隐写术-数字水印的原理、实现及应用

导语

前段时间有一则阿里员工外泄信息被捕获的报道。大致内容是阿里的某位员工，在内部办公软件截图，使用PS工具修掉截图上的可见水印，然后传播出去，但阿里通过图片携带的不可见水印，解读了截图员工的员工编码，从而找到了泄漏图片的员工。一时间，图片的盲水印技术受到了广泛关注。本文针对盲水印技术，搜集有关它的基础原理，主要加密手段以及广泛的应用场景。

概述

数字水印（Digital Watermarking）技术是将一些标识信息（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，只 有 通 过 专 用 的 检 测 器 或 阅读器才能提取。数字水印是一个崭新的信息隐藏技术，首次提出这个概念至今也不到20年。

衡量水印好坏的标准

• 隐蔽性
  在数字作品中嵌入数字水印，不会引起明显的降质，并且不易被察觉。
• 鲁棒性
  鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后 ，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别 。可以利用的信号处理过程包括信道噪 声 、滤 波 、数 /模 与 模 /数 转 换 、重 采 样 、剪 切 、位 移 、尺 度变化及有损压缩编码等 。

数字水印的分类

• 按水印的特性
• 鲁棒数字水印：要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理
• 脆弱数字水印：需要对信号的改动足够敏感，是人们能够根据脆弱水印的状态判断出数据是否被篡改。
• 按水印的检测过程
• 明文水印：检测工程中，需要原始数据。普遍来讲，鲁棒性较之盲水印要好。
• 盲水印：只需要秘钥，不需要原始数据
• 按水印的内容
• 有意义水印：水印是商标、音频片段等
• 无意义水印：序列号，仅检测是否含水印
• 按水印的隐藏位置
• 空域
• 频域
• 时域

数字水印的技术实现

空域-LSB

LSB方法是最简单的嵌入水印的方法。事实上 ，任何一幅 图片都具备一定的容噪性 ，这表现在像素数据的最低有效位(Least Significant Bit，LSB)对 人 眼的视觉影响很 小，秘密信息就隐藏在图像每一个像素的最低位或次低位 ，实现其不 可见性。

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• LSB基础实现：http://www.jianshu.com/p/8a89b6ba5e39
• 优化信息的嵌入位置，能够降低对图片的污染，影响图片质量；同时能够释放更多的图片边缘位置，从而携带更多的隐藏信息：https://github.com/Lixinyi-DUT/graduation-project/tree/master/翻译

频域

将图片的灰度强弱，视为图片的频域。通过某种变换手段（傅里叶变换，离散余弦变换，小波变换等）将图像变换到频域（小波域），在频域对图像添加水印，再通过逆变换，将图像转换为空间域。相对于空域手段，频域手段隐匿性更强，抗攻击性更高。

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• 阿里事件后，频域实现的良心贴：https://www.zhihu.com/question/50735753

DCT

DCT以8x8的像素为单位进行，生成的是8x8的DCT系数数据块。DCT变换的最大特点是对于一般的图像都能够将像块的能量集中于少数低频DCT系数上，即生成8x8DCT系数块中，仅左上角的少量低频系数数值较大，其余系数的数值很小，这样就可能只编码和传输少数系数而不严重影响图像质量。

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• 实现贴：http://www.programgo.com/article/88442707161/
• 科普贴：http://blog.sina.com.cn/s/blog_626631420100xvxd.html

小波变换

“小波”就是小区域、长度有限、均值为0的波形。小波变换就是选择适当的基本小波或母小波ψ(t)，通过对基本小波的平移、伸缩而形成一系列的小波，这簇小波作为基可以构成一系列嵌套的（信号）子空间，然后将欲分析的信号（例如图像）投影到各个大小不同的（信号）子空间之中，以观察相应的特性。这样，就相当于我们用不同的焦距去观察一个物体，可从宏观到微观，从概貌到细节观察得十分详尽。所以小波变换又被称为“数学显微镜”。

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• 百科贴：http://baike.baidu.com/view/586841.htm

空域+频域

该算法通过混沌置乱水印图像，建立水印与载体数据之间的Hash单向映射函数，使用两种不同的嵌入方法，先后嵌入水印到空域和DFT域。水印被多次嵌入，实现了水印的盲提取。

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• 该算法论文：https://www.google.com/patents/CN104680472A?cl=zh

数字水印的应用场景

• 多媒体作品盗版追溯：利用数字水印的不可见性，在不影响作品的情况下，加入版权信息的数字水印，可抗击拷贝，剪切。
• 证件的防伪认证：如学历证，合同，票据等，携带数字水印后，可通过制定的方式提取水印，验证证件等数字文件是否被涂改；
• 阿里事件：阿里追查泄密员工的时间本身，说明，水印可以有效的追溯信息的释放源；
• 隐蔽信息传递：水印可携带加密信息后，藏在多媒体文件中传播，并通过特定的提取方式获取水印。可以作为一种隐蔽信息的通信方式。

出处：https://www.jianshu.com/p/08041bcf0f23