数字水印系统的鲁棒性和常见的攻击

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1、空军工程大学学报(自然科学版)JOURNALOFAIRFORCEENGINEERINGUNIVERSITY(NATURALSCIENCEEDITION)第3卷第1期2002年2月Vol.3No.1Feb.2002Ξ数字水印系统的鲁棒性和常见的攻击吴崇明,王晓丹(空军工程大学导弹学院,陕西三原713800)摘要:数字水印作为一种新型实用的信息隐藏技术,近年来已经引起了极大的关注并得到迅速发展。针对数字水印系统的鲁棒性与可能的攻击方法进行了讨论,分析指出了对于数字水印系统的鲁棒性及其度量目前待解决的问题。关键词:数字水印;系统;鲁棒性中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-35

2、16(2002)01-0090-05数字水印的思想来源于信息隐藏(informationhiding)或更严格地称为信息伪装(steganography)1～2,是一种十分贴近实际应用的信息隐藏技术。1990年Tanaka等3～4将不可感知的信息隐藏在视听数据中,1993年Tirkel等5正式提出了水印(watermarking)一词,到了1995至1996年数字水印已经引起了极大的关注6。随着计算机网络、通讯、多媒体技术的发展,如何在网络环境中提供有效的版权保护(copyrightpro2tection)和信息安全(informationsecurity)手段成为迫切需要,从而使得数字水

3、印发展迅速。但是到目前为止仍存在许多需要研究解决的公开问题,满足实际用途的各种数字水印系统也需要开发。鲁棒性是水印技术的一个核心问题,一个实用的水印算法应该能够抵抗各种无意或有意的攻击。本文将针对静止图像数字水印系统的鲁棒性与可能的攻击及有关问题进行讨论,在下面的讨论中,我们将首先介绍数字水印技术的基本框架和有关的参数,然后重点讨论数字水印的鲁棒性问题和对现有水印技术的各种攻击方法,以及鲁棒性度量问题,最后指出对于数字水印系统鲁棒性及其度量目前存在的问题和今后的研究方向。1数字水印框架及参数111数字水印的原理/基本框架通用的数字水印算法包括两个基本方面:水印的嵌入(embedding)和

4、水印的检测或提取(recovery)。水印可由多种模型构成,如随机数字序列、数字标识、文本及图像等。1)水印的嵌入:即将水印信号在原始信号上进行调制。为了能够成功地提取水印信号,算法必须对无意和有意的攻击具有鲁棒性。设I为已知数字图像、W为水印信号、密钥为K(通常是随机数发生器的种子)。Iw为加水印后的图像。水印的嵌入过程可定义为一种映射:I×K×WϖIw。如果用函数形式表达,可以表示为:Iw=E(I,KW),其中E为编码函数。框图如图1所示:2)水印的检测:即从接受的信号中提取水印,或者判定水印是否存在。水印检测是水印算法中最重要的步骤。检测过程的输出为恢复的水印W或是某种置∧W3=D(

5、Iw,I)1,W存在0,W不存在C(W,W3,K,δ)=或其中W3为提取出的水印,K为密码,函数C做相关检测,δ为决策阈值。这种形式的检测函数是创建有效水印框架的一种最简便方法,如假设检验[7]、或水印相似性检验[8]。检测器的输出结果可以作为版权保护的潜在证据,这要求水印的检测过程和算法应完全公开。对于假设检验的理论框架,可能的错误有以下两类:第一类错误:检测到水印但水印实际不存在。这类错误用误识率Pfa衡量。第二类错误:没有检测到水印但水印实际存在。这类错误用拒识率Prej表示。总错误率为:Perr=Pfa+Prej,且当Prej变小时检测性能较好。但是检测的可靠性则只与误识率Pfa有

6、关。1.2数字水印的重要参数对于数字水印系统,需要考虑以下一些重要参数及对系统性能的影响:1)内嵌信息量。直接影响水印的鲁棒性。欲内嵌的信息越多,水印的鲁棒性越低,即内嵌信息量的增加会引起鲁棒性的下降。需内嵌的信息量取决于应用。2)内嵌强度(即水印的能量)。通常需在内嵌强度和图像质量之间进行折衷。鲁棒性的增加要求增大内嵌强度,而这将使图像的视觉质量严重下降。3)图像尺寸和特性。图像尺寸正比于鲁棒性。尽管很小的图像没有很大的商业价值,但却要求水印软件能从中恢复出水印。图像的特性对水印的鲁棒性也是一个冲击。通常,对自然图像具有较高鲁棒性的方法,当应用于合成图像时,其鲁棒性会惊人地减少。一个好的

7、数字水印系统应适用于广泛的图像尺寸范围以及不同类型的图像。4)秘密信息(如密钥)。尽管秘密信息并不对图像的视觉精度或水印的鲁棒性构成冲击,但它在系统安全性方面起着重要的作用。密钥空间取值范围必须足够大,以使攻击耗时而不可能。5)编解码器运算量。算法的运算量将决定算法是否实用。对于实时应用(如电视广播监控等),编解码器运算量必须足够小,以保证能够与实时任务同步。图2数字水印检测框图2数字水印系统的鲁棒性与常见的攻击数字水印