现代许多应用与服务都是通过计算机网络提供的，这些服务包括：视频图像、电子数据交换、网上购物等。然而，在通过计算机网络提供这些服务时，存在很严重的问题：这些服务很难进行保护——通过网络传输的数据作品极易被非法复制，这使得有恶意的个人或团体可以随意复制和传播具有版权的内容，而并未得到版权所有者的许可。因此，如何既能充分利用互联网便利性，又能有效保护知识产权就成为一个迫在眉睫的现实问题。

于是，信息隐藏学（information hiding）应运而生。信息隐藏是集数学、密码学、信息论、概率论、计算复杂度理论和计算机网络以及其他计算机应用技术于一体的多学科交叉的研究课题。

信息隐藏技术

信息隐藏是把一个有意义的信息隐藏在另一个被称为载体（cover）的信息中得到隐蔽载体（stego cover）。

非法者不知道这个普通信息中是否隐藏了其他信息，而且即使知道也难以提取或去除隐藏的信息。所用的载体可以是文字、图像、音频以及视频等。为增加攻击的难度，也可以把加密与信息隐藏技术结合起来。

从广义上看，信息隐藏有多种含义：一是信息不可感知；二是信息的存在性隐蔽；三是信息的接收方和发送方隐蔽；四是传输的信道隐蔽等。信息隐藏就是将保密信息隐藏于另一非保密载体中，以不引起检查者的注意。广义上的信息隐藏技术包括隐写术、数字水印、数字指纹、隐蔽信道、阈下信道、低截获概率通信和匿名通信等。从狭义上看，信息隐藏就是将某一秘密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递秘密信息。

信息隐藏不同于传统的密码学技术。

密码技术主要是研究如何将信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式进行传递；而信息隐藏则主要研究将某一秘密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递秘密信息。对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可以通过截取密文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响信息的安全；但对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者则难以从公开信息中判断秘密信息是否存在，因而难以截获秘密信息，从而能保证信息的安全。

信息隐藏系统的一般模型

根据信息隐藏的应用可分为数字水印技术和数字隐写术（steganography）。

数字水印技术是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性，向数字作品中加入不易察觉但可以判定区分的秘密信息“水印”，从而起到保护数字作品版权或完整性的一种技术。数字隐写术是将秘密信息隐藏在正常的载体中进行传输而不被察觉，从而不会引起攻击者的怀疑，以达到安全地隐秘通信的目的。

数字隐写与传统的密码通信的最大区别在于隐蔽后的载体在外观上与普通载体基本相似，没有明显的迹象表明重要信息的存在，因此外人无法知道秘密通信的存在。对数字隐写的基本要求是要有极高的隐蔽性和足够的信息隐藏容量（capacity of information hiding），其中以隐蔽性为主要技术指标。

根据信息隐藏的不同目的和技术要求，信息隐藏技术存在以下特性或要求。

1. 安全性（security）  是指隐藏算法有较强的抗攻击能力，即必须能承受一定程度的人为攻击，而使隐藏信息不被破坏。隐藏的信息内容应是安全的，应经过某种加密后再隐藏；同时隐藏的具体位置也应是安全的，至少不会因格式变换而遭到破坏。

2. 鲁棒性（robustness）  是指不因图像文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。这里的“改动”包括传输过程中的信道噪声、滤波操作、重采样、有损编码压缩、D/A或A/D转换等。

3. 不可检测性（undetectability）  是指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。例如，具有一致的统计噪声分布，会使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。

4. 不可感知性（imperceptibility）或透明性（invisibility）  是指利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法看见或听见。

5.自恢复性（recovery）  是指经过操作或变换后，原图可能会产生较大的破坏，但依据留下的片段数据仍能恢复隐藏信号，且恢复过程不需要宿主信号。

6. 对称性  通常信息的隐藏和提取过程具有对称性，包括编码、加密方式，减少存取难度。

7. 可纠错性  为了保证隐藏信息的完整性，使其在经过各种操作和变换后仍能很好地恢复，通常采用纠错编码方法。

8. 嵌入强度（信息量）  是指载体中应能隐藏尽可能多的信息。

数字水印技术

提到水印，人们会联想到钞票中防伪的纸张水印（paper watermark）。数字水印的概念就是源于很早就出现的防伪纸张水印。纸张水印广泛应用于印刷品中，简单地说，就是在纸质纤维中嵌入的标志，用作鉴别、防伪等，如在纸币以及一些商业单据中印制的水印标记。

数字水印正是借用了传统的纸张水印的概念，将其在数字媒体中推广应用。

大部分学者认为，数字水印技术就是利用数学计算方法把具有可鉴别性的数字信息嵌入其他信息中的技术。所嵌入的信息称为水印信息，而被嵌入水印的信息称为宿主信息。宿主信息的可用性不受水印信息的影响，并且在需要时能够恢复出来。水印信息可以是图像、声音、文字、符号、数字等一切可作为标记、标志的信息，其存在以不破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。数字水印技术实际上是利用了数字产品的信息冗余性，把与多媒体内容相关或不相关的一些标志信息直接嵌入多媒体内容中，再通过计算机或专用检测器件把水印信号检测和提取出来。利用隐藏在多媒体内容中的水印信息，达到确认内容创建者、购买者，或者多媒体内容真实完整性的目的。

纵观目前大多数的数字水印方案可以发现，数字水印系统一般由两部分组成：水印嵌入系统和水印检测系统。

下图分别给出了水印的嵌入与检测过程，图中的虚线部分为可以不被包括的可选部分。

水印嵌入模型

水印检测模型

在水印嵌入系统中输入端为水印信息W、宿主数据I、可选的私/公钥K，其中私/公钥K可有可无，它用于增强系统的安全性。若水印是不可感知的，则只有拥有密钥的合法用户才能够正确提取或检测水印。水印可以是任何形式的，如序列号文本信息或图像标志。输出端为嵌入了水印信息后的数据I′。在水印检测系统中输入端为待检测的水印载体数据I′、水印信息W或宿主数据I、私/公钥K，其中私/公钥K及水印信息W或宿主数据I可根据具体算法决定是否需要。输出端则为提取出的水印W*或检测提取出的水印与原始水印相似程度的结果。

本文由刘四旦摘编自蒋天发著《数字水印技术及其应用》一书。

ISBN 978-7-03-045251-1

数字水印技术是近年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域，与信息安全等均有密切的关系，在媒体信息版权保护、真伪鉴别、隐蔽通信、监视非法复制和电子身份认证等方面具有重要的应用价值。《数字水印技术及其应用》内容包括：数字水印技术概述、小波变换及其在图像数字水印中的应用、二值图像数字水印技术、基于小波变换的二值图像盲数字水印算法及图像自适应水印算法、基于三维小波变换和人类视觉系统的视频水印算法、混沌理论及其在数字水印中的应用、基于混沌的二值图像数字水印算法、MPEG-2压缩标准和I帧的提取技术、基于I帧角点的MPEG-2视频水印算法、基于最佳置乱的自适应图像水印算法、基于量子计算理论图像水印算法的软件设计与功能实现、多功能图像数字水印软件著作权案例以及案例的部分源代码。书中总结了作者多年来在这一领域的研究成果和国内外同行的有关工作。

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