（计算机系统结构专业论文）数字水印及其在数字版权管理系统中的应用研究.pdf

捅要 随着信息及网络技术的迅猛发展，传统的信息交流方式有了很大的改变，多 媒体数字信息凭借其方便和快捷的传播方式越来越普及，而伴随着产生的版权问 题也日益严重。由于缺乏合适的保护机制，数字信息很容易被复制，篡改和转发， 侵害了版权所有人的合法利益，因而对于多媒体数字信息的版权保护研究越来越 受到人们的重视。为了解决这一个问题，人们提出了数字版权管理技术，该技术 现已成为各国研究的热点。 本文首先对多媒体版权保护的相关理论和技术进行了分析和研究。对数字版 权管理中的关键技术数字水印技术在数字版权中的应用进行了论述。针对版 权保护的要求，结合典型数字版权管理系统及数字水印技术设计并实现了一种基 于数字水印的版权管理协议系统。在研究一种基于图像内容特征的鲁棒水印基础 上提出并实现了可视水印与不可视水印相结合的双水印算法，对多媒体数字信息 起到了有效的保护作用。 关键词：数字版权管理数字水印版权保护 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , w a y so ft r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nh a v e c h a n g e dal o t t h ed i g i t a lm u i t i m e d i a i n f o r m a t i o nh a sb e e ni n c r e a s i n g l yp o p u l a r b ym e a n so fi t si n c o n v e n i e n c ea n dq u i c k n e s s m e a n w h i l e ，t h ec o n s e q u e n tc o p y r i g h tp r o b l e m sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s l v l a c ko fp r o p e rp r o t e c t i o nm e c h a n i s m ，m e t a - i n f o r m a t i o nc o u l dh a v eb e e n c o p i e d ， c h a n g e da n df o r w a r d e de a s i l y ，w h i c hd a m a g e dt h el e g a lr i g h t so f c o p y r i g h to w n e r t h u s ， t h er e s e a r c ho fc o p y r i g h tp r o t e c t i o no fm u l t i m e d i ad i g i t a li n f o r m a t i o nh a sc a u s e dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e m ，d i g i t a lc o p y r i g h tm a n a g e m e n t t e c h n o l o g y , w h i c hh a sb e c o m et h eh o tp o i n to fr e s e a r c hi nd i f f e r e n tc o u n t r i e s h a sb e e n m a d eo u t f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st h et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e sc o n c e r n i n gt om u l t i m e d i a c o p y r i g h tp r o t e c t i o n a n di ta l s os u m m a r i e st h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g yi nd i g i t a lc o p y r i g h t ，w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yi nd i g i t a l c o p y r i g h t m a n a g e m e n t t h i sp a p e rc o m b i n e sd i g i t a l c o p y r i g h tm a n a g e m e n tw i t hd i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yt od e s i g na n di m p l e m e n tas y s t e mb a s e do nac o p y r i g h t m a n a g e m e n to fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g t h e n ，t h i sp a p e rd e s i g na n di m p l e m e n ta ni m a g e d u a lw a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do nac o n t e n t b a s e dw a t e r m a r k i n gf o r i m a g e t h e r e f o r e i t se f f e c tt op r o t e c td i g i t a lm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n k e y w o r d ：d i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t w a t e r m a r k i n g c o p y r i g h tp r o t e c t i o n 创新性声明 本入声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗歹| 的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名；日期芝堕：三：受 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，酃：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属鼯安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阕和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论 本人签名 导师签名： 解密詹适用本授权书。 旦期型 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着现代数字技术和i n t e r n e t 技术的迅猛发展，信息媒体的数字化和数据交换 及传输给我们提供了极大的便利。人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电 子设备可以方便、迅速地将数字信息传达到世界各地。网络为我们相互交换信息， 促进科学、文化、教育、生产的快速发展提供了必要的基础，已经成为现在生活 和工作中不可缺少的部分，然而随之带来的副作用也非常明显的，通过网络传输 数据文件或作品使有恶意的个人或团体有可能在没有得到作品所有者的许可下， 拷贝和传播有版权的内容，而使版权所有者蒙受巨大的经济损失。 从技术角度来看，决定了必须有一种技术来加强保护这些数字化内容的版权， 即就是数字版权管理技术d r m ( d i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ) p 】。通过d r m 系统来使 作者和出版商的版权能够得到保护，能够保证这些内容的完整性以及它们被用于 合法的用途。特别是在网络领域，d r m 技术越来越重要。d r m 的目的是保护数字 内容的版权，从技术上防止数字内容的非法复制，以一定的计算方法，实现对数 字内容的保护，包括电子书、视频、音频、图片等数字内容，最终用户必须得到 授权后才能使用数字内容。 根据实现机理不同，版权保护技术可以分为两大类：基于密码学的传统版权保 护和基于数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术的版权保护【3 】。除了实现技术不同，这 两类版权保护技术的用途也有所侧重。传统版权保护技术主要用于控制内容的非 法复制和传播。而数字水印技术则用于隐藏版权信息，在版权信息受到非法侵害 时提供电子证据。数字水印技术尚处于实验阶段，且技术本身不完善，基于水印 的版权保护系统存在各种问题。现有大部分商业化的d r m 都属于基于传统版权保 护技术，都是基于密码技术或者密码技术与水印技术相结合，但数字水印技术的 发展前景被普遍看好。 现代的数字水印技术源于信息隐藏，是近几年国际上提出的一种新的有效果的 数字产品版权保护和安全维护技术。数字水印技术的原理是通过在原始传输媒体 内容数据( 图像、音频和视频等) 中嵌入代表版权的秘密信息来证实媒体内容的 所有权，被嵌入的水印通常是具有一定意义的附加信息，如：一段文字、序列号、 商标等【l 】，它与原始数字多媒体内容相依存，并随之一起传输，可以在经历一些不 完全破坏源数据商用价值的操作处理后保存下来以作为随后证明版权的依据。对 数字水印算法的研究，一方面可以跟踪国外的先进技术和研究成果，另一方面也 2 数字水印及其在数字版权管理系统中的应用研究 可以提高我国在知识产权保护方面的基础研究水准，完善我国的知识产权保护体 系，提高网络和通信的信息安全水平。因此，对数字水印处理算法的研究，不仅 具有现实的学术意义，而且具有长远的经济效益和社会效益。 1 2 数字版权管理的发展历程和现状 数字版权管理就是结合硬件和软件的存取机制，对数字化信息内容在其生存 周期内的存取进行控制。按w 3 c 组织的建议，d r m 涉及数字内容使用权限的描述 它描述、认证、交易、保护、监测、对使用在有形和无形资产上的各种权限的跟 踪和对版权所有人的关系管理等内容。因此，d r m 要实现对数字内容的“永久性” 保护。d r m 的核心就是通过各种信息安全技术锁定和限制数字内容及其分发途 径，从而达到防范对数字产品无授权复制和使用、保护知识产权的基本目标。数 字版权管理是实现数字信息产品通过网络销售的前提条件，采用数字版权保护技 术可有效地杜绝通过网络和计算机非法复制、拷贝、传送数字信息产品，保护提 供商的知识产权和经济收益。d r m 使各个平台的内容提供商们，无论是英特网、 多媒体还是交互数字电视，提供更多的内容，采取更灵活的销售方式，同时有效 地保护知识产权。 数字版权已经发展到第二代。第一代d i 蝴侧重于对内容的加密，限制非法复 制和传播，确保只有付费用户才能使用。第二代d r m 在第一代的基础上，在权限 管理方面有了较大的扩展。用户、权限和内容是d r m 系统的三个要素【l 3 1 。 最近几年，进行d r m 研究的科研人员逐渐增多，为此，美国计算机协会从2 0 0 1 年开始，每年举办一次a c md r m 会议“a c mw o r k s h o po nd i g i t a lr i g h t s m a n a g e m e n t ，涉及的研究内容包括多个方面，主要有d r m 系统的体系结构、d r m 中对数字内容使用的跟踪和审核、数字内容交易的商业模式及其安全性需求、多 媒体数据的加密、身份识别、d r m 系统中的密钥管理、数字权利的转移问题、数 字版权描述等等。电子媒体的d r m 技术相对比较成熟，国内外应用也较多。国外 的电子媒体d r m 系统，有m i c r o s o f td a s ，a d o b ec o n t e n ts e r v e r ( 原g l a s s b o o kc o n t e n t s e r v e r ) 等等，国内的电子媒体d r m 系统有方正a p a b i 数字版权保护系统。 除了电子媒体的d r m 系统以外，针对各个应用领域，还有不同的d r m 系统： ( 1 ) 流媒体的d r m 流媒体的d r m 主要有i b m 的e m m s 和m i c r o s o f tw i n d o w sm e d i ad r m 等等。 ( 2 ) 电子文档的d r m 电子文档的d r m 有s e a l e dm e d i ae n t e r p r i s el i c e n s es e r v e r ，a u t h e n t i c aa c t i v e r i g h t sm a n a g e m e n t 以及方i f _ a p a b io f f i c ed r m 、方正a p a b ic e bd r m 等等。 ( 3 ) 其他d r m 研究工作 第一章绪论 其他作d r m 研究的有i n t e r t r u s t 的d i g i b o x 和r i g h t ss y s t e m ，i b m 的c r y p t o l o p e ， 瑞：k g e n e v a 大学的h e p 、e d g a rw e i p p l 的r b a c 等等，这些系统注重d r m 基本原理 的研究，不针对具体的某一类数字内容。 1 3 数字水印技术的研究现状 数字水印技术从正式提出到现在虽然只有短短几年，但由于它是应用于开放 性网络上的多媒体信息隐藏技术，为解决版权保护和内容完整性认证、来源认证、 篡改认证、网上发行、用户跟踪等一系列问题提供了一个崭新的技术研究方向， 因此在数字产品的知识产权保护、隐蔽标识、篡改提示、隐蔽通信和防伪等方面 具有十分看好的应用前景。 在国际上，许多著名的大学都设立与数字水印相关的研究方向。美国麻省理 工学院、英国伦敦大学、德国国家信息技术中心和意大利的锡耶纳大学等可代表 学术的最高水平。美国版权保护技术组织( c p t w g ) 成立了专门的数据隐藏小组 ( d h s g ) 来制定版权保护水印的技术标准。由欧洲委员会赞助的项目t a l i s m a n 是 为欧盟成员国的服务提供商提供一个标准版权保护机制，防止大规模商业盗版和 非法拷贝。惠普从i n t e l 处获得了数字内容保护技术的授权，并将与飞利浦合作开发 拷贝控制技术。还有韩国的三星，日本的n e c 目前都有专门的d r m 研究项目。国 际学术界陆续发表了大量关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国际会议 ( 例! i i e e e 、s p i e 等) 及一些国际权威学术期刊( 例女n s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相继 出版了有关数字水印技术的专题。 国内很多研究单位和高校也纷纷投入数字水印的研究，像哈尔滨工业大学、 北京邮电大学、天津大学、中国科学院自动化研究所等，是国内较早投入数字水 印技术研究且取得较好成绩的科研单位。国内信息隐藏学术研讨会( c i h w ) 从1 9 9 9 年以来己成功地举办了五届，很大程度地推动了数字水印技术的研究与发展。同 时，国家对信息安全产业的发展也极为重视。数字水印技术的研究列在国家自然 科学基金和8 6 3 计划的资助下。在2 0 0 3 年的科技型小企业技术创新基金若干重点 项目指南中，明确指出了对“数字产品产权保护( 基于数字水印、信息隐藏或 者网络认证等先进技术) ”和“个性化产品( 证件) 的防伪( 基于水印、编码或 挑战应答等技术) 等多项防盗版和防伪技术予以重点支持。 在d r m 系统中，数字水印技术一般有如下的用途： ( 1 ) 保护元数据。在d r m 系统中，与著作权相关的信息组成一个元数据，然 后用数字水印将元数据和数字内容绑定。由于元数据中含有版权信息和使用条款， 数字水印保护元数据可提供安全保障。 ( 2 ) 用于盗版取证和追踪。出品人可将不同用户的信息作为不同的水印( 指纹) 4数字水印及其在数字版权管理系统中的应用研究 嵌入作品的合法拷贝中以用于盗版取证和追踪。 ( 3 ) 用于数据加注解和访问控制。这种水印称为注解水印( a n n o t a t i o n w a t e r m a r k s ) 。当数字内容在用户的播放设备中被访问时，用户的播放设备就对加 注解水印进行计数、核对使用限制、根据需求更新水印。 ( 4 ) 用于篡改提示与完整性保护。脆弱水印可以用于保护数字作品的完整性。 ( 5 ) 用于保护许可证信息。可将许可证信息作为水印嵌入到数字内容中。 1 4 本文的结构和研究内容 本文在广泛阅读国内外关于数字版权管理技术及数字水印技术的文献后，对 数字版权及图像数字水印有了较深的研究。从整体上，全文内容可以分为两个部 分：第一部分是对数字版权管理系统的研究并在典型的d r m 系统体系上设计并实 现了一个基于数字水印技术的d r m 框架系统。第二部分是对框架系统中的图像数 字水印进行了深入的研究并提出一种将可视水印与不可视水印相结合的图像双水 印算法。然后在此基础上完成该图像数字水印的实现。具体章节内容如下： 第一章是绪论。分别简要介绍了数字版权管理技术和数字水印技术的产生背 景、数字版权管理技术和数字水印技术的国内外发展现状及应用前景。 第二章是数字版权管理系统( d r m ) 相关理论与技术。详细介绍了数字版权管 理系统的功能结构和体系结构。并对系统中相关的密码学原理、数字水印技术及 认证技术进行了介绍。 第三章是数字水印技术在d r m 中的应用。详细介绍了数字水印的理论框架、 分类、典型算法及在d r m 系统中的相关应用。 第四章是基于数字水印技术的网络版权保护协议系统的研究与实现。在对d r m 经典模型及基于数字水印技术的网络多媒体协议的研究的基础上，设计了一种基 于数字水印技术的多媒体模型架构，明确了各角色的要求和责任以及各个组件所 完成的功能。利用v c + + 6 0 完成了主要功能的编码和实现。 第五章是双数字图像水印的研究与实现。首先对图像的鲁棒水印及半透明水 印算法进行研究。提出将可视水印与不可视水印相结合的思想。利用衡量块均匀 度参数及矩阵置换控制水印嵌入系数的选择，在图像的空域嵌入可见水印实现版 权的通知功能。利用模糊熵检测算法提取图像的边缘区域、k a l m a n 滤波检测算法 等子算法实现版权保护功能。然后，利用v c + + 6 0 编程实现算法功能，并给出结果。 第六章是总结与展望。总结笔者所做的工作及所研究算法及实现系统的不足， 并提出进一步的研究及实现计划。 第二章数字版权管理系统( d 1 w ) 相关理论与技术 第二章数字版权管理系统( d r m ) 相关理论与技术 2 1 数字版权管理系统的功能结构 数字版权管理的三个实体存在一定的有序关系，如图2 1 所示。从创建信息流， 然后传播到最后的使用形成了一条清晰有序的链条。 1 日j 口- i h a a 创建管理 使用 v v 。 图2 1 数字版权管理一般流程图 信息流不会无缘无故的产生，也不会这样无声无息的消失。新的创建是在旧 的使用基础上的，新的使用使用着新的创建，如图2 2 是相互依赖相互作用的。 图2 2 数字版权管理环形作用图 将图2 2 中创建，传播和使用功能进一步细化可以得到d r m 技术的功能结构如 图2 3 n 示，包括产权信息创建、产权信息管理、产权信息使用三个功能模块。这 三个功能模块和它的许多可以交互的子模块功能构成了d p d v i 系统的功能体系结 构。 6 数字水印及其在数字版权管理系统中的应用研究 卜同一 一叵 圆喜 产权信息的创建和获取这一功能模块用来管理内容的创建，目的是使内容易 于交易。这一模块包括由不同的内容创建者或提供者第一次创建( 或重用) 内容时， 就须加上产权声明。产权信息创建模块支持两个子模块：产权确认子模块保证从 已有内容创建的资源包含怎样做的权利说明；产权建立子模块将产权赋给新内容， 如指明产权的所有者和使用许可。 产权信息的管理这一功能模块用来管理和从事内容的交易，包括从资源创建 者那里获取内容，加入到资源管理系统中。这个模块中的交易系统需要管理描述 性元数据及产权元数据( 如团体、使用、支付等) 支持两个子模块信息仓储允许对 可能是分布式的数据库中的内容的存取与检索，以及对元数据的存取与检索；信 息交易将许可赋给拥有内容产权交易协定的团体，包括获得许可的人向产权所有 者的付费( 如版税支付) 。 产权信息的使用这一功能模块用来处理进行内容交易时对内容的使用管理， 包括在特定的系统或软件中支持在被交易内容之上定义的一些约束。产权信息功 能模块支持两个子模块：许可权限管理使内容的使用环境能遵守与内容相关的产 权。例如，如果用户只有阅读文档的权利，那么他不能将它打印出来；跟踪管理 追踪内容的使用情况，如用户只得到播放一部视频十次的许可。如果每一次使用 都要付费，则这个模块需要与交易系统进行协作，以跟踪使用情况或记录事务。 圈圈曰罡 一 | | 冒圈 一 r i | | ；一 圈 一 一 第二章数字版权管理系统( d r m ) 相关理论与技术 7 2 2 数字版权管理系统的体系结构 不同的d r m 系统虽然在所侧重的保护对象、应用的场合和采用的技术方面有 很大不同，但是它们的核心思想是相同的：使用技术手段对数字内容在分发、传 输和使用等各个环节进行控制，使得数字内容只能被授权使用的人，按照授权的 方式，在授权使用的期限内使用。典型d r m 系统的参考体系结构包括三个主要模 块：内容服务器、许可证服务器和客户端【l 7 1 。上述三个模块是d r m 的核心，必须协 同工作，才能构成完整的数字版权管理系统。 内容服务器通常包括存储数字内容的内容仓库、存储产品信息的产品信息库 和对数字内容进行安全处理的d r m 打包工具。该模块主要实现对数字内容的加密、 数字水印嵌入等处理并将处理结果和内容标识元数据等信息一起打包成可以分发 销售的数字内容。 许可证服务器包含权利库、内容密钥库、用户身份标识库和许可证生成器。 该模块主要用来生成并分发数字许可证，还可以实现用户身份认证、触发支付等 金融交易事务。数字许可证是一个包含数字内容使用权利( 包括使用权限、使用次 数、使用期限和使用条件等) 、许可证颁发者及其拥有者信息的计算机文件，用来 描述数字内容授权信息，由权利描述语言描述。 客户端主要包含控制器和数字内容使用工具，并负责和许可证服务器进行交 互。控制器收集用户身份标识等信息，控制数字内容的使用。如果没有许可证， 控制器还负责向许可证服务器申请许可证。数字内容使用工具主要用来辅助用户 使用数字内容。 2 3 1 加密技术 2 3 数字版权系统的安全技术 加密技术【2 2 】是实现信息保密性的一种重要手段。所谓加密就是使用数学方法 来重新组织数据，使得除了合法的接收者外，任何其他人要想恢复原先的“报文 ( 将原先的报文称作“明文”) 或读懂变化后的“报文”( 将变化后的报文称作“密 文”) 是非常困难的。数字版权的管理，如果用最简单的话来概述就是一种加密和 解密的过程。密码学是一门古老而深奥的学科，它对一般人来说是陌生的，因为 长期以来，它只在很少的范围内，如军事、外交、情报等部门使用。计算机密码 学是研究计算机信息加密、解密及其变换的科学，是数学和计算机的交叉学科， 也是一门新兴的学科。随着计算机网络和计算机通讯技术的发展，计算机密码学 数字水印及其在数字版权管理系统中的应用研究 得到前所未有的重视并迅速普及和发展起来。 在目前技术条件下，通常加密技术分为对称加密和非对称加密两类。 ( 1 ) 对称密钥加密( p r i v a t ek e y ) 采用相同的加密算法，并只交换共享的专用密钥( a n 密和解密都使用相同的密 钥) 。如果进行通信的交易各方能够确保专用密钥在密钥交换阶段未曾发生泄露， 则可以通过对称加密方法加密机密信息，及随报文发送报文摘要和报文散列值， 来保证报文的机密性和完整性。密钥安全交换是关系到对称加密有效性的核心环 节。目前常用的对称加密算法有d e s ，pc r ，id e a ，3d e s 等等。其中d e s 使用最普 遍，被i s o 采用作为数据加密的标准。 ( 2 ) 非对称密钥加密( p u b l i ck e y ) 不同于对称加密，非对称加密的密钥被分解为：公开密钥和私有密钥。密钥 对生成后，公开密钥以非保密方式对外公开，只对应于生成该密钥的发布者，私 有密钥则保存在密钥发布方手里。任何得到公开密钥的用户都可以使用该密钥加 密信息发送给该公开密钥的发布者，而发布者得到加密信息后，使用与公开密钥 相应对的私有密钥进行解密。目前，常用的非对称加密算法是r s a 算法。该算法 已被i s o t c 的数据加密技术分委员会s c 2 0 推荐为非对称密钥数据加密标准。 在对称和非对称两类加密方法中，对称加密的突出特点是加密速度快( 通常 比非对称加密快1 0 倍以上) 、效率高，被广泛用于大量数据的加密。但该方法的 致命缺点是密钥的传输与交换也面临着安全问题，密钥易被截获，而且，若和大 量用户通信，难以安全管理大量的密钥，因此大范围应用存在一定问题。而非对 称密钥则相反，很好的解决了对称加密中密钥数量过多难管理及费用高的不足， 也无须担心传输中的私有密钥的泄露，保密性能优于对称加密技术。但非对称加 密算法复杂，加密速度难以理想。目前电子商务实际运用中常常是两者结合使用。 2 3 2 数字水印技术 数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个重要研究的方向。它是指用信 号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可感 知的，只有通过专用的检测器或计算机软件才能提取检测出隐藏的数字水印。目 前虽有许多文献讨论有关数字水印技术的问题，但是数字水印始终没有一个明确 统一的定义。c o x 等把水印定义为“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行为。 杨义先生等认为“数字水印是永久镶嵌在其它数据( 宿主数据) 中具有鉴别性的 数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性”。 不同的应用对数字水印的要求不尽相同，一般认为数字水印具有以下主要特 性： 第二章数字版权管理系统( d i 蝴) 相关理论与技术 9 不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性。在数字作品中嵌 入数字水印不会引起明显的降质，并且不易被察觉。 确定性：嵌入到载体数据中的水印信息必须能够被唯一地鉴别出来，不会产 生二义性，水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供可靠的证据。这样才 能有效地识别数据的所有者、真实性和完整性。 稳健性：也称鲁棒性，是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括 无意( 如图像压缩、滤波、噪声污染、尺度变化等) 或有意( 如恶意攻击等) 。 在经过这些操作后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。 2 3 3 身份认证技术 身份认证的本质是被认证方拥有一些信息( 秘密信息、特殊硬件或者它游的 生物信息) ，除被认证方外，任何网络用户( 认证权威除外) 都不能伪造。当被 认证方能够使认证方相信他确实拥有那些秘密时，他的身份也就得到了认证。通 过身份认证，可以使通信双方相互验证身份，从而保证他们能够与合法的授权用 户进行通信；另一方面，通过验证认证消息的完整性可以防止各种攻击。 身份认证是数字版权管理系统的一个重要组成部分，使实施权限管理的基础。 身份认证技术多种多样，从最简单的用户密码、硬件标志技术到公钥基础设施 ( p u b l i ck e yi n f r a s t r u c t u r e ，p k i ) 技术等等。对于数字化的网络资源来说，使用方 式包括在线阅读或播放、下载后离线阅读或播放、复制部分或全部内容、打印部 分或全部内容、修改部分或全部内容等。而如上所述，对于不同的用户来说，具 有不同的使用权限。当前的认证技术比较出名的p n c a 认证，合法用户可以通过向 版权控制机构申请而获得c a 证书，从而确认该用户与版权者建立信息关系，通过 c a 证书获取相应的使用权限。如果该用户利用c a 证书进行非法复制，c a 机构将 进行调查和起诉。 第三章数字水印技术在d r m 中的应用 第三章数字水印技术在d r m 中的应用 3 1 数字水印的定义和特点 所谓数字水印是向多媒体数据( 如图像、声音、视频信号等) 中添加某些数 字信息以达到文件真伪鉴别、版权保护等功能，嵌入的水印信息隐藏于宿主文件 中，不影响原始文件的可观性和完整性。 数字水印过程就是向被保护的数字对象( 如静止图像、视频、音频等) 嵌入 某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的信息，可以是作者的序列号、公司标志、 有意义的文本等等。与水印相近或关系密切的概念有很多，从目前出现的文献中 看，已经有诸如信息隐藏、信息伪装、数字水印和数字指纹等概念。 不同的应用对数字水印的要求不尽相同，一般认为数字水印应具有如下特点： ( 1 ) 可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的 证据。水印算法能够将所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意 义的文字等) 嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水 印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以 及非法拷贝控制等。这实际上也是发展水印技术的基本动力。 ( 2 ) 不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入 水印导致载体数据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的， 最理想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法 所应达到的要求。 ( 3 ) 鲁棒性：鲁棒性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括有 意的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污 染、尺寸变换等等) 。显然在经过这些操作后，鲁棒性的水印算法应仍能从水印载 体中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图 删除水印将会导致水印载体的彻底破坏。 3 2 数字水印分类 数字水印的分类标准很多，本节给出了比较典型的分类方法。如图3 1 所示给 出了数字水印的分类概况，这种描述并未完全局限于按某种性质分类，但它可以 更好的显示出各类水印之间的关系。 1 2 数字水印及其在数字版权管理系统中的应用研究 应应 臣匐臣茎 应应应 图3 1 数字水印的分类 数字水印技术的类型可以从不同的角度进行划分。 ( 1 ) 按特性划分：可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。 鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等， 它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性 保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆 弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。 ( 2 ) 按水印所附载的媒体划分：可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、 视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。 ( 3 ) 按检测过程划分：按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲 水印，明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需 要原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限 制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。 ( 4 ) 按用途划分：根据不同的应用需求造就了不同的水印技术，可以将数字水 印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 ( 5 ) 按水印隐藏的位置划分：可以将其划分为时( 空) 域数字水印、频域数字水 印、时频域数字水印和时间尺度域数字水印。时( 空) 域数字水印是直接在信号 空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时频域数字水印和时间尺度域数字水印 第三章数字水印技术在d r m 中的应用 则分别是在d c t 变换域、时频变换域及小波变换域上隐藏水印。 ( 6 ) 按水印的可见程度划分：数字水印可划分为可见水印和不可见水印两种。 可见水印在宿主信息中会产生明显的可以察觉的变化，从而降低原宿主信息的质 量，但不会严重影响原始宿主信息的原来面目。不可见水印，就是在宿主信息中 的水印不能够被普通用户察觉。在某些特殊的应用场合，对水印的隐藏性要求高， 即使多媒体产品质量的要求达到苛刻的程度( 如医学图像等) ，我们必须满足它， 这对设计数字水印来说是一个很大的挑战。 3 3 数字水印嵌入及提取模型 数字水印是向多媒体数据( 如图像、声音、视频信号等) 中添加某些数字信 息以达到文件真伪鉴别、版权保护等功能，嵌入的水印信息隐藏于宿主文件中， 不影响原始文件的可观性和完整性。 一个数字水印方案一般包括三个基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印 的提取或检测。数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的 预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个相关技术 环节进行合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、稳健性等诸条件约束下 的准最优化设计问题。而作为水印信息的重要组成部分密钥，则是每个设计 方案的一个重要特色所在，往往可以在信息预处理、嵌入点的选择和调制控制等 不同环节入手完成密钥的嵌入。 数字水印一般过程基本框架示意图如图3 2 和图3 3 所示： 原始载体数据( i ) 水印嵌入算法 加入水印后的数1 ( e )据( 1 w ) 图3 2 水印嵌入的一股过程基本框架 图3 2 展示了水印的嵌入过程。该系统的输入是水印信息形、原始载体数据j 和一个可选的私钥公钥k 。其中水印信息可以是任何形式的数据，如随机序列或 伪随机序列；字符或栅格；二值图像、灰度图像或彩色图像；3 d 图像等等。水印 生成算法g 应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。水印信息形可由伪 随机数发生器生成，另外基于混沌的水印生成方法也具有很好的保密特性。密钥k 1 4数字水印及其在数字版权管理系统中的应用研究 可用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印。所有的实用系统必须使用 一个密钥，有的甚至使用几个密钥的组合。 水印的嵌入算法很多，从总的来看可以分为空间域算法和变换域算法，由图 3 2 可以定义水印嵌入过程的通用公式： 1 w = e ( 1 ，i r e ，k ) 式( 3 - 1 ) 其中岛表示嵌入水印后的数据( 即水印载体数据) ，表示原始载体数据，形表示 水印集合，k 表示密钥集合。这里密钥k 是可选项，一般用于水印信号的再生。 图3 3 水印的检测模型 图3 3 是水印的一般检测过程。由图3 3 可以定义水印检测过程的通用公式为： w = d ( l ，i ，k ) 式( 3 - 2 ) 其中，形表示估计水印，d 为水印检测算法，l 表示在传输过程中受到攻击 后的水印载体信息。 3 4 数字水印典型算法 在不到1 0 年的时间里，出现了很多数字水印算法，下面对其中一些典型算法 分类作简单介绍。这些分类是很粗略的，而且很多算法同时采用了多种技术。 ( 1 ) 空间域方法 早期的空间域方法主要是修改图像的最低有效位( l s b ) 。通过修改最低的两个 有效位来嵌入水印，这种算法嵌入数据量可以很大，但明显缺乏鲁棒性。 ( 2 ) d c t 变换域方法 i j c o x 等建议扩频数字水印，将水印嵌入视觉重要区域。算法通过改变除d c 系数外的1 0 0 0 个最重要的d c t ( 对整个图像作二维变换) 系数，嵌入高斯伪随机序 列，作为水印。此算法有较强的鲁棒性，能抵抗i b m 攻击和共谋攻击，但一般需要 原始图像来提取水印。与此方法类似，可以采用分块d c t 变换，或8x8 分块d c t 第三章数字水印技术在d r m 中的应用 1 5 变换，但不是所有的分块都用来嵌入水印，而且改变的是中间频率的系数。这类 方法抵抗几何变换的能力都比较弱。 s w a n s o n 等利用空间掩蔽特性，计算每个d c t 系数允许改变的最大限度，确保 水印的透明性。z e n g 等提出了一个混合法，既修改全局d c t 变换的低频系数，又 在中间频率的系数中嵌入一个扩频信号。 ( 3 ) w a v e l e t 变换域方法 h o u n g j y hw a n g 等提出了在视觉重要的小波系数中嵌入水印的方法。算法按 视觉重要性搜索系数，依次嵌入水印。采取了两种嵌入方案，一种在提取水印时 需要原图，一种不需要。但这种算法在算法公开时，很容易去除水印，因为算法 公开了嵌入水印的地点( 即按视觉重要性顺序嵌入) ，攻击者用同样的方法就可去 掉水印。这种方案可用作注释水印。d e c p ak u n d u r 等在一些文献中提出了一种基于 小波变换的私有水印和公开水印算法。前者将图像和要嵌入的水印信息分别作小 波分解，根据视觉特性进行数据融合，此方法在提取水印时需要原始图像；后者 是对小波系数进行特殊的量化以嵌入信息，此方法提取水印不需要原图。 ( 4 ) r s t 不变性具有旋转( r o t a t i o n ) 、尺度( s c a l e ) 、平移( t r a n s l a t i o n ) 不变性的 水印方案通过如下方式获得：平移不变性通过计算图像d f t 变换，而仅利用d f t 系数的绝对值来获得；然后，d f t 系数的绝对值映射到对数极坐标平面，对数极坐 标中的平移不变性对应于空间域的尺度和旋转不变性；再对数极坐标进行二维d f t 变换，取系数绝对值，从而得至u r s t 不变域：水印嵌入至i j r s t 不变域，然后映射到 对数极坐标，再映射回二维d f t 域，最后作逆d f t 变换，得到嵌入水印后的图像。 ( 5 ) 量化水印 e g g e r s 和g i r o d 提出利用抖动量化代替压缩算法中的量化，结合j p e g 压缩过程， 提出了一种私有的指纹水印算法。 ( 6 ) 基于感兴趣区域的方法 一些文献中有提出两种基于感兴趣区域( r o i ，r e g i o no fi n t e r e s t ) 的数字水印 算法，第一种算法由用户选择感兴趣区域，然后作小波分解，在各子带中与感兴 趣区域对应的系数中嵌入水印，是一种私有水印算法，而且提取过程需要知道原 来的感兴趣区域；第二种方法是公开水印算法，而且提取水印不需要知道原来的 关于感兴趣区域，但需要用户选择一个点，作为参照。第二种方法可作为注释水 印，用于图像数据库的检索。 ( 7 ) 其他方法 可以利用分形、数学形态学、特征值分解、知觉模型等方法来嵌入水印，以 及在压缩域嵌入水印。 1 6数字水印及其在数字版权管理系统中的应用研究 3 5 鲁棒水印的攻击 对鲁棒水印的攻击包括：破坏水印、消除水印、加入假水印、利用水印检测 器进行攻击。有下面几类常见攻击方法。 ( 1 ) 基本攻击( b a s i ca t t a c k ) 很多基于扩频的数字水印仅仅通过复制或删除一定数量的采样点，就能造成 水印提取失败，如在图像中删除几行或几列，在其他位置复制通同样数量的行或 列。一些基本的图像处理过程也会降低水印的可检测性，如滤波、均衡、替换、 打印扫描等。 ( 2 ) 鲁棒性攻击( r o b u s ta t t a c k ) 例p h s t i r m a r k 攻击。该攻击先对图像进行局部轻微程度的拉伸、剪切、旋转等 几何操作，然后采用双线性插值或n y q u i s t 插值，最后通过一个传递函数的应用， 模拟了非线性的a d 转换器的缺陷带来的误差( 通常见于扫描仪或显示设备) 。很多 水印算法都能被此方法成功攻击，有的攻击方法通过估计嵌入的水印的方法来去 除水印；有些算法由于其算法的特征，攻击者能获得关于水印的信息，进而进行 攻击。 ( 3 ) 共谋攻击( c o l l u s i o na t t a c k ) 针对指纹水印的攻击方法，攻击者通过同一数据源的嵌入不同水印的版本， 经过平均等运算得到一个新的版本，使得水印无法被检测到。 ( 4 ) 展示攻击( p r e s e n t a t i o na t t a c k ) j t n m o s a i c 攻击，这种攻击主要针对网上自动侵权探测器。方法是将图像分成 若干小块，将这些小块在w e b 页面拼成完整的图像，使得探测器无法探测到水印。 ( 5 ) 解释攻击( i n t e r p r e t a t i o na t t a c k ) 也称为i b m 攻击，基本思想是在已嵌入水印的图像b 中减去一个水印信息w 。 从而得到图像c ，然后攻击者声称图像b 中有他的水e n w ，而且他拥有原图c 。这 样，原水印和假水印都能检测到，造成无法确定的情况。应对的方法是采用不可 逆的水印算法。 ( 6 ) 拷贝攻击( c o p ya t t a c k ) 与其他攻击不同，这种攻击方法的目的不是消除水印或使水印无法检测到， 而是设法将一副图像中的水印“拷贝”到另一副图像中，从而使版权保护中标志 身份的水印失信。 第四章基于数字水印技术的网络版权保护协议系统地研究与实现 1 7 第四章基于数字水印技术的网络版权保护协议系统的研究与 实现 4 1 引言 数字水印应用到网络数字多媒体的版权保护中，需要设计一种实现简单、可 靠性高的保护协议及系统。数字水印本身并不具备阻止数据被拷贝的功能。它作 为版权保护系统的一部分，提供着版权的验证或者拷贝预警的功能并结合系统的 其他模块实现对版权多媒体消息的有效保护。因为，我们有必要研究应用水印的 版权保护协议及具体的网络实现方案。 d r m 技术是一项加强对图像、音频、视频数字化产品内容版权保护的技术， 其基本的工作原理一般是将图像、音频