視頻數(shù)字水印的特征、主要算法及應(yīng)用分析

1 引言

通常采用密碼術(shù)保護(hù)數(shù)字媒體的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但密碼術(shù)對(duì)內(nèi)容的保護(hù)僅限于通信或訪問(wèn)控制，一旦數(shù)據(jù)被解密或被用戶訪問(wèn)。則不再具有保護(hù)能力，與此同時(shí)密文的隨機(jī)性也暴露了信息的重要性，容易引起攻擊者的注意。為解決這些隱患，這里提出新的產(chǎn)權(quán)保護(hù)手段一數(shù)字水印及其在電視領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 數(shù)字水印原理與視頻數(shù)字水印特征

2．1 數(shù)字水印原理

一個(gè)完整的數(shù)字水印系統(tǒng)應(yīng)包含水印生成、嵌入和提取或檢測(cè)3個(gè)基本部分。水印嵌入算法利用對(duì)稱密鑰或公開(kāi)密鑰把水印嵌入到原始作品載體中，得到含水印的作品載體，即使用觀察到的作品。水印檢測(cè)／提取算法利用相應(yīng)的密鑰從含水印的作品載體中檢測(cè)或恢復(fù)出水印，只有檢測(cè)者才可利用水印檢測(cè)，提取算法和密鑰從用戶觀察到的產(chǎn)品中檢測(cè)或提取出水印。由于水印是透明的，因此嵌入水印的作品不易引起攻擊者的注意。圖1為水印的嵌入和檢測(cè)／提取過(guò)程框圖。

2．2 視頻數(shù)字水印的特征

把嵌入到視頻載體中的數(shù)字水印稱為視頻數(shù)字水印。由于視頻是由一序列數(shù)字圖像組成，因此視頻數(shù)字水印和數(shù)字圖像水印具有相同特點(diǎn)，例如保真性、魯棒性、無(wú)歧義性、安全性、可靠性等。除此之外，視頻數(shù)字水印還具有實(shí)時(shí)性、盲水印、隨機(jī)檢測(cè)性、水印容量、與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合、視頻速率的恒定性和低虛警率等特點(diǎn)。

3 視頻數(shù)字水印的主要算法分析

在視頻中嵌入水印一般應(yīng)遵循MPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)。下面主要根據(jù)視頻水印嵌入的位置對(duì)其主要算法進(jìn)行分析討論。

3．1 嵌入DCT系數(shù)

在DCT系數(shù)中嵌入水印，先把水印信號(hào)處理為隨機(jī)序列，再進(jìn)行8×8的DCT。嵌入水印時(shí)，將水印的DCT系數(shù)疊加到MPEG-2碼流的DCT系數(shù)上。但該算法需考慮兩個(gè)問(wèn)題：

（1）由于MPEG-2的碼流是采用變長(zhǎng)編碼VLC（Variable LengthCoding）編碼，系數(shù)在添加水印前后的編碼長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，因此，如果要求不增加視頻碼流的長(zhǎng)度，在出現(xiàn)添加水印后DCT系數(shù)的編碼比特?cái)?shù)增加的情況時(shí)，則仍保留原來(lái)的系數(shù)；（2）在MPEG-2編碼方式中，幀間編碼幀是從其他幀預(yù)測(cè)得到，用一個(gè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償向量從其他幀重建當(dāng)前幀，P幀本身也可能作為其他幀的預(yù)測(cè)參考，一個(gè)幀內(nèi)的微小變化，會(huì)在時(shí)間、空間上傳播開(kāi)來(lái)。因此，在水印信號(hào)之外，需要添加一個(gè)偏移補(bǔ)償信號(hào)補(bǔ)償前一幀的水印信號(hào)。

3．2 嵌入運(yùn)動(dòng)向量

在運(yùn)動(dòng)向量中嵌入水印，是通過(guò)修改MPEG編碼視頻流的運(yùn)動(dòng)向量來(lái)嵌入信息。在MPEC-4壓縮域的運(yùn)動(dòng)矢量中嵌入水印，算法為：從MPEG-4視頻流得到運(yùn)動(dòng)矢量，計(jì)算其幅值，選擇幅值較大的宏塊作為水印的嵌入位置，并計(jì)算該宏塊運(yùn)動(dòng)矢量的相角θ，根據(jù)θ的值確定水印是嵌入在運(yùn)動(dòng)向量的水平分量還是垂直分量。若θ為銳角，則在水平分量嵌入水印；若θ為鈍角，則在垂直分量嵌入水??；若θ為45°，則在水平和垂直分量都嵌入水印。假設(shè)在垂直分量V中嵌入水印，設(shè)b={0，1}為待嵌入的比特值，水印的嵌入規(guī)則為：

式中，T=2×，δ=（2n+1）／q，n為整數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于空間向量，n=1；否則n=0。q指定運(yùn)動(dòng)向量修改的范圍，一般取值為1或2。提取規(guī)則為b=（Vxq+T）mod2。

該算法對(duì)壓縮魯棒性較好，對(duì)幀的比特率影響也非常小。該算法只需對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷和加減運(yùn)算，因此計(jì)算復(fù)雜度很小。

3．3 嵌入臉部運(yùn)動(dòng)參數(shù)FAP

臉部運(yùn)動(dòng)參數(shù)FAP（Faeial Animation Parameter）中嵌入水印算法，基本思想是在MPEG-4中定義一般的臉部。并能夠通過(guò)FAP運(yùn)動(dòng)起來(lái)。FAP共有66個(gè)，包括整個(gè)頭部的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和局部臉部運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在MPEG-4的編碼過(guò)程中從視頻序列中確定FAP，可以將其看成是隨時(shí)間變化的kmax維向量，其中kmax是所傳輸?shù)腇AP的數(shù)目（kmax≤66），t是視頻幀的整數(shù)時(shí)間索引值，F(xiàn)APk（t）是在時(shí)間t第后個(gè)FAP（k∈{1…kmax}）。水印的嵌入是將1比特的水印信息散布到多于一個(gè)FAP中，如MxN的FAP塊中。為加強(qiáng)水印的安全性和魯棒性，對(duì)于嵌入的比特信息，需先擴(kuò)展、調(diào)制，再低通過(guò)濾和振幅調(diào)制，最后嵌入到所選的FAP塊中。水印的檢測(cè)，從含水印的FAP中減去原始的FAP，接著用與水印嵌入相同的隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，然后判斷是否大于給定的閾值。當(dāng)大于時(shí)，水印存在；否則，水印不存在。將該算法與人類視覺(jué)系統(tǒng)的特性相結(jié)合可達(dá)到較好效果。

4 視頻數(shù)字水印在電視領(lǐng)域的應(yīng)用

目前視頻數(shù)字水印在電視領(lǐng)域的應(yīng)用還不多見(jiàn)。但隨著電視數(shù)字化的進(jìn)一步深入，這一新技術(shù)的應(yīng)用前景將十分樂(lè)觀．原因是數(shù)字水印技術(shù)可以應(yīng)用于數(shù)字電視平臺(tái)的諸多方面。

4．1 版權(quán)保護(hù)

電視節(jié)目的版權(quán)所有者可用密鑰產(chǎn)生一個(gè)用于表明所有權(quán)的水印信息，并將之嵌入到電視節(jié)目的視頻數(shù)據(jù)中，當(dāng)該節(jié)目被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，版權(quán)所有者可通過(guò)提取或檢測(cè)水印來(lái)維護(hù)自己的權(quán)益。標(biāo)志版權(quán)所有者的水印信息可以在拍攝時(shí)就捆綁在節(jié)目素材中，使水印信息一直伴隨節(jié)目素材存在于整個(gè)生命周期。這可由設(shè)備廠商在攝像機(jī)、ENG等設(shè)備中加入相應(yīng)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可在電視節(jié)目對(duì)外發(fā)布時(shí)。加入水印信息。嵌入到數(shù)字視頻中的水印，只有當(dāng)視頻數(shù)據(jù)被嚴(yán)重破壞時(shí)，它才有可能被抹去，即使視頻質(zhì)量降低，只要水印有效，就可識(shí)別。應(yīng)用于數(shù)字電視的水印應(yīng)在不影響節(jié)目畫(huà)質(zhì)和音質(zhì)的前提下采用，其產(chǎn)生的變化人的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)很難發(fā)現(xiàn)，因此視頻水印一定是不可見(jiàn)的，強(qiáng)魯棒的，只有通過(guò)專用的工具才能提取，并且要求可以實(shí)時(shí)操作。除此之外，嵌入水印的算法應(yīng)是不可逆的，如果是可逆的話，依然存在多個(gè)所有權(quán)的問(wèn)題，因?yàn)榭赡娴那度胨?，使得惡意攻擊者可偽造出一個(gè)原始數(shù)據(jù)。

4．2 內(nèi)容認(rèn)證

將數(shù)字水印用于視頻的內(nèi)容認(rèn)證，是為了驗(yàn)證視頻內(nèi)容的完整性。視頻與音頻除了要驗(yàn)證畫(huà)面外，還要驗(yàn)證時(shí)序關(guān)系和連續(xù)性。對(duì)于視頻的時(shí)間特性，可以是每一幀里嵌入該幀在視頻中的幀號(hào)。這樣，如果不考慮單幀畫(huà)面內(nèi)容的攻擊，可以很容易檢測(cè)到其他視頻內(nèi)容的插入，視頻幀的刪除、交換，幀頻的改變等操作。對(duì)于視頻的內(nèi)容特性，可以把該幀畫(huà)面對(duì)應(yīng)的邊緣信息，經(jīng)變換后作為水印嵌入到該畫(huà)面中。檢測(cè)時(shí)，如果內(nèi)容發(fā)生變化，則提取的邊緣信息和嵌入到該畫(huà)面的邊緣信息不匹配，由此可確定出畫(huà)面該部分內(nèi)容發(fā)生改變。視頻節(jié)目是由視頻流和音頻流組成，還可把視頻特征數(shù)據(jù)作為水印利用音頻水印技術(shù)嵌入到音頻流中，把音頻數(shù)據(jù)特征也作為水印利用視頻水印技術(shù)嵌入到視頻流中，從而識(shí)別出節(jié)目的視頻或音頻的改變。

4．3 指紋跟蹤

為避免未經(jīng)授權(quán)的拷貝并且非法銷售，版權(quán)所有者或發(fā)行商將不同的用戶識(shí)別碼或序列號(hào)作為不同的水?。ㄖ讣y）嵌入到作品的合法拷貝中，并保存售出拷貝中對(duì)應(yīng)指紋與用戶身份的數(shù)據(jù)庫(kù)，那么非法拷貝一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，版權(quán)所有者或發(fā)行商就可通過(guò)提取其中指紋來(lái)追蹤出該作品的非法分發(fā)者。對(duì)于實(shí)時(shí)發(fā)送的視頻，如PPV和VOD，需要采取不同的水印方案。對(duì)于PPV（Pay-Per-View），可根據(jù)分發(fā)路徑制作不同的指紋水印，如每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都嵌入指紋（不同的水?。欢鴮?duì)于VOD，可根據(jù)不同的用戶，由服務(wù)器端制作指紋水印，如果VOD系統(tǒng)采用預(yù)先加密方式保存視頻流在服務(wù)器，用戶點(diǎn)播時(shí)，可能需要實(shí)時(shí)解密后，加入指紋水印，再加密。另外，為了防止用戶的翻拍，在播放時(shí)，可考慮從電視中提取一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)該電視的標(biāo)識(shí)碼作為指紋信息嵌入到視頻中。

4．4 拷貝控制

DVD的非法拷貝對(duì)影視業(yè)是致命的打擊。單獨(dú)使用數(shù)字水印技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)拷貝控制，因?yàn)閿?shù)字水印本身不能阻止非法拷貝，它只是數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)的一部分。要杜絕非法拷貝最終離不開(kāi)硬件支持。比如IBM等公司提出的“星際方案”，通過(guò)給DVD設(shè)置4種狀態(tài)來(lái)控制其播放、轉(zhuǎn)錄和拷貝。這4種狀態(tài)分別是“Copy Free”、“One Copy”、“No MoreCopy”、“Never Copy”，這些狀態(tài)通過(guò)嵌人視頻數(shù)據(jù)中的“Primary Mark”和“Copy Mark”來(lái)實(shí)現(xiàn)?？截惪刂频乃⌒枰度氲男畔⒘糠浅Ｐ?，但對(duì)魯棒性和安全性要求很高。

4．5 電視節(jié)目監(jiān)視

在電視臺(tái)做廣告的廠商，想監(jiān)視某個(gè)電視頻道是否按時(shí)播出了他們的廣告？電視劇、電影、MTV等內(nèi)容生產(chǎn)商想知道電視臺(tái)播出自己作品的時(shí)間和次數(shù)是否超過(guò)允許的次數(shù)限制，都可借助水印技術(shù)，準(zhǔn)確監(jiān)視。把標(biāo)識(shí)廠商或生產(chǎn)商的信息作為水印信號(hào)，將之嵌入到廣告或電視劇等數(shù)據(jù)中，廠商或生產(chǎn)商利用水印監(jiān)視功能系統(tǒng)（軟件或硬件）就可以準(zhǔn)確監(jiān)視作品播出的次數(shù)、時(shí)間等。

4．6 視頻音頻延時(shí)自動(dòng)校正

視頻音頻延時(shí)校正簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是“對(duì)口型”。在電視節(jié)目的制作過(guò)程中，視頻信號(hào)和音頻信號(hào)通常都是分開(kāi)處理的。這樣，由于處理和傳輸鏈路的不同，造成視頻信號(hào)和音頻信號(hào)之間定時(shí)關(guān)系的改變，出現(xiàn)聲圖不同步。利用數(shù)字水印技術(shù)可以很好解決上述問(wèn)題，從音頻信號(hào)中提取特征值把它作為水印嵌入到同步的數(shù)字視頻信號(hào)中，加有水印的數(shù)字視頻信號(hào)和音頻信號(hào)正常傳輸分配。在接收端先從數(shù)字視頻信號(hào)中檢測(cè)提取出數(shù)字水?。ㄒ纛l特征值），并與從接收到的音頻信號(hào)中提取的特征值相比較，從而找到相應(yīng)的同步點(diǎn)。計(jì)算兩者之間的延量時(shí)，以此控制音頻延時(shí)器，從而達(dá)到視頻音頻延時(shí)的自動(dòng)校正。

4．7 信號(hào)源傳輸安全檢測(cè)

為了確保廣播電視安全播出，防止各類故障事故及非法攻擊，在轉(zhuǎn)播外來(lái)信號(hào)前，需對(duì)外來(lái)信號(hào)源的技術(shù)質(zhì)量和節(jié)目?jī)?nèi)容進(jìn)行監(jiān)控。借助數(shù)字水印技術(shù)，可以在數(shù)字域?qū)π盘?hào)節(jié)目的合法性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。比如說(shuō)要監(jiān)測(cè)數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)是否被非法傳播，可在數(shù)字電視信號(hào)發(fā)送到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器之前，先用一密鑰嵌入水印。在接收到衛(wèi)星信號(hào)后，通過(guò)密鑰檢測(cè)接收到的信號(hào)中是否存在水印。數(shù)字衛(wèi)星新聞采集系統(tǒng)是借助同步通信衛(wèi)星．把在新聞現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)字視、音頻信號(hào)發(fā)射轉(zhuǎn)送回電視臺(tái)新聞演播室，若在此系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)字水印技術(shù)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)直播特別是多點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)直播，可有效達(dá)到視、音頻的延時(shí)校正和信號(hào)源監(jiān)控的雙重功能。

5 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)視頻特點(diǎn)，指出作為視頻的數(shù)字水印應(yīng)滿足的要求，對(duì)視頻數(shù)字水印算法進(jìn)行分析和探討。最后針對(duì)數(shù)字電視版權(quán)管理的具體問(wèn)題，提出利用數(shù)字水印技術(shù)巧妙解決問(wèn)題的方案。

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