基于水印技术的数字作品版权保护系统

摘要:本文基于数字水印技术提出了一种网络多媒体作品的注册和侵权收集机制，可以实现包括图像、视频和音频等网络作品的注册和非授权复制和传播行为的信息收集等功能。该机制对网络多媒体作品的版权保护具有一定的实用价值。

关键词:侵权收集；数字水印；搜索引擎；马赛克攻击

Digital Copyright Protection System Based on Watermarking Technology

Liu Xundong

(61660 Troops,Beijing100089,China)

Abstract:In this paper,based on digital watermarking technology,registration and infringement collection mechanisms of a network of multimedia works,the function can be achieved,including the registration of images,video and audio network works and unauthorized reproduction and dissemination of information gathering behavior.This mechanism has some practical value for network multimedia copyright protection.

Keywords:Tort collection;Digital watermark;Search engine;Mosaic attack

随着网络技术的发展和普及，多媒体作品的复制和传播变得更为方便。对多媒体产品的非授权访问、篡改等侵权行为也变得更容易和广泛，如何在网络环境中实现有效的版权保护成为一个亟待解决的问题。数字水印可以有效地用于数字版权的保护，它将特定信息如代表作品所有权的文字、序列号、图形商标、印鉴、随机序列等嵌入到多媒体载体数据中，而且额外信息的嵌入不影响载体数据的质量。数字水印技术的鲁棒性则可以有效地防止多种有意攻击，保证水印信息能够可靠地被检测出来。

单纯的数字水印技术面向的大多是本地的多媒体数据，并不考虑多媒体数据是否被非法复制和扩散，因此无法遏制广泛分布在互联网上的侵权行为。本文提出了一种多媒体作品注册和侵权收集机制（Multimedia Registering and Privacy Detecting System，MRPDS），其中采用基于注册的方法解决多媒体作品的非法复制等侵权问题。机制中使用网络搜索引擎自动地搜索可能的侵权作品，并使用数字水印技术判别多媒体作品的合法性。本文提出的方案作为数字版权管理的一种综合应用模式，可以为网络多媒体作品的版权提供可靠的保障。

一、搜索引擎和数字水印

比起文本搜索技术，多媒体搜索引擎的研究尚不够成熟。其中图像搜索引擎功能主要基于文本方式和内容方式实现。文本方式允许用户通过关键字查询检索图像，这种方式是文本式搜索引擎的进一步延伸应用。图像的索引关键字来自于图像所在网页的相关描述以及图像的文件名、图像的超级链接中包含的文本内容等。内容方式通过初始图像例子查询。系统给出图像样本供用户选择和目标近似的图像以确定搜索方向，通过分析被选择的图像样本的属性，如色彩、对象等，进而细化搜索方向和评估参数。在进行搜索时系统先对候选图像进行采样，然后与数据库中的图像文件进行比较，最后将内容相似的图像文件作为最终搜索结果返回。传统对于音频视频的文件搜索，都是基于文件名、文件所在网页的相关内容、文件的附加信息如标题、时间以及人等。在音频源文件没有相关描述信息时，则首先对语音进行识别，以建立音频视频的索引内容。多数音频、视频搜索引擎系统仅提供到源文件的链接，有时为了提高检索性能，可以提供从源文件中截取的音频、视频片段，供用户检查是否符合要求。

鲁棒数字水印技术可以对目标作品嵌入特定的信息，而不会影响作品的质量，嵌入水印的作品在经过一般的信号处理或者有意的攻击之后，仍然能够有效地检测到被嵌入的信息。目前常用的水印技术一般是基于空间域或者变换域（DCT域，DWT域以及压缩域等）的，由于在变换域上能够较好地建立人对多媒体数据的感知模型，因此基于变换域的水印机制具有良好的保真性，且对压缩、滤波、缩放、旋转以及裁剪等常见多媒体数据的操作具有更好的鲁棒性，更适用于多媒体数据的版权保护。

二、MRPDS系统的体系结构

MRPDS系统由作品注册、搜索引擎、监测引擎、扩散路径分析和注册库四部分组成。

版权所有者首先将原始多媒体作品提交给作品注册模块，注册模块对作品生成系统内唯一的标记，结合提交人给出的特定信息生成水印序列，并将水印嵌入到作品中，作品标记以及相关信息、水印序列等一并存入注册数据库。这里的水印算法选择鲁棒性较好的图像水印算法、音频水印算法和视频水印算法。此后搜索引擎可以对整个因特网或指定的范围搜索有关可疑作品，返回的作品则交给监测引擎，由监测引擎根据注册库中的信息进行检测，并且比较该网址是否在作品时已经注册，从而确定作品是否非法复制或者扩散。

MRPDS系统可以在整个互联网上搜索侵权作品，也可以对一个或者多个指定的可疑站点，或者某个可疑的域中的所有Web服务器和ftp服务器进行搜索。搜索引擎有三种工作方式：基于文本的方式、基于内容的方式和全部搜索的方式。其中在全部搜索方式下将所有的多媒体作品下载到本地完成水印的检测，这种方式对搜索侵权作品比较有效，但耗时很长，因此不适用于整个因特网，一般仅用于对指定站点的侵权搜索。

由于面向多媒体作品的搜索引擎在时间性能和存储性能上依然较差，而且多媒体信息的数据量一般较大，因此系统的数据采集规模也很大。MRPDS系统采用一种灵活的方式来解决此问题。在多媒体作品注册阶段，首先将作品分成固定大小的分块，然后对每个分块独立地嵌入相同的水印信息。由于目前互联网上的Web服务器和ftp服务器一般支持多线程下载以及断点续传，因此搜索引擎在收集多媒体数据时，首先按照作品的文件格式计算随机选择的分块在整体数据中的逻辑位置，然后仅下载指定位置上的分块数据，并且由监测引擎对该分块进行检测。当然这样的监测结果有将检测误差放大，为缩减误差，可以继续随机选择分块并且下载数据和检测水印。

三、对马赛克攻击的对策

马赛克攻击是针对有自动搜索引擎的数字版权保护技术的主要攻击行为。在这种攻击方式中，图像、音频或者视频被分成多个小片断，攻击者在精确计算其相对位置之后，独立地放置到同一个网页中。从网页浏览者的角度来看，这些分割后的片断在空间域或时间域上仍然是连贯的，和分割前的多媒体作品具有同样的效果；对水印监测来说，由于自动搜索引擎返回的是一些小片断，而片断的长度小于水印可以被检测出来的载体长度下限，因此检测无法进行，总是返回否定的检测结果。

针对马赛克攻击，本文提出两种对策。一种是基于分析网页位置标记的方式，对网页源代码进行解析，以分析网页上的多媒体片断在时间、空间上是否连续，如果连续则将其视作一个作品整体进行水印检测。这种方式需要分析网页源代码，额外的计算量较大，而且对基于Java Applet或者ActiveX控件方式动态提供多媒体作品的网页，同样无法检测到水印。另外一种对策是将整个网页直接转存成图像的格式，然后对此图像检测侵权行为是否存在。该对策能够解决上述图像动态显示的问题，但是在网页转换成图像时的计算量较大，在一定程度上提高了数据的下载量，而且这种对策仅能用于对图像侵权行为的监测，无法用于音频和视频作品。

四、性能分析和验证

为了检验MRPDS系统的性能，实验在国家教育网上架构了网址为gait.nlsde.buaa.省略的Web服务器，从网站的主页开始最多可以前进7层链接。该网站中存放了大量的多媒体作品，总计42个独立页面，含有1153幅图像、43个音频片段和35个视频片段，总计大小为581.32兆字节。其中有268幅图像、31个音频片段和17个视频片段是在注册之后的，而且对应合法的URL。上述注册的作品中有157幅图像、19个音频片段和7个视频片段被复制对应到非法的URL而且允许公开的访问。侵权多媒体作品中，有23幅图像、7个音频片段和2个视频片段经过了马赛克攻击。实验分别使用没有针对马赛克特殊处理的机制、多媒体作品拼接的机制以及网页转存机制对侵权作品进行收集。

应当指出的是，上述MRPDS系统均采用了随机选取样本分块下载并且检测水印的策略，这样大幅减少了需要获取的数据量，优化了运行效率，但是这也在一定程度上提高了水印的漏检率。同时，对比上述三组实验数据可以看到，未采用任何针对马赛克攻击的系统的运行时间最短，但是收集的正确率无法达到最优；采用多媒体作品拼接机制的系统在三种侵权作品的收集方面准确率均有明显提高，运行效率没有明显的降低；由于对动态显示的侵权作品可以有效地分析，采用网页转存机制的系统在侵权图像的收集方面准确率最高，但是侵权音频和侵权视频的收集无任何改观，而且运行效率较差。

五、结论

针对因特网上普遍存在的多媒体作品的非法复制和扩散问题，本文提出了一种基于数字水印技术的多媒体作品注册和侵权收集机制，该机制适用于图像、音频和视频等类型多媒体作品的版权保护。实验结果表明，采用该机制的MRPDS 系统的准确性和效率都较高，有着一定的应用价值。

参考文献：

[1]COX IJ,MILLER M I. The First 50 Years of Electronic Watermarking [J].Journal of Applied Signal Processing,2002,56(2):126-132

[2]宋擒豹,沈钧毅.数字商品非法复制和扩散的监测机制[J].计算机研究与发展,2001,38(1):121-125

[3]D Lewandowski,Web searching, search engines and Information Retrieval, Information Services and Use,2005

[4]Cox IJ,Miller M L. Digital Watermarking. New York: Academic Press,2002

[5]A Sverdlov,S Dexter, AM Eskicioglu,Robust DCT-SVD Domain Image Watermarking for Copyright Protection:Embedding Data in All Frequencies,Computing and Networking 2005 Conference,San Jose,CA,2005