数字电影技术发展综述

数字电影技术发展综述（通用7篇）

数字电影技术发展综述 篇1

随着《阿凡达》等3D立体影片的热映, 3D概念已走入“寻常百姓家”, 逐渐为广大观众熟悉并喜爱。在上海世博会上, 方兴未艾的3D电影竟然已经“过气”, 4D电影开始大行其道, 为游客奉献了一场场感官盛宴, 随着数字技术的发展, 数字电影在人物、环境、角色配置方面的刻画栩栩如生, 由于所有的设定是由计算机制作、生成、调试的, 在影片制作和影片表现力及其输出上, 数字电影可以按照假定的理想环境制作出比真人、真动物出演的影片的效果还到位, 这一数字技术已成为当今数字电影发展的主流。目前上海世博会上, 美国馆、泰国馆、气象馆、石油馆、太空馆、辽宁馆、吉林馆、广州馆等都有4D电影放映。

1、4D技术的形式和特点

近几年流行起来的4D数字电影, 是依靠三维立体电影和周围环境模拟组成四维空间带给观众更加逼真的观感。它是在三维立体电影和特技影院相结合共同来完成的。随着三维软件技术在国内越来越广泛的应用, 4D数字电影技术也得到了长足的发展。运用三维软件制作立体电影有着比其它软件独特的优势, 由于三维场景本身就具有立体特性, 与成像相关的各种参数及其脚本也很容易在软件环境中加以调节及运用等。近年来4D在3D技术的发展上非常迅猛, 4D影院的表现形式也根据人们不断提高的娱乐需求有了很大的发展, 目前平面银幕方式的4D影院正受到银幕是环球方式的冲击, 而新型特技座椅配合动感控制平台, 又使4D技术进入了一个崭新的阶段。在进入21世纪后, 大直径、多画面的柱面4D影院逐渐成为主流。尤其是柱面银幕4D影院的出现, 各种动感平台, 旋转平台, 轨道车也根据剧情进入影院, 成为当今发展最为迅猛的4D影院类型。

4D数字电影除了具备立体的视觉画面外, 放映现场还能模拟自然界中的闪电、烟雾、雪花、气味等现象, 安在观众的座椅下的控制机关还能产生下坠、震动、喷风、喷水、扫腿等动作。这些现场特技效果和立体画面与剧情紧密结合, 在视觉和身体体验上给观众带来全新的娱乐效果, 犹如身临其境, 给人以无限的的遐想和心灵上的享受。

在世博会石油馆和辽宁馆播放的4D技术是目前国际上新兴的一种特种电影院形式-----动感影院, 它是在传统的立体影院、4D影院基础上发展而来, 相比较于其他类型影院, 具有主题突出、科技含量高、效果逼真等特点和优势, 其中辽宁馆的4D电影, 它可以同时容纳约50名观众观看电影, 欣赏时参观者还可以感受到色、香、形、味、动的全方位体验, 火山喷发, 地动山摇, 观众的坐椅也跟着震颤起来。随着飘雪镜头出现, 我们惊奇地发现, “雪花”真的落在了手背上。4D技术不仅应用到了机电控制技术、传感技术、同步控制技术、仿真技术、气动装置技术、气动控制4D动感座椅、偏振立体显示技术, 而且还运用了数码影视技术、图像拼接技术等, 这些技术为支撑4D的发展起到了非常重要的作用。

2、4D技术制作的原理

在现实生活中, 人们通过眼睛观察的周围环境之所以是立体的, 是因为人的两只眼睛所处的空间位置不同, 可以从两个不同的视角同时获得两幅不同的场景图像, 人的大脑对这两幅图像进行处理后, 不仅能分辨出所观察物体的颜色、质感等光学信息, 还能根据两幅图像的差异判断出物体与双眼的距离等空间信息。这样一幅立体的画面就呈现在脑海中。由于人的双眼所处空间位置的差异 (这个距离一般用国际平均值6.35厘米) , 致使现实环境分别在两眼中形成两幅有细微差别的图像, 这两幅图像经过大脑的识别处理, 人就能感知环境物与人眼的距离和环境物的状态 (包括大小, 颜色, 材质等信息) 。如下图所示:

红色三角形与绿球相交的区域为左眼看到图像, 而绿色三角形与绿球相交的区域则为右眼看到图像。左右眼的图像同时被大脑接收, 融合, 并加以识别, 人就知道绿球与人的距离, 绿球的大小, 颜色, 材质等信息, 立体图像就在大脑中形成。当然, 如果绿球处于运动状态, 那么两眼将不断的刷新各自看到的图像, 并交给大脑进行处理, 人也就可以不断更新对绿球的感知信息。

由双视角成像过程, 我们可以知道, 是同一环境分别在左右眼形成有细微差别的图像, 经过大脑的识别处理, 使我们感知立体环境的存在。也就是说, 为了模拟双视角成像, 必须首先有左右两个相机去捕获环境影像, 然后将左影像交给左眼观看, 右影像交给右眼观看, 最后大脑才能进行识别处理形成立体图像。这就是立体图像的呈现方式。

3、4D影院技术的构成形式

完整的4D影院技术主要有四部分组成, 产生的效果把视觉, 听觉, 触觉合为一体, 令人体验身临其境的感受。

3.1 4D动感影院的银幕

从视觉角度讲, 采用180度的柱面环幕立体影像——它是指银幕保持在有相同圆心的一段弧度上, 而不是一个平面 (平幕) 上。银幕的高宽比例为16:9, 柱面环幕3D物体运动影视范围大为扩展、开阔视野, 摆脱了平面视觉束缚, 使影视空间和现实空间更为接近, 并且可以产生横越、环绕等多种运动方式, 从而产生时空变换的感觉。银幕对电影欣赏经历产生几个方面的影响, 最重要的是在电影画面质量方面:亮度, 彩色还原和对比度, 并通过潜在银幕中的瑕疵分散注意力。银幕还能对银幕后扬声器系统的声学性能产生影响。所以影院的银幕是很重要的。

3.2 立体眼镜

由于目前影院级别都采用的是需要戴眼镜的立体呈现方式, 所以要想有比较好立体效果都需要佩戴立体眼镜, 适合于观看柱面电影的柱面偏振光眼镜 (即“立体眼镜”) 。使观众看到的影片左眼和右眼的图像不同, 这样反映到人脑中的影像就是3D立体影像, 从而创造置身其中的立体视觉空间。常规的太阳镜能减少可见光, 但抵御眩光的能力极弱。偏光镜片只允许一个方向的光线通过 (垂直面) 而吸引所有其它方向色散的光线, 通过这种方式, 它可以减弱眩光。偏光与紫外线保护毫无关系, 但大多数偏光镜片都含有阻挡紫外线的化学物质。

通过一种特殊的层压工艺, 为眼镜增加偏光过滤器。硬树脂和高折射率塑料镜片在铸造过程中都进行了偏光处理。在聚碳酸酯镜片还处于液体状态时, 就将偏光薄膜加入其中。单光、双焦和渐进镜片都有偏光过滤。部分常见的过滤颜色包括:淡灰, 35-43%的可见光穿透;中度灰, 有时与变色镜片和镜面镜片一起使用;深灰, 14-25%的可见光穿透等。

由于偏光镜能减少眩光, 所以许多高尔夫球、钓鱼和户外运动爱好者对它十分钟情。另外司机和在计算机屏幕前工作的人使用, 可以减少眩光对眼睛的伤害。

3.3 4D动感座椅

动感座椅根据影片的故事情节包含由计算机控制做出五种特技效果:分别是坠落、震动、喷风、喷水、拍腿。另再配以精心设计出烟雾、雨、光电、气泡、气味、布景、人物表演等等引入4D影视, 从而调动了人的所有感知系统, 使人真正走进影片情节。由于在四维影视中的电影情节结合了以上的特技效果, 将观众与现场感受紧密地结合在一起, 所以观众在观看4D动感影片时能够获得视觉、听觉、触觉、嗅觉等全方位的感受, 体验身临其境、如梦如幻的感受。形成了一种独特的表演方式, 这就是当今世界十分流行的4D动感影视。通过这一系列的技术改进和革新, 四维影视已经突破了传统意义中电影是光影艺术的概念, 是全新的、真正的高科技产品, 深受人们的喜爱。

3.4 数字音响系统

4D动感影视采用高品质声音效果素材——多声道环绕声系统作为影院的音响系统。提供6.1甚至7.1声道系统从而增强环境声音效果。4D影院的多声道环绕声系统在设计和制作时充分考虑到柱面4D影院能够使3D物体产生环绕运动的特点, 可以精确的对运动物体进行定位, 使4D影视的声音也立体起来, 形成真实的立体空间感。

4D影院的均衡点声源扬声器技术利用五个分立的音频通道播放声音, 使观众能够听出每个声音的声源所在。 (传统的5.1分散音响系统通过多个扬声器播放声音, 会使听众无法辨别声源所在。) 每座4D影院都经过声学处理, 能够以最大的动态范围, 准确、真实地呈现声音形象。因此, 每座4D放映厅播放的声音都极其清晰, 听众们不仅能听到一根针掉落到地面的声音, 而且能听出这根针掉落的位置。每部4D影片的音轨都经过特别制作, 以适应4D独特的音响系统。

4、4D电影的制作技术

最常见的电影4D效果, 是用“光影分离技术”来实现的。它依赖于偏振光和滤光片, 它和紫外线和红外线的识别完全不同, 它是让每只眼睛只接收到一部分光, 而滤掉另一部分。在以前拍摄的3D电影时, 人们会在一个镜头前加一块水平方向的偏振片, 只让水平方向振动的光透过;另一个镜头前加垂直方向的偏振片。再将这两个镜头并列, 之间的距离和人眼之间距离差不多, 就可以开始拍摄了。在播放时, 让观众戴上带有偏振片的眼镜, 偏振方向和摄像机偏振片的方向相同。这样, 左眼的眼镜就会完全滤掉右侧摄像机拍摄的画面, 而右眼的眼镜则滤掉左侧摄像机的画面。这种4D电影要求观众必须坐得笔直, 才能最大程度的凸显三维效果。

光影分离技术是被动式的3D电影技术。也就是说, 它不需要控制眼镜。色分技术也是这样。可能有些人还会对上世纪80年代的立体电影记忆犹新——它的两片眼镜片颜色不同。如果不戴眼镜的话, 这种电影投影出来像是印刷有偏差的彩色画册。戴上滤光眼镜之后, 眼前就能出现色彩鲜艳的立体场景。它最大的弱点是容易引起视觉疲劳, 已经淡出电影制作领域了。直到2007年, Dolby公司开发出Dolby 3D系统, 色分技术才重新热起来。借助放在放映机前的滤光片将投影机射出的光线分成红绿蓝三原色光, 并分别投影到屏幕上。通过滤光眼镜来分别接收这些光谱的高频部分和低频部分, 同样可以实现立体效果。该技术比传统色分技术好得多。最重要的是, 放映机装上滤光片就可以放映3D电影, 而取下滤光片, 还可以放映传统电影。《阿凡达》首映礼上, 采用的就是Dolby 3D+IMAX技术。

立体影片制作与平面影片制作不同, 它在前期制作的时候必须有立体图形师 (stereographer) 创建的深度脚本 (depth script) , 它与故事板配合以确定后续的Layout制作并预览立体效果。这一步对与整个影片的立体效果来说显得至关重要。一方面, 它帮助决定了每一个镜头的景深度;另一方面, 有利于前后镜头间的深度衔接, 确保观众能观看到舒适的画面。

5、结语

“城市, 让生活更美好”是2010年上海世博会的主题, 更是未来发展的永恒主题。而在上海世博会熠熠生辉的数字技术, 不但要服务上海世博会, 同样要服务未来的城市和人类生活。目前的4D数字电影技术已经达到了较为成熟的阶段, 至于哪种技术最后会成为主流, 已经早已不是技术问题, 而是另一个问题了。4D电影并非电影技术发展的唯一方向。例如“巨型超大银幕”IMAX屏的可视面积比普通电影屏大上10倍左右, 且通过多种技术革新来保证在大屏幕上依然能获得清晰良好的视觉效果, 更容易让观众产生身临其境之感。在经过30年的发展之后, IMAX屏幕可能成为人们观影的重要标准。这也是许多文章鼓励大家去看《阿凡达》、《龙腾》的原因。我们希望创新前沿的数字技术不但经受住世博会一百八十四天的考验, 给人们带来新鲜美好的享受, 更希望上海世博会数字技术的应用热潮永远能够延续, 不断走进我们的生活, 我国的战略性新兴产业能够借上海世博会的契机而快速腾飞。

数字印刷发展现状综述 篇2

应用领域

数字印刷在个性化印刷、按需印刷和短版印刷上有很大的优势，随着短版、个性化、可变数据印刷的需求不断增长，数字印刷的服务领域越来越广泛，在美国数字印刷的应用已占据印刷业的主导地位。

根据2011年10月美国InfoTrends公司发布的“2012～2015年美国生产型数码印刷机应用预测”显示，数字印刷应用已渗透到多种领域，其中应用最多的前15种类型的产品如图1所示。

市场份额

自数字印刷技术问世以来，数字印刷业发展迅速，无论是国外还是国内的数字印刷市场份额均呈现大幅上升趋势。根据英国著名的印刷行业资讯公司Pira的统计，2007年全球数字印刷市场营业额高达538.9亿欧元，占整个印刷市场11%的份额。2007～2013年，其他印刷方式的市场份额都将逐渐减少，而数字印刷市场份额则保持增长。

在我国，2000年是数字印刷迅速壮大的开始，2002年新增从事数字印刷企业的数量是2001年的两倍，2004年开始从事数字印刷的企业占全部企业数量的23.1%。2010年我国数字印刷市场份额约为10.64亿欧元（约合100亿元人民币），到2015年预测可达到27亿欧元（约合260亿元人民币）。

在美国，PIA/GATF（美国印刷技术基金会）将2006年命名为“数字印刷年”，这一年美国传统印刷的市场比重呈下降趋势，传统印刷开始受到数字印刷的冲击。2007年是美国数字印刷迅速发展的一年，2008年已经成为发展主流，2012年数字印刷收入比2010年增长了5.6%。

综合来看，全球近几年数字印刷发展迅速，市场份额呈大幅上升趋势，全球数字印刷市场份额2009年为515亿欧元，2010年为553.91亿欧元，根据之前的发展趋势，预测2014年将达864.68亿欧元，2018年达1877亿美元。

在彩色印刷领域，主要采用彩色喷墨印刷技术，虽然喷墨印刷从2008年开始成为印刷行业的热门话题，但2013年是喷墨印刷的一个转折点，在我们生活的每个角落几乎都能看到喷墨印刷产品，从文件打印到标签和包装生产，从房屋装饰、功能性印刷到3D打印都能看到它的身影。按照各个领域所占市场份额的大小排序，先后分别应用在个性化营销服务、出版、文印和交易性文件印刷各大领域，这几大领域常见印刷品如表1所示。

在单色印刷领域中，交易性文件、促销资料、样书出版是主要的应用领域。随着彩色喷墨印刷技术的不断成熟，承印材料更加灵活多样，单色印刷领域会逐渐减少。

企业规模及经营模式

我国数字印刷企业主要有两大类，一类是随着印刷技术的出现，近几年新成立的企业，此类企业大都规模比较小，业务经营多元特色化，甚至有一些主要是提供个性化营销服务（如快印店），引进的设备为中低端设备。另一类企业是传统印刷企业将数字印刷作为传统印刷的补充，经营模式比较单一，主要用来扩大业务范围。

国内数字印刷企业的经营模式基本还是传统模式：业务员接订单，网络传输文件。相对于数字印刷发达的欧美国家，国内企业更关注于设备的引进，看到同行引进什么设备，为了保住业务，也赶紧引进更好的设备，以为有更新、更快的设备就有生意。结果却适得其反，造成生意越来越集中，利润逐渐降低。

欧美国家的数字印刷已经比较成熟，他们的商业运作模式值得国内数字印刷企业借鉴。一些成功案例可以看出数字印刷的应用离不开移动互联、社交媒体以及创意增值应用，应该把传统的“等业务、跑业务”演变为“将供给和客户需求有效结合”的经营模式，下面是几个案例：

■ Snapily3D（www.snapily3d.com）是一个由3D软件提供商创建的专门用indigo印刷个性化3D印刷产品的网站，通过网站可以上传3D照片进行编辑和打印。

■ My personal postcard（mypersonalpostcard.com）是一家结合移动终端应用，定制个性化明信片的专业网站，通过这个网站编辑、创建完成明信片后，发送至印刷中心，印刷中心通过Indigo数字印刷机印刷后将明信片寄送至指定人手中。

■ 可口可乐启动“可乐与你同分享”活动，通过Indigo数字印刷机印刷个性化包装可口可乐，达到品牌塑造和创新的市场营销。

设备装机量

目前数字印刷应用主要在彩色印刷领域，在此只对中国彩色数字印刷设备的类型及装机量的情况简要介绍。

1.单张纸高端彩色数字印刷机

目前业内公认的此类数字印刷设备主要来自惠普、富士施乐、柯达三大供应商。截止2013年7月，装机总量达到1195台，在上年度的基础上增加了308台。华东、华南、华北地区分别是目前采用最多的地区，3个地区的装机量占全国的80%多。

2.单张纸生产型彩色数字印刷机

此类设备厂商主要有富士施乐、佳能、柯尼卡美能达。截至2013年7月，装机总量达到3214台，在上年度的基础上增加了869台，增长率约为37%。华东、华北、华南地区分别是目前采用最多的地区，在全国的占比分别为27%、25%、17%。

3.连续纸高端彩色数字印刷机

此类设备厂商主要有惠普、赛康、奥西。截至2013年7月，装机总量达到68台，在上年度的基础上增加了16台，增长率约为34.78%。该类设备主要集中在华东、华南、两大地区，华北地区少量，华中地区2013年有了零的突破，其他地区没有。

4.高速喷墨数字印刷机

在国内安装的此类设备主要来自柯达、惠普、奥西、网屏4个设备供应商。截至2013年7月，装机总量达到26台，在上年度的基础上增加了6台。该类设备仅分布在华东、华南、华北三大区域。高速喷墨数字印刷技术面世于drupa 2008展会上，因其印刷幅面越来越大，质量越来越高，成本越来越低，受到整个行业的高度重视。

技术应用

成像技术是数字印刷的核心技术，当前用于数字印刷的成像技术包括静电照相法、磁粉成像法、热成像法、离子成像法、电子束成像法和喷墨成像法等。

已经实现商业化的数字印刷技术按照工作原理来分主要有静电照相数字印刷、喷墨数字印刷、热成像数字印刷、磁成像数字印刷、离子成像印刷、离子成像数字印刷、直接成像数字印刷，市场上以静电照相和喷墨数字印刷为主流技术。drupa 2012上推出了喷墨印刷领域的两项新技术——液态墨粉（Liquid Toner LID）和喷墨胶印（Offset Inkjet）。第一种技术应用在奥西和赛康液态墨粉卷筒纸印刷机上，比较适合标签和包装产品的印刷。第二种技术使工业喷墨进入主流的商业印刷领域，达到胶印质量，同时还具有切单张装置。

人力资源

数字印刷在国内应用时间还比较短，与其他成熟行业不同，相应的专职教育和社会教育都是刚起步。在印刷类专业院校中，数字印刷专业都是在2010年前后申报成功开始招生，而且相应的专业教材也非常缺乏；另一方面，有关数字印刷的专业培训机构也比较少，很多是在做印前制作培训时增加一些数字印刷的内容。

目前数字印刷专业人才非常匮乏，很多是传统印刷的印前从业人员经过数字印刷设备供应商的短期培训后开始从事数字印刷工作，随着数字印刷的市场份额越来越大，应用越来越广泛，数字印刷的人力资源缺口越来越大。

结 语

当前数字电影技术发展的新趋势 篇3

关键词：数字电影,现代数字影院,技术发展,新趋势

电影的数字化进程不断提速, 数字电影正在全球范围内加速推广应用, 数字电影全面取代胶片电影已经为期不远。数字电影发展至今面临诸多挑战, 主要包括数字高清晰度电视 (HDTV) 、网络电影、IPTV和视听新媒体, 必须实现差异化发展, 以确保高视听质量、高临场感和大银幕展现效果, 这是电影的生存之本和生命力所在, 也是电影产业发展的基石。当前, 数字电影技术发展呈现以下新趋势与新特点。

一数字影院加速向信息化、网络化的现代数字影院发展演进

1. 电影的数字化进程不断提速, 全球数字银幕和3D立体银幕高速增长

据统计, 自2006年到2010年, 全球2K数字银幕由2983块增至36606块, 3D立体银幕由258块增至22291块, 数字化转换速度惊人, 其中巨制影片《阿凡达》在推进数字银幕和立体银幕的建设中发挥了不可低估的重要作用。另据最新数据, 截至2011年10月, 中国已拥有2K数字银幕7411块, 含3D立体银幕4751块 (占64%) ;拥有1855家数字影院, 含3D立体影院1722家 (占93%) ;平均每个数字影院拥有4.0块数字银幕, 四厅以上的多厅数字影院增长迅速。

2. 数字影院系统不断升级完善, 功能性能显著提升, 技术与设备逐步实现规范化和标准化

数字影院系统发展演进呈现以下重要趋势:

数字放映系统:1.3K→2K→4K;2D→3D;分体式式→→一一体体化化;;

图像编解码格式:MPEG-2→JPEG2000→JPEG2000/MPEG-2;

封装打包格式:私有格式→MPEG MXF/XML→JPEGMXF/XML Interop→SMPTE MXF/XML;

影院声道配置:5.1→7.1→11.1;

播放系统设计实现:三片ADV216专用集成电路 (ASIC) →单芯片系统级现场可编程门阵列 (FPGA) ;

发行载体:物流传输→信息流传输→网络化传输;

标准与规范:DCI数字电影系统规范 (DCSS) →SMPTE 21DC行业标准→ISO/TC36国际标准。

3. 提供集技术设备、技术管理和技术服务等于一体的整体解决方案是现代数字影院的重要特征

现代数字影院是我们适应现代科技和电影产业发展提出的一个新概念, 建设信息化、网络化的现代数字影院是电影产业发展升级和迎接挑战的重要举措。现代数字影院应具备三大要素:

具备与多厅影院相配套的数字放映设备, 如包括巨幕/4K/2K/1.3K以及2D/3D等不同类型的放映设备;

具备五大信息基础设施, 即卫星接收系统、中央存储系统 (SAN) 、影院管理系统 (TMS) 、网络运营中心 (NOC) 、计算机售票系统 (POS) ;

成为现代电影产业的多媒体数字终端, 不仅能够放映数字影片、预告片和广告, 而且可以开展体育赛事、音乐会等数字内容2D/3D直播转播增值业务。

4.4K (4096×2160) 、高帧速率、巨幕放映、激光放映等新技术与新应用在电影行业加速推广应用, 不断提升数字电影视听品质、临场感和冲击感, 推动数字电影差异化发展

4K数字电影是电影产业发展与竞争的制高点。迄今, 4K技术取得重大突破, 4K工艺链全面贯通, 全球4K影院部署建设不断提速, 4K系统加速推广应用。尽管影院空间、银幕大小、4K片源、设备成本等因素制约4K电影发展与应用, 但这些问题将会在发展中逐步解决。2K/4K图像分级技术使2K/4K节目源和2K/4K技术系统能够相互兼容, 有利于电影产业平滑升级。我们应当统筹发展2K数字电影与4K数字电影, 积极迎接4K电影时代的到来。

另外, 由于技术条件所限, 电影行业长期采用24画格/秒 (胶片电影) 和24帧/秒 (数字电影) 的摄制放映速率。当前, 高帧速率技术逐渐成熟和加速应用, 其通过提高时间分辨率来显著提升数字电影图像质量。此外, 巨幕放映技术向多元化发展, 新型巨幕放映系统不断推出, 激光放映技术研发试验进程加快, 其在亮度、色彩饱和度等方面具有明显优势, 特别是在立体放映领域应用前景广阔。综上所述, 新技术与新应用将进一步提升数字电影在传统媒体和视听新媒体中的竞争力与影响力, 推动数字电影差异化发展。

二数字电影软硬件支撑体系建设已经基本成型, 数字电影未来发展重点将向构建完善数字内容技术体系转变

1. 数字内容制作的重要性愈加突出, 加快构建完善数字内容技术体系成为电影产业发展的必然要求

随着电影产业不断发展升级, 数字内容制作愈加重要。当前, 电影特效镜头越来越多, 计算机图形图像 (CG/CGI) 、运动捕捉与运动建模、特效制作合成、立体影像与三维动画制作、虚拟现实 (VR) 等应用越来越广泛, 加快提升制作科技含量和特效水平, 正逐渐成为电影行业的发展应用重点。因此, 在进一步升级完善数字电影软硬件支撑体系和基础设施建设的同时, 从数字内容层面不断提升视听质量, 将成为数字电影未来发展的重中之重。

2. 网络化、小型化、分散化、融合化是数字电影后期制作领域的重要特征, 网络化协同制作成为发展趋势和必然要求

当前, 数字电影制作领域呈现以下新特征:制作功能加速整合, 工艺流程不断优化, 使制作功能和制作效率不断提升;基于PC的通用计算技术正逐渐占据影视后期制作领域, 设备小型化趋势明显, 通用性增强, 使用率提升, 成本降低;前期拍摄与数字后期制作之间的界限日渐模糊, 衔接紧密, 融合化趋势明显;数字后期制作和数字母版制作加速融合, 部分后期制作系统可输出数字电影数据包 (DCP) 。

此外, 制作机构也呈现以下新特点:影视后期制作分工更加精细和专业, 使中小制作公司越来越多;大型制作公司为适应业务开展在全球各地设立制作分支机构和制作工作室;一部影片可能需由多个专业后期制作公司联合完成;制作公司地理位置和制作资源愈加分散, 整合资源、优势互补显得尤为重要。例如《阿凡达》的特效制作就由工业光魔 (ILM) 、维塔数字 (Weta Digital) 、数字领域 (Digital Domain) 等国际著名特效制作团队及中小制作公司联合完成。

因此, 在宽带信息网络和宽带接入技术迅猛发展、信息安全与网络安全技术日益成熟的背景下, 网络化协同制作成为影视后期制作的必然趋势。迄今, 国际上知名的网络化协作管理系统散弹枪 (Shotgun) 已经应用于全球100多家电影特效和数字动画制作公司, 如蓝天工作室 (Blue Sky) 、迪拉克斯 (Deluxe) 、数字领域 (Digital Domain) 、比可蒙多 (Pixomondo) 、负负得正 (Double Negative) 等。

3. 云计算等战略性新兴技术开始在数字电影领域推广应用, 将对电影产业未来发展产生重大影响

云计算 (Cloud Computing) 属于下一代计算技术, 源于并行计算、分布式计算和网格计算, 其融合了虚拟化、效用计算、IaaS (基础设施即服务) 、PaaS (平台即服务) 、SaaS (软件即服务) 、SOA (面向服务架构) 等技术和思想。云计算本质上属于大规模分布式并行计算技术, 通过使用由数量众多的高性能服务器联网组成的服务器农场来构建云服务平台, 以实现集群处理和高性能计算。

云计算是未来数字电影技术平台实现和业务运营的核心技术, 将对广播影视行业产生重大影响。目前在数字电影后期制作及母版制作领域广为采用的渲染农场 (Render Farm) 和JPEG2000多计算节点并行编码本质上属于云计算技术的应用雏形, 云渲染 (Cloud Rendering) 技术也已经应用于三维影视动画制作领域。通过构建基于云计算架构的数字电影制作分发平台和视频云数据中心, 可实现对数字内容资源的高效整合和服务监管, 以及对电影服务器、电视机顶盒、个人电脑、平板电脑、手机等多平台终端设备的全面覆盖。

三电影产业链加速向家庭拓展延伸, 家庭数字电影将成为电影产业新的重要的经济增长点

1. 电影专业市场和家庭消费市场正加速渗透与融合, 推动电影放映向多元化发展

电影市场可划分为专业市场和家庭消费市场:专业市场即影院市场;家庭消费市场包括互联网电影、视频点播 (VOD) 、家庭数字电影、手机电影等。适应数字化、网络化和融合化发展要求, 数字电影正与信息产业、消费电子相接轨, 电影专业市场和家庭消费市场正加速渗透与融合, 多平台和多终端应用将成为必然趋势。

2. 家庭消费类影视内容技术质量不断提升, 技术运营平台建设和发展环境日趋成熟完善

当前, 家庭消费市场影视内容高清化趋势明显, 高清内容不断丰富, 3D立体内容也已经出现;家庭高清设备与3D立体设备逐渐成熟, 价格显著下降, 销量明显增长, 高清电视加快成为电视消费主流;家庭终端联网与智能终端应用加快, 以电视为中心的家庭多终端协同将成为未来家庭消费的重要驱动力。

3. 家庭数字电影发展与应用, 将不断拓展电影市场空间, 显著提升电影产业规模

家庭数字电影是指利用技术手段和信息基础设施, 将具有高视听质量的数字电影通过安全系统送入家庭, 具有高视听质量、高安全性、网络化传输和用户接入便捷等特征。家庭数字电影有别于高清晰度电视 (HDTV) 、IPTV和互联网电影, 要保证节目源质量和内容安全性, 其技术指标应不低于HDTV。系统设计要具有前瞻性, 要考虑广播、组播、双向交互、推送播存等方式以及光纤入户 (FTTH) 趋势, 可应用视频云计算、内容分发网络 (CDN) 、对等传输 (P2P) 等技术。系统设计应充分考虑现有家庭终端的支持度、兼容性和产业发展现状。电影行业发展必须统筹并重公共服务和产业发展, 统筹并重影院市场和家庭消费市场, 积极拓展市场空间, 不断提升产业规模。

数字电影技术发展综述 篇4

罗德与施瓦茨公司亚太区区域经理Simon Roehrs先生, 应邀针对IMF数字发行技术的最新进展和行业应用发表了主题为《IMF数字发行和存档技术最新发展》的演讲。

IMF是目前业界最新的数字电影母版制作和存档技术, 在好莱坞后期制作公司和美国广播电视公司, 包括迪士尼、Sony Picture、Fox等有大量应用。IMF可以翻译为可交互母版交付格式, 在数字电影内容发行、交换、存档、后期制作编辑等领域有广阔的应用前景。

IMF国际标准发展介绍

数字水印技术综述 篇5

关键词：数字水印,多媒体数字产品,版权保护

1数字水印技术概述

1.1数字水印技术定义

数字水印(Digital Watermarking)技术[1],可以理解为在用户提供的原始数据中,如视频、音频、图像、文本、三维数字产品等载体上,通过数字水印技术手段,嵌入具有某些具有确定性和保密性的相关信息,称之为水印(通常由用户提供,如表示版权信息的特殊标志、logo、用户提供的具有某些意义的序列号、文字或者是产品的其它相关信息等)。除某些特殊要求外,水印信息一般要求是不可见的, 并有相应的标准来评判其不可见性或透明性。数字水印技术发展至今,已经逐渐由传统的理论研究阶段发展到实际应用阶段,且为了增加其安全性,常与密码学相结合。

1.2数字水印系统基本框架

一个完整的数字水印系统一般包含两个模块,即水印嵌入和水印提取与检测[2]。在实际应用过程中,为了进一步保护用户隐私,在嵌入水印之前,需要对原始水印进行加密或置乱处理,这种处理方式通常都是有效的、不可逆的。因此,需要用户提 供一个有 效的密钥 来完成这 一过程,称之为水印编码或者加密,在水印提取过程中,同样需要所有者提供该密 钥以便完 成水印的 提取过程,称为解码[3,4]。一个完整的数 字水印系 统可以用 图1表示。其中,水印提取过程中,并不一定需要借助原始数据。

原始水印可以有多种形式:随机序列、字符、二维图像等。在做最终的水印嵌入之前都需要进行某种转换以进一步加强水印安全,在实际应 用过程中 一般采用 加密方式。可用式(1)来表达水印嵌入过程:

其中,Iw表示嵌入水印后的图像信息;I、W 、K分别表示原始图像、原始水印以及密钥;E表示水印加密算法,A表示水印 嵌入算法。可用式(2)表示水印 提取过程:

其中,^W表示提取后的水印信息;^A表示水印提取算法,在提取算法中可能会使用到原始数据或者原始水印信息;D表示解密算法。

1.3数字水印攻击方法

按照攻击方法原理及目的不同,可将攻击方法分为以下几类:

1.3.1消除性攻击

消除性攻击一般是以去除原始水印为目的。在经过这类攻击方法之后,很难从二 维数据中 重新获得 水印信息。

(1)有损压缩及 降噪攻击。这类攻击 的使用较 为广泛,常见的图像处理如图像压缩、降噪等均属于此类。所谓的降噪可以将其理解为图像的二次滤波,由一些人为设定的准则来去除 掉某些无 用信息;压缩则更 为常见,如JPEG、MPEG标准等。

(2)解调攻击。解调攻击常见于各类滤波式攻击方法中,如低通滤波、高斯滤波、中值滤波等。1998年,Langelaar G.C.等[5]第一次系 统证明了 解调攻击 的方法与 危害,现在的数字水印算法已经具备低通特性。

(3)平均联合攻击。联合攻击针对大量含有水印的数字产品,每次使用不同的密钥或水印进行检测,最后以平均化的方法评估攻击对象。如在不同的含有水印的数字产品中分别提取部分信息,或多次进行平均化统计,则最终会得到一个几乎完全不含任何水印的载体数据[6]。

1.3.2几何攻击

相比于消除性攻击,几何攻击并不直接消除载体数据中的水印信息,而是试图通过破坏水印和原始数据之间的同步性,使得水印的相关性检测或恢复变得不可能。载体数据中的水印信息 虽然依然 存在,但是相对 位置早已 错位。常见的攻击方法,如旋转、缩放、平移、剪切、图像重构、仿射变换等都属于此类。从数字水印技术的提出发展至今,人们对抗几何攻击依然缺少简单有效的手段。造成几何攻击处理难度大的另一个原因则是不清楚攻击者究竟使用了几种攻击手段。现有的成熟水印嵌入算法可能对一种或者数种几何攻击具有较好表现,但面临多种攻击方式的组合时,则有可能表现得不尽如人意。

1.3.3混淆攻击或IBM攻击

混淆攻击最 初由IBM提出,所以又被 称为IBM攻击。混淆攻击的目的是试图通过伪造的水印信息或伪造的原始数据来达到侵害原始版权的目的。其基本原理为: 设原始图像为I,加入水印W之后的图像记为IA=I+ W ;攻击者会首先生成自己的水印W′ ,随后创造一个伪造的原图I′ =IA-W′ ;此后,攻击者即可声称其拥有IA的所有权。这种攻击方式引起了研究者极大兴趣,由于在混淆攻击中同时存在着真实数据、真实水印、真实含水印数据、伪造数据、伪造水印、伪造含水印数据,因此要正确判断数字产品的所有权,则需要在一个数据载体的几个水印中决策出正确的水印信息。

除上述几大类常见的攻击方法外,还有专门针对水印加密过程的攻击方法,以及针对水印实际应用过程中的各种协议作出的攻击等攻击手段。

1.4数字水印技术评判标准

可从如下方面评判数字水印技术[7,8]:

(1)不可见性/透明性。透明性是现代数字水印技术的一个最基本要求,在没有特殊要求的情况下,数字水印算法不可以影响载 体数据的 有效性,至少是人 眼不可见 的。对于透明性更高的要求,则是嵌入水印信息之后的载体和原始数据的某 些特性一 致,其数据分 布是不可 感知的,以至于非法拦截者也无法判断其中是否有水印信息存在。现代水印技 术中常用 峰值信噪 比 (Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)来评估数字水印的透明性。PSNR的计算公式如下:

其中,MAXI指图像的灰度级,通常为255;MSE为原始图像与检测图像之间的均方差(Mean Square Error, MSE);I表示原始图像;I′ 为嵌入水印之后的图像。可以看出,PSNR值基本上由MSE的值确定,且PSNR值越大,表示图像的透明性越高。

(2)鲁棒性。鲁棒性是现代水印技术对数字水印算法提出的另一个基本要求,即水印不能因为对载体数据进行简单的改动或者标准化的图像处理而轻易受到损坏。数据在传输过程中不可避免地会受到各种信号的干扰,如噪声、滤波操作、重采样、有损编码压缩、裁剪、缩放、旋转等, 数字水印被设计成不会由于这些常见的干扰而造成水印失真。对鲁棒性更高的要求则是在面对各种恶意攻击时, 依然能够尽量满足提取检测的条件。在现代水印技术中, 鲁棒性一 般由归一 化互相关 系数 (Normalized Correlation,NC)来确定。NC值的计算公式如下:

其中,X和^X分别表示 原始水印 和提取水 印信息; NC值是一个小于1的小数,通常其值越大则表示提取出的水印效果越好。

(3)容量。容量被定义为能够嵌入到原始数据中的有效水印的数量。水印容量通常是平衡透明性和鲁棒性之间的关键因素。一个可以嵌入更大容量水印的算法其透明性和鲁棒性可能会较差,因而需要在保证鲁棒性和透明性的同时,尽可能加大水印的嵌入量。

(4)安全性。现有数字水印技术中,一个不安全的数字水印算法不可以被用于版权保护、数据认证、非法数据跟踪等任务中。与鲁棒性相比,安全性更关注于数字水印的密钥。如果一个恶意攻击者使用了相同的数字水印嵌入算法,在水印信息没有任何保护的情况下,则极有可能提取出水印,随后由于伪造而造成的损失将是巨大的。此外,使用某些更为复杂、高效的数字水印嵌入算法,在一定程度上也可以增加数字水印的安全性。

(5)误检率。误检率在被提出之前,可能大部分数字水印工作者并未意识到有这种问题的存在。水印误检是指使用正确的水印提取算法执行水印的提取过程时,有可能从并没有数字水印的伪载体中提取出一个水印信息;或者从正确的载体数据中提取不到正确的水印信息。虽然这些情况发生的概率较小,但确实存在这种可能。

2常见数字水印算法分析比较

近年来,数字水印技术的发展取得了很大进步,各种新的理论或算法随着研究人员的不同,其设计框架与思路也在不停转换。一些较为典型的数字水印算法主要有如下几种。

2.1空间域算法

空域算法一般是通过直接修改原始图像的像素值来达到嵌入水印的目的。这种算法一般操作简单,具有一定的鲁棒性,但透明性较差。空域算法中最为典型的是L. F.Turner[9]与R.G.van Schyndel[10]等于1994年设计的 最低有效位算法(LSB)。Schyndel等首次科 学地阐明 了数字水印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法,其原理是通过修改原始数据中的最低有效位来实现水印的嵌入。 一幅普通的灰度图像在计算机中存储,其像素值介于0~ 255之间,随意增减一个像素值而不会引起人眼视觉系统的感知。算法可以表示为:设待嵌入的水印为一个长度为L的M-序列,M = {m(k),1≤k≤ L},则即可通过式 (6)嵌入水印信息:

其中,I′(i,j)表示对原始图像每个像素点I(i,j)修改之后的值。这种水印嵌入方式有一定的鲁棒性,且在不考虑图像失真的情况下,可以嵌入的水印容量即为原始图像的大小。但由于是直接替换了图像的像素最低位,因而很容易去除,且对各种图像处理攻击鲁棒性较差。

2.2变换域算法

和空域算法不同,变换域算法一般通过修改图像的其它附加属性(如颜色、纹理、频域)来嵌入水印,这种方法可以使图像具有较高鲁棒性的同时,保证含有水印的图像具有较好的透明性。

1995年,Cox等[11,12]最先将数字水印嵌入在原始图像的DCT(Discrete Cosine Transform)域中,并由此开创 了变换域水印的先河,该算法在数字水印技术中占有十分重要的地位。其基本思想是:首先采用DCT变换将原始图像I转换为频域表示,随后从I的DCT系数中选择n个最重要的频率分量,使之组成序列:S=s1,s2,…,sn,以提高对JPEG压缩攻击的鲁棒性;然后以密钥K为种子产生伪随机序列,即原始水 印序列:W = w1,w2,…,wn,其中wi(i∈ [1,n])是一个满足高斯分布N(0,1)的随机数;再将水印序列W叠加到序列S中,产生含水印的序列S′ = s′1,s′2,…,s′n,使用S′ 替换掉原始图像中的DCT系数序列S ,再通过逆DCT变换(IDCT)得到含有水印的图像。 同时,水印的检测依赖于一个手动控制的阈值σ,当相关性检测结果大于σ 时,则认为含 有水印,否则认为 没有。 该算法的思想较为简单具有一定的鲁棒性,后来,通过其他学者的研究改进,陆续出现了其它变换域算法,包括离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)、离散小波变换(Discrete Wavelet Transform,DWT)等。

Ruanaida等[13]最先在1999年提出将 数字水印 嵌入在原始图像的DFT域中。该算法和 其它开创 性算法类 似,通过简单修改原始水印的相位值来嵌入水印:F(k1, k2)= F(N1-k1,N2-k2),其中F是离散傅里叶变换, N1、N2用于控制水印的嵌入量。该算法从对图像的理解和通信理论角度指出相位调制更适合鲁棒性水印。

Kunder等[14]最早尝试将水印嵌入到图像的DWT域中。其依据是图像经过小波分解后,原始图像将会被分为若干子带,这非常类似于人眼视觉系统在浏览图片时将图片分解为若干个部分。因此,图片的空-频转换特性能够很好匹配视觉系统。随着MPEG-4及JPEG-2000图像压缩标准的公布,受其核心技术小波变换的影响,利用DWT分解嵌入数字水印的算法也越来越多。Kunder等最初的做法是分别对原始图像及水印进行小波分解,并在不同分辨率水平之下将水印小波系数叠加到图像小波系数中,并在此之前,对水印的小波系数使用一种人类视觉模型约束进行调制。

2005年以后,A.L.Cunha等在图像处理方面提出了一个新算法,称之为非 下采样Contourlet变换 (nonsubsampled contourlet transform,NSCT)。NSCT算法具有 平移不变形及旋转不变性,其对于简单的几何攻击,如旋转、平移、缩放等攻击有较强的鲁棒性,因此很快被用于图像数字水印领域,并取得了相应进展。但NSCT分解的算法计算量远远大于其它变换域数字水印算法,很难做到数字水印嵌入时的同步性,目前也尚处于理论研究阶段。

2.3优化类水印算法

20世纪90年代开始,人工智能及生物模拟算法为新的研究热点,并诞生了许多优秀算法,如模拟蚂蚁群落采集食物过程的蚁群算法(ant colony optimization)、模拟鸟类运动的粒子群优化算法(particle swarm optimization)、 模拟生物遗传的进化算法(EA)、神经网络等[15,16,17,18]。这类算法的提出也为数字水印算法带来了新的生命力。虽然不能直接由这些算法嵌入水印,但在嵌入水印之后可利用此类算法优化含水印的图像,以达到鲁棒性和透明性之间更好的平衡。

(1)粒子群优化算法。粒子群优化算法由Ebehart和Kennedy等于1995年提出,它以无质量无体积的粒子作为个体,并为每个个体定义简单的运动规则,从而使整个粒子群呈现出复杂的特性,求解过程类似于在三维空间中求最短路径,可用于求解复杂的优化问题,在图像分割、图像识别、图像压缩、图像融合 领域均有 其独特应 用。K. Kuppusamy和K.Thamodaran提出一个基于PSO算法的主要用于版权保护的优化水印方案。该方案使用常规的水印嵌入算法,如针对DCT域作水印嵌入时,使用PSO算法快速选择子带中的高能量子带来嵌入水印。同时使用图像质量指数指标(IQIM)来评估图像失真。

(2)差分进化算法。同PSO算法类似,差分算法也是进化算法簇中的一员。第一个简单、快速、具有鲁棒性的DE算法由Storn和Price于1995年提出,随后,针对DE算法中缩放因子和交叉因子的选择,不同的改进算法先后被提出并用于数字水印领域。在国内,使用DE算法优化数字水印的文献并不常见。Musrrat Ali等提出了一种基于DE算法的数字水印优化算法。在水印嵌入过程中,依然使用传统算法,将水印嵌入在原始图像的DWT-SVD域中,再对含有水印的图像使用多种不同的攻击方式进行攻击测试,最后使用差分 进化算法 对水印嵌 入强度加 以优化,以寻求一个面对不同攻击时都有不俗表现的算法。

2.4其它水印算法

(1)奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)。 奇异值分解是线性代数中的一种重要矩阵分解,是矩阵分析中正规矩阵酉对角化的推广。在信号处理、统计学等领域有重要应用。由于图像在计算机存储时的特殊性,因而完全可以使用线性代数中矩阵分解的方法来应对图像处理中的问题。单纯使用SVD分解的方法来嵌入数字水印的文献较少,经典的做法是配合DWT分解和DCT分解, 这类叠加算法通常对大部分攻击都有较好的鲁棒性。

(2)分形水印。分形(Fractal)是Mandelbrot在1977年提出的几何学概念,图像分形压缩的基本原理是利用分形几何中 的自相似 性来进行 图像压缩。Puate和Jordan[19]在1997年首先提出基于图像分形压缩原理的水印算法。该算法将原始图像随机分为若干个大小为n×n的块,记为RB ,并利用分形压缩技术和块周围的搜索区域 (LSR,Local Searching Region)建立一定的对应关系,称之为编码。原始水印为一串二值序列,记为V =v1,v2,…, vn。水印的嵌入过程表示为:vi(i∈ [1,n])为1时,利用RB和其周围大小为3n×3n的LSR的关系对RB进行编码;反之,则利用RB和周围大小为2n×2n的LSR的关系对RB进行编码。实验表明,该算法对JPEG压缩攻击有较好的鲁棒性,当压缩质量为50%时,水印依然可以较好地被提取出来。但该算法计算量较大、速度慢。

(3)扩频水印。Tirkel等首先注意到扩展频谱技术可以用于数字水印的嵌入,随后出现了一系列的基于扩频技术的数字水印算法。由于在图像的高频区域嵌入水印,则算法的透明性较高,但鲁棒性较差;相应地,在图像的低频区嵌入水印,则图像的鲁棒性良好,但不易控制透明性。 扩展频谱技术可以将一个能量信号(原始水印信息)嵌入到每个频带,从而缓解这些矛盾。

2.5数字水印典型应用

目前,数字水印技术主要应用于如下几个领域:

(1)基于数字水印技术的版权保护。数字水印技术用于版权保护几乎已达成共识,许多数字水印算法在设计之初是以版权保护为目的。目前,许多图像处理公司通过和各种可信的第三方机构合作,开始将数字水印技术用于商业化目的,如Digimarc公司的ImageBridge解决方案。该方案提供一个被称之为ImageBridge的水印检测器,该检测器可以识别包括Adobe Photoshop和Corel PhotoPaint在内的多种图片格式。当用户使用该检测器时,它可以识别出水印信息,并从远程数据库中调取水印密钥以确定作者身份。

(2)基于数字水印技术的指纹识别。该领域也是近年来数字水印技术中的热门研究方向。在面临各种需要个人唯一身份凭证的商业行为时,不可避免地会发生各种信息泄露状况,对个人隐私造成极大威胁。指纹识别的兴起正好可以解决这一问题。目前,指纹识别所面临的主要问题是水印信息的来源,由于不能从公共数据库中获取大量的指纹信息,因此,目前大多数数字水印指纹识别还局限于在某个实验室或者科研机构中进行。

(3)拷贝控制。严格来说,拷贝控制也算是版权保护领域中的一个应用。其主要目的是使用脆弱水印防止他人误用、盗用未经授权的数字信息。拷贝控制应用颇为广泛,尤其是在电子音乐、视频等领域。

3结语

数字地球关键技术综述 篇6

地球是太阳系中可以提供人类生存的星球。为了人类能更好地生存发展, 就需要提高对地球的了解与认知能力, 用更有效的方法去研究并解决与地球相关的自然环境和社会经济等问题。计算机网络技术和地理信息技术的产生和快速发展, 为信息时代用数字化的方式去研究地球提供了先进的工具和平台, 数字地球应运而生。

1 数字地球含义

数字地球就是数字化地球上的全部信息, 用虚拟的方式表达, 以地理空间位置为基础框架, 按地理坐标将全部信息有效地组织起来, 对地球每一点所包含的信息进行全面描述。在此基础上, 为每一个人提供方便而有效的手段, 了解和使用有关真实地球的各方面信息。数字地球是一个多分辨率、多空间尺度的三维虚拟地球, 其中嵌入海量地理数据, 在虚拟现实技术支持下, 面向社会公众开放的无缝集成网络信息系统。

2 数字地球建设的关键技术

2.1 高速计算机网络技术

数字地球所需要的数据是具有不同来源和不同应用目的的多媒体海量数据, 已不能通过单一的数据库来存储, 而需要由无数个、分布在不同部分、不同地点的, 即分布式的数据库来存储, 并由高速网络来连接。

2.2 高分辨率卫星遥感数据的获取与处理技术

遥感影像的获取与处理技术是数字地球空间数据获取和更新的最经济、最快速的技术途径。高分辨率卫星每天都要产生大量的数据, 对这些数据的获取与处理应用能力, 直接影响数字地球系统的应用。

2.3 地球空间海量数据存储和处理技术

一个数字化地球的数据, 除了大量的遥感数据之外, 还包括图形数据, 属性数据等。要高效地存储和操纵这些海量数据, 就必须在海量数据的大容量存储、快速检索与分发机制、压缩和处理技术、多尺度数据库的综合应用等方面取得实质性突破。

2.4 无级比例尺的信息综合技术

无级缩小和放大数字地球空间数据是数字地球基本功能要求。人们可以从不同尺度观察、分析地球空间数据, 以一个大比例尺数据库为基础数据源, 在一定区域内空间对象的信息量随比例尺变化自动增减。无级比例尺数据库的技术关键是自动制图综合。

2.5 空间数据仓库技术

空间数据仓库是数据仓库向空间维的扩展, 它是一个支持决策过程的、面向主题的、集成的、稳定的、不同时间的空间数据的集合。目的是为了对累积的海量空间数据进行处理, 提供不同粒度与主题的有用信息, 并提供决策支持。在数字地球系统的一些应用领域的空间分析中, 需要数据仓库技术的支持。

2.6 空间数据的重组、融合与挖掘技术

空间数据库提供了直观的、有限的数据信息。而地理实体之间存在着一定的联系和规律, 这些信息隐含在这些直观的信息中。通过空间数据的重组技术、融合技术和挖掘技术, 可以产生新的综合数据。

2.7 虚拟现实技术

虚拟现实技术是对地理空间信息进行可视化显示以及模拟、仿真的先进技术。运用计算机技术建立现实地球的虚拟与仿真环境, 对地理现象以及地理过程进行虚拟再现, 人们可以通过视觉、听觉、触觉等对该虚拟世界中的虚拟实体进行体验, 是实现虚拟地球的必要技术。

2.8 互操作技术

地理信息互操作技术也是实现数字地球的关键技术。为了在不同的系统之间进行空间数据的无损转换, 就需要制定统一的空间数据转换标准。数字地球需要统一的协议, 互操作技术可以使管理海量空间数据的GIS系统之间形成一个无缝集成的网络信息系统, 该系统数据应具有多源、多比例尺、多分辨率的特点。

2.9 元数据

元数据是对地理空间数据的说明数据。它是数字地球框架下地理信息标准化的重要组成部分。在数字地球中地理信息的数据量大, 使用者众多, 为了能够正确的使用, 需要通过元数据对数据进行详细的描述。在空间数据的交换过程中, 元数据能够使不同用户了解数据集对其应用目的的适用性。

2.1 0 计算科学技术

地球是一个复杂的巨系统, 对其观测研究并不容易。高速计算机的使用, 使我们能更好地理解已经观察到的数据, 并且可以模拟和仿真那些不易观察到的现象。建造数字地球所需的计算科学支持包括计算机能力和计算模型两个方面。

3 数字地球的应用

数字地球可以在众多领域中应用并产生巨大的社会效益和经济效益。对于数字地球的应用可以从不同角度进行划分

3.1 按应用区域大小划分

按数字地球研究区域的大小可以划分为三层, 即全球层、国家层和区域层。全球层以整个地球作为研究对象, 包括全球的气候及环境变化、全球的地形变化、生物多样性变化、植被与土地利用情况变化等。国家层以一个国家作为对象, 区域层则以城市为主要对象, 研究涉及自然资源和社会经济等内容。

3.2 按应用领域不同划分

数字地球广泛地应用在城市建设、农业、林业、水利、教育、国防以及人们日常生活的各个方面。由此也产生了数字城市、数字农业、数字林业、数字流域、数字校园、数字战场等概念。

结束语

数字地球是地理信息系统的延伸, 是全球信息化的产物, 其产生是建立在人类科技发展成果的基础上并有着深刻的社会与经济背景。实施数字地球计划需要全社会的关心与支持。数字地球将会渗透到人类社会的各个方面, 改变人类的生成和生活方式, 进一步推动人类社会的进步。

参考文献

[1]承继成, 等.数字地球导论[M].第二版.北京:科学出版社, 2000.[1]承继成, 等.数字地球导论[M].第二版.北京:科学出版社, 2000.

[2]李德仁.数字地球与“3S”技术[J].中国测绘, 2003 (2) :28-31.[2]李德仁.数字地球与“3S”技术[J].中国测绘, 2003 (2) :28-31.

[3]邬伦, 等.地理信息系统原理、方法和应用[M].北京:科学出版社, 2001.[3]邬伦, 等.地理信息系统原理、方法和应用[M].北京:科学出版社, 2001.

数字签名技术综述 篇7

在传统生活中,政府的文件,命令和条约,商业中的契约以及个人之间的书信等,均使用手书签字或印章以便在法律上能够认证,核准,生效,保证各方的利益。随着网络技术和软件技术的飞速发展,信息革命带来了全球范围市场竞争的日益加剧,同时对传统的办公和生活方式也产生了巨大冲击。

2004年8月28日,十届全国人大常委会第十一次会议表决通过《中华人民共和国电子签名法》,首次赋予可靠的电子签名与手写签名或盖章具有同等的法律效力,并明确了电子认证服务的市场准入制度。该法是我国第一部真正意义的电子商务法,是我国电子商务发展的里程碑。它的颁布和实施必将极大地改善我国电子商务的法制环境,促进安全可信的电子交易环境的建立,从而大力推动我国电子商务的发展。

2 数字签名的基本概念

2.1 数字签名的定义

简单地说,所谓数字签名就是附加在数据单元上的一些数据,或是对数据单元所作的密码变换。这种数据或变换允许数据单元的接收者用以确认数据单元的来源和数据单元的完整性并保护数据,防止被人(例如接收者)进行伪造。它是对电子形式的消息进行签名的一种方法,一个签名消息能在一个通信网络中传输。

基于公钥密码体制和私钥密码体制都可以获得数字签名,目前主要是基于公钥密码体制的数字签名。包括普通数字签名和特殊数字签名。普通数字签名算法有RSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou-Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir数字签名算法、Des DSA,椭圆曲线数字签名算法和有限自动机数字签名算法等。特殊数字签名有盲签名、代理签名、群签名、不可否认签名、公平盲签名、门限签名、具有消息恢复功能的签名等,它与具体应用环境密切相关。

2.2 数字签名的要求

数字签名技术用来保证信息的完整性。“数字签名”是通过一个单向函数对要传送的报文进行处理后得到的,用以认证报文来源并核实报文是否发生变化的一个字母数字串。数字签名可以解决否认、伪造、篡改及冒充等问题。

具体要求:发送者事后不能否认发送的报文签名、接收者能够核实发送者发送的报文签名、接收者不能伪造发送者的报文签名、接收者不能对发送者的报文进行部分篡改、网络中的某一用户不能冒充另一用户作为发送者或接收者。数字签名的应用范围十分广泛,在保障电子数据交换(EDI)的安全性上是一个突破性的进展,凡是需要对用户的身份进行判断的情况都可以使用数字签名,比如加密信件、商务信函、定货购买系统、远程金融交易、自动模式处理等等。

2.3 数字签名的原理

数字签名是通过密码技术对电子文档的电子形式的签名,并非是书面签名的数字图像化。它类似于手写签名或印章,也可以说它就是电子印章。我们对一些重要的文件进行签名,以确定它的有效性。但伪造传统的签名并不困难,这就使得数字签名与传统签名之间的重要差别更加突出:如果没有产生签名的私钥,要伪造由安全密码数字签名方案所产生的签名,在计算上是不可行的。

人们实际上也可以否认曾对一个议论中的文件签过名。但是否认一个数字签名却困难得多,这样做本质上证明在签名生成以前私钥的安全性就受到危害。这是由于数字签名的生成需要使用私钥,而它对应的公钥则用以验证签名。因而数字签名的一个重要性质就是非否认性,目前已经有一些方案,如数字证书,把一个实体(个人,组织或系统)的身份同一个私钥和公钥对"绑定"在一起。这使得一个人很难否认数字签名。数字签名是相对于手书签名而言的,类似于手书签名,但还应满足以下要求:

1)收方能确认或证实发方的签字,但不能伪造;

2)发方把签字的消息发给收方后,就不能否认所签发的消息;

3)一旦收发双方就消息内容和来源发生争执时,应能给仲裁者提供发方对所发消息签了字的证据。

但数字签名和手书签名也有所不同,手书签名是模拟的,因人而异,且无论用那种语言签名,都可以模仿;数字签名是0或1的数字串,因消息而异,不可模仿。数字签名的基础是公开密钥密码学。公开密钥密码学是现代密码学的最重要的发明和发展。一般理解密码学就是保护信息传递的机密性,但这仅仅是当今密码学主题的一个方面。

3 数字签名的作用

网络的安全,主要是网络信息安全,需要采取相应的安全技术措施,提供适合的安全服务。数字签名机制作为保障网络信息安全的手段之一,可以解决伪造,抵赖,冒充和篡改问题。数字签名的目的之一,就是在网络环境中代替传统的手工签字与印章,其可抵御的网络攻击主要有:

1)防冒充(伪造)。其他人不能伪造对消息的签名,因为私有密钥只有签名者自己知道,所以其他人不可以构造出正确的签名结果数据。显然要求各位保存好自己的私有密钥,好像保存自己家门的钥匙一样。

2)可鉴别身份。由于传统的手工签名一般是双方直接见面的,身份自可一清二楚;在网络环境中,接受方必须能够鉴别发送方所宣称的身份。

3)防篡改(防破坏信息的完整性)。传统的手工签字,假如要签署一本200页的合同,是仅仅在合同末尾签名呢还是对每一页都有签名,不然,对方会不会偷换其中几页这些都是问题所在。而数字签名,如前所述:签名与原有文件已经形成了一个混合的整体数据,不可能篡改,从而保证了数据的完整性。

4)防重放。如在日常生活中,A向B借了钱,同时写了一张借条给B;当A还钱的时候,肯定要向B索回他写的借条撕毁,不然,恐怕他会再次挟借条要求A再次还钱。在数字签名中,如果采用了对签名报文添加流水号,时戳等技术,可以防止重放攻击。

5)防抵赖。如前所述,数字签名可以鉴别身份,不可能冒充伪造,那么,只要保存好签名的报文,就好似保存好了手工签署的合同文本,也就是保留了证据,签名者就无法抵赖。以上是签名者不能抵赖,那如果接受者确已收到对方的签名报文,却抵赖没有收到呢要防接受者的抵赖,在数字签名体制中,要求接受者返回一个自己签名的表示收到的报文,给对方或者是第三方,或者引入第三方机制。如此操作,双方均不可抵赖。

6)机密性(保密性)。有了机密性保证,截收攻击也就失效了。手工签字的文件(如合同文本)是不具备保密性的,文件一旦丢失,文件信息就极可能泄露。数字签名,可以加密要签名的消息。当然,签名的报文如果不要求机密性,也可以不用加密。

4 数字签名技术应用方案

在网络环境的实际应用中,由于受机器运算速度的影响,传输速度是一大瓶颈。现大多数字签名方案存在着效率不高,开销过大等问题。为此,如何在确保安全性的前提下,简化操作也是数字签名技术急需解决的问题。

下面以A向B传递文档为例,我们提出适应在网络环境中的数字签名方案。假设A为信息发送者,其公钥,私钥对为(ka1,ka2),B为信息接受者,其公钥,私钥对为(kb1,kb2)。为了进一步增加签名的安全性,引入了TIM E STAM P(时间戳)参数。同时考虑被签名内容的大小不定,直接对明文内容进行签名,运算内容大,时间长,不适用于网络上的传输,所以先由明文用SHA1算法产生一个消息摘要,然后把TIM E STAM P与摘要一起签名,以实现双重认证功能(以抵抗重放攻击和代换攻击),大大增强了其安全性。

4.1 需认证的数字签名方案

需认证的数字签名方案是最基本的数字签名方案,不需要加密处理。

发送方签名过程是:

1)A用SHA21算法对原文件P产生摘要Z;

2)取得服务器系统时间T(时间戳);

3)A使用其私钥ka2对摘要和系统时间Z+T进行签名得C;

4)A将(P,C)发送给B。

接收方的验证过程是:

1)B接收后将P,C分开;

2)B将取到的明文用SHA21计算出摘要;

3)B用A的公钥kal对A的签名进行解密得到Z,T;

4)B将解密得到的Z同算出的摘要进行比较,同时解密得到的时间作为辅助认证,若摘要相同,且时间符合约定,刚A的证明为真,反之为假。

4.2 需认证和加密的数字签名方案

需认证和加密的数字签名方案是同时需要认证和加密的数字签名方案。在这个方案中,发送方签名过程是:

1)A用SHA-1算法对原文件P产生摘要Z;

2)取得服务器系统时间T;

3)A使用其私钥ka2对摘要和系统时间Z+T进行签名得C;

4)A随机产生一个D ES的密钥K;

5)A使用对称加密算法对P进行加密得P1;

6)A使用B公钥kb1对D ES密钥K进行加密得K1;

7)A将(K1,P1,C)发送给B。

接收方的验证过程是:

1)接收后将K1,P1,C分开。

2)B将取得的K1用其私钥kb2进行解密得DES密钥K。

3)B用K将P1解密得明文P。

4)B用SHA21算法对明文P产生摘要。

5)B用A的公钥ka1对A的签名进行解密。B将解密得到的Z和算出的摘要比较,同时把解密得到的时间作为辅助认证,若摘要相同且时间符合约定,则A的证明为真,反之为假。

数字签名的安全性取决于算法的选择和密钥的管理。签名算法中,非对称加密算法在加密性能上优于对称加密算法,其中比较有代表性的有RSA算法,DSA算法,ECC算法(椭圆曲线算法)。RSA算法的安全性与DSA算法大致相当,因为两者的算法基础———大整数分解与求离散对数的计算复杂度是近似的,但RSA速度比DSA算法更快。ECC算法基础是椭圆曲线的对数问题,这个基础使得它可能比RSA更快更安全,但它作为一种新的算法,还有待进一步的检验和标准化。所以我们采用RSA算法来实现一个数字签名算法,这也是现在最普遍使用的非对称加密算法,为了提高安全性,使用密钥长度是1024位。我们在第二种方案中(需认证和加密的数字签名),采用对称加密算法和非对称加密算法两者相接合的方式,主要因为对称加密的加密速度快于非对称加密,所以加密用对称算法,然后用非对称算法对其密钥(长度固定且短,可采用96位)进行加密传输。这样,两者互为补充大大加强了数据安全性且加快了系统处理的时间。实践证明这种方案的实用性很强。密钥的管理主要是依靠统一的公钥基础设施P KI的建立。

5 数字签名系统的实现

实现数字签名有很多方法,但大体的工作程序是一样的。用户首先可以下载或者购买数字签名软件,然后安装在个人电脑上。在产生密钥对后,软件自动向外界传送公开密钥。由于公共密钥的存储需要,所以需要建立一个鉴定中心(CA)完成个人信息及其密钥的确定工作。鉴定中心是一个政府参与管理的第三方成员,以便保证信息的安全和集中管理。

不过,在使用这种技术时,签名者必须注意保护好私有密钥,因为它是公开密钥体系安全的重要基础。如果密钥丢失,应该立即报告鉴定中心取消认证,将其列入确认取消列表之中。其次,鉴定中心必须能够迅速确认用户的身份及其密钥的关系。一旦接收到用户请求,鉴定中心要立即认证信息的安全性并返回信息。

当然数字签名算法的实现,可以从底层算法开始,即从加密算法开始编码;也可以利用网上的一些开放源码的工具包进行二次开发,比如cryptlib,openssl等,优点是功能比较完善,可以灵活应用,但这些免费资源往往缺乏详细的文档,阅读大量的源代码就常常成为必需。另外,也可以借助一定的开发工具利用其中的密码功能,比如Microsoft CryptoAPI函数,VC下可以使用,缺点是由于受美国的密码产品出口限制,Windows自带的Cryp2toAPI的安全强度不能满足用户的各种需求;J ava语言也可以方便地实现密码技术,而且J ava以其强安全性,平台无关性,硬件结构无关性,语言简洁同时面向对象,在网络编程语言中占据无可比拟的优势。

6 数字签名的隐患

数字签名已成为信息社会中人们保障网络身份安全的重要手段之一,然而,随着安全威胁的日益猖獗,目前的数字签名技术存在着一定的隐患。

要知道数字签名的工作原理,这要对公匙加密法有一个基本认识。最重要的问题就是:一、公匙和相应的私匙有着特殊的关系:一把密匙加密的内容只能由另一把密匙来解密;二、通过一家可信赖的认证中心(CA)颁发及签名的数字证书(根证书),私匙与你的身份密切相关。

数字签名是涉及签名信息和签名人私匙的计算结果。首先,签名人的软件对发送信息进行散列函数运算后,生成信息摘要(message digest)——这段信息所特有的长度固定的信息表示。然后,软件使用签名人的私匙对摘要进行解密,将结果连同信息和签名人的数字证书一同传送给预定的接受者。而接受者的软件会对收到的信息生成信息摘要(使用同样的散列函数),并使用签名人的公匙对签名人生成的摘要进行解密。接受者的软件也可以加以配置,验证签名人证书的真伪,确保证书是由可信赖的CA颁发,而且没有被CA吊销。如果两个摘要一样,就表明接受者成功核实了数字签名。

经核实的数字签名向接受者保证了两点:一、信息未经改动;二、信息的确来自签名人。后者就成了对原产地证明(Proof of Origin)的认可,即加密认可这一概念的基础。

这正是症结所在。更确切地说,经核实的数字签名向接受者保证信息未经改动,而且信息是用签名人的私匙签名的。但仍存在欺诈的可能性。在私匙持有人毫不知情的情形下,有人会利用无人照管的台式机对合同进行数字签名。由于“始终联通”的互联网连接如线缆调制解调器和DSL日益普及,黑客窃取私匙的机会也随之激增。消费者的利益就容易受到侵害。

还存在另一种可怕的情景:将欺诈作为理由,即完全是想终止签署合同的签名人可能以合乎法律为由,拒绝履行合法签署的合同。这样,企业的利益就容易受到侵害。明智的个人和机构一定要意识到这些危险。大多数企业和个人知道,始终没法消除所有风险,于是专注于如何降低风险,而不是完全避免风险。

7 结论

本文主要介绍了电子商务安全技术中有着特别重要地位的数字签名技术,以及数字签名技术在网络环境中的解决方案,向参与网络活动的实体提供身份认证,确保信息传输的机密性和完整性,有效防止了各种网络信息中的安全隐患。数字签名已成为信息社会中人们保障网络身份安全的重要手段之一,世界各地制订了赋予数字签名合法地位的法律。然而,我国关于数字签名技术的研究和应用刚起步,与国际先进水平有一定差距。一些人认为,这些法律对电子商务和在线金融服务公司而言无疑是重大进展,而有些人却指出了隐患。

摘要：在计算机通信系统中,维护电子文档的安全成为至关重要和非常敏感的问题。数字签名技术应运而生,已成为对电子文件及其发送者进行认证的主要手段,在电子商务,电子政务等领域发挥着越来越大的作用。该文介绍了电子商务安全技术中有着特别重要地位的数字签名技术。

关键词：数字签名,电子数据交换,网络信息安全

参考文献

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