信息安全工程师（69）数字水印技术与应用

前言

数字水印技术是一种在数字媒体中嵌入特定信息的技术，这些信息可以是版权信息、元数据等。

一、数字水印技术的定义与原理

数字水印技术（Digital Watermarking）是将一些标识信息（即数字水印）直接嵌入数字载体（包括多媒体、文档、软件等）当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统（如视觉或听觉系统）觉察或注意到。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。数字水印技术属于信息隐藏技术的一个重要研究方向。

数字水印的原理是将特定的信息嵌入到数字信号中，这些数字信号可以是音频、图片或视频等。嵌入的信息可以通过特定的算法进行提取和识别。当数字信号被拷贝时，所嵌入的信息也会一并被拷贝，因此可以用来跟踪数字媒体的来源和防止非法拷贝。

二、数字水印技术的分类

数字水印技术可以按照不同的标准进行分类：

按水印的特性分类：

鲁棒数字水印：主要用于在数字作品中标识著作权信息。利用这种水印技术在多媒体内容的数据中嵌入创建者、所有者的标示信息，或者嵌入购买者的标示（即序列号）。在发生版权纠纷时，创建者或所有者的信息用于标示数据的版权所有者，而序列号用于追踪违反协议而为盗版提供多媒体数据的用户。
易损水印：应对一般图像处理（如滤波、加噪声、替换、压缩等）有较强的免疫能力（鲁棒性），同时又要求有较强的敏感性，即允许一定程度的失真，又要能将失真情况探测出来。必须对信号的改动很敏感，人们根据易损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分类：

图像水印
音频水印
视频水印
文本水印
网格水印（用于三维网格模型）

按水印的检测过程分类：

明文水印：在检测过程中需要原始数据。明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。
盲水印：检测只需要密钥，不需要原始数据。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。

按数字水印的内容分类：

有意义水印：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。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。
无意义水印：只对应于一个序列号。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。

按水印的用途分类：

票证防伪水印：主要用于打印票据和电子票据、各种证件的防伪。
版权保护水印：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，其目的是标识原文件信号的完整性和真实性。
隐蔽标识水印：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。

此外，数字水印还可以分为浮现式和隐藏式两种。

三、数字水印技术的实现方法

数字水印技术的实现方法主要包括水印生成、水印嵌入和水印提取三个步骤。一个完整的数字水印系统通常也包括这三个主要部分。

水印生成：根据应用需求，生成要嵌入的数字水印信息。这些信息可以是文本、图像、音频等形式的版权信息或元数据。
水印嵌入：将生成的水印信息嵌入到数字媒体中。嵌入过程通常涉及对数字媒体进行某种形式的变换或编码，以便将水印信息隐藏在数字媒体中而不影响数字媒体的正常使用。
水印提取：从嵌入水印的数字媒体中提取出水印信息。提取过程需要使用与嵌入过程相对应的算法或密钥，以便准确地提取出水印信息。

四、数字水印技术的应用场景

数字水印技术具有广泛的应用场景，包括但不限于以下几个方面：

版权保护：数字水印技术可以用于保护数字媒体的版权。通过在数字媒体中嵌入版权信息，可以追踪数字媒体的来源和防止非法拷贝。当发生版权纠纷时，可以通过提取嵌入的水印信息来证明版权的归属。
票据防伪：数字水印技术可以用于票据的防伪。通过在票据中嵌入特定的水印信息，可以验证票据的真伪和防止伪造。这对于保护金融、税务等领域的安全具有重要意义。
数据完整性验证：数字水印技术可以用于验证数据的完整性。通过在数据中嵌入易损水印，可以检测数据是否被篡改。这对于保护敏感数据的安全性和完整性具有重要意义。
隐蔽通信：数字水印技术还可以用于隐蔽通信。通过在数字媒体中嵌入隐秘信息，可以实现信息的隐蔽传输和接收。这对于保护通信的隐私性和安全性具有重要意义。

五、数字水印技术的发展趋势与挑战

发展趋势：

智能化与自动化：随着人工智能和机器学习技术的发展，数字水印技术将更加智能化和自动化。例如，可以利用这些技术来优化水印的生成、嵌入和提取过程，提高水印的鲁棒性和隐蔽性。
跨媒体应用：数字水印技术将逐渐扩展到更多的媒体类型中，如三维模型、虚拟现实等。这将为数字水印技术的应用提供更广阔的空间和更多的可能性。
标准化与互操作性：随着数字水印技术的不断发展，其标准化和互操作性将成为重要的趋势。这将有助于推动数字水印技术的广泛应用和普及。

挑战：

技术挑战：如何进一步提高数字水印的鲁棒性、隐蔽性和抗攻击能力，是当前面临的主要技术挑战。随着攻击手段的不断发展和变化，数字水印技术需要不断更新和升级以应对这些挑战。
法律与伦理挑战：数字水印技术的应用涉及版权保护、隐私保护等法律和伦理问题。如何在保护版权的同时尊重用户的隐私和权益，是当前面临的重要挑战之一。
标准化与兼容性挑战：不同厂商和机构之间的数字水印技术存在差异和互不兼容的问题。这限制了数字水印技术的广泛应用和普及。因此，需要推动数字水印技术的标准化和兼容性发展。