數字指紋技術研究進展

鄧家青 林 沛

（廣州無線電集團，廣東 廣州 510656）

數字指紋技術研究進展

鄧家青 林 沛

（廣州無線電集團，廣東 廣州 510656）

本文對數字指紋技術的應用及國內外的研究進展做了綜述。首先簡單介紹了數字指紋系統及其在版權保護上的應用。然后分別介紹了傳統的數字指紋技術，以及新型的基于多用戶通信技術的指紋技術。指出了當前數字指紋技術存在的不足，提出數字指紋技術今后的發展方向是以通信技術的角度作為切入點來研究對抗合謀攻擊問題。

數字指紋；數字編碼；擴頻

1 數字指紋技術簡介

數字指紋技術是在近十多來來發展起來的一種用于保護知識產權的技術。數字指紋是指在數字產品分發中，銷售商在各個授權版本中所添加的一個獨特的特征序列。發現非授權版本后，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。一個完整的數字指紋系統如下圖1所示。

圖1 數字指紋系統

由于叛逆者會結成同盟，發動合謀攻擊，企圖銷毀其指紋以逃脫罪責，所以數字指紋技術必須有良好的抗合謀能力，這也是數字指紋技術的研究重點。數字指紋技術最早起源于對數據庫管理中的比特流進行保護的需要。因而傳統的數據指紋技術主要面向存儲數據保護，所采取的很多技術特點也是為了適應這一應用環境及條件。但由于近十年來互聯網技術的迅猛發展，使得媒體傳播方式發生了深刻的改變。這些新的環境和條件也對數字指紋技術提出了新的挑戰。

2 傳統指紋技術

傳統的數字指紋技術可以分為兩大類，即所謂的獨立指紋和編碼指紋。獨立指紋是指采用統計上相互獨立的擴頻碼作為各用戶獨特的指紋。這一思路由一般的擴頻水印技術發展而來。Cox等人最早提出了采用擴頻調制的嵌入技術[1]，其編碼由獨立同分布的均勻分布或高斯分布信號源產生，能夠在某種程度上抵御平均攻擊。在文獻[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，偽隨機碼的誤碼性能，并提出了一種對合謀尺寸進行估計的方法。文獻[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字取證分析。文獻[2] [3]同時也對碼長與用戶及叛逆者數目對系統性能的影響做了詳盡分析，并在特定合謀攻擊模型下，推導出了功率誤差函數的上下限。Li和Trappe等人在文獻[4]中，提出了一種基于韋爾奇界等式和球形譯碼的新方法。

基于擴頻的指紋系統的好處在于易于實現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[5]報道基于擴頻的指紋系統在用戶數為上千萬時仍可有較強的抗合謀能力。但其最大的問題在于所需要的擴頻碼長度及數量、接收機的復雜度都隨用戶數的增加線性增長。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行檢測，因而檢測復雜度大大降低。而且由于各組之間的獨立性，減少了了無辜用戶被

誤判的可能。這個思想被應用到了多個基于擴頻的方案中，比如文獻[7][8]。

第二種方法稱作編碼指紋，一般利用組合數學中的組合設計理論，來設計合適的指紋編碼。編碼指紋最早發展于上世紀八十年代早期，最初是出于對通用數據，比如數據庫中的頭文件或數據等進行保護的需要。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。而且當叛逆者數量超過預設值時，CS碼便完全失去了追蹤功能。隨后Trappe等人利用正交調制改進了這個算法，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于CS碼。Yacobi在文獻[11]中提出嵌入碼字，用直接擴頻序列進行調制。He和Wu[8]在此基礎上，將編碼設計與擴頻調制分別在不同的層上實現，提出所謂的TA碼。另外比較值得關注的是Tardos所提出來的編碼方案[12]，理論上，叛逆者數量一定的條件下，該方案實現的碼字長度最短。

這些基于糾錯編碼的算法都發源于針對通用數據的數字指紋技術，在進行編碼設計時并沒有充分考慮到多媒體信號的特殊性質和問題。雖然有文獻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所抽象出來的模型。所謂嵌入假設認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。這一假設在針對存儲數據的環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歷編碼轉換、重新量化等過程，這些都會導致不可見位發生改變。同時正如文獻[10]所指出，只對嵌入和編碼進行聯合設計，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，陳曉蘇等人[15]提出了一種基于隨機序列的數字指紋編碼和跟蹤算法.從理論上推導了算法的編碼長度、合謀人數以及跟蹤算法錯誤概率之間的關系,給出了錯誤概率界。在文獻[16]中，陳曉蘇等人從級聯碼的思想出發，提出一種新的兩用戶共謀安全碼。其內碼采用基于混沌序列，外碼采用IPP碼，可以在共謀人數為2的情況下，對非法分發者進行有效跟蹤。王彥及呂述望等人[17]基于二進制隨機編碼，通過使用偽隨機序列對指紋比特的重復嵌入進行控制，提出了一種有效的抗合謀攻擊的數字指紋編碼算法及其相應的跟蹤算法。朱巖和楊永田等人[18-19]結合卷積碼和一般指紋碼構成一種兩層鏈接結構的指紋信息，實現了更短的指紋碼構造和多項式時間的搜索復雜度。Yu和Wei[20]構建了一種面向分組的指紋碼，其外碼采用Reed-Solomon碼，內碼采用平衡不完全區組設計(Balanced Incomplete Block Design,BIBD)和正交碼構成的碼矩陣，這種編碼方案通過外碼識別出共謀者所在的小組，然后再通過內碼追蹤到共謀者，相比傳統的指紋碼，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結合，提出了一種盲檢測的量化方法，該方法將共謀攻擊轉化為數字指紋的邏輯運算。在此基礎上，他們采用這種量化方法分別在空域和DCT域實現了盲檢測指紋算法。

3 基于多用戶通信技術的指紋技術

在數字指紋系統中，為了達到更好的性能，需要將系統的編碼、嵌入、攻擊及檢測等問題聯合起來考慮。按照以上思路進行的嘗試包括近年來Cha和Kuo發表的一系列論文[24-28]。他們對基于MC-CDMA（多載波碼分多址，Multi-carrier Code Division Multiple Access,MC-CDMA）的數字指紋系統作了研究。這一方法的思路是將抗合謀碼字設計問題表述為MC-CDMA通信系統的擴頻碼設計與符號檢測問題。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量。而且從無線通信技術的角度來講，MC-CDMA系統在頻譜效率、頻率分集、誤碼率性能各方面均不如采用非正交擴頻的OFDM-IDMA系統[29]。因此Lin等人對基于OFDM-IDMA的指紋系統做了研究[30]，仿真表明了該技術的可行性及檢測效率上的優越性。

4 結論

總體上來講，目前各種數字指紋技術還有很大的發展空間，不但是在某些技術指標存在不足，比如抗合謀性不夠全面、碼字太長、容納用戶數量有限等，更重要的是針對性不強，不能適合大規模互聯網傳播方式的實際要求。因此，針對網絡媒體傳播的新特點，亟需在已有的數字指紋技術基礎上，研究新的技術，提高數字指紋系統的性能指標，以滿足實際應用的要求。以通信技術的角度作為切入點，從另外一條思路研究對抗合謀攻擊問題，是數字指紋技術發展的方向。因為在這個框架內，能采用的設計及分析工具要遠比一般編碼指紋更為豐富。比如合謀者權重估計及抵御動態合謀攻擊都可以在這個新的框架內展開討論，而這些問題在傳統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，比如碼字設計、位移擴頻、基于導頻的信道估計、接收機設計等。

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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。