基于數(shù)字水印的多媒體教學(xué)資源保護(hù)

王 冰

(海南廣播電視大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室，海南?？?70208)

引 言

隨著信息技術(shù)和多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，以音頻、視頻、電子課件為主要形式的多媒體教學(xué)資源，得到了廣泛的普及應(yīng)用，人們可以很容易地從網(wǎng)站中得到并任意復(fù)制和傳播，雖然這給學(xué)習(xí)生活帶來了方便，但由于未經(jīng)教學(xué)資源版權(quán)所有者和創(chuàng)作者的允許，便隨意傳播和復(fù)制，造成了大量的盜版和侵權(quán)問題，侵犯了所有者的合法權(quán)益，容易引起糾紛。

在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，如何對(duì)多媒體教學(xué)資源進(jìn)行有效的版權(quán)保護(hù)，保護(hù)版權(quán)所有人的合法權(quán)益，成為一個(gè)迫在眉睫的問題。由于數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)是一個(gè)復(fù)雜的問題，涉及到法律、技術(shù)和管理等領(lǐng)域，僅靠法律和管理機(jī)構(gòu)是不夠的，實(shí)現(xiàn)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)還需要技術(shù)上提供強(qiáng)有力的支持和手段。

目前，數(shù)字版權(quán)保護(hù)的方法主要有兩類:一類是以數(shù)據(jù)加密為核心的DRM(數(shù)字版權(quán)管理)技術(shù)，另一類是數(shù)字水印技術(shù)。從技術(shù)上看，數(shù)字版權(quán)管理DRM技術(shù)的保護(hù)方法是采用加密的技術(shù)，通過對(duì)多媒體信息進(jìn)行加密后發(fā)布，它的原理是將明文信息變換成密文信息，沒有密鑰的人便不能訪問加密后的數(shù)字內(nèi)容，從而達(dá)到數(shù)字版權(quán)保護(hù)的目的。但是，由于加密技術(shù)只能局限于傳輸過程中的保護(hù)，而數(shù)據(jù)一旦被解密，內(nèi)容將不再受到保護(hù)，已經(jīng)解密的數(shù)字內(nèi)容就可以非法復(fù)制和傳播。

在這樣的背景下，數(shù)字水印(Digital Watermarking)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加密技術(shù)的不足。它的基本做法是:通過一定的算法在多媒體教學(xué)資源(圖像、音頻或視頻)中嵌入數(shù)字水印信息，在發(fā)生版權(quán)糾紛時(shí)，通過提取數(shù)字水印來判定版權(quán)歸屬，證明所有者的版權(quán)或作為盜版、侵權(quán)的證據(jù)。它不影響原有文件的可觀性和完整性，也不影響使用價(jià)值，通常是不可見或不可覺察的，只有經(jīng)過檢測(cè)或提取水印，才能鑒別出圖像、音頻和視頻數(shù)字作品所有者的版權(quán)。數(shù)字水印技術(shù)的產(chǎn)生，為數(shù)字作品的版權(quán)管理提供了一種新的解決途徑。

與傳統(tǒng)的加密技術(shù)相比，數(shù)字水印技術(shù)的不同之處在于它并不能直接阻止非法拷貝行為，但它可以通過驗(yàn)證產(chǎn)品的所有權(quán)來揭露盜版、監(jiān)視被保護(hù)數(shù)字內(nèi)容的傳播，以法律的手段對(duì)其進(jìn)行制裁，間接地打消盜版者非法復(fù)制的企圖，起到保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的作用[1]。

通過數(shù)字水印技術(shù)防止盜版和其他版權(quán)侵犯行為，最大限度地保護(hù)版權(quán)所有者和創(chuàng)作者的合法權(quán)益，同時(shí)，保證用戶能夠訪問、使用具有合法版權(quán)的數(shù)字作品內(nèi)容，并享有其應(yīng)得的利益。作為加密技術(shù)的補(bǔ)充方法，為數(shù)字作品的所有者和創(chuàng)造者提供了有效的保護(hù)手段。

一 數(shù)字水印技術(shù)概述

數(shù)字水印技術(shù)就是將一些標(biāo)識(shí)信息(如版權(quán)標(biāo)志、用戶序列號(hào)或產(chǎn)品信息)通過一定的算法嵌入到數(shù)字載體(圖像、音頻、視頻和文本)中，它利用了數(shù)字作品中的數(shù)據(jù)冗余和隨機(jī)性，不影響原載體的使用價(jià)值，通過隱藏在載體中的信息，來確認(rèn)版權(quán)所有者或判斷是否被篡改，從而起到數(shù)字版權(quán)保護(hù)的目的。

(一)數(shù)字水印的基本特征

根據(jù)數(shù)字水印的定義，以及版權(quán)保護(hù)的需要，數(shù)字水印應(yīng)具有以下特征:

1.隱蔽性:即嵌入數(shù)字水印后，不會(huì)引起主觀質(zhì)量的明顯下降，不易被察覺，非法攔截者無法判斷是否有隱藏信息。

2.安全性:嵌入的數(shù)字水印信息應(yīng)是安全的，不容易篡改或偽造，并且有較低的誤檢測(cè)率。

3.魯棒性(Robustness):經(jīng)過各種處理或攻擊(如壓縮、濾波、A/D與D/A轉(zhuǎn)換)具有抵抗性，即經(jīng)過上述處理后，水印仍存在。

(二)數(shù)字水印的關(guān)鍵技術(shù)

一個(gè)完整的水印系統(tǒng)由兩個(gè)基本模塊組成:水印嵌入模塊和水印檢測(cè)與提取模塊。水印嵌入模塊將水印信息嵌入原始文件中如圖一，水印檢測(cè)與提取模塊用來判斷某一數(shù)據(jù)文件是否含有指定的水印或?qū)⑺√崛〕鰜砣鐖D二。

圖一 數(shù)字水印信號(hào)嵌入

圖二 數(shù)字水印信號(hào)檢測(cè)

1.水印信號(hào)的生成

根據(jù)嵌入的需要，對(duì)數(shù)字水印進(jìn)行預(yù)處理，如編碼

壓縮、加密等，然后形成水印信號(hào);

2.水印信號(hào)的嵌入

采用某種嵌入水印的算法，在密鑰的控制下，將數(shù)字水印信號(hào)嵌入到要保護(hù)的數(shù)字內(nèi)容中，生成含水印的數(shù)字產(chǎn)品;

3.水印的提取和檢測(cè)

水印的提取指的是從含水印的數(shù)字產(chǎn)品中提取出水印信息，用于鑒別版權(quán)。為了給侵權(quán)者增加難度，目前，大多數(shù)水印制作都在嵌入和提取時(shí)，采用密鑰加密的方法，只有掌握密鑰的人才能解密，這樣就提高了安全性。

二 基于數(shù)字水印的多媒體教學(xué)資源保護(hù)策略

隨著信息技術(shù)和多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)資源在電大遠(yuǎn)程教育中得到了廣泛應(yīng)用，可以說，多媒體教學(xué)資源是學(xué)校教育信息化的基礎(chǔ)。隨著網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在遠(yuǎn)程教育中所占的比重逐漸增加，多媒體教學(xué)資源的數(shù)字版權(quán)保護(hù)日顯重要，成為遠(yuǎn)程教育中急需解決的問題。數(shù)字水印技術(shù)為多媒體教學(xué)資源的版權(quán)保護(hù)提供了較好的手段，它不損害原作品，又達(dá)到了版權(quán)保護(hù)的目的。因此，數(shù)字水印技術(shù)在多媒體教學(xué)資源的保護(hù)中發(fā)揮著越來越重要的作用。版權(quán)所有者可根據(jù)資源類型選擇相應(yīng)的水印技術(shù)，將版權(quán)信息作為水印嵌入數(shù)字作品中，這樣當(dāng)發(fā)生盜版或版權(quán)糾紛時(shí)，可提取出水印信號(hào)用以證明作品的版權(quán)。

在多媒體作品的版權(quán)保護(hù)中應(yīng)用數(shù)字水印技術(shù)，除了根據(jù)多媒體資源的類型采用相應(yīng)的基于圖像、音頻、視頻、文本的水印嵌入及提取算法外，還應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求，制定相應(yīng)的版權(quán)保護(hù)方案。

(一)版權(quán)保護(hù)方案

數(shù)字作品制作階段:在數(shù)字作品制作時(shí)，加入基于版權(quán)的信息，如嵌入數(shù)字水印信息[2]。

數(shù)字作品的傳輸階段:在傳輸過程中，以數(shù)字水印方式和加密方式相結(jié)合的手段保護(hù)數(shù)字版權(quán)。當(dāng)用戶下載后，可以進(jìn)行解密，但數(shù)字水印仍然保留。

數(shù)字作品發(fā)行階段:通過嵌入數(shù)字指紋的方式來追蹤和鑒別流通渠道，根據(jù)提取出的數(shù)字水印，辨別作品是否遭到商業(yè)性的非法拷貝，或是消費(fèi)者個(gè)人的非法復(fù)制。

數(shù)字作品的使用階段:用戶付費(fèi)后可瀏覽數(shù)字作品，也可方便地復(fù)制數(shù)字作品，或在權(quán)利范圍內(nèi)轉(zhuǎn)借，通過安全機(jī)制記錄其傳播渠道。

(二)視頻水印技術(shù)

目前，多媒體教學(xué)資源的主要形式有圖像、音頻、視頻、文本等，與此相對(duì)應(yīng)的水印技術(shù)分別為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印。視頻教學(xué)資源在教學(xué)中的使用越來越多，版權(quán)保護(hù)問題也顯得突出，下面主要描述的是視頻水印技術(shù)的基本思想與方法。

主要思路:在將視頻教學(xué)資源作為作品發(fā)布前，將版權(quán)信息作為水印嵌入到視頻教學(xué)資源中，當(dāng)發(fā)生盜版行為或版權(quán)糾紛時(shí)，通過從作品中提取水印來判定作品的歸屬。

(三)視頻水印嵌入

視頻水印的嵌入策略比圖像水印、文本水印、音頻水印的嵌入方法要復(fù)雜，目前，視頻數(shù)字水印的嵌入算法比較多，根據(jù)水印嵌入視頻流類型的不同，分為兩大類:原始視頻水印和壓縮視頻水印。原始視頻水印是對(duì)未經(jīng)壓縮的視頻嵌入水印，壓縮視頻水印是指在編碼壓縮后的碼流中直接嵌入水印信息，它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)引起視頻質(zhì)量的下降，不需要解碼和再編碼過程，但水印的嵌入量將受視頻壓縮碼率的限制。

(四)水印算法的選擇

在視頻教學(xué)資源中嵌入數(shù)字水印目的是為了教學(xué)資源的數(shù)字版權(quán)保護(hù)。因此，要求水印算法具有較好的魯棒性，現(xiàn)有的視頻水印算法大多具有較好的魯棒性。比如基于奇異分解和二維主元分析的視頻水印算法[3]，在文獻(xiàn)[4]中提出的視頻水印算法，是在視頻的離散余弦變換中，選取一定的特征塊，作為水印的嵌入點(diǎn)，而在提取水印時(shí)，通過由特征塊計(jì)算得到的同步塊來進(jìn)行視頻幀的幾何校準(zhǔn)，然后，通過提取特征塊將水印提取出來[5]。通過嵌入標(biāo)識(shí)視頻教學(xué)資源版權(quán)的水印信息，達(dá)到對(duì)視頻教學(xué)資源版權(quán)的保護(hù)和跟蹤，并且能夠在視頻教學(xué)資源被盜版或侵權(quán)后，提供證明版權(quán)歸屬的依據(jù)。

四 下一步研究工作展望

隨著視頻數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于水印算法的復(fù)雜度、水印的魯棒性和隱蔽性、隨機(jī)檢測(cè)性等問題，需要做進(jìn)一步研究，提高應(yīng)用水平。預(yù)計(jì)視頻水印技術(shù)研究的熱門研究方向?qū)⒂幸韵聨讉€(gè)方面:

(一)研究及設(shè)計(jì)快速算法將會(huì)是研究方向之一，提高算法的處理速度，降低算法運(yùn)算影響傳輸和存取的時(shí)間[6]。

(二)采用新的方法嵌入和提取水印。水印的魯棒性不僅與嵌入位置有關(guān)，也與算法的特點(diǎn)有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)新的算法是提高魯棒性的一個(gè)有效的辦法[6]。

(三)研究提高水印算法的實(shí)時(shí)性。由于視頻文件的數(shù)據(jù)量大，在應(yīng)用環(huán)境中實(shí)時(shí)處理時(shí)比較復(fù)雜。因此，如何提高水印算法的實(shí)時(shí)性將會(huì)是研究方向之一[7]。

(四)由于視頻水印算法容易受到幾何攻擊。因此，研究基于內(nèi)容的第二代水印方法，提高抗攻擊能力將是視頻水印研究的方向之一[7]。

(五)視頻編碼技術(shù)的不斷發(fā)展，新的視頻標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)出現(xiàn)，應(yīng)研究與新的視頻標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的水印算法。

結(jié) 語

近年來，數(shù)字水印技術(shù)作為數(shù)字版權(quán)管理的有效手段，越來越受到人們的重視，通過數(shù)字水印技術(shù)驗(yàn)證數(shù)字作品的的完整性，來源的可靠性，從而達(dá)到數(shù)字版權(quán)保護(hù)的目的，彌補(bǔ)了加密技術(shù)在數(shù)字版權(quán)管理中的不足。多媒體教學(xué)資源的數(shù)字版權(quán)保護(hù)是遠(yuǎn)程教育中亟待解決的突出問題，本文從數(shù)字作品版權(quán)權(quán)保護(hù)的現(xiàn)狀，引入數(shù)字水印技術(shù)，介紹了數(shù)字水印的定義、特征及關(guān)鍵技術(shù)，著重介紹了視頻數(shù)字水印技術(shù)。盡管目前的數(shù)字水印算法仍存在不足，但隨著研究的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字水印將成為音頻、視頻數(shù)字版權(quán)管理的重要手段。

[1]王冰.數(shù)字版權(quán)管理及應(yīng)用[J].中國(guó)數(shù)字電視，2006(6).

[2]王洋，牛曉太.基于數(shù)字水印技術(shù)的版權(quán)保護(hù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(9).

[3]張芙蓉，湯澤軍.基于數(shù)字水印的多媒體教學(xué)資源版權(quán)保護(hù)的研究[J].長(zhǎng)沙航空職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(12).

[4]錢莉，劉文予，張帆.一種基于DCT域特征塊的抗幾何攻擊的視頻水印[J].中國(guó)圖像圖形導(dǎo)報(bào)，2007(5).

[5]李旭東.基于數(shù)字水印的教學(xué)課件版權(quán)保護(hù)方案[J].軟件導(dǎo)刊·教育技術(shù)，2010(3).

[6]謝健全，陽春華.視頻數(shù)字水印技術(shù)研究綜述[J].湖南財(cái)經(jīng)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2006(8).

[7]張永華，馮文輝.視頻水印的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009(2).