数字指纹技术研究进展

邓家青 林 沛

（广州无线电集团，广东 广州 510656）

数字指纹技术研究进展

邓家青 林 沛

（广州无线电集团，广东 广州 510656）

本文对数字指纹技术的应用及国内外的研究进展做了综述。首先简单介绍了数字指纹系统及其在版权保护上的应用。然后分别介绍了传统的数字指纹技术，以及新型的基于多用户通信技术的指纹技术。指出了当前数字指纹技术存在的不足，提出数字指纹技术今后的发展方向是以通信技术的角度作为切入点来研究对抗合谋攻击问题。

数字指纹；数字编码；扩频

1 数字指纹技术简介

数字指纹技术是在近十多来来发展起来的一种用于保护知识产权的技术。数字指纹是指在数字产品分发中，销售商在各个授权版本中所添加的一个独特的特征序列。发现非授权版本后，可以通过其中的指纹识别出制作非法拷贝的用户，也即是所谓叛逆者。一个完整的数字指纹系统如下图1所示。

图1 数字指纹系统

由于叛逆者会结成同盟，发动合谋攻击，企图销毁其指纹以逃脱罪责，所以数字指纹技术必须有良好的抗合谋能力，这也是数字指纹技术的研究重点。数字指纹技术最早起源于对数据库管理中的比特流进行保护的需要。因而传统的数据指纹技术主要面向存储数据保护，所采取的很多技术特点也是为了适应这一应用环境及条件。但由于近十年来互联网技术的迅猛发展，使得媒体传播方式发生了深刻的改变。这些新的环境和条件也对数字指纹技术提出了新的挑战。

2 传统指纹技术

传统的数字指纹技术可以分为两大类，即所谓的独立指纹和编码指纹。独立指纹是指采用统计上相互独立的扩频码作为各用户独特的指纹。这一思路由一般的扩频水印技术发展而来。Cox等人最早提出了采用扩频调制的嵌入技术[1]，其编码由独立同分布的均匀分布或高斯分布信号源产生，能够在某种程度上抵御平均攻击。在文献[2]中,Wang等人研究了分别采用最大值和门限检测法的情况下，伪随机码的误码性能，并提出了一种对合谋尺寸进行估计的方法。文献[3]中，Zhao等人在诸如最大值、最小值、中值等非线性攻击下，对有界及无界的高斯编码做了数字取证分析。文献[2] [3]同时也对码长与用户及叛逆者数目对系统性能的影响做了详尽分析，并在特定合谋攻击模型下，推导出了功率误差函数的上下限。Li和Trappe等人在文献[4]中，提出了一种基于韦尔奇界等式和球形译码的新方法。

基于扩频的指纹系统的好处在于易于实现且各用户之间的辨识度高，能够有效抵御多种合谋攻击。文献[5]报道基于扩频的指纹系统在用户数为上千万时仍可有较强的抗合谋能力。但其最大的问题在于所需要的扩频码长度及数量、接收机的复杂度都随用户数的增加线性增长。为了解决这个问题，Wang等人[6]引入了基于先验的合谋模式，对用户分组的思想。只对可疑组的用户进行检测，因而检测复杂度大大降低。而且由于各组之间的独立性，减少了了无辜用户被

误判的可能。这个思想被应用到了多个基于扩频的方案中，比如文献[7][8]。

第二种方法称作编码指纹，一般利用组合数学中的组合设计理论，来设计合适的指纹编码。编码指纹最早发展于上世纪八十年代早期，最初是出于对通用数据，比如数据库中的头文件或数据等进行保护的需要。最具代表性的是Boneh和Shaw[9]提出来的CS编码方案。这个方案能以较高的概率在C个叛逆者找出一个。CS码最大的问题在于其码字过长。在叛逆者数量较大的情况下，基于目前的软硬件条件这显然是完全不具备可行性的方案。而且当叛逆者数量超过预设值时，CS码便完全失去了追踪功能。随后Trappe等人利用正交调制改进了这个算法，提出了所谓AND-ACC码[10]，其编码长度较短，且在叛逆者辨识方面的性能也优于CS码。Yacobi在文献[11]中提出嵌入码字，用直接扩频序列进行调制。He和Wu[8]在此基础上，将编码设计与扩频调制分别在不同的层上实现，提出所谓的TA码。另外比较值得关注的是Tardos所提出来的编码方案[12]，理论上，叛逆者数量一定的条件下，该方案实现的码字长度最短。

这些基于纠错编码的算法都发源于针对通用数据的数字指纹技术，在进行编码设计时并没有充分考虑到多媒体信号的特殊性质和问题。虽然有文献声称其方案适用于多媒体[9，13，14]，但其嵌入问题的解决也都是基于嵌入假设所抽象出来的模型。所谓嵌入假设认为合谋者通过对比各版本，只能改变有着不同值的符号位置，而不能对其他所谓不可见位作出更改。这一假设在针对存储数据的环境中也许是符合事实的，然而在载体为多媒体文件时其有效性并不能得到保证。因为多媒体文件在传播过程中可能会经历编码转换、重新量化等过程，这些都会导致不可见位发生改变。同时正如文献[10]所指出，只对嵌入和编码进行联合设计，对攻击者所能采用的有效方法作了过多的限制，是过于理想化的情况。

在国内，陈晓苏等人[15]提出了一种基于随机序列的数字指纹编码和跟踪算法.从理论上推导了算法的编码长度、合谋人数以及跟踪算法错误概率之间的关系,给出了错误概率界。在文献[16]中，陈晓苏等人从级联码的思想出发，提出一种新的两用户共谋安全码。其内码采用基于混沌序列，外码采用IPP码，可以在共谋人数为2的情况下，对非法分发者进行有效跟踪。王彦及吕述望等人[17]基于二进制随机编码，通过使用伪随机序列对指纹比特的重复嵌入进行控制，提出了一种有效的抗合谋攻击的数字指纹编码算法及其相应的跟踪算法。朱岩和杨永田等人[18-19]结合卷积码和一般指纹码构成一种两层链接结构的指纹信息，实现了更短的指纹码构造和多项式时间的搜索复杂度。Yu和Wei[20]构建了一种面向分组的指纹码，其外码采用Reed-Solomon码，内码采用平衡不完全区组设计(Balanced Incomplete Block Design,BIBD)和正交码构成的码矩阵，这种编码方案通过外码识别出共谋者所在的小组，然后再通过内码追踪到共谋者，相比传统的指纹码，该方案缩短了指纹码长度。李新伟等人[21-23]提出了一种树形指纹编码方案，并将抗共谋攻击码与量化技术结合，提出了一种盲检测的量化方法，该方法将共谋攻击转化为数字指纹的逻辑运算。在此基础上，他们采用这种量化方法分别在空域和DCT域实现了盲检测指纹算法。

3 基于多用户通信技术的指纹技术

在数字指纹系统中，为了达到更好的性能，需要将系统的编码、嵌入、攻击及检测等问题联合起来考虑。按照以上思路进行的尝试包括近年来Cha和Kuo发表的一系列论文[24-28]。他们对基于MC-CDMA（多载波码分多址，Multi-carrier Code Division Multiple Access,MC-CDMA）的数字指纹系统作了研究。这一方法的思路是将抗合谋码字设计问题表述为MC-CDMA通信系统的扩频码设计与符号检测问题。但Cha和Kuo的方法所采用的指纹生成方法是Hamadard码[24，25，28]或载波干涉（Carrier Interferometry,CI）码[27]，这些正交的指纹限制了其所能支持的用户数量。而且从无线通信技术的角度来讲，MC-CDMA系统在频谱效率、频率分集、误码率性能各方面均不如采用非正交扩频的OFDM-IDMA系统[29]。因此Lin等人对基于OFDM-IDMA的指纹系统做了研究[30]，仿真表明了该技术的可行性及检测效率上的优越性。

4 结论

总体上来讲，目前各种数字指纹技术还有很大的发展空间，不但是在某些技术指标存在不足，比如抗合谋性不够全面、码字太长、容纳用户数量有限等，更重要的是针对性不强，不能适合大规模互联网传播方式的实际要求。因此，针对网络媒体传播的新特点，亟需在已有的数字指纹技术基础上，研究新的技术，提高数字指纹系统的性能指标，以满足实际应用的要求。以通信技术的角度作为切入点，从另外一条思路研究对抗合谋攻击问题，是数字指纹技术发展的方向。因为在这个框架内，能采用的设计及分析工具要远比一般编码指纹更为丰富。比如合谋者权重估计及抵御动态合谋攻击都可以在这个新的框架内展开讨论，而这些问题在传统的编码指纹框架下是难以解决的。而且由于采用无线通信中的信道响应来对合谋攻击行为建模，可以借鉴无线通信中很多成熟的技术，比如码字设计、位移扩频、基于导频的信道估计、接收机设计等。

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Deng Jiaqing Lin Pei
（Guabgzhou Radio Group,Guangzhou 510656,Guangdong）

This paper gives a review on the application of digital fingerprint technology,and the domestic and international research work on this topic.Firstly,it briefly introduces a digital fingerprint system and its application in intelligence protection.And then it introduces the traditional digital fingerprinting technology and the new fingerprint technology based on multi user communication technology.It points out the shortcomings of current digital fingerprinting technology,and proposes that the development direction of digital fingerprint technology in the future is to research anti collusion attack using communication technology perspective as a starting point.

digital fingerprint；digital code；spread spectrum

TP391.4

A

1008-6609(2016)08-0042-03

邓家青，男，广东五华人，研究生，工程师，研究方向：通信信号处理。