一种新的适用于广播监视的安全视频水印算法

书书书第３２卷　第１１期２００９年１１月计　　算　　机　　学　　报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＭＰＵＴＥＲＳＶｏｌ．３２Ｎｏ．１１Ｎｏｖ．２００９　收稿日期：２００７１０２８；最终修改稿收到日期：２００９０６０１．本课题得到国家自然科学基金（６０５７２１４２）、河南省科技攻关项目（０６２４２２００５８）、河南省教育厅科技攻关项目（２００７５２００４５）、航空科学基金（２００９５１５５００８）、河南省科技厅基础与前沿技术研究计划项目（０９２３００４１００４３）、河南高等学校青年骨干教师资助计划资助．刘　丽，女，１９７８年生，博士研究生，讲师，主要研究方向为数字水印、多媒体信息安全等．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．彭代渊，男，１９５５年生，教授，博士生导师，主要研究领域为密码学、网络信息安全、编码理论等．一种新的适用于广播监视的安全视频水印算法刘　丽１），２）　　彭代渊２）１）（郑州航空工业管理学院计算机科学与应用系　郑州　４５００１５）２）（西南交通大学信息科学与技术学院　成都　６１００３１）摘　要　在广播监视应用中，需要对视频片段进行认证．使用三维离散小波变换和中值量化方法，提出一种新的利用密钥生成鲁棒视频散列的算法．提出的散列算法对于视频编辑以及有损压缩都具有很好的鲁棒性．并在此基础上提出一种适用于广播监视的安全视频水印方案．该方案利用生成的散列值和版权标识形成待嵌入的水印信息，以实现对视频片段的认证．理论分析和实验结果表明，提出的算法具有较高的安全性和鲁棒性．关键词　视频水印；视频散列；线性共谋；分集中图法分类号ＴＰ３９１　　　犇犗犐号：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０１６．２００９．０２２３９犃犖狅狏犲犾犛犲犮狌狉犲犞犻犱犲狅犠犪狋犲狉犿犪狉犽犻狀犵犳狅狉犅狉狅犪犱犮犪狊狋犕狅狀犻狋狅狉犻狀犵ＬＩＵＬｉ１），２）　ＰＥＮＧＤａｉＹｕａｎ２）１）（犆狅犿狆狌狋犲狉犛犮犻犲狀犮犲犃狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀，犣犺犲狀犵狕犺狅狌犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犃犲狉狅狀犪狌狋犻犮犪犾犐狀犱狌狊狋狉狔犕犪狀犪犵犲犿犲狀狋，犣犺犲狀犵狕犺狅狌　４５００１５）２）（犛犮犺狅狅犾狅犳犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀犛犮犻犲狀犮犲牔犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犛狅狌狋犺狑犲狊狋犑犻犪狅狋狅狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犆犺犲狀犵犱狌　６１００３１）犃犫狊狋狉犪犮狋　Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎｏｆａｖｉｄｅｏｃｌｉｐｖｉａｉｔｓｈａｓｈｆｉｎｄｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｂｒｏａｄｃａｓｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｆｏｒｂｒｏａｄｃａｓｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ａｎｏｖｅｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｃｏｍｐｕｔｉｎｇａｒｏｂｕｓｔｈａｓｈｆｒｏｍｖｉｄｅｏｃｌｉｐｓ，ｂｅｉｎｇｓｅｃｒｅｔｋｅｙｂａｓｅｄ，ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ３ＤＤｉｓｃｒｅｔｅＷａｖｅｌｅｔＴｒａｎｓｆｏｒｍ（３ＤＤＷＴ）ａｎｄｍｅｄｉａｎｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｈａｓｈａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｓｈｏｗｎｔｏｂｅｒｅｍａｒｋａｂｌｙｒｏｂｕｓｔａｇａｉｎｓｔｖｉｄｅｏｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｌｏｓｓｙｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｖｉｄｅｏｈａｓｈｉｎｇ，ａｓｅｃｕｒｅｖｉｄｅｏｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇｓｃｈｅｍｅｆｏｒｂｒｏａｄｃａｓｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｉｎｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｃｈｅｍｅ，ｔｈｅｓｈｏｒｔｈａｓｈａｎｄｃｏｐｙｒｉｇｈｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄｔｏｃｒｅａｔｅｔｈｅｅｍｂｅｄｄｉｎｇｗａｔｅｒｍａｒｋ．Ａｎｄｔｈｅｙａｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎｏｆｖｉｄｅｏｃｌｉｐｓ．Ｓｏｍｅａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｃｈｅｍｅｈａｓａｇｏｏｄｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊　ｖｉｄｅｏｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ；ｖｉｄｅｏｈａｓｈｉｎｇ；ｌｉｎｅａｒｃｏｌｌｕｓｉｏｎ；ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ１　引　言许多数字产品都要通过电视广播网进行广播，例如新闻、电影、广告等等．众所周知，广播时段是十分昂贵的．每一个广告客户都需要确认占有全部从广播公司购买的广告时间，作品版权所有者也要确保他们的所有物不会被侵权电台非法转播．对广播监视而言，数字水印显然是鉴别信息的可选方案．水印具有其本身存在于内容之中这一优点，优于广播信号中特定片段的使用，因此它与广播设备的安装基础（ＡＤ、ＤＡ变换）完全协调一致．利用数字水印的广播监视技术中，需要考虑３个实体：合法广告客户、攻击者（包括非法广告客户）、广播监视设备．合法广告客户在其广告被电视台播放之前，首先将自己的每个广告中都嵌入水印，然后用广播监视设备对他们已付费的电视台进行监视．而攻击者的目的是扰乱监视设备正常工作，使其鉴别出虚假信息．欧洲的ＥＳＰＲＩＴ项目ＶＩＶＡ（ＶｉｓｕａｌＩｄｅｎｔｉｔｙＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＡｕｄｉｔｏｒ）已经证明了把数字水印用在专业的电视广播监视系统中的可行性．著名的ＪＡＷＳ（ＪｕｓｔＡｎｏｔｈｅｒＷａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）［１］算法就是成功应用于商业广播监视系统中［２４］的一种视频水印算法．该算法虽然有鲁棒性好、复杂度低以及实时性高等优点，但是设计者在设计的过程中采用独立于宿主信号且服从正态分布的伪随机序列作为水印模板，仅考虑了水印的鲁棒性．在２００５年，Ｓｕ等人针对ＪＡＷＳ算法的不足，提出了一种能够抵抗线性共谋攻击的鲁棒视频水印算法（称为ＳＬＩＤＥ算法）［５］．该算法虽然可以防止攻击者通过线性共谋攻击估计或恶意去除水印，但是设计者仍然采用独立于宿主信号的伪随机序列作为水印模板．ＪＡＷＳ算法和ＳＬＩＤＥ算法在设计过程中都采用伪随机序列作为水印，仅考虑了水印的鲁棒性．但如果要把这些算法应用在广播监视技术中还应当考虑算法的安全性．例如，在电视广告中，如果攻击者想办法得到合法广告中嵌入的水印，再将水印拷贝到另外一段非法广告中，即拷贝攻击．非法广告客户为了不向电视台支付广告费用而将自己的广告播出，就会采用这种攻击方法．因此，在设计鲁棒视频水印方案时，不仅要考虑鲁棒性，而且还要考虑具体应用中水印系统对安全性的要求，从而提高系统的安全性．结合拷贝攻击，针对ＪＡＷＳ算法和ＳＬＩＤＥ算法在广播监视应用中的不足，本文提出一种适用于广播监视的安全视频水印方案．首先，提出一种新颖的鲁棒视频散列算法，然后采用视频的散列值作为水印的一部分，以达到认证的目的，从而提高水印系统的安全性．水印的嵌入和提取则利用通信分集技术来提高水印的鲁棒性．２　鲁棒视频散列算法文献［６］中给出了一种基于三维离散余弦变换（３ＤＤＣＴ）的视频散列算法，本文提出一种基于三维离散小波变换（３ＤＤＷＴ）的视频散列算法．因为小波变换不仅具有时间频率定位能力，具有局部时频特性的小波基更能捕捉视频图像的非平稳信息，可以获得更高的压缩比，而且它具有与人眼视觉特性相适应的特点，从而可在同样的平均码率下获得视觉质量更好的重建图像．也就是说，针对同一段视频，在要求得到的散列值位数相同的情况下，用小波变换计算的散列值比用余弦变换计算的散列值更能详细、准确地代表这一视频片段．提出的散列提取算法如下．（１）视频预处理在对视频序列进行散列计算之前，首先要把输入的视频序列预处理成标准的大小．预处理过程具体可分为两步：第１步，先对原始视频序列犞ｏｒｉｇｉｎａｌ（犠，犎，犉）在时间维上采用一维高斯低通滤波器进行滤波，然后对滤波后的一维信号进行下采样，使其变成犞（犠，犎，犳）．也就是说不同的视频帧中相同位置的像素犞（狓，狔，犻），犻＝１，２，…，犉都可以看成是一个一维信号，然后对这些一维信号分别进行滤波和子采样，使其变成犞（狓，狔，犼），犼＝１，２，…，犳；第２步，对每个视频帧分别进行二维高斯低通滤波，然后对滤波后的每个视频帧进行下采样．这样，原始的视频序列犞ｏｒｉｇｉｎａｌ（犠，犎，犉），就被预处理成标准的犞ｎｏｒｍａｌ（狑，犺，犳），其中犉是原始视频序列帧数，犳是经预处理后标准的帧数．（２）三维离散小波变换三维离散小波变换是可分离的二叉树结构变换，即给定一个三维的视频序列犞ｎｏｒｍａｌ（狑，犺，犳），先对它的帧内行方向进行一维小波变换，然后对帧内列方向进行一维小波变换，最后对时间维进行一维小波变换．这样就可以完成该视频序列的一层三维离散小波变换，记为犞１α，β，γ（狑，犺，犳），其中（α，β，γ）∈｛犔，犎｝，α，β和γ分别为待处理信号的行、列和时间维．那么多层三维离散小波变换犞犾α，β，γ（狑，犺，犳），犾＞１可以通过对上一层低频子带犞犾－１犔犔犔（狑，犺，犳）进行一层三维离散小波变换得到．（３）散列计算首先，对经过预处理后的信号犞ｎｏｒｍａｌ（狑，犺，犳）进行狀（狀１）层三维离散小波变换犞狀α，β，γ（狑，犺，犳）（其中狀的取值由散列值的位数决定）．然后，选取低频子带犞狀犔犔犔（狑，犺，犳）的变换系数进行散列值的计算．散列值的计算过程如下：１．按照一定的扫描顺序将犞狀犔犔犔（狑，犺，犳）扫描成一维序列犃（犻），犻＝１，２，…，犛，犛为选取的低频子带的变换系数的个数，然后根据密钥犽犲狔１、犽犲狔２、犽犲狔３对犃（犻）进行混沌置乱［７］得犃犆（犼），犼＝１，２，…，犛，其中犽犲狔１，犽犲狔２∈（－１．５，１．５），犽犲狔３∈（０，１）；２．对一维序列犃犆（犼）进行排序得序列犆（犽），犽＝１，２，…，犛，并求犆（犽）的中值犿；０４２２计　　算　　机　　学　　报２００９年３．计算视频片段犞ｏｒｉｇｉｎａｌ（犠，犎，犉）的散列值：犺犼＝１，犃犆（犼）犿０，犃犆（犼）＜｛犿，　犼＝１，２，…，犛（１）以上操作使得散列算法对视频的一系列微小的变化都具有很好的鲁棒性．而且，如果攻击者不知道犽犲狔１、犽犲狔２、犽犲狔３，他就不能准确地计算出视频片段的散列值，也就是说，提出的视频散列算法是安全的．３　适用于广播监视的视频水印算法在广播监视中应用水印技术，为了防止水印在经过各种处理后被去除，通常采用鲁棒水印技术．然而，仅仅在设计水印算法的时候考虑鲁棒性是不够的，因为有攻击者也在试图扰乱广播监视设备的正常工作（如伪造攻击），使其鉴别出虚假结果，这必将引发广播电视台与合法广告客户之间的重大纠纷．为了避免纠纷的发生，我们在设计适用于广播监视的视频水印算法的时候也要考虑到水印的安全性．为了提高整个系统的安全性，本文的水印不是简单的利用图片或者伪随机序列，而是利用视频散列值和版权信息共同构成水印，以达到广播监视应用中对视频片段进行认证的目的．３．１　广播监视应用中水印的生成提出的算法将水印嵌入在视频片段的犢分量中，为了使视频散列序列的提取在水印嵌入前后保持同步，采用ＹＵＶ格式的视频序列中的犝分量来提取视频片段的散列序列．原始视频片段的犝分量为犞（狓，狔，狕），它的一层三维离散小波分解为犞１α，β，γ（狓，狔，狕），并对其低频子带系数犞１犔犔犔（狓，狔，狕）求散列值．例如：视频序列ｆｏｒｅｍａｎ（１７６，１４４，２０），即２０帧的ｑｃｉｆ格式的ｆｏｒｅｍａｎ序列，其采样格式为４∶２∶０．首先，对它的犝分量进行一层小波分解得其低频子带犞１犔犔犔（４４，３６，１０），然后用犞１犔犔犔（４４，３６，１０）作为鲁棒视频散列的输入．在计算散列值之前，犞１犔犔犔（４４，３６，１０）先经过预处理，使其变成标准大小犞１犔犔犔（１６，１６，３２）．然后再对犞１犔犔犔（１６，１６，３２）进行两层三维离散小波变换，最后对变换后的低频系数进行散列值计算．这样ｆｏｒｅｍａｎ（１７６，１４４，２０）序列经过散列以后，得出的是１２８比特的信息，而且这１２８比特的信息中０和１的个数是相等的．然后，将计算出的散列序列和版权保护信息连接在一起，即散列序列作为前１２８位，版权保护信息作为后１２８位．其中版权保护信息只有合法广告客户独自拥有，如１２８位的伪随机序列．为了避免攻击