數字水印技術(shù)分析及其在電視領(lǐng)域的應用

1 引言
通常采用密碼術(shù)保護數字媒體的知識產(chǎn)權，但密碼術(shù)對內容的保護僅限于通信或訪(fǎng)問(wèn)控制，一旦數據被解密或被用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)。則不再具有保護能力，與此同時(shí)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(chǎn)權保護手段一數字水印及其在電視領(lǐng)域的應用。

2 數字水印原理與視頻數字水印特征
2．1 數字水印原理
一個(gè)完整的數字水印系統應包含水印生成、嵌入和提取或檢測3個(gè)基本部分。水印嵌入算法利用對稱(chēng)密鑰或公開(kāi)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(guān)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(hù)觀(guān)察到的產(chǎn)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(guò)程框圖。

2．2 視頻數字水印的特征
把嵌入到視頻載體中的數字水印稱(chēng)為視頻數字水印。由于視頻是由一序列數字圖像組成，因此視頻數字水印和數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。除此之外，視頻數字水印還具有實(shí)時(shí)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(diǎn)。

3 視頻數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。下面主要根據視頻水印嵌入的位置對其主要算法進(jìn)行分析討論。
3．1 嵌入DCT系數
在DCT系數中嵌入水印，先把水印信號處理為隨機序列，再進(jìn)行8×8的DCT。嵌入水印時(shí)，將水印的DCT系數疊加到MPEG-2碼流的DCT系數上。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(cháng)編碼VLC(Variable LengthCoding)編碼，系數在添加水印前后的編碼長(cháng)度會(huì )發(fā)生變化，因此，如果要求不增加視頻碼流的長(cháng)度，在出現添加水印后DCT系數的編碼比特數增加的情況時(shí)，則仍保留原來(lái)的系數；(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(gè)運動(dòng)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(gè)幀內的微小變化，會(huì )在時(shí)間、空間上傳播開(kāi)來(lái)。因此，在水印信號之外，需要添加一個(gè)偏移補償信號補償前一幀的水印信號。
3．2 嵌入運動(dòng)向量
在運動(dòng)向量中嵌入水印，是通過(guò)修改MPEG編碼視頻流的運動(dòng)向量來(lái)嵌入信息。在MPEC-4壓縮域的運動(dòng)矢量中嵌入水印，算法為：從MPEG-4視頻流得到運動(dòng)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(dòng)矢量的相角θ，根據θ的值確定水印是嵌入在運動(dòng)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??；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，水印的嵌入規則為：

式中，T=2×運動(dòng)估計搜索窗口>，δ=(2n+1)／q，n為整數，一般來(lái)說(shuō)，對于空間向量，n=1；否則n=O。q指定運動(dòng)向量修改的范圍，一般取值為1或2。提取規則為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(dòng)矢量進(jìn)行簡(jiǎn)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(dòng)參數FAP
臉部運動(dòng)參數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(guò)FAP運動(dòng)起來(lái)。FAP共有66個(gè)，包括整個(gè)頭部的運動(dòng)參數和局部臉部運動(dòng)參數。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kmax維向量，其中kmax是所傳輸的FAP的數目(kmax≤66)，t是視頻幀的整數時(shí)間索引值，FAPk(t)是在時(shí)間t第后個(gè)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(gè)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(guò)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(zhù)用與水印嵌入相同的隨機序列進(jìn)行相關(guān)運算，然后判斷是否大于給定的閾值。當大于時(shí)，水印存在；否則，水印不存在。將該算法與人類(lèi)視覺(jué)系統的特性相結合可達到較好效果。

4 視頻數字水印在電視領(lǐng)域的應用
目前視頻數字水印在電視領(lǐng)域的應用還不多見(jiàn)。但隨著(zhù)電視數字化的進(jìn)一步深入，這一新技術(shù)的應用前景將十分樂(lè )觀(guān)．原因是數字水印技術(shù)可以應用于數字電視平臺的諸多方面。