数字水印技术的开发与应用
数字水印技术的开发与应用
（《电声技术》1999年第7期）
1 引言
近年来，伴随着因特网用户的急增，多媒体信息的流通也时兴起来了。由于用计算机来进行图像与声音的回放／编辑都比较容易，故一般用户有了自己的网页以后就可进行多媒体信息的发送与接收。
可以说，这就预示着一种利用因特网的新业务的可能性。另一方面，由于数字信息的复制不会引起信息质量的劣化，故非法复制及篡改等侵权问题也不时发生。作为解决这类侵权问题的手段，数字水印技术已备受关注。文中将主要介绍数字水印技术的开发现状、标准制定及应用示例。
2 何为数字水印技术
数字水印技术指的是一种利用图像及声音等媒体的冗余性、在信息内容中让人觉察不出地复用其它信息的技术。也就是说，在图像及声音等多媒体信息中嵌入一点其它信息，并使之隐藏起来。数字水印
技术的作用是在流通的信息内容中嵌入版权信息或用户信息，借此来保护信息内容的版权，但不削弱数字信息的优点。
数字水印技术有三个特征。其一为所嵌入的水印是去不掉的。即使在信息内容被压缩、滤波或其它处理以后，水印仍保留在信息内容中。若某人想强行把它去掉，则信息内容的质量必将劣化，以致不能应用。其二是普通人难以确定到底在信息内容的何处嵌入了水印。当他们观看图像或聆听音乐时，他们很难发现水印。最后一个特征是信息内容不会由于水印的添加而有所改变，这与寻常的加扰或加密是不 一样的。数字水印技术的上述特征很适合于信息内容的版权保护，故使用数字水印的版权保护系统的开发就逐步兴旺起来。
3 版权保护的两类方式
在利用数字水印技术的版权保护系统中，大致可分为以下两类方式：
(1)嵌入版权信息的方式
如果是用卫星或地面波来广播信息内容，或者是用CD及DVD等存储介质来发行信息内容，那就可以考虑在信息内容中事先嵌入版权信息及使用规则信息的方式。这里所说的使用规则信息，指的是在播放机和录像机上管理数据的输入／输出用的标记信息。内容供应商委托版权管理中心在其信息内容中进行数字水印处理，以便对使用者提示版权，并限制接收信息的利用。
(2)嵌入使用者信息的方式
如果是在因特网上发送信息内容，或者像点播电视(VOD)那样的服务，内容供应商在接到使用者的要求以后就有可能一边在信息内容中嵌入使用者的ID、一边发送信息内容。另外，即使在上述数字广播及使用存储介质的信息内容供应服务中，也可考虑在使用内容时嵌入使用者的接收机和回放机的序号(编号)。这样，即使发生盗版，也可追究其源头，从而收到抑制非法复制的效果。
在表1中列出了对上述版权保护系统的若干要求。
4 数字水印技术的开发
数字水印技术的早期开发主要侧重于静止图像(如照片及计算机图形)的版权保护。例如，美国的 Digimarc Corp．及英国的High Water Signum Ltd．早已开发了此类用途的技术，并推出了相应的版权管理服务。Digimarc提供的版权管理服务属于前述的第一种方式，它利用数字水印技术在静止图像中嵌入版权信息。High Water Signum基本上也提供相同的服务。这些服务被用来将摄影师、出版商及业内其它单位联结起来，作为专业人员之间信息传递的手段，其目的是防止未授权的拷贝。
随着因特网的推广与普及，也有专为在因特网上处置图像数据而开发的版权管理软件，如日本 NEC及美国的Fraunhofer计算机图形研究中心 (CRCG)所开发的软件。前者使用原先由美国的 NEC研究院开发的数字水印技术，而后者可以使用三种不同的ID信息以提高安全性。
上述静止图像的版权保护服务实际上是由两部分软件所构成的；第一部分软件将ID信息嵌入到有版权的数字作品中，而第二部分软件则从该作品中检出ID信息，除此以外，还需要一个数据库，用来管理被嵌入的ID信息、版权持有人的姓名及其它的版权信息。为了建立一个版权管理系统，应将这三个部分结合起来予以使用(见图1)。
由于影像及音乐作品将为数字水印技术开辟更大的市场，故近年来对这类数字水印技术的开发正在加速进行。例如，由欧洲11家通信广播公司、研究所及大学参加的欧洲产学研协作项目“TALIS- MAN"开发了使用数字水印的、影像软件非法拷贝的监视系统，以防止数字电视广播公司进行的非法拷贝。该系统的特征是使用两种ID信息，以便进行双重保护。其一是版权持有人与广播公司的ID编号，使用数字水印(每帧64bit)将它们嵌入活动图像数据中；另一是版权码，它类似于出版界所用的国际标准图书编码ISBN，经加密以后插入活动图像数据的标题(header)部分。该项目共开发了以下三个分系统：①数字水印嵌入分系统，②版权码插入分系统及③非法拷贝监视分系统(图2)。
其中①与②是由影像作品制作者(版权持有人)来使用的，而③是由广播公司等组织的第三方机构来使用，它监视广播公司，检查广播公司是否广播非法拷贝影像。
在将数字水印用于音乐作品方面，美国的 DICE公司早就宣布了它的版权管理软件Argent，它可使用三种嵌人的1D信息：①版权持有人的ID；②数字发行人的ID及③数据使用人的ID。另外，美国的Blue Spike Inc．的Giovanni数字水印技术也可用于音乐作品。最近，国际录音行业联盟(IFPI)正在组织一个"Muse"项目。据说，从该项目的进展来看，它将成为未来的音乐作品版权保护系统的“极其重要的组成部分”。
5 数字水印技术的标准制定
数字水印技术的标准化工作在近1~2年取得了很大的进展，进行该工作的主要是著名的拷贝防止技术工作组(CPTWG)，这也许是由于DVD产品的迫切需要所致。CPTWG最初是为了制定DVD格式所需的版权保护措施而成立的。在完成了影像数据的加密方式CSS的标准化工作以后，它于1998年2月又建立了用于"IEEE-1394"串联接口的非法拷贝防止技术。
数字水印技术的标准化工作是在CPTWG的下属机构——数据隐藏分组(DHSG)中进行的，它曾于1997年6月公开征求有关数字水印技术的提案。美国的Digimarc Corp.，Macrovision Corp.，IBM Corp．，荷兰的Philips CE B．V．及日本的日立制作所，NEC，先锋与索尼等8家公司提出了7种方案。经过两轮技术评价以后，这7种方案从去年7月开始合并成3种。IBM Corp与NEC首先宣布，它们将合并它们的方案。然后，MacroVision／ Digimarc方案与Philips方案也合并了起来。与此同时，索尼、日立及先锋也向DHSG提出了一个合并建议。
在上述方案的评价中，一个重要的焦点是所谓的拷贝世代管理的方式，即在影像数据的各帧中嵌入什么样的拷贝管理信息作为数字水印。拷贝管理信息是表示“不许拷贝”、“只许拷贝一次”、“不许再拷贝”等等的数据。影像数据的播放机和录像机将检出这些数据，判断是不是可以录像或回放信息内容；各公司提出的方式大致可分为四类，且它们各有其优缺点；考虑到世代管理方式不仅与数字水印技术有关，而且也与IEEE-1394等接口技术有关，故DHSG还将与其它组织联合起来进行评价。
尽管目前有人把拟定中的标准解释为关于水印技术的跨行业协议的一个前奏，不过观察员们仍不知道，是不是CPTWG最终接受的技术将不仅被用于DVD，而且也被用于通过因特网、卫星电视及有线电视的电子商务。如果是这样的话，他们质疑 CPTWG的代表性。事实上，国际录音行业联盟(IFPI)也在选择音频用的数字水印技术，而数字音像理事会(Davic)正在研究电子商务的安全问题。这样，为了使CPTWG所选择的水印技术能对各种平台都有作用，又专门成立了一个拷贝防止顾问委员会 (CPAC)，它将对该技术的批准与否拥有表决权：据说，CPAC的成员将从信息内容、消费电子与计算机三个行业的有关单位选出，以便体现它对各该行业的公平性。人们期望CPAC能在1998年底批准一个数字视频水印技术，但迄今似乎仍无确切的结果。 6 数字水印技术的应用示例
迄今为止，在数字水印的商业应用方面，较为普遍的领域恐怕还是静止图像。这里，除了Fraun- hofer CRCG推出的Syscop软件以外，还有多家公司或研究所推出了用于静止图像的版权管理软件，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。
在音频领域，由于音乐作品的因特网流通的出现，数字水印的应用估计也会日益增多。日本电信电话(NTT)及神户制钢所即将正式推出的服务项目就是一个很好的例子。
DVD的拷贝防止应该说是一个更为引入注目的领域。这里，尽管尚未最终确定数字水印技术的标准，但由NEC及IBM提出的、基于数字水印的拷贝防止系统(图3)比较典型地反映了它在视频数据方面的应用。
拷贝管理信息(CCI)是以水印的形式被作者嵌入视频数据的。当影像被解码以后，CCI被数字水印检测器所检出，并被传送到模拟防止系统 (APS)，后者进行拷贝防止处理。
从上述例子可见，数字水印的应用多半是为了进一步加强非法拷贝防止技术。可以相信，随着多媒体信息的网络流通的普及，数字水印技术也将进一步与IEEE 1394的拷贝防止技术结合起来予以使用。也许正是由于这种趋势，上述三大行业最近已经同意，拷贝防止顾问委员会将不仅最终决定数字水印技术的标准，而且还将决定下列技术的标准：IEEE 1394的拷贝防止技术、软件篡改的自检技术及模拟RGB输出的保护技术等等。
7 结束语
尽管人们或许早就从侦探小说等方面对水印技术已有所了解，但数字水印技术毕竟还是一个比较新的概念。它既继承了原来的水印技术的本质，又采用了当今的数字技术的工具。可以说是旧貌换新颜。毫无疑问，推动其发展的驱动力当属市场的需求。因此，随着信息内容流通量的不断增加，数字水印技术的应用也必将进一步普及。