第1章 绪论
1.1 数字影院的发展现状
信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利，同时也显著地提高了信息表达的效率和准确度。特别是随着计算机网络通讯技术的发展，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程。人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅捷地将数字信息传达到世界各地。随之而来的副作用是通过网络传输数据文件或作品，使有恶意的个人或团体有可能在没有得到作品所有者的许可下，拷贝和传播有版权的内容。因此，如何在网络环境中实施有效的版权保护（Copyright Protection）和信息安全（Information Security）手段已成为一个迫在眉睫的现实问题。近几年发展起来的数字水印技术为版权保护和信息安全等问题提供了一个潜在的解决方案，因而引起了国际学术界、企业界以及政府有关部门的广泛关注。
同样，在电影行业，人们已经广泛认识到，数字化进程是必然趋势。数字影院将极大地降低整个影片行业的物资、人力成本，并且带来更多的数字化特有的效果。但是，安全问题一直是困扰数字影院的一大难题，成为当前国际上的工业界、学术界的研究焦点。例如，美国电影制片协会已经成立了专门的工作组Digital Cinema DC28[1]。
1.2 数字影院的数字版权问题
数字影院建设中主要有这样的几个挑战性问题：（一）、建立从数据中心到各个影院的可靠、快速的内容分发网络体系；（二）、高质量的音视频投影仪的开发；（三）、安全有效的数字版权管理体系。本文将主要考察数字影院的安全问题，提出结合数字水印技术的数字版权管理体系。
1.2.1 数字影院的数字版权管理的特点
到目前为止，针对不同内容的保护系统已经很多了。如卫星电视订阅,视频游戏的拷贝保护,基于网络的内容分布[2]，但是，这些系统的操作环境和数字影院有本质上的区别。
首先，内容的价值曲线不同。数字影片在刚刚发行后的前期，价值最高，随后，就会急速下降。这对影片的前期发行提出了相当高的安全要求，而对后期相对较低。
第二，数字影院的参与者相对更具体，数量也少。投影仪包含了昂贵的光学设备和复杂的抗盗版技术装备。
盗版者的目的就是获取没有保护的作品的拷贝件，这样就可以通过各种渠道任意传播。例如通过刻录的光盘（VCD 、DVD），现在更多的是通过互联网，也是危害最大的渠道。现在最常见的攻击方式就是利用手持摄像机录制影片，然后通过互联网任意传播。
1.2.2 可能的引起泄密的途径
· 在内容的分发链中，出现内容泄漏，如技术上的攻击，有攻击者试图从合法的投影仪中提取出解密后的影片内容，攻击者试图提取出认证密钥，这样其它设备也可以替代专用投影仪。
· 攻击加密、解密算法。不过这样的可能性不大，因为公开的安全加密解密算法是经过实践检验的，另外即使破解了，需要的时间很长，对影片的价值影响也不大了。
· 通过共谋攻击袭击数字水印指纹系统。目前已有相关报道证实，一定数量的用户共同攻击，可以除去嵌入到影片中的水印指纹信息，得到不含有水印指纹的盗版作品。
· 其他人为因素：如内部人员的泄密。
· 通过手持摄像机录制的盗版作品，目前这是最普通的攻击方式。如果攻击者录制的质量高，而且放到互联网上后，将会带来巨大的损失。
1.3 本文内容：
第一章是绪论，简要介绍数字影院的提出及其关键问题，以及本文的组织结构和贡献。
第二章介绍数字影院版权管理系统的原理，主要构成和存在的问题，并详细描述微软研究院提出的版权管理系统和相关的核心技术解决手段。
第三章介绍在数字影院中应用的数字水印技术，研究基于正交模板的高容量数字指纹水印模型。从统计分析的角度，采用扩展谱的嵌入策略，研究高容量、鲁棒性和不可觉察的数字水印算法，从理论上分析在一定条件允许范围内，如何达到最大容量，最佳检测效果，和最高鲁棒性。给出了两种不同的图像水印算法，主要包括：一、基于空间域的高容量水印算法。二、基于多尺度小波编码的水印算法。在对标准小波变换进行修正后我们得到了非标准形式下的酉表示，从而可以将该算法纳入到一般性的水印框架中，并且该算法在水印检测中不需要原始图像。
第四章提出一种基于数字指纹水印的访问控制模型，阻止数字内容在网络上的非法传播，保护数字内容版权。基本原理是首先规定向数字媒体内容（图像、视频、音频等）中嵌入主动数字水印信息，然后在传播途中的网络节点处检测提取水印信息，再根据水印信息决策多媒体内容在网络中传输的合法性，从而控制数字内容在网络中的传播，并且提供版权保护的事实证据和线索。
第五章是结束语，包括本文的创新点，结论以及数字水印技术展望。
第2章 数字影院的版权管理问题
数字影院建设中的一个核心问题，就是安全问题，具体而言就是数字内容面临的共同的数字版权管理问题。本文主要考察了微软研究院Darko Kirovski等提出的数字影院版权管理系统[3]和相关核心技术手段。
2.1 微软提出的数字影院版权管理系统
这个系统由一套安全节点构成，这些节点实行数字版权保护的功能，由不同参与方协同操作。
2.1.1 节点功能
数字版权管理系统是由一些相互通信的安全节点构成的。节点是一个抽象的概念（具体而言可以是投影仪），是系统的实体，用来安全储存、传递需要保护的内容。具有权限的节点可以访问（如显示）给定的内容。具体而言，节点的功能为： I
· 认证（Authentication）
· 版权管理（ Rights management (licensing) ）
· 内容的加密和解密（Content encryption and decryption）
· 数字指纹水印的识别（Fingerprinting）
(1) 认证
根据在分布链中的位置，一个节点可以作为发送器或接收器。当作为发送器时，它必须能够保证接收器有权接收，反过来，当作为接收器时，必须向发送器证明是合法接收者。这就需要这些节点具备认证功能。我们利用公开密钥加密法，每个节点需要保存一个私钥，并且和公钥认证系统联系，实施基本的公开密钥操作（加密、解密、签名和校验）。.
(2) 版权管理和许可协议
数字版权管理的一个主要目的，就是当内容通过电子形式分布后，内容发行者可以控制内容的访问权。这需要定义专门的数字版权语言，内容发行者可以表达访问的规则和条件协议。在任何人访问内容前，数字版权节点必须校验对方是否遵守协议。
一个典型的许可协议指定了访问权利或行动，如播放或传播到下一个节点等。每一个行动和一套条件密切相关，这些条件构成了一套控制体系，只有符合具体条件，节点才能具备具体的行动能力。这些限制条件的实施需要安全的计数器或安全时钟。另外，许可协议可以指定针对内容的行动，如嵌入数字指纹水印等操作行动。其他相关的许可协议还有：
· 协议的有效期；
· 特定时间的放映限制；
· 执行审计日志，即自动记录每个投影仪放映的内容标题、时间、跨度等；
· 投影仪特征要求 （如审计特征，安全特征，数字水印指纹识别特征）。
协议需要采用密码学技术加以保护。如采用数字签名保证其完整性和机密性。XrML版权语言具有上述的所有功能。
(3) 内容的加密和解密
如上所述，节点是安全的储存室，并可以访问存储的内容。节点之间的渠道是不安全的，因此需要对采用加密解密的手段保护内容的机密性。对于多媒体内容加密，不能采用传统的针对文本的策略，要充分考虑到多媒体内容的量大问题，进行选择性加密，并且实际可行的策略必须结合有损压缩编码，如MPEG1/2/4等。这是目前的一个研究热点。
(4) 数字水印指纹识别
数字水印指纹就是嵌入在数字内容中的不可见信息，具有抵抗一般攻击的鲁棒性。可以被用来追踪盗版源泉，可以用来控制访问的认证。本文将考察数字水印技术的关键问题，提出基于数字水印技术的访问控制模型，将其有效结合在数字影院的版权管理系统中。
2.1.2 内容的分发链
一个典型的分布链包括影片制造商、发行商、影院三个主要参与者。在[3]提出的数字版权管理系统中，有两种可能的分布链。每一个参与者就是一个节点，拥有不同的权限和访问能力。节点之间通过规则进行相互通信。整个完整的系统就是一套版权管理系统。
Studio
Tier 1
distrib. Tier 2
distrib.
Cinema
Film
usage data, payment
Studio
Tier 1
distrib.
Tier 2
distrib.
Cinema
Film
access authorisation
(license generation),
usage data, payment
Clearing
house
a)
b)
图2－1.两种可能的影片分发链.
2.2 数字图像信息加密
采用传统密码学理论开发出来的加解密系统，对于待加密文件的处理是将其加密成密文再进行传送，使得在网络传递过程中的非法栏截者无法从中获取机密信息，达到保密的目的。传统的加密系