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节目信源版权保护、认证和加/解密解决方案


一、数字水印技术

    随着以微电子技术为代表的信息产业的飞速发展,多媒体、计算机网络、个人移动通信技术等等已进入寻常百姓家。数字化已深入人心,VCD更是家喻户晓。同时,以Internet为先锋的网络化浪潮更是席卷全球。

    然而,伴随着数字技术和网络化的发展,当快捷准确廉价的数字传输手段在为无数商家带来无限机遇的同时,也提出了新的挑战--数字产品(如电子出版物,电子绘画,音视频产品等)的侵权、盗版和随意篡改。当一位作者耗费心血创造了一件数字作品,并将其运用于信息网络中,而非法使用者可以很方便地得到与原作一模一样的拷贝,并可任意进行伪造和篡改,而合法用户却很难证明自己对作品的所有权,更无法确认伪造和篡改的程度,也就无法通过法律武器 保护自己的权益。这也正是许多出版商面对信息网络销售模式犹豫不决的主要原因之一。

    现有的许多先进数字技术已被用于防止非法盗版,例如密码技术,但仅采用密码技术并不能完全解决这一问题,密码仅能在数据从发送者到接收者传输过程中进行数据保密。但当被接收并进行解密后,所有加密的文档就与普通文档一样,将不再受到保护,无法防止被盗版。

    为了解决这一难题,近几年国际上提出一种新的数字产品著作权保护技术--数字水印。

    这是将特制的不可见的数字标记隐藏在数字产品中,用以证明原创作者对作品的所有权,并作为起诉非法侵权者的证据,从而保护作者的合法权益。数字产品包括图像、声音、文档、视频信息等等。下面介绍一个加上数字水印的过程。假设有一幅数字摄影图像,为了标识作者对该作品创作的所有权,可以采用在原图上加入可见标记的方法,但这样可能伤害图像的完整性,因此可以利用数字水印嵌入技术,将作者标识作为一种不可见数据(数字水印)隐藏于原始图像中,达到既注明了所有权又不伤害图像的主观质量和完整性的目的。含水印图像能保持原图的图像格式等信息,并不影响正常信息的复制和处理,从主观质量而言,两幅图像差别微乎其微,无法用肉眼察觉。只有通过特定的解码器才能从中提取隐藏信息。该技术是数字隐藏技术的一个重要应用分支。

--作为一种先进的数字产品所有权保护措施,其应具有以下特点:

    " 非法复制探测能力,以确定非法产品复制。

    " 内容鉴定,用于鉴别可能经过伪造和滤波处理的侵权产品。

    " 准确的所有权证明,因其将成为法庭起诉的依据,必须能充分证明真正用户对作品的所有权。

    数字水印技术的基本特性

    为了更好地实现对数字产品知识产权的保护,一个数字产品的内嵌数字水印应具有以下基本特性:

(1) 不易察觉性

    数字产品引入数字水印后,应不易被接收者察觉,同时又不能影响原作的质量。在早期研究中,往往采用"不可感知性"来描述这一特性,但这仅是一个完美的设想。如果一个内嵌信号真的做到了不可感知,那么在理论上,基于感知特性的有损压缩算法将很容易消除水印,无法达到标识的目的,而现在用于Internet网上的大量图像信息传递格式采用JPEG格式,这就是一种典型的有损压缩编码方式。

(2) 安全可靠性

    数字水印应能对抗非法的探测和解码,面对非法攻击也能以极低差错率识别作品的所有权。同时数字水印应很难为他人所复制和伪造。

(3) 隐藏信息的鲁棒性

    数字水印必须对各种信号处理过程具有很强的鲁棒性。即能在多种无意或有意的信号处理过程后产生一定的失真的情况下,仍能保持水印完整性和鉴别的准确性。如对图像进行的通常处理操作带来的信号失真,这包括数/模与模/数转换,再取样、再量化、低通滤波;对图像和视频信号的几何失真,包括剪切、位移、尺度变化等;对图像进行有损压缩编号,如变换编码,矢量量化等,对音频信号的低频放大等等。虽然从理论上,水印是可以消除的,但必须具备相应的解除信息,成功的数字水印技术在解三  信息不完备的情况下,任何试去除水印的方法均应直接导致原始数据的严重损失。对于数字水印而言,其隐藏信息的鲁棒性在实际应用中是由两部分组成:

    a) 在整体数据出现失真后,其内嵌水印仍能存在。

    b) 在数据失真后,水印探测算法仍能精确地探测出水印的存在。例如,许多算法插入的水印在几何失真(如尺度变化)后仍能保存,但其相应探测器只有在首先去除失真后才探测水印,如果失真无法确定或无法消除,探测器就无法正常识别。

(4)抗攻击性

    在水印能够承受合法的信号失真的同时,水印还应能抗击试图去除所含水印的破坏处理过程。除此之外,如果许多同样作品的复件存在不同的水印,当水印用作购买者的鉴定(数字指纹技术),就可能遭受许多购买者的合谋攻击。即多个使用者利用各自具有的含水印的合法拷贝,通过平均相同数据等手段,销毁所含水印或形成不同的合法水印诬陷第三方。水印技术必须考虑这些攻击模式,确保水印探测的准确性。

(5)水印调整和多重水印

    在许多具体应用中,希望在插入水印后仍能调整它。例如,对于数字视盘,一个盘片被嵌入水印仅允许一次复制。一旦复制完成,有必要调整原盘上的水印禁止再次复制。最优的技术是允许多个水印共存,而且便于跟踪作品从制作到发行到购买,可以在发行的每个环节上插入特制的水印。

    除了以上的基本特性,数字水印的设计还应考虑信息量的约束,编解码器的运算量(该点对于商业应用十分重要),以及水印算法的通用性,包括音频、图像和视频。

    对于最经常跟知识产权的鉴证和版权保护有关的技术来说,数字水印是著名的时髦词语。它原先在90年代中期开发,以保护静止图像和视频,现在正应用到其他数字媒体,从网上音乐到DVD和数字电视广播。基本的数字水印技术使用一些非常低水平的噪声图案,代表数字比特,对极端低水平的识别信息进行编码。这种嵌入在视频内容的图案形成了一个"指纹",观众看不见它,但是可以被版权所有者简单地解码,以明确其所有权。视频水印版权应用从本质上说只要求水印的数据通道带宽为每帧1到2比特,并且是专门为了在黑客、拷贝和处理设备的"敌意攻击"下能生存而设计的。

    加入水印的算法是数字水印技术的关键环节,更是没有一定成规,当然以越难破译、越坚固越好。目前已有的数字水印技术大都是利用空间域、频率域、时间域制作的,它们各有特点,抗攻击能力也各不相同。

    早期的数字水印算法利用的是空间域。以图像为例,有几种不同的方法,可以嵌入在一幅图像的亮度、色彩、或轮廓、结构中。普通水印制作方法利用的是亮度,因为它包含了一幅彩色图像的最重要的信息。做空间域水印还可以用色彩分离的办法,水印只存在于色谱的一个颜色中,这样水印看起来很淡,正常情况下很难发现。一种比较坚固的水印技术可以与在纸张上制作水印的方法类比,这种技术可以将水印符号叠加到图像上,而后调节图像上因叠加了水印而发生了变化的那些像素的亮度,根据亮度值的大小,水印可以做成可见的或不可见的。

    图像空间域水印的一个缺点是经不住修剪(图像编辑中的一种普通处理方法),但如果将水印信息做的很小,利用前面所提到的"草堆里找针"的方法,可以解决这个问题。一个数字产品好比是一个草堆,它里面不是只有一根针,而是很多针,每一根针都是水印的一个拷贝,这样就能经得住图像修剪处理,除非修剪到图像失去任何欣赏价值。盗贼如不想被抓住,就必须从草堆中把所有的针都找出来并除去,这样他们就将面临这样的选择:要么耗其余生寻找所有的针,要么干脆烧掉草堆以确保毁掉所有的针。 文本的水印通常也是做在空间域的,常用的方法有:文本行编码、字间距编码及字符编码。

    频率域制作水印的算法是比较坚固的方法,它是利用一个信号可以掩盖另一个较弱的信号这一频率掩盖现象,在频域变换中嵌入水印,包括快速傅里叶变换(FFT)、离散余弦变换(DCT)、Hadamard变换和小波变换。频域水印制作中一个比较重要的问题是频率的选择,任何一段频率应该都是可以利用的,但在各频段调制出的水印却有着不同的特性。高频会在有损压缩和尺寸调整中丢失,故做在高频中的水印在低通滤波和几何处理方面显得不够坚固,但对于γ校正、对比度/亮度调节等则具有很好的坚固性。水印做在低频不会提高噪声水平,所以水印适于调制在较低的频率中,低频水印所表现出来的特性与高频正好相反,它对低通滤波、有损压缩等具有很强的坚固性,而对γ校正、对比度/亮度调节等处理则比较敏感。如果将高、低频率水印的互补优点结合起来,就可以得到坚固性非常高的水印技术。因为频域中的水印在逆变换时会散布在整个图像空间中,故不像空间域水印技术那样易受到修剪处理的影响。最好是用原作品中含有重要信息的那些频率(即感觉最敏感的频率),这样水印就最不易被去除。

    ----为了给攻击者增加去除水印的不可预测的难度,目前大多数水印制作方案都在加入、提取时采用了密钥,应做到只有掌握密钥的人才能读出水印。"密钥"这个词是从密码学借用来的,有人认为,水印密钥与密码密钥尚无法相提并论。但应做到,即使知道水印的嵌入算法的全部细节,只是不知道秘密密钥,就不能将水印提出或破坏。

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