基于数字水印的教育资源版权保护
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[摘要]数字教育资源的保护版权是教育信息化发展中出现的重要问题。文章总结了数字版权保护的技术现状，认为数字水印必将成为教育资源版权保护的重要工具。文章分析了数字水印版权保护的技术现状和数字教育资源的特点，提出基于数字水印的教育资源的版权保护方案，并将文本数字水印作为重点研究方向。
[关键词]数字水印；教育资源；版权保护
[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009-8097（2013）03-0091-04 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.03.018
一.数字版权保护技术现状
随着互联网的发展，越来越多的教育资源开始以多媒体数据的形式表达，例如用数码相机采集教学素材、用网上点播看教学视频、用MP4播放器听英语等。这些教学活动所涉及的多媒体数据蕴含了大量价值不菲的信息。数字化技术精确、大规模的复制功能和Internet的全球传播能力都极大地冲击着现有版权制度，数字教育资源的版权管理和保护也是当前的一个难题。
早在上个世纪90年代，人们就意识到在网络上进行数字作品分发存在运用技术手段进行知识产权保护的必要。在学术研究领域，Dartmouth大学的John S.Erickson在1997年的博士论文中提出了FIRM（一种互操作权限管理框架），它也是斯坦福数字图书馆项目开发的基础设施原型Infobus的协议之一，用来将因特网协议扩展为更高层的信息管理协议。GeorgeMason大学信息技术学院的Jaehong Park在2003年的博士论文中提出了一种统一的使用控制框架，从理论上探讨了各种权限管理方式的统一建模问题。中国科学院计算技术研究所的谭建龙对Interent内容的安全分发与版权保护问题进行了较为深入的研究，并做了一定的系统设计和实现。香港大学、西安交通大学等也在数字版权保护技术领域做了不少研究工作。
第一代数字版权管理（DRM）技术主要以安全和加密技术为主，它对数字作品进行加密并以对版权分配进行控制的形式限制对内容的使用，防止非授权拷贝。虽然成熟的密码学可以解决安全传递和访问控制，但是一旦解密后，数字作品便可以随意地被拷贝，这将给数字作品制造商带来巨大的损失，从而制约着网络数字媒体应用的不断深入。第二代数字版权管理技术变得更加丰富，包括对知识产权拥有者的有形和无形资产的全面管理，覆盖了版权描述、身份鉴别、内容交易、内容保护、版权使用的监控和跟踪等各个方面。
网上传播的多媒体教学资源同样存在大量的盗版和侵权问题，如何保护多媒体教学资源的版权已成为近年来教育界、法律界及计算机应用研究中面临的热点和难点问题。现代教育技术的应用现实呼唤新的技术来保证现代教育资源的版权，从而保护广大教师的劳动成果，进而保证现代教育与学术的良好发展。
二.数字水印的分类
数字水印是指嵌入在数字信息中有关拥有者或授权者并具有鉴别性但不影响该数字信息使用价值的数字信息（如文字、图像、序列数等）。由于具有透明性，稳健性和安全性的特点，数字水印技术在数字版权保护领域应用广泛。数字水印算法能识别出被嵌入到所保护对象内的所有者的相关信息（如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等）并能在需要的时候将其提取出来，用来判别对象是否受到攻击，且能够监视被保护数据的传播以及非法拷贝控制等。现有的基于数字水印的数字产品版权保护基本上是面向数字资源本身的，如数字媒体内容完整性认定、数字媒体篡改及篡改位置的认定等。J.cox曾在他的论文中谈到，数字水印由于其良好的应用性能必将继续为企业界所使用，特别是在数字版权保护领域。
数字水印技术近年来发展迅速，到目前已有了大量不同的数字水印方法，按不同的角度，数字水印可作如下分类：
1.按特性划分
数字水印按照特性可以分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两大类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。
2.按水印所附载的媒体划分
按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。
3.按检测过程划分
按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。
4.按内容划分
按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。
5.按水印隐藏的位置划分
按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时（空）域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。时（空）域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在DCT变换域、时/频变换域和小波变换域上隐藏水印。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。
三.基于数字水印的教育资源版权保护分析
教育资源中存在大量的Word文档，PPT课件，电子书，教学音视频，教学游戏等数字产品，针对不同类型的资源使用不同的水印保护技术也是非常必要的。
1.文本教育资源
文本数字水印指在文本中加入水印，最常见的载体文件有TXT、DOC、PDF等格式。据统计，80%以上的信息是通过文字承载与传播的。在人类的所有传播媒介中，文字的地位最重要。无论传播技术和媒体形式如何变迁，文字的作用在传承人类文明、推动社会进步的过程中都是处于核心地位的。在互联网环境下保护各种电子书籍、合同、证件、契约等文本数字产品的版权和信息安全的迫切性和重要性更为突出，与此同时，在教育资源中，存在大量的Word文档，PPT课件，电子书等文本数字产品，这些文本资源版权的迫切性及重要性更为突出，因此，进行文本数字水印的教育资源版权技术研究也是非常必要的。
2.图像和视频教育资源
视频水印算法的研究几乎与图像水印算法同步，1996年FrankHartung等在SPIE会议上提出的视频序列直接扩频的水印算法是视频水印算法的早期代表工作，一般简称F&G算法。同年，在英国剑桥大学召开了首届国际信息隐藏会议（IHW），在2002年首次专门召开数字水印的会议（IWDW），以后每年定期举行。此后发表的有关数字水印的文章呈爆发趋势。2001年，Fridrich提出了无损认证的思想，并实现了两种脆弱的无损水印算法，这是水印认证技术特殊应用的早期代表。此后，De Vleeschouwe、Ni等人发展了半脆弱的无损认证水印。在视频水印算法研究领域，早期的算法均建立在扩频基础之上，除F&G算法外，还有如Ton Kalker的JAWS算法、Cox的扩频算法以及Mobasseri的CDMA比特面算法等典型算法。
3.音频教育资源
数字音频水印是将具有特定意义的水印信息嵌入到原始音频信号中，嵌入之后对音频信号的质量没有明显的影响。人的视觉和听觉特性差别较大，与图像水印相比，音频水印除了具有鲁棒性、不可检测性、透明性、安全性和自恢复性等特点外，还有自己的一些特点。早在1954年，美国Muzac公司申请了一项名为“Identification of sound and Like signals”的专利，将标识水印信息不可感知地嵌入到音乐中，从而证明所有权的方法。这是迄今为止所知道的最早的电子水印技术。2000年，钮心忻等提出了一种音频水印算法，利用小波变换对原始语音信号进行分解，保留小波分解的近似分量，并对小波分解的近似分量进行相关处理，以便嵌入水印。王让定等人提出了一种方法，在音频信息隐藏技术的基础上，可以实现语音保密通信，并且可以有效抵抗去同步攻击。陈荔聪等人提出一种基于奇偶量化的音频水印算法，算法在音频信号的时间域上检索满足条件的同步信号区，当含水印的音频信号受到裁剪攻击，可以取出正确的水印。目前，大多数的研究工作都是围绕图像和视频水印做的，对音频水印算法研究的文章和成果相对较少。
四.教育资源版权保护方案
1.教育资源版权保护整体方案
为实现版权保护，在使用数字教育资源前要对其进行处理，即将数字教育资源版权信息及作品信息进行封装，封装时针对不同类型的资源采用不同的水印封装技术。与此同时，权利描述机构根据数字教育资源的认证信息形成权利信息。当有用户需要使用文化遗产资源时，先由认定跟踪机构对其进行交互认定，顺利通过认定后，机构根据用户的申请形成用户申请权利信息。使用控制机构根据数字教育资源的固有权利信息与用户的申请权利信息做出使用权利决策，并将该权利赋予用户，使其在该权利范围内使用数字内容。在用户使用数字内容的整个过程中，认定跟踪机构都对其进行动态跟踪和行为认证，一旦发现有越权使用的情况认定跟踪机构就会及时地对该用户采取相应措施。用户使用完数字教育资源后需进一步对其进行行为认证，以确保数字版权未遭到破坏。图1是数字教育资源的数字权利认定和跟踪关键技术研究框架，包括数字媒体内容包装、数字权利动态描述、数字权利使用控制以及数字权利认定和动态跟踪等。
2.教育资源的水印封装
水印封装包括数字作品统一格式、水印信息的创建、数字作品内容摘要的提取、水印嵌入以及内容的安全加密等过程模块。其研究框架如图2：
水印封装分为7个基本步骤，具体为：
（1）从数字教育资源库中取出将要处理的数字作品，将其转换为规定的符合格式文档。
（2）从复合格栅文档中提取版权及作品的相关信息，包括作品ID以及作品创作者描述信息、作品描述信息等。
（3）提取统一格式文档的内容摘要，用于文档的完整性验证，且作为水印封装的部分水印信息。
（4）创建固有权利规则，指定用户可对该文档采取的操作，比如浏览、复制、编辑等。
（5）将版权信息、作品信息、固有权利规则和内容摘要进行编码，生成水印信息。
（6）在密钥的控制下，将生成的水印信息封装到数字作品中。
（7）在密钥Seed控制下生成密钥，对封装后的数字作品进行加密操作，形成最终用于的数字产品。将处理后的数字作品放入产品信息库，将水印封装过程中所涉及的密钥存入密钥信息库。
3.教育资源版权保护水印方案
多媒体教学课件包含着文档、图像（包括图形）、音频、视频（包括动画）等数字信息内容，而与这些内容形式的数字资源相对应，分别有文档水印、图像水印、音频水印、视频水印等。最典型的三分屏课件包括三个部分：教师讲课的音视频、PowerPoint（当然也可能是其他电子文档）和课程纲要，则其数字水印版权保护系统应该是包含语音，文本，图像，视频水印的综合应用系统，如图3。
对于需要进行版权保护的数字教学资源，根据数字信息类型选择相应的数字水印子系统进行水印的嵌入。这样，嵌入了数字水印的数字教学资源再进行必要的资源共享和开放。当发现自己的这些数字教学资源有被非法复制和使用时，就可以将此侵权行为诉诸法律，通过从包含水印的数字教学资源中提取出能代表自己个人信息的数字水印来保护自己的版权。
五.结束语
水印技术作为信息安全领域的一个分支，必定会成为各专家和学者研究的重点。目前，数字水印技术在理论和实际应用之间还有许多问题亟待解决，但它仍然不失为是解决数字版权纠纷的一条好的途径。本文分析了现代数字版权管理的技术现状，提出数字水印技术是数字教学资源的版权保护的研究重点，给出了多媒体教学课件的数字水印版权保护方案。由于在教育资源中，存在大量的Word文档，PPT课件，电子书等文本内容数字产品，这些文本资源版权管理的迫切性及重要性更为突出，因此我们下一步将着重于文本数字水印的技术研究。