数字水印技术在电视领域中的应用

####大学研究生堂下考试答卷2009-2010学年第1学期考试科目数字图像与多维信号处理姓名年级2009级研究生专业信号与信息处理2010年1月5日数字水印技术在电视领域中的应用摘要：数字水印技术是多媒体版权保护的一种有效技术手段。介绍数字水印技术的基本概念、基本原理，阐述了视频数字水印应具有的特点。在此基础上，提出数字水印在电视领域的应用方案。该技术为电视版权管理的有效实施具有一定的借鉴作用。关键词：数字水印；视频；算法；信息安全0引言随着数字技术和互联网的迅速发展与普及，许多传统媒体内容都向数字化转变，如网上电子图书销售、数字影院等数字媒体内容在网络上传播和交易已达到了前所未有的深度和广度，特别是计算机网络通信技术发展，数字产品的交换和传输成了一个很简单的过程。人们借助于计算机、扫描仪等电子设备很方便地实现信息传递，随之而来的就是在网络传输中，使一些有目的的人很容易从互联网中以电子的形式获取、处理、篡改和共享多媒体信息资源。长时间辛苦创作的结晶，可能在瞬间被别人毫无差别地大量复制，对创作者来说这无疑是件头疼的事情。因此在互联网中如何进行版权保护、信息安全、数据认证，以及访问控制等成为迫切需要解决的问题。以前传统的是用密码技术进行加密，但多媒体数字产品本身就是数字信号，如果也对这些数据采用密码加密，则其本身信号属性就忽略了。在这种背景下数字水印技术就应运而生了，并已成为目前学术界的一个前沿研究领域的新热点。1数字水印技术概念和基本特征数字水印（DigitalWatermark）技术是指用信号处理的方法通过一定算法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标志性信息(比如数码相片中添加拍摄者信息，在数字影碟中添加公司标记等)，这些标志性信息通常是不可见的，虽然通过专用的检测器或阅读器能够提取，但是信息很难被破坏，隐蔽的标志性信息用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权等，从而达到真伪鉴别、版权保护等目的。数字水印一般具有以下几个基本特征。隐蔽性：水印的存在必须以不破坏原数据及其使用价值，即水印嵌入导致宿主信号质量变化的程度，嵌入后的数据与原始数据相比，应感觉不到差别。一方面嵌入水印后在视听觉上与原始图像应没有明显的降质现象，这是大多数水印算法所需达到的要求；另一方面对大量用水印处理过的数字产品，即使用统计方法也不能提取水印或确定水印的存在。鲁棒性：是指水印在媒体数据编辑、处理过程中的生存能力。或者说，数字水印技术的应用本身并不能影响对原文件中信息的识别，原文件中信息是显性的，而数字水印则是隐性的。媒体数据的各种操作会导致宿主信号信息损失，从而破坏水印完整性，像压缩、滤波、加噪、剪切、缩放和旋转等，也包括一些恶意的攻击。除非对数字水印具有足够的先验知识，任何破环和消除水印的企图都将严重破坏多媒体信息的质量。信息容量：是指在一定保真度下，水印信号可传递的信息量。在实际应用过程中要求水印应传送多位信息。安全性：限制非法用户对嵌入的水印读取、删除。在应用中总有人要嵌入、检测或剔除水印，而必须限制其他人做同样的操作。篡改提示：当多媒体内容发生改变时，通过水印提取算法，能够敏感地检测到原始数据是否被篡改。不可检测性和盲测性：看似相对立的两个属性却一点也不矛盾，不可检测性指的是隐蔽载体与原始载体具有一致的特性，比如说一致的统计噪声分布等，即使被非法拦截者拦截也无法判断是否有隐藏信息，而盲测性指检测时不需要原图或任何其他信息。2数字水印技术通用模型与基本原理数字水印技术利用人类感觉器官的不敏感，以及数字信号本身存在的感觉冗余，通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察或注意到。数字水印技术与加密技术不同，它不能阻止盗版活动的发生，但可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、鉴别真伪、非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据，以法律的手段对其进行制裁，间接打击盗版者，起到保护知识产权的作用。为了给攻击者增加去除水印时不可预测的难度，目前大多数水印制作时都采用密码学中的加密（包括公开密钥、私有密钥）体系来加强，在水印的嵌入、提取时采用一种密钥，甚至几种密钥联合使用，除非掌握密钥才能读出水印来。数字水印技术包括嵌入、检测和提取几个过程[1]。2.1水印的嵌入过程如图1所示是一个嵌入的通用模型，其功能是完成将水印信号加入到原始数据中。在这个过程中要解决好两个问题：一是数字水印的生成，可能是一串伪随机数，也可能是字符串、图标等信息经过加密后产生；二是解决好算法，嵌入水印后使其在不可见性和鲁棒性之间找到一个很好的结合点。水印多媒体原始信息（图像、视频、音频）公开/私有密钥嵌入算法含水印的多媒体信息图1数字水印信号嵌入框图2.2水印的检测过程如图2所示是一个检测的通用模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号。在检测阶段设计一个相应于嵌入过程的检测算法，检测的目的是使错判或漏判的可能性尽量小。水印或原始信息测试多媒体信息公开/私有密钥检测算法水印提取结果判断图2数字水印信号检测框图2.3水印的提取过程如图3所示是一个提取的通用模型。利用密钥从多媒体信息中提出水印，并验证水印的真伪。水印或原始信息水印信息公开/私有密钥提取算法水印或存在性图3数字水印信号提取框图2.4视频数宇水印的特征把嵌入到视频载体中的数字水印称为视频数字水印。由于视频是由一序列数字图像组成，因此视频数字水印和数字图像水印具有相同特点，例如保真性、鲁棒性、无歧义性、安全性、可靠性等[2]。除此之外，视频数字水印还具有实时性、盲水印、随机检测性、水印容量、与视频编码标准相结合、视频速率的恒定性和低虚警率等特点。3视频数字水印的主要算法分析在视频中嵌入水印一般应遵循MPEG编码标准。下面主要根据视频水印嵌入的位置对其主要算法进行分析讨论。3.1嵌入DCT系数[6]在DCT系数中嵌入水印，先把水印信号处理为随机序列，再进行8*8的DCT变换。嵌入水印时，将水印的DCT系数叠加到MPEG-2码流的DCT系数上[3]。但该算法需考虑两个问题：（1）由于MPEG-2的码流是采用变长编码VLC(VariableLengthCoding)编码。系数在添加水印前后的编码长度会发生变化。因此，如果要求不增加视频码流的长度，在出现添加水印后DCT系数的编码比特数增加的情况时，则仍保留原来的系数；（2）在MPEG-2编码方式中，帧间编码帧是从其他帧预测得到，用一个运动补偿向量从其他帧重建当前帧，P帧本身也可能作为其他帧的预测参考，一个帧内的微小变化，会在时间、空间上传播开来。因此，在水印信号之外，需要添加一个偏移补偿信号补偿前一帧的水印信号。3.2嵌入运动向量[3]在运动向量中嵌入水印是通过修改MPEG编码视频流的运动向量来嵌入信息。在MPEG-4压缩域的运动矢量中嵌入水印，算法为：从MPEG-4视频流得到运动矢量，计算其幅值，选择幅值较大的宏块作为水印的嵌入位置，并计算该宏块运动矢量的相角θ，根据θ的值确定水印是嵌入在运动向量的水平分量还是垂直分量。若θ为锐角，则在水平分量嵌入水印；若θ为钝角，则在垂直分量嵌入水印；若θ为45°，则在水平和垂直分量都嵌入水印。假设在垂直分量y中嵌入水印，设b=[0,1]为待嵌入的比特值，水印的嵌入规则为：bTqVVbTqVVV)2mod)((,)2mod)((,'式中，T=2x运动估计搜索窗口，=(2n+1)/q，n为整数，一般来说，对于空间向量，n=l；否则n=0。q指定运动向量修改的范围，一般取值为l或2。提取规则为bTqV)2mod)(。该算法对压缩鲁棒性较好，对帧的比特率影响也非常小。该算法只需对运动矢量进行简单的判断和加减运算，因此计算复杂度很小。3.3嵌入脸部运动参数FAP[6]脸部运动参数FAP(FacialAnimationParameter)中嵌入水印算法，基本思想是在MPEG-4中定义一般的脸部，并能够通过FAP运动起来。FAP共有66个，包括整个头部的运动参数和局部脸部运动参数。在MPEG-4的编码过程中从视频序列中确定FAP，可以将其看成是随时间变化的maxk维向量，其中maxk是所传输的FAP的数目(66maxk)，t是视频帧的整数时间索引值，FAPk(t)是在时间t第k个FAP(})1{maxkk。水印的嵌入是将1比特的水印信息散布到多于一个FAP中，如NM的FAP块中。为加强水印的安全性和鲁棒性，对于嵌入的比特信息，需先扩展、调制，再低通过滤和振幅调制，最后嵌入到所选的FAP块中。水印的检测，从含水印的FAP中减去原始的FAP，接着用与水印嵌入相同的随机序列进行相关运算，然后判断是否大于给定的闭值。当大于时，水印存在;否则，水印不存在。将该算法与人类视觉系统的特性相结合可达到较好效果。4视频数字水印在电视领域的应用虽然就目前来说数字水印在电视领域的应用还不多见。但随着电视数字化的进一步深入，各省、市数字电视平台的构建。随着电视领域事业的发展，相信这一新技术的应用前景将是十分乐观的，理由在于数字水印技术可以在数字电视平台中以下这些方面得到应用[6]。4.1版权保护电视节目的版权保护也是一个颇受关注的问题。在数字电视节目信号中嵌入数字水印。可以对节目进行版权标记。当有侵权情况如非法复制、非法传播等出现时。从节目信号中提取的水印可作为版权证明成为向法庭起诉的依据。在近年来不断普及发展的媒体资产管理系统中，使用数字水印，可在节目资源共享的同时对节目版权进行标记保护。电视节目的版权所有者可用密钥产生一个用于表明所有权的水印信息，并将之嵌入到电视节目的视频数据中，当该节目被盗版或出现版权纠纷时，版权所有者可通过提取或检测水印来维护自己的权益。4.2信号源传输安全监测为了确保广播电视的安全播出防止各类故障事故及非法攻击。在转播外来信号前需对外来信号源的技术质量和节目内容进行监控。借助技术检测手段。可以减轻监控人员的劳动强度。还可以在一定程度上提高监控质量。现有的监控技术就视频方面来说，大多是基于模拟视频信号波形的技术质量监控。该类方法是通过检测视频信号的有或无、信号电平的高或低、一定时间内信号电平的变化等来判断是否出现视频信号丢失、黑场或静帧等情况，借助数字水印技术可以在数字域对信号节目内容的合法性进行监测。比如说要监测数字卫星信号是否被非法插播。可采取以下的方略数字电视信号在发送到卫星转发器之前。先用一密钥嵌入水印。在接收到卫星信号后.用同一密钥检测接收到的信号中是否存在水印若检测不到水印，则可判断为非法信号，采取相应的处理措施。4.3电视节目监视在电视台做广告的厂商，想监视某个电视频道是否按时播出了他们的广告、电视剧、电影、MTV等内容生产商想知道电视台播出自己作品的时间和次数是否超过允许的次数限制，都可借助水印技术，准确监视。把标识厂商或生产商的信息作为水印信号，将之嵌入到广告或电视剧等数据中，厂商或生产商利用水印监视功能系统(软件或硬件)就可以准确监视作品播出的次数、时间等。4.4视频音频延时自动校正在电视节目的制作过程中，视频信号和音频信号通常都是分开处理的。这样，由于处理和传输链路的不同，造成视频信号和音频信号之间定时关系的改变，出现声图不同步。利用数字水印技术可以很好解决上述问题，从音频信号中提取特征值把它作为水印嵌入到同步的数字视频信号中，加有水印的数字视频信号和音频信号正常传输分配。在接收端先从数字视频信号中检测提取出数字水印(音频特征值)，并与从接收到的音频信号中提取的特征值相比较，从而找到相应的同步点。计算两者之间的延时，以此控制音频延时器，从而达到视频音频延时的自动校正。5总结数字水印技术与信息安全、信息隐藏、数据加密等均有密切联系。与数据隐藏不同的是它有鲁棒性，这是数字水印技术非常重要的特性。针对不同的应用将产生不同的设计目的和水印算法。通过介绍数字水印技术在电视领域中的具体应用，将对数字水印技术有更深的认识，作为多媒体信息中的新技术，用途越来越广，尤其在防