數(shù)字指紋技術(shù)研究進(jìn)展

鄧家青 林 沛

（廣州無線電集團(tuán)，廣東 廣州 510656）

數(shù)字指紋技術(shù)研究進(jìn)展

鄧家青 林 沛

（廣州無線電集團(tuán)，廣東 廣州 510656）

本文對數(shù)字指紋技術(shù)的應(yīng)用及國內(nèi)外的研究進(jìn)展做了綜述。首先簡單介紹了數(shù)字指紋系統(tǒng)及其在版權(quán)保護(hù)上的應(yīng)用。然后分別介紹了傳統(tǒng)的數(shù)字指紋技術(shù)，以及新型的基于多用戶通信技術(shù)的指紋技術(shù)。指出了當(dāng)前數(shù)字指紋技術(shù)存在的不足，提出數(shù)字指紋技術(shù)今后的發(fā)展方向是以通信技術(shù)的角度作為切入點(diǎn)來研究對抗合謀攻擊問題。

數(shù)字指紋；數(shù)字編碼；擴(kuò)頻

1 數(shù)字指紋技術(shù)簡介

數(shù)字指紋技術(shù)是在近十多來來發(fā)展起來的一種用于保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。數(shù)字指紋是指在數(shù)字產(chǎn)品分發(fā)中，銷售商在各個授權(quán)版本中所添加的一個獨(dú)特的特征序列。發(fā)現(xiàn)非授權(quán)版本后，可以通過其中的指紋識別出制作非法拷貝的用戶，也即是所謂叛逆者。一個完整的數(shù)字指紋系統(tǒng)如下圖1所示。

圖1 數(shù)字指紋系統(tǒng)

由于叛逆者會結(jié)成同盟，發(fā)動合謀攻擊，企圖銷毀其指紋以逃脫罪責(zé)，所以數(shù)字指紋技術(shù)必須有良好的抗合謀能力，這也是數(shù)字指紋技術(shù)的研究重點(diǎn)。數(shù)字指紋技術(shù)最早起源于對數(shù)據(jù)庫管理中的比特流進(jìn)行保護(hù)的需要。因而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)指紋技術(shù)主要面向存儲數(shù)據(jù)保護(hù)，所采取的很多技術(shù)特點(diǎn)也是為了適應(yīng)這一應(yīng)用環(huán)境及條件。但由于近十年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得媒體傳播方式發(fā)生了深刻的改變。這些新的環(huán)境和條件也對數(shù)字指紋技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

2 傳統(tǒng)指紋技術(shù)

傳統(tǒng)的數(shù)字指紋技術(shù)可以分為兩大類，即所謂的獨(dú)立指紋和編碼指紋。獨(dú)立指紋是指采用統(tǒng)計上相互獨(dú)立的擴(kuò)頻碼作為各用戶獨(dú)特的指紋。這一思路由一般的擴(kuò)頻水印技術(shù)發(fā)展而來。Cox等人最早提出了采用擴(kuò)頻調(diào)制的嵌入技術(shù)[1]，其編碼由獨(dú)立同分布的均勻分布或高斯分布信號源產(chǎn)生，能夠在某種程度上抵御平均攻擊。在文獻(xiàn)[2]中,Wang等人研究了分別采用最大值和門限檢測法的情況下，偽隨機(jī)碼的誤碼性能，并提出了一種對合謀尺寸進(jìn)行估計的方法。文獻(xiàn)[3]中，Zhao等人在諸如最大值、最小值、中值等非線性攻擊下，對有界及無界的高斯編碼做了數(shù)字取證分析。文獻(xiàn)[2] [3]同時也對碼長與用戶及叛逆者數(shù)目對系統(tǒng)性能的影響做了詳盡分析，并在特定合謀攻擊模型下，推導(dǎo)出了功率誤差函數(shù)的上下限。Li和Trappe等人在文獻(xiàn)[4]中，提出了一種基于韋爾奇界等式和球形譯碼的新方法。

基于擴(kuò)頻的指紋系統(tǒng)的好處在于易于實現(xiàn)且各用戶之間的辨識度高，能夠有效抵御多種合謀攻擊。文獻(xiàn)[5]報道基于擴(kuò)頻的指紋系統(tǒng)在用戶數(shù)為上千萬時仍可有較強(qiáng)的抗合謀能力。但其最大的問題在于所需要的擴(kuò)頻碼長度及數(shù)量、接收機(jī)的復(fù)雜度都隨用戶數(shù)的增加線性增長。為了解決這個問題，Wang等人[6]引入了基于先驗的合謀模式，對用戶分組的思想。只對可疑組的用戶進(jìn)行檢測，因而檢測復(fù)雜度大大降低。而且由于各組之間的獨(dú)立性，減少了了無辜用戶被

誤判的可能。這個思想被應(yīng)用到了多個基于擴(kuò)頻的方案中，比如文獻(xiàn)[7][8]。

第二種方法稱作編碼指紋，一般利用組合數(shù)學(xué)中的組合設(shè)計理論，來設(shè)計合適的指紋編碼。編碼指紋最早發(fā)展于上世紀(jì)八十年代早期，最初是出于對通用數(shù)據(jù)，比如數(shù)據(jù)庫中的頭文件或數(shù)據(jù)等進(jìn)行保護(hù)的需要。最具代表性的是Boneh和Shaw[9]提出來的CS編碼方案。這個方案能以較高的概率在C個叛逆者找出一個。CS碼最大的問題在于其碼字過長。在叛逆者數(shù)量較大的情況下，基于目前的軟硬件條件這顯然是完全不具備可行性的方案。而且當(dāng)叛逆者數(shù)量超過預(yù)設(shè)值時，CS碼便完全失去了追蹤功能。隨后Trappe等人利用正交調(diào)制改進(jìn)了這個算法，提出了所謂AND-ACC碼[10]，其編碼長度較短，且在叛逆者辨識方面的性能也優(yōu)于CS碼。Yacobi在文獻(xiàn)[11]中提出嵌入碼字，用直接擴(kuò)頻序列進(jìn)行調(diào)制。He和Wu[8]在此基礎(chǔ)上，將編碼設(shè)計與擴(kuò)頻調(diào)制分別在不同的層上實現(xiàn)，提出所謂的TA碼。另外比較值得關(guān)注的是Tardos所提出來的編碼方案[12]，理論上，叛逆者數(shù)量一定的條件下，該方案實現(xiàn)的碼字長度最短。

這些基于糾錯編碼的算法都發(fā)源于針對通用數(shù)據(jù)的數(shù)字指紋技術(shù)，在進(jìn)行編碼設(shè)計時并沒有充分考慮到多媒體信號的特殊性質(zhì)和問題。雖然有文獻(xiàn)聲稱其方案適用于多媒體[9，13，14]，但其嵌入問題的解決也都是基于嵌入假設(shè)所抽象出來的模型。所謂嵌入假設(shè)認(rèn)為合謀者通過對比各版本，只能改變有著不同值的符號位置，而不能對其他所謂不可見位作出更改。這一假設(shè)在針對存儲數(shù)據(jù)的環(huán)境中也許是符合事實的，然而在載體為多媒體文件時其有效性并不能得到保證。因為多媒體文件在傳播過程中可能會經(jīng)歷編碼轉(zhuǎn)換、重新量化等過程，這些都會導(dǎo)致不可見位發(fā)生改變。同時正如文獻(xiàn)[10]所指出，只對嵌入和編碼進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計，對攻擊者所能采用的有效方法作了過多的限制，是過于理想化的情況。

在國內(nèi)，陳曉蘇等人[15]提出了一種基于隨機(jī)序列的數(shù)字指紋編碼和跟蹤算法.從理論上推導(dǎo)了算法的編碼長度、合謀人數(shù)以及跟蹤算法錯誤概率之間的關(guān)系,給出了錯誤概率界。在文獻(xiàn)[16]中，陳曉蘇等人從級聯(lián)碼的思想出發(fā)，提出一種新的兩用戶共謀安全碼。其內(nèi)碼采用基于混沌序列，外碼采用IPP碼，可以在共謀人數(shù)為2的情況下，對非法分發(fā)者進(jìn)行有效跟蹤。王彥及呂述望等人[17]基于二進(jìn)制隨機(jī)編碼，通過使用偽隨機(jī)序列對指紋比特的重復(fù)嵌入進(jìn)行控制，提出了一種有效的抗合謀攻擊的數(shù)字指紋編碼算法及其相應(yīng)的跟蹤算法。朱巖和楊永田等人[18-19]結(jié)合卷積碼和一般指紋碼構(gòu)成一種兩層鏈接結(jié)構(gòu)的指紋信息，實現(xiàn)了更短的指紋碼構(gòu)造和多項式時間的搜索復(fù)雜度。Yu和Wei[20]構(gòu)建了一種面向分組的指紋碼，其外碼采用Reed-Solomon碼，內(nèi)碼采用平衡不完全區(qū)組設(shè)計(Balanced Incomplete Block Design,BIBD)和正交碼構(gòu)成的碼矩陣，這種編碼方案通過外碼識別出共謀者所在的小組，然后再通過內(nèi)碼追蹤到共謀者，相比傳統(tǒng)的指紋碼，該方案縮短了指紋碼長度。李新偉等人[21-23]提出了一種樹形指紋編碼方案，并將抗共謀攻擊碼與量化技術(shù)結(jié)合，提出了一種盲檢測的量化方法，該方法將共謀攻擊轉(zhuǎn)化為數(shù)字指紋的邏輯運(yùn)算。在此基礎(chǔ)上，他們采用這種量化方法分別在空域和DCT域?qū)崿F(xiàn)了盲檢測指紋算法。

3 基于多用戶通信技術(shù)的指紋技術(shù)

在數(shù)字指紋系統(tǒng)中，為了達(dá)到更好的性能，需要將系統(tǒng)的編碼、嵌入、攻擊及檢測等問題聯(lián)合起來考慮。按照以上思路進(jìn)行的嘗試包括近年來Cha和Kuo發(fā)表的一系列論文[24-28]。他們對基于MC-CDMA（多載波碼分多址，Multi-carrier Code Division Multiple Access,MC-CDMA）的數(shù)字指紋系統(tǒng)作了研究。這一方法的思路是將抗合謀碼字設(shè)計問題表述為MC-CDMA通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼設(shè)計與符號檢測問題。但Cha和Kuo的方法所采用的指紋生成方法是Hamadard碼[24，25，28]或載波干涉（Carrier Interferometry,CI）碼[27]，這些正交的指紋限制了其所能支持的用戶數(shù)量。而且從無線通信技術(shù)的角度來講，MC-CDMA系統(tǒng)在頻譜效率、頻率分集、誤碼率性能各方面均不如采用非正交擴(kuò)頻的OFDM-IDMA系統(tǒng)[29]。因此Lin等人對基于OFDM-IDMA的指紋系統(tǒng)做了研究[30]，仿真表明了該技術(shù)的可行性及檢測效率上的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

總體上來講，目前各種數(shù)字指紋技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，不但是在某些技術(shù)指標(biāo)存在不足，比如抗合謀性不夠全面、碼字太長、容納用戶數(shù)量有限等，更重要的是針對性不強(qiáng)，不能適合大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)傳播方式的實際要求。因此，針對網(wǎng)絡(luò)媒體傳播的新特點(diǎn)，亟需在已有的數(shù)字指紋技術(shù)基礎(chǔ)上，研究新的技術(shù)，提高數(shù)字指紋系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以滿足實際應(yīng)用的要求。以通信技術(shù)的角度作為切入點(diǎn)，從另外一條思路研究對抗合謀攻擊問題，是數(shù)字指紋技術(shù)發(fā)展的方向。因為在這個框架內(nèi)，能采用的設(shè)計及分析工具要遠(yuǎn)比一般編碼指紋更為豐富。比如合謀者權(quán)重估計及抵御動態(tài)合謀攻擊都可以在這個新的框架內(nèi)展開討論，而這些問題在傳統(tǒng)的編碼指紋框架下是難以解決的。而且由于采用無線通信中的信道響應(yīng)來對合謀攻擊行為建模，可以借鑒無線通信中很多成熟的技術(shù)，比如碼字設(shè)計、位移擴(kuò)頻、基于導(dǎo)頻的信道估計、接收機(jī)設(shè)計等。

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Deng Jiaqing Lin Pei
（Guabgzhou Radio Group,Guangzhou 510656,Guangdong）

This paper gives a review on the application of digital fingerprint technology,and the domestic and international research work on this topic.Firstly,it briefly introduces a digital fingerprint system and its application in intelligence protection.And then it introduces the traditional digital fingerprinting technology and the new fingerprint technology based on multi user communication technology.It points out the shortcomings of current digital fingerprinting technology,and proposes that the development direction of digital fingerprint technology in the future is to research anti collusion attack using communication technology perspective as a starting point.

digital fingerprint；digital code；spread spectrum

TP391.4

A

1008-6609(2016)08-0042-03

鄧家青，男，廣東五華人，研究生，工程師，研究方向：通信信號處理。