基于数字水印技术的版权保护管理系统设计

摘要：随着数字信号处理和计算机网络技术的迅猛发展，传统的多媒体设备进入了数码时代，数字媒体能够被完美的传输和复制。传统的数字加密方式不能很好的保护数字产品的版权，数字水印技术成为解决版权保护问题的有效手段。本文针对多媒体版权保护问题设计了一个基于数字水印技术的版权保护管理系统，介绍了系统的设计、模型、结构框图以及主要技术方案。

关键词： 数字水印；版权保护；版权保护管理系统；主动数据库

中图分类号：TP301文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21621-03

The Design of Copyright Protection and Management System Based on Digital Watermarking Technology

MA Shu-qun,YANG Guang-yu

(Henan Information Engineering School,Zhengzhou 450008,China)

Abstract:With the rapid development of digital signal processing and computer network technology,the traditional multimedia equipment is in the digital era. Digital media can be perfectly transmittedand copied. The traditional password-based multimedia copyright protection technology does not work well now. Digitalwatermarking technology has effectively solved this copyright protection problem . This paper proposed the design of copyright protection and management system based on digital watermarking technology to solvethe problems about multimediacopy-right protection and management, and discribed the system design, model, the structure diagram and the main technical methods .

Key words:digital watermarking;copyright protection;multimedia copyright protection and management System;active database

1 引言

目前，由于用户终端尚不支持DRM（数字版权管理），要利用加密、认证等技术，通过终端的版权处理能力来实现对数字内容版权保护与管理还不可行。但是，为了实现对多媒体版权保护与管理，数字水印技术由于其在版权保护方面的独特能力(数字内容在被嵌入版权水印信息后，不影响正常的使用)，必然是目前的唯一之选。为此，我们提出了基于数字水印技术的多媒体版权保护与管理系统，它是综合数字水印、密码学等的综合解决方案，其核心技术为数字水印技术。通过该系统可以实现对多媒体版权的保护与管理，保持数字内容在网络中下载、转发、上传等过程中的―致性，实现从分离模式向统一模式的转化。

2 建设多媒体版权保护与管理系统的目标

针对多媒体版权保护与管理的实际难题，充分考虑数字作品的特点，依赖法律保障体系，解决多媒体作品在制作、出版、传输、发行、获取、加工、使用等过程的版权保护与管理问题。多媒体版权保护与管理系统将成为一个省级版权行政管理平台，具体实现以下目标：

(1)加强确认版权权利归属的能力，增加打击侵权盗版途径，提高版权管理工作效率，扩大版权贸易交流，充分为著作权人服务，保护作品使用者的合法权益。

(2)提供方便大众作者的数字作品在线登记服务，加强与著作权人的联系，转变政府职能，加强监管，提高社会管理和公共服务水平。

(3)有效地保护网络上传播的数字内容不被非法篡改，对数字版权提供有效的保护，防止非法传播。

(4)提高执法部门在数字作品版权管理和执法方面的能力，有利于打击网络侵权行为，营造良好的法律环境，建立和谐、规范有序的市场环境。

(5)通过有效保护版权所有人的著作权和使用者的合法权利，将极大促进科学文化事业的发展与繁荣，最终使得公众获益和社会进步。

3 基于数字水印技术的多媒体版权保护与管理系统设计

3.1设计方案

为了将数字水印技术应用到多媒体作品的版权保护中，不仅要研究基于文本、图像、音频、视频等数据的有效的水印嵌入以及提取算法，还要结合多媒体的特性，根据现有的应用和可能的应用制定相应的版权保护方案。

数字作品制作阶段：数字作品在制作时就应该加上基于版权的信息。例如书籍在开始创作时就应该加入作者本人的信息。这种信息可以通过嵌入metadata来描述，也可以通过嵌入数字水印信息来描述。原创记录应该以不可见的隐见方式嵌入。

数字作品出版阶段：作为数字作品的出版商，应该有强大的技术手段来保护数字作品的版权信息。数字水印（Digital Watermark）是目前最普遍的数字版权技术。数字水印可以把出版商的相关信息嵌入，当然，必要时采用不可察觉的数字水印。

数字作品的传输阶段：对单向的传输采取加密方式和数字水印方式相结合的方案保护版权，这是面向最终用户的。用户下载后可以进行解密，这时，加密方式已经破解，但数字水印仍然存在。

数字作品发行阶段：以嵌入数字指纹的方式来跟踪和验证发行渠道。通过数字水印的关联性，可以识别商业性的非法拷贝，以及消费者个人的非法复制。

数字作品的使用阶段：用户可以通过各种付费方式浏览数字作品，也可以方便的复制和在权利范围内转借数字作品。这时，数字水印关联性安全机制会自动记录其传播渠道。

3.2系统设计模型

针对多媒体作品在制作、出版、传输、发行、获取、加工、使用等过程的版权保护与管理问题，考虑到创作者、出版商、发行销售商及购买用户之间的权益关系，提出以下基于数字水印的多媒体作品版权保护与管理模型，见图1。

图1中，A为多媒体作品的创作者，WR为版权登记认证服务中心。A创作出作品AW后，向WR进行作品版权登记。WR将为AW生成一个唯一的版权登记号及唯一的版权水印标志PIN1。A利用自己的私钥Key1即可将PIN1嵌入到AW中，生成含有第一个数字水Watermarking1的水印作品AW1，AW1保存到WR的数据库中进行管理。该过程完成了多媒体作品在制作阶段嵌入版权水印的任务，通过版权登记为作品上了一个“法律户口”。

当A决定将其数字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对数字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数字作品，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。

图1 基于数字水印的多媒体作品版权保护与管理模型

当A决定将其数字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对数字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数字作品，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。

授权用户AC也可以通过作品下载界面直接访问WR数据库中的AW1，此时WR将产生一个唯一的用户申请水印标识（数字指纹），该标识由IP地址和访问时间等信息组成，用于跟踪作品。AC访问的的每一个作品AW1都会被嵌入水印标识（数字指纹），借助IP地址就可以大致跟踪多媒体作品。

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。

3.3 系统设计结构框图

构建基于数字水印的多媒体版权保护与管理系统，设计结构框图如图2所示。

图2 基于数字水印的多媒体作品版权保护与管理系统的结构框图

4 系统的主要技术方案

4.1 嵌入水印的信息格式

目前的算法都是以伪随机序列作为水印信息，最后只是检测伪随机序列是否存在。这远不能满足网络出版的需求，我们需要水印信息本身携带一定的版权信息。当水印被检测出来时，版权信息也随之被检测出来了。现在有些算法针对于某一种形式的水印做了研究，但是这些算法没有太大的实用性，其弊病是只能处理某种形式的水印，一旦水印形式发生变化，就无能为力了，因而有意义水印有比较强的实用价值和发展前景。

4.2 水印密钥的安全生成算法

该算法的目的是生成水印密钥信封，一个水印密钥信封包含一个加密的随机的水印密钥和一个法律上承认的由使用者的标志信息生成的独一无二的标识。另外，就是提取水印时不泄漏私钥，以防影响到其它用该私钥嵌入水印的作品。

水印密钥信封为秘密的水印密钥和其持有者的相关标志信息提供安全的传输和存储媒体。这就保证了没加密的钥匙不能离开密钥生成模块，如果不使用该模块，即使密钥持有者也不能访问和操纵信封里包含的信息。这就保证了只能执行有效的操作，在目前的签名标准限制下，其中的标识信息在水印验证（提取）过程中能够唯一的确认版权所有者。用秘密的模块钥匙签名信封来保证入侵者不能插入一个预先伪造的水印信封，因为使用者必须认证信封的内容。

本系统采用C2算法来随机生成水印密钥。C2算法的安全性主要在于Feistel网络，它是分组密码设计的重要结构，已被证明是安全的。它将明文分组（64位）分成左半部分和右半部分，各32位长。密钥为56位，密钥作用于明文，然后进行10轮运算。

4.3 水印的监视与跟踪

数字水印本身并不能阻止用户的拷贝行为，用户对于嵌入水印和未含水印的数据，可以进行完全相同的处理，但包含了数字水印的作品，在出现版权纠纷时，可以把水印作为证据，证明作品的版权所有者和盗版者，对盗版行为能起到威慑作用。因此，版权人每隔一定时间就要通过水印监视和水印跟踪，来监督网络用户对销售作品的使用情况，监控非法拷贝或者盗版行为。但要从网络中成千万的多媒体信息中有效快速地检测数字水印是数字水印技术的关键，也是系统能否有效的关键所在。

水印监视器在服务器端安装，它通过搜索引擎收集网络中的图像，并建立带索引的图像数据库，可以利用现成的搜索引擎中如yahoo的数据库。因为水印提取需要密钥，每个水印监视器分配一个密钥或一组密钥，用于检测某种特定的水印。若水印监视器用于检测私有水印，它可以产生侵权报告。若用于检测接收者水印时，产生非法复制与发行报告。水印监视器优点是可以独立运行，不需要重新配置服务器或增加服务器插件。缺点是负载过重，因为它需要下载每幅图像，而且所有操作都要在监视器内进行。商家可以定期使用水印监视器检测网络中的图像。

为了解决水印监视器的缺点，可以采用水印跟踪。水印跟踪通过检测水印和验证用户使用权限来跟踪非法拷贝。水印是移动的，可以自主地从一台主机迁移到另一台主机，可以检测每个主机本地储存的图像水印，并把报告结果发送到管理中心。管理中心负责的派遣、报告的收集与汇编以及采取相应的行动。同水印监视器一样，每个通常带有版权拥有者一个或多个密钥来检测与版权者相关的水印。

水印监视器和水印跟踪两种方法都需要建立一个知识库来引导他们定位和移动。我们可以建立一个增量式的知识库，通过监视和跟踪得到的反馈和分析结果相应地增加行动规则。例如：某个网站一旦被检测到有非法拷贝现象，以后就增加该网站的光顾次数。

4.4 数据库系统

本系统可采用主动数据库管理系统来实现在存储多媒体作品的同时为其嵌入灵活而唯一的数字水印信息，让数据库具备主动按照业务规则及算法逻辑管理多媒体数据的功能，具备一定的人工智能。设计一个具有主动性、快速性和智能化的版权管理与保护系统，更充分地保护、跟踪、验证多媒体作品。

主动数据库系统（ADBMS）是指具有各种主动提供服务功能，并且以一种统一的机制实现各种主动服务的数据库系统。主动数据库系统是相对于传统数据库的被动性而言的。传统的数据库系统只能根据用户或应用程序的服务请求对数据库进行存储、检索等操作，而不能根据发生的事件或数据库的状态主动做出反应。

一个主动数据库系统在某一事件发生时，引发数据库管理系统去检测数据库当前状态，若满足指定条件，则触发规定执行的动作，我们称之为ECA规则，即事件－条件－动作。

一个主动数据库系统可表示为： ADBS=DBS + EB + EM

其中DBS代表传统数据库系统，用来存储、操作、维护和管理数据；EB代表ECA规则库，用来存储ECA规则，每条规则指明在何种事件发生时，根据给定条件，应主动执行什么动作；EM代表事件监测器，一旦检测到某事件发生就主动触发系统，按照EB中指定的规则执行相应的动作。

ECA规则的一般形式：

Rule [(,……)]

When

If Then

……

If Then

End Rule

5 系统的实现

基于数字水印的多媒体版权保护与管理系统采用分布式多层体系结构，客户端为浏览器，服务器端依据多层分布式结构搭建，符合J2EE标准。第一层为安全层，包括防火墙和服务器，为接入互联网提供保护和访问控制；第二层为Web服务器，支持Internet用户通过Http、FTP、SOCKETS协议对系统进行访问；第三层为Application应用服务器，做为版权保护与管理系统各业务模块的支撑平台和提供用户目录管理；第四层为主动数据库服务器，采用性能优异的Oracle 数据库技术。

6 结束语

数字水印是一门新兴的边缘科学，虽然近几年来数字水印技术取得了巨大的进展，但是到目前为止尚未形成一个完整的理论体系，可以说，数字水印是一个充满活力又亟待开拓的研究领域。以数字水印为基础设计一个网络化的智能多媒体版权保护与管理平台，更能解决多媒体作品全过程的版权保护与管理问题。该系统利用数字水印具有的关联性，不但可以实现证明版权标识的功能、而且可以实现痕迹追踪功能。在实际的应用中，该系统依赖政府的法律保障体系，集多媒体作品版权登记、数字水印证书管理、版权认证查询、版权交易管理、反盗版监控、网上举报以及多媒体作品版权证据保护、执法取证等综合功能为一体，是一个基于数字水印技术的系统化的高效可行的多媒体版权保护与管理系统。

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