图像数字水印的攻击和测试研究

第３０卷第２１期　甘肃科技　Ｇａｎｓｕ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏｌ－３Ｏ　Ｎｏ．２１　Ｎｏｖ．２０１４　２０１４年１１月　图像数字水印的攻击和测试研究　杨永锋　（陇东学院信息工程学院，甘肃庆阳７４５０００）　摘　要：数字水印技术作为版权保护的重要手段，已得到广泛的研究和应用。为了帮助设计者设计出安全可靠的数　字水印方案，系统地分析了数字水印的攻击技术和测试方法。　关键词：数字水印；版权保护；攻击技术；测试方法　中图分类号：ＴＰ３９１．４１　数字水印技术【１】是将一些标识信息（即数字水　经该水印算法加密的数据全都失去了安全性。主动　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。通　攻击的危害虽然不如被动攻击的危害大，但其攻击　方：法往往十分简单，易于广泛传播。无论是密码学　还：是数字水印，主动攻击都是一个令人头疼的问题。　对于数字水印来说，绝大多数攻击属于主动攻击。　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　图像数字水印的攻击技术包括大量图像的常　篡改等目的。数字图像是常见的隐藏数字水印的载　体，图像的数字水印技术非常成熟，已经有实用的　数字水印产品。对于加入了数字水印的数字媒体，　总有攻击者想提取出水印据为己有或者破坏掉图　见操作和一些特殊处理，它们可以分为：　１）去除水印攻击：主要包括去噪、滤波、直方图　修改、量化、有损压缩等针对图像的常见处理。这些　操作造成了图像信息损失，特别是压缩，能在保证　像中嵌入的水印，极大地威胁到水印的安全性。为　了能设计出抵抗攻击能力强大的数字水印算法，首　先就要弄清楚攻击者常采用的攻击手段，并通过一　些技术对数字水印技术进行测试。　定信息质量的前提下，尽可能多地消除冗余，造　成水印信息损失甚至不可检测。　一２）几何攻击ｆ２１：主要包括旋转、平移、尺度变换、　剪切、删除行或列等各种几何变换。这些操作使得　本文主要针对数字图像这一载体，研究数字水　印的攻击技术和测试方法。　图像数据的空间序列的排列发生变化，使得水印信　息丢失。　３）共谋攻击：这类攻击的目标是删除水印，是　一１　图像数字水印的攻击技术　对数字图像的编辑和修改往往会导致信息损　种有意攻击。攻击者利用同一条数字图像的多个　含水印拷贝，使用统计方法构造出不含水印的媒体　失，而且水印与图像紧密结合，所以，会影响到水印　的正常检测和提取，这些操作都可视为对水印的攻　击。水印攻击分析是指对现有的数字水印系统进行　数据。一种常用的共谋攻击是利用多个含水印的图　像载体进行多次平均统计操作，最后得到一个成功　删除水印的载体图像。　４）重放攻击：攻击者在已嵌入其他水印的数字　图像中嵌入自己的版权信号，从而造成版权纠纷。　对付这种攻击的方法就是采用时间戳技术。时间戳　攻击，以检验其抵抗攻击的能力，通过分析其弱点　所在及其易受攻击的原因，以便在以后数字水印系　统的设计中加以改进。攻击的目的在于使相应的数　字水印系统的检测工具无法正确地提取水印信息，　或不能检测到水印信息的存在。　水印攻击与密码攻击一样，包括主动攻击和被　由可信的第三方提供，可以正确判断谁第一个为载　体数据加了水印，从而有效防止再次嵌入水印的攻击。　５）统计攻击：利用合理的数字图像的统计模型　动攻击。主动攻击的目的并不是破解数字水印，而　是篡改或破坏水印，使合法用户也不能读取水印信　息。而被动攻击则试图破解数字水印算法。相比之　下，被动攻击的难度要大得多，但一旦成功，则所有　和最大后验概率来估计水印或者原始图像信号，从　而将水印剔除。　对攻击技术的分析和研究促进了水印技术的　革新，但也为水印自身提出了一个又一个挑战。目　１６　甘肃科技　第３０卷　前，还不存在一种算法能够抵抗所有的攻击，特别　如何提高水印抵抗攻击的能力，是水印设计者最为　是几何攻击，目前还没有成熟的方案。　２图像数字水印的测试　正确评价水印系统，应该从水印的不可见性和　关注的问题。鲁棒性是指水印在实际应用过程中可　能会遭受到任何有意或无意的攻击生存能力。数字　图像的各种处理会导致图像信息损失，从而在不同　程度上破坏水印完整性，所以，需要对水印系统施加　一鲁棒性两个方面综合考虑。　２．１水印的不可见性评价　些攻击，以测试其抵抗攻击的性能。对于数字水　印系统的鲁棒性进行评价，首先水印必须能够经得　起对图像的压缩、滤波、加噪、剪切、缩放和旋转等　水印的不可见性评价，即含水印图像质量的评　价，要从主观和客观两个方面进行。由于含水印信　常见处理；其次要结合其应用背景，但在许多应用　息的载体图像最终接收者是人，所以，采用主观评　价是最直接的，也很可靠。主观方面采用主观测试　方法，结合人类视觉特性，如果加入水印使得载体　图像的质量明显下降，就认为是不成功的。一个可　行的方法就是观测者打分的方式，这种打分可基于　ＩＴＵ—Ｒ　Ｒｅｃ．５００质量等级评判［３］，见表ｌ。　表１　ＩＴＵ—Ｒ　Ｒｅｃ．５００质量等级标准　但在研究中，当把测试任务叫给计算机来完成　时，水印不可见性的测量可采用定量方法。均方差　ＭＳＥ是一种统计行为指数，可以直接反映出所做评　估对象的改变。采用均方差对图像的变化进行一种　评估，给出一种图像变化的客观指标，达到衡量原　始载体图像在添加水印以后图像的质量变化程度　的目的。　ＭＳＥ　（　【　卜　’　如　，其中　，ｙ］是　原始图像，，　，ｙ］是含水印图像。　采用信噪￣ｔ（ＳＮＲ）来衡量原始图像与水印图像　的失真程度：　∑Ｊ，。【ｘ，　，ｌ　ＳＮＲ＝１０１０ｇｌ０∑∑（１１　，川一，’　）　信噪比是指有用的保真信号与在信号处理过　程中加入的噪声的比值。在图像处理中，用ＳＮＲ作　为衡量重建图像质量的尺度。水印图像跟原始图像　的信噪比，得到的比值越大，表示水印图像的质量　越好。　２．２图像数字水印鲁棒性测试　水印的攻击技术可以用来测试水印的鲁棒性，　中，要求数字水印系统对所有可能的处理都具有鲁　棒性是没有必要的，应用领域不同，对于数字水印　的鲁棒性要求也不同，可以针对具体应用只测试部　分攻击。目前已有多个水印基准测试软件，Ｓｔｉｒｍａｒｋ　测试软件是其中之一，它是剑桥大学的Ｐｅｔｉｔｃｏｌａｓ　等人开发的首个用于数字图像水印算法鲁棒性测　试的通用工具，已成为广泛使用的用于水印攻击的　基准测试工具。Ｓｔｉｒｍａｒｋ对给定的一副含水印图像　进行测试，就能一次生成许多修改后的图像，用来　验证嵌入的水印能否被检测到。　３结语　数字水印技术必须具有较强的鲁棒性、安全性　和透明性。许多水印算法无法抵抗攻击，必须配合　其他技术手段才能达到应用目的，而且水印技术缺　少相关的标准或协议，这些都妨碍了数字水印技术　的进一步推广应用。但我们相信，如果没有恰当地　提出潜在的攻击问题，数字水印技术也决不会迅速　跨越实验阶段而得到全面应用，水印技术现在得到　了一定程度的应用离不开水印攻击的研究。要解决　数字水印的应用性问题，必须先解决水印技术的安　全性和稳健性问题。而安全性和稳健性的研究必须　研究水印的攻击方法，并从理论上寻求相应的对　策。通过对图像数字水印技术的抗攻击性的研究，　并结合数字信号处理技术，寻找出它们之间的关　系，从而发现更加好的数字水印技术。　参考文献：　［１］　田维佳．数字图像水印技术及应用研究【Ｊ］．电子科技大　学。２０１０．　［２］张莉．抗几何攻击的数字图像水印技术研究与实现［Ｊ］．武　汉理工大学，２００７．　【３］袁大洋，肖俊，王颖．数字图像水印算法抗几何攻击鲁棒性　研究［Ｊ］．电子与信息学报．２００８，（０５）：２３９－２４４．　【４］王丽娜，郭迟，李鹏．信息隐藏技术实验教程［Ｍ】．武汉：武　汉大学出版社。２００４．