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1、数字水印和数字产品的版权保护* 国家自然科学基金重点项目(70031020) . 孔祥维(大连理工工大学信信息学院院, 11160023)杨德礼 胡胡祥培(大连理工工大学管管理学院院, 11160023)摘要 全球球迅猛发发展的IInteerneet网络络给世界界经济带带来了新新的商机机，数字字技术提提供了与与原作品品同样精精美的复复制品，但但同时使使得数字字媒体的的版权保保护问题题日益突突出。 本文介介绍了最最新的多多媒体版版权保护护技术数字水水印的概概念，在在阐述数数字水印印的分类类和特性性的基础础上，提提出了以以数字水水印为基基础的数数字作品品版权保保护系统统，并研研究了数数字水印印系统
2、的的处理框框架和数数字水印印算法。最最后对数数字水印印技术进进行了展展望。关键词 数字水水印 数字产产品保护护 版权权保护系系统1 引言随着多媒体体技术和和数字传传输的迅迅猛发展展，因特特网和CCD-RROM上上的数字字媒体应应用正在在呈爆炸炸式的增增长。数数字信号号处理和和网络传传输技术术可以对对数字媒媒体（数数字声音音、文本本、图像像和视频频）的原原版进行行无限制制的任意意编辑、修修改、拷拷贝和散散布，造造成数字字媒体作作品的原原创者巨巨大的经经济损失失，并对对数字媒媒体的安安全权限限提出了了挑战，促促使数字字媒体的的知识产产权保护护和信息息安全问问题日益益突出，并并已成为为数字世世界的一
3、一个非常常重要和和紧迫的的议题。目前的信息息安全技技术基本本上以密密码学理理论为基基础的，采采用的传传统方法法是将文文件加密密成密文文的密钥钥系统或或公钥系系统，提提高加密密、解密密系统密密级的方方法是不不断增加加密钥的的长度。据据报道：56 bitt长密钥钥的DEES可在在20多多小时内内攻破，因因而这种种方法在在实际中中变得越越来越不不安全1。另另外这种种将文件件加密成成密文的的方法，在在将密文文解开后后就失去去了保密密意义；加密的的密文还还容易引引起许多多好事者者的兴趣趣，触发发他们积积极破译译的激情情。数字字签名技技术是一一种较新新的技术术。已用用于检验验短信息息的正式式可靠性性，虽然
4、然数字签签名的标标准已被被许多国国家采纳纳，可以以通过私私有密钥钥对数字字产品进进行签名名，检测测算法可可用来检检测产品品的内容容是否符符合相应应的签名名，但因因对多媒媒体中需需要大量量的签名名，因而而对多媒媒体保护护的不适适用也不不方便。由由此可见见目前的的保密方法在在当今广广泛应用用的Innterrnett多媒体体信息安安全中难难以起到到全面保保障的作作用。数字水印技技术是九九十年代代中期信信息安全全领域的的一个新新方向。它它是指用用信号处处理的方方法在数字化的的多媒体体数据中中嵌入隐隐蔽的水水印标记记，并使使人的感感知系统统察觉不不出来，隐隐藏的水水印标记记只有通通过专用用的检测测器才能
5、能提取出出来的一一种最新新的多媒媒体保密密技术。数字水印技技术源于于是在开开放的网网络环境境下保护护多媒体体版权的的新型技技术，它它可验证证数字产产品的版版权拥有有者、识识别销售售商、购购买者或或提供关关于数字字产品内内容的其其他附加加信息，并并将这些信息以以人眼不不可见的的形式嵌嵌入在数数字图像像或视频频序列中中，用于于确认数数字产品品的所有有权和跟跟踪侵权权行为。除除此之外外，它在在证据篡篡改鉴定定，数据据的分级级访问，数数据产品品的跟踪踪和检测测，商业业视频广广播和因因特网数数字媒体体的服务务付费，电电子商务务的认证证鉴定，商商务活动动中的票票据防伪伪等方面面也具有有十分广广阔的应应用前
6、景景。自993年尤尤其是995/996年以以来引起起工业界界的浓厚厚兴趣，已已成为国国际上非非常活跃跃的研究究领域234。2 数字水水印的分分类和基基本特性性2.1 数数字水印印技术从从不同的的角度分分类 (11) 按按作用划划分：按按作用可可划分为为鲁棒性性水印和和脆弱性性水印。前前者主要要应用于于数字作作品中标标志著作作版权信信息，需需要嵌入入的水印印能够抵抵抗常见见的编辑辑处理、图图象处理理和有损损压缩，在在历经有有意或无无意攻击击后水印印不被破破坏，仍仍能检测测出来提提供认证证。后者者主要用用于完整整性保护护，判断断多媒体体信号是是否被篡篡改，对对于篡改改处能自自动标记记出来，它它需要
7、抵抵抗常见见的有损损压缩如如JPEEG、JPEEG20000和和噪声等等。 (22)按载载体分：按水印印的载体体可将水水印分为为图像水水印、视视频水印印、音频频水印、文文本水印印和图形形水印等等。图像像水印指指静止图图像中加加入水印印，用于于图像数数据库，网网上图片片发布等等。视频频水印主主要在视视频流中中加入数数字水印印，从而而控制视视频的应应用，如如DVDD的控制制存取，数数字广播播的控制制等。文文本水印印指在在在PDFF、DOCC等文本本文件中中加入水水印，防防止对文文本文件件的修改改。图形形水印指指在计算算机生成成的二维维或三维维图形中中嵌入水水印，以以表明版版权。 (33)按检检测分
8、：在检测测过程中中需原数数据的技技术称为为明水印印，其鲁鲁棒性较较强，但但实用中中受到一一定的限限制。无无须原数数据的检检测技术术称为盲盲水印，此此种水印印技术应应用较广广，尤其其针对无无法获得得原图象象的网络络应用，但但对水印印技术的的技术要要求较高高。 (44)按内内容分：有意义义水印是是指水印印是可视视图象，可可为二值值图像或或灰度图图像，其其特点为为如水印印经过攻攻击受损损后人们们仍可从从视觉观观察判断断。无意意义水印印为随机机码，通通过统计计决策来来确定信信号中是是否有水水印。 (55)按用用途分：分为版版权保护护水印、篡篡改提示示水印、票票据防伪伪水印、隐隐蔽标识识水印。版权保护水
9、水印是在在图像加加入水印印后，图图像的拥拥有者希希望他人人看到图图像水印印的标记记，并进进行商业业性的使使用，在在经过各各种有意意攻击与与无意编编辑处理理后水印印仍然存存在，如如果水印印遭到破破坏难以以检测，则则版权保保护失败败。篡改提示水水印利用用加在图图像中的的水印来来保护图图像内容容的完整整性，对对篡改的的内容进进行标注注提示，并并且需要要抵抗有有损压缩缩等网上上常见的的传输格格式。票据防伪水水印是加加在纸质质票据的的数字生生成过程程中，历历经印刷刷、打印印、扫描描过程后后人能将将水印检检测出来来，需要要防止的的是复制制后水印印不再存存在。隐蔽标识水水印是在在图像中中加入注注释信息息，对
10、图图像进行行说明和和作者简简介等，不不占带宽宽，要求求隐藏的的数据量量较大。2.2 数数字水印印的基本本特性数字水印应应用在数数字作品品的版权权保护中中必须满满足以下下基本条条件：(1) 图图像在加加入水印印后不能能改变图图像的视视觉效果果，水印印在通常常的视觉觉条件下下不可见见。(2) 加加过水印印的图像像通过普普通的图图像处理理技术和和标准压压缩后水水印仍保保持在图图像之中中并能被被检测出出来。(3) 未未经授权权者不能能伪造水水印或检检测出水水印。(4) 水水印的图图像在经经受印刷刷、打印印、扫描描等模数数和数模模转换后后仍能检检测出水水印。3 基于数数字水印印的数字字作品保保护系统统3
11、.1 数数字产品品的销售售模型在网络时代代，数字字作品的的销售过过程也是是相当复复杂的，我我们仅将将相关的的过程简简化为以以下的模模型，见见图1。作作品的原原创作者者通过销销售商经经过网络络系统（如如Intternnet网网）向用用户进行行销售。在在网络传传送过程程中，盗盗版者可可以通过过现代网网络技术术和图像像处理技技术复制制与原作作品同样样的拷贝贝，或者者进行篡篡改后发发送给顾顾客，作作为购买买者不能能保障得得到真实实的原创创作品，作作为创作作者和销销售商，他他们将蒙蒙受巨大大的经济济损失。购买者原创者的作品的作品销售商INTERNET 网络 盗版或篡改图1 数字字产品的的销售模模型3.2
12、 基基于数字字水印的的数字作作品版权权保护模模型我们针对数数字作品品的创作作和销售售模型，考考虑到从从原创者者、销售售商到购购买者之之间的权权益关系系，以及及防止盗盗版的各各种途径径，提出出基于数数字水印印的数字字作品保保护模型型，见图图2。 Key2 Key1 Key1 +PIN1 Key1+PIN2 Key(WR)+PIN3 AWR MD AC AW AW1Watermarking1 AW2Watermarking2 AW3Watermarking3图2 基于于数字水水印的数数字作品品版权保保护系统统设 A为数数字作品品的创作作者，WWR为 版权登登记认证证中心，AA创作出出数字作作品后，
13、向向WR进进行作品品登记，然然后选择择一个AA个人用用的私钥钥K1向向期望保保护的数数字作品品AW嵌嵌入含有有A标志(PPIN11)的第第一个数数字水印印wattermmarkkingg1，再再将加过过水印的的数字作作品AWW1传一一份备份份给WRR的数据据库中，KK1由AA的口令令产生，具具有唯一一性。当A决定将将其数字字作品授授权给数数字媒体体销售商商MD,让MDD销售其其作品的的复制品品即拷贝贝时，AA需要将将MD的标标志（如如PINN2）结结合 私钥keey1对对数字作作品嵌入入第二个个数字水水印Waaterrmarrkinng2，以以表示对对MD的授授权和认认可。MMD得到到加有两两
14、个数字字水印标标志的数数字作品品，并也也可以用用A的公公钥keey2验验证A确实在在其作品品的拷贝贝中加入入了MDD的标志志,即 Waaterrmarrkinng 22。MD作为为A的作作品销售售商，可可以应用用检测水水印的软软件，验验证第二二个水印印的内容容和第一一个水印印的内容容，但MMD并不不感兴趣趣破坏水水印的内内容，因因为这将将破坏他他的利益益。授权的MDD将作品品售给授授权用户户AC，为为证明AAC经过过授权，为为正版用用户，MMD用WWR的私私钥KEEY(WWR)和和AC的的标志（PPIN33）对作作品嵌入入第三个个水印WWateermaarkiing33，并将将此信息息通知WW
15、R，WWR发给给MD一一个证书书，给AA增加一一份收益益。在此此过程中中WR充充当认证证中心的的作用。由此模型可可以看出出，其中中涉及到到的水印印处理系系统有三三个，前前两个系系统为私私钥加密密，公钥钥解密，是是非对称称的水印印处理系系统。作作后一个个系统是是对称水水印处理理系统，只只有WRR才可以以验证其其内容。4 数字水水印系统统的处理理框架数字水印处处理系统统可用以以下的函函数来表表示WSS(A,W,KK,E,D)其中A表示示要保护护的多媒媒体作品品；K表示水水印密钥钥；W表示水水印，数数字水印印的产生生一般为为伪随机机数等，W=W(K,A)；E表示水印的嵌入算法，水印嵌入即为将水印嵌入到原始数字作品中，通式表示：E：W=E(A,W)通常的算法法为：I(i)表表示数字字媒体幅幅值或变变换系数数，W(i)为为水印，(i)为强度系数。D表示数字水印的检测算法。D：H(D(K,W)，W为嵌入水印后的图像，检测算法通常为相关检测，H表示经过检测算法后的决策结果，如H 为1则表示有水印，如H为
