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摘 要：本文介绍版权保护技术的概念和分类，重点介绍了数字水印的基本原理、嵌入过程提取和检测过程，最后利用基于DCT变换域的数字水印算法给课件加入数字水印，实现基本的数字版权管理功能。
关键词：多媒体课件；数字水印；版权保护
中图分类号：TP309.7
随着计算机的广泛应用和网络技术的日益完善，多媒体课件已在现代课堂中担任了重要角色。为了保护制作人的合法权益，需要利用先进的技术对多媒体教学课件实施版权保护。
1 数字版权保护技术
数字版权保护（“Digital Rights Management”，简称DRM）是用来保护数字产品版权的一种技术手段。根据保护对象的不同，主要可以分为两类：一类是多媒体保护，如加密电影、音乐、音视频或流媒体文件；另外一类是加密文档，如DOC、XLS、PPT和PDF等。事实上，一切形式上的数字化内容由于都有可能被非法复制和传播，比如商业化的操作系统软件、办公软件、数据库软件，软件开发工具、文档和图纸等都有数字版权保护的必要。DRM主要是以一定的计算方法，从技术上锁定和限制数字内容及其分发途径，从而防止数字产品被无授权的复制。常用的技术主要有数字水印、数据加密、数字签名和数字指纹等。
2 数字水印概述
数字水印通常是把某些不可见标志数据嵌入到数字内容中作为水印，使得水印在数字内容中不可感知和足够安全，只有通过专用的检测工具才能提取。为了保证数字内容失真而不被人的视觉或听觉察觉到，必须应用某种显性或者隐性的感知准则。数字水印算法要结合加密方法以提供其安全性，这些加密方法由数字标识、随机数字序列、文本和图像等多种模型构成。一般而言，数字水印算法包括数字水印嵌入和数字水印提取两个过程。其中数字水印嵌入过程如图1所示：
图1 数字水印嵌入过程
数字水印嵌入算法可以分为两大类：空间域算法和变换域算法。在这些算法中，最低有效位算法是由L.F.Turner和R.G.vanSchyndel等人提出的，是国际上最早的提出数字水印算法，它可以隐藏较多的信息，是一种典型的空间域算法，但如果遭到各种攻击后，水印容易被移去。Patchwor这种数字水印算法是由麻省理工大学（Massachusetts Institute of Technology，MIT）多媒体实验室Walter Bander等人提出的，目前主要用于打印票据的防伪。其缺点在于只能隐藏较少的数据量，抗攻击能力较弱，敏感于仿射变换。而目前研究最多的算法是基于DCT（Discrete Cosine Transform，DCT）的频域水印算法，它可以与MPEG、JPEG等压缩标准的核心算法相结合，能较好的抵抗有损压缩，具有鲁棒性强、隐蔽性好等特点。数字水印的提取和检测过程如图2所示：
图2 数字水印的提取与检测过程
频域法检测水印的原理是将原始信号与待检测信号同时进行变换域变换，比较两者的区别，进行嵌入水印的逆运算，得出水印信息。如果是可读的水印，那么就此结束，如果是不可读水印，如高斯噪声，就将得出的水印与已知水印作比较，由相关性判断，待检测信号含不含水印，故水印的检测有两个结束点。
3 数字水印技术在多媒体课件版权保护中的应用
3.1 基于DCT变换域的数字水印算法设计
本文采用基于DCT变换域水印嵌入技术实现版权保护，具体实现过程是：
先将表示载体图像数据的矩阵进行DCT变换，得到相应的DCT系统矩阵，选择待嵌入水印的系数，由于DCT系数反映了图像的能量，从而实现嵌入水印的目的，然后再进行反DCT变换，取整即可得到嵌入水印后的载体图像。其中水印嵌入过程为：
设原始图像I大小为M×N，水印图像J大小为P×Q，其中M、N分别是P、Q的偶数倍。要将水印图像J加载到原始图像I中，算法如下：
Step1分块：将I分解为（M/8）×（N/8）个8×8大小的方块BI（m，n）；亦将J分解为（M/8）×（N/8）个（8·P）/M×（8·Q）/N大小的方块BJ（m，n），其中1≤m≤M/8，1≤n≤N/8。
Step2DCT变换：对每一个BI（m，n）实施DCT变换，即有DBI′（m，n）=DCT（BI（m，n））。
Step3加载水印：对每一个DBI′（m，n）和BJ（m，n），xi为从DBI′（m，n）的中频选出的加载的位置，1≤i≤（8·P）/M×（8·Q）/N，ri为水印BJ（m，n）的位置坐标，1≤i≤（8·P）/M×（8·Q）/N。DBI"（m，n）（xi）=c×BJ（m，n）（ri），其中c是加权系数，用DBI"（m，n）（xi）来代替DBI′（m，n）（xi）得到加载水印后的图像DBI"（m，n）。
Step4逆DCT变换.对每一个DBI"（m，n）进行逆DCT变换，即IDBI（m，n）=IDCT（DBI"（m，n））。并将各方块IDBI（m，n）合并为一个整图CI′，就得到加载了水印的新图像TI。
数字水印提取过程为：
对加载了数字水印的载体图像TI，要提取其中所加载的水印，其实质就是上述加载数字水印算法的逆运算：
Step1分块将TI分解为（M/8）×（N/8）个8×8大小的方块BTI（m，n），1≤m≤M/8，1≤n≤N/8。
Step2DCT变换对每一个BTI（m，n）进行二维DCT反变换：BTI′（m，n）=IDCT（BTI（m，n））。
Step3提取数据，对每一个BTI′（m，n），按照式BJ（m，n）（ri）=1/c×（xi）BTI′（m，n）得到BJ（m，n）。
Step4合并，将上面所有BJ（m，n）合并成一个整图J。
DCT作为常用的一种编码方法，并由于数字图像JPEG压缩标准也是建立在DCT变换基础上，所以DCT是一种具有很好的去相关能力和能量压缩能力的变换，越来越多的人利用它与其他算法结合进行版权保护，成目前数字水印领域的一个研究热点。
如果在网络上，多媒体教学课件的版权保护要求为：（1）先需要采用加密算法对课件内容进行加密，并根据需要将课件主题、版权声明、权限许可证、版权人姓名、版本号、颁发服务网站地址等信息附加在加密文件头部。（2）为了储存和颁发权限许可证，实现权限管理器许可证服务，课件版权拥有者需要配置一个权限许可证颁发服务器。（3）借助互联网或其他媒介，将加密包装后的课件以Web站点、光盘、E—mail等形式发布。（4）用户访问加密包装后的课件时，系统必须能够让他首先从权限许可证颁发服务器上获得权限许可证，以便得到权限许可证中的密钥，通过相应的解密算法对课件进行解密，并根据相关权限控制信息（如访问次数、起始时问、终止时间等）进行验证。验证通过后，系统才能让用户根据权限许可证所规定的权限访问课件。
3.2 应用实例
作为一款流行的工程设计和系统仿真软件包，Matlab用于数字水印技术研究有着独到的优势。启动matlab软件，按上述算法编制好应用程序，事先准备好一张取名为“xbmu.JPG”数字水印图片，对多媒体课件中的“第一章”文件夹里的名为“12.jpg”的图片，利用matlab程序把该图片加入数字水印。具体实现结果如图3所示。
图3 数字水印图像
4 结束语
近年来，数字水印技术发展很快，主要是通过对媒体数据进行时域或频域的各种复杂变换，以增强嵌入信息的健壮性。数字水印技术虽然能检测水印达到版权鉴别的目的，但是该技术只能在盗版发生后提供版权鉴定，并不能在真正意义上防止盗版。也就是说，数字水印技术只能做到“事后追踪”，却达不到“事前防范”的功能，需要在实际应用中结合其他技术实现版权保护。
参考文献：
[1]冯明，唐宏，陈戈.数字版权管理技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2009，8.
[2]金聪.数字水印理论与技术[M].北京：清华大学出版社，2008，8.
关键词：多媒体课件；数字水印；版权保护
中图分类号：TP309.7
随着计算机的广泛应用和网络技术的日益完善，多媒体课件已在现代课堂中担任了重要角色。为了保护制作人的合法权益，需要利用先进的技术对多媒体教学课件实施版权保护。
1 数字版权保护技术
数字版权保护（“Digital Rights Management”，简称DRM）是用来保护数字产品版权的一种技术手段。根据保护对象的不同，主要可以分为两类：一类是多媒体保护，如加密电影、音乐、音视频或流媒体文件；另外一类是加密文档，如DOC、XLS、PPT和PDF等。事实上，一切形式上的数字化内容由于都有可能被非法复制和传播，比如商业化的操作系统软件、办公软件、数据库软件，软件开发工具、文档和图纸等都有数字版权保护的必要。DRM主要是以一定的计算方法，从技术上锁定和限制数字内容及其分发途径，从而防止数字产品被无授权的复制。常用的技术主要有数字水印、数据加密、数字签名和数字指纹等。
2 数字水印概述
数字水印通常是把某些不可见标志数据嵌入到数字内容中作为水印，使得水印在数字内容中不可感知和足够安全，只有通过专用的检测工具才能提取。为了保证数字内容失真而不被人的视觉或听觉察觉到，必须应用某种显性或者隐性的感知准则。数字水印算法要结合加密方法以提供其安全性，这些加密方法由数字标识、随机数字序列、文本和图像等多种模型构成。一般而言，数字水印算法包括数字水印嵌入和数字水印提取两个过程。其中数字水印嵌入过程如图1所示：
图1 数字水印嵌入过程
数字水印嵌入算法可以分为两大类：空间域算法和变换域算法。在这些算法中，最低有效位算法是由L.F.Turner和R.G.vanSchyndel等人提出的，是国际上最早的提出数字水印算法，它可以隐藏较多的信息，是一种典型的空间域算法，但如果遭到各种攻击后，水印容易被移去。Patchwor这种数字水印算法是由麻省理工大学（Massachusetts Institute of Technology，MIT）多媒体实验室Walter Bander等人提出的，目前主要用于打印票据的防伪。其缺点在于只能隐藏较少的数据量，抗攻击能力较弱，敏感于仿射变换。而目前研究最多的算法是基于DCT（Discrete Cosine Transform，DCT）的频域水印算法，它可以与MPEG、JPEG等压缩标准的核心算法相结合，能较好的抵抗有损压缩，具有鲁棒性强、隐蔽性好等特点。数字水印的提取和检测过程如图2所示：
图2 数字水印的提取与检测过程
频域法检测水印的原理是将原始信号与待检测信号同时进行变换域变换，比较两者的区别，进行嵌入水印的逆运算，得出水印信息。如果是可读的水印，那么就此结束，如果是不可读水印，如高斯噪声，就将得出的水印与已知水印作比较，由相关性判断，待检测信号含不含水印，故水印的检测有两个结束点。
3 数字水印技术在多媒体课件版权保护中的应用
3.1 基于DCT变换域的数字水印算法设计
本文采用基于DCT变换域水印嵌入技术实现版权保护，具体实现过程是：
先将表示载体图像数据的矩阵进行DCT变换，得到相应的DCT系统矩阵，选择待嵌入水印的系数，由于DCT系数反映了图像的能量，从而实现嵌入水印的目的，然后再进行反DCT变换，取整即可得到嵌入水印后的载体图像。其中水印嵌入过程为：
设原始图像I大小为M×N，水印图像J大小为P×Q，其中M、N分别是P、Q的偶数倍。要将水印图像J加载到原始图像I中，算法如下：
Step1分块：将I分解为（M/8）×（N/8）个8×8大小的方块BI（m，n）；亦将J分解为（M/8）×（N/8）个（8·P）/M×（8·Q）/N大小的方块BJ（m，n），其中1≤m≤M/8，1≤n≤N/8。
Step2DCT变换：对每一个BI（m，n）实施DCT变换，即有DBI′（m，n）=DCT（BI（m，n））。
Step3加载水印：对每一个DBI′（m，n）和BJ（m，n），xi为从DBI′（m，n）的中频选出的加载的位置，1≤i≤（8·P）/M×（8·Q）/N，ri为水印BJ（m，n）的位置坐标，1≤i≤（8·P）/M×（8·Q）/N。DBI"（m，n）（xi）=c×BJ（m，n）（ri），其中c是加权系数，用DBI"（m，n）（xi）来代替DBI′（m，n）（xi）得到加载水印后的图像DBI"（m，n）。
Step4逆DCT变换.对每一个DBI"（m，n）进行逆DCT变换，即IDBI（m，n）=IDCT（DBI"（m，n））。并将各方块IDBI（m，n）合并为一个整图CI′，就得到加载了水印的新图像TI。
数字水印提取过程为：
对加载了数字水印的载体图像TI，要提取其中所加载的水印，其实质就是上述加载数字水印算法的逆运算：
Step1分块将TI分解为（M/8）×（N/8）个8×8大小的方块BTI（m，n），1≤m≤M/8，1≤n≤N/8。
Step2DCT变换对每一个BTI（m，n）进行二维DCT反变换：BTI′（m，n）=IDCT（BTI（m，n））。
Step3提取数据，对每一个BTI′（m，n），按照式BJ（m，n）（ri）=1/c×（xi）BTI′（m，n）得到BJ（m，n）。
Step4合并，将上面所有BJ（m，n）合并成一个整图J。
DCT作为常用的一种编码方法，并由于数字图像JPEG压缩标准也是建立在DCT变换基础上，所以DCT是一种具有很好的去相关能力和能量压缩能力的变换，越来越多的人利用它与其他算法结合进行版权保护，成目前数字水印领域的一个研究热点。
如果在网络上，多媒体教学课件的版权保护要求为：（1）先需要采用加密算法对课件内容进行加密，并根据需要将课件主题、版权声明、权限许可证、版权人姓名、版本号、颁发服务网站地址等信息附加在加密文件头部。（2）为了储存和颁发权限许可证，实现权限管理器许可证服务，课件版权拥有者需要配置一个权限许可证颁发服务器。（3）借助互联网或其他媒介，将加密包装后的课件以Web站点、光盘、E—mail等形式发布。（4）用户访问加密包装后的课件时，系统必须能够让他首先从权限许可证颁发服务器上获得权限许可证，以便得到权限许可证中的密钥，通过相应的解密算法对课件进行解密，并根据相关权限控制信息（如访问次数、起始时问、终止时间等）进行验证。验证通过后，系统才能让用户根据权限许可证所规定的权限访问课件。
3.2 应用实例
作为一款流行的工程设计和系统仿真软件包，Matlab用于数字水印技术研究有着独到的优势。启动matlab软件，按上述算法编制好应用程序，事先准备好一张取名为“xbmu.JPG”数字水印图片，对多媒体课件中的“第一章”文件夹里的名为“12.jpg”的图片，利用matlab程序把该图片加入数字水印。具体实现结果如图3所示。
图3 数字水印图像
4 结束语
近年来，数字水印技术发展很快，主要是通过对媒体数据进行时域或频域的各种复杂变换，以增强嵌入信息的健壮性。数字水印技术虽然能检测水印达到版权鉴别的目的，但是该技术只能在盗版发生后提供版权鉴定，并不能在真正意义上防止盗版。也就是说，数字水印技术只能做到“事后追踪”，却达不到“事前防范”的功能，需要在实际应用中结合其他技术实现版权保护。
参考文献：
[1]冯明，唐宏，陈戈.数字版权管理技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2009，8.
[2]金聪.数字水印理论与技术[M].北京：清华大学出版社，2008，8.