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)字媒體的知識產(chǎn)權(quán)，但密碼術(shù)對內(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3個基本部分。水印嵌入算法利用對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／提取算法利用相應(yīng)的密鑰從含水印的作品載體中檢測或恢復(fù)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觀察到的產(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，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)字水印還具有實時性、盲水印、隨機(jī)檢測性、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。

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，先把水印信號處理為隨機(jī)序列，再進(jìn)行8×8的DCT。嵌入水印時，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)的編碼比特數(shù)增加的情況時，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)測得到，用一個運動補(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)測參考，一個幀內(nèi)的微小變化，會在時間、空間上傳播開來。因此，在水印信號之外，需要添加一個偏移補(bǔ)償信號補(bǔ)償前一幀的水印信號。
3．2 嵌入運動向量
在運動向量中嵌入水印，是通過修改MPEG編碼視頻流的運動向量來嵌入信息。在MPEC-4壓縮域的運動矢量中嵌入水印，算法為：從MPEG-4視頻流得到運動矢量，計算其幅值，選擇幅值較大的宏塊作為水印的嵌入位置，并計算該宏塊運動矢量的相角θ，根據(jù)θ的值確定水印是嵌入在運動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(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×運動估計搜索窗口>，δ=(2n+1)／q，n為整數(shù)，一般來說，對于空間向量，n=1；否則n=O。q指定運動向量修改的范圍，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。該算法只需對運動矢量進(jìn)行簡單的判斷和加減運算，因此計算復(fù)雜度很小。
3．3 嵌入臉部運動參數(shù)FAP
臉部運動參數(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運動起來。FAP共有66個，包括整個頭部的運動參數(shù)和局部臉部運動參數(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)時間索引值，F(xiàn)APk(t)是在時間t第后個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FAP中，如MxN的FAP塊中。為加強(qiáng)水印的安全性和魯棒性，對于嵌入的比特信息，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，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)運算，然后判斷是否大于給定的閾值。當(dāng)大于時，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)字電視平臺的諸多方面。