數(shù)字水印和數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護

PAGEPAGE436數(shù)字水印和數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護國家自然科學(xué)基金重點項目(70031020).摘要全球迅猛發(fā)展的Internet網(wǎng)絡(luò)給世界經(jīng)濟帶來了新的商機，數(shù)字技術(shù)提供了與原作品同樣精美的復(fù)制品，但同時使得數(shù)字媒體的版權(quán)保護問題日益突出。本文介紹了最新的多媒體版權(quán)保護技術(shù)－數(shù)字水印的概念，在闡述數(shù)字水印的分類和特性的基礎(chǔ)上，提出了以數(shù)字水印為基礎(chǔ)的數(shù)字作品版權(quán)保護系統(tǒng)，并研究了數(shù)字水印系統(tǒng)的處理框架和數(shù)字水印算法。最后對數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞數(shù)字水印數(shù)字產(chǎn)品保護版權(quán)保護系統(tǒng)1引言隨著多媒體技術(shù)和數(shù)字傳輸?shù)难该桶l(fā)展，因特網(wǎng)和CD-ROM上的數(shù)字媒體應(yīng)用正在呈爆炸式的增長。數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)可以對數(shù)字媒體（數(shù)字聲音、文本、圖像和視頻）的原版進(jìn)行無限制的任意編輯、修改、拷貝和散布，造成數(shù)字媒體作品的原創(chuàng)者巨大的經(jīng)濟損失，并對數(shù)字媒體的安全權(quán)限提出了挑戰(zhàn)，促使數(shù)字媒體的知識產(chǎn)權(quán)保護和信息安全問題日益突出，并已成為數(shù)字世界的一個非常重要和緊迫的議題。目前的信息安全技術(shù)基本上以密碼學(xué)理論為基礎(chǔ)的，采用的傳統(tǒng)方法是將文件加密成密文的密鑰系統(tǒng)或公鑰系統(tǒng)，提高加密、解密系統(tǒng)密級的方法是不斷增加密鑰的長度。據(jù)報道：56bit長密鑰的DES可在20多小時內(nèi)攻破，因而這種方法在實際中變得越來越不安全[1]。另外這種將文件加密成密文的方法，在將密文解開后就失去了保密意義；加密的密文還容易引起許多好事者的興趣，觸發(fā)他們積極破譯的激情。數(shù)字簽名技術(shù)是一種較新的技術(shù)。已用于檢驗短信息的正式可靠性，雖然數(shù)字簽名的標(biāo)準(zhǔn)已被許多國家采納，可以通過私有密鑰對數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)行簽名，檢測算法可用來檢測產(chǎn)品的內(nèi)容是否符合相應(yīng)的簽名，但因?qū)Χ嗝襟w中需要大量的簽名，因而對多媒體保護的不適用也不方便。由此可見目前的保密方法在當(dāng)今廣泛應(yīng)用的Internet多媒體信息安全中難以起到全面保障的作用。數(shù)字水印技術(shù)是九十年代中期信息安全領(lǐng)域的一個新方向。它是指用信號處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的水印標(biāo)記，并使人的感知系統(tǒng)察覺不出來，隱藏的水印標(biāo)記只有通過專用的檢測器才能提取出來的一種最新的多媒體保密技術(shù)。數(shù)字水印技術(shù)源于是在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保護多媒體版權(quán)的新型技術(shù)，它可驗證數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)擁有者、識別銷售商、購買者或提供關(guān)于數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容的其他附加信息，并將這些信息以人眼不可見的形式嵌入在數(shù)字圖像或視頻序列中，用于確認(rèn)數(shù)字產(chǎn)品的所有權(quán)和跟蹤侵權(quán)行為。除此之外，它在證據(jù)篡改鑒定，數(shù)據(jù)的分級訪問，數(shù)據(jù)產(chǎn)品的跟蹤和檢測，商業(yè)視頻廣播和因特網(wǎng)數(shù)字媒體的服務(wù)付費，電子商務(wù)的認(rèn)證鑒定，商務(wù)活動中的票據(jù)防偽等方面也具有十分廣闊的應(yīng)用前景。自93年尤其是95/96年以來引起工業(yè)界的濃厚興趣，已成為國際上非?；钴S的研究領(lǐng)域[2][3][4]。2數(shù)字水印的分類和基本特性2.1數(shù)字水印技術(shù)從不同的角度分類(1)按作用劃分：按作用可劃分為魯棒性水印和脆弱性水印。前者主要應(yīng)用于數(shù)字作品中標(biāo)志著作版權(quán)信息，需要嵌入的水印能夠抵抗常見的編輯處理、圖象處理和有損壓縮，在歷經(jīng)有意或無意攻擊后水印不被破壞，仍能檢測出來提供認(rèn)證。后者主要用于完整性保護，判斷多媒體信號是否被篡改，對于篡改處能自動標(biāo)記出來，它需要抵抗常見的有損壓縮如JPEG、JPEG2000和噪聲等。(2)按載體分： 按水印的載體可將水印分為圖像水印、視頻水印、音頻水印、文本水印和圖形水印等。圖像水印指靜止圖像中加入水印，用于圖像數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)上圖片發(fā)布等。視頻水印主要在視頻流中加入數(shù)字水印，從而控制視頻的應(yīng)用，如DVD的控制存取，數(shù)字廣播的控制等。文本水印指在在PDF、DOC等文本文件中加入水印，防止對文本文件的修改。圖形水印指在計算機生成的二維或三維圖形中嵌入水印，以表明版權(quán)。(3)按檢測分：在檢測過程中需原數(shù)據(jù)的技術(shù)稱為明水印，其魯棒性較強，但實用中受到一定的限制。無須原數(shù)據(jù)的檢測技術(shù)稱為盲水印，此種水印技術(shù)應(yīng)用較廣，尤其針對無法獲得原圖象的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但對水印技術(shù)的技術(shù)要求較高。(4)按內(nèi)容分：有意義水印是指水印是可視圖象，可為二值圖像或灰度圖像，其特點為如水印經(jīng)過攻擊受損后人們?nèi)钥蓮囊曈X觀察判斷。無意義水印為隨機碼，通過統(tǒng)計決策來確定信號中是否有水印。(5)按用途分：分為版權(quán)保護水印、篡改提示水印、票據(jù)防偽水印、隱蔽標(biāo)識水印。版權(quán)保護水印是在圖像加入水印后，圖像的擁有者希望他人看到圖像水印的標(biāo)記，并進(jìn)行商業(yè)性的使用，在經(jīng)過各種有意攻擊與無意編輯處理后水印仍然存在，如果水印遭到破壞難以檢測，則版權(quán)保護失敗。篡改提示水印利用加在圖像中的水印來保護圖像內(nèi)容的完整性，對篡改的內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)注提示，并且需要抵抗有損壓縮等網(wǎng)上常見的傳輸格式。票據(jù)防偽水印是加在紙質(zhì)票據(jù)的數(shù)字生成過程中，歷經(jīng)印刷、打印、掃描過程后人能將水印檢測出來，需要防止的是復(fù)制后水印不再存在。隱蔽標(biāo)識水印是在圖像中加入注釋信息，對圖像進(jìn)行說明和作者簡介等，不占帶寬，要求隱藏的數(shù)據(jù)量較大。2.2數(shù)字水印的基本特性數(shù)字水印應(yīng)用在數(shù)字作品的版權(quán)保護中必須滿足以下基本條件：(1)圖像在加入水印后不能改變圖像的視覺效果，水印在通常的視覺條件下不可見。(2)加過水印的圖像通過普通的圖像處理技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)壓縮后水印仍保持在圖像之中并能被檢測出來。(3)未經(jīng)授權(quán)者不能偽造水印或檢測出水印。(4)水印的圖像在經(jīng)受印刷、打印、掃描等模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換后仍能檢測出水印。3基于數(shù)字水印的數(shù)字作品保護系統(tǒng)3.1數(shù)字產(chǎn)品的銷售模型在網(wǎng)絡(luò)時代，數(shù)字作品的銷售過程也是相當(dāng)復(fù)雜的，我們僅將相關(guān)的過程簡化為以下的模型，見圖1。作品的原創(chuàng)作者通過銷售商經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如Internet網(wǎng)）向用戶進(jìn)行銷售。在網(wǎng)絡(luò)傳送過程中，盜版者可以通過現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖像處理技術(shù)復(fù)制與原作品同樣的拷貝，或者進(jìn)行篡改后發(fā)送給顧客，作為購買者不能保障得到真實的原創(chuàng)作品，作為創(chuàng)作者和銷售商，他們將蒙受巨大的經(jīng)濟損失。購買者原創(chuàng)者的作品的作品購買者原創(chuàng)者的作品的作品銷售商INTERNET銷售商INTERNET網(wǎng)絡(luò)盜版或篡改盜版或篡改圖1數(shù)字產(chǎn)品的銷售模型3.2基于數(shù)字水印的數(shù)字作品版權(quán)保護模型我們針對數(shù)字作品的創(chuàng)作和銷售模型，考慮到從原創(chuàng)者、銷售商到購買者之間的權(quán)益關(guān)系，以及防止盜版的各種途徑，提出基于數(shù)字水印的數(shù)字作品保護模型，見圖2。Key2Key1Key1+PIN1Key1+PIN2Key(WR)+PIN3AWRMDACAWAW1Watermarking1AW2Watermarking2AW3Watermarking3圖2基于數(shù)字水印的數(shù)字作品版權(quán)保護系統(tǒng)設(shè)A為數(shù)字作品的創(chuàng)作者，WR為版權(quán)登記認(rèn)證中心，A創(chuàng)作出數(shù)字作品后，向WR進(jìn)行作品登記，然后選擇一個A個人用的私鑰K1向期望保護的數(shù)字作品AW嵌入含有A標(biāo)志(PIN1)的第一個數(shù)字水印watermarking1，再將加過水印的數(shù)字作品AW1傳一份備份給WR的數(shù)據(jù)庫中，K1由A的口令產(chǎn)生，具有唯一性。當(dāng)A決定將其數(shù)字作品授權(quán)給數(shù)字媒體銷售商MD,讓MD銷售其作品的復(fù)制品即拷貝時，A需要將MD的標(biāo)志（如PIN2）結(jié)合私鑰key1對數(shù)字作品嵌入第二個數(shù)字水印Watermarking2，以表示對MD的授權(quán)和認(rèn)可。MD得到加有兩個數(shù)字水印標(biāo)志的數(shù)字作品，并也可以用A的公鑰key2驗證A確實在其作品的拷貝中加入了MD的標(biāo)志,即Watermarking2。MD作為A的作品銷售商，可以應(yīng)用檢測水印的軟件，驗證第二個水印的內(nèi)容和第一個水印的內(nèi)容，但MD并不感興趣破壞水印的內(nèi)容，因為這將破壞他的利益。授權(quán)的MD將作品售給授權(quán)用戶AC，為證明AC經(jīng)過授權(quán)，為正版用戶，MD用WR的私鑰KEY(WR)和AC的標(biāo)志（PIN3）對作品嵌入第三個水印Watermarking3，并將此信息通知WR，WR發(fā)給MD一個證書，給A增加一份收益。在此過程中WR充當(dāng)認(rèn)證中心的作用。由此模型可以看出，其中涉及到的水印處理系統(tǒng)有三個，前兩個系統(tǒng)為私鑰加密，公鑰解密，是非對稱的水印處理系統(tǒng)。作后一個系統(tǒng)是對稱水印處理系統(tǒng)，只有WR才可以驗證其內(nèi)容。4數(shù)字水印系統(tǒng)的處理框架數(shù)字水印處理系統(tǒng)可用以下的函數(shù)來表示W(wǎng)S(A,W,K,E,D)其中A表示要保護的多媒體作品；K表示水印密鑰；W表示水印，數(shù)字水印的產(chǎn)生一般為偽隨機數(shù)等，W=W(K,A)；E表示水印的嵌入算法，水印嵌入即為將水印嵌入到原始數(shù)字作品中，通式表示：E：W'=E(A,W)通常的算法為：I(i)表示數(shù)字媒體幅值或變換系數(shù)，W(i)為水印，α(i)為強度系數(shù)。D表示數(shù)字水印的檢測算法。D：H(D(K,W'))，W'為嵌入水印后的圖像，檢測算法通常為相關(guān)檢測，H表示經(jīng)過檢測算法后的決策結(jié)果，如H為1則表示有水印，如H為0，則表示無水印。我們結(jié)合實際應(yīng)用及水印攻擊模型已經(jīng)提出了幾種數(shù)字水印算法。針對靜止圖像的水印方法可針對灰度圖像、彩色圖像嵌入可視圖像水印并可以抵抗普通的圖象處理操作；視頻水印方面研究了針對基于幀的MPEG2解碼或碼流進(jìn)行水印的加入和檢測；并研究了基于對象的MPEG4視頻流水印算法；音頻方面研究了MP3的水印算法。5結(jié)論數(shù)字水印是一個相當(dāng)新的技術(shù)，隨著電子商務(wù)的加速