数字水印技术在版权保护中的应用

吴晶

(长春工程学院学报编辑部，长春130012)

数字水印技术在版权保护中的应用

吴晶

(长春工程学院学报编辑部，长春130012)

阐述了数字水印技术的概念和原理，通过数字水印技术与传统的版权保护技术的对比说明了数字水印技术的特性和优点，同时给出了数字水印技术在不同的数字出版物中的应用，重点介绍了数字水印技术在音频作品中的应用，并给出了一种音频数字水印的算法。

数字水印技术;版权保护;子带编码

随着计算机技术和互联网技术的迅速发展，数字媒体(包括数字图像、数字视频、数字音频)已经得到了广泛的应用，随之而来的数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证等问题也变得日益突出，已经成为数字世界中一个非常紧迫的重要研究课题。传统的知识产权保护技术仅应用到纸质出版物中，随着出版物的多元化，我们迫切需要新的知识产权保护技术。数字水印作为一种可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新技术，成为当今知识产权保护领域的有效手段。

一、数字水印技术概述

对于水印，我们都不陌生，在我们平常所使用的纸质钱币中都含有水印，本文中所介绍的数字水印其应用目的与这种纸质水印相同，都是为了防止拷贝，进行版权保护，但其技术却有天壤之别。

本文所关注的焦点是在电信号中加入水印，具体的说就是将一些版权信息(即数字水印)直接嵌入载体作品当中(包括多媒体、文档、软件等)，且不影响原作品的使用价值，也不容易被感知和修改。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向，通过嵌入在作品中的版权信息，可以判断作品是否被篡改或是复制，从而达到知识产权保护的目的，它是实现知识产权保护的有效办法。

二、数字水印技术与传统版权保护技术的比较

数字水印技术有着广阔的应用前景。一般而言，如果一个元数据有助于把一些附加的版权信息与作品关联起来，那么它就可以作为水印嵌入，并且不影响原作品的使用和传播。而传统的版权保护方法只能通过增加信息量的方法来保护作品的知识产权，例如把它放在数字文件的头部，在图像上把它编码为可见的条形码，或者作为音频剪辑的介绍大声说出。下面我们就通过数字水印技术与传统知识产权保护技术的比较，来阐明数字水印技术的可行性。

(一)数字水印的不可感知性

与传统的版权保护技术不同，数字水印是不可感知的。传统的版权保护技术在用于保护作品所有者的知识产权时，存在一些限制。例如，文本的版权保护信息在复制时容易从文档中消除，图像的版权信息从审美角度来看是不雅的，而音频作品中的版权信息被放置在物理媒介和包装上，这两者上的版权信息一般都不会随同音频内容复制。

而数字水印可以不被感知，不管把它放置在什么位置，都不会被轻易发现，只有拥有密钥的人才可以检测出水印信息的存在。

(二)与载体作品的密不可分性

含有数字水印信息的作品在被显示或转化为其他文件格式时，水印信息不会被消除，水印与原作品紧密结合并隐藏其中，成为不可分离的一部分。数字水印的安全性之一就是它不仅能保护作品所有者的知识产权，而且能够证明真正的所有者是谁，这是传统的版权保护技术所不具备的特性之一。简单说也就是数字水印不容易被造假，而传统的版权保护技术很容易被伪造。

(三)鲁棒性

数字水印技术通过将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到作品中，在嵌入过程中对作品进行尽量小的修改，以达到最强鲁棒性，当嵌入水印后的作品受到攻击后仍然可以恢复水印或者检测出水印的存在。数字水印将经历和载体作品完全相同的变换，这意味着通过查看得到的水印信息可以获悉有关变换的一些情况。鲁棒性指的是经过常规的信号处理操作后，仍能够检测到水印的能力。这是传统的版权保护技术所完全不具备的特性［1］。从另一个角度说，鲁棒性也是指水印抵御敌手攻击的能力。并不是所有的水印应用均要求对所有可能的攻击具有鲁棒性，只要水印信息能够在可能信号处理操作中存活就可以了。

三、数字水印技术在数字产品版权保护中的应用

数字水印技术是互联网技术和出版技术发展到一定阶段的产物，它的应用比较广泛，本文主要讨论了它在数字出版物的版权保护中的应用，特别是对互联网出版物的保护，下面我们就重点阐述一下数字水印技术在数字出版物中的应用。

(一)数字水印技术在图像版权保护中的应用

数字水印技术在图像版权保护中的应用我们称之为数字图像水印技术。我们人眼能够看到的图像分为两种:一种是静止的图像，一种是动态的图像，我们这里所说的图像数字水印，是指静止图像的水印。在图像中嵌入水印，其主要的目的是为了进行所有者鉴别和所有权验证，也就是说一方面是为了保护图像的版权不受侵犯，另一方面是为了当版权受到侵犯时，可以从获得的水印信息中验证谁是真正的所有者。

近年来，图像数字水印的发展十分迅速，不仅有理论的研究，而且有些版权所有者已经通过数字水印技术来保护自己的知识产权。根据数字水印的嵌入位置，图像数字水印的嵌入方法有空域数字水印算法和变换域数字水印算法两种［2］，这两个领域，已经有了很多成熟的算法，例如，空域数字水印算法中最经典的算法——最低有效位水印算法，还有变换域水印算法中的离散小波变换算法和离散傅里叶变换算法等，这些都能够将水印信息嵌入到图像中，从而保护图像所有者的知识产权。

(二)数字水印技术对音频作品的版权保护

数字音频水印技术就是在不影响原始音频质量的条件下向其中嵌入具有特定意义且易于提取的信息的过程。根据近年来各国对数字音频水印的研究，可以给出这样一个定义:所谓数字音频水印是指嵌入到音频产品中的比特流，比特流中含有音频内容所有权或版权的相关信息，每一个所有权或版权都有唯一的版权水印信息与之对应［3］。嵌入水印的音频作品可以与原始音频作品使用相同的方式传输和存储。用水印提取算法可以从嵌入水印的音频作品中检测出嵌入的版权信息。

一般来说，对音频作品中嵌入信息的盲分析难度比图像中的水印分析更高，目前在这方面的研究成果还比较少。由于数字音频作为水印载体的重要性日益明显，特别是MP3音乐在隐蔽通信方面的巨大应用潜力，对音频信号水印的深入研究将是音频作品版权保护中具有挑战性的重要课题。下面通过一个算例来具体说明数字水印技术在音频产品版权保护中的应用。

1.基于子带编码的数字音频水印算法［4］

我们用S、C、G分别表示版权信息、原音频作品和含版权信息的音频作品。

第一步，我们首先要对版权信息进行编码，分别利用低通滤波器hl和高通滤波器hh将秘密语音信号S分成sl和sh两个子带，其中sl是低频子带，sh是高频子带。再以S采样率的一半对sl和sh重采样。然后，我们将sh丢弃，采用DPCM编码对sl进行压缩，压缩后的结果用sl'来表示。选择一种与密钥k相关的对称密钥加密系统对sl'加密，加密结果用sl″表示。

第二步，用hl和hh将C分成低频子带Cl和高频子带Ch。因为人耳对低频子带的变换很敏感，因此不将sl″隐匿到Cl里，而是直接对Cl进行DPCM编码，编码的结果用C'l表示。相反的，人耳对高频子带是不敏感的，将sl″隐匿带该子带不会引起掩护语音信号太大的变化。假设sl″的大小为ns字节，即ns×8b。C的采样点数为nc，定义被修改的比特数r为

式中:m——用于存储ns值的比特数。

第三步，用DPCM和PCM的量化器对Ch量化，量化输出为Ch'。由于高频子带的采样率为fc/2，所以Ch'的样点数为nc/2。将ns的值嵌入C'h前m个采样点的LSB中，然后将sl″分离成许多比特流。比特流的长度均为r比特。最后，将每个比特流嵌入到Ch'剩余的(nc/2－m)个采样点的后r个比特中。嵌入结果用Ck表示。

这样，就将版权信息嵌入到了音频作品中。对于版权信息S，它的提取是上述编码和隐匿处理的逆过程。

2.实验结果与分析

通过3个话音实验来证明算法的可行性。其中，音频作品用C表示，版权信息用S1来表示。在高频信号中嵌入版权信息。图1为仿真实验的结果。

图1 实验结果

从图1中可以看出来，对高频信号的修改不会影响到原始语音信号，为了估计语音信号经过处理后的质量，在实验中，我们还计算了它们的信噪比。实验表明，信噪比越高，语音信号的质量越好。对C和S1进行ADPCM压缩编码，压缩比为4︰1。编码后它们的信噪比分别为30.539 dB和30.332 dB。

(三)视频作品中的数字水印技术

目前对于视频作品中的数字水印技术的研究还处于起步阶段，数字水印在视频作品中的应用多是为了拷贝控制和内容认证。拷贝控制应用旨在防止人们制造有版权内容的非法副本。数字水印嵌入到内容本身中，它们在内容的每个形式中都存在，因此可提供一个较好的实施拷贝控制的方法。如果每个录制设备都安装了水印检测器，那么无论什么时候在输入中检测到禁止拷贝的水印，设备都会禁止拷贝，这就是数字水印的巨大功能，它不仅不可感知，还可以防止恶意的复制和传播。

四、结语

随着网络和出版技术的不断发展，传统的以纸质为介质的作品已经逐渐被以光盘、磁带、网络为介质的数字产品所替代，如何保护数字产品作者的版权，保护广大创作者的利益就成为迫在眉睫的重要研究课题。文中主要阐述了数字水印技术与传统的版权保护技术的不同，以及数字水印技术在各种媒介出版物中的应用，并给出了基于子带编码的数字水印技术的算例，说明了数字水印技术在数字作品版权保护中的先进性和可行性。

数字音频水印技术的研究近年来发展迅速，目前是一个非常活跃的领域。但目前多数的研究仅停留在理论阶段，要想完善这一领域，还有大量的工作要我们去做，今后的主要研究方向是如何将现有的理论研究转化成产品应用在实际的版权保护中。

［1］ 王丽娜，郭迟，李鹏.信息隐藏技术实验教程［M］.武汉:武汉大学出版社，2004:1－3.

［2］ 李向.数字水印在图像传输中的应用［D］.兰州:西北师范大学，2007:11－13.

［3］ 谈华斌.数字音频水印算法的研究［D］.长春:吉林大学，2004:7－10.

［4］ 吴晶，柳洪轶.基于子带编码的数字音频水印算法研究［J］.长春工程学院学报:自然科学版，2008 (3):71－73.

Digital watermarking technology is applied in the copyright protection

WU Jing
(Editorial Department of Journal，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China)

The paper explained the concept and principle of digital watermarking technology.The comparison of digital watermarking technology and traditional copyright protection technology shows the features and advantages of the digital watermarking technology.We give the number of publications in different applications，and emphasis introduced the watermarking technology in audio applications work，and gives an audio watermarking algorithm.

digital watermarking technology;copyright protection;subband coding

D923.41

A

1009-8976(2011)02-0066-03

2011－04－07

吴晶(1979—)，女(汉)，山东滨州，编辑主要研究网络与信息安全。