數(shù)字水印技術(shù)及其在版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用

厙 睿

（西安醫(yī)學(xué)院 圖書館，陜西 西安 710024）

隨著現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的信息交流方式有了很大的改變，多媒體數(shù)字信息憑借其方便和快捷的傳播方式越來越普及。人們借助PC 終端、手機(jī)終端、云終端等電子設(shè)備可以從互聯(lián)網(wǎng)輕而易舉的的獲得大量的數(shù)字化信息產(chǎn)品。而隨之產(chǎn)生的版權(quán)問題也日益嚴(yán)重，由于缺乏合適的保護(hù)機(jī)制，數(shù)字信息很容易被復(fù)制，篡改和轉(zhuǎn)發(fā)，侵害了版權(quán)所有人的合法利益，因而對(duì)于多媒體數(shù)字信息版權(quán)保護(hù)的研究越來越受到人們的重視。

1 數(shù)字水印的概念和分類

數(shù)字水印是信息隱藏中的重要技術(shù)之一。通常其定義可理解為：不被感知地在數(shù)字產(chǎn)品中嵌入信息的處理行為。數(shù)字水印技術(shù)和傳統(tǒng)的密碼學(xué)方法不同，它是依據(jù)信息隱藏的思想將重要的可認(rèn)證的信息嵌入到圖像、視頻、音頻及文本文件等數(shù)字多媒體的內(nèi)容中，成為難于感知的部分，但從表面上并不影響產(chǎn)品的可視性，而一旦需要，則可以從加了水印的產(chǎn)品中檢測(cè)出預(yù)先嵌入的信息，對(duì)產(chǎn)品的完整性以及版權(quán)進(jìn)行認(rèn)證和證明。

數(shù)字水印是嵌入在數(shù)字圖像、音頻以及視頻等媒體中的信號(hào)，可以鑒別產(chǎn)品的真?zhèn)位蛘邭w屬者。數(shù)字水印的分類方法有很多種，不同的角度會(huì)有不同的劃分，它們之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。最常見的分類方法包括以下幾種：

（1）按數(shù)字水印特性：可以劃分為魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印兩類。

（2）按數(shù)字水印所附載的媒體：可以劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印等。

（3）按數(shù)字水印檢測(cè)過程：可以劃分為明文水印和盲水印。

（4）按數(shù)字水印的用途：可以劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識(shí)水印。

（5）按數(shù)字水印隱藏的位置：可以劃分為時(shí)(空)域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時(shí)頻域數(shù)字水印和時(shí)間/尺度域數(shù)字水印。

（6）按水印的可見程度：可以劃分為可見水印和不可見水印兩種。

2 數(shù)字水印的廣泛應(yīng)用

數(shù)字水印技術(shù)未來的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)更加廣闊，該技術(shù)己經(jīng)引起工業(yè)界的濃厚興趣，并日益成為國(guó)際上非?；钴S的研究領(lǐng)域。主要有以下5 個(gè)領(lǐng)域：

（1）版權(quán)保護(hù)：這是數(shù)字水印的主要用途。在多媒體數(shù)字產(chǎn)品中加入代表版權(quán)信息的數(shù)字水印，可以在該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，從中獲取水印信號(hào)證實(shí)版權(quán)所有者，檢舉和起訴盜版者，從而保護(hù)所有者的權(quán)益。

（2）內(nèi)容認(rèn)證：用來認(rèn)證被保護(hù)作品內(nèi)容的真實(shí)性、完整性，其主要應(yīng)用領(lǐng)域有醫(yī)學(xué)圖像、指紋數(shù)據(jù)庫(kù)等。

（3）廣播監(jiān)控：通過識(shí)別嵌入的水印信息，記錄廣告作品是何時(shí)何地被廣播的，以用來保護(hù)廣告商和廣播商之間的利益。

（4）交易跟蹤：控制未授權(quán)的產(chǎn)品復(fù)制。

（5）設(shè)備控制：應(yīng)用水印技術(shù)的設(shè)備能夠檢測(cè)出待處理作品的水印信息，并做出相應(yīng)操作。

不同的應(yīng)用對(duì)數(shù)字水印的要求不盡相同，一般認(rèn)為數(shù)字水印應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

（1）可證明性：數(shù)字水印算法應(yīng)該能把所有者的相關(guān)信息完整的嵌入進(jìn)去，水印能為產(chǎn)品的歸屬提供可靠地依據(jù)。在需要的時(shí)候能夠完整的提取出水印信息。水印可以用來判別對(duì)象是否受到保護(hù)，并能夠監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播、真?zhèn)舞b別以及非法拷貝控制等。這實(shí)際上也是發(fā)展水印技術(shù)的基本功能。

（2）不可感知性：數(shù)字水印的存在不應(yīng)明顯干擾被保護(hù)的數(shù)據(jù)，不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用的情況下應(yīng)該在視覺和聽覺或者其它感官上不被感知，同時(shí)要求用統(tǒng)計(jì)方法也不能恢復(fù)水印。

（3）魯棒性：指經(jīng)過常規(guī)信號(hào)處理操作后能夠檢測(cè)出所嵌水印的能力。以圖像為例，常規(guī)操作包括濾波、有損壓縮、幾何形變等等，在經(jīng)過這些操作后，魯棒的水印算法應(yīng)仍能從水印圖像中提取出嵌入的水印并證明水印的存在。

3 數(shù)字水印典型算法

在過去10 多年的時(shí)間里，出現(xiàn)了很多數(shù)字水印算法，主要可以分為時(shí)/空間域方法和頻域算法。

時(shí)/空間域方法算法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)。早期的空間域方法主要是修改圖像的最低有效位(LSB)，也稱“最不顯著位”，最簡(jiǎn)單的做法是通過修改最低的兩個(gè)有效位來嵌入水印，隨后很多學(xué)者對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)，最典型算法是對(duì)載體數(shù)據(jù)區(qū)分奇數(shù)和偶數(shù)行，對(duì)奇數(shù)行和偶數(shù)行不同的最低位嵌入水?。换谥狈綀D特性的算法，這種算法是把直方圖和數(shù)字水印的技術(shù)結(jié)合起來，按照是否修改載體的直方圖可以分為兩種：修改載體圖像直方圖數(shù)字水印算法和保持原始直方圖的數(shù)字水印算法；預(yù)測(cè)編碼數(shù)字水印算法，1994年Matsui 提出了一種基于灰度圖像預(yù)測(cè)編碼的數(shù)字水印算法，掃描所有的圖像點(diǎn)用預(yù)測(cè)編碼進(jìn)行編碼，根據(jù)一張保密的對(duì)應(yīng)編碼表確定是否嵌入水印信息。時(shí)/空間域方法嵌入數(shù)據(jù)量可以很大，但明顯缺乏魯棒性。

頻域算法主要是使用了通信中的擴(kuò)頻技術(shù)，在數(shù)字水印技術(shù)中，把原始載體看成是通信信道，將水印信息看成是通過信道的信號(hào)，將水印信息嵌入到多個(gè)載體信息的頻域系數(shù)中去，破壞水印信息需要把很強(qiáng)的噪聲信息加入到載體信息的所有頻域當(dāng)中去，破壞水印的同時(shí)載體的質(zhì)量也嚴(yán)重下降。因此，頻域的數(shù)字水印算法具有很強(qiáng)的魯棒性和安全性。主要的算法有DCT 變換域方法，L.I.Cox 提出在圖像的敏感區(qū)域嵌入水印，把高斯偽隨機(jī)序列作為水印嵌入到除DC 系數(shù)以外的1000 個(gè)DCT 系數(shù)中，同時(shí)也有算法提出可以把圖像分成8*8 的分塊，改變其中若干塊的中間頻率的系數(shù)。Swanson 等提出利用空間掩蔽特性，計(jì)算每個(gè)DCT 系數(shù)允許改變的最大限度，確保水印的透明性。Zeng 等人提出了一個(gè)混合法，既修改全局DCT 變換的低頻系數(shù)，又在中間頻率的系數(shù)中嵌入一個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)。Barni 等人把感知模型精確到一個(gè)圖像小波系數(shù)，從而最大程度的提高了水印的能量；Wavelet變換域方法：Houng-Jyh Wang 等提出了在視覺重要的小波系數(shù)中嵌入水印的方法。算法按視覺重要性搜索系數(shù)，依次嵌入水印。量化水印：Eggers 和Girod 提出利用抖動(dòng)量化代替壓縮算法中的量化，結(jié)合JPEG 壓縮過程，提出了一種私有的指紋水印算法。頻域數(shù)字水印方法具有抗信號(hào)處理和抗攻擊力較強(qiáng)的魯棒性及隱蔽性。

4 數(shù)字水印技術(shù)及其在版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用

數(shù)字水印方案一般包括三個(gè)步驟：水印的生成、水印的嵌入和水印的提出檢測(cè)是否存在。圖1 展示了水印的嵌入過程。該系統(tǒng)的輸入是水印信息、原始載體數(shù)據(jù)和一個(gè)可選的私鑰/公鑰。其中水印信息可以是任何形式的數(shù)據(jù)，如隨機(jī)序列或偽隨機(jī)序列、二值圖像、灰度圖像或彩色圖像等等。水印生成算法應(yīng)保證水印的唯一性、有效性、不可逆性等屬性。水印信息可由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成。密鑰可用來加強(qiáng)安全性，以避免未授權(quán)的恢復(fù)和修復(fù)水印。所有的實(shí)用系統(tǒng)必須使用一個(gè)密鑰，有的甚至使用幾個(gè)密鑰的組合。

圖1 數(shù)字水印的嵌入

圖2 是數(shù)字水印的提取過程，通常使用數(shù)字水印或者原始數(shù)據(jù)、和待檢測(cè)數(shù)據(jù)、密鑰通過水印檢測(cè)算法檢測(cè)出水印信息，再和嵌入的水印信息做比較從而確定版權(quán)及是否受到攻擊。

圖2 數(shù)字水印的提取

信息資源數(shù)字化是圖書館服務(wù)跨入現(xiàn)代化和網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志，數(shù)字化建設(shè)首先是將圖書資料進(jìn)行數(shù)字化處理，并且分門別類歸檔到到服務(wù)器中，隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的不斷發(fā)展，大容量存儲(chǔ)硬件的出現(xiàn)已經(jīng)讓數(shù)字化本身不存在問題。同時(shí)3G時(shí)代和即將到來的4G時(shí)代使得網(wǎng)絡(luò)的帶寬和速度已經(jīng)大幅的提高，PC、智能手機(jī)、云終端等電子設(shè)備的普及給圖書館數(shù)字化提供了強(qiáng)有力地支持。1994年《公共圖書館宣言》提出圖書館是公眾獲取信息之門，圖書館的宗旨是為用戶服務(wù)，同時(shí)又要保護(hù)作者的合法權(quán)益。由于版權(quán)的問題使數(shù)字化還存在著一定的障礙，因?yàn)閿?shù)字圖書館作為互聯(lián)網(wǎng)上的一個(gè)信息系統(tǒng)，其數(shù)字化的信息很容易被復(fù)制卻很難發(fā)現(xiàn)和控制，所以圖書館不能隨意地將沒有取得版權(quán)的文獻(xiàn)自由數(shù)字化并提供給讀者使用。這是目前阻止圖書館數(shù)字化進(jìn)程的關(guān)鍵性因素。

缺少數(shù)字版權(quán)管理，即便是最完美的數(shù)字化內(nèi)容也是毫無商業(yè)價(jià)值的。2001年麻省理工學(xué)院在《技術(shù)評(píng)論》中稱，數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)是今后信息技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)開發(fā)技術(shù)。數(shù)字水印應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)數(shù)字多媒體的版權(quán)保護(hù)中，需要設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高的保護(hù)協(xié)議及系統(tǒng)。數(shù)字水印本身并不具備阻止數(shù)據(jù)被拷貝的功能。它作為版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)的一部分，提供著版權(quán)的驗(yàn)證或者拷貝預(yù)警的功能并結(jié)合系統(tǒng)的其他模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)版權(quán)多媒體消息的有效保護(hù)。

DRM 系統(tǒng)技術(shù)是一項(xiàng)加強(qiáng)對(duì)圖像、音頻、視頻數(shù)字化產(chǎn)品內(nèi)容版權(quán)保護(hù)的技術(shù)，其基本的工作原理一般是將圖像、音頻、視頻等文件進(jìn)行加密編碼處理，再建立一個(gè)證書授權(quán)服務(wù)中心來保護(hù)多媒體信息的版權(quán)和使用權(quán)限。在DRM 系統(tǒng)中，數(shù)字水印主要可以做為如下這幾種應(yīng)用：保護(hù)元數(shù)據(jù)，在DRM 系統(tǒng)中可以把數(shù)字水印和著作信息相關(guān)的數(shù)據(jù)元綁定，來檢測(cè)版權(quán)和費(fèi)用支付；發(fā)現(xiàn)盜版之后取證和跟蹤，在數(shù)字產(chǎn)品的拷貝和發(fā)行中，發(fā)行人可以把不同的ID 或者身份信息作為不同的數(shù)字水印嵌入到合法拷貝中去。如果發(fā)現(xiàn)存在侵權(quán)行為就可以通過水印信息確認(rèn)其來源；確認(rèn)是否遭受篡改，把脆弱數(shù)字水印嵌入到數(shù)字產(chǎn)品中去，因?yàn)榇嗳跛?duì)信號(hào)的改動(dòng)很敏感，即便發(fā)生很小的變動(dòng)，數(shù)字水印也會(huì)隨之發(fā)生變化，人們根據(jù)脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過；保護(hù)許可信息，在DRM 系統(tǒng)中一般只有用戶獲得合法的許可信息才能消費(fèi)數(shù)字內(nèi)容，可以把把許可信息作為數(shù)字水印信息嵌入到產(chǎn)品中去，從而提高許可信息的健壯性。

數(shù)字水印的理論與技術(shù)日漸完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，并已逐步成為計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、通信技術(shù)、信息論、密碼學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)字版權(quán)保護(hù)等眾多學(xué)科研究的切入點(diǎn)，相信它一定能在數(shù)字圖書館的建設(shè)過程中發(fā)揮出應(yīng)有的作用。伴隨著人們對(duì)版權(quán)保護(hù)意識(shí)的不斷提高，以及國(guó)家不斷完善的版權(quán)保護(hù)法和數(shù)字水印技術(shù)的不斷發(fā)展，不遠(yuǎn)的將來，數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)和合理使用將會(huì)得到有效保障，侵權(quán)行為也會(huì)得到有效的遏制。

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