毕业论文——数字水印在网络作品版权保护中的应用.doc

1、 1 数字水印在网络作品版权保护中的应用 摘要 ： 全球迅猛发展的 Internet网络给世界经济带来了新的商机，数字技术提供了与原作品同样精美的复制品，但同时使得网络作品的版权保护问题日益突出。 本文介绍了最新的多媒体版权保护技术数字水印的概念，在阐述数字水印的分类和特性的基础上，提出了以数字水印为基础的网络作品版权保护系统，并研究了数字水印系统的处理框架和数字水印算法。最后对数字水印技术进行了展望。 关键词： 数字水印 ；网络作品保护； 版权保护系统 Abstract： New commercial opportunity is emerged with Internet expandin

2、g all over the world. With the development of the digital technology, copyright protection of the digital multimedia has to be solved. First, the watermarking technology, which is a new copyright protect technology for digital multimedia, is briefly introduced. And, based on the classification and f

3、eatures of watermarking, a general copyright protection system using watermarking techniques is presented. Finally, the framework of watermarking system is discussed. Keywords： watermarking digital； products protection； copyright protection system 前言 随着信息技术和计算机网络的飞速发展，人们不但可以通过互联网方便快捷地获得各种网络作品信息，还可以得

4、到与原始数据完全相同的复制品，由此引发的盗版问题和版权纷争已成为日益严重的社会问题。传统密码技术对网络作品的内容保护有很大的局限性，因此，数字水印技术已成为近来研究的热点领域之一。在多媒体版权保护 ,媒体认证技术方面有着别的加密技术所不具有的优点 ,并且之 间有着很强的互补性 。 目前的信息安全技术基本上以密码学理论为基础的，采用的传统方法是将文件加密成密文的密钥系统或公钥系统，提高加密、解密系统密级的方法是不断增加密钥的长度。据报道： 56 bit长密钥的 DES可在 20多小时内攻破，因而这种方法在实际中变得越来越不安全 1。另外这种将文件加密成密文的方法，在将密文解开后就失去了保密意义；

5、加密的密文还容易引起许多好事者的兴趣，触发他们积极破译的激情。数字签名技术是一种较新的技术。已用于检验短信息的正式可靠性，虽然数字签名的标准已被许多国家采纳，可以通过私有密钥 对网络产品进行签名，检测算法可用来检测产品的内容是否符合相应的签名，但因对多媒体中2 需要大量的签名，因而对多媒体保护的不适用也不方便。 由此可见目前的保密方法在当今广泛应用的 Internet多媒体信息安全中难以起到全面保障的作用。 数字水印技术是九十年代中期信息安全领域的一个新方向。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水印标记，并使人的感知系统察觉不出来，隐藏的水印标记只有通过专用的检测器才能提取

6、出来的一种最新的多媒体保密技术。 数字水印技术源于是在开放的网络环境下保护多媒体版权的新型 技术，它可验证网络产品的版权拥有者、识别销售商、购买者或提供关于网络产品内容的其他附加信息，并将这些信息以人眼不可见的形式嵌入在数字图像或视频序列中，用于确认网络产品的所有权和跟踪侵权行为。除此之外，它在证据篡改鉴定，数据的分级访问，数据产品的跟踪和检测，商业视频广播和因特网数字媒体的服务付费，电子商务的认证鉴定，商务活动中的票据防伪等方面也具有十分广阔的应用前景。自 93年尤其是 95/96年以来引起工业界的浓厚兴趣，已成为国际上非常活跃的研究领域。 1 网络作品版权保护 网络作品，简言之，就是在网络

7、上出现 的作品，又称为数字化作品，数字化作品是借助于数字化技术而产生。这里所谓数字化技术是指依靠计算机技术把一定形式 如文字，数值，图形，图像等的信息输入计算机系统并转换成二进制数字编码，以对他们进行编辑、合成、存储、采用数字通讯技术加以传送，并在需要时把这些数字化了的信息还原成文字，数值，图形，图像等的技术。 开放和共享是网络的生命。网络的这一特征使得网络作品有别于传统作品，对网络作品的作者而言，其作品一旦上载，其传播范围将很难确定，同时网上作品也确实应该会被更多的网络使用者阅读。如果将网络作品的保护和传统作品的保护一视同仁，不仅在技术上难以操作，更有可能遏制我国网络业的发展，这就需要在网上

8、作品的保护和社会公共利益之间寻求平衡点。 现阶段，我国广大网民还未真正了解到网络版权的重要性和网络版权保护途径等内容，还有很多网络版权人维权意识淡薄，不懂得利用法律武器维护自己的权益，还有许多博客和著作权人没有意识到自己作品在网络上传播和转载是对自3 身权益的损害。因此，关于网络作品版权保护我们不仅应该宣传，更应该使用可行的方法能够很好的保护网络作品的版权，使得作者的合法权益不再受到损害。 2 数字版权保护技术概述、产生与发展 数字版权保护技术 (Digital Rights Management ， DRM) 就是以一定的计算方法，实现对数字内容的保护，包括电子书 (eBook) 、视频、音

9、频、图片等数字内容。 在数字图书馆中最早采用的著作权技术保护措施是基于用户认证的传统访问管理方式，针对的是一种封闭系统中所有用户已知的情况，主要是利用一种服务器端的参考监控器进行用户的认证和授权。包括强制访问控制（ MAC）、自主访问控制（ DAC）、基于角色的访问控制（ RBAC）几类，但是它们在面对当前的数字环境时显得力不从心 。 原因之一是传统访问控制是对封闭系统环境中的数字资源进行访问控制，它不能在数字信息被访问并传播到其它系统时持久地保护数字信息。另外，传统的访问控制仅仅处理预先知道用户的情况，这对于目前的网络环境也是不够的。 信任管理的引入解决了开放网络环境中未知用户的授权问题。信

10、任管理去掉了传统访问管理中的已知用户约束，允许基于未知用户的凭证控制他们对数字信息的访问。然而，信任管理仍然不能对已经传播的数字对象进行使用控制。传统的访问控制和信任管理都主要关注敏感信息保护，忽略了现在直接面向用户的B2C系统。 DRM技术的出现就是为了克服上述不足，在高度分布、网络互联的开放数字环境中对数字内容生产、传播、销售、使用的整个生命周期所有过程提供持久的知识产权保护。在 2001年 1月，美国麻省理工学院在 Technology Review杂志上将 DRM技术评选为改变未来世界的 10大创新技术之一。 早在上个世纪 90年代随着因特网的普及，人们就意识到在网络上进行数字内容分发

11、存在运用技术手段进行知识产权保护的必要。在学术研究领域， Dartmouth大学的 John S.Erickson在 1995年的硕士论文中提出一种针对网络化交互 多媒体的一种版权保护系统，在 1997年的博士论文中提出针对网络版权管理的增强属性。 斯坦福计算机系的 R.Martin R scheisen在 1997年的博士论文中提出 FIRM（一种互操作权限管理框架） -斯坦福数字图书馆项目开发的基础设施原型 Infobus4 的协议之一，用来将因特网协议扩展为更高层的信息管理协议； George Mason大学信息技术学院的 Jaehong Park在 2003年的博士论文中提出一种统一的

12、使用控制框架，从理论上探讨各种权限管理方式的统一建模问题。在产业领域，美国的 InterTrust是 最早进行 DRM技术研究和开发的公司，现在具有一整套解决方案；其它如微软、 Adobe、 RealNetworks等都提出了较为成熟的投入实际应用的方案。 关于 DRM技术的研究和开发起源于国外，国内很快也开始涉足这个领域，中科院计算所的庄超、沙瀛、白硕等对 Internet内容的安全分发与版权保护问题进行了较为深入的研究，并作了一定的系统设计和实现，其基本思路与目前应用中的成熟 DRM系统是一致的；华东师范大学计算机系的胡志远等进行了关于安全容器的数字信息版权保护机制的相关研究，得出了一些类

13、似的结论。方正、超星、书生 等商业公司开发了基于 DRM技术的成熟系统并已经投入应用。 3 数字水印的分类和基本特性 3.1数字水印的分类 (1)按作用划分 ： 按作用可划分为鲁棒性水印和脆弱性水印。前者主要应用于网络作品中标志著作版权信息，需要嵌入的水印能够抵抗常见的编辑处理、图象处理和有损压缩，在历经有意或无意攻击后水印不被破坏，仍能检测出来提供认证。后者主要用于完整性保护，判断多媒体信号是否被篡改，对于篡改处能自动标记出来，它需要抵抗常见的有损压缩如 JPEG、 JPEG2000和噪声等。 (2)按载体分 ： 按水印的载体可将水印分为图 像水印、视频水印、音频水印、文本水印和图形水印等。

14、图像水印指静止图像中加入水印，用于图像数据库，网上图片发布等。视频水印主要在视频流中加入数字水印，从而控制视频的应用，如 DVD的控制存取，数字广播的控制等。文本水印指在在 PDF、 DOC等文本文件中加入水印，防止对文本文件的修改。图形水印指在计算机生成的二维或三维图形中嵌入水印，以表明版权。 (3)按检测分 ： 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)按内容分 ： 按数字水印的内容可以将水印

15、划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音频片段5 的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。 (5)按用途分 ： 不同的应用需求造 就了不同的水印技术。按水印的用途，我们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。 票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防伪。一般来说，伪币的制造者不

16、可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。 版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调 隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。 篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。 隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。 (6) 按水印隐藏的位置分：按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时(空 )域数字水印、频域数字水印、

17、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 /尺度域数字水印则分别是在 DCT变换域、时 /频变换域和小波变换域上隐藏水印。 随着 数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种，应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。 3.2数字水印的基本特性 数字水印（ Digital Watermark）技术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见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要

18、研究方向。嵌入数字作6 品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印： (1)隐蔽性 嵌入水印后的数据与原始数据相比，应感觉不到差 别。嵌入水印后的数据不应该包括人们可以感觉到的失真而造成原始数据质量下降，这是一个具有主观性的属性，因而目前没有一个定量的标准来衡量。 (2)鲁棒性 所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。嵌入水印后的数据经受对数据一些恶意的处理，譬如滤波、再量化、抖动等以及一些蓄意的攻击后，应该还能得到嵌入的数据。 (3)密钥的唯一性 即不同的密钥不应产生等同的水印。 (4)检测的可靠性 水印检测出错的概率应小于某一合适门限

19、值。这一特性描述 了水印检测算法必须具有一定的确信度。 数字水印应用在网络作品的版权保护中必须满足以下基本条件： (1) 图像在加入水印后不能改变图像的视觉效果，水印在通常的视觉条件下不可见。 (2) 加过水印的图像通过普通的图像处理技术和标准压缩后水印仍保持在图像之中并能被检测出来。 (3) 未经授权者不能伪造水印或检测出水印。 (4) 水印的图像在经受印刷、打印、扫描等模数和数模转换后仍能检测出水印。 4 基于数字水印的网络作品保护系统 4.1网络作品的销售模型 在网络时代，网络作品的销售过程也是相当复杂的 ，我们仅将相关的过程简化为以下的模型，见图 1。作品的原创作者通过销售商经过网络系

20、统（如 Internet网）向用户进行销售。在网络传送过程中，盗版者可以通过现代网络技术和图像处理技术复制与原作品同样的拷贝，或者进行篡改后发送给顾客，作为购买者不能保障得到真实的原创作品，作为创作者和销售商，他们将蒙受巨大的经济损失。 7 图 1 网络作品的销售模型 4.2基于数字水印的网络作品版权保护模型 我们针对网络作品的创作和销售模型，考虑到从原创者、销售商到购买者之间的权益关系，以及防止盗版的各种途径，提出基于数字水印的网络作品保护模型，见图 2。 图 2 基于数字水印的 网络作品 版权保护系统 设 A为 网络作品 的创作者， WR为 版权登记认证中心， A创作出 网络作品 后，向

21、WR进行作品登记，然后选择一个 A个人用的私钥 K1向期望保护的 网络作品 AW嵌入含有 A标志 (PIN1)的第一个数字水印 watermarking1，再将加过水印的 网络作品8 AW1传一份备份给 WR的数据库中， K1由 A的口令产生，具有唯一性。 当 A决定将其 网络作品 授权给数字媒体销售商 MD,让 MD销售其作品的复制品即拷贝时， A需要将 MD的标志（如 PIN2）结合 私钥 key1对 网络作品 嵌入第二个数字水印 Watermarking2，以表示对 MD的授权和认可。 MD得到加有两个数字水印标志的 网络作品 ，并也可以用 A的公钥 key2验证 A确实在其作品的拷贝中

22、加入了 MD的标志 ,即 Watermarking 2。 MD作为 A的作品销售商，可以应用检测水印的软件，验证第二个水印的内容和第一个水印的内容，但 MD并不感兴趣破坏水印的内容，因为这将破坏他的利益。 授权的 MD将作品售给授权用户 AC，为证明 AC经过授权，为正版用户， MD用 WR的私钥 KEY(WR)和 AC的标志（ PIN3）对作品嵌入第三个水印 Watermarking3，并将此信息通知 WR， WR发给 MD一个证书，给 A增加一份收益。在此过程中 WR充当认证中心的作用。 由此模型可以看出，其中涉及到的水印处理系统有三个，前两个系统为私钥加密，公钥解密，是非对称的水印处理系

23、统。作 后一个系统是对称水印处理系统，只有 WR才可以验证其内容。 5 数字水印系统的处理框架 数字水印处理系统可用以下的函数来表示 WS(A,W,K,E,D) 其中 A表示要保护的多媒体作品； K表示水印密钥； W表示水印，数字水印的产生一般为伪随机数等， 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网络作品中，通式表示： E： W=E(A,W) 通常的算法为： Iw=I(i)+ (i)W(i) 加法原则 Iw=I(i)(1+ (i)W(i) 乘法原则 I(i)表示数字媒体幅值或 变换系数， W(i)为水印， (i)为强度系数。 D表示数字水印的检测算法。 D： H

24、(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 0，则表示无水印。 我们结合实际应用及水印攻击模型已经提出了几种数字水印算法。针对静止图像的水印方法可针对灰度图像、彩色图像嵌入可视图像水印并可以抵抗普通的图象处理操作；视频水印方面研究了针对基于帧的 MPEG2解码或码流进行水印的9 加入和检测；并研究了基于对象的 MPEG4视频流水印算法；音频方面研究了 MP3的水印算法。 6 现有典型数字水印产品 6.1AlpVision公司的数字水印技术 AlpVision公司研究的是在其 LabelIt软件中，能够在

25、任何扫描的图片中隐藏若干字符的技术。这些字符标记可以作为原始文件出处的证明，也就是说，任何电子图片，无论是用于 Word文档、出版物，还是电子邮件或者网页，都可以借助于隐藏的标记知道他的原始出处。因此，它可以作为版权保护的有利工具。该标记隐藏在扫描的图片中，即使文件的格式被改变，或者图片被剪裁、放缩、旋转等，字符标记都不会消失，而且完全不可见！ PhotoCheck 软件则提供了一种简单有效的方法来防止证件被伪造。它是将表示使用者身份的文字或序列号嵌入到特定的图片中，如使用者的照片，该图片可以是 bmp 格式或 jpeg 格式等，然后将该图片打印到卡片上。检测时只需要用扫描仪得到该图片，即可由

26、软件判断该卡片的真伪。该产品的功能还可以扩展。例如，可以将隐藏信息嵌到卡片的磁条或集成电路芯片中。 AlpVision 的 SafePaper 是专为打印文档设计的安全产品。它将水印信息隐藏到纸的背面，以此来证明该文档的真伪。它要求文档必须是单面打印，打印分辨率 在 600dpi 以上。检测时，需要 SafePaper 软件和分辨率为 600dpi 的 24bits 扫描仪。 SafePaper 可用于证明一份文件是否为指定的公司或组织所打印，如医疗处方、法律文书、契约等，还可以将一些重要的或秘密的信息，如商标、专利、名字、金额等，隐藏到数字水印中。 6.2 Signum 公司商标保护和防伪印

27、刷的数字水印技术 在商标不断增多的今天，保持名誉是十分重要的事情。然而，关于伪造名牌产品商标的交易问题也是十分严重的，据资料显示，其每年的交易金额可以 达到大约 500 亿美元。 由于伪造者把精力花费在对假冒商品的包装上，而不是考虑如何改进产品的质量，所以保护产品的包装就成了势在必行的问题。 Signum 公司的 VeriData 软件的一个特殊版本，称为 iPak ，它将不可见的水印加入到打印出的包装和商标上，以阻止商标盗版。 VeriData iPak 软件可以在 Windows 95/98/ME /NT 4.0/2000 下运行，支持 TIFF-RGB 、 CMYK 和10 灰度图像。它

28、的主要特点在于： (1)VeriData iPak 通过对图像 进行最小的改变，并在不增加额外的产品成本的情况下，就可以使包装印刷商不断地更新防伪信息； (2)VeriData iPak 与其他提供最高级保护的安全设备完全兼容； (3)VeriData iPak 隐藏的数字水印可以由非专业人士利用一般的扫描设备进行检测； (4)VeriData iPak 可在不同包装中嵌入不同的数字水印，以提供安全审查追踪检测； (5)商标拥有者可以授权允许特定的人读取隐藏的数字水印信息。 Signum 公司联合安全印刷产业开发了一种特殊的 VeriData 工具 ，称为 iSec ，可以为有价值的或重要的文

29、档提供隐蔽的安全特性来阻止伪造、盗版和未授权的更改。 VeriData iSec 工具可以用于保护大范围的安全文档，包括银行支票、护照、债券、身份证、塑料卡片、邮票、驾照、证书、票据、报表和包装等。 VeriData iSec 软件使用先进的数字水印算法在图片中嵌入不可感知的信息，可有效地阻止伪造行为。 Signum 技术的独特隐蔽特性在于： (1)隐蔽性和不可感知性 :所有嵌入文档中的数据对人眼来说，都是不可见的，而通过 VeriData 的软件工具，可以方便地 进行检测； (2)机器可读性 :所有的嵌入数据都可以由相关的计算机装置进行自动处理； (3)用户可用性 : 文件中嵌入数据的数量和类型都可由客户或代理商特别指定，如身份证号码、社会保险号码、护照号码、数据期号等； (4)完全安全性 : 只有授权的安全打印机才允许使用 Signum 的安全身份证软件，并对单个用户限制密钥，这样，水印就不会对外面的客户泄露； (5)易检测性 : 已授权的用户可以很容易地扫描文档并对图像中隐藏的任何水印完成检测； (6)完整性 : 对图像所进行的任何未授权的改变，无论多么细小，都 可以被独一无二的检测技术检测出来。 数字水印开辟了一条崭新的信息安全途径，它的不可感知的隐蔽性和抵抗各种攻击的能力，可以实现数字产品的完整性保护和篡改鉴定，还可用于数字防伪。