包括常規(guī)信號(hào)處理的高斯噪聲、椒鹽噪聲等噪聲干擾等；第二，經(jīng)受幾何攻擊后水印的魯棒性，主要包括對(duì)載體數(shù)據(jù)的移動(dòng)、縮放、扭曲、剪切或者是局部的幾何攻擊。一個(gè)水印系統(tǒng)對(duì)于各種常規(guī)的信號(hào)處理或惡意破壞的抵抗能力有多強(qiáng)，它的魯棒性就有多好。在實(shí)際評(píng)估檢測(cè)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一種情況是載體數(shù)據(jù)遭受攻擊后，水印仍然能夠被檢測(cè)出來(lái)，并正確識(shí)別；另一種情況是載體數(shù)據(jù)遭受攻擊后出現(xiàn)了嚴(yán)重失真，但是水印還是存在。

3.2 確定性

確定性也可稱(chēng)為檢測(cè)唯一性，這個(gè)指標(biāo)比魯棒性更重要。它是指載體數(shù)據(jù)在遭到攻擊后，所攜帶的水印信息唯一、確定地鑒別出來(lái)。如果載體數(shù)據(jù)在遭受到有意或者無(wú)意的攻擊后，檢測(cè)出的水印產(chǎn)生了歧義，那就失去了水印技術(shù)本身的意義。

3.3 隱秘性

這個(gè)指標(biāo)可以稱(chēng)為透明性、不可見(jiàn)性或保真度。水印的存在不應(yīng)該影響載體的感官效果。例如，一副圖像上添加水印后，圖像的清晰度、明亮度不應(yīng)該變化；視頻添加水印后，不應(yīng)該出現(xiàn)卡頓、畫(huà)面不連貫等現(xiàn)象。

3.4 無(wú)損性

也可稱(chēng)為零損害，指水印的嵌入不會(huì)使原有載體數(shù)據(jù)信息遭到增加、減少等破壞。

3.5 盲檢測(cè)性

在檢測(cè)水印過(guò)程中不需要使用原始載體數(shù)據(jù)，主要用于脆弱水印的檢測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：譚慧（1982.10-），女，湖南株洲人，講師，碩士。研究方向：數(shù)字水印、職業(yè)教育。