¿Qué es la "marca de agua digital"?
Como tecnología de marca de agua digital, tiene principalmente las siguientes características:
-Seguridad: La información de la marca de agua digital debe ser segura y difícil de manipular o falsificar. Al mismo tiempo, debe haber una baja tasa de detección falsa. Cuando el contenido original cambia, la marca de agua digital también debe cambiar, para que se puedan detectar cambios en los datos originales. Por supuesto, las marcas de agua digitales también tienen una fuerte resistencia a las adiciones repetidas;
-Ocultación: la marca de agua digital debe ser imperceptible y no debe afectar el uso normal de los datos protegidos; no se degradará;
-Robustez: se refiere a la capacidad de la marca de agua digital para resistir; Al pasar por varios procesos de procesamiento de señales intencionales o no intencionales, aún puede mantener una integridad parcial y identificarse con precisión. Los posibles procedimientos de procesamiento de señales incluyen ruido de canal, filtrado, conversión de digital a analógico y de analógico a digital, remuestreo, recorte, desplazamiento, escalado y codificación de compresión con pérdidas. Marca de agua frágil, una marca de agua digital utilizada principalmente para la protección de derechos de autor y la integridad. Esta marca de agua también incorpora información invisible en los datos del contenido. Cuando el contenido cambia, esta información de marca de agua también cambiará, para que podamos identificar si los datos originales han sido manipulados.
-Capacidad de marca de agua: la información de marca de agua incrustada debe ser suficiente para indicar la información de identificación del creador o propietario del contenido multimedia o el número de serie del comprador, lo que favorece la resolución de disputas de derechos de autor y la protección de los intereses de los propietarios legales. de los derechos de propiedad digitales. Especialmente en el campo de las comunicaciones encubiertas, la demanda de capacidad de marca de agua es muy grande.
Clasificación de las marcas de agua digitales
-1. Clasificación por características
Según las características de las marcas de agua, las marcas de agua digitales se pueden dividir en marcas de agua digitales robustas y digitales frágiles. marcas de agua. Las marcas de agua digitales robustas se utilizan principalmente para identificar información de derechos de autor en obras digitales. Al utilizar esta tecnología de marca de agua, la información de identificación del creador y propietario o la identificación del comprador (es decir, el número de serie) se integra en los datos del contenido multimedia. En caso de una disputa de derechos de autor, la información del creador o propietario se utiliza para identificar al titular de los derechos de autor de los datos, mientras que los números de serie se utilizan para rastrear a los usuarios que violan el acuerdo y proporcionan datos multimedia para la piratería. Las marcas de agua digitales utilizadas para la protección de los derechos de autor requieren una gran solidez y seguridad. Además de sobrevivir al procesamiento general de imágenes (como filtrado, adición de ruido, reemplazo y compresión), también debe poder resistir algunos ataques maliciosos.
Marca de agua frágil: contrariamente a los requisitos de una marca de agua robusta, la marca de agua digital frágil se utiliza principalmente para proteger la integridad. Esta marca de agua también incorpora información invisible en los datos del contenido. Cuando el contenido cambia, esta información de marca de agua también cambiará, para que podamos identificar si los datos originales han sido manipulados. Las marcas de agua vulnerables deben ser altamente inmunes (robustas) al procesamiento general de imágenes (como filtrado, adición de ruido, reemplazo, compresión, etc.). ), y al mismo tiempo, debe tener una fuerte sensibilidad, es decir, no solo debe permitir un cierto grado de distorsión, sino también poder detectar la distorsión. Debe ser sensible a los cambios de señal y las personas pueden juzgar si los datos han sido manipulados en función del estado de la frágil marca de agua.
-2. Basado en el medio adjunto a la marca de agua.
-Según el medio adjunto a la marca de agua, podemos dividir las marcas de agua digitales en marcas de agua de imagen, marcas de agua de audio, marcas de agua de video, marcas de agua de texto y marcas de agua de cuadrícula para modelos de cuadrícula tridimensionales. Con el desarrollo de la tecnología digital, aparecerán más tipos de medios digitales y también se producirá la tecnología de marca de agua correspondiente.
-3. Según el proceso de detección.
Según el proceso de detección de marcas de agua, las marcas de agua digitales se pueden dividir en marcas de agua de texto plano y marcas de agua ciegas. La marca de agua de texto sin formato requiere datos originales durante el proceso de detección, mientras que la detección ciega de marca de agua solo requiere la clave y no requiere datos originales. En general, las marcas de agua en texto plano son sólidas, pero su aplicación está limitada por los costos de almacenamiento. La mayoría de las marcas de agua digitales que se estudian actualmente en los círculos académicos son marcas de agua ciegas.
-4. Dividir por contenido
Según el contenido de las marcas de agua digitales, las marcas de agua se pueden dividir en marcas de agua significativas y marcas de agua sin sentido. Una marca de agua significativa significa que la marca de agua en sí misma es también una codificación de una imagen digital (como una imagen de marca registrada) o un clip de audio digital; una marca de agua sin significado solo corresponde a un número de serie. La ventaja de las marcas de agua significativas es que si la marca de agua decodificada se destruye debido a un ataque u otras razones, las personas aún pueden confirmar la presencia de la marca de agua mediante observación visual.
Pero para las marcas de agua sin sentido, si hay algunos errores de símbolo en la secuencia de la marca de agua decodificada, solo podemos determinar si la señal contiene una marca de agua mediante un juicio estadístico.
-5. Según el propósito
-Los diferentes requisitos de aplicación producen diferentes tecnologías de marca de agua. Según el propósito de la marca de agua, las marcas de agua digitales se pueden dividir en marcas de agua antifalsificación de boletos, marcas de agua de protección de derechos de autor, marcas de agua de recordatorio de manipulación y marcas de agua de identificación oculta.
La marca de agua antifalsificación de billetes es una marca de agua especial que se utiliza principalmente para la lucha contra la falsificación de billetes impresos, billetes electrónicos y diversos documentos. En términos generales, es imposible que el fabricante de moneda falsificada realice demasiadas modificaciones en la imagen del billete, por lo que no se consideran operaciones de edición de señales como la transformación de escala. Pero, por otro lado, la gente debe tener en cuenta la situación de los billetes dañados y los patrones borrosos. Teniendo en cuenta los requisitos de detección rápida, el algoritmo de marca de agua digital utilizado para la lucha contra la falsificación de billetes no puede ser demasiado complicado.
La marca de agua con marca de copyright es actualmente el tipo de marca de agua digital más estudiado. Las obras digitales son tanto mercancías como obras intelectuales. Esta dualidad determina que las marcas de agua con derechos de autor enfatizan principalmente el ocultamiento y la solidez, al tiempo que requieren relativamente pocos datos.
La marca de agua de advertencia de manipulación es una marca de agua frágil cuyo propósito es identificar la integridad y autenticidad de la señal del archivo original.
-El propósito de la marca de agua de identificación encubierta es ocultar marcas importantes de datos confidenciales y restringir el uso de datos confidenciales por parte de usuarios ilegales.
-6. Muestra información de la marca de agua según la posición oculta de la marca de agua.
Según la posición oculta de las marcas de agua digitales, podemos dividirlas en marcas de agua digitales en el dominio del tiempo (espacio), marcas de agua digitales en el dominio de la frecuencia, marcas de agua digitales en el dominio del tiempo/frecuencia y marcas de agua digitales en el dominio del tiempo/escala.
La marca de agua digital en el dominio del tiempo (espacio) superpone directamente la información de la marca de agua en el espacio de la señal, mientras que la marca de agua digital en el dominio de la frecuencia, la marca de agua digital en el dominio de tiempo/frecuencia y la marca de agua digital en el dominio de tiempo/escala están en la transformada DCT. dominio y tiempo respectivamente. /Ocultar marca de agua en el dominio de transformación de frecuencia y en el dominio de transformación wavelet.
Con el desarrollo de la tecnología de marcas de agua digitales, surgen infinitamente varios algoritmos de marcas de agua, y la posición oculta de la marca de agua ya no se limita a los cuatro anteriores. Cabe decir que siempre que se forme una transformación de señal, es posible ocultar la marca de agua en su espacio de transformación.
Algoritmo típico de marca de agua digital
En los últimos años, la investigación sobre la tecnología de marca de agua digital ha logrado grandes avances. A continuación se analizan algunos algoritmos típicos. A menos que se indique lo contrario, estos algoritmos son principalmente para datos de imágenes (algunos algoritmos también son aplicables a datos de vídeo y audio).
-El algoritmo de marca de agua típico en este tipo de algoritmo es incrustar información en los bits menos significativos (LSB) de puntos de imagen seleccionados al azar, lo que puede garantizar que la marca de agua incrustada sea invisible. Sin embargo, debido al uso de píxeles sin importancia en la imagen, el algoritmo es menos robusto y la información de la marca de agua se destruye fácilmente mediante filtrado, cuantificación de la imagen y deformación geométrica. Otro método común es utilizar las propiedades estadísticas de los píxeles para incrustar información en el valor de brillo del píxel.
- El algoritmo Patchwork selecciona aleatoriamente n pares de puntos de píxeles (ai, bi), luego suma 1 al valor de brillo de cada punto ai y resta 1 del valor de brillo de cada punto bi, de modo que toda la El brillo promedio de la imagen permanece sin cambios. Al ajustar adecuadamente los parámetros, el método Patchwork puede resistir la compresión JPEG, el filtrado FIR y el recorte de imágenes, pero la cantidad de información incorporada en este método es limitada. Para incrustar más información de marca de agua, podemos dividir la imagen en bloques y luego incrustar cada bloque de imagen.
-Algoritmo de transformación de dominio En este tipo de algoritmo, la mayoría de los algoritmos de marcas de agua utilizan tecnología de comunicación de espectro extendido. Este algoritmo calcula la transformada de coseno discreta (DCT) de la imagen y luego superpone la marca de agua en los k coeficientes superiores con la mayor amplitud en el dominio DCT (excluyendo el componente DC), que suele ser el componente de baja frecuencia de la imagen. . Si los k componentes más grandes de los coeficientes DCT se expresan como D={ di}, i=1,...,k, la marca de agua es una secuencia aleatoria de números reales que obedece a la distribución gaussiana, W ={ wi}, i=1 ,... .,k, entonces el algoritmo de incrustación de marca de agua es di = di(1+awi). Luego use los nuevos coeficientes para realizar una transformación inversa para obtener la imagen de marca de agua I. La función de decodificación calcula la transformada de coseno discreta de la imagen original I y la imagen con marca de agua I* respectivamente, extrae la marca de agua incrustada W* y luego realiza una prueba relevante para determinar si la marca de agua existe. Este método aún puede extraer copias confiables de marcas de agua incluso cuando la imagen de la marca de agua se deforma significativamente después de algunas operaciones de procesamiento de señal y deformación geométrica general.
Una mejora simple es incrustar la marca de agua en el componente de frecuencia media del dominio DCT en lugar del componente de baja frecuencia para ajustar la contradicción entre la robustez y la invisibilidad de la marca de agua. Además, los datos del dominio espacial de las imágenes digitales se pueden convertir en los correspondientes coeficientes del dominio de la frecuencia mediante la transformada discreta de Fourier (DFT) o la transformada wavelet discreta (DWT). En segundo lugar, realizar una codificación o deformación adecuada según el tipo de información a ocultar; en tercer lugar, seleccionar algún tipo de secuencia de coeficientes en el dominio de la frecuencia (como alta frecuencia, media frecuencia o baja frecuencia) según el tamaño de la información oculta y su correspondiente. objetivo de seguridad Tercero, determinar ciertas reglas o algoritmos y modificar la secuencia de coeficientes del dominio de frecuencia previamente seleccionada con los datos correspondientes de la información a ocultar; finalmente, transformar los coeficientes del dominio de frecuencia de la imagen digital en datos del dominio espacial a través de la inversa correspondiente; transformación. Este tipo de algoritmo es relativamente complejo para ocultar y extraer información, y la cantidad de información oculta no puede ser muy grande, pero tiene fuertes capacidades antiataques y es muy adecuado para la tecnología de marcas de agua digitales para la protección de derechos de autor de obras digitales.
-Algoritmo de dominio de compresión El sistema de marca de agua digital de dominio de compresión basado en los estándares JPEG y MPEG no solo ahorra una gran cantidad de decodificación y recodificación completa, sino que también tiene grandes ventajas en la transmisión de TV digital y VOD (video en demanda). Valor práctico. Por lo tanto, la detección y extracción de marcas de agua también se puede realizar directamente en datos de dominio comprimidos. Este artículo presenta un esquema de marca de agua digital adecuado para flujos de datos de vídeo comprimidos MPEG-2. Aunque la sintaxis del flujo de datos MPEG-2 permite agregar datos del usuario al flujo de datos, este esquema no es adecuado para la tecnología de marca de agua digital, porque los datos del usuario pueden simplemente eliminarse del flujo de datos y, al mismo tiempo, el usuario se agregan datos al MPEG-2. El aumento de la tasa de bits en el flujo de datos de video codificado lo hace inadecuado para aplicaciones de ancho de banda fijo, por lo que la clave es cómo agregar la señal de marca de agua a la señal de datos, es decir, al flujo de datos que representa los fotogramas de video. . Para el flujo de datos MPEG-2 de entrada, se puede dividir en tres partes: información de encabezado, vector de movimiento (para compensación de movimiento) y bloque de señal codificada DCT. En este esquema, sólo se cambia la última parte del flujo de datos MPEG-2. El principio es: primero, decodificar y cuantificar inversamente cada código Huffman de entrada en el bloque de datos codificado DCT para obtener los coeficientes DCT del bloque de datos actual; en segundo lugar, agregar los coeficientes de transformación de los bloques de señal de marca de agua correspondientes para obtener la superposición de marca de agua. Luego se cuantifican los coeficientes DCT y se codifica nuevamente Huffman. Finalmente, el número de bits n1 de la nueva palabra clave de Huffman se compara con la palabra clave original n0 sin coeficientes de marca de agua. Solo cuando n1 no es mayor que n0, se puede transmitir la palabra de código de marca de agua; de lo contrario, se puede transmitir la palabra de código original para garantizar que la velocidad de código del flujo de datos de video no aumente. Este método tiene un problema que vale la pena considerar, es decir, la introducción de la señal de marca de agua es una señal de error que causa degradación, y el esquema de codificación basado en compensación de movimiento se propagará y acumulará un error. Para resolver este problema, el algoritmo adopta un esquema de compensación de deriva para compensar la distorsión visual causada por la introducción de señales de marcas de agua.
- Algoritmo NEC Este algoritmo fue propuesto por Cox et al del Laboratorio NEC y ocupa una posición importante en los algoritmos de marcas de agua digitales. El método de implementación es: primero, use la clave como semilla para generar una secuencia pseudoaleatoria, que tiene una distribución gaussiana n (0, 1). La clave generalmente se compone del código de identificación del autor y el valor hash de la imagen. en segundo lugar, realice DCT en la imagen y finalmente utilice una secuencia gaussiana pseudoaleatoria para modular (superponer) la imagen. El algoritmo es muy robusto, seguro y transparente. Debido a la clave especial, se pueden prevenir los ataques de IBM. El algoritmo también propone un principio importante para mejorar la solidez de la marca de agua y el algoritmo antiataque, es decir, la señal de la marca de agua debe estar incrustada en la parte más importante de la fuente. datos y consisten en secuencias de números reales aleatorias independientes e idénticamente distribuidas, la secuencia de números reales debe tener las características de la distribución gaussiana n (0, 1).
-Algoritmo del modelo fisiológico El modelo fisiológico humano incluye HVS (HumanVisualSystem, HVS) y el sistema auditivo humano (Human audition system, HAS). Este modelo se puede utilizar no sólo en sistemas de compresión de datos multimedia, sino también en sistemas de marcas de agua digitales. La idea básica de utilizar el modelo visual es utilizar la descripción JND (Just Noticeable Difference) derivada del modelo visual para determinar la intensidad máxima de la señal de marca de agua digital que puede tolerar cada parte de la imagen, evitando así daños. a la calidad visual. Es decir, se utiliza un modelo visual para determinar la máscara de modulación asociada con la imagen, que luego se usa para incrustar la marca de agua. Este método tiene buena transparencia y robustez.
Campos de aplicación de las marcas de agua digitales
Con el desarrollo de la tecnología de marcas de agua digitales, los campos de aplicación de las marcas de agua digitales también se están expandiendo.
Las áreas de aplicación básicas de las marcas de agua digitales son la protección de derechos de autor, la identificación oculta, la autenticación y la comunicación invisible segura.
Cuando se utilizan marcas de agua digitales para la protección de derechos de autor, los mercados potenciales de aplicaciones se encuentran en el comercio electrónico, la distribución en línea o fuera de línea de contenido multimedia y los servicios de transmisión a gran escala. Cuando se utilizan marcas de agua digitales para ocultar señales, se pueden aplicar en campos como la medicina, la cartografía, las imágenes digitales, la vigilancia de imágenes digitales, la indexación multimedia y la recuperación basada en contenidos. En la autenticación de marcas de agua digitales, la comunicación invisible segura de marcas de agua digitales en tarjetas de identificación, tarjetas de crédito y tarjetas de cajero automático se utilizará ampliamente en los departamentos de defensa e inteligencia. El rápido desarrollo de la tecnología multimedia y la popularización de Internet han generado una serie de problemas políticos, económicos, militares y culturales, y han creado muchos nuevos focos de investigación. Los siguientes temas que han atraído una amplia atención constituyen los antecedentes de la investigación de las marcas de agua digitales.
-1. Protección de la propiedad intelectual de las obras digitales
La protección de los derechos de autor de las obras digitales (como arte informático, imágenes escaneadas, música digital, vídeos y animaciones tridimensionales) está actualmente vigente. un tema candente. Debido a que es tan fácil copiar y modificar una obra digital y hacer que se vea exactamente como el original, el creador original tiene que utilizar métodos que dañan gravemente la calidad de la obra para agregar marcas de derechos de autor, y dichas marcas visibles pueden ser fácilmente alteradas. .
——La "marca de agua digital" utiliza el principio de ocultación de datos para hacer que la marca de derechos de autor sea invisible o inaudible, lo que no daña el trabajo original pero también logra el propósito de protección de derechos de autor. En la actualidad, la tecnología de marcas de agua digitales para la protección de derechos de autor ha entrado en la etapa práctica preliminar. IBM ya ofrece la funcionalidad de marcas de agua digitales en su software "Biblioteca Digital", y Adobe ha integrado el complemento de marcas de agua digitales de Digimarc en su famoso software Photoshop. Pero, para ser honesto, la tecnología de los productos de marca de agua digitales que se encuentran actualmente en el mercado no está madura y puede dañarse o agrietarse fácilmente. Todavía queda un largo camino por recorrer antes de que sea realmente práctica.
-2. Antifalsificación de billetes en transacciones comerciales
Con el desarrollo de dispositivos de entrada/salida de imágenes de alta calidad, especialmente impresoras de inyección de tinta en color, láser y máquinas de alta precisión con un precisión superior a 1200 ppp La llegada de las fotocopiadoras en color facilitó la falsificación de moneda, cheques y otros documentos.
Por otro lado, en el proceso de transformación del negocio tradicional en comercio electrónico, aparecerá una gran cantidad de documentos electrónicos excesivos, como imágenes escaneadas de diversos recibos en papel. Incluso después de que la tecnología de seguridad de la red madure, varios boletos electrónicos todavía requieren algunos métodos de autenticación sin contraseña. La tecnología de marcas de agua digitales puede proporcionar marcas de autenticación invisibles para varios billetes, lo que aumenta considerablemente la dificultad de la falsificación.
-3. Identificación de autenticidad del documento
-La tecnología de ocultación de información se puede utilizar ampliamente. Como documento, todo el mundo necesita más de un documento que pueda acreditar la identidad personal: DNI, pasaporte, permiso de conducir, pase, etc. Las pruebas de determinadas habilidades incluyen: diversos certificados académicos, certificados de calificación, etc.
Actualmente, China se enfrenta a enormes oportunidades de negocio en el campo de la lucha contra la falsificación de documentos. Debido a la falta de medidas eficaces, "tomar medidas enérgicas contra los productos falsificados", "comprar productos falsificados" y "utilizar productos falsificados" se han convertido en la norma, lo que interfiere gravemente con el orden económico normal y causa un impacto negativo en la imagen del país. La autenticidad del certificado se puede confirmar mediante tecnología de marca de agua, lo que hace que el certificado sea imposible de copiar y copiar.
-4. Consejos de identificación oculta y manipulación de datos audiovisuales
-La información de identificación de los datos suele ser más confidencial que los datos en sí, como la fecha de grabación y la longitud. y latitud de las imágenes de teledetección, etc. A veces, los datos sin información de identificación ni siquiera se pueden utilizar, pero anotar esta información importante directamente en el documento original puede resultar peligroso. La tecnología de marca de agua digital proporciona una forma de ocultar su logotipo. La información del logotipo no se puede ver en el archivo original y solo se puede leer a través de un programa de lectura especializado. Este método ha sido adoptado por algunas bases de datos públicas extranjeras de imágenes de teledetección.
-Además, las indicaciones sobre manipulación de datos también son una tarea muy importante. La tecnología de mosaico y empalme de señales existente puede lograr "injertos" sin que se sepa, por lo que cómo prevenir ataques de manipulación de datos de imágenes, audio y video es un tema de investigación importante. Los avisos de manipulación basados en marcas de agua digitales son una forma técnica ideal de resolver este problema. Al ocultar el estado de la marca de agua, se puede determinar si la señal audiovisual ha sido manipulada.
-5. Comunicación encubierta y sus contramedidas
La tecnología de ocultación de información en la que se basan las marcas de agua digitales no solo proporciona un método de seguridad no criptográfico, sino que también desencadena una guerra de información, especialmente inteligencia de red. Una revolución en la guerra ha producido una serie de métodos de combate novedosos que han atraído la atención de muchos países.
La guerra de inteligencia en red es una parte importante de la guerra de información y su contenido principal es el uso de redes públicas para transmitir datos confidenciales. Hasta ahora, la investigación académica en esta área no ha logrado romper con el modelo de pensamiento del "cifrado de archivos". Sin embargo, los archivos cifrados suelen ser confusos y atraen fácilmente la atención de los atacantes. Con la aplicación generalizada de la tecnología multimedia de red, el uso de redes públicas para una comunicación segura se ha convertido en una nueva idea. Al utilizar la redundancia de señales audiovisuales digitales relativas a la visión y el oído humanos, la información se puede ocultar en varios dominios de tiempo (espacio) y transformación, logrando así una comunicación encubierta.