数字水印技术分析及其在电视领域的应用

1 引言
    通常采用密码术保护数字媒体的知识产权，但密码术对内容的保护仅限于通信或访问控制，一旦数据被解密或被用户访问。则不再具有保护能力，与此同时密文的随机性也暴露了信息的重要性，容易引起攻击者的注意。为解决这些隐患，这里提出新的产权保护手段一数字水印及其在电视领域的应用。

2 数字水印原理与视频数字水印特征
2．1 数字水印原理
    一个完整的数字水印系统应包含水印生成、嵌入和提取或检测3个基本部分。水印嵌入算法利用对称密钥或公开密钥把水印嵌入到原始作品载体中，得到含水印的作品载体，即使用观察到的作品。水印检测／提取算法利用相应的密钥从含水印的作品载体中检测或恢复出水印，只有检测者才可利用水印检测，提取算法和密钥从用户观察到的产品中检测或提取出水印。由于水印是透明的，因此嵌入水印的作品不易引起攻击者的注意。图1为水印的嵌入和检测／提取过程框图。

2．2 视频数字水印的特征
    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。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
    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。嵌入水印时，将水印的DCT系数叠加到MPEG-2码流的DCT系数上。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(Variable LengthCoding)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
    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MPEC-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V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：

   
式中，T=2×<运动估计搜索窗口>，δ=(2n+1)／q，n为整数，一般来说，对于空间向量，n=1；否则n=O。q指定运动向量修改的范围，一般取值为1或2。提取规则为b=(Vxq+T)mod2。
    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
    脸部运动参数FAP(Faeial Animation Parameter)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kmax维向量，其中kmax是所传输的FAP的数目(kmax≤66)，t是视频帧的整数时间索引值，FAPk(t)是在时间t第后个FAP(k∈{1…kmax})。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MxN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阈值。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
    目前视频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，这一新技术的应用前景将十分乐观．原因是数字水印技术可以应用于数字电视平台的诸多方面。
4．1 版权保护
    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。标志版权所有者的水印信息可以在拍摄时就捆绑在节目素材中，使水印信息一直伴随节目素材存在于整个生命周期。这可由设备厂商在摄像机、ENG等设备中加入相应功能来实现，也可在电视节目对外发布时。加入水印信息。嵌入到数字视频中的水印，只有当视频数据被严重破坏时，它才有可能被抹去，即使视频质量降低，只要水印有效，就可识别。应用于数字电视的水印应在不影响节目画质和音质的前提下采用，其产生的变化人的视觉和听觉很难发现，因此视频水印一定是不可见的，强鲁棒的，只有通过专用的工具才能提取，并且要求可以实时操作。除此之外，嵌入水印的算法应是不可逆的，如果是可逆的话，依然存在多个所有权的问题，因为可逆的嵌入水印，使得恶意攻击者可伪造出一个原始数据。
4．2 内容认证
    将数字水印用于视频的内容认证，是为了验证视频内容的完整性。视频与音频除了要验证画面外，还要验证时序关系和连续性。对于视频的时间特性，可以是每一帧里嵌入该帧在视频中的帧号。这样，如果不考虑单帧画面内容的攻击，可以很容易检测到其他视频内容的插入，视频帧的删除、交换，帧频的改变等操作。对于视频的内容特性，可以把该帧画面对应的边缘信息，经变换后作为水印嵌入到该画面中。检测时，如果内容发生变化，则提取的边缘信息和嵌入到该画面的边缘信息不匹配，由此可确定出画面该部分内容发生改变。视频节目是由视频流和音频流组成，还可把视频特征数据作为水印利用音频水印技术嵌入到音频流中，把音频数据特征也作为水印利用视频水印技术嵌入到视频流中，从而识别出节目的视频或音频的改变。
4．3 指纹跟踪
    为避免未经授权的拷贝并且非法销售，版权所有者或发行商将不同的用户识别码或序列号作为不同的水印(指纹)嵌入到作品的合法拷贝中，并保存售出拷贝中对应指纹与用户身份的数据库，那么非法拷贝一经发现，版权所有者或发行商就可通过提取其中指纹来追踪出该作品的非法分发者。对于实时发送的视频，如PPV和VOD，需要采取不同的水印方案。对于PPV(Pay-Per-View)，可根据分发路径制作不同的指纹水印，如每个中继节点都嵌入指纹(不同的水印)；而对于VOD，可根据不同的用户，由服务器端制作指纹水印，如果VOD系统采用预先加密方式保存视频流在服务器，用户点播时，可能需要实时解密后，加入指纹水印，再加密。另外，为了防止用户的翻拍，在播放时，可考虑从电视中提取一个唯一标识该电视的标识码作为指纹信息嵌入到视频中。
4．4 拷贝控制
    DVD的非法拷贝对影视业是致命的打击。单独使用数字水印技术不能实现拷贝控制，因为数字水印本身不能阻止非法拷贝，它只是数据保护系统的一部分。要杜绝非法拷贝最终离不开硬件支持。比如IBM等公司提出的“星际方案”，通过给DVD设置4种状态来控制其播放、转录和拷贝。这4种状态分别是“Copy Free”、“One Copy”、“No MoreCopy”、“Never Copy”，这些状态通过嵌人视频数据中的“Primary Mark”和“Copy Mark”来实现。拷贝控制的水印需要嵌入的信息量非常小，但对鲁棒性和安全性要求很高。
4．5 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。
4．6 视频音频延时自动校正
    视频音频延时校正简单来说就是“对口型”。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。计算两者之间的延量时，以此控制音频延时器，从而达到视频音频延时的自动校正。
4．7 信号源传输安全检测
    为了确保广播电视安全播出，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。借助数字水印技术，可以在数字域对信号节目的合法性进行监测。比如说要监测数字卫星信号是否被非法传播，可在数字电视信号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，通过密钥检测接收到的信号中是否存在水印。数字卫星新闻采集系统是借助同步通信卫星．把在新闻现场采集到的数字视、音频信号发射转送回电视台新闻演播室，若在此系统中应用数字水印技术，对于现场直播特别是多点现场直播，可有效达到视、音频的延时校正和信号源监控的双重功能。

5 结语
    依据视频特点，指出作为视频的数字水印应满足的要求，对视频数字水印算法进行分析和探讨。最后针对数字电视版权管理的具体问题，提出利用数字水印技术巧妙解决问题的方案。