数字水印技术对于版权保护的应用研究

数字水印技术对于版权保护的应用研究【摘要】在图像版权保护中，数字水印技术的采用占有很大的比重，对这类水印来说，要求算法具有较高的鲁棒性，即在遭受剪切、加扰、随机噪声、失真、滤波、旋转、缩放、JPEG压缩等常见的信号处理攻击和几何攻击时仍能从含水印图像中提取出水印信息。然而，绝大多数水印算法不能抵抗甚至微小的几何攻击，即现有的水印技术抗几何攻击的能力很差。因此，研究既能抵抗信号处理攻击又能抵抗几何攻击的鲁棒数字水印技术仍然是一项富有挑战性的工作。本论文就是针对提高数字水印算法抗信号处理和几何攻击的鲁棒性进行研究，结合零水印的概念和混沌系统，并将图像置乱引入到水印算法中，提出了一种基于混沌阵列的鲁棒零水印算法，对图像版权进行有效的保护。【关键字】数字水印鲁棒性混沌零水印1引言1.1选题背景随着当代信息技术和计算机互联网络的迅猛发展，人类进入了以数字信息为特征的信息社会，数字多媒体产品越来越盛行，各种形式的多媒体数字作品(图像、视频、音频等)可以以不同的形式在网络上方便、快捷地发表和传输。多媒体通信逐渐成为人们之间信息交流的重要手段。由于数字图像信息形象、生动，因而被人类广为使用，成为人类表达信息的重要手段之一。但是，它给我们带来便利的同时也带来了安全隐患，例如：有些数字图像可能会涉及到国家或企业机密，有些图像只希望被授权者使用，有些图像又可能会涉及个人隐私等等，如何保护这些图像数据的安全是人们越来越关注的问题；另一方面，由于数字图像易于复制和修改的原因，盗版问题也越来越严重，如何对数字图像的版权进行很好地保护以保证作品作者、所有者以及合法用户的权利，也是人们越来越关注的热点问题。解决数字图像版权问题的主要手段是数字水印技术，因此研究数字水印技术对图像版权的保护具有重要的理论和现实意义。本论文正是基于上述背景，主要研究数字水印技术。1.2目的与意义近年来，国外许多学者提出了一系列新的信息安全保护思想，特别是在知识产权保护、防篡改及信息内嵌式注释等领域提出了崭新的防范与保护措施。信息隐藏（InformationHiding）与数字水印（DigitalWatermark）技术就是一种新的数字媒体保护措施，它是将特定的信息（如版权信息、秘密消息等）嵌入到图像、语音、视频及文本文件等各种数字媒体中，以达到标识、注释及版权保护等目的。同时，这种信息对宿主媒体的影响不足以引起人们的注意且具有特定的恢复方法，此信息对非法接收者应该是不可见、不可察觉的。所以，数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术。1.3图像版权保护与数字水印图像版权保护，即所谓的PRM（PictureRightsManagement）就是采取信息安全技术手段在内的系统解决方案，在保证合法的、具有权限的用户对数字图像信息正常使用的同时，保护数字图像信息创作者和拥有者的版权，根据版权信息使其获得合法收益，在版权受到侵害时能够鉴别数字图像信息的版权归属及版权信息的真伪，并确定盗版数字作品的来源。现有的图像版权保护技术分为两大类，一是加密法，主要是通过技术手段限制非授权用户的使用和保证授权用户的正常使用。加密技术的特点使得这种方法并不能有效地解决图像版权保护问题。另一种是基于水印的标记法，它是新近提出的一种非常重要的版权保护手段，是信息隐藏技术的一个重要分支。用于版权保护的数字水印一般称为鲁棒水印(Robustwatermarking)，利用这种水印技术在多媒体内容的数据中嵌入创建者或所有者的标识信息，或者嵌入购买者的标识（即序列号）。创建者或所有者的信息用于标识数据的版权所有者，而序列号则用于标识违反协议而为盗版提供多媒体数据的用户。在发生版权纠纷时，合法的发行者、运营者通过相应的算法提取出该数字水印，从而验证版权的归属，确定泄漏与泛滥渠道，确保数字产品著作权人的合法利益，避免非法盗版的威胁。用于版权保护的数字水印要具有不可见性、隐藏水印位置的安全性及鲁棒性等特性，必须能够经受各种常用的信号处理操作，包括无意的或恶意的处理，如有损压缩、滤波、平滑、信号裁剪、图像增强、重采样、几何变形等等。鲁棒性水印在经过各种处理后，只要载体信号没有被破坏到不可使用的程度，都应该能够检测出水印信息。即应该使水印既不影响数字作品的正常使用，也能够抵抗各种可能的攻击，实现对数字作品的版权保护功能。总结国内外对数字水印技术的研究来看，数字水印算法的研究还处于初级阶段，仍还有很多方面需要作进一步的研究。因此应用于图像版权保护的数字水印技术，还需要重点研究。鲁棒性是数字水印技术实现图像版权保护应用的关键，尽管当前出现了大量的水印算法，但是这些算法的鲁棒性均仅能抵抗一些简单的攻击，对于几何攻击或较为复杂的组合攻击显得无能为力。故而探讨更加鲁棒的水印算法仍然是当前也是今后水印研究的重点。图像版权保护是数字水印最主要的应用之一。数字作品的所有者可将指定形式的水印嵌入原始数据中，然后对外公开发布嵌入水印后的作品。当其作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从该作品中获取水印信号作为依据，来保护其合法权益。图像版权保护水印要求具有较强的鲁棒性，即使在数字作品失真后仍能恢复水印信号。2数字水印技术概述2.1数字水印的定义数字水印（DigitalWatermarking）技术是将一些标识信息（即数字水印）直接嵌入数字载体当中（包括多媒体、文档、软件等）或是间接表示（修改特定区域的结构），且不影响原载体的使用价值，也不容易被探知和再次修改。但可以被生产方识别和辨认。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。2.2数字水印的特点图像的应用决定了水印的功能，而不同的功能则要求相应的水印具备不同的特征。因此，不存在一个特征的集合，使得所有的水印技术都满足这个集合的要求。文献就按照水印的应用目的，分析了各种数字水印对不可见特征的不同程度的要求。为了保证水印的有效性，用于图像版权保护的数字水印必须具备以下特征：2.2.1不可见性指视觉上的不可见性（对听觉也是同样的要求），即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。2.2.2鲁棒性鲁棒性指在经过常规信号处理后能够检测出水印的能力。针对图像的常规操作包括空间滤波、有损压缩、打印与扫描、几何变形（旋转、平移、缩放及其它）等等。在某些情况下，鲁棒性毫无用处甚至被极力避免，如水印研究的另一个重要分支就是易碎水印，它具有和鲁棒水印相反的特点。例如，用于真伪鉴别的水印就应该是易碎的，即对图像做任何信号处理都会将水印破坏掉。对用于版权保护的数字水印要求有较好的鲁棒性，即要求图像受到有意和无意的攻击后都能检测到水印的存在。2.2.3可证明性水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证据。2.2.4安全性数字水印中的信息应是安全的，难以被篡改或伪造，同时，有较低的误检测率。2.3数字水印主要应用领域（1）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。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，可以从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。（2）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。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。（3）标题与注释。即将作品的标题、注释等内容（如，一幅照片的拍摄时间和地点等）以水印形式嵌入该作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。（4）篡改提示。当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常可将原始图象分成多个独立块，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。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原始数据。（5）使用控制。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。从而保护制造商的商业利益。2.4数字水印的研究历史版权保护曾经是水印最初的应用目的，同时，版权保护也一夏是数字水印技术的重要应用之一。版权所有人把用于表明所有权的水印信息嵌入到多媒体数据里。一旦发现有非法的拷贝，版权所有人希望可以依靠嵌入的水印信袭歌把非法拷贝者告上法庭。20世纪90年代以来，对数字水印的研究兴趣在不断地增长。1998年的国际图像处理大会上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论;国际光学工程学会(SPIE)。从1999年起，每年召开一次多媒体信息安全与数字水印大会，其会议的论文主要是关于数字水印技术方面的文章。目前，国际上剑桥大学、工MB研究中心、NEC美国研究所、麻省理工学院等都进行了广泛深入的研究;国内清华人学、北京大学、北京邮电大学、中科院自动化所、北方工业大学、浙江大学、国防科技大学等都在对该技术进行深入的研究。数字水印技术按表现形式分为可见水印（perceptible）和不可见水印（mipecrPebtiet），前者如电视屏幕左上角的电视台的台标，后者中，嵌入的水印是无法用肉眼看见，我们所指的数字水印技术，若无特别指明，均指不可见水印技术；按抗攻击能力可分为鲁棒水印(rbousutess)和易损水印(rfgaeli)，前者主要用于版权保护和使用跟踪方面，后者主要用于信息的完整性认证方面;按水印提取时的条件可分为私有水印（private）、半公开水印（semi一public）和公开水印（public），私有水印指提取水印时需要原始载体图像，半公开水印指提取水印时不需要原始载体图象，公开水印指提取水印时不需要原始载体图象并且水印是有意义的信息，如一段文字、一幅图像或商标、一段录音等。VanSchyndel[1]在ICIP’94上发表了题为“Adigitalwatemark”的文章，它是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，其中阐明了一些关于水印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法—相关性检测。此算法首先将一个密钥输入一个m-序列（maximum-lengthrandomsequence）发生器来产生水印信号，然后此m-序列被重新排列成二维水印信号，按像素点逐一插入到原始图像像素值的最低位。由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基于同样的原因，它可以轻易地被移去，因此是不强壮的。Patcwhork算法中描述的算法基于改变图像数据的统计特性。该算法随机选取的N对像素点通过增加其一个点的亮度值，相应降低另一个点的亮度值，通过这一调整来隐藏信息。为增加水印的鲁棒性，把像素对扩展为小块的像素区域(如8x8)，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。该算法嵌入码低，对串谋攻击抵抗力弱。黄继武等人在文献[2-4]中提出一种DCT域数字水印算法：首先把图像分成8＊8的不重叠象素块，经过分块的DTC变换后，得到由DTC系数组成的频率块。随机选取一些频率块，水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DTC系数中。该算法对选定的DTC系数进行微小变换以满足特定的关系，来表示一个比特的信息。在水印信号提取时，选取相同的DCT系数，并根据系数之间的关系抽取比特信息。其思想类似于扩展频谱通讯中的跳频(frequencyhooping)技术，特点是数据改变幅度较小，透明性好，但是其抵抗几何变换等攻击的能力较弱。基于DTF和DWT算法与上述算法具有相似的原理。数字水印最初研究的重点是图像水印，己经取得了不少的研究成果，而且还推出了一些实用的产品，而基于视频产品的水印研究还相对较少。但是随着多媒体技术的发展，视频产品越来越多(例如，DVD，DC，多媒体教材、录像带等)，对于视频产品的版权保护巫需解决，因此国内外越来越多