數(shù)字水印技術(shù)分析及其在電視領(lǐng)域的應(yīng)用

1 引言
通常采用密碼術(shù)保護(hù)數(shù)字媒體的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但密碼術(shù)對(duì)內(nèi)容的保護(hù)僅限于通信或訪問控制，一旦數(shù)據(jù)被解密或被用戶訪問。則不再具有保護(hù)能力，與此同時(shí)密文的隨機(jī)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(quán)保護(hù)手段一數(shù)字水印及其在電視領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 數(shù)字水印原理與視頻數(shù)字水印特征
2．1 數(shù)字水印原理
一個(gè)完整的數(shù)字水印系統(tǒng)應(yīng)包含水印生成、嵌入和提取或檢測(cè)3個(gè)基本部分。水印嵌入算法利用對(duì)稱密鑰或公開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，即使用觀察到的作品。水印檢測(cè)／提取算法利用相應(yīng)的密鑰從含水印的作品載體中檢測(cè)或恢復(fù)出水印，只有檢測(cè)者才可利用水印檢測(cè)，提取算法和密鑰從用戶觀察到的產(chǎn)品中檢測(cè)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(cè)／提取過程框圖。

2．2 視頻數(shù)字水印的特征
把嵌入到視頻載體中的數(shù)字水印稱為視頻數(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、無歧義性、安全性、可靠性等。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)
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，再進(jìn)行8×8的DCT。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。但該算法需考慮兩個(gè)問題：
(1)由于MPEG-2的碼流是采用變長編碼VLC(Variable LengthCoding)編碼，系數(shù)在添加水印前后的編碼長度會(huì)發(fā)生變化，因此，如果要求不增加視頻碼流的長度，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、空間上傳播開來。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)補(bǔ)償前一幀的水印信號(hào)。
3．2 嵌入運(yùn)動(dòng)向量
在運(yùn)動(dòng)向量中嵌入水印，是通過修改MPEG編碼視頻流的運(yùn)動(dòng)向量來嵌入信息。在MPEC-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θ，根據(jù)θ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θ為銳角，則在水平分量嵌入水印；若θ為鈍角，則在垂直分量嵌入水?。蝗籀葹?5°，則在水平和垂直分量都嵌入水印。假設(shè)在垂直分量V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×運(yùn)動(dòng)估計(jì)搜索窗口>，δ=(2n+1)／q，n為整數(shù)，一般來說，對(duì)于空間向量，n=1；否則n=O。q指定運(yùn)動(dòng)向量修改的范圍，一般取值為1或2。提取規(guī)則為b=(Vxq+T)mod2。
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)FAP
臉部運(yùn)動(dòng)參數(shù)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FAP運(yùn)動(dòng)起來。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?shù)腇AP的數(shù)目(kmax≤66)，t是視頻幀的整數(shù)時(shí)間索引值，F(xiàn)APk(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(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閾值。當(dāng)大于時(shí)，水印存在；否則，水印不存在。將該算法與人類視覺系統(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
目前視頻數(shù)字水印在電視領(lǐng)域的應(yīng)用還不多見。但隨著電視數(shù)字化的進(jìn)一步深入，這一新技術(shù)的應(yīng)用前景將十分樂觀．原因是數(shù)字水印技術(shù)可以應(yīng)用于數(shù)字電視平臺(tái)的諸多方面。