數字水印技術及其在版權保護中的應用

2013-10-19 05:01:24厙睿

科技視界 2013年26期

厙睿

（西安醫學院圖書館，陜西西安 710024）

1 數字水印的概念和分類

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

數字水印是嵌入在數字圖像、音頻以及視頻等媒體中的信號，可以鑒別產品的真偽或者歸屬者。數字水印的分類方法有很多種，不同的角度會有不同的劃分，它們之間既有聯系又有區別。最常見的分類方法包括以下幾種：

（1）按數字水印特性：可以劃分為魯棒數字水印和脆弱數字水印兩類。

（2）按數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）按數字水印檢測過程：可以劃分為明文水印和盲水印。

（4）按數字水印的用途：可以劃分為票據防偽水印、版權保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。

（5）按數字水印隱藏的位置：可以劃分為時(空)域數字水印、頻域數字水印、時頻域數字水印和時間/尺度域數字水印。

（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 數字水印的廣泛應用

數字水印技術未來的應用領域將會更加廣闊，該技術己經引起工業界的濃厚興趣，并日益成為國際上非常活躍的研究領域。主要有以下5 個領域：

（2）內容認證：用來認證被保護作品內容的真實性、完整性，其主要應用領域有醫學圖像、指紋數據庫等。

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

（4）交易跟蹤：控制未授權的產品復制。

（5）設備控制：應用水印技術的設備能夠檢測出待處理作品的水印信息，并做出相應操作。

不同的應用對數字水印的要求不盡相同，一般認為數字水印應具有如下特點：

（1）可證明性：數字水印算法應該能把所有者的相關信息完整的嵌入進去，水印能為產品的歸屬提供可靠地依據。在需要的時候能夠完整的提取出水印信息。水印可以用來判別對象是否受到保護，并能夠監視被保護數據的傳播、真偽鑒別以及非法拷貝控制等。這實際上也是發展水印技術的基本功能。

（2）不可感知性：數字水印的存在不應明顯干擾被保護的數據，不影響被保護數據的正常使用的情況下應該在視覺和聽覺或者其它感官上不被感知，同時要求用統計方法也不能恢復水印。

（3）魯棒性：指經過常規信號處理操作后能夠檢測出所嵌水印的能力。以圖像為例，常規操作包括濾波、有損壓縮、幾何形變等等，在經過這些操作后，魯棒的水印算法應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 數字水印典型算法

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

時/空間域方法算法簡單，實時性比較強。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”，最簡單的做法是通過修改最低的兩個有效位來嵌入水印，隨后很多學者對該算法進行了改進，最典型算法是對載體數據區分奇數和偶數行，對奇數行和偶數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字水印的技術結合起來，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字水印算法和保持原始直方圖的數字水印算法；預測編碼數字水印算法，1994年Matsui 提出了一種基于灰度圖像預測編碼的數字水印算法，掃描所有的圖像點用預測編碼進行編碼，根據一張保密的對應編碼表確定是否嵌入水印信息。時/空間域方法嵌入數據量可以很大，但明顯缺乏魯棒性。

頻域算法主要是使用了通信中的擴頻技術，在數字水印技術中，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，將水印信息嵌入到多個載體信息的頻域系數中去，破壞水印信息需要把很強的噪聲信息加入到載體信息的所有頻域當中去，破壞水印的同時載體的質量也嚴重下降。因此，頻域的數字水印算法具有很強的魯棒性和安全性。主要的算法有DCT 變換域方法，L.I.Cox 提出在圖像的敏感區域嵌入水印，把高斯偽隨機序列作為水印嵌入到除DC 系數以外的1000 個DCT 系數中，同時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。Swanson 等提出利用空間掩蔽特性，計算每個DCT 系數允許改變的最大限度，確保水印的透明性。Zeng 等人提出了一個混合法，既修改全局DCT 變換的低頻系數，又在中間頻率的系數中嵌入一個擴頻信號。Barni 等人把感知模型精確到一個圖像小波系數，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中嵌入水印的方法。算法按視覺重要性搜索系數，依次嵌入水印。量化水?。篍ggers 和Girod 提出利用抖動量化代替壓縮算法中的量化，結合JPEG 壓縮過程，提出了一種私有的指紋水印算法。頻域數字水印方法具有抗信號處理和抗攻擊力較強的魯棒性及隱蔽性。

4 數字水印技術及其在版權保護中的應用

數字水印方案一般包括三個步驟：水印的生成、水印的嵌入和水印的提出檢測是否存在。圖1 展示了水印的嵌入過程。該系統的輸入是水印信息、原始載體數據和一個可選的私鑰/公鑰。其中水印信息可以是任何形式的數據，如隨機序列或偽隨機序列、二值圖像、灰度圖像或彩色圖像等等。水印生成算法應保證水印的唯一性、有效性、不可逆性等屬性。水印信息可由偽隨機數發生器生成。密鑰可用來加強安全性，以避免未授權的恢復和修復水印。所有的實用系統必須使用一個密鑰，有的甚至使用幾個密鑰的組合。

圖1 數字水印的嵌入

圖2 是數字水印的提取過程，通常使用數字水印或者原始數據、和待檢測數據、密鑰通過水印檢測算法檢測出水印信息，再和嵌入的水印信息做比較從而確定版權及是否受到攻擊。

圖2 數字水印的提取

信息資源數字化是圖書館服務跨入現代化和網絡化的重要標志，數字化建設首先是將圖書資料進行數字化處理，并且分門別類歸檔到到服務器中，隨著現代科技技術的不斷發展，大容量存儲硬件的出現已經讓數字化本身不存在問題。同時3G時代和即將到來的4G時代使得網絡的帶寬和速度已經大幅的提高，PC、智能手機、云終端等電子設備的普及給圖書館數字化提供了強有力地支持。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，同時又要保護作者的合法權益。由于版權的問題使數字化還存在著一定的障礙，因為數字圖書館作為互聯網上的一個信息系統，其數字化的信息很容易被復制卻很難發現和控制，所以圖書館不能隨意地將沒有取得版權的文獻自由數字化并提供給讀者使用。這是目前阻止圖書館數字化進程的關鍵性因素。

缺少數字版權管理，即便是最完美的數字化內容也是毫無商業價值的。2001年麻省理工學院在《技術評論》中稱，數字版權管理技術是今后信息技術領域重點開發技術。數字水印應用到網絡數字多媒體的版權保護中，需要設計一種實現簡單、可靠性高的保護協議及系統。數字水印本身并不具備阻止數據被拷貝的功能。它作為版權保護系統的一部分，提供著版權的驗證或者拷貝預警的功能并結合系統的其他模塊實現對版權多媒體消息的有效保護。

DRM 系統技術是一項加強對圖像、音頻、視頻數字化產品內容版權保護的技術，其基本的工作原理一般是將圖像、音頻、視頻等文件進行加密編碼處理，再建立一個證書授權服務中心來保護多媒體信息的版權和使用權限。在DRM 系統中，數字水印主要可以做為如下這幾種應用：保護元數據，在DRM 系統中可以把數字水印和著作信息相關的數據元綁定，來檢測版權和費用支付；發現盜版之后取證和跟蹤，在數字產品的拷貝和發行中，發行人可以把不同的ID 或者身份信息作為不同的數字水印嵌入到合法拷貝中去。如果發現存在侵權行為就可以通過水印信息確認其來源；確認是否遭受篡改，把脆弱數字水印嵌入到數字產品中去，因為脆弱水印對信號的改動很敏感，即便發生很小的變動，數字水印也會隨之發生變化，人們根據脆弱水印的狀態就可以判斷數據是否被篡改過；保護許可信息，在DRM 系統中一般只有用戶獲得合法的許可信息才能消費數字內容，可以把把許可信息作為數字水印信息嵌入到產品中去，從而提高許可信息的健壯性。

數字水印的理論與技術日漸完善，其應用領域也不斷拓展，并已逐步成為計算機多媒體技術、通信技術、信息論、密碼學、數字信號處理及數字版權保護等眾多學科研究的切入點，相信它一定能在數字圖書館的建設過程中發揮出應有的作用。伴隨著人們對版權保護意識的不斷提高，以及國家不斷完善的版權保護法和數字水印技術的不斷發展，不遠的將來，數字產品的版權保護和合理使用將會得到有效保障，侵權行為也會得到有效的遏制。

［1］王陽.論圖書館的電子書服務及數字版權管理[J].新世紀圖書館，2006(1)：42-44.

［2］謝東，張基溫.基于數字水印技術的信息產品保護[J].情報雜志，2005(7)：91-95.

［3］張曉琳.網絡環境下數字圖書館建設中的版權問題分析[J].現代情報，2007(12)：99-101.

［4］王建.數字圖書館建設和運行中的知識產權問題及對策研究[J].理論與探索，2010(9)：32-36.

［5］王哲，李瑩.數字水印技術及其在數字圖書館中的應用[J].科技情報開發與經濟，2007(10)：36 -38.

［6］孫青，耿騫.數字圖書館建設及其知識產權[J].情報科學，2007(7)：987-991.