基于數(shù)字水印的多媒體教學(xué)課件版權(quán)保護(hù)

摘 要：本文介紹版權(quán)保護(hù)技術(shù)的概念和分類，重點(diǎn)介紹了數(shù)字水印的基本原理、嵌入過(guò)程提取和檢測(cè)過(guò)程，最后利用基于DCT變換域的數(shù)字水印算法給課件加入數(shù)字水印，實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)字版權(quán)管理功能。

關(guān)鍵詞：多媒體課件；數(shù)字水??；版權(quán)保護(hù)

中圖分類號(hào)：TP309.7

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益完善，多媒體課件已在現(xiàn)代課堂中擔(dān)任了重要角色。為了保護(hù)制作人的合法權(quán)益，需要利用先進(jìn)的技術(shù)對(duì)多媒體教學(xué)課件實(shí)施版權(quán)保護(hù)。

1 數(shù)字版權(quán)保護(hù)技術(shù)

數(shù)字版權(quán)保護(hù)（“Digital Rights Management”，簡(jiǎn)稱DRM）是用來(lái)保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)的一種技術(shù)手段。根據(jù)保護(hù)對(duì)象的不同，主要可以分為兩類：一類是多媒體保護(hù)，如加密電影、音樂(lè)、音視頻或流媒體文件；另外一類是加密文檔，如DOC、XLS、PPT和PDF等。事實(shí)上，一切形式上的數(shù)字化內(nèi)容由于都有可能被非法復(fù)制和傳播，比如商業(yè)化的操作系統(tǒng)軟件、辦公軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，軟件開(kāi)發(fā)工具、文檔和圖紙等都有數(shù)字版權(quán)保護(hù)的必要。DRM主要是以一定的計(jì)算方法，從技術(shù)上鎖定和限制數(shù)字內(nèi)容及其分發(fā)途徑，從而防止數(shù)字產(chǎn)品被無(wú)授權(quán)的復(fù)制。常用的技術(shù)主要有數(shù)字水印、數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名和數(shù)字指紋等。

2 數(shù)字水印概述

數(shù)字水印通常是把某些不可見(jiàn)標(biāo)志數(shù)據(jù)嵌入到數(shù)字內(nèi)容中作為水印，使得水印在數(shù)字內(nèi)容中不可感知和足夠安全，只有通過(guò)專用的檢測(cè)工具才能提取。為了保證數(shù)字內(nèi)容失真而不被人的視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)察覺(jué)到，必須應(yīng)用某種顯性或者隱性的感知準(zhǔn)則。數(shù)字水印算法要結(jié)合加密方法以提供其安全性，這些加密方法由數(shù)字標(biāo)識(shí)、隨機(jī)數(shù)字序列、文本和圖像等多種模型構(gòu)成。一般而言，數(shù)字水印算法包括數(shù)字水印嵌入和數(shù)字水印提取兩個(gè)過(guò)程。其中數(shù)字水印嵌入過(guò)程如圖1所示：

圖1 數(shù)字水印嵌入過(guò)程

數(shù)字水印嵌入算法可以分為兩大類：空間域算法和變換域算法。在這些算法中，最低有效位算法是由L.F.Turner和R.G.vanSchyndel等人提出的，是國(guó)際上最早的提出數(shù)字水印算法，它可以隱藏較多的信息，是一種典型的空間域算法，但如果遭到各種攻擊后，水印容易被移去。Patchwor這種數(shù)字水印算法是由麻省理工大學(xué)（Massachusetts Institute of Technology，MIT）多媒體實(shí)驗(yàn)室Walter Bander等人提出的，目前主要用于打印票據(jù)的防偽。其缺點(diǎn)在于只能隱藏較少的數(shù)據(jù)量，抗攻擊能力較弱，敏感于仿射變換。而目前研究最多的算法是基于DCT（Discrete Cosine Transform，DCT）的頻域水印算法，它可以與MPEG、JPEG等壓縮標(biāo)準(zhǔn)的核心算法相結(jié)合，能較好的抵抗有損壓縮，具有魯棒性強(qiáng)、隱蔽性好等特點(diǎn)。數(shù)字水印的提取和檢測(cè)過(guò)程如圖2所示：

圖2 數(shù)字水印的提取與檢測(cè)過(guò)程

頻域法檢測(cè)水印的原理是將原始信號(hào)與待檢測(cè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行變換域變換，比較兩者的區(qū)別，進(jìn)行嵌入水印的逆運(yùn)算，得出水印信息。如果是可讀的水印，那么就此結(jié)束，如果是不可讀水印，如高斯噪聲，就將得出的水印與已知水印作比較，由相關(guān)性判斷，待檢測(cè)信號(hào)含不含水印，故水印的檢測(cè)有兩個(gè)結(jié)束點(diǎn)。

3 數(shù)字水印技術(shù)在多媒體課件版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用

3.1 基于DCT變換域的數(shù)字水印算法設(shè)計(jì)

本文采用基于DCT變換域水印嵌入技術(shù)實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：

先將表示載體圖像數(shù)據(jù)的矩陣進(jìn)行DCT變換，得到相應(yīng)的DCT系統(tǒng)矩陣，選擇待嵌入水印的系數(shù)，由于DCT系數(shù)反映了圖像的能量，從而實(shí)現(xiàn)嵌入水印的目的，然后再進(jìn)行反DCT變換，取整即可得到嵌入水印后的載體圖像。其中水印嵌入過(guò)程為：

設(shè)原始圖像I大小為M×N，水印圖像J大小為P×Q，其中M、N分別是P、Q的偶數(shù)倍。要將水印圖像J加載到原始圖像I中，算法如下：

Step1分塊：將I分解為（M/8）×（N/8）個(gè)8×8大小的方塊BI（m，n）；亦將J分解為（M/8）×（N/8）個(gè)（8·P）/M×（8·Q）/N大小的方塊BJ（m，n），其中1≤m≤M/8，1≤n≤N/8。

Step2DCT變換：對(duì)每一個(gè)BI（m，n）實(shí)施DCT變換，即有DBI′（m，n）=DCT（BI（m，n））。

Step3加載水?。簩?duì)每一個(gè)DBI′（m，n）和BJ（m，n），xi為從DBI′（m，n）的中頻選出的加載的位置，1≤i≤（8·P）/M×（8·Q）/N，ri為水印BJ（m，n）的位置坐標(biāo)，1≤i≤（8·P）/M×（8·Q）/N。DBI\"（m，n）（xi）=c×BJ（m，n）（ri），其中c是加權(quán)系數(shù)，用DBI\"（m，n）（xi）來(lái)代替DBI′（m，n）（xi）得到加載水印后的圖像DBI\"（m，n）。

Step4逆DCT變換.對(duì)每一個(gè)DBI\"（m，n）進(jìn)行逆DCT變換，即IDBI（m，n）=IDCT（DBI\"（m，n））。并將各方塊IDBI（m，n）合并為一個(gè)整圖CI′，就得到加載了水印的新圖像TI。

數(shù)字水印提取過(guò)程為：

對(duì)加載了數(shù)字水印的載體圖像TI，要提取其中所加載的水印，其實(shí)質(zhì)就是上述加載數(shù)字水印算法的逆運(yùn)算：

Step1分塊將TI分解為（M/8）×（N/8）個(gè)8×8大小的方塊BTI（m，n），1≤m≤M/8，1≤n≤N/8。

Step2DCT變換對(duì)每一個(gè)BTI（m，n）進(jìn)行二維DCT反變換：BTI′（m，n）=IDCT（BTI（m，n））。

Step3提取數(shù)據(jù)，對(duì)每一個(gè)BTI′（m，n），按照式BJ（m，n）（ri）=1/c×（xi）BTI′（m，n）得到BJ（m，n）。

Step4合并，將上面所有BJ（m，n）合并成一個(gè)整圖J。

DCT作為常用的一種編碼方法，并由于數(shù)字圖像JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)也是建立在DCT變換基礎(chǔ)上，所以DCT是一種具有很好的去相關(guān)能力和能量壓縮能力的變換，越來(lái)越多的人利用它與其他算法結(jié)合進(jìn)行版權(quán)保護(hù)，成目前數(shù)字水印領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

如果在網(wǎng)絡(luò)上，多媒體教學(xué)課件的版權(quán)保護(hù)要求為：（1）先需要采用加密算法對(duì)課件內(nèi)容進(jìn)行加密，并根據(jù)需要將課件主題、版權(quán)聲明、權(quán)限許可證、版權(quán)人姓名、版本號(hào)、頒發(fā)服務(wù)網(wǎng)站地址等信息附加在加密文件頭部。（2）為了儲(chǔ)存和頒發(fā)權(quán)限許可證，實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理器許可證服務(wù)，課件版權(quán)擁有者需要配置一個(gè)權(quán)限許可證頒發(fā)服務(wù)器。（3）借助互聯(lián)網(wǎng)或其他媒介，將加密包裝后的課件以Web站點(diǎn)、光盤、E—mail等形式發(fā)布。（4）用戶訪問(wèn)加密包裝后的課件時(shí)，系統(tǒng)必須能夠讓他首先從權(quán)限許可證頒發(fā)服務(wù)器上獲得權(quán)限許可證，以便得到權(quán)限許可證中的密鑰，通過(guò)相應(yīng)的解密算法對(duì)課件進(jìn)行解密，并根據(jù)相關(guān)權(quán)限控制信息（如訪問(wèn)次數(shù)、起始時(shí)問(wèn)、終止時(shí)間等）進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證通過(guò)后，系統(tǒng)才能讓用戶根據(jù)權(quán)限許可證所規(guī)定的權(quán)限訪問(wèn)課件。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

作為一款流行的工程設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真軟件包，Matlab用于數(shù)字水印技術(shù)研究有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。啟動(dòng)matlab軟件，按上述算法編制好應(yīng)用程序，事先準(zhǔn)備好一張取名為“xbmu.JPG”數(shù)字水印圖片，對(duì)多媒體課件中的“第一章”文件夾里的名為“12.jpg”的圖片，利用matlab程序把該圖片加入數(shù)字水印。具體實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)字水印圖像

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展很快，主要是通過(guò)對(duì)媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域或頻域的各種復(fù)雜變換，以增強(qiáng)嵌入信息的健壯性。數(shù)字水印技術(shù)雖然能檢測(cè)水印達(dá)到版權(quán)鑒別的目的，但是該技術(shù)只能在盜版發(fā)生后提供版權(quán)鑒定，并不能在真正意義上防止盜版。也就是說(shuō)，數(shù)字水印技術(shù)只能做到“事后追蹤”，卻達(dá)不到“事前防范”的功能，需要在實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮明，唐宏，陳戈.數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2009，8.

[2]金聰.數(shù)字水印理論與技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008，8.