基于數字水印的教育資源版權保護

鄧偉　鄧冠群　劉清堂

[摘要]數字教育資源的保護版權是教育信息化發展中出現的重要問題。文章總結了數字版權保護的技術現狀，認為數字水印必將成為教育資源版權保護的重要工具。文章分析了數字水印版權保護的技術現狀和數字教育資源的特點，提出基于數字水印的教育資源的版權保護方案，并將文本數字水印作為重點研究方向。

[關鍵詞]數字水印；教育資源；版權保護

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）03-0091-04 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.03.018

一.數字版權保護技術現狀

隨著互聯網的發展，越來越多的教育資源開始以多媒體數據的形式表達，例如用數碼相機采集教學素材、用網上點播看教學視頻、用MP4播放器聽英語等。這些教學活動所涉及的多媒體數據蘊含了大量價值不菲的信息。數字化技術精確、大規模的復制功能和Internet的全球傳播能力都極大地沖擊著現有版權制度，數字教育資源的版權管理和保護也是當前的一個難題。

早在上個世紀90年代，人們就意識到在網絡上進行數字作品分發存在運用技術手段進行知識產權保護的必要。在學術研究領域，Dartmouth大學的John S.Erickson在1997年的博士論文中提出了FIRM（一種互操作權限管理框架），它也是斯坦福數字圖書館項目開發的基礎設施原型Infobus的協議之一，用來將因特網協議擴展為更高層的信息管理協議。GeorgeMason大學信息技術學院的Jaehong Park在2003年的博士論文中提出了一種統一的使用控制框架，從理論上探討了各種權限管理方式的統一建模問題。中國科學院計算技術研究所的譚建龍對Interent內容的安全分發與版權保護問題進行了較為深入的研究，并做了一定的系統設計和實現。香港大學、西安交通大學等也在數字版權保護技術領域做了不少研究工作。

第一代數字版權管理（DRM）技術主要以安全和加密技術為主，它對數字作品進行加密并以對版權分配進行控制的形式限制對內容的使用，防止非授權拷貝。雖然成熟的密碼學可以解決安全傳遞和訪問控制，但是一旦解密后，數字作品便可以隨意地被拷貝，這將給數字作品制造商帶來巨大的損失，從而制約著網絡數字媒體應用的不斷深入。第二代數字版權管理技術變得更加豐富，包括對知識產權擁有者的有形和無形資產的全面管理，覆蓋了版權描述、身份鑒別、內容交易、內容保護、版權使用的監控和跟蹤等各個方面。

網上傳播的多媒體教學資源同樣存在大量的盜版和侵權問題，如何保護多媒體教學資源的版權已成為近年來教育界、法律界及計算機應用研究中面臨的熱點和難點問題。現代教育技術的應用現實呼喚新的技術來保證現代教育資源的版權，從而保護廣大教師的勞動成果，進而保證現代教育與學術的良好發展。

二.數字水印的分類

數字水印是指嵌入在數字信息中有關擁有者或授權者并具有鑒別性但不影響該數字信息使用價值的數字信息（如文字、圖像、序列數等）。由于具有透明性，穩健性和安全性的特點，數字水印技術在數字版權保護領域應用廣泛。數字水印算法能識別出被嵌入到所保護對象內的所有者的相關信息（如注冊的用戶號碼、產品標志或有意義的文字等）并能在需要的時候將其提取出來，用來判別對象是否受到攻擊，且能夠監視被保護數據的傳播以及非法拷貝控制等。現有的基于數字水印的數字產品版權保護基本上是面向數字資源本身的，如數字媒體內容完整性認定、數字媒體篡改及篡改位置的認定等。J.cox曾在他的論文中談到，數字水印由于其良好的應用性能必將繼續為企業界所使用，特別是在數字版權保護領域。

數字水印技術近年來發展迅速，到目前已有了大量不同的數字水印方法，按不同的角度，數字水印可作如下分類：

1.按特性劃分

數字水印按照特性可以分為魯棒數字水印和脆弱數字水印兩大類。魯棒數字水印主要用于在數字作品中標識著作權信息，如作者、作品序號等，它要求嵌入的水印能夠經受各種常用的編輯處理；脆弱數字水印主要用于完整性保護，與魯棒水印的要求相反，脆弱水印必須對信號的改動很敏感，人們根據脆弱水印的狀態就可以判斷數據是否被篡改過。

2.按水印所附載的媒體劃分

按水印所附載的媒體，我們可以將數字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網格模型的網格水印等。隨著數字技術的發展，會有更多種類的數字媒體出現，同時也會產生相應的水印技術。

3.按檢測過程劃分

按水印的檢測過程可以將數字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數據，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數據。一般來說，明文水印的魯棒性比較強，但其應用受到存儲成本的限制。目前學術界研究的數字水印大多數是盲水印。

4.按內容劃分

按數字水印的內容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個數字圖像（如商標圖像）或數字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應于一個序列號。有意義水印的優勢在于，如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損，人們仍然可以通過視覺觀察確認是否有水印。但對于無意義水印來說，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統計決策來確定信號中是否含有水印。

5.按水印隱藏的位置劃分

按數字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數字水印、頻域數字水印、時/頻域數字水印和時間/尺度域數字水印。時（空）域數字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數字水印、時/頻域數字水印和時間/尺度域數字水印則分別是在DCT變換域、時/頻變換域和小波變換域上隱藏水印。隨著數字水印技術的發展，各種水印算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。應該說，只要構成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印。

三.基于數字水印的教育資源版權保護分析

教育資源中存在大量的Word文檔，PPT課件，電子書，教學音視頻，教學游戲等數字產品，針對不同類型的資源使用不同的水印保護技術也是非常必要的。

1.文本教育資源

文本數字水印指在文本中加入水印，最常見的載體文件有TXT、DOC、PDF等格式。據統計，80%以上的信息是通過文字承載與傳播的。在人類的所有傳播媒介中，文字的地位最重要。無論傳播技術和媒體形式如何變遷，文字的作用在傳承人類文明、推動社會進步的過程中都是處于核心地位的。在互聯網環境下保護各種電子書籍、合同、證件、契約等文本數字產品的版權和信息安全的迫切性和重要性更為突出，與此同時，在教育資源中，存在大量的Word文檔，PPT課件，電子書等文本數字產品，這些文本資源版權的迫切性及重要性更為突出，因此，進行文本數字水印的教育資源版權技術研究也是非常必要的。

2.圖像和視頻教育資源

視頻水印算法的研究幾乎與圖像水印算法同步，1996年FrankHartung等在SPIE會議上提出的視頻序列直接擴頻的水印算法是視頻水印算法的早期代表工作，一般簡稱F&G算法。同年，在英國劍橋大學召開了首屆國際信息隱藏會議（IHW），在2002年首次專門召開數字水印的會議（IWDW），以后每年定期舉行。此后發表的有關數字水印的文章呈爆發趨勢。2001年，Fridrich提出了無損認證的思想，并實現了兩種脆弱的無損水印算法，這是水印認證技術特殊應用的早期代表。此后，De Vleeschouwe、Ni等人發展了半脆弱的無損認證水印。在視頻水印算法研究領域，早期的算法均建立在擴頻基礎之上，除F&G算法外，還有如Ton Kalker的JAWS算法、Cox的擴頻算法以及Mobasseri的CDMA比特面算法等典型算法。

3.音頻教育資源

數字音頻水印是將具有特定意義的水印信息嵌入到原始音頻信號中，嵌入之后對音頻信號的質量沒有明顯的影響。人的視覺和聽覺特性差別較大，與圖像水印相比，音頻水印除了具有魯棒性、不可檢測性、透明性、安全性和自恢復性等特點外，還有自己的一些特點。早在1954年，美國Muzac公司申請了一項名為“Identification of sound and Like signals”的專利，將標識水印信息不可感知地嵌入到音樂中，從而證明所有權的方法。這是迄今為止所知道的最早的電子水印技術。2000年，鈕心忻等提出了一種音頻水印算法，利用小波變換對原始語音信號進行分解，保留小波分解的近似分量，并對小波分解的近似分量進行相關處理，以便嵌入水印。王讓定等人提出了一種方法，在音頻信息隱藏技術的基礎上，可以實現語音保密通信，并且可以有效抵抗去同步攻擊。陳荔聰等人提出一種基于奇偶量化的音頻水印算法，算法在音頻信號的時間域上檢索滿足條件的同步信號區，當含水印的音頻信號受到裁剪攻擊，可以取出正確的水印。目前，大多數的研究工作都是圍繞圖像和視頻水印做的，對音頻水印算法研究的文章和成果相對較少。

四.教育資源版權保護方案

1.教育資源版權保護整體方案

為實現版權保護，在使用數字教育資源前要對其進行處理，即將數字教育資源版權信息及作品信息進行封裝，封裝時針對不同類型的資源采用不同的水印封裝技術。與此同時，權利描述機構根據數字教育資源的認證信息形成權利信息。當有用戶需要使用文化遺產資源時，先由認定跟蹤機構對其進行交互認定，順利通過認定后，機構根據用戶的申請形成用戶申請權利信息。使用控制機構根據數字教育資源的固有權利信息與用戶的申請權利信息做出使用權利決策，并將該權利賦予用戶，使其在該權利范圍內使用數字內容。在用戶使用數字內容的整個過程中，認定跟蹤機構都對其進行動態跟蹤和行為認證，一旦發現有越權使用的情況認定跟蹤機構就會及時地對該用戶采取相應措施。用戶使用完數字教育資源后需進一步對其進行行為認證，以確保數字版權未遭到破壞。圖1是數字教育資源的數字權利認定和跟蹤關鍵技術研究框架，包括數字媒體內容包裝、數字權利動態描述、數字權利使用控制以及數字權利認定和動態跟蹤等。

2.教育資源的水印封裝

水印封裝包括數字作品統一格式、水印信息的創建、數字作品內容摘要的提取、水印嵌入以及內容的安全加密等過程模塊。其研究框架如圖2：

水印封裝分為7個基本步驟，具體為：

（1）從數字教育資源庫中取出將要處理的數字作品，將其轉換為規定的符合格式文檔。

（2）從復合格柵文檔中提取版權及作品的相關信息，包括作品ID以及作品創作者描述信息、作品描述信息等。

（3）提取統一格式文檔的內容摘要，用于文檔的完整性驗證，且作為水印封裝的部分水印信息。

（4）創建固有權利規則，指定用戶可對該文檔采取的操作，比如瀏覽、復制、編輯等。

（5）將版權信息、作品信息、固有權利規則和內容摘要進行編碼，生成水印信息。

（6）在密鑰的控制下，將生成的水印信息封裝到數字作品中。

（7）在密鑰Seed控制下生成密鑰，對封裝后的數字作品進行加密操作，形成最終用于發布的數字產品。將處理后的數字作品放入產品信息庫，將水印封裝過程中所涉及的密鑰存入密鑰信息庫。

3.教育資源版權保護水印方案

多媒體教學課件包含著文檔、圖像（包括圖形）、音頻、視頻（包括動畫）等數字信息內容，而與這些內容形式的數字資源相對應，分別有文檔水印、圖像水印、音頻水印、視頻水印等。最典型的三分屏課件包括三個部分：教師講課的音視頻、PowerPoint（當然也可能是其他電子文檔）和課程綱要，則其數字水印版權保護系統應該是包含語音，文本，圖像，視頻水印的綜合應用系統，如圖3。

對于需要進行版權保護的數字教學資源，根據數字信息類型選擇相應的數字水印子系統進行水印的嵌入。這樣，嵌入了數字水印的數字教學資源再進行必要的資源共享和開放。當發現自己的這些數字教學資源有被非法復制和使用時，就可以將此侵權行為訴諸法律，通過從包含水印的數字教學資源中提取出能代表自己個人信息的數字水印來保護自己的版權。

五.結束語

水印技術作為信息安全領域的一個分支，必定會成為各專家和學者研究的重點。目前，數字水印技術在理論和實際應用之間還有許多問題亟待解決，但它仍然不失為是解決數字版權糾紛的一條好的途徑。本文分析了現代數字版權管理的技術現狀，提出數字水印技術是數字教學資源的版權保護的研究重點，給出了多媒體教學課件的數字水印版權保護方案。由于在教育資源中，存在大量的Word文檔，PPT課件，電子書等文本內容數字產品，這些文本資源版權管理的迫切性及重要性更為突出，因此我們下一步將著重于文本數字水印的技術研究。

編輯：小西