數(shù)字水印技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

（《電聲技術(shù)》1999年第7期）

1  引言

     近年來，伴隨著因特網(wǎng)用戶的急增，多媒體信息的流通也時(shí)興起來了。由于用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行圖像與聲音的回放／編輯都比較容易，故一般用戶有了自己的網(wǎng)頁以后就可進(jìn)行多媒體信息的發(fā)送與接收。

    可以說，這就預(yù)示著一種利用因特網(wǎng)的新業(yè)務(wù)的可能性。另一方面，由于數(shù)字信息的復(fù)制不會(huì)引起信息質(zhì)量的劣化，故非法復(fù)制及篡改等侵權(quán)問題也不時(shí)發(fā)生。作為解決這類侵權(quán)問題的手段，數(shù)字水印技術(shù)已備受關(guān)注。文中將主要介紹數(shù)字水印技術(shù)的開發(fā)現(xiàn)狀、標(biāo)準(zhǔn)制定及應(yīng)用示例。

    2  何為數(shù)字水印技術(shù)

    數(shù)字水印技術(shù)指的是一種利用圖像及聲音等媒體的冗余性、在信息內(nèi)容中讓人覺察不出地復(fù)用其它信息的技術(shù)。也就是說，在圖像及聲音等多媒體信息中嵌入一點(diǎn)其它信息，并使之隱藏起來。數(shù)字水印

技術(shù)的作用是在流通的信息內(nèi)容中嵌入版權(quán)信息或用戶信息，借此來保護(hù)信息內(nèi)容的版權(quán)，但不削弱數(shù)字信息的優(yōu)點(diǎn)。

    數(shù)字水印技術(shù)有三個(gè)特征。其一為所嵌入的水印是去不掉的。即使在信息內(nèi)容被壓縮、濾波或其它處理以后，水印仍保留在信息內(nèi)容中。若某人想強(qiáng)行把它去掉，則信息內(nèi)容的質(zhì)量必將劣化，以致不能應(yīng)用。其二是普通人難以確定到底在信息內(nèi)容的何處嵌入了水印。當(dāng)他們觀看圖像或聆聽音樂時(shí)，他們很難發(fā)現(xiàn)水印。最后一個(gè)特征是信息內(nèi)容不會(huì)由于水印的添加而有所改變，這與尋常的加擾或加密是不  一樣的。數(shù)字水印技術(shù)的上述特征很適合于信息內(nèi)容的版權(quán)保護(hù)，故使用數(shù)字水印的版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)就逐步興旺起來。

  3  版權(quán)保護(hù)的兩類方式

    在利用數(shù)字水印技術(shù)的版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)中，大致可分為以下兩類方式：

    (1)嵌入版權(quán)信息的方式

    如果是用衛(wèi)星或地面波來廣播信息內(nèi)容，或者是用CD及DVD等存儲(chǔ)介質(zhì)來發(fā)行信息內(nèi)容，那就可以考慮在信息內(nèi)容中事先嵌入版權(quán)信息及使用規(guī)則信息的方式。這里所說的使用規(guī)則信息，指的是在播放機(jī)和錄像機(jī)上管理數(shù)據(jù)的輸入／輸出用的標(biāo)記信息。內(nèi)容供應(yīng)商委托版權(quán)管理中心在其信息內(nèi)容中進(jìn)行數(shù)字水印處理，以便對(duì)使用者提示版權(quán)，并限制接收信息的利用。

    (2)嵌入使用者信息的方式

    如果是在因特網(wǎng)上發(fā)送信息內(nèi)容，或者像點(diǎn)播電視(VOD)那樣的服務(wù)，內(nèi)容供應(yīng)商在接到使用者的要求以后就有可能一邊在信息內(nèi)容中嵌入使用者的ID、一邊發(fā)送信息內(nèi)容。另外，即使在上述數(shù)字廣播及使用存儲(chǔ)介質(zhì)的信息內(nèi)容供應(yīng)服務(wù)中，也可考慮在使用內(nèi)容時(shí)嵌入使用者的接收機(jī)和回放機(jī)的序號(hào)(編號(hào))。這樣，即使發(fā)生盜版，也可追究其源頭，從而收到抑制非法復(fù)制的效果。

    在表1中列出了對(duì)上述版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)的若干要求。

 4  數(shù)字水印技術(shù)的開發(fā)

    數(shù)字水印技術(shù)的早期開發(fā)主要側(cè)重于靜止圖像(如照片及計(jì)算機(jī)圖形)的版權(quán)保護(hù)。例如，美國的 Digimarc Corp．及英國的High  Water Signum Ltd．早已開發(fā)了此類用途的技術(shù)，并推出了相應(yīng)的版權(quán)管理服務(wù)。Digimarc提供的版權(quán)管理服務(wù)屬于前述的第一種方式，它利用數(shù)字水印技術(shù)在靜止圖像中嵌入版權(quán)信息。High Water  Signum基本上也提供相同的服務(wù)。這些服務(wù)被用來將攝影師、出版商及業(yè)內(nèi)其它單位聯(lián)結(jié)起來，作為專業(yè)人員之間信息傳遞的手段，其目的是防止未授權(quán)的拷貝。

    隨著因特網(wǎng)的推廣與普及，也有專為在因特網(wǎng)上處置圖像數(shù)據(jù)而開發(fā)的版權(quán)管理軟件，如日本 NEC及美國的Fraunhofer計(jì)算機(jī)圖形研究中心 (CRCG)所開發(fā)的軟件。前者使用原先由美國的 NEC研究院開發(fā)的數(shù)字水印技術(shù)，而后者可以使用三種不同的ID信息以提高安全性。

    上述靜止圖像的版權(quán)保護(hù)服務(wù)實(shí)際上是由兩部分軟件所構(gòu)成的；第一部分軟件將ID信息嵌入到有版權(quán)的數(shù)字作品中，而第二部分軟件則從該作品中檢出ID信息，除此以外，還需要一個(gè)數(shù)據(jù)庫，用來管理被嵌入的ID信息、版權(quán)持有人的姓名及其它的版權(quán)信息。為了建立一個(gè)版權(quán)管理系統(tǒng)，應(yīng)將這三個(gè)部分結(jié)合起來予以使用(見圖1)。

    由于影像及音樂作品將為數(shù)字水印技術(shù)開辟更大的市場(chǎng)，故近年來對(duì)這類數(shù)字水印技術(shù)的開發(fā)正在加速進(jìn)行。例如，由歐洲11家通信廣播公司、研究所及大學(xué)參加的歐洲產(chǎn)學(xué)研協(xié)作項(xiàng)目“TALIS- MAN"開發(fā)了使用數(shù)字水印的、影像軟件非法拷貝的監(jiān)視系統(tǒng)，以防止數(shù)字電視廣播公司進(jìn)行的非法拷貝。該系統(tǒng)的特征是使用兩種ID信息，以便進(jìn)行雙重保護(hù)。其一是版權(quán)持有人與廣播公司的ID編號(hào)，使用數(shù)字水印(每幀64bit)將它們嵌入活動(dòng)圖像數(shù)據(jù)中；另一是版權(quán)碼，它類似于出版界所用的國際標(biāo)準(zhǔn)圖書編碼ISBN，經(jīng)加密以后插入活動(dòng)圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)題(header)部分。該項(xiàng)目共開發(fā)了以下三個(gè)分系統(tǒng)：①數(shù)字水印嵌入分系統(tǒng)，②版權(quán)碼插入分系統(tǒng)及③非法拷貝監(jiān)視分系統(tǒng)(圖2)。

其中①與②是由影像作品制作者(版權(quán)持有人)來使用的，而③是由廣播公司等組織的第三方機(jī)構(gòu)來使用，它監(jiān)視廣播公司，檢查廣播公司是否廣播非法拷貝影像。

    在將數(shù)字水印用于音樂作品方面，美國的 DICE公司早就宣布了它的版權(quán)管理軟件Argent，它可使用三種嵌人的1D信息：①版權(quán)持有人的ID；②數(shù)字發(fā)行人的ID及③數(shù)據(jù)使用人的ID。另外，美國的Blue Spike Inc．的Giovanni數(shù)字水印技術(shù)也可用于音樂作品。最近，國際錄音行業(yè)聯(lián)盟(IFPI)正在組織一個(gè)"Muse"項(xiàng)目。據(jù)說，從該項(xiàng)目的進(jìn)展來看，它將成為未來的音樂作品版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)的“極其重要的組成部分”。

 5  數(shù)字水印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定

    數(shù)字水印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作在近1~2年取得了很大的進(jìn)展，進(jìn)行該工作的主要是著名的拷貝防止技術(shù)工作組(CPTWG)，這也許是由于DVD產(chǎn)品的迫切需要所致。CPTWG最初是為了制定DVD格式所需的版權(quán)保護(hù)措施而成立的。在完成了影像數(shù)據(jù)的加密方式CSS的標(biāo)準(zhǔn)化工作以后，它于1998年2月又建立了用于"IEEE-1394"串聯(lián)接口的非法拷貝防止技術(shù)。

    數(shù)字水印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作是在CPTWG的下屬機(jī)構(gòu)——數(shù)據(jù)隱藏分組(DHSG)中進(jìn)行的，它曾于1997年6月公開征求有關(guān)數(shù)字水印技術(shù)的提案。美國的Digimarc Corp.，Macrovision Corp.，IBM  Corp．，荷蘭的Philips CE B．V．及日本的日立制作所，NEC，先鋒與索尼等8家公司提出了7種方案。經(jīng)過兩輪技術(shù)評(píng)價(jià)以后，這7種方案從去年7月開始合并成3種。IBM Corp與NEC首先宣布，它們將合并它們的方案。然后，MacroVision／ Digimarc方案與Philips方案也合并了起來。與此同時(shí)，索尼、日立及先鋒也向DHSG提出了一個(gè)合并建議。

    在上述方案的評(píng)價(jià)中，一個(gè)重要的焦點(diǎn)是所謂的拷貝世代管理的方式，即在影像數(shù)據(jù)的各幀中嵌入什么樣的拷貝管理信息作為數(shù)字水印?？截惞芾硇畔⑹潜硎?#8220;不許拷貝”、“只許拷貝一次”、“不許再拷貝”等等的數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)的播放機(jī)和錄像機(jī)將檢出這些數(shù)據(jù)，判斷是不是可以錄像或回放信息內(nèi)容；各公司提出的方式大致可分為四類，且它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)；考慮到世代管理方式不僅與數(shù)字水印技術(shù)有關(guān)，而且也與IEEE-1394等接口技術(shù)有關(guān)，故DHSG還將與其它組織聯(lián)合起來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

    盡管目前有人把擬定中的標(biāo)準(zhǔn)解釋為關(guān)于水印技術(shù)的跨行業(yè)協(xié)議的一個(gè)前奏，不過觀察員們?nèi)圆恢溃遣皇荂PTWG最終接受的技術(shù)將不僅被用于DVD，而且也被用于通過因特網(wǎng)、衛(wèi)星電視及有線電視的電子商務(wù)。如果是這樣的話，他們質(zhì)疑 CPTWG的代表性。事實(shí)上，國際錄音行業(yè)聯(lián)盟(IFPI)也在選擇音頻用的數(shù)字水印技術(shù)，而數(shù)字音像理事會(huì)(Davic)正在研究電子商務(wù)的安全問題。這樣，為了使CPTWG所選擇的水印技術(shù)能對(duì)各種平臺(tái)都有作用，又專門成立了一個(gè)拷貝防止顧問委員會(huì) (CPAC)，它將對(duì)該技術(shù)的批準(zhǔn)與否擁有表決權(quán)：據(jù)說，CPAC的成員將從信息內(nèi)容、消費(fèi)電子與計(jì)算機(jī)三個(gè)行業(yè)的有關(guān)單位選出，以便體現(xiàn)它對(duì)各該行業(yè)的公平性。人們期望CPAC能在1998年底批準(zhǔn)一個(gè)數(shù)字視頻水印技術(shù)，但迄今似乎仍無確切的結(jié)果。 6  數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用示例

    迄今為止，在數(shù)字水印的商業(yè)應(yīng)用方面，較為普遍的領(lǐng)域恐怕還是靜止圖像。這里，除了Fraun- hofer  CRCG推出的Syscop軟件以外，還有多家公司或研究所推出了用于靜止圖像的版權(quán)管理軟件，如Digimarc公司的Picture Marc，HiSh water Signum公司的FBI Pro及NEC的Tiger Marc Image Data Blade等等。

    在音頻領(lǐng)域，由于音樂作品的因特網(wǎng)流通的出現(xiàn)，數(shù)字水印的應(yīng)用估計(jì)也會(huì)日益增多。日本電信電話(NTT)及神戶制鋼所即將正式推出的服務(wù)項(xiàng)目就是一個(gè)很好的例子。

    DVD的拷貝防止應(yīng)該說是一個(gè)更為引入注目的領(lǐng)域。這里，盡管尚未最終確定數(shù)字水印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，但由NEC及IBM提出的、基于數(shù)字水印的拷貝防止系統(tǒng)(圖3)比較典型地反映了它在視頻數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用。

拷貝管理信息(CCI)是以水印的形式被作者嵌入視頻數(shù)據(jù)的。當(dāng)影像被解碼以后，CCI被數(shù)字水印檢測(cè)器所檢出，并被傳送到模擬防止系統(tǒng) (APS)，后者進(jìn)行拷貝防止處理。

    從上述例子可見，數(shù)字水印的應(yīng)用多半是為了進(jìn)一步加強(qiáng)非法拷貝防止技術(shù)?？梢韵嘈?，隨著多媒體信息的網(wǎng)絡(luò)流通的普及，數(shù)字水印技術(shù)也將進(jìn)一步與IEEE 1394的拷貝防止技術(shù)結(jié)合起來予以使用。也許正是由于這種趨勢(shì)，上述三大行業(yè)最近已經(jīng)同意，拷貝防止顧問委員會(huì)將不僅最終決定數(shù)字水印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，而且還將決定下列技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 1394的拷貝防止技術(shù)、軟件篡改的自檢技術(shù)及模擬RGB輸出的保護(hù)技術(shù)等等。

 7  結(jié)束語

    盡管人們或許早就從偵探小說等方面對(duì)水印技術(shù)已有所了解，但數(shù)字水印技術(shù)畢竟還是一個(gè)比較新的概念。它既繼承了原來的水印技術(shù)的本質(zhì)，又采用了當(dāng)今的數(shù)字技術(shù)的工具。可以說是舊貌換新顏。毫無疑問，推動(dòng)其發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力當(dāng)屬市場(chǎng)的需求。因此，隨著信息內(nèi)容流通量的不斷增加，數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用也必將進(jìn)一步普及。