基于数字水印的多媒体教学资源保护

王 冰

(海南广播电视大学计算机应用教研室，海南海口570208)

引 言

随着信息技术和多媒体网络技术的飞速发展，以音频、视频、电子课件为主要形式的多媒体教学资源，得到了广泛的普及应用，人们可以很容易地从网站中得到并任意复制和传播，虽然这给学习生活带来了方便，但由于未经教学资源版权所有者和创作者的允许，便随意传播和复制，造成了大量的盗版和侵权问题，侵犯了所有者的合法权益，容易引起纠纷。

在开放的网络环境下，如何对多媒体教学资源进行有效的版权保护，保护版权所有人的合法权益，成为一个迫在眉睫的问题。由于数字产品的版权保护是一个复杂的问题，涉及到法律、技术和管理等领域，仅靠法律和管理机构是不够的，实现数字产品的版权保护还需要技术上提供强有力的支持和手段。

目前，数字版权保护的方法主要有两类:一类是以数据加密为核心的DRM(数字版权管理)技术，另一类是数字水印技术。从技术上看，数字版权管理DRM技术的保护方法是采用加密的技术，通过对多媒体信息进行加密后发布，它的原理是将明文信息变换成密文信息，没有密钥的人便不能访问加密后的数字内容，从而达到数字版权保护的目的。但是，由于加密技术只能局限于传输过程中的保护，而数据一旦被解密，内容将不再受到保护，已经解密的数字内容就可以非法复制和传播。

在这样的背景下，数字水印(Digital Watermarking)技术便应运而生，弥补了传统加密技术的不足。它的基本做法是:通过一定的算法在多媒体教学资源(图像、音频或视频)中嵌入数字水印信息，在发生版权纠纷时，通过提取数字水印来判定版权归属，证明所有者的版权或作为盗版、侵权的证据。它不影响原有文件的可观性和完整性，也不影响使用价值，通常是不可见或不可觉察的，只有经过检测或提取水印，才能鉴别出图像、音频和视频数字作品所有者的版权。数字水印技术的产生，为数字作品的版权管理提供了一种新的解决途径。

与传统的加密技术相比，数字水印技术的不同之处在于它并不能直接阻止非法拷贝行为，但它可以通过验证产品的所有权来揭露盗版、监视被保护数字内容的传播，以法律的手段对其进行制裁，间接地打消盗版者非法复制的企图，起到保护知识产权的作用[1]。

通过数字水印技术防止盗版和其他版权侵犯行为，最大限度地保护版权所有者和创作者的合法权益，同时，保证用户能够访问、使用具有合法版权的数字作品内容，并享有其应得的利益。作为加密技术的补充方法，为数字作品的所有者和创造者提供了有效的保护手段。

一 数字水印技术概述

数字水印技术就是将一些标识信息(如版权标志、用户序列号或产品信息)通过一定的算法嵌入到数字载体(图像、音频、视频和文本)中，它利用了数字作品中的数据冗余和随机性，不影响原载体的使用价值，通过隐藏在载体中的信息，来确认版权所有者或判断是否被篡改，从而起到数字版权保护的目的。

(一)数字水印的基本特征

根据数字水印的定义，以及版权保护的需要，数字水印应具有以下特征:

1.隐蔽性:即嵌入数字水印后，不会引起主观质量的明显下降，不易被察觉，非法拦截者无法判断是否有隐藏信息。

2.安全性:嵌入的数字水印信息应是安全的，不容易篡改或伪造，并且有较低的误检测率。

3.鲁棒性(Robustness):经过各种处理或攻击(如压缩、滤波、A/D与D/A转换)具有抵抗性，即经过上述处理后，水印仍存在。

(二)数字水印的关键技术

一个完整的水印系统由两个基本模块组成:水印嵌入模块和水印检测与提取模块。水印嵌入模块将水印信息嵌入原始文件中如图一，水印检测与提取模块用来判断某一数据文件是否含有指定的水印或将水印提取出来如图二。

图一 数字水印信号嵌入

图二 数字水印信号检测

1.水印信号的生成

根据嵌入的需要，对数字水印进行预处理，如编码

压缩、加密等，然后形成水印信号;

2.水印信号的嵌入

采用某种嵌入水印的算法，在密钥的控制下，将数字水印信号嵌入到要保护的数字内容中，生成含水印的数字产品;

3.水印的提取和检测

水印的提取指的是从含水印的数字产品中提取出水印信息，用于鉴别版权。为了给侵权者增加难度，目前，大多数水印制作都在嵌入和提取时，采用密钥加密的方法，只有掌握密钥的人才能解密，这样就提高了安全性。

二 基于数字水印的多媒体教学资源保护策略

随着信息技术和多媒体网络技术的发展，多媒体教学资源在电大远程教育中得到了广泛应用，可以说，多媒体教学资源是学校教育信息化的基础。随着网络教学在远程教育中所占的比重逐渐增加，多媒体教学资源的数字版权保护日显重要，成为远程教育中急需解决的问题。数字水印技术为多媒体教学资源的版权保护提供了较好的手段，它不损害原作品，又达到了版权保护的目的。因此，数字水印技术在多媒体教学资源的保护中发挥着越来越重要的作用。版权所有者可根据资源类型选择相应的水印技术，将版权信息作为水印嵌入数字作品中，这样当发生盗版或版权纠纷时，可提取出水印信号用以证明作品的版权。

在多媒体作品的版权保护中应用数字水印技术，除了根据多媒体资源的类型采用相应的基于图像、音频、视频、文本的水印嵌入及提取算法外，还应根据应用需求，制定相应的版权保护方案。

(一)版权保护方案

数字作品制作阶段:在数字作品制作时，加入基于版权的信息，如嵌入数字水印信息[2]。

数字作品的传输阶段:在传输过程中，以数字水印方式和加密方式相结合的手段保护数字版权。当用户下载后，可以进行解密，但数字水印仍然保留。

数字作品发行阶段:通过嵌入数字指纹的方式来追踪和鉴别流通渠道，根据提取出的数字水印，辨别作品是否遭到商业性的非法拷贝，或是消费者个人的非法复制。

数字作品的使用阶段:用户付费后可浏览数字作品，也可方便地复制数字作品，或在权利范围内转借，通过安全机制记录其传播渠道。

(二)视频水印技术

目前，多媒体教学资源的主要形式有图像、音频、视频、文本等，与此相对应的水印技术分别为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印。视频教学资源在教学中的使用越来越多，版权保护问题也显得突出，下面主要描述的是视频水印技术的基本思想与方法。

主要思路:在将视频教学资源作为作品发布前，将版权信息作为水印嵌入到视频教学资源中，当发生盗版行为或版权纠纷时，通过从作品中提取水印来判定作品的归属。

(三)视频水印嵌入

视频水印的嵌入策略比图像水印、文本水印、音频水印的嵌入方法要复杂，目前，视频数字水印的嵌入算法比较多，根据水印嵌入视频流类型的不同，分为两大类:原始视频水印和压缩视频水印。原始视频水印是对未经压缩的视频嵌入水印，压缩视频水印是指在编码压缩后的码流中直接嵌入水印信息，它的优点是不会引起视频质量的下降，不需要解码和再编码过程，但水印的嵌入量将受视频压缩码率的限制。

(四)水印算法的选择

在视频教学资源中嵌入数字水印目的是为了教学资源的数字版权保护。因此，要求水印算法具有较好的鲁棒性，现有的视频水印算法大多具有较好的鲁棒性。比如基于奇异分解和二维主元分析的视频水印算法[3]，在文献[4]中提出的视频水印算法，是在视频的离散余弦变换中，选取一定的特征块，作为水印的嵌入点，而在提取水印时，通过由特征块计算得到的同步块来进行视频帧的几何校准，然后，通过提取特征块将水印提取出来[5]。通过嵌入标识视频教学资源版权的水印信息，达到对视频教学资源版权的保护和跟踪，并且能够在视频教学资源被盗版或侵权后，提供证明版权归属的依据。

四 下一步研究工作展望

随着视频数字水印技术的发展，对于水印算法的复杂度、水印的鲁棒性和隐蔽性、随机检测性等问题，需要做进一步研究，提高应用水平。预计视频水印技术研究的热门研究方向将有以下几个方面:

(一)研究及设计快速算法将会是研究方向之一，提高算法的处理速度，降低算法运算影响传输和存取的时间[6]。

(二)采用新的方法嵌入和提取水印。水印的鲁棒性不仅与嵌入位置有关，也与算法的特点有关。因此，设计新的算法是提高鲁棒性的一个有效的办法[6]。

(三)研究提高水印算法的实时性。由于视频文件的数据量大，在应用环境中实时处理时比较复杂。因此，如何提高水印算法的实时性将会是研究方向之一[7]。

(四)由于视频水印算法容易受到几何攻击。因此，研究基于内容的第二代水印方法，提高抗攻击能力将是视频水印研究的方向之一[7]。

(五)视频编码技术的不断发展，新的视频标准将会出现，应研究与新的视频标准相对应的水印算法。

结 语

近年来，数字水印技术作为数字版权管理的有效手段，越来越受到人们的重视，通过数字水印技术验证数字作品的的完整性，来源的可靠性，从而达到数字版权保护的目的，弥补了加密技术在数字版权管理中的不足。多媒体教学资源的数字版权保护是远程教育中亟待解决的突出问题，本文从数字作品版权权保护的现状，引入数字水印技术，介绍了数字水印的定义、特征及关键技术，着重介绍了视频数字水印技术。尽管目前的数字水印算法仍存在不足，但随着研究的进一步发展，数字水印将成为音频、视频数字版权管理的重要手段。

[1]王冰.数字版权管理及应用[J].中国数字电视，2006(6).

[2]王洋，牛晓太.基于数字水印技术的版权保护管理系统的设计[J].河南工业大学学报，2009(9).

[3]张芙蓉，汤泽军.基于数字水印的多媒体教学资源版权保护的研究[J].长沙航空职业学院学报，2008(12).

[4]钱莉，刘文予，张帆.一种基于DCT域特征块的抗几何攻击的视频水印[J].中国图像图形导报，2007(5).

[5]李旭东.基于数字水印的教学课件版权保护方案[J].软件导刊·教育技术，2010(3).

[6]谢健全，阳春华.视频数字水印技术研究综述[J].湖南财经高等专科学校学报，2006(8).

[7]张永华，冯文辉.视频水印的关键技术研究[J].计算机与数字工程，2009(2).