數(shù)字水印技術分析及其在電視領域的應用

時間：2009-07-30 11:19:07

關鍵字：數(shù)字水印技術數(shù)字水印技術 BSP 指紋向量

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[導讀]1 引言通常采用密碼術保護數(shù)字媒體的知識產權，但密碼術對內容的保護僅限于通信或訪問控制，一旦數(shù)據(jù)被解密或被用戶訪問。則不再具有保護能力，與此同時密文的隨機性也暴露了信息的重要性，容易引起攻擊者的

1 引言
通常采用密碼術保護數(shù)字媒體的知識產權，但密碼術對內容的保護僅限于通信或訪問控制，一旦數(shù)據(jù)被解密或被用戶訪問。則不再具有保護能力，與此同時密文的隨機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，這里提出新的產權保護手段一數(shù)字水印及其在電視領域的應用。

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
一個完整的數(shù)字水印系統(tǒng)應包含水印生成、嵌入和提取或檢測3個基本部分。水印嵌入算法利用對稱密鑰或公開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／提取算法利用相應的密鑰從含水印的作品載體中檢測或恢復出水印，只有檢測者才可利用水印檢測，提取算法和密鑰從用戶觀察到的產品中檢測或提取出水印。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／提取過程框圖。

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，例如保真性、魯棒性、無歧義性、安全性、可靠性等。除此之外，視頻數(shù)字水印還具有實時性、盲水印、隨機檢測性、水印容量、與視頻編碼標準相結合、視頻速率的恒定性和低虛警率等特點。

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遵循MPEG編碼標準。下面主要根據(jù)視頻水印嵌入的位置對其主要算法進行分析討論。
3．1 嵌入DCT系數(shù)
    在DCT系數(shù)中嵌入水印，先把水印信號處理為隨機序列，再進行8×8的DCT。嵌入水印時，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問題：
    (1)由于MPEG-2的碼流是采用變長編碼VLC(Variable LengthCoding)編碼，系數(shù)在添加水印前后的編碼長度會發(fā)生變化，因此，如果要求不增加視頻碼流的長度，在出現(xiàn)添加水印后DCT系數(shù)的編碼比特數(shù)增加的情況時，則仍保留原來的系數(shù)；(2)在MPEG-2編碼方式中，幀間編碼幀是從其他幀預測得到，用一個運動補償向量從其他幀重建當前幀，P幀本身也可能作為其他幀的預測參考，一個幀內的微小變化，會在時間、空間上傳播開來。因此，在水印信號之外，需要添加一個偏移補償信號補償前一幀的水印信號。
3．2 嵌入運動向量
    在運動向量中嵌入水印，是通過修改MPEG編碼視頻流的運動向量來嵌入信息。在MPEC-4壓縮域的運動矢量中嵌入水印，算法為：從MPEG-4視頻流得到運動矢量，計算其幅值，選擇幅值較大的宏塊作為水印的嵌入位置，并計算該宏塊運動矢量的相角θ，根據(jù)θ的值確定水印是嵌入在運動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。假設在垂直分量V中嵌入水印，設b={0，1}為待嵌入的比特值，水印的嵌入規(guī)則為：

式中，T=2×<運動估計搜索窗口>，δ=(2n+1)／q，n為整數(shù)，一般來說，對于空間向量，n=1；否則n=O。q指定運動向量修改的范圍，一般取值為1或2。提取規(guī)則為b=(Vxq+T)mod2。
    該算法對壓縮魯棒性較好，對幀的比特率影響也非常小。該算法只需對運動矢量進行簡單的判斷和加減運算，因此計算復雜度很小。
3．3 嵌入臉部運動參數(shù)FAP
    臉部運動參數(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FAP運動起來。FAP共有66個，包括整個頭部的運動參數(shù)和局部臉部運動參數(shù)。在MPEG-4的編碼過程中從視頻序列中確定FAP，可以將其看成是隨時間變化的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)時間索引值，F(xiàn)APk(t)是在時間t第后個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FAP中，如MxN的FAP塊中。為加強水印的安全性和魯棒性，對于嵌入的比特信息，需先擴展、調制，再低通過濾和振幅調制，最后嵌入到所選的FAP塊中。水印的檢測，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序列進行相關運算，然后判斷是否大于給定的閾值。當大于時，水印存在；否則，水印不存在。將該算法與人類視覺系統(tǒng)的特性相結合可達到較好效果。

4 視頻數(shù)字水印在電視領域的應用
    目前視頻數(shù)字水印在電視領域的應用還不多見。但隨著電視數(shù)字化的進一步深入，這一新技術的應用前景將十分樂觀．原因是數(shù)字水印技術可以應用于數(shù)字電視平臺的諸多方面。
4．1 版權保護
    電視節(jié)目的版權所有者可用密鑰產生一個用于表明所有權的水印信息，并將之嵌入到電視節(jié)目的視頻數(shù)據(jù)中，當該節(jié)目被盜版或出現(xiàn)版權糾紛時，版權所有者可通過提取或檢測水印來維護自己的權益。標志版權所有者的水印信息可以在拍攝時就捆綁在節(jié)目素材中，使水印信息一直伴隨節(jié)目素材存在于整個生命周期。這可由設備廠商在攝像機、ENG等設備中加入相應功能來實現(xiàn)，也可在電視節(jié)目對外發(fā)布時。加入水印信息。嵌入到數(shù)字視頻中的水印，只有當視頻數(shù)據(jù)被嚴重破壞時，它才有可能被抹去，即使視頻質量降低，只要水印有效，就可識別。應用于數(shù)字電視的水印應在不影響節(jié)目畫質和音質的前提下采用，其產生的變化人的視覺和聽覺很難發(fā)現(xiàn)，因此視頻水印一定是不可見的，強魯棒的，只有通過專用的工具才能提取，并且要求可以實時操作。除此之外，嵌入水印的算法應是不可逆的，如果是可逆的話，依然存在多個所有權的問題，因為可逆的嵌入水印，使得惡意攻擊者可偽造出一個原始數(shù)據(jù)。
4．2 內容認證
    將數(shù)字水印用于視頻的內容認證，是為了驗證視頻內容的完整性。視頻與音頻除了要驗證畫面外，還要驗證時序關系和連續(xù)性。對于視頻的時間特性，可以是每一幀里嵌入該幀在視頻中的幀號。這樣，如果不考慮單幀畫面內容的攻擊，可以很容易檢測到其他視頻內容的插入，視頻幀的刪除、交換，幀頻的改變等操作。對于視頻的內容特性，可以把該幀畫面對應的邊緣信息，經變換后作為水印嵌入到該畫面中。檢測時，如果內容發(fā)生變化，則提取的邊緣信息和嵌入到該畫面的邊緣信息不匹配，由此可確定出畫面該部分內容發(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嵌入到視頻流中，從而識別出節(jié)目的視頻或音頻的改變。
4．3 指紋跟蹤
    為避免未經授權的拷貝并且非法銷售，版權所有者或發(fā)行商將不同的用戶識別碼或序列號作為不同的水印(指紋)嵌入到作品的合法拷貝中，并保存售出拷貝中對應指紋與用戶身份的數(shù)據(jù)庫，那么非法拷貝一經發(fā)現(xiàn)，版權所有者或發(fā)行商就可通過提取其中指紋來追蹤出該作品的非法分發(fā)者。對于實時發(fā)送的視頻，如PPV和VOD，需要采取不同的水印方案。對于PPV(Pay-Per-View)，可根據(jù)分發(fā)路徑制作不同的指紋水印，如每個中繼節(jié)點都嵌入指紋(不同的水印)；而對于VOD，可根據(jù)不同的用戶，由服務器端制作指紋水印，如果VOD系統(tǒng)采用預先加密方式保存視頻流在服務器，用戶點播時，可能需要實時解密后，加入指紋水印，再加密。另外，為了防止用戶的翻拍，在播放時，可考慮從電視中提取一個唯一標識該電視的標識碼作為指紋信息嵌入到視頻中。
4．4 拷貝控制
    DVD的非法拷貝對影視業(yè)是致命的打擊。單獨使用數(shù)字水印技術不能實現(xiàn)拷貝控制，因為數(shù)字水印本身不能阻止非法拷貝，它只是數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)的一部分。要杜絕非法拷貝最終離不開硬件支持。比如IBM等公司提出的“星際方案”，通過給DVD設置4種狀態(tài)來控制其播放、轉錄和拷貝。這4種狀態(tài)分別是“Copy Free”、“One Copy”、“No MoreCopy”、“Never Copy”，這些狀態(tài)通過嵌人視頻數(shù)據(jù)中的“Primary Mark”和“Copy Mark”來實現(xiàn)?？截惪刂频乃⌒枰度氲男畔⒘糠浅Ｐ?，但對魯棒性和安全性要求很高。
4．5 電視節(jié)目監(jiān)視
    在電視臺做廣告的廠商，想監(jiān)視某個電視頻道是否按時播出了他們的廣告?電視劇、電影、MTV等內容生產商想知道電視臺播出自己作品的時間和次數(shù)是否超過允許的次數(shù)限制，都可借助水印技術，準確監(jiān)視。把標識廠商或生產商的信息作為水印信號，將之嵌入到廣告或電視劇等數(shù)據(jù)中，廠商或生產商利用水印監(jiān)視功能系統(tǒng)(軟件或硬件)就可以準確監(jiān)視作品播出的次數(shù)、時間等。
4．6 視頻音頻延時自動校正
    視頻音頻延時校正簡單來說就是“對口型”。在電視節(jié)目的制作過程中，視頻信號和音頻信號通常都是分開處理的。這樣，由于處理和傳輸鏈路的不同，造成視頻信號和音頻信號之間定時關系的改變，出現(xiàn)聲圖不同步。利用數(shù)字水印技術可以很好解決上述問題，從音頻信號中提取特征值把它作為水印嵌入到同步的數(shù)字視頻信號中，加有水印的數(shù)字視頻信號和音頻信號正常傳輸分配。在接收端先從數(shù)字視頻信號中檢測提取出數(shù)字水印(音頻特征值)，并與從接收到的音頻信號中提取的特征值相比較，從而找到相應的同步點。計算兩者之間的延量時，以此控制音頻延時器，從而達到視頻音頻延時的自動校正。
4．7 信號源傳輸安全檢測
    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，在轉播外來信號前，需對外來信號源的技術質量和節(jié)目內容進行監(jiān)控。借助數(shù)字水印技術，可以在數(shù)字域對信號節(jié)目的合法性進行監(jiān)測。比如說要監(jiān)測數(shù)字衛(wèi)星信號是否被非法傳播，可在數(shù)字電視信號發(fā)送到衛(wèi)星轉發(fā)器之前，先用一密鑰嵌入水印。在接收到衛(wèi)星信號后，通過密鑰檢測接收到的信號中是否存在水印。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)場采集到的數(shù)字視、音頻信號發(fā)射轉送回電視臺新聞演播室，若在此系統(tǒng)中應用數(shù)字水印技術，對于現(xiàn)場直播特別是多點現(xiàn)場直播，可有效達到視、音頻的延時校正和信號源監(jiān)控的雙重功能。