數字水印技術

數字水印技術

人們常常認爲通信安全的實現可以通過加密（Cryptography）來完成。即首先將多媒體數據文件加密成密文後發佈，使得網絡傳遞過程中出現的非法攻擊者無法從密文獲得機密信息，從而達到版權保護和信息安全的目的，但這並不能完全解決問題。一方面加密後的文件因其不可理解性妨礙多媒體信息的傳播；另一方面多媒體信息經過加密後容易引起攻擊者的好奇和注意，並有被破解的可能性，而且一旦加密文件經過破解後其內容就完全透明瞭。密碼學一直被認爲是在通信研究應用領域中主要的信息安全手段並受到極大重視，直到最近幾年這種情況纔有了改變。人們嘗試將祕密信息隱藏於普通文件中散發出去，用以跟蹤侵權行爲並提供法律保護的證據，這稱爲信息隱藏（Information Hiding）或更嚴格地稱爲信息僞裝（Steganography）。單詞Steganography來源於古希臘，意思是將有用或重要的信息隱藏於其他信息裏面以掩飾其存在。與加密不同的是，加密系統保護的是信息的內容，而信息僞裝者掩蓋它們的存在。

與信息僞裝關係極爲密切的另一個方面就是數字水印技術的研究。信息僞裝是將重要的數據隱藏到宿主數據中並將其發送出去，它有一個基本的假設，就是第三方不知道被隱藏的數據的存在，並且主要應用於點對點的祕密通訊。因此它沒有魯棒性的要求，或者說一旦傳遞的數據被改變，被嵌入的信息將無法恢復。而數字水印則有魯棒性的要求，即它可以抵抗第三方的攻擊或正常的、標準的數據操作和變換。換句話說，即使攻擊者知道傳遞的數據中包含隱藏的重要信息，但也無法將其提取出來，或在不嚴重損壞宿主數據的情況下無法將水印破壞掉。因此數字水印和信息僞裝是一個技術的互補的兩個方面，也是目前國際學術界研究的一個前沿熱門方向，並可爲數字圖書館版權保護等問題提供一個潛在的有效解決方法。

一般的，對數字水印有幾個基本要求：（1）可證明性；（2）不可感知性；（3）魯棒性。如果沒有魯棒性（Robustness）的要求，水印與信息僞裝技術上的處理本質上是完全一致的。在絕大多數情況下我們希望添加的信息是不可察覺的（Imperceptible）——某些使用可見數字水印的特定場合，版權保護標誌不要求被隱藏——並且希望攻擊者在不破壞數據本身質量的情況下無法將水印去掉。發展數一字水印技術的原動力是爲了提供多媒體數據的版權保護，但人們發現數字水印還具有一些其他的重要應用，如下面所示，這些需求都促進了當前學術界對信息僞裝的研究熱情。

（1）   軍事和智能機構所需要的不受干擾的通訊手段；

（2）   國家安全部門對隱藏數據的通訊技術的關注；

（3）   罪犯對使用常規通訊器材進行特殊的信息傳遞；

（4）   政府部門對國際互聯網上匿名的和經過加密處理的信息進行篩選和控制等等；

（5）   電子商務中的數據檢測以及網絡驗證；

（6）   電子郵件的防僞以及數據認證等等。                                   

　

    目前對數字水印技術的熱情還很高，這既可以從學術界也可以從工業界看出來。學術界的熱情反映在水印方面的文章還在大幅度增長，且有關數字水印和數據隱藏的會議也增長很快。工業界對水印的熱情則表現在他們大幅度提高了對水印研究的資助程度。

除了大學和研究機構對水印的研究，一些國際標準項目也有計劃發展實用的數字水印算法。如歐洲的 TALISMAN 的目標是建立一個在歐洲範圍內對大規模的商業侵權和盜版行爲提供一個版權保護機制。TALIMAN希望能夠爲視頻產品以增加標識和水印的方法提高保護手段。OCTALIS 則是TALIMAN和OKAPI的後續項目，其主要目的是將有條件的訪問機制和版權保護機制整合起來。

國際標準組織也對數字水印技術深感興趣。即將發佈的數字視頻壓縮標準MPEG-4（ISO/IEC 14496），提供一個框架允許結合簡單的加密方法和水印嵌入方法。DVD工業標準將利用水印技術提供複製控制和複製保護機制，如“複製一次”或“不允許複製”等等。

儘管在過去的五年中，各種水印算法如雨後春筍般地不斷涌現，但數字水印技術仍然是一個未成熟的研究領域，還有許多問題需要解決，其理論基礎依然非常薄弱，大多數水印算法還是經驗性的。主要有以下幾個方面還需努力：

（1）   設計對水印系統進行公正的比較和評價方法，在這方面已經有部分學者有了一些初步的研究；但缺乏普遍性和原理性，水印系統的脆弱之處無法進行全面測試與衡量；

（2）   從現實的角度看，水印系統必然要在算法的魯棒性、水印的嵌入信息量以及不可覺察性之間達到一個平衡，這涉及魯棒性算法的原理性設計、水印的構造模型、水印能量和容量的理論估計、水印嵌入算法和檢測算法的理論研究等方面。如何確定平衡點仍是一個難題，目前大多數水印算法均利用經驗而不是從理論上解決此問題；

（3）   如何將水印技術與現行國際圖像及視頻壓縮標準（如JPEG2000和MPEG-4）相結合，以及如何將水印技術應用於DVD工業標準中；

（4）   所有權的證明問題還沒有完全解決，就目前已經出現的很多算法而言，攻擊者完全可以破壞掉圖像中的水印，或複製出一個理論上存在的“原始圖像”，這導致文件所有者不能令人信服地提供版權歸屬的有效證據。因此一個好的水印算法應該能夠提供完全沒有爭議的版權證明，在這方面還需要做很多工作。目前將水印作爲版權保護的法律證據還不可能；

（5）   聲頻和視頻水印的解決方案還不完善，大多數的視頻水印算法實際上是將其圖像水印的結果直接應用與視頻領域中，而沒有考慮視頻應用中大數據量以及近乎實時的特性。從今後的發展上看，水印在包括DVD等數字產品在內的視頻和音頻領域將有極爲廣闊的應用前景。因此如何設計成熟的、合乎國際規範的水印算法仍然懸而未決；

（6）   現有水印算法中在原理上有許多雷同之處，但目前國內外的工作尚未能對這些有內在聯繫的不同算法中的共性問題進行高度提煉和深入的理論研究，因而缺乏對數字水印作進一步研究具有指導意義的理論結果。

       數字水印技術是近幾年來國際學術界興起的一個前沿研究領域。它與信息安全、信息隱藏、數據加密等均有密切的關係，也是數字圖書館發展中需要解決的一個關鍵性技術問題。與數據隱藏不同的是數字水印有魯棒性的要求。魯棒性可以說是水印的一個非常重要的方面。我們前面已經講了，不同的應用目的（如數據跟蹤、數據監視、和版權保護等）產生了不同的設計目的和水印算法。一些水印方法需要原始數據提取嵌入的水印信息而另外一些則不需要。此外，在已經發布的一些水印算法可以完全提取出水印，而有些則只是誰對水印是否存在進行校驗。需要指出的是這兩種方法本質上是一樣的，水印提取可以轉化爲水印校驗，相反也是成立的。儘管水印算法常常與靜止圖像、視頻和音頻相聯繫，但數字水印也可應用於文本，三維網格以及人臉的動畫中。

從目前看大多數水印算法本質上都沒什麼差別，且在嵌入過程中均是對PN序列進行調製並結合掩蔽特性，在檢測過程中使用基於相關法的假設檢驗。水印算法的設計不僅要考慮一般性的由標準數據處理過程導致的魯棒性問題，而且要考慮由於惡意攻擊而導致的魯棒性問題。前面已經提到了幾種普遍的攻擊類型，針對性的水印策略和方法也在研究中。一句話，水印應該有足夠的冗餘設計以保證能夠抵抗各種攻擊行爲。在版權保護方面，還需要考慮一些額外的方面。一個問題是如果有很多水印被嵌入到圖像中，如何證明那個最先被嵌入的。此問題的解決也許需要數字時間標識或水印等級等方法。而且現在已經可以看出，一個水印算法僅僅有足夠的魯棒性不足以保證解決有效版權問題，即使能夠得到原始數據。更進一步的講，水印算法應該是非對稱的、單向的、不可逆的。

雖然已經有商業化的水印系統，但對水印的研究還遠未成熟，許多問題如魯棒性、真僞鑑別、版權證明、網絡快速自動驗證以及聲頻和視頻水印等方面仍然還需要比較完美的解決方案。