DAY52信息隱藏與數(shù)字水印

1、內(nèi)容安排順序 v信息隱藏及數(shù)字水印技術(shù)概述 v數(shù)字音頻水印產(chǎn)品及評(píng)測 v數(shù)字音頻水印典型算法 v數(shù)字音頻水印典型攻擊及對(duì)策 v數(shù)字水印涉及的相關(guān)理論及軟件 1 信息安全的定義 v廣義定義 凡是涉及到信息的安全性，完整性，可用性，真實(shí)性和可控性的相 關(guān)理論和技術(shù)都是信息安全所要研究的領(lǐng)域 v狹義定義 指信息內(nèi)容的安全性，即保護(hù)信息的秘密性、真實(shí)性和完整性，避 免攻擊者利用系統(tǒng)的安全漏洞進(jìn)行竊聽、冒充、詐騙、盜用等有損 合法用戶利益的行為，保護(hù)合法用戶的利益和隱私 v現(xiàn)代密碼學(xué)(Cryptography) 信息安全技術(shù)核心 2 依靠密碼學(xué)并不能完全解決問題 v加密方法的致命缺點(diǎn) 它明確地提示攻擊者

2、哪些是重要信息，容易引起攻擊者的好奇和注 意，并有被破解的可能性，而且一旦加密文件經(jīng)過破解后其內(nèi)容就 完全透明了 攻擊者可以在破譯失敗的情況下將信息破壞，使得即使是合法的接 收者也無法閱讀信息內(nèi)容 3 數(shù)字媒體的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題 v互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)字媒體應(yīng)用 正在呈爆炸式的增長，越來越多的知識(shí)產(chǎn)品以電子版的方式在網(wǎng)上 傳播 數(shù)字信號(hào)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)可以對(duì)數(shù)字媒體(數(shù)字聲音，文本，圖 象和視頻)的原版進(jìn)行無限制的任意編輯，修改，拷貝和散布，造成 數(shù)字媒體的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和信息安全的問題日益突出 4 以信息隱藏為核心的信息安全 v信息隱藏 將秘密信息秘密地隱藏于另一非機(jī)密的文件內(nèi)容之中。其形式可為 任

3、何一種數(shù)字媒體，如圖象、聲音、 視頻或一般的文檔等 密碼僅僅隱藏了信息的內(nèi)容，而信息隱藏不但隱藏了信息的內(nèi)容而 且隱藏了信息的存在 傳統(tǒng)的以密碼學(xué)為核心技術(shù)的信息安全和偽裝式信息安全技術(shù)不是 互相矛盾的技術(shù)，而是互補(bǔ)的 5 信息隱藏的歷史 v信息隱藏歷史的回顧 類似于古典密碼術(shù)，偽裝式信息安全也是自古就有了。本節(jié)將討論 古典隱寫術(shù)以及現(xiàn)代隱寫術(shù)的發(fā)展 這里，我們主要介紹一些文獻(xiàn)上記載的重要的歷史事件，以此來了 解歷史上人們是如何利用隱寫術(shù)的 古代的隱寫術(shù)從應(yīng)用上可以分為這樣幾個(gè)方面 v技術(shù)性的隱寫術(shù) v語言學(xué)中的隱寫術(shù) v應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)的隱寫術(shù) 6 信息隱藏的歷史 v技術(shù)性的隱寫術(shù) 最早的隱寫

4、術(shù)的例子可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代 用頭發(fā)掩蓋信息 v在大約公元前440年，為了鼓動(dòng)奴隸們起來反抗，Histiaus給他最信任的 奴隸剃頭，并將消息刺在頭上，等到頭發(fā)長出來后，消息被遮蓋，這樣 消息可以在各個(gè)部落中傳遞 使用書記板隱藏信息 v在波斯朝廷的一個(gè)希臘人Demeratus，他要警告斯巴達(dá)將有一場由波斯 國王薛西斯一世發(fā)動(dòng)的入侵，他首先去掉書記板上的臘，然后將消息寫 在木板上，再用臘覆蓋，這樣處理后的書記板看起來是一個(gè)完全空白的。 事實(shí)上，它幾乎既欺騙了檢查的士兵也欺騙了接收信息的人 7 信息隱藏的歷史 將信函隱藏在信使的鞋底、衣服的皺褶中，婦女的頭飾和首飾中等 v在一篇信函中，通過改變其中某

5、些字母筆劃的高度，或者在某些字母上 面或下面挖出非常小的孔，以標(biāo)識(shí)某些特殊的字母，這些特殊的字母組 成秘密信息 vWilkins(1614-1672)對(duì)上述方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用無形的墨水在特定字 母上制作非常小的斑點(diǎn)。這種方法在兩次世界大戰(zhàn)中又被德國間諜重新 使用起來 v在1857年，Brewster就已經(jīng)提出將秘密消息隱藏“在大小不超過一個(gè)句 號(hào)或小墨水點(diǎn)的空間里”的設(shè)想。到1860年，制作微小圖象的難題被一 個(gè)叫Dragon的法國攝影師解決了，很多消息就可以放在微縮膠片中。如 在1870至1871年弗朗格-普魯士戰(zhàn)爭期間，巴黎被圍困時(shí)，印制在微縮 膠片中的消息就是通過信鴿傳遞的 8 信息隱

6、藏的歷史 vBrewster的設(shè)想在第一次世界大戰(zhàn)期間終于付諸實(shí)現(xiàn)，其作法是：先將 間諜之間要傳送的消息經(jīng)過若干照相縮影后縮小到微粒狀，然后粘貼在 無關(guān)緊要的雜志等文字材料中的句號(hào)或逗號(hào)上 使用化學(xué)方法的隱寫術(shù) v如中國的魔術(shù)中采用的一些隱寫方法，用筆蘸淀粉水在白紙上寫字，然 后噴上碘水，則淀粉和碘起化學(xué)反應(yīng)后顯出棕色字體 v化學(xué)的進(jìn)步促使人們開發(fā)更加先進(jìn)的墨水和顯影劑。但是，隨著“萬用 顯影劑”的發(fā)明，則不可見墨水的隱寫方法就無效了?！叭f用顯影劑” 的原理是，根據(jù)紙張纖維的變化情況，來確定紙張的哪些部位被水打濕 過，這樣，所有采用墨水的隱寫方法，在“萬用顯影劑”下都無效了 9 信息隱藏的歷史

7、 在藝術(shù)作品中的隱寫術(shù) v在一些變形夸張的繪畫作品中，從正面看是一種景象，側(cè)面看又是另一 種景象，這其中就可以隱含作者的一些政治主張或異教思想 10 信息隱藏的歷史 v語言學(xué)中的隱寫術(shù) 語言學(xué)中的隱寫術(shù)，其最廣泛使用的方法是藏頭詩 v國外最著名的例子可能要算Giovanni Boccaccio(1313-1375)的詩作 Amorosa visione ,據(jù)說是“世界上最宏偉的藏頭詩”作品。他先創(chuàng)作了 三首十四行詩，總共包含大約1500個(gè)字母，然后創(chuàng)作另一首詩，使連續(xù) 三行押韻詩句的第這張一個(gè)字母恰好對(duì)應(yīng)十四行詩的各字母 v到了16世紀(jì)和17世紀(jì)，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的關(guān)于偽裝術(shù)的文獻(xiàn)，并且其中 許

8、多方法依賴于一些信息編碼手段。Gaspar Schott(1608-1666)在他的 400頁的著作Schola Steganographica中，擴(kuò)展了由Trithemius在書 Polygraphia中提出的“福哉馬利亞(Ave Maria)”編碼方法， 11 信息隱藏的歷史 其中Polygraphia和Steganographia是密碼學(xué)和隱藏學(xué)領(lǐng)域所知 道的最早出現(xiàn)的專著中的兩本。擴(kuò)展的編碼使用40個(gè)表，其中每個(gè)表包 含24個(gè)用四種語言(拉丁語、德語、意大利語和法語)表示的條目，每個(gè) 條目對(duì)應(yīng)于字母表中的一個(gè)字母。每個(gè)字母用出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)表的條目中的 詞或短語替代，得到的密文看起來象一段禱

9、告、一封簡單的信函、或一 段有魔力的咒語 vGaspar Schott還提出了可以在音樂樂譜中隱藏消息。用每一個(gè)音符對(duì)應(yīng) 一個(gè)字母，可以得到一個(gè)樂譜。當(dāng)然，這種樂譜演奏出來就可能被懷疑 v中國古代也有很多藏頭詩(也稱嵌字詩)，并且這種詩詞格式也流傳到現(xiàn) 在。如一年中秋節(jié)，紹興才子徐文長在杭州西湖賞月時(shí)，做了一首七言 絕句： 12 信息隱藏的歷史 平湖一色萬頃秋， 湖光渺渺水長流。 秋月圓圓世間少， 月好四時(shí)最宜秋。 其中前面四個(gè)字連起來讀，正是“平湖秋月” v中國古代設(shè)計(jì)的信息隱藏方法中，發(fā)送者和接收者各持一張完全相同的、 帶有許多小孔的紙，這些孔的位置是被隨機(jī)選定的。發(fā)送者將這張帶有 孔的紙

10、覆蓋在一張紙上，將秘密信息寫在小孔的位置上，然后移去上面 的紙，根據(jù)下面的紙上留下的字和空余位置，編寫一段普通的文章。接 收者只要把帶孔的紙覆蓋在這段普通文字上，就可以讀出留在小孔中的 秘密信息。在16世紀(jì)早期，意大利數(shù)學(xué)家Cardan(1501-1576)也發(fā)明了 這種方法，這種方法現(xiàn)在被稱作卡登格子法 13 信息隱藏的歷史 v用于版權(quán)保護(hù)的隱寫術(shù) 版權(quán)保護(hù)和侵權(quán)的斗爭從古至今一直在持續(xù)著。根據(jù)Samuelson的 記載，第一部“版權(quán)法”是“圣安妮的法令”，由英國國會(huì)于1710 年制定。 隱寫術(shù)又是如何被用于版權(quán)保護(hù)的呢？ vLorrain(1600-1682)是17世紀(jì)一個(gè)很有名的風(fēng)景畫家

11、，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了很多 對(duì)他的畫的模仿和冒充，由于當(dāng)時(shí)還沒有相關(guān)的版權(quán)保護(hù)的法律，他就 使用了一種方法來保護(hù)他的畫的版權(quán)。他自己創(chuàng)作了一本稱為Liber Veritatis的書，這是一本寫生形式的素描集，它的頁面是交替出現(xiàn)的， 四頁蘭色后緊接著四頁白色，不斷重復(fù)著，它大約包含195幅素描。他 創(chuàng)作這本書的目的是為了保護(hù)自己的畫免遭偽造。 14 信息隱藏的歷史 v事實(shí)上，只要在素描和油畫作品之間進(jìn)行一些比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)，前者是專 門設(shè)計(jì)用來作為后者的“核對(duì)校驗(yàn)圖”，并且任何一個(gè)細(xì)心的觀察者根 據(jù)這本書仔細(xì)對(duì)照后就能判定一幅給定的油畫是不是贗品 v類似的技術(shù)在目前仍然使用著。如，一種圖像保護(hù)系統(tǒng)ImageL

12、ock是這 樣工作的：系統(tǒng)中對(duì)每一個(gè)圖像保存一個(gè)圖像摘要，構(gòu)成一個(gè)圖像摘要 中心數(shù)據(jù)庫，并且定期到網(wǎng)絡(luò)上搜尋具有相同摘要的圖像。它可以找到 任何未被授權(quán)使用的圖像，或者對(duì)任何仿造的圖像，可以通過對(duì)比圖像 摘要的辦法來指證盜版 15 信息隱藏技術(shù)內(nèi)容、特性 v信息偽裝技術(shù)研究的內(nèi)容 信息隱藏和信息的版權(quán)認(rèn)證 信息訪問的合法身份認(rèn)定等 其研究涉及密碼學(xué)，圖象處理，模式識(shí)別，數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng) 域 v特性 隱蔽性 安全性 對(duì)稱性 可糾錯(cuò)性 16 信息隱藏技術(shù)的分類 隱隱 秘秘 信信 道道 基 于 語 義 的 偽 裝 術(shù) 基 于 技 術(shù) 的 偽 裝 術(shù) 偽 裝 術(shù)匿匿 名名 通通 信信 不 可 見

13、水 印可 見 水 印 水 印指 紋 穩(wěn) 健 的 版 權(quán) 標(biāo) 識(shí)脆 弱 的 數(shù) 字 水 印 版 權(quán) 標(biāo) 識(shí) 信信 息息 偽偽 裝裝 17 數(shù)字水印提出的背景 v傳統(tǒng)的加密/解密系統(tǒng)并不能很好地解決版權(quán)保護(hù)問題 加密文件經(jīng)過破解后其內(nèi)容就完全透明, 原創(chuàng)作者沒有辦法追蹤作品 的復(fù)制和二次傳播。攻擊者可以在破譯失敗的情況下將信息破壞， 使得即使是合法的接收者也無法閱讀信息內(nèi)容. v以MP3為代表的網(wǎng)絡(luò)音樂 在互聯(lián)網(wǎng)上肆無忌憚的復(fù)制和傳播使得藝術(shù)作品的作者和發(fā)行者的 利益受到極大損害。在這種背景下，能夠有效地實(shí)行版權(quán)保護(hù)的數(shù) 字水印(Digital Watermarking)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 18 數(shù)字水

14、印的概念 v音頻數(shù)字水印技術(shù) 在不影響原始音頻質(zhì)量的條件下向其中嵌入具有特定意義且易于提 取的信息的過程 根據(jù)應(yīng)用目的不同，被嵌入的信息可以是版權(quán)標(biāo)識(shí)符、作品序列號(hào)、 文字(如藝術(shù)家和歌曲的名字)、甚至是一個(gè)小的圖像或一小段音頻等 水印與原始音頻數(shù)據(jù)緊密結(jié)合并隱藏在其中，通常是不可聽到的， 而且能夠抵抗一般信號(hào)處理和盜版者的某些惡意攻擊 19 原始圖像 帶水印圖像 水印 20 原始波形與帶水印波形 21 數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的框架 附加數(shù)據(jù)附加數(shù)據(jù) 輸輸 入入 音頻信號(hào)音頻信號(hào)水印水印 嵌入嵌入 音音 樂樂 發(fā)發(fā) 布布 InternetInternet 音頻音頻 播放播放 音頻信號(hào)音頻信號(hào) 水印水

15、印 提取提取 附加數(shù)據(jù)輸出附加數(shù)據(jù)輸出 22 數(shù)字水印技術(shù)與通信系統(tǒng) v從理論的角度看 數(shù)字水印技術(shù)與通信系統(tǒng)十分類似。音頻作品視為信道，水印視為 待傳輸?shù)男盘?hào)。許多通信領(lǐng)域的理論和技術(shù)可以有效地應(yīng)用到信息 隱藏及數(shù)字水印技術(shù)中 但一個(gè)水印信道和一個(gè)經(jīng)典的通信信道還是有重要區(qū)別的 v由各種信號(hào)處理以及攻擊引起的噪聲本質(zhì)十分不同而且難以建模描述 v對(duì)水印信號(hào)的約束是由人的感知系統(tǒng)決定的，這比傳統(tǒng)通信中簡單的L2 模型復(fù)雜得多而且至今尚未被人們完全理解。這些區(qū)別使通信理論和信 息論中的很多理論結(jié)果難以直接應(yīng)用到水印技術(shù)中 23 數(shù)字音頻水印須具備的性質(zhì) v耦合性 水印必須嵌入到宿主音頻數(shù)據(jù)中，而不

16、能存儲(chǔ)于文件頭或單獨(dú)的文 件，否則可以很輕易的被除去或改變 v透明性 水印不應(yīng)對(duì)原始音頻的聲音質(zhì)量產(chǎn)生可聽到的失真 v統(tǒng)計(jì)不可檢測性 防止攻擊者逆向嵌入過程來除去水印 v魯棒性 能抵抗宿主音頻信號(hào)上的壓縮，濾波，重采樣，重量化，剪切，加 噪聲等一般信號(hào)處理 24 數(shù)字音頻水印須具備的性質(zhì) v方便性 水印應(yīng)易于提取，嵌入和檢測的計(jì)算量要低，以便其集成到一般電子產(chǎn)品中 v自同步性(self-clocking) 使水印在剪切和時(shí)間縮放等操作下能容易地檢測到 v盲檢測 原則上水印的檢測不應(yīng)需要原始音頻，因?yàn)樵谝粋€(gè)開放環(huán)境下尋找原始音頻 是十分困難的 v通用性 好的水印算法適用于多種文件格式和媒體格式。

17、通用性在某種程度上意味著 易用性 25 數(shù)字水印的分類 v按作用域分類 時(shí)間/空間域水印 變換域水印(DCT，Wavelet，F(xiàn)ourier，倒譜，分形等). v按外觀分類 可見水印 不可見水印 v穩(wěn)健的不可見水印 v脆弱的不可見水印 26 數(shù)字水印的分類 v按水印載體分類 圖像水印 視頻水印 音頻水印 文本水印 v按嵌入/檢測方法分類 “insertion” vX= X f(w), X的知識(shí)會(huì)增強(qiáng)檢測性能，相關(guān)檢測 “relationship enforcement” v映射函數(shù)g( ), w = g(X) ，b信息完全包含在 X中，非相關(guān)檢測 27 數(shù)字水印的應(yīng)用 v版權(quán)保護(hù) 一個(gè)標(biāo)志作品

18、所有權(quán)的水印被嵌入到媒體數(shù)據(jù)中，成為其不可分割 的一個(gè)部分 水印只為版權(quán)所有者所知，并且能夠抵抗常規(guī)的信號(hào)處理、同步攻 擊和蓄意攻擊 水印檢測必須具有較小的錯(cuò)誤率，沒有二義性，并保持盡可能小的 虛警率，而水印容量即嵌入的數(shù)據(jù)量不必很大 目前已有許多用于版權(quán)保護(hù)的音頻水印算法 28 數(shù)字水印的應(yīng)用 v廣播監(jiān)控 在電視或電臺(tái)廣播中，廣告通常是一個(gè)電臺(tái)的重要收入來源，電臺(tái) 借著將廣告時(shí)段提供給廣告商播放廣告來收取費(fèi)用 廣告商當(dāng)然希望電臺(tái)確實(shí)將廣告依時(shí)段播出。音樂家或演員也會(huì)要 求電臺(tái)在播放他們作品時(shí)能夠付給他們應(yīng)得的版稅，版權(quán)所有者也 希望能確實(shí)監(jiān)控是否有未授權(quán)的電臺(tái)播放他們的作品 可以將各不相同的

19、數(shù)字水印嵌入到各個(gè)影片或音樂片段中，并設(shè)立 一個(gè)自動(dòng)監(jiān)控的接收站，用以接收監(jiān)控電臺(tái)播放的影片或聲音等媒 體，并自動(dòng)在媒體中搜尋這個(gè)唯一的數(shù)字水印，這樣便可以確切知 道這些媒體被播放的時(shí)間、次數(shù)等相關(guān)信息 29 數(shù)字水印的應(yīng)用 圖 1.2 數(shù)字音頻水印技術(shù)用于廣播監(jiān)控系統(tǒng)框圖 30 數(shù)字水印的應(yīng)用 實(shí)際上用于商業(yè)應(yīng)用的水印系統(tǒng)已經(jīng)存在了多年，類似概念也有了 較長歷史，例如 vLiquid公司在1998年發(fā)布了用于保護(hù)音樂作品的音頻水印技術(shù)，通過檢 測水印可以顯示歌曲是何時(shí)何地被何人下載 vNakamura等在2000年提出一種自動(dòng)監(jiān)視無線廣播的音頻水印技術(shù)，可 以跟蹤音樂在何時(shí)被播放多長時(shí)間 3

20、1 數(shù)字水印的應(yīng)用 v認(rèn)證或篡改檢測 認(rèn)證在密碼學(xué)中已得到完備的研究 vFriedman首次提出通過計(jì)算與圖像相關(guān)的密碼簽名來將認(rèn)證用于產(chǎn)生 “可信賴的相機(jī)” v即使圖像只有一個(gè)比特被改變，那么計(jì)算出來的簽名也無法與原始簽名 相匹配，這樣對(duì)圖像的任何改變都可以被檢測到 v但是數(shù)字簽名必須和圖像一起傳輸，比如存放在某種圖像格式的文件頭 中 v如果圖像拷貝到另一種不包含該文件頭的格式，簽名就會(huì)丟失，認(rèn)證也 就不再有效 32 數(shù)字水印的應(yīng)用 一種更可取的辦法 v采用水印技術(shù)把輔助數(shù)據(jù)預(yù)先嵌入到源數(shù)據(jù)中，然后通過水印來判斷宿 主數(shù)據(jù)是否已被篡改 v不需要額外保持?jǐn)?shù)據(jù)簽名。任何對(duì)源數(shù)據(jù)的改變也會(huì)作用到水

21、印上，使 我們可以更多地了解篡改是如何進(jìn)行的 v沒有必要對(duì)除去水印或使之無法檢測的攻擊保持高魯棒性，因?yàn)檫@不是 攻擊者的興趣所在。但是必須防止在一個(gè)已被篡改的媒體數(shù)據(jù)中偽造一 個(gè)用于認(rèn)證的水印 v希望能夠定位篡改區(qū)域，并且區(qū)分保持內(nèi)容操作(如中等強(qiáng)度的MP3壓縮) 和惡意篡改 v嵌入容量必須要大，檢測必須在沒有原始媒體數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行，即進(jìn) 行盲檢測或非相關(guān)檢測，因?yàn)樵紨?shù)據(jù)很可能無法找到，即使存在也無 法驗(yàn)證其有效性 33 數(shù)字水印的應(yīng)用 v指紋鑒別 在上述版權(quán)保護(hù)、認(rèn)證等應(yīng)用中，對(duì)所有多媒體數(shù)據(jù)的復(fù)本拷貝， 都是嵌入同一組數(shù)字水印 然而有時(shí)候需要對(duì)每一個(gè)復(fù)本嵌入不同的水印，它可以讓多媒體版

22、 權(quán)擁有者或多媒體傳播者辨識(shí)該多媒體數(shù)據(jù)是不是一個(gè)合法的復(fù)本， 這種應(yīng)用稱為指紋鑒別 假設(shè)某音樂CD在正式發(fā)售上市前，只有少數(shù)幾個(gè)復(fù)本交給相關(guān)的制 作參與者，但是在發(fā)售前卻發(fā)現(xiàn)此音樂CD已經(jīng)在盜版市場流通。由 于每一個(gè)合法復(fù)本皆有一個(gè)獨(dú)特的水印，一旦有此情形發(fā)生，將可 以從盜版的CD中提取出數(shù)字水印，以此來追查出此非法盜拷的源頭 是從哪一個(gè)復(fù)本流散出去的 34 數(shù)字水印的應(yīng)用 工業(yè)界指紋鑒別的數(shù)字音頻水印產(chǎn)品 v1999年，美國高科技公司GMO發(fā)布了基于MPEG-2 AAC音頻壓縮技術(shù) 的MP4音頻格式文件，這是一種可以在網(wǎng)上下載或作為電子郵件附件傳 送的EXE自播放歌曲文件。MP4歌曲采用了

23、名為 SOLANA 技術(shù)的數(shù)字 水印，可方便追蹤和發(fā)現(xiàn)盜版發(fā)行行為。而且，任何針對(duì)MP4的非法解 壓行為都可能導(dǎo)致MP4原文件的損毀 v2003年，一項(xiàng)由德國人開發(fā)的數(shù)字水印技術(shù)在比利時(shí)開始商業(yè)應(yīng)用，這 項(xiàng)技術(shù)可以防止在線音樂的非法復(fù)制。首個(gè)應(yīng)用該技術(shù)的是比利時(shí)歌手 SoulBob的新專輯，該專輯將很快可以在網(wǎng)絡(luò)上下載。購買者的姓名以 及住址等個(gè)人信息將加入到數(shù)字水印中，這樣非法復(fù)制的音樂將可以很 快找到源頭。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在之前的應(yīng)用中幫助抓獲了多個(gè)非法復(fù)制者 35 數(shù)字水印的應(yīng)用 v拷貝及使用控制 前面所述的幾種應(yīng)用，雖然可以對(duì)非法使用或非法拷貝造成一定的 阻礙作用，但還是無法阻止非法復(fù)制的

24、發(fā)生 要達(dá)到拷貝控制的要求就必須和播放或錄制的硬件機(jī)器設(shè)備配合使 用 v例如如果機(jī)器檢測到標(biāo)示禁止錄制或播放的數(shù)字水印時(shí)，便會(huì)取消錄制 或播放的動(dòng)作。當(dāng)然這種應(yīng)用需要所有硬件制造廠商的配合 36 數(shù)字水印的應(yīng)用 v當(dāng)前流行的MP3播放機(jī)與因特網(wǎng)連接，可以從網(wǎng)上直接下載MP3音樂并隨意復(fù)制。 但是，如果網(wǎng)上的音樂采用數(shù)字水印技術(shù)加以保護(hù)，則完全可以有效地阻止大量 無償下載并非法復(fù)制網(wǎng)上音樂 vIBM公司新發(fā)明的一種數(shù)字音頻水印技術(shù)在每一個(gè)MP3音樂數(shù)據(jù)中嵌入數(shù)字水印， 這種水印允許非營利性用戶在自己使用的范圍內(nèi)復(fù)制最多3次，如果超過3次將拷 貝失敗，從而能夠有效地防止一些惟利是圖的音樂經(jīng)營商大批

25、量地復(fù)制盜版音樂 37 數(shù)字水印的應(yīng)用 v標(biāo)注水印 標(biāo)注水印一般要求嵌入比較多的信息，例如圖像各節(jié)內(nèi)容的說明、 作者、歌曲CD的歌詞、訂購信息，網(wǎng)站連接等等 標(biāo)注水印要求采用公開水印算法，即提取水印時(shí)不需要原始數(shù)據(jù)的 任何信息 一般來說，標(biāo)注水印還需要對(duì)常規(guī)的圖像或音頻信號(hào)處理，例如中 等強(qiáng)度的有損壓縮、濾波、噪聲等，以及輕微的同步攻擊/幾何變形 具有一定的魯棒性，但不需要抵抗惡意攻擊 38 數(shù)字水印的應(yīng)用 v除了以上提到的幾種典型應(yīng)用，我們?cè)谖墨I(xiàn)中還可以發(fā)現(xiàn)一 些更有趣的應(yīng)用，例如 Tachibana等使用實(shí)時(shí)水印嵌入技術(shù)將在正常情況下僅對(duì)數(shù)字格式存 儲(chǔ)媒體有效的音頻水印算法擴(kuò)展到無線廣播和

26、現(xiàn)場直播的應(yīng)用環(huán)境 中 Caccia等則提出了一種音頻水印算法用于自動(dòng)識(shí)別在電視廣播節(jié)目 中的音樂片斷 39 音頻水印產(chǎn)品及評(píng)測 vSTEP2000 日本作者，作曲家和出版商權(quán)利協(xié)會(huì)(JASRAC) 2000年10月6日宣布 它已完成其用于評(píng)價(jià)和鑒定音頻數(shù)字水印技術(shù)的STEP2000計(jì)劃并鑒 定了5家公司的產(chǎn)品，推薦作為數(shù)字音樂發(fā)行的企業(yè)應(yīng)用 vIBM公司 v韓國MarkAny有限公司 v日本Victor有限公司(JVC) v美國Blue Spike有限公司 v英國Signum公司 40 Audio Data Hiding for Music v透明性 由錄音棚工程師和藝術(shù)家進(jìn)行聽覺測試 v支

27、持即將到來的新一代音頻 DVD-音頻質(zhì)量 (5.1 ch, 96 kHz 采樣, 24 bits ) v植入音樂的信息示例 v指示是否允許拷貝音樂的拷貝信息 v指示可以多自由地使用內(nèi)容的使用指南 v指示該音樂是什么的內(nèi)容ID v指示誰買了這段音樂的用戶ID 41 Audio Data Hiding for Music v應(yīng)用 互聯(lián)網(wǎng)音樂分布(一個(gè)應(yīng)用是EMMS) vEMMS(Emacs Multimedia System)是 Emacs 的一個(gè)多媒體播放插件. 它本身并不能處理多媒體, 而是通過一些外部的播放器(如 mplayer, mpg123, ogg123 等)來播放多媒體. 因此, 只

28、要外部播放器能處理的音頻 和視頻, EMMS 都能播放 商業(yè)電影廣播計(jì)數(shù) v一段商業(yè)電影已經(jīng)被廣播了多少次可以被自動(dòng)計(jì)數(shù)，如果它的音 軌包含音頻數(shù)據(jù)隱藏聲音在里面 播放計(jì)數(shù) v藝術(shù)家可以發(fā)現(xiàn)他們的音樂在一個(gè)特定的電視或無線廣播頻道已 經(jīng)被播放了多少次，如果他們?cè)谝魳分兄踩肼曇粜畔?42 Audio Data Hiding for Voice v聲音數(shù)據(jù)與音樂的區(qū)別 聲音通常使用的壓縮比音樂大得多，因此對(duì)聲音水印需要更強(qiáng)的魯 棒性 聲音和音樂有不同的聲學(xué)結(jié)構(gòu)，所以需要不同的模型和方法 v應(yīng)用 聲音數(shù)字隱藏技術(shù)可以保護(hù)版權(quán)或向聲音數(shù)據(jù)中植入有用的信息， 比如在語言學(xué)習(xí)CD中，聽力書中，談話百科全書

29、，談話用戶界面， 互聯(lián)網(wǎng)無線廣播，記錄的電視會(huì)議數(shù)據(jù)中 43 IBM Data Hiding for Audio vIBM數(shù)字音頻數(shù)據(jù)隱藏TM技術(shù) 是一個(gè)基于信號(hào)處理，概率論和心理聲學(xué)模型的數(shù)字水印技術(shù)。該 產(chǎn)品已經(jīng)在STEP2000上被簽定為優(yōu)秀并可用于實(shí)際商業(yè)用途。未經(jīng) 授權(quán)的蓄意除去或改變嵌入數(shù)據(jù)是非常難的，如果不使音頻質(zhì)量嚴(yán) 重下降 性能指標(biāo) vTwo successive D/A and A/D conversions vFM radio broadcasting The watermark can be retrieved after successive D/A, frequen

30、cy- modulated radio broadcasting, reception by a consumer receiver, and A/D processes 44 IBM Data Hiding for Audio vResampling and down conversion of channels The watermark can be detected at any sampling rate down to 16 kHz vTime compression/expansion with pitch shift and pitch preserved Linear spe

31、ed changes within 10% and pitch-invariant time scaling within 4% vData reduction coding MPEG-1 L1/L2/L3, MPEG-2 AAC, and ATRAC-1 vNonlinear amplitude compression 45 IBM Data Hiding for Audio vAdditive or multiplicative noise the embedded signal survives white noise addition with a constant level of

32、30 dB lower than the long-term averaged music power vFrequency response distortion such as equalization vAddition of echo maximum delay: 100 msec, feedback coefficient: around 0.5 vBand-pass filtering 8 kHz low-pass filtering 46 數(shù)字音頻水印算法概述 v算法作用域 時(shí)間域算法 頻率域算法 壓縮域算法 v與數(shù)字圖像相比 數(shù)字音頻數(shù)據(jù)量較大，且主要應(yīng)用于廣播、在線分發(fā)等環(huán)境

33、，所以 原則上要求音頻水印的檢測算法必須是盲檢測，即不需要原始音頻 信號(hào) 47 時(shí)間域算法 v基本原理 在時(shí)間域上將水印直接隱藏入數(shù)字音頻信號(hào)，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì) 一般信號(hào)處理如音頻壓縮和濾波等的抵抗能力較差 v經(jīng)典算法 最低比特位LSB方法把每個(gè)采樣點(diǎn)的最低比特位用一個(gè)水印比特來代 替 Mansour等通過用樣條插值函數(shù)來改變音頻信號(hào)兩個(gè)連續(xù)的最大值和 最小值之間的相對(duì)長度，使之大于或小于某一閾值來分別植入1或0 回聲數(shù)據(jù)隱藏方法通過在時(shí)間域向音頻信號(hào)上引入作為水印的回聲 信號(hào) 來隱藏信息 48 頻率域算法 v早期頻域音頻水印技術(shù) 將水印信號(hào)放在如高頻區(qū)域之類的聽覺上不重要的區(qū)域，以使之不

34、可聽到 Tilki 等在一個(gè)交互式電視系統(tǒng)的開發(fā)中，2.4kHz到6.4kHz范圍內(nèi)的 中頻帶傅立葉變換系數(shù)被數(shù)字簽名所代替，將信息隱藏進(jìn)電視伴音 人耳對(duì)聲音的相位不太敏感，尤其是缺乏感知絕對(duì)相位值的能力， 但對(duì)相位值的相對(duì)差異要敏感些。相位成分比振幅成分更重要, Bender等提出了一種相位編碼的方法 49 頻率域算法 v直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)DSSS 即將一個(gè)數(shù)字水印序列與高速偽隨機(jī)碼相乘后疊加到原始音頻信號(hào) 上，并利用人類聽覺系統(tǒng)的掩蔽效應(yīng)進(jìn)一步整形水印信號(hào)以保證其 不可聽到 擴(kuò)頻理論保證水印在統(tǒng)計(jì)上是不可檢測的，且通常作用在頻域上， 集中了兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)音頻壓縮，剪輯等信號(hào)處理具有很強(qiáng)的

35、 魯棒性，缺點(diǎn)是檢測時(shí)需要原始信號(hào)或原始水印 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步問題 v偽隨機(jī)序列PN與待檢測信號(hào)必須精確對(duì)齊 50 頻率域算法 v基于倒譜的音頻信號(hào)數(shù)據(jù)隱藏方法 vMultipurpose audio watermarking 大多數(shù)水印方法不能同時(shí)用于多種用途。如果需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)目的， 就需要同時(shí)注入多個(gè)水印 因?yàn)椴煌乃?dān)負(fù)不同的使命，隱藏的順序十分重要(魯棒性水印 脆弱性水印) Lu等采用雞尾酒水印(cocktail watermarking)方法將兩個(gè)功能互補(bǔ)的 魯棒性水印和脆弱性水印同時(shí)植入原始音頻。 v對(duì)音頻保護(hù)，可得到高的魯棒性 v對(duì)音頻認(rèn)證，可以檢測到篡改的區(qū)域 51 壓縮域算法

36、 v目標(biāo) 得到帶水印的壓縮格式音頻 v兩種方式 在壓縮域上進(jìn)行，水印直接加到MPEG音頻比特流上，水印嵌入非常 迅速，但魯棒性較差，任何解壓縮/再壓縮處理都可以輕易地除去水 印 首先將壓縮格式的音頻解壓，然后將水印植入到非壓縮域，最后帶 水印的音頻內(nèi)容再被重新壓縮成帶水印的壓縮格式音頻?？梢蕴岣?水印的魯棒性，但時(shí)間開銷太大，不適合在線交易和分發(fā) 52 壓縮域算法 v經(jīng)典算法 劍橋大學(xué)的Petitcolas等提出一種叫做MP3Stego的水印技術(shù)，在 壓縮過程中將水印信息隱藏進(jìn)MP3文件，魯棒性較差，解壓比特流/ 重新壓縮可除去隱藏的水印信息。MP3Stego實(shí)際上并沒有在壓縮域 上直接植入水

37、印，被處理的對(duì)象是PCM數(shù)據(jù)，很耗時(shí) Qiao等人提出兩種將水印直接嵌入到MPEG音頻流中的方法。第一 個(gè)將水印嵌入到MPEG音頻流的比例因子(Scale Factors)中，第二個(gè) 將水印嵌入到MPEG編碼的樣本數(shù)據(jù)中 53 基于內(nèi)容的音頻水印算法 v更加強(qiáng)調(diào)對(duì)音頻內(nèi)容的使用 v經(jīng)典算法 Xu等對(duì)每個(gè)幀進(jìn)行音頻特征提取，基于特征測量，將音頻幀按照預(yù) 定義的類分類，并選擇適合于該類的植入算法 Wu等基于音頻內(nèi)容分析提取基于人耳敏感特征的顯著點(diǎn)(salient point)來定位水印嵌入?yún)^(qū)域, 在傅立葉變換域上采用擴(kuò)頻技術(shù)嵌入水 印 54 第二代數(shù)字水印技術(shù) v第一代數(shù)字水印技術(shù) 將水印植入到時(shí)

38、間域樣本/空間域象素或頻率域變換系數(shù)，沒有明顯 地利用知覺上重要的數(shù)據(jù)特征，把信息嵌入到數(shù)據(jù)知覺上最重要的 部分 v第二代數(shù)字水印技術(shù) Kutter等明確指出在水印過程中要充分利用媒體中重要的數(shù)據(jù)特征 vTowards Second Generation Watermarking SchemesM. Kutter S. K. Bhattacharjee T. Ebrahimi (ICIP99) 55 第二代數(shù)字水印技術(shù) v數(shù)據(jù)知覺重要特征 特征也許是抽象的，也許是數(shù)據(jù)在語義上有意義的特征 以圖像為例，特征可以是邊緣，邊角，紋理區(qū)域或具有特殊特性的 圖像部分 對(duì)音頻數(shù)據(jù)諧音之間的關(guān)系也許是一個(gè)有

39、用的特征 并不是所以的特征都適合水印。例如圖像的均勻區(qū)域就不是一個(gè)好 的特征因?yàn)槿绻麍D像縮放的話它會(huì)改變 56 第二代數(shù)字水印技術(shù) v適合于水印的特征應(yīng)該具有如下特點(diǎn) 對(duì)噪聲不變(有損壓縮，加性乘性噪聲等) v保證只有重要的特征被選擇，攻擊一般不會(huì)改變重要特征否則數(shù)據(jù)的商 業(yè)價(jià)值就會(huì)受到損失 對(duì)幾何變換不變(旋轉(zhuǎn)，平移，子采樣，寬高比變化) v描述了特征點(diǎn)在受到幾何變形攻擊下的行為，中等程度的幾何變形不應(yīng) 該損壞或改變特征 局域化 v剪切數(shù)據(jù)不應(yīng)該改變其余的特征點(diǎn)，抵抗剪切之類的攻擊 57 第二代數(shù)字水印技術(shù) v提取出來的特征可以按照兩種方式使用 特征可以作為標(biāo)準(zhǔn)水印方法的輔助手段 v例如，特

40、征可以為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水印方案作為參考位置和方向。這種方案的 基本目標(biāo)就是增強(qiáng)對(duì)幾何改變的魯棒性，雖然也希望達(dá)到其它目標(biāo) 在嵌入過程中直接使用特征 v提取出來的特征被直接修改來嵌入水印信息 58 音頻水印系統(tǒng)的攻擊及解決方案 v根據(jù)對(duì)音頻信號(hào)同步結(jié)構(gòu)的影響把攻擊主要分為兩類 音頻信號(hào)處理 vMPEG壓縮、低通/帶通濾波、加性/乘性噪聲、加入回聲、再采樣/再量 化、混頻、調(diào)幅等 v這種類型的攻擊不顯著影響音頻信號(hào)的同步結(jié)構(gòu) 時(shí)間域同步攻擊 v抖動(dòng)(jittering)、時(shí)間尺度縮放(time-scale warping)、變調(diào)(pitch-shift warping)以及上下采樣(up/down sa

41、mpling) v這種類型的攻擊會(huì)損壞音頻信號(hào)的同步結(jié)構(gòu)，比第一種類型的攻擊更具 挑戰(zhàn)性 59 音頻水印系統(tǒng)的攻擊及解決方案 v對(duì)于數(shù)字音頻來說，同步攻擊需要引起特別的注意。剪切掉不想要的音 頻片段或隨機(jī)向音頻數(shù)據(jù)中添加和刪除樣本，都會(huì)引起這個(gè)問題。擴(kuò)頻 技術(shù)中采用的相關(guān)檢測器依賴于待檢測信號(hào)和水印信號(hào)之間精確的對(duì)齊， 同步錯(cuò)誤會(huì)對(duì)檢測性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響 v其它攻擊 針對(duì)某種水印技術(shù)專門設(shè)計(jì)的攻擊 協(xié)議層的解釋攻擊 Stirmark for Audio 基準(zhǔn)測試工具 60 音頻水印系統(tǒng)的攻擊及解決方案 v抵抗同步攻擊的幾種方法 窮舉搜索 v通過定義有關(guān)參數(shù)(如時(shí)間縮放及延遲)的變化范圍和變化步

42、長，使它們 的每種組合代表一個(gè)假設(shè)已經(jīng)對(duì)作品進(jìn)行的攻擊。檢測水印時(shí)首先逆轉(zhuǎn) 每個(gè)可能的組合，然后各應(yīng)用一次水印檢測器 v兩個(gè)問題 一是計(jì)算代價(jià)，隨著搜索空間增大計(jì)算量也急劇增大 二是對(duì)水印檢測器多次操作會(huì)增加虛警率。小搜索空間時(shí)才有效 自相關(guān) v具有自相關(guān)性質(zhì)的嵌入數(shù)據(jù)可同時(shí)作為同步數(shù)據(jù)和負(fù)載數(shù)據(jù)。自相關(guān)函 數(shù)在零點(diǎn)有一個(gè)大的峰值，在非零點(diǎn)上迅速減小到零。自相關(guān)模式類似 于加同步標(biāo)記，具有很大的潛力 61 音頻水印系統(tǒng)的攻擊及解決方案 同步標(biāo)記 v基于擴(kuò)頻技術(shù)的水印算法要求被懷疑含有水印的作品檢測時(shí)要和原始水 印或原始作品精確對(duì)齊，這個(gè)過程在音頻文獻(xiàn)中叫做同步 (synchronization)，在圖像處理文獻(xiàn)中叫做對(duì)齊(registration) v一種同步方法是在水印數(shù)據(jù)中除了數(shù)據(jù)負(fù)載之外再加上一個(gè)同步標(biāo)記。 水印檢測時(shí)首先找到同步標(biāo)記，然后通過與嵌入時(shí)的同步標(biāo)記比較來識(shí) 別作品受到的攻擊，這些攻擊被逆轉(zhuǎn)后再檢測水印