水印应用（精选十篇）
水印应用 篇1
关键词：数字水印,信息安全,版权保护
1. 引言
信息处理技术及计算机网络的发展使得数字作品更容易地存储与传输,但也正是因为图像、视频、音频和其他作品都能以数字形式获得,其拷贝非常容易,从而可能会导致大规模非授权拷贝,而这极有可能会损害电影、音乐、书籍和软件等行业的发展。为了有效地解决这些问题,近年来出现了加解密、数字签名、数字水印等多种技术,其中数字水印技术是20世纪90年代出现的,它利用数字内嵌的方法,将水印隐藏在数字图像、视频、音频、文档、图书等数字作品中,用以证明原创作者对其作品的所有权,并作为鉴定、起诉非法侵权的证据,同时通过对水印的探测和分析保证数字信息的完整可靠性,从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。
数字水印技术目前正处于一个快速发展的阶段,应用领域也在快速扩展。从最初的图像水印、音频水印,发展到视频水印、文字水印、软件水印;从最初的算法研究,扩展到行业领域的应用,如数字作品的版权保护、广播监测、隐蔽通信、证件票据防伪等。数字水印技术涉及信息处理、模式识别、多媒体技术、计算机网络、数字通信、密码学等多学科领域,现已成为当前信息科学前沿中一个新颖且具有广泛应用前景的研究热点。
2. 数字水印的一般原理
数字水印技术包含水印的嵌入、提取/检测两个过程。数字作品拥有的特定信息,如数字序列、数字标识、文本或图像等,按某种算法嵌入到数字作品中,在需要时,通过相应的算法提取出该水印,从而能够验证数字作品的合法性。为了给攻击者增加去除水印的难度,目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密体系来加强安全性,在水印的嵌入和提取/检测时采用一种密钥,甚至几种密钥联合使用。数字水印的嵌入过程如图1所示,数字水印的提取/检测过程如图2所示。
3. 数字水印的特性
3.1 隐蔽性。
隐蔽性也称为透明性、不可见性、不可感知性等,数字水印利用人类视觉或听觉系统的特征,经过一系列处理,使保护对象在质量上没有发生可以感觉到的失真,而嵌入的水印也无法从表面上感知,只有通过专用的检测器才能感知水印的存在。
3.2 鲁棒性。
鲁棒性也称为免疫性、健壮性、稳健性等,指在经历多种无意或有意的信号处理过程后,数字水印仍能保持完整性并能被准确鉴别。这些信号处理操作包括:信道噪声、滤波、A/D与D/A转换、重采样、几何变形以及有损压缩编码等。
3.3 安全性。
安全性表现为水印能够抵抗恶意攻击的能力,未经授权的个体不得阅读和修改水印,只有被授权者能够检测、恢复和修改水印,能充分可靠地证明所有者对特定产品的所有权。
3.4 确定性。
水印应能为受到保护的数字作品的真伪或归属提供确定、可靠且具有法律效力的证据,这也是发展数字水印技术的基本动力。
3.5 不可检测性。
指水印信息与原始载体数据具有一致的特性,且水印信息本身具有不可统计性,使攻击者无法通过信息分析手段判断多媒体数据中是否存在水印。
3.6 自恢复性。
水印信息经过一些操作或变换后,可能会使原始载体数据产生较大的破坏,但可以由留下的片断数据恢复出隐藏信号,且恢复过程不需要宿主信号。
4. 数字水印的应用
最初提出数字水印的目的是为了保护版权,但近年来,多媒体技术的飞速发展给数字水印技术带来了许多新的研究热点,也让数字水印技术在许多新的领域得到应用。
4.1 版权保护。
这是数字水印最基本和最主要的应用。数字作品的所有者可用密钥产生一个数字水印,并将其嵌入到原始数据中,这样既不损害原作品,又达到了版权保护的目的。当发生版权纠纷时,可由公正机构从产品中提取出数字水印信息作为具有法律效力的凭证,从而保护所有者的权益。目前,用于版权保护的数字水印技术已经进入了实用化阶段。
4.2 拷贝保护。
数字水印包括作品所有者欲加载在作品上的有关使用及拷贝规则的信息,再加上一些有效的技术手段就可以使非授权用户不能对产品进行非法拷贝。这种应用的典型例子是DVD防拷贝系统,即将水印信息加入到DVD数据中,DVD播放机即可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性,从而保护作品所有者的利益。
4.3 盗版跟踪。
为避免和抑制数字作品的非法复制和传播,版权所有人可以向分发给不同用户的作品中嵌入不同的水印以标识用户的信息,该水印可根据用户的序号和相关的信息生成,一旦发现未经授权的拷贝,就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源,对于打击盗版源头十分有利。例如:影视公司在电影制作过程中经常需将样片送给有关单位审查,在这些样片上针对不同的接收者加上不同的水印,即能在发生样片泄露后很快确定地泄密方,这样可以使接收者对样片加倍保护。
4.4 内容认证。
主要是利用脆弱水印对数据进行检测,检测时须用惟一的与数据内容相关的密钥提取出水印,然后通过检测水印的完整性来检查原始数据的真实性。采用脆弱水印是因为它可以标明数据是否被改动,甚至指出数据哪些部分被改动了。
4.5 广播监测。
即监测影视节目和音乐作品在电视台、广播电台上播出的时间和次数。制片人、音乐人要防止自己的作品被电视台、广播台非法重播,广告客户要确保他们的广告在规定的时间、规定的地方播出,这些都可以通过广播监测来解决。在影视或音乐作品播出前嵌入特别的水印,然后由自动监测台接收广播,搜索其中的水印,从而确定这些作品在什么时候、由什么电台播放。
4.6 隐蔽通信。
通信双方约定好数字水印算法和可能用到的密钥后,他们就可以利用多媒体为载体进行隐蔽通信,而第三方很难察觉,因为不可察觉的嵌入数据的多媒体不仅在视觉或听觉上没有什么变化,而且也很难从它的功率谱等物理特征看出异常。这种隐蔽通信在国防和情报部门得到广泛的应用。
5. 结束语
在信息数字化飞速发展的今天,数字水印技术在诸如版权保护、拷贝保护、盗版追踪、内容认证、广播监测、隐蔽通信等方面发挥着重要作用,但数字水印技术仍然没有完全成熟,还有很多问题没有得到解决,所以还需要对现有的数字水印技术进行完善与发展。
参考文献
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[2]周旭.图形图像中数字水印若干技术的研究[D].杭州:浙江大学,2008.
[3]尹浩,林闯,邱锋等.数字水印技术综述[J].计算机研究与发展,2005,42(7):1093-1099.
水印应用 篇2
应用数字全息解决数字水印技术中采用log-polar变换后水印的提取问题
log-polar(对数-极坐标)变换是目前数字水印在抵抗几何攻击时常常采用的手段,但是此种算法存在的主要问题是采用不同的坐标变换带来的数字图像信息的丢失,导致水印可提取性下降或者原图质量的`下降.本文应用了数字全息的方法,解决了以上的两个由于logpolaf变换带来的主要问题.仿真实验证明,该方法解决了数字水印图像信息的丢失,大大提高了数字水印的可提取性.
作 者：周皓 顾济华 陈刘 ZHOU Hao GU Ji-hua CHEN Liu 作者单位：教育部现代光学技术重点实验室,苏州,215006;苏州大学物理科学与技术学院,苏州,215006刊 名：激光杂志 ISTIC PKU英文刊名：LASER JOURNAL年，卷(期)：200728(6)分类号：O436.1 TN919关键词：信息光学 数字全息水印 log-polar变换 RST
数字图像水印技术与应用 篇3
关键词：数字水印；空域算法；交换域算法；应用
中图分类号：TP309 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2010) 13-0000-02
Digital Image Watermarking and Application
Zhao Haijun1,2
(1.Fuqing Branch of Fujian Normal University,Fuqing350300,China;2. School of Information Science and Technology,Xiamen University,Xiamen361005,China)
Abstract:Digital watermarking as a main method for copyright protection and as a new way for hiding information,has become a hot topic and gained increasing attention both abroad and at home in recent years. The concept,classifications,features and working process have been well introduced,and then a contrastive analysis of its classical algorithms has been promoted.Finally,its application field is summarized and an expectation about its future possible development direction is given.
Keywords:Digital watermark;Spatial domain algorithm;Transform domainalgorithm;Application
多媒体通信业务和网络数字化的日益普及使得信息所有者可以方便地通过互联网发布的信息，同时，也可以便捷地通过网络获取所需信息。随之，信息数字化产品的信息安全与版权保护问题已成为迫在眉睫的现实问题。加密（cryptography）技术是解决此问题的一种传统方法。然而，加密却也有其极限性：一是其非常规性的表现形式同时也泄露了内容的重要性；二是它只能保证信息内容的保密性却无法解决版权问题。正是在这种环境下，数字水印技术通过在数字作品中嵌入水印信息来确定数字作品的所有权或检验数字内容的原始性，弥补了加密技术对解密后的数据不能进一步保护的不足。（向德生等2005:326-333）
一、数计水印技术概念及特征
（一）概念
数字水印技术是借用了传统水印的概念，将其在数字媒体中推广应用。其技术的研究涉及信息学、密码学、数学、计算机科学、模式识别等多种学科的研究领域，是信息隐藏技术研究领域的重要分支。
（二）分类
根据其表现形式，数字图像水印分为可见水印（Visible Digital Watermark）和不可见水印（Invisible Digital Watermark）两种。可見水印指通过人眼可以看见的水印。这一类水印一般选用较淡或半透明的不碍观瞻的图案，其主要目的在于明确标识版权，防止非法使用；不可见水印与可视水印相反，它加在图像当中从表面上是不易察觉的。根据水印的性质，可分为鲁棒水印（Invisible-Robust Watermark）和易损水印 (Invisible-Fragile Watermark)。鲁棒水印的特点在于嵌入了此类水印后得到的水印化图像在经过一些常规处理或恶意攻击后仍可从中提取出有效的水印，鲁棒水印需尽可能地保留原始水印信息，而易损水印则只需要一定程度的保留水印的原始信息。根据水印的方案设计，可分为盲水印和非盲水印，不需要原始数据的称之为盲水印，反之，为非盲水印。根据用户密钥，可分为私钥水印和公钥水印，前者在水印的嵌入和检验过程采用同一密钥，而后者则采用不同的密钥。
（三）工作过程
数字水印技术系统一般包括水印生成、嵌入和提取/检测过程。其嵌入过程是首先对水印进行预处理，然后选择某种数字水印技术结合密钥或公钥将其嵌入到原始图像之中，最后得到嵌入水印后的图像；其提取/检验过程是使用原始水印结合所用的密钥或公钥，对待测图像按嵌入过程进行逆处理，然后得到恢复后的水印或检测结果。
（四）基本特征
1.保真性。嵌入图像中的水印应该在视觉上是不可见的，不会影响原图像的质量。但得注意的是，假如一个信号是视觉上不可见的，那么基于视觉可见性的有损压缩算法就有可能忽略这个信号，从而除去水印。
2.鲁棒性。图像在发布、传播和使用过程中可能遭到一定程度的破坏，产生的原因包括有损压缩、数模/模数转换、低通滤波、几何变换、对比度改变、图像格式转换等。这些破坏可能是无意的，也可能是恶意攻击的。所以，水印必须具有很强的鲁棒性，抵挡住这些破坏。
3可靠的检测机制。水印的检测算法必须是足够可靠的，不能误报也不能漏报。
4.相关密钥。嵌入图像中的水印必须与一个惟一的密钥相关，而且密钥的生成必须是安全的，难以伪造的。
5.可接受的计算开销。水印的计算开销（主要是检测时的计算开销）不能太大，必须在可接受的范围内。
6.多重水印。在一些场合下，允许在一幅图像中嵌入多种水印是非常必要的。因为目前还没有一种水印算法能够在各种攻击下都具有很强的鲁棒性，所以一个实用的水印系统往往需要在图像中嵌入多种不同类型的水印以提高其鲁棒性。
二、数字水印技术算法
经典的数字图像水印技术算法可分为两大类，即空域（spatial domain）算法和变换域(transform domain)算法。
（一）空域算法
空域图像水印技术是指在图像的空间域中嵌入水印的技术，一般是将水印嵌入到图像最不重要的像素位上。其中， 典型的算法有：Schyndel（1994：86-89）等提出将水印嵌入像素最低位算法（LSB）。常用的LSB算法有两种：第一种是将m序列的伪随机代码作为水印嵌入到图像数据的LSB平面中，它要用自适应柱状图操作将图像值由8压到6比特位；第二种作是将m序列代码作为水印嵌入到LSB平面中，但其解码过程则是利用了m序列唯一的且是最佳的自相关函数进行解码。Bender（1996：313-336）等人提出的Patchwork算法。Patchwork算法是通过改变图像数据的统计特性将信息嵌入到像素的亮度值中。该算法的缺陷是其嵌入量低且对串谋攻击抵抗力弱。此外，Puate and Jordan（1996：108-118）利用在分形图像压缩中选代函数系统和自相似性来编码，提出了基于分形图像压缩的空域水印法；Bas et al (1998:469-473)将空域分形编码的水印思想推广到分块DCT。空域算法的优点是计算速度快，但一般鲁棒性较差。
（二）变换域算法
变换域水印技术是先对原图像进行变换，在变换域中按照不同的方法选择系数嵌入水印，最后再进行相应的逆变换得到含水印图像。常用的变换有DCT（离散余弦）变换，DWT（离散小波）变换，DFT(离散傅立叶)变换，分形等嵌入方法。Cox（1996：243-246）等提出了一种基于DCT变换的扩频水印技术，它将满足正态分布的伙随机序列加入到图像的DCT变换后视觉最重要系数中，利用了SS（序列扩频技术）和HVS（人类视觉特性），其优点是相对于空域图像水印方法在对压缩、滤波等常规信号处理上具有更强的稳健性。Ruanaida等人最先将水印嵌入在DFT域中，指出相位调制可能更适合于鲁棒水印；Kunder（1997：544-547）等人最早提出将水印嵌入到DWT域。结合目前基于小波变换的图像压缩研究方法，Xia（1997：548-551）等结合SPIHT压缩方法和多分辩率分析，提出了多尺度水印技术，把高斯白噪声加入高频系数中；Houng-Jyh Wang结合MTWC压缩方法，将水印算法与图像压缩方法集成，实现数字知识产权的保护。
三、数字图像水印的应用
最早提出数字水印的概念与方法是为了进行多媒体数据的版权保护，它是通过跟踪多媒体数据中的数字水印信息来保护其数据版权；数字水印技术可用于识别文档（印刷品、电子文档等）的真伪，如鉴定印章，护照等等；数字水印技术可用于做多媒体数据的访问控制和复制控制（如DVD防拷贝系统），从而保证消费者的权益以及有效控制商业侵权行为；数字水印技术适用于信息的安全通信，通过该技术隐藏在普通多媒体数据中的信息不容易监控，隐蔽性高，可以避开窃听和监控；
结语：
作为一个技术体系，数字水印技术目前仍不够完善。今后，研究出对几何攻击具有较强鲁棒性的数字图像水印，提出兼顾保真性和鲁棒性的最优水印算法，进一步完善水印性能评价标准，将数字水印与密码技术、公钥密码和私钥密码体系相结合制作综合的数据安全系统等将成为主要的研究方向。就目前而言，数字水印技术仍存在诸多不足，但这却无法阻挡其发展趋势，它将在数字作品版权保护、篡改提示、隐蔽通信及电子商务等领域具有广阔的应用前景。
参考文献：
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[8]向德生,楊格兰,熊岳山.数字水印技术研究明.计算机工程与设计,2005,26(2):326-3
作者简介：
数字水印技术及应用 篇4
(一) 数字水印技术原理
1. 数字水印的基本特性
数字水印种类繁多, 不同的数字水印有不同的应用场合, 因而也会有不同的特性或要求, 但它们必须满足以下几个基本特性: (1) 鲁棒性。鲁棒性对版权保护水印来说非常重要。一个数字水印应该能承受大量的、不同的物理和几何失真, 包括有意的 (如恶意攻击) 或无意的 (如图像压缩、滤波、扫描与复印、噪声干扰、旋转、缩放等等) 。显然在经过这些处理后, 鲁棒的水印算法应仍能从水印图像中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。如果不掌握水印的所有有关知识, 数据产品的版权保护标志应该很难被伪造。若攻击者试图删除水印则将导致多媒体产品的彻底破坏。 (2) 不可感知性。不可感知性包含两方面的意思, 一方面指视觉上的不可感知性, 即原始图像与嵌入水印后的图像在人类视觉系统下是不可分辨的。另一方面用统计的方法也无法分辨原始图像与嵌入水印后的图像。不可感知性是数字水印系统的一个最基本的特性。 (3) 可证明性。水印应该能够为受到版权保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证明。并且载体在经过各种攻击后, 不会严重影响拥有者身份的准确判定。 (4) 安全性。水印应该是秘密的, 只有授权方才可访问。
2. 数字水印的系统模型
一般数字水印系统的通用模型包括两个部分:水印嵌入和水印提取或检测。嵌入算法的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中。提取或检测算法主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印 (如字符串或图像等) , 或是基于统计原理的只能判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。为了给攻击者增加去除水印的难度, 目前大多数水印制作方案都在水印加入、提取时采用了密钥, 只有掌握密钥的人才能读出水印。图1为数字水印系统的嵌入模型, 其功能是将水印信号加入到原始数据中。图1~图2为数字水印系统的检测模型, 其功能是判断某一数据中是否含有指定的水印信号, 并可能恢复出水印信息。
(二) 数字水印分类
1. 按水印嵌入的空间分类
分为空域水印和变换域水印。
空域水印是直接在空域中对采样点的幅度值做出改变而嵌入水印, 其最大特点是直观, 方便, 效率比较高, 其缺点也很明显, 稳健性比较差。
变换域水印是在嵌入水印前先对图像进行某种可逆的数学变换, 然后通过修改变换域的某些系数来嵌入水印, 再进行逆变换得到加水印后的图像。它主要包括离散傅立叶变换 (DFT) 、离散余弦变换 (DCT) 和离散小波变换域 (DWT) , 其共同的特点是:可嵌入水印的数据量大, 而且能够达到较好的不可感知性和鲁棒性的要求, 但算法复杂度较高。
2. 按所嵌入水印信息的抗攻击能力来分类分为脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印。
脆弱水印对信号的改动很敏感, 人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过, 主要用于完整性保护
鲁棒水印要求嵌入的水印能够经受各种常用的图像处理操作, 主要用于版权保护。
半脆弱水印能够容忍一定的信号失真, 主要用于认证。
3. 按人的主观感觉来分类
分为可见水印和不可见水印。
可见水印 (Visible digital watermarking) 的目的主要在于明确标识版权, 防止非法使用, 虽然降低了资料的商业价值, 却无损于所有者的使用。
不可见水印 (Invisible watermarking) 在视觉上是不可见的, 目的是为了作为将来起诉非法使用者的证据, 从而保护原创者或所有者的版权。
4. 按水印提取时是否需要原始图像来分类
分为非盲水印和盲水印。
非盲水印 (non-blind watermarking) 在提取或检测过程中需要原始数据。
盲水印在提取或检测中只需要密钥, 不需要原始数据。
一般来说, 非盲水印的鲁棒性比较强, 但其应用受到原始数据是否提供等的限制。所以盲水印更符合所有权验证的需要, 是水印算法发展的方向。
5. 按水印载体分类
分为图像水印、视频水印、音频水印、文本水印及网格水印等。
随着数字技术的发展, 会有更多种类的数字载体出现, 同时也会产生相应的水印技术。
(三) 典型的数字水印的算法
1. 空域水印算法
早期的数字水印算法从本质上来说都是从属于时空域的, 是直接在信号空间上叠加水印信息。R.G.Schyndel等是第一个提出关于数字图像水印的空间域算法的, 使用特定的密钥通过m-序列发生器产生随机序列信号, 然后按一定的规则重新排列成二维水印信号, 并逐一按像素点插入到原始图像对应像素的最低比特位 (称为最低有效位算法或噪声插入算法) 。由于水印信号隐藏在最低位, 相当于叠加了一个能量微弱的信号, 而人类视觉系统对某些细微特征不敏感, 因而难察觉。但其隐藏的信息可以被轻易破坏或移去, 无法满足数字水印的稳健性要求。Nikolaidis和Pitas在Bender等提出的Patchwork算法的基础上提出了一种比较经典的基于图像统计特性检测理论的水印算法:任意选择N对小块的像素区域对 (如3×3) , 通过增加一个区域中的所有像素点的亮度值, 而相应减少对应区域中所有像素点的亮度值的调整来隐藏信息, 但该算法嵌入的信息量有限, 而且对共谋攻击的抵抗力较弱。总而言之, 尽管空域算法实现简单, 但其嵌入的信息量少, 鲁棒性差, 一般早期的水印采用这种算法, 现在已经很少见到单独采用这种技术的算法了。
2. 变换域水印算法
研究人员普遍认为变换域水印比空域水印具有更好的稳健性, 因而近年来的数字水印算法多集中于变换域方案, 它是在载体信号的某一变换域中嵌入数字水印信号。
(1) DCT域水印算法。最早的基于块DCT变换的数字水印算法是Koch等人提出的, 该算法由一个密钥随机地选择图像的某些块, 在频域的中频系数上稍稍改变一个三元组以隐藏水印信息, 该算法对低通滤波和有损压缩是有效的。选择中频分量是不可见性与稳健性的折中, 有很多算法都采用中频带来隐藏水印。Cox等提出了基于全局的DCT的水印算法, 他们的重要贡献是将通信理论中的扩频原理引入了水印技术, 并提出了水印应该嵌入在感知重要的分量上 (主要对应于频域的低频系数, DC系数除外) 以增强算法的稳健性, 嵌入的水印强度正比于对应的频率分量的强度。Cox等还认为高斯随机序列产生的水印相比于其它序列具有更好的稳健性, 因为它们具有更大的自相关值。黄继武等人通过对DCT系数振幅的定量分析, 提出在DCT域的直流 (DC) 分量上嵌入水印可以获得更好的鲁棒性和不可见性, 嵌入的水印是伪随机序列, 在此之前DC分量总是无一例外被排除在外。由于一幅图像的局部特征有差异, 选择固定的水印隐藏区显然不是自适应的, Podilchuk等人提出了频带自适应选择方法, 水印的隐藏区自适应的选择为中频带和低频带中频率信息和能量最丰富的一段频带, 这样可以充分利用对比度掩蔽的作用, 同时水印的嵌入是通过修改感知重要的系数, 保证了水印的鲁棒性。由此可以看出基于低频带和中频带的DCT域嵌入水印算法是主流。DCT域嵌入水印算法不但可以和现在国际上常用的压缩标准如JPEG、MPEG-2等相兼容, 而且如果频带选择适当可以消除数据有损压缩所造成的损失, 即抗JPEG压缩能力很强。因而目前DCT域嵌入水印的文献很多, 可以说是研究比较热门的一个领域。其存在的问题:第一, 全局DCT变换的局部性很差。第二, 采用分块DCT变换重构图像时会出现马赛克效应。
(2) DWT域水印算法。离散小波变换 (DWT) 具有良好的时频局部化特性, 和人眼的某些视觉特性相一致, 同时随着新一代图像压缩标准JPEG2000和视频压缩标准MPEG-4中小波变换的采用并占据重要地位, 使得DWT域水印算法具有广阔的应用前景。1998年, C.T.Hsu和J.Lwu首先提出了多分辨率分析的水印算法:首先对水印图像和原始图像同时进行多分辨率分析, 然后将水印在分辨率下的分析系数嵌入到具有相应分辨率的图像块中, 这样, 即使含水印的图像质量受到了攻击的影响, 丢失了部分信息, 较低分辨率的水印仍然保存在较低分辨率的图像块中, 因此水印具有较高的稳健性。Liang、Ohnishi、Tzovaras等提出在小波分解的近似图像中嵌入水印:首先对图像按8×8分块, 对各块进行三级小波分解, 类似于在 (DCT) 中对图像的运算, 然后对得到的各低频子带系数嵌入水印信息。黄达人、王卫卫等人提出对整幅图像进行小波分解, 然后在感觉重要的小波分解系数中嵌入水印。Watson利用小波变换符合人类视觉系统HVS (human visual system) 的某些特性 (频率掩蔽特性) 对不同的分解子带定义了不同的量化要素, 并利用各子带所容许的量化噪声自适应地控制水印的嵌入强度, 以满足水印在不可感知的条件下最大强度的嵌入水印。
针对许多现有的数字水印算法对图像缩放、旋转、剪切、删除或增加线条、仿射等几何形变比较脆弱的特性, 也有一些学者将分形理论中自相似分形集的抗几何形变特性运用到水印算法上以增强水印抗几何攻击的能力。
(四) 数字水印的应用领域
1. 数字作品的版权保护。
版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品的所有者可用密钥产生一个水印, 并将其嵌入原始数据, 然后公开发布其水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时, 水印的提取和认证, 能够证明嵌入水印的产品的版权。另一种情况是有产权争议时, 需要第三方的版权管理中心的帮助, 确定产权的归属。
2. 数据真实性认证。
电子商务的出现和发展, 使用了大量的电子文件和票据, 如各种票据的扫描图像、电子支票、网络支付凭证等。商务交易中, 数据信息的任何修改都可能导致交易的不公平, 如伪造票据, 修改数据, 商业欺诈等。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志, 从而大大增加了伪造和篡改的难度。
3. 使用控制。
水印被嵌入到信息中后, 它们在信息中始终存在, 如果每个信息使用终端都安装了水印检测器, 那么如果在信息输入中检测到禁止使用的水印, 终端都会禁止信息的使用。这种应用的一个典型的例子是DVD防拷贝系统, 即将水印信息加入DVD数据中, 这样DVD播放机就可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性, 从而保护制造商的商业利益。
4. 路径跟踪。
在此类应用中, 水印携带了被保护产品在复制过程中的传播路径或其他操作。水印可以记录产品的分发途径。产品的所有者会在产品的每份副本中放置不同的水印。如果产品被非法再发行, 所有者可根据提取的水印确定信息的分发途径, 从而追究其非法分发者的责任。
(五) 结论
数字水印技术作为解决多媒体数据安全问题的一种有效手段有着巨大的潜力, 无论在学术界、工业界还是商业界都具有广泛的研究前景。尽管目前数字水印技术在实际应用中还存在着许多问题未曾解决, 而相关科学研究领域的技术发展也会使之面临更多的挑战。但我们相信随着研究工作的深入, 数字水印技术会逐渐走向成熟, 并最终形成一门颇具特色的独立技术学科。
摘要：数字水印是一种全新的数字产品保护技术, 它将特定的数字信息嵌入到图像、视频、音频等各种数字产品中, 以达到信息安全和版权保护的目的。文章从数字水印技术的原理、分类、典型算法和应用等方面对这种新技术加以阐述, 使读者结它有一个比较全面的了解。
关键词：数字水印,信息安全,版权保护
参考文献
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数字水印 篇5
二、数字水印特征及分类
所谓数字水印技术，就是在被保护的数字对象（如静止图像、视频、音频等）中嵌入某些能够证明版权归属或跟踪侵权行为的信息，这些信息可能是作者的序列号、公司标志、有意义的文本等等。水印中的隐藏信息能够抵抗各类攻击。即使水印算法是公开的，攻击者要毁掉水印仍十分困难。将某种不可感知的信息如数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，以起到版权保护、秘密通信、数据文件的真伪鉴别和产品标识等作用。在发生数字媒体侵权使用、版权争议时，通过检测媒体内容中的数字水印，获得数字媒体的版权信息、授权信息等，从而起到媒体知识产权保护的目的。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。
1.数字水印特征
嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印：
（1)不可感知性:在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质，并且不易被察觉。
（2)隐藏位置的安全性:水印信息隐藏于数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。
（3)鲁棒性:所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。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。
（4)隐藏的信息量:嵌入的秘密信息必须能够具有足够多的信息。实际上，隐藏的信息与系统的鲁棒性是矛盾的，即嵌入的秘密信息越多，鲁棒性就越差。
2.数字水印分类
按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改
过。
按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。
按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。
按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音频片段的编码;无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。
按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。
票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。
版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。
篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。
隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。
三、数字水印的应用领域
1.数字作品的知识产权保护
数字作品（如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画）的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改
“数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版
权保护的目的。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop软件中集成了Digimarc公司的数字水印插件。然而实事求是地说，目前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，距离真正的实用还有很长的路要走。
2.商务交易中的票据防伪
随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过 1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。
另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。
3.证件真伪鉴别
信息隐藏技术可以应用的范围很广，作为证件来讲，每个人需要不只一个证件，证明个人身份的有：身份证、护照、驾驶证、出入证等；证明某种能力的有：各种学历证书、资格证书等。
国内目前在证件防伪领域面临巨大的商机，由于缺少有效的措施，使得“造假”、“买假”、“用假”成风，已经严重地干扰了正常的经济秩序，对国家的形象也有不良影响。通过水印技术可以确认该证件的真伪，使得该证件无法仿制和复制。
4.声像数据的隐藏标识和篡改提示
数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、经/纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。
此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知，因此，如何防范对图像、录音、录像数据的篡改攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。
5.隐蔽通信及其对抗
数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，更引发了信息战尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起了许多国家的重视。
网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。迄今为止，学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思维模式，然而，经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种时（空）域和变换域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。
四、数字水印的发展趋势
数字水印在多媒体信息安全中的应用 篇6
关键词:数字水印 信息伪装 版权保护 信息安全 多媒体
0 引言
随着信息技术和计算机网络的飞速发展,许多传统媒体都开始向数字化方向发展,数字化的多媒体数据(如电子出版物、音频、视频、动画、图像产品等) 为信息的广泛传播提供了极大便利。但是多媒体数据的数字化特点决定了通过网络传输数据文件或作品,使有恶意的个人或团体有可能在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容,从而可以对数字化的艺术或影视作品通过简单的复制牟取暴利,或者轻易的对政府办公文件或者其他机密信息进行篡改和恶意攻击。据美国唱片行业协会(RIAA) 估计,全世界每年因盗版而造成的经济损失高达50亿美元。美国电影行业协会(MPAA) 则估计,盗版使美国电影业的年收入减少了25亿美元。此如何在网络环境中实施有效的版权保护(copyrightprotection) 和信息安全(infor2mation security) 手段成为一个迫在眉睫的现实问题。
1 数字水印技术原理及现状
数字水印技术是将一种特制的不可见的标记,利用数字内嵌的方法隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中,用以证明原创作者对其作品的所有权,并作为鉴定、起诉非法侵权的证据,同时通过对水印的探测和分析保证数字信息的完整可靠性,从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等,可用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权。与加密技术不同,数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生,但它可以判别对象是否受到保护,监视被保护数据的传播、真伪鉴别和非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。
数字水印技术的研究虽然只有短短几年时间,但其软件产业已经有相当的规模。早在1995 年,数字水印技术的研究还刚刚开始不久, 美国的Digimarc 公司就率先推出了世界上第一个商用数字水印软件,而后又以插件形式将该软件集成到Adobe Photoshop4.0和Corel Draw7.0中。数字水印技术的商品化速度如此之快反映出其迫切的市场需求。到目前为止,数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和三维网格数据水印等几个方面,其中大部分的水印研究和论文都集中在图像研究上,其原因在于图像是最基本的多媒体数据,且互联网的发展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。最近视频水印也有一定程度的研究和发展。由于视频可以看成时- 空域上的连续图像序列,所以许多图像水印的研究成果可以直接应用于视频水印上。但后者数量级要高很多,特别是需要考虑实时性问题。
目前数字水印技术主要用于以下几个方面:第一,版权保护。即数字作品的所有者可用密钥产生一个水印,并将其嵌入原始数据,然后公开发布他的水印版本作品。第二,添加指纹。为避免未经授权的拷贝制作和发行,出品人可以将不同用户的ID或序列号作为不同的水印(指纹) 嵌入作品的合法拷贝中用以确定其来源。第三,标题与注释。即将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品中。多用于网络图像内容的保护。第四,篡改提示。将原始图像分成多个独立块,再将每个块加入不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号,来确定作品的完整性。多用于法庭、医学、新闻及商业。第五,使用控制。比如CD数据盘中秘密的数字水印信息可以有条件的控制什么样的人可以访问该CD盘中的内容。
2 数字水印技术在多媒体信息安全中的具体应用
2.1 数字作品的版权保护 数字作品的版权所有者可将版权信息作为水印嵌入到作品中成为其不可分离的一部分,在发生盗版行为或版权纠纷时则可从作品中提取出水印以证明对该作品的所有权。
2.2数字指纹 当数字作品版权所有者分发其作品时,为避免该作品被非法拷贝及发行,可向分发给不同用户的作品中嵌入不同的水印,一旦发生非法拷贝,即可根据非法作品中的水印信息确定其来源。这样,数字指纹可作为调查非法拷贝和发行的技术手段。
2.3拷贝控制 实际上,无论版权保护还是数字指纹都不能彻底阻止非法拷贝,只能作为威摄和调查取证的工具,要杜绝非法拷贝最终离不开硬件上的改进。在生成一个数字作品(如数字音频、视频) 时即向其中嵌入一个水印以指明它能否被复制及可以重复拷贝的次数,若要对这样的数字作品进行复制,预置了水印检测电路的复制设备在检测到水印信息后即会做出相应的反应,或不允许复制,或控制复制的次数。要做到这点,所有录制设备都要增加检测水印的电路。目前,制片商和DVD影碟机厂家联手开发利用水印技术阻止非法拷贝机制的行动已经进入起步阶段。
2.4信息正确性保护 在电子商务中涉及到交易双方大量信息的传送,由于传输媒介的影响、误操作或受到恶意攻击都可能导致欲传输信息的改变,从而对接收方造成严重的影响。针对这一问题,可在信息中嵌入脆弱水印或半脆弱水印,接收方对嵌入的水印进行检测,如果发现接收数据中不包含水印或水印被破坏,则表明信息在传输过程中发生了变化,可通知发送方重新发送信息并将已收到的错误信息丢弃。通过这种方法可以保证信息的正确性。
2.5电子票据的保护 作为交易的凭证,与传统交易一样,电子商务中也需要一定的票据。与传统交易不同的是在电子商务中的票据都是通过网络传递的。如何鉴定这些电子票据的真伪是决定电子商务是否能顺利进行的关键性问题。针对这个问题,可以在交易双方的电子票据中嵌入数字水印形式的签名和日期。这样可以辨别真伪并且同时确定交易双方的身份和交易的时间,从而解决了交易过程中的不可抵赖性问题,而且还可以在发生纠纷时作为证据。为了防止水印被破坏,用于这一领域的水印必须是鲁棒型水印。
数字水印是当前数字信号处理、图像处理、密码学、通信、算法设计等学科的交叉领域。在网络技术迅速发展的今天,数字水印技术的研究更具有明显的意义。随着应用的日益深入,数字水印已不再局限于标注版权信息,它在多媒体作品的销售、播放和使用的各个环节中都产生了新的用途,将对保护各种形式的数字产品起到重要作用。经过短短几年的发展,数字水印的嵌入技术已经取得了长足进步。目前数字水印技术仍有一些尚待解决的问题,如标准的制定、算法分析、数字水印与密码技术的结合、数字水印与压缩算法的统一等,这些问题的解决将会进一步促进数字水印技术的发展和应用。但数字水印潜在的价值是巨大的,特别是在迫切需要解决的版权保护等方面,有着无法代替的前景,相信在未来的信息安全体系中,数 字水印技术必将发挥重要作用。
参考文献:
[1]杨义先.信息隐藏技术———隐写术与数字水印[M].北京:人民邮电出版社.2001.
[2]刘彤,裘正定.数字水印技术在多媒体信息安全中的应用[DB/OL].2001.4.
播出系统音频水印技术应用分析 篇7
在广播电视领域,数字水印技术原本用于对节目的合法性、版权进行监测管理,防止出现非法攻击、版权侵犯等行为。伴随移动互联网技术的发展应用,掌上智能终端逐渐普及,人们越来越愿意将时间花费在手机等“小屏幕”上,因此如何实现屏幕扩展,充分利用电视“大屏幕”的吸引力,与“小屏幕”的优势相结合,创造出新的观看体验,成为了电视从业者关注和研究的方向。近年来国内外各电视媒体陆续开始在节目中尝试应用音频水印技术,在不影响电视节目的收看收听效果的前提下,将特定信息嵌入到节目音频中,观众用户通过智能终端检测水印信息,参与节目实时互动。
一音频水印技术应用发展情况
通过音频水印技术应用,电视用户可以通过手机、PAD参与节目、广告的互动。利用节目的吸引力,在节目、广告播放过程中设置易于操作互动的环节,可以对节目冠名品牌等进行曝光宣传,对节目内容进行关联扩展(如背景介绍、字幕显示、信息分析等),与观众进行抽奖等游戏互动,对当前播出的广告商品进行产品介绍或商品链接,甚至对用户观看电视的时间、时长等习惯形成大数据。总的来说,既可以提升观众对节目内容的关注度,又拓展了电视台广告业务的新方向,为广告商提供创新性质的投放渠道,甚至直接转化为用户消费行为。
国际上英国Channel 4、法国M6、美国华纳兄弟、日本wowow等电视媒体,以及国内的《中国好声音》《蒙面歌王》等一系列优秀电视节目也开始了这方面的尝试,实现以节目为依托,利用互动将观众效应最大化,增加用户粘性,促成关注聚焦。通过新颖有趣的玩法,与节目形式实时精准互动,高度契合,形成更有效的传播。
相比较传统扫描二维码的方式,应用音频水印技术参与互动,用户不用靠近电视屏幕,使用手机对准二维码扫描,而只需手机摇一摇即可,如图1所示,在操作上更加简便,使用户体验更加人性化。对于未来广阔的应用前景,音频水印技术在与电视节目内容相关的应用,已成为越来越重要的研究领域。
二音频水印技术要求
在电视互动应用中,为保证用户获得良好的使用体验,音频水印技术应满足数据量与可读性、鲁棒性、不可察觉性要求。
1.数据量与可读性
由于用户终端接收水印信息时,仅仅获知是否有水印标记是不够的,还需要明确互动方式和内容,尤其是广告投放性质的互动,如购买某个商品的链接或广告等等,不同时段和栏目的投放点所代表的经济价格和责任是不同的。因此水印信息的数据量大小与可读性至关重要,数据量大小一方面影响原有音频的收听效果,是否具有不可觉察性,另一方面是否符合鲁棒性需求,在传输过程中不受影响。可读性是指在用户终端获取音频水印信息时,需提取所携带的目标长度的bit位信息,获取完整ID,以在终端匹配相应的互动方式与内容。
2.鲁棒性
由于电视信号从电视台播出系统到用户机顶盒,尤其全国上星播出的节目,中间经历数模转换、噪声滤波干扰、多次转码、压缩编解码、音频下混处理等,而各地运营商所使用的处理方式也不尽相同,因此播出链路设备的水印嵌入需具有十分良好的鲁棒性,避免水印在传输链路中被破坏,保证各地观众都能正常接收检测水印。鲁棒性是指嵌入水印的音频信息在接收时,与原始音频信息有差异时,终端仍然尽可能地从中检测出完整ID信息。
3.不可察觉性
为保持节目的原有效果,嵌入水印后不应对观众的主观感受产生差别,这是音频水印最基本的要求,尽可能在人的感官上保留节目音频的原有特征。如果水印添加后主观评测显示出较大的音频质量损伤,或可明显感知,该节目音频则失去播出效果与价值,因此音频水印应具有不可察觉性。
考虑节目在不同频道、不同时段重播时,对节目互动的需求并不完全一致,如果在节目文件制作时将数字水印嵌入,将导致节目跨频道或重播时失去互动的灵活性、时效性。播出系统在线添加音频水印,能够实现同一节目在不同频道、不同时段播出时,根据事先的编排计划,采取任意互动方式与内容。考虑系统建设维护,用户在水印识别、提取操作的便利与容错等方面因素,使用音频水印能够支持Android、i OS终端操作系统应用,并且对软硬件的处理能力要求低,不需要设计建立复杂的后台支持系统,终端从节目音频中提取ID进行互动匹配,避免大量用户同时访问后台压力。
观众在收看电视节目的同时,可以通过手机APP获取节目中的音频水印信息,该信息与特定互动方式相关联,如广告链接、参与抽奖等,因此音频水印应能够标识定位当前播出的节目内容,利用人耳掩蔽效应,携带能够唯一对应互动内容的信息。如图2所示,嵌在节目声音信号中的水印,前10bit用于标识频道或节目,后10bit用于标识该节目时间线,即在该节目任意时间点,可设计任意不同的互动效果。水印的bit位长度将决定卸载信息量大小,互动方式的多样性,也决定检测一个完整水印所需的时间长度。
三节目中嵌入音频水印的方式
按照不同处理方式及业务,在节目中嵌入音频水印的方式有两种,一是在播出系统中增加通路设备受控在播出信号中实时处理,另一种方式是在节目制作过程中离线添加生成。一般情况下,使用后者文件级水印添加方式,将带来以下两个问题:效率方面,文件级嵌入将带来额外的时间开销,视音频分离的MXF OPAtom音频文件效率可达到30倍速,1小时节目文件需2分钟左右,MXF Op1a则只能达到2倍速,1小时节目文件需30分钟左右。通过提高硬件配置及相关优化调试能够提高效率,但相比播出信号级方式的实时性,其代价时间开销仍然不可忽视,尤其对于时间紧急的直送文件节目,生产效率大为降低的同时,甚至影响正常送播,成为播出安全隐患。合理性方面,播出信号级方式的优势在于针对同一节目不同频道、不同时段的播出,可以灵活掌握嵌入信息,设计不同互动方式与内容,例如同一部电视剧在不同频道播出时,可根据频道定位特点或广告出售情况,观众可参与互动发生变化,如投票、抽奖或投放不同广告。然而文件级方式一旦嵌入水印信息,需要变更时,不同频道播出则需制作不同版本节目文件,重播时则需进行出库修改,带来不必要的生产资源开销与浪费。因此,采用播出信号级音频水印嵌入方式,在效率与合理性方面是更优的选择。
通路中采用播出级嵌入设备,通过以太网方式接收控制机命令,对输入的SDI信号进行音频水印嵌入,使电视节目变为可识别水印的节目。因此在播出系统添加音频水印嵌入设备,如图3所示,应在响度控制器之后,下变换器之前。考虑音频水印信号在经过响度控制器后,对信号波形产生影响,从而可能对水印的检测效果产生影响,将嵌入设备取在下变换之前,可以同时保持高标清链路的水印效果,在部署方式上更加经济。
四技术应用功能及性能分析
在视音频接口特性上,需符合GY/T 155-2000《高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值》和GY/T 157-2000《演播室高清晰度电视数字视频信号接口》的要求。同时,结合目前播出系统特点,还需考虑设备延时、AFD通过性等需求。
1.接口特性指标
接口指标测试结果如表1所示。
2.业务功能及性能
硬件功能方面,作为播出级产品,应满足如下需求:设备双电源,掉电及直通,监控报警上传、分声道嵌入、下混及压缩编码不受破坏、可修改水印、设备延时固定、AFD通过、网络控制等。
不同bit位长度所负载信息量和检测时间不同,从错误检测和数据完整性角度考虑,bit位长度定义为4的整数倍。20bit长度水印即可产生100万个不重复互动ID。经测试,20bit长度水印在使用APP进行检测时,所需时间为4.8秒。
考虑随着电视台内音频水印的推广进度,需要做互动添加水印的节目、互动的种类将呈现逐渐增长的过程,而这一过程也无法准确预测。另一方面,单个水印的信息量大小又将影响观众APP的检测时间。因此从技术角度出发,希望在电视台嵌入端根据水印在节目部门的推广情况,逐渐增大bit位,使互动效果与用户检测时间之间总是保持平衡最优。客户端APP需根据电视声音信号中的水印信息,自动检测匹配bit位长度,避免手动操作或更新APP。然而经过实际测试,目标还无法支持bit位长度动态自适应检测,如表2所示,因此需在设计阶段充分考虑业务应用及扩展能力,确定最符合需求的bit位长度。
在节目播出过程中,水印信息将随着节目的变化而不断改变,因此在水印变化的切换点前后,如果观众进行了互动操作,所检测的ID信息是否准确,将影响用户体验。通过对节目音频连续分别嵌入ID值为“1089”、“2154”的水印,使用手机APP在水印切换前3秒进行检测,检测结果如表3所示,即水印切换时检测结果为切换后的水印ID,响应时间为一个完整水印检测周期+切换前的检测时长。从业务角度分析,用户实际操作是在切换前,期望的是本节目互动,应在发现水印切换且未完成检测时,放弃此次检测,并报出检测失败,而非给出下一个节目的互动。产品在这方面的特点,要求在系统控制时,避免嵌入不完整ID序列。
在得到检测的基本响应时间后,还需针对不同节目形态所具有的,声音连续性与音量大小起伏的不同,再做针对性的测试,表4即是选取了歌唱类、动画类、电视剧类、体育类、新闻类以及广告类节目,通过在节目中连续嵌入20bit水印,人工使用手机APP进行随机检测,检测时间超过15秒则判定为漏检。测试发现由于电视剧类节目无声音的场景较为频繁,其检测结果校其他节目形态差,有20%左右的漏检率,而歌唱类、体育类及广告类节目由于其节目形态具有声音连续且起伏不断的特点,水印掩蔽嵌入效果较好。针对这种情况,一方面需要产品加强嵌入检测能力,同时对不同节目形态在应用水印技术时,也要有所注意,避免将水印加在无声音或声音不连续的时段。
由于使用掩蔽效应在节目声中嵌入音频水印,节目声与环境声的相对大小关系,将实际影响终端检测水印的响应能力,即响应时间的大小。通过模拟三种不同收看环境场景,可获知影响关系。使用APP手动操作触发检测100次,记录20bit长度的水印信息检测每次响应的时间,可得出平均响应时间及分布关系。首先模拟用户在家收看节目的常规场景,即节目声在环境中可清晰分辨,一般比环境噪声高10d BA左右,如图4所示,此时检测的平均响应时间为4.8秒,其中4.1秒以下有2次,4.1秒至4.4秒有6次,4.4秒至4.7秒23次,4.7秒至5.0秒36次,5.0秒至5.3秒31次,5.3秒至5.6秒1次,5.6秒至5.9秒1次。可以看到,响应时间大小相对比较集中,每次检测差异不大,基本围绕平均时间4.8秒左右小量波动。
当我们提高节目音量或使测试环境更安静,即在节目声显著高于环境噪声的场景中,如图5所示,平均响应时间为4.8秒,其中4.1秒以下有3次,4.1秒至4.4秒有5次,4.4秒至4.7秒23次,4.7秒至5.0秒38次,5.0秒至5.3秒31次。此时检测结果并未显著提升响应能力,每次检测的波动大小也与上一场景基本一致,可以确认20bit长度水印信息的常规响应时间为4.8秒。
当我们降低节目音量或使测试环境更嘈杂,即在节目声在环境中只可模糊分辨的场景中,如图5所示,平均响应时间为5.8秒,其中4.4秒以下有3次,4.4秒至4.7秒11次,4.7秒至5.0秒29次,5.0秒至5.3秒20次,5.0秒至13.7秒之间分布出现了30次,还有7次超过15秒。这种情况下表现出了水印检测响应能力的降低,影响用户的操作体验。
从上述结果可以看出,在节目可清晰分辨的情况下,20bit水印配置的平均响应时间约4.8秒。观众收看节目时所选择音量大小与环境噪声相差越小,响应检测效果越差。在节目所选择声音大小相对环境噪声可分辨但音量偏小时,平均响应时间约5.8秒。节目音量与环境声音相差越明显,响应时间的测试方差越大。尽管如此,只要保持观看电视节目时的常规音量大小,用户就能获得较为理想的互动响应体验。
五总结
播出系统音频水印技术应用,能够满足实时性、数据量与可读性、鲁棒性、不可察觉性等方面要求,是观众参与电视互动的有力手段。随着更多节目形态产生互动、推广等方面的需求,智能终端硬件水平的提升,以及优秀客户端APP所提供的用户入口,音频水印技术的推广应用将更加广泛。
摘要：本文介绍了电视领域音频水印技术应用发展的情况及技术要求,对播出系统采取信号级实时音频水印嵌入的方式进行了分析阐述,说明了其检测响应时间等性能指标及特点。
脆弱水印在电子病历中的应用 篇8
近几年, 电子病历在一些医院得到了应用和发展, 它以独特的优点给人们的就医看病带了极大的方便, 但是利用网络的开放性所进行的如信息篡改等一些恶意行为, 会导致医院之间传输的医学图像或者医学数据库中的图像被修改, 即使经过不可恢复的压缩, 也都可能造成误诊。因此需要对网络传输过程中电子病历里的医学图像进行完整性和真实性认证, 基于数字水印技术的脆弱水印就是解决此问题的有效方法之一。为了保证算法的一致适用性, 本文针对大脑CT灰度图像进行脆弱水印算法研究, 该算法也适用于彩色图像、二值图像等。
1Logistic混沌映射
混沌现象源自于非线性动力系统, 这个系统的进化对初始值的状态十分敏感, 因此具有确定可再生性、类随机性、非周期性等一些特点, 正由于这些特点的存在, 它才能被应用于序列密码。从数学表达式看, Logistic混沌映射是一种简单的一维映射, 在动力系统和保密通信领域应用广泛, 具体表达式如下:yn=1=yn×σ× (1-yn) σ∈[0, 4] y∈[0, 1]其中σ是Logistic参数, 经过大量研究显示, Y∈[0, 1]时Logistic映射处于混沌状态。
通过利用Logistic混沌映射得到的序列来获得图像分块的编号, 可以将图像分块编号置乱, 这种情况下可有效抵抗矢量量化攻击。
2方案设计过程
2.1脆弱水印的原理
脆弱水印主要用于防止数据被篡改, 在鉴定数据时不需要其它认证数据, 并且脆弱水印是离散分布的, 因此增加了媒体数据的安全性。只要载体图像中的脆弱水印发生少许改动, 那么提取出的水印和原水印就会表现出不同的特性, 因此可以鉴定图像是否被篡改过。对于发送者, 将认证水印嵌入到载体图像中, 而接受者则重新提取认证水印用来检测载体图像是否被篡改。
2.2脆弱水印的生成和嵌入
本论文利用Hash函数对输入值的敏感性优点, 以此来完成对脆弱水印的嵌入及对篡改攻击后的识别。将载体灰度图像分块, 并利用密钥作为初值让Logistic映射生成载体图像分块的置乱编号, 将每个分块后图像的像素点、分块编号和原始分块编号作用于Hash变换, 可以获得128bit的图像摘要, 将子块图像摘要与混沌映射序列的分段Ai异或运算, 也就得到嵌入载体图像的脆弱水印, 最后利用密钥将脆弱水印再加密嵌入到载体图像的2bitLSB位, 这样能很有效地保证算法的安全性。在检测端, 只需要利用相同的密钥和方法对水印进行Hash变换, 比较得到的水印信息和原始图像摘要, 就可验证图像是否被篡改, 达到对图像完整性认证的目的。
设原始灰度图像的大小M×N, 分为大小为8×8的子块图像, 脆弱水印生成及嵌入具体流程如图1所示。
执行过程如下:①将原始载体灰度图像的低2bitLSB平面置为0;②把医学CT灰度图像分为彼此不重叠的8×8的图像分块, 设分块图像编号为i, 且i=0, 1, …, (M-1) /8* (N-1) /8;③择取密钥Key1, 利用Logistic映射生成分块图像的置乱编号ID;④对每块子图像应用Hash函数生成子图像的内容摘要, 设每块子块图像中像素值Im, m=0, 1, 2…, 63; Hi=Hash (I1, I2, ..I63, I, ID) Hash函数也被称为单向散列函数, 对任意长度的消息输入, 返回一个固定长度的散列值, 在这里Hi=128bit位的散列值;⑤利用密钥Key2生成Logistic混沌映射序列A, 将其分为和哈希函数等长度的分段Ai;每个子块得到的函数摘要Hi与分段的Ai进行Ri=Hi⊕Ai运算;⑥将Ri用Key3加密后嵌入置乱之前编号为i的子块图像块中的低2bit平面像素;⑦重复以上过程直至所有置乱前的子块图像完成脆弱水印水印嵌入。
2.3脆弱水印的提取检测
本算法不需要原始载体灰度图像参与提取水印, 只利用正确的密钥就可以完成水印的提取检测, 是一种水印盲提取算法。
①首先将携带有脆弱水印图像分割为互相不重叠的8×8图像子块;②择取密钥Key1, 利用Logistic映射生成分块图像的置乱编号ID, 利用密钥Key2生成Logistic混沌映射序列A, 将其分为和哈希函数等长度的分段Ai;③提取每子块图像的最低2bit平面像素, 利用发送端相同的密钥Key3和ID对水印进行恢复得到恢复水印Wi;④把含水印图像的最低2bit位置0, 设每块子块图像中像素值Im′m=0, 1, 2, …63, 用ID对分块图像进行嵌入端分块置乱的恢复, 进行和嵌入端相同的Hash运算, 即Hi′=Hash (I1′, I2′…I63′, I′, ID) 运算;⑤将Hi′和Ai进行如下操作:Ri′=Hi′⊕Ai′ ;⑥把提取的分块水印Wi和Ri′依次进行逐块参与异或运算, 若结果为0, 则分块图像没有被篡改过, 若结果为1, 则分块图像曾遭受篡改过, 完整性遭到破坏。
3结果及分析
本论文选择大小512×512的大脑CT灰度图像进行仿真实验, 以此来测试算法性能。将分块生成的脆弱水印嵌入载体图像的低两位LSB平面, 在此利用PSNR峰值信噪比衡量载体灰度图像和携带水印图像的不同。针对大小为n1×n2的图像, 载体灰度图像I, 嵌有水印的图像I', PSNR定义是:PSNR=101gundefined, 因为生成的脆弱水印嵌入到载体图像的最低2bit位, 所以每个像素值的改变量为0, 1, 2, 3, 对应的概率为p (0) =p (1) =p (2) =p (3) =1/4, 可得嵌有水印的图像和载体灰度图像的像素值的差平方的期望, E (I (i, j) -I' (i, j) ) 2=7/2, 代入PSNR公式可得PSNR=42.68dB 经过计算, 本论文脆弱水印算法能满足视觉不可感知性。
从实验结果观察, 以上算法可以满足一定的篡改定位精度要求的场合, 能定位出载体图像被非法篡改的图像区域。在子块水印生成过程中, 采用了Logistic混沌映射对子块图像置乱处理, 并对置乱后的子块图像生成的图像摘要进行了与异或处理, 因为Logistic混沌系统对初始值的不同极端敏感, 只要有微小的变化, 所得到映射的输出序列就会完全不同, 并且最后对生成的子块水印图像用密钥进行了加密处理, 所以可以满足安全性的要求。表1列出了对含水印灰度图像篡改随机像素点后的而实际检测到的篡改点数, 其中检测概率=篡改的像素点数/实际检测到的篡改像素点数, 由于Hash函数对输入初值的极端敏感性, 可以获得比较好的篡改检测效果。
4结束语
本算法使用了Hash单向散列函数获取图像内容摘要, 保证了水印系统的安全性, 分块图像的置乱可有效抵抗矢量量化攻击。仿真结果显示, 在本论文提出的脆弱水印算法中嵌入水印后的载体灰度图像具有很好的视觉不可见性, 同时对水印图像的篡改具有很高的敏感性, 可以鉴别医学CT图像的正确性和完整性。
摘要：基于数字水印技术提出了一种能识别电子病历中的图像是否被攻击或者篡改的脆弱水印算法。算法思想是首先将灰度图像最低2bit置0和图像分块置乱, 生成子块图像摘要, 将摘要与Logistic混沌映射序列进行异或运算生成子块水印, 然后将水印加密后嵌入到对应子块图像的2bit最低有效位LSB (Least Significant Bit) , 最后将子块图像整合为一个整体。实验结果表明, 该算法可有效鉴别图像的完整性。
关键词：电子病历,脆弱水印,Hash函数,Logistic混沌映射,LSB
参考文献
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[4]WALTON S.Image authentication for a slippery new age[J].Dr.Dobb'S Journal, 1995 (4) .
水印应用 篇9
电子验印技术是影像交换系统中的关键技术之一。电子验印技术有效地克服了人工折角核对精度低、无法实现通存通兑和无法基于支票电子影像操作的弱点，已成为影像交换系统中识别和判断银行客户身份的重要技术手段。
一、数字水印的定义
按照Hartung和Kutter的定义，数字水印是“一种嵌入在宿主数据中的无法去除鲁棒稳定同时又不可见的包含特定信息的数据码”。这些信息通常包括数据来源、状态以及数据的用途。数字水印技术是一种隐藏密码技术，因为它隐藏了那些对于数据使用者无关或不关心的嵌入数据。但是，与隐藏密码技术不同之处在于，水印技术更强调鲁棒性，即对大多数普通攻击的抵抗能力。图1展示了一个典型的数字水印系统框图。
二、数字水印的分类
（一）按照视觉特性分类
数字水印可以分为可见水印和不可见水印。可见水印即肉眼可见的水印，主要用于防止被嵌入载体的未经授权使用。不可见水印刚好相反，水印在嵌入后通常不易察觉，授权者只能通过特定算法才能提取载体中的水印，证实自己身份。
（二）按照嵌入方式分类
数字水印可分为空间域水印、变换域水印和零水印。空间域水印具有算法简单、实现快速的优点，但通常稳健性能不高。而变换域水印能够充分利用图像的数学特性，获得较好的稳健性能和隐藏性能。但是，变换域水印相比空间域水印算法较为复杂，执行效率也相对较低。零水印是指不修改原始数据的信息，通过利用原始数据的重要特征来构造一个水印。零水印方法是一种新的数字水印方法，很好地解决了不可见水印的不可感知和鲁棒性之间的矛盾。
（三）按照稳健性分类
数字水印可分为脆弱水印和鲁棒水印。脆弱水印对数字信号处理的操作十分敏感，当非法用户对嵌入后对象进行任何细微改变时，都会使嵌入的水印发生改变。授权用户可以通过分析水印的改变来判断嵌入后对象那一部分遭受了非法更改。鲁棒水印与脆弱水印相反，对于各种数字信号处理操作具有很高的抵抗力。即使在嵌入后对象遭遇到恶意篡改后，授权用户依然可以从中提取出可识别的水印信息，证实身份。
（四）按照提取方式分类
数字水印可以分为盲水印和非盲水印。非盲水印在提取水印的过程中，不仅需要使用嵌入密钥，还需要用到原始的未嵌入水印的载体图像，而盲水印则不需要。一般来说，盲水印的稳健性较高，但通常盲水印的嵌入信息量较多，嵌入方法复杂，成为其技术发展的限制。
三、数字水印的典型应用
（一）版权保护
版权保护是当前数字水印技术最为普遍的应用场景。数字媒体拥有者的版权信息通常被嵌入到媒体中，当非法盗用者宣称自己拥有版权时，可以使用嵌入的信息来表明原始作者的身份。
（二）指纹信息
指纹信息是指数字媒体的合法拥有者向媒体中嵌入的特定信息。典型的应用场景是为不同的授权使用者使用的媒体嵌入不同的水印，原作者通过定位水印信息来监视使用者是否只在其合法授权范围内使用该媒体。
（三）图像取证
图像取证是指当数字媒体经过篡改、修饰后被非法盗用，原作者利用媒体中的水印信息来证实自己的作者身份。在这一类应用中，嵌入水印信息的目的是侦测对媒体数据的修改，媒体的特征信息通常会被选为水印信息嵌入到媒体中。
四、影像交换系统中数字水印的应用和优势
数字水印技术可作为一种成熟的电子验印手段应用到影像交换系统中。本文参考现有影像交换系统结构，提出了一种将数字水印技术用于影像交换系统的方案，如图2所示。
在该方案中，提出行利用客户的电子印鉴生成客户唯一的数字水印信息，使用动态密码将水印信息嵌入到原始支票影像中，生成用于在影像传输系统中使用的含水印支票影像。提入行接收支票影像以后，利用相同的动态密码尝试从接收的支票影像中恢复数字水印信息，利用客户电子印鉴生成客户水印信息，最后通过两个水印信息，判断真伪。与传统的电子印鉴技术相比，此方案具有以下优势。
（一）客户水印信息隐藏
利用不可见水印技术，嵌入在支票影像中的客户水印信息是隐藏的，这使得攻击者很难通过截取传输中的支票影像来获取客户水印，进行伪造。
（二）动态密码保护
在每次影像传输中使用动态密码，增加了水印嵌入的保密强度，同时有效地防止恶意攻击者通过暴力手段分析出水印的嵌入算法和水印信息，大大提高了系统的整体安全性。
（三）技术功能灵活
通过换用不同的水印嵌入技术，可以实现支票影像篡改检测，支票影像真实性检测等多种检测功能，技术上较为灵活。
（四）仿冒支票追踪
由于水印信息是由客户电子印鉴生成，系统可以在不同环境使用不同的水印。发现仿冒的支票影像时，通过检查仿冒支票影像中的水印，可以辅助定位水印信息的泄露场景，为系统安全性检查提供参考。
摘要：全国支票影像交换系统已经正式在全国推广上线运行, 实现了支票在全国范围的互通使用。本文介绍了数字水印技术的定义、分类和典型应用, 提出了一种全国支票影像交换系统中数字水印的应用方案, 分析了此方案的技术优势。
关键词：金融科技支票影像交换系统,数字水印, 应用
参考文献
[1]汤丽丽.浅谈对支票影像交换系统的认识[J].科技资讯, 2007.
[2]蒋汉阳.基层央行支票影像交换系统建设的实践与思考[J].华南金融电脑, 2008.
一种应用于广播监视的视频水印方案 篇10
关键词：视频水印,三维离散小波变换,离散余弦变换,广播监视,数字水印攻击
概述内容随着传媒业的发展,数字产品要通过电视广播网进行广播,广播时段十分昂贵,而广播时经常出现以下问题:广告客户需要确认自己的广告是否在其购买的全部广告时间内播出了;各种数字产品(如新闻、电影、广告等)的版权所有者要确保他们的数字产品不被侵权电台非法转播或盗播。这些问题的解决需要一个监视系统来监控数字产品的实时播出情况。目前的监控大多采用人工方式,这不仅耗费大量人力、财力,而且准确性差[1]。将数字水印技术用于电视节目的监控中是可行的,在节目播出前的原始视频中嵌入水印,节目播出时由监控设备来检测水印,从而实现对节目的监视。欧洲的ESPRIT项目VIVA(Visual Identity Verification Auditor)已经证明了把水印应用于广播电视节目监视系统中的可行性。VIVA的关键技术是JAWS(Just Another Watermarking System),JAWS算法的鲁棒性强、算法复杂度低、实时性好,已成功应用于商业广播监视系统[2]。
将水印技术应用于广播监视系统需要考虑3方实体:合法的广告客户、攻击者、广播监视设备。3者的关系是:合法的广告客户向电视台付费,在自己的广告产品中嵌入水印后由电视台播出,广播监视设备对已付费的电视台进行监视。攻击者通过以下两种情形对监视设备进行攻击:1.攻击者可能将合法广告客户的水印获取,将此水印嵌入到自己的非法广告(未交费)中播出,监视设备通过检测到水印的存在而认为合法广告客户的广告已被正常播出。2.版权所有者为防止自己的产品被非法拷贝,在产品中嵌入用于拷贝控制的水印,攻击者可以设计出某种方案来去除水印,从而可以对产品进行非法拷贝。上述情形1属于非授权的嵌入操作,情形2属于非授权的去除操作[3]。
JAWS算法的设计者在设计过程中采用独立于宿主视频信号且服从正态分布的伪随机序列作为水印,仅考虑了水印的鲁棒性,没有考虑整个监视系统的安全性。2005年,Karen Su等人针对JAWS算法的不足,提出了SLIDE算法[4],该算法可以防止攻击者通过共谋攻击来估计或去除水印,但水印仍然是采用独立于宿主视频信号的伪随机序列,整个系统不够安全,因为该算法易受到给予运动估计的共谋攻击[5],攻击者估计出了水印,便会出现上述第1种情形的攻击。对于第2种情形,如果攻击者攻破一个系统的代价(复杂度、时间、金钱花费)太高,那么他会放弃攻击[6]。因此在设计水印方案时,不能只考虑水印本身的鲁棒性,还要考虑广播监视系统对安全性的要求。
要解决上述问题,该文提出了如下的水印方案:提取宿主视频的特征值,由宿主视频信号的特征值+版权信息值共同组成水印。对于第1种攻击情形,检测水印时提取视频信号的特征值时会出现问题,攻击者的目的未能达到。对于嵌入区域按照人眼特征进行选取,使水印嵌入区域无规律性,这对于第2种情形的攻击者来讲,仍然无法去除水印。
1 水印生成方案
小波变换(DWT)具有好的时域和频域特征,将图像分解成多个频段,适应人眼视觉特性,但图像经过小波变换后各个频带图像中相邻小波系数之间仍然存在着很强的相关性,利用余弦变换(DCT)可降低相关性并对图像能量进一步压缩。为此,先将视频进行小波变换,再进行余弦变换,依变换结果计算视频特征值。
1.1 小波变换
设视频为U(X,Y,F),这里X是指一帧图像的宽度,Y是高度,F为视频的总帧数,先对U(X,Y,F)进行帧内水平方向上的一维小波变换,再对视频进行帧内垂直方向上的一维小波变换,最后对时间轴进行一维小波变换,这样完成该视频的一层三维小波变换,记作U1h,j,k(X,Y,F),其中h,j,k∈{L,H}。二层小波变换由一层小波变换后的低频子带进行一层小波变换得到,以此类推,显然,Unh,j,k(X,Y,F)由ULLLn-1(X,Y,F)得到(n≥2)。根据小波变换的原理可知,经过一层小波变换,视频大小变为U(X/2,Y/2,F/2)。
1.2 视频特征值计算
在提取视频的特征值之前,将经过n层小波变换的低频子带视频压缩成标准大小,要经过DCT变换,处理过程分两步。第1步,n层小波变换后的低频子带为UnLLL(x',y',f'),对其在时间轴上进行采样,变成UnLLL(x',y',f)。第2步,将UnLLL(x',y',f)子带的图像进一步压缩,也就是对大小为x'*y'的图像进行DCT变换,再取变换系数矩阵中左上角的大小为x*y的低频系数矩阵,即可得到标准视频U(x,y,f)。
将标准视频的小波系数进行处理后可计算出视频特征值,处理过程如下:
1)按照一定扫描顺序将标准视频U(x,y,f)的低频子带系数UnLLL(x,y,f)扫描成一维序列S(i),i=1,2,...I,
2)对S(i)进行排序,得到S'(i)。
3)求S'(i)的中值m=(S'(x*y/2)+S'(x*y/2+1))/2。
4)计算原始视频U(X,Y,F)的特征值,如公式(1):
1.3 水印的生成
本文的标准视频U(x,y,f)大小为x=16,y=16,f=32。视频特征值的位数为I,I取值为128,小波变换的层数n的取值与I有关,若I=128,则由三维小波变换原理可知:,代入x,y,f,I值可得n=2。
以视频foreman.qcif为例,原始视频为foreman(176,144,200),200帧的foreman视频处理成标准大小foreman(16,16,32),经过2层三维小波变换,选取foreman2LLL(16,16,32)的变换系数,经过计算可得出128位的特征信息。
由密钥key1产生128位的m序列作为版权保护信息(只有合法广告客户才拥有)。128位的特征信息作为水印的前面部分,128位的m序列作为水印的后面部分。为了防止攻击者提取出水印后再分离出视频特征信息,将256位的水印嵌入之前,用密钥key2,key3,key4对水印信息进行混沌置乱[7],key2,key3∈(-1.5,1.5),key4∈(0,1),将置乱后的水印信息变成双极性的信息wj∈{-1,1},这里j=1,2,...256。
2 水印的嵌入与提取方案
2.1 嵌入区域的选取
一帧图像可分为若干个a×a子域,一个a×a子域是有a2个像素点构成的,若其中心点坐标为(m,n),则该子区域的所有像素可表示为:
为体现像素特征,定义以下几个概念:
1)某像素X(m,n)允许的“最大噪声”为:
该值表示像素点的值可以被改变多少,此值与像素点位置无关,只与图像本身有关。实际上“最大噪声”值大的地方表示该区域可嵌入更多的水印信息,水印具有更强的鲁棒性;反之,若该值越小,则嵌入水印的鲁棒性较差。
2)a×a子域中所有像素的“最大噪声”均值:
其中,
3)a×a子域上各像素点的“强度”值:
其中,N3(m,n)表示像素点(m,n)的3×3邻域。强度值体现了子域的纹理复杂度,该值越大,图像的纹理越复杂,即图像的细节程度越大,适合嵌入较多的水印;反之,图像的纹理越简单,嵌入的水印信息较少。该文对a×a子域上各像素点的强度值进行了降序排列,在嵌入水印时,为兼顾嵌入水印的鲁棒性和不可见性,选择一个强度阈值S',将S(m,n)中高于S'的子域选取出来嵌入水印。通过大量实验最终确定S'的值。
将子域进行8×8的DCT变换,8×8的DCT块可分为直流(DC)部分,低频(LF)部分,中频(MF)部分和高频(HF)部分。用L,M,H表示低频,中频,高频区域的DCT系数绝对值的和,据子域选取算法,子域的L,M,H满足3种情况,如式(2)所示:
可见,选择出的子域具有以下特点:M与H绝对小,或者L相对大。视觉上看,选出的子域是较平缓的区域,可嵌入较多的水印,提高了水印的鲁棒性。
2.2 水印的嵌入与提取
水印嵌入时需注意:利用视频的一部分片段来计算视频特征,而水印不嵌入到此部分视频中,只嵌入到剩余的视频中,这样可以在水印嵌入前后保持特征值提取的同步。
本文采用扩频方案将水印嵌入到各子域中。设原始视频帧共选出n个子域待嵌水印,将水印W分成n个部分,依次嵌入到每个子域的DCT系数中。用Xk表示原始帧中选出的第k个子域,Wk表示水印数据,Yk表示嵌入水印后的子域,则Yk=Xk+α×Wk,这里的α为嵌入强度,是全局一致的常数,可随视频不同而取值,以使水印具有不可见性和鲁棒性。
提取水印为盲提取,提取方法如下:
1)对于已嵌入水印的视频Y,采用3×3邻域内的中值滤波得到原始帧X的估计值X’。
2)估算各个水印块,水印块的估计值为:
3)Wk'组成W'={W1',W2',∙∙∙,Wn'}
3 实验结果
采用了两组典型视频trevor.qcif(176,144,150)和news.qcif(176,144,300),这两组视频包含快速、慢速以及镜头切换的内容,具有一定的代表性。实验对水印的不可见性、抗各种攻击性能进行了测试,还对算法的安全性、实时性做了分析和测试。
1)水印的不可见性用嵌入水印视频的PSNR值衡量,如表1所示,PSNR值都在42dB以上,具有很好的不可见性。
2)实施各种攻击后,提取水印的正确率如表2所示。
共谋攻击是对视频水印特有的攻击形式,攻击者利用了视频数据的相关性来破坏水印,共谋攻击分两类。视觉上不同的视频中嵌入了相同的水印时,攻击者可以估算出水印,用嵌入了水印的视频减去估算出的水印可得到攻击后的视频,这是第1类共谋攻击。该文算法中由于将不同的水印分段嵌入到视频各帧中且嵌入区域无规律性,因此攻击者进行第一类共谋攻击不会成功。第2类共谋攻击是在大量视觉相同的视频中嵌入了不同的水印,攻击者平均各视频帧,可以估算出视频。该文算法中的水印嵌入到了平缓的区域,嵌入了较多的水印能力,水印不会被平均掉。
针对时间轴攻击,由于水印内容基于视频特征而不依赖于视频的三维结构,因此对于帧删除、帧插入、帧重组、随机帧抖动等时间轴攻击具有较强的抵抗能力。
MPEG压缩是水印必须经历的一种压缩,算法测试表明,当编码码率大于2 Mbps时,水印的正确提取率均为100%,当编码码率为2Mbps时的性能仍然较强,原因是水印嵌入在DCT域的中低频系数中,压缩时水印信息丢失的少。
3)算法的安全性分析
第一种情况:如果攻击者估计出了水印,将水印嵌入到他自己的视频中,检测时只要利用密钥key2,key3,key4将水印信息分离,得出视频特征值,将特征值和原始视频的特征值做比较,若错误比特率小于一定的阈值,说明合法广告客户的广告已经成功播出。
第二种情况:也是最坏的情况,如果攻击者估计出了水印,而且知道水印算法,用他自己的视频特征值代替合法用户的视频特征值,则他必须估算出key2,key3,key4。而文献7中指出key2,key3,key4的密钥空间分别大于1012,1015,1016,整个密钥空间大于1047,通过蛮力攻击密钥是不可能的,因此算法是安全的。
算法除了保证水印的安全性外,也必须保证视频特征值的安全性,因为加入了水印后的视频要经过各种攻击之后,才能提取和检测水印。该文对300帧的news视频求取了128位的视频特征值,经过MPEG压缩(压缩比为36.4)后重新计算特征值,只有1bi的错误。同样进行时间轴攻击、加噪后的视频特征值与攻击前完全一致。
4)算法的实时性
广播监听中对水印的实时性要求较高,对JAWS算法和本文算法进行了仿真实验。JAWS算法从连续20帧视频中提取水印需要3.12秒,该文算法为3.54秒。从提取的水印中分离视频特征值再与原始视频特征值进行比较的时间是2.13秒,合计花费5.67秒。
5 结束语
针对广播监视应用中对水印的安全性和鲁棒性要求,该文提出一种基于视频特征值的水印算法,自适应的选取嵌入区域,算法具有好的实时性,实现了盲检测。理论分析和实验结果表明本算法可进行视频认证及版权保护,抗攻击能力强,具有好的应用前景。
参考文献
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