數(shù)字水印技術(shù)在電視領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、#大學(xué)研究生堂下考試答卷2009-2010學(xué)年第1學(xué)期考試科目數(shù)字圖像與多維信號(hào)處理姓 名年 級(jí)2009級(jí)研究生專(zhuān) 業(yè) 信號(hào)與信息處理 2010年1月5日數(shù)字水印技術(shù)在電視領(lǐng)域中的應(yīng)用摘要：數(shù)字水印技術(shù)是多媒體版權(quán)保護(hù)的一種有效技術(shù)手段。介紹數(shù)字水印技術(shù)的基本概念、基本原理，闡述了視頻數(shù)字水印應(yīng)具有的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出數(shù)字水印在電視領(lǐng)域的應(yīng)用方案。該技術(shù)為電視版權(quán)管理的有效實(shí)施具有一定的借鑒作用。 關(guān)鍵詞：數(shù)字水印；視頻；算法；信息安全0 引言 隨著數(shù)字技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展與普及，許多傳統(tǒng)媒體內(nèi)容都向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，如網(wǎng)上電子圖書(shū)銷(xiāo)售、數(shù)字影院等數(shù)字媒體內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)上傳播和交易已達(dá)到了前所未有

2、的深度和廣度，特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展，數(shù)字產(chǎn)品的交換和傳輸成了一個(gè)很簡(jiǎn)單的過(guò)程。人們借助于計(jì)算機(jī)、掃描儀等電子設(shè)備很方便地實(shí)現(xiàn)信息傳遞，隨之而來(lái)的就是在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，使一些有目的的人很容易從互聯(lián)網(wǎng)中以電子的形式獲取、處理、篡改和共享多媒體信息資源。長(zhǎng)時(shí)間辛苦創(chuàng)作的結(jié)晶，可能在瞬間被別人毫無(wú)差別地大量復(fù)制，對(duì)創(chuàng)作者來(lái)說(shuō)這無(wú)疑是件頭疼的事情。因此在互聯(lián)網(wǎng)中如何進(jìn)行版權(quán)保護(hù)、信息安全、數(shù)據(jù)認(rèn)證，以及訪問(wèn)控制等成為迫切需要解決的問(wèn)題。以前傳統(tǒng)的是用密碼技術(shù)進(jìn)行加密，但多媒體數(shù)字產(chǎn)品本身就是數(shù)字信號(hào)，如果也對(duì)這些數(shù)據(jù)采用密碼加密，則其本身信號(hào)屬性就忽略了。在這種背景下數(shù)字水印技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了，并已成

3、為目前學(xué)術(shù)界的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。 1數(shù)字水印技術(shù)概念和基本特征 數(shù)字水?。―igital Watermark）技術(shù)是指用信號(hào)處理的方法通過(guò)一定算法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標(biāo)志性信息(比如數(shù)碼相片中添加拍攝者信息，在數(shù)字影碟中添加公司標(biāo)記等)，這些標(biāo)志性信息通常是不可見(jiàn)的，雖然通過(guò)專(zhuān)用的檢測(cè)器或閱讀器能夠提取，但是信息很難被破壞，隱蔽的標(biāo)志性信息用來(lái)識(shí)別文件、圖像或音樂(lè)制品的來(lái)源、版本、原作者、擁有者、發(fā)行人、合法使用人對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的擁有權(quán)等，從而達(dá)到真?zhèn)舞b別、版權(quán)保護(hù)等目的。數(shù)字水印一般具有以下幾個(gè)基本特征。隱蔽性：水印的存在必須以不破壞原數(shù)據(jù)及其使用價(jià)值，即水印嵌入導(dǎo)致宿主信號(hào)

4、質(zhì)量變化的程度，嵌入后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相比，應(yīng)感覺(jué)不到差別。一方面嵌入水印后在視聽(tīng)覺(jué)上與原始圖像應(yīng)沒(méi)有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象，這是大多數(shù)水印算法所需達(dá)到的要求；另一方面對(duì)大量用水印處理過(guò)的數(shù)字產(chǎn)品，即使用統(tǒng)計(jì)方法也不能提取水印或確定水印的存在。魯棒性：是指水印在媒體數(shù)據(jù)編輯、處理過(guò)程中的生存能力。或者說(shuō)，數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用本身并不能影響對(duì)原文件中信息的識(shí)別，原文件中信息是顯性的，而數(shù)字水印則是隱性的。媒體數(shù)據(jù)的各種操作會(huì)導(dǎo)致宿主信號(hào)信息損失，從而破壞水印完整性，像壓縮、濾波、加噪、剪切、縮放和旋轉(zhuǎn)等，也包括一些惡意的攻擊。除非對(duì)數(shù)字水印具有足夠的先驗(yàn)知識(shí)，任何破環(huán)和消除水印的企圖都將嚴(yán)重破壞多媒體信息

5、的質(zhì)量。 信息容量：是指在一定保真度下，水印信號(hào)可傳遞的信息量。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中要求水印應(yīng)傳送多位信息。 安全性：限制非法用戶(hù)對(duì)嵌入的水印讀取、刪除。在應(yīng)用中總有人要嵌入、檢測(cè)或剔除水印，而必須限制其他人做同樣的操作。 篡改提示：當(dāng)多媒體內(nèi)容發(fā)生改變時(shí)，通過(guò)水印提取算法，能夠敏感地檢測(cè)到原始數(shù)據(jù)是否被篡改。 不可檢測(cè)性和盲測(cè)性：看似相對(duì)立的兩個(gè)屬性卻一點(diǎn)也不矛盾，不可檢測(cè)性指的是隱蔽載體與原始載體具有一致的特性，比如說(shuō)一致的統(tǒng)計(jì)噪聲分布等，即使被非法攔截者攔截也無(wú)法判斷是否有隱藏信息，而盲測(cè)性指檢測(cè)時(shí)不需要原圖或任何其他信息。 2 數(shù)字水印技術(shù)通用模型與基本原理 數(shù)字水印技術(shù)利用人類(lèi)感覺(jué)器官的

6、不敏感，以及數(shù)字信號(hào)本身存在的感覺(jué)冗余，通過(guò)一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌入到多媒體內(nèi)容當(dāng)中，不影響原內(nèi)容的價(jià)值和使用，并且不能被人的知覺(jué)系統(tǒng)覺(jué)察或注意到。數(shù)字水印技術(shù)與加密技術(shù)不同，它不能阻止盜版活動(dòng)的發(fā)生，但可以判別對(duì)象是否受到保護(hù)，監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播、鑒別真?zhèn)?、非法拷貝、解決版權(quán)糾紛并為法庭提供證據(jù)，以法律的手段對(duì)其進(jìn)行制裁，間接打擊盜版者，起到保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的作用。為了給攻擊者增加去除水印時(shí)不可預(yù)測(cè)的難度，目前大多數(shù)水印制作時(shí)都采用密碼學(xué)中的加密（包括公開(kāi)密鑰、私有密鑰）體系來(lái)加強(qiáng)，在水印的嵌入、提取時(shí)采用一種密鑰，甚至幾種密鑰聯(lián)合使用，除非掌握密鑰才能讀出水印來(lái)。數(shù)字水印技術(shù)包括嵌

7、入、檢測(cè)和提取幾個(gè)過(guò)程1。 2.1 水印的嵌入過(guò)程 如圖1所示是一個(gè)嵌入的通用模型，其功能是完成將水印信號(hào)加入到原始數(shù)據(jù)中。在這個(gè)過(guò)程中要解決好兩個(gè)問(wèn)題：一是數(shù)字水印的生成，可能是一串偽隨機(jī)數(shù)，也可能是字符串、圖標(biāo)等信息經(jīng)過(guò)加密后產(chǎn)生；二是解決好算法，嵌入水印后使其在不可見(jiàn)性和魯棒性之間找到一個(gè)很好的結(jié)合點(diǎn)。 圖1 數(shù)字水印信號(hào)嵌入框圖2.2 水印的檢測(cè)過(guò)程如圖2所示是一個(gè)檢測(cè)的通用模型，用以判斷某一數(shù)據(jù)中是否含有指定的水印信號(hào)。在檢測(cè)階段設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)于嵌入過(guò)程的檢測(cè)算法，檢測(cè)的目的是使錯(cuò)判或漏判的可能性盡量小。圖2 數(shù)字水印信號(hào)檢測(cè)框圖2.3 水印的提取過(guò)程如圖3所示是一個(gè)提取的通用模型。利

8、用密鑰從多媒體信息中提出水印，并驗(yàn)證水印的真?zhèn)?。圖3數(shù)字水印信號(hào)提取框圖2.4 視頻數(shù)宇水印的特征把嵌入到視頻載體中的數(shù)字水印稱(chēng)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2。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)6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，

9、再進(jìn)行8*8的DCT變換。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3。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 Length Coding)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)

10、補(bǔ)償前一幀的水印信號(hào)。3.2嵌入運(yùn)動(dòng)向量3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MPEG-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，根據(jù)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。若為銳角，則在水平分量嵌入水印；若為鈍角，則在垂直分量嵌 入水印；若為45，則在水平和垂直分量都嵌入水印。假設(shè)在垂直分量y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 x ，= ( 2 n +1 )/q，n為整數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于空間向量

11、，n = l；否則n = 0。q指定運(yùn)動(dòng)向量修改的范圍，一般取值為 l或2。提取規(guī)則為。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)FAP6臉部運(yùn)動(dòng)參數(shù)FAP(Facial 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)間變化的維向量，其中是所傳輸?shù)腇AP的數(shù)目()，t是視頻幀的整數(shù)時(shí)間索引值

12、，F(xiàn)APk(t )是在時(shí)間t第k個(gè)FAP(。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閉值。當(dāng)大于時(shí)，水印存在;否則，水印不存在。將該算法與人類(lèi)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)用雖然就目前來(lái)說(shuō)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，各省、市數(shù)字電視平臺(tái)的構(gòu)建。隨著電視領(lǐng)域事業(yè)的發(fā)展，相信

13、這一新技術(shù)的應(yīng)用前景將是十分樂(lè)觀的，理由在于數(shù)字水印技術(shù)可以在數(shù)字電視平臺(tái)中以下這些方面得到應(yīng)用6。4.1版權(quán)保護(hù)電視節(jié)目的版權(quán)保護(hù)也是一個(gè)頗受關(guān)注的問(wèn)題。在數(shù)字電視節(jié)目信號(hào)中嵌入數(shù)字水印。可以對(duì)節(jié)目進(jìn)行版權(quán)標(biāo)記。當(dāng)有侵權(quán)情況如非法復(fù)制、非法傳播等出現(xiàn)時(shí)。從節(jié)目信號(hào)中提取的水印可作為版權(quán)證明成為向法庭起訴的依據(jù)。在近年來(lái)不斷普及發(fā)展的媒體資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，使用數(shù)字水印，可在節(jié)目資源共享的同時(shí)對(duì)節(jié)目版權(quán)進(jìn)行標(biāo)記保護(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。4.2

14、信號(hào)源傳輸安全監(jiān)測(cè)為了確保廣播電視的安全播出防止各類(lèi)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。借助技術(shù)檢測(cè)手段。可以減輕監(jiān)控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。還可以在一定程度上提高監(jiān)控質(zhì)量?，F(xiàn)有的監(jiān)控技術(shù)就視頻方面來(lái)說(shuō)，大多是基于模擬視頻信號(hào)波形的技術(shù)質(zhì)量監(jiān)控。該類(lèi)方法是通過(guò)檢測(cè)視頻信號(hào)的有或無(wú)、信號(hào)電平的高或低、一定時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的變化等來(lái)判斷是否出現(xiàn)視頻信號(hào)丟失、黑場(chǎng)或靜幀等情況，借助數(shù)字水印技術(shù)可以在數(shù)字域?qū)π盘?hào)節(jié)目?jī)?nèi)容的合法性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。比如說(shuō)要監(jiān)測(cè)數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)是否被非法插播?？刹扇∫韵碌姆铰詳?shù)字電視信號(hào)在發(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.

15、用同一密鑰檢測(cè)接收到的信號(hào)中是否存在水印若檢測(cè)不到水印，則可判斷為非法信號(hào)，采取相應(yīng)的處理措施。4.3 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。4.4 視頻音頻延時(shí)自動(dòng)校正在電視節(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)

16、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)字水印(音頻特征值)，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。5 總結(jié) 數(shù)字水印技術(shù)與信息安全、信息隱藏、數(shù)據(jù)加密等均有密切聯(lián)系。與數(shù)據(jù)隱藏不同的是它有魯棒性 ，這是數(shù)字水印技術(shù)非常重要的特性。針對(duì)不同的應(yīng)用將產(chǎn)生不同的設(shè)計(jì)目的和水印算法。通過(guò)介紹數(shù)字水印技術(shù)在電視領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，將對(duì)數(shù)字水印技術(shù)有更深的認(rèn)識(shí)，作為多媒體信息中的新技術(shù)，用途越來(lái)越廣，尤其在防偽版權(quán)保護(hù)方面具有廣闊前景。參考文獻(xiàn)1劉振華，尹萍信息隱藏技術(shù)及其應(yīng)用M北京：科學(xué)出版社，20022張江，趙黎視頻水印技術(shù)綜述田J計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，25(4 )：851-8523 Hartung F，Girod BDigital watermarking of