数字水印技术
数字水印技术 |
人们常常认为通信安全的实现可以通过加密（Cryptography）来完成。即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布，使得网络传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获得机密信息，从而达到版权保护和信息安全的目的，但这并不能完全解决问题。一方面加密后的文件因其不可理解性妨碍多媒体信息的传播；另一方面多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且一旦加密文件经过破解后其内容就完全透明了。密码学一直被认为是在通信研究应用领域中主要的信息安全手段并受到极大重视，直到最近几年这种情况才有了改变。人们尝试将秘密信息隐藏于普通文件中散发出去，用以跟踪侵权行为并提供法律保护的证据，这称为信息隐藏（Information Hiding）或更严格地称为信息伪装（Steganography）。单词Steganography来源于古希腊，意思是将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在。与加密不同的是，加密系统保护的是信息的内容，而信息伪装者掩盖它们的存在。
与信息伪装关系极为密切的另一个方面就是数字水印技术的研究。信息伪装是将重要的数据隐藏到宿主数据中并将其发送出去，它有一个基本的假设，就是第三方不知道被隐藏的数据的存在，并且主要应用于点对点的秘密通讯。因此它没有鲁棒性的要求，或者说一旦传递的数据被改变，被嵌入的信息将无法恢复。而数字水印则有鲁棒性的要求，即它可以抵抗第三方的攻击或正常的、标准的数据操作和变换。换句话说，即使攻击者知道传递的数据中包含隐藏的重要信息，但也无法将其提取出来，或在不严重损坏宿主数据的情况下无法将水印破坏掉。因此数字水印和信息伪装是一个技术的互补的两个方面，也是目前国际学术界研究的一个前沿热门方向，并可为数字图书馆版权保护等问题提供一个潜在的有效解决方法。 一般的，对数字水印有几个基本要求：（1）可证明性；（2）不可感知性；（3）鲁棒性。如果没有鲁棒性（Robustness）的要求，水印与信息伪装技术上的处理本质上是完全一致的。在绝大多数情况下我们希望添加的信息是不可察觉的（Imperceptible）——某些使用可见数字水印的特定场合，版权保护标志不要求被隐藏——并且希望攻击者在不破坏数据本身质量的情况下无法将水印去掉。发展数一字水印技术的原动力是为了提供多媒体数据的版权保护，但人们发现数字水印还具有一些其他的重要应用，如下面所示，这些需求都促进了当前学术界对信息伪装的研究热情。
（1） 军事和智能机构所需要的不受干扰的通讯手段；
（2） 国家安全部门对隐藏数据的通讯技术的关注；
（3） 罪犯对使用常规通讯器材进行特殊的信息传递；
（4） 政府部门对国际互联网上匿名的和经过加密处理的信息进行筛选和控制等等；
（5） 电子商务中的数据检测以及网络验证；
（6） 电子邮件的防伪以及数据认证等等。
目前对数字水印技术的热情还很高，这既可以从学术界也可以从工业界看出来。学术界的热情反映在水印方面的文章还在大幅度增长，且有关数字水印和数据隐藏的会议也增长很快。工业界对水印的热情则表现在他们大幅度提高了对水印研究的资助程度。
除了大学和研究机构对水印的研究，一些国际标准项目也有计划发展实用的数字水印算法。如欧洲的 TALISMAN 的目标是建立一个在欧洲范围内对大规模的商业侵权和盗版行为提供一个版权保护机制。TALIMAN希望能够为视频产品以增加标识和水印的方法提高保护手段。OCTALIS 则是TALIMAN和OKAPI的后续项目，其主要目的是将有条件的访问机制和版权保护机制整合起来。 国际标准组织也对数字水印技术深感兴趣。即将发布的数字视频压缩标准MPEG-4（ISO/IEC 14496），提供一个框架允许结合简单的加密方法和水印嵌入方法。DVD工业标准将利用水印技术提供复制控制和复制保护机制，如“复制一次”或“不允许复制”等等。
尽管在过去的五年中，各种水印算法如雨后春笋般地不断涌现，但数字水印技术仍然是一个未成熟的研究领域，还有许多问题需要解决，其理论基础依然非常薄弱，大多数水印算法还是经验性的。主要有以下几个方面还需努力：
（1） 设计对水印系统进行公正的比较和评价方法，在这方面已经有部分学者有了一些初步的研究；但缺乏普遍性和原理性，水印系统的脆弱之处无法进行全面测试与衡量；
（2） 从现实的角度看，水印系统必然要在算法的鲁棒性、水印的嵌入信息量以及不可觉察性之间达到一个平衡，这涉及鲁棒性算法的原理性设计、水印的构造模型、水印能量和容量的理论估计、水印嵌入算法和检测算法的理论研究等方面。如何确定平衡点仍是一个难题，目前大多数水印算法均利用经验而不是从理论上解决此问题；
（3） 如何将水印技术与现行国际图像及视频压缩标准（如JPEG2000和MPEG-4）相结合，以及如何将水印技术应用于DVD工业标准中；
（4） 所有权的证明问题还没有完全解决，就目前已经出现的很多算法而言，攻击者完全可以破坏掉图像中的水印，或复制出一个理论上存在的“原始图像”，这导致文件所有者不能令人信服地提供版权归属的有效证据。因此一个好的水印算法应该能够提供完全没有争议的版权证明，在这方面还需要做很多工作。目前将水印作为版权保护的法律证据还不可能；
（5） 声频和视频水印的解决方案还不完善，大多数的视频水印算法实际上是将其图像水印的结果直接应用与视频领域中，而没有考虑视频应用中大数据量以及近乎实时的特性。从今后的发展上看，水印在包括DVD等数字产品在内的视频和音频领域将有极为广阔的应用前景。因此如何设计成熟的、合乎国际规范的水印算法仍然悬而未决；
（6） 现有水印算法中在原理上有许多雷同之处，但目前国内外的工作尚未能对这些有内在联系的不同算法中的共性问题进行高度提炼和深入的理论研究，因而缺乏对数字水印作进一步研究具有指导意义的理论结果。
数字水印技术是近几年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域。它与信息安全、信息隐藏、数据加密等均有密切的关系，也是数字图书馆发展中需要解决的一个关键性技术问题。与数据隐藏不同的是数字水印有鲁棒性的要求。鲁棒性可以说是水印的一个非常重要的方面。我们前面已经讲了，不同的应用目的（如数据跟踪、数据监视、和版权保护等）产生了不同的设计目的和水印算法。一些水印方法需要原始数据提取嵌入的水印信息而另外一些则不需要。此外，在已经发布的一些水印算法可以完全提取出水印，而有些则只是谁对水印是否存在进行校验。需要指出的是这两种方法本质上是一样的，水印提取可以转化为水印校验，相反也是成立的。尽管水印算法常常与静止图像、视频和音频相联系，但数字水印也可应用于文本，三维网格以及人脸的动画中。
从目前看大多数水印算法本质上都没什么差别，且在嵌入过程中均是对PN序列进行调制并结合掩蔽特性，在检测过程中使用基于相关法的假设检验。水印算法的设计不仅要考虑一般性的由标准数据处理过程导致的鲁棒性问题，而且要考虑由于恶意攻击而导致的鲁棒性问题。前面已经提到了几种普遍的攻击类型，针对性的水印策略和方法也在研究中。一句话，水印应该有足够的冗余设计以保证能够抵抗各种攻击行为。在版权保护方面，还需要考虑一些额外的方面。一个问题是如果有很多水印被嵌入到图像中，如何证明那个最先被嵌入的。此问题的解决也许需要数字时间标识或水印等级等方法。而且现在已经可以看出，一个水印算法仅仅有足够的鲁棒性不足以保证解决有效版权问题，即使能够得到原始数据。更进一步的讲，水印算法应该是非对称的、单向的、不可逆的。
虽然已经有商业化的水印系统，但对水印的研究还远未成熟，许多问题如鲁棒性、真伪鉴别、版权证明、网络快速自动验证以及声频和视频水印等方面仍然还需要比较完美的解决方案。
|