1 引言

通常采用密碼術保護數字媒體的知識產權，但密碼術對內容的保護僅限于通信或訪問控制，一旦數據被解密或被用戶訪問。則不再具有保護能力，與此同時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，這里提出新的產權保護手段一數字水印及其在電視領域的應用。

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觀察到的產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 視頻數字水印的特征

把嵌入到視頻載體中的數字水印稱為視頻數字水印。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，例如保真性、魯棒性、無歧義性、安全性、可靠性等。除此之外，視頻數字水印還具有實時性、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。

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，再進行8×8的DCT。嵌入水印時，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問題：

（1）由于MPEG-2的碼流是采用變長編碼VLC（Variable LengthCoding）編碼，系數在添加水印前后的編碼長度會發生變化，因此，如果要求不增加視頻碼流的長度，在出現添加水印后DCT系數的編碼比特數增加的情況時，則仍保留原來的系數；（2）在MPEG-2編碼方式中，幀間編碼幀是從其他幀預測得到，用一個運動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，一個幀內的微小變化，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償信號補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印；若θ為鈍角，則在垂直分量嵌入水印；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×，δ=（2n+1）／q，n為整數，一般來說，對于空間向量，n=1；否則n=0。q指定運動向量修改的范圍，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。該算法只需對運動矢量進行簡單的判斷和加減運算，因此計算復雜度很小。

3．3 嵌入臉部運動參數FAP

臉部運動參數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FAP運動起來。FAP共有66個，包括整個頭部的運動參數和局部臉部運動參數。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是所傳輸的FAP的數目（kmax≤66），t是視頻幀的整數時間索引值，FAPk（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，接著用與水印嵌入相同的隨機序列進行相關運算，然后判斷是否大于給定的閾值。當大于時，水印存在；否則，水印不存在。將該算法與人類視覺系統的特性相結合可達到較好效果。

4 視頻數字水印在電視領域的應用

目前視頻數字水印在電視領域的應用還不多見。但隨著電視數字化的進一步深入，這一新技術的應用前景將十分樂觀．原因是數字水印技術可以應用于數字電視平臺的諸多方面。

4．1 版權保護

電視節目的版權所有者可用密鑰產生一個用于表明所有權的水印信息，并將之嵌入到電視節目的視頻數據中，當該節目被盜版或出現版權糾紛時，版權所有者可通過提取或檢測水印來維護自己的權益。標志版權所有者的水印信息可以在拍攝時就捆綁在節目素材中，使水印信息一直伴隨節目素材存在于整個生命周期。這可由設備廠商在攝像機、ENG等設備中加入相應功能來實現，也可在電視節目對外發布時。加入水印信息。嵌入到數字視頻中的水印，只有當視頻數據被嚴重破壞時，它才有可能被抹去，即使視頻質量降低，只要水印有效，就可識別。應用于數字電視的水印應在不影響節目畫質和音質的前提下采用，其產生的變化人的視覺和聽覺很難發現，因此視頻水印一定是不可見的，強魯棒的，只有通過專用的工具才能提取，并且要求可以實時操作。除此之外，嵌入水印的算法應是不可逆的，如果是可逆的話，依然存在多個所有權的問題，因為可逆的嵌入水印，使得惡意攻擊者可偽造出一個原始數據。

4．2 內容認證

將數字水印用于視頻的內容認證，是為了驗證視頻內容的完整性。視頻與音頻除了要驗證畫面外，還要驗證時序關系和連續性。對于視頻的時間特性，可以是每一幀里嵌入該幀在視頻中的幀號。這樣，如果不考慮單幀畫面內容的攻擊，可以很容易檢測到其他視頻內容的插入，視頻幀的刪除、交換，幀頻的改變等操作。對于視頻的內容特性，可以把該幀畫面對應的邊緣信息，經變換后作為水印嵌入到該畫面中。檢測時，如果內容發生變化，則提取的邊緣信息和嵌入到該畫面的邊緣信息不匹配，由此可確定出畫面該部分內容發生改變。視頻節目是由視頻流和音頻流組成，還可把視頻特征數據作為水印利用音頻水印技術嵌入到音頻流中，把音頻數據特征也作為水印利用視頻水印技術嵌入到視頻流中，從而識別出節目的視頻或音頻的改變。

4．3 指紋跟蹤

為避免未經授權的拷貝并且非法銷售，版權所有者或發行商將不同的用戶識別碼或序列號作為不同的水印（指紋）嵌入到作品的合法拷貝中，并保存售出拷貝中對應指紋與用戶身份的數據庫，那么非法拷貝一經發現，版權所有者或發行商就可通過提取其中指紋來追蹤出該作品的非法分發者。對于實時發送的視頻，如PPV和VOD，需要采取不同的水印方案。對于PPV（Pay-Per-View），可根據分發路徑制作不同的指紋水印，如每個中繼節點都嵌入指紋（不同的水印）；而對于VOD，可根據不同的用戶，由服務器端制作指紋水印，如果VOD系統采用預先加密方式保存視頻流在服務器，用戶點播時，可能需要實時解密后，加入指紋水印，再加密。另外，為了防止用戶的翻拍，在播放時，可考慮從電視中提取一個唯一標識該電視的標識碼作為指紋信息嵌入到視頻中。

4．4 拷貝控制

DVD的非法拷貝對影視業是致命的打擊。單獨使用數字水印技術不能實現拷貝控制，因為數字水印本身不能阻止非法拷貝，它只是數據保護系統的一部分。要杜絕非法拷貝最終離不開硬件支持。比如IBM等公司提出的“星際方案”，通過給DVD設置4種狀態來控制其播放、轉錄和拷貝。這4種狀態分別是“Copy Free”、“One Copy”、“No MoreCopy”、“Never Copy”，這些狀態通過嵌人視頻數據中的“Primary Mark”和“Copy Mark”來實現。拷貝控制的水印需要嵌入的信息量非常小，但對魯棒性和安全性要求很高。

4．5 電視節目監視

在電視臺做廣告的廠商，想監視某個電視頻道是否按時播出了他們的廣告？電視劇、電影、MTV等內容生產商想知道電視臺播出自己作品的時間和次數是否超過允許的次數限制，都可借助水印技術，準確監視。把標識廠商或生產商的信息作為水印信號，將之嵌入到廣告或電視劇等數據中，廠商或生產商利用水印監視功能系統（軟件或硬件）就可以準確監視作品播出的次數、時間等。

4．6 視頻音頻延時自動校正

視頻音頻延時校正簡單來說就是“對口型”。在電視節目的制作過程中，視頻信號和音頻信號通常都是分開處理的。這樣，由于處理和傳輸鏈路的不同，造成視頻信號和音頻信號之間定時關系的改變，出現聲圖不同步。利用數字水印技術可以很好解決上述問題，從音頻信號中提取特征值把它作為水印嵌入到同步的數字視頻信號中，加有水印的數字視頻信號和音頻信號正常傳輸分配。在接收端先從數字視頻信號中檢測提取出數字水印（音頻特征值），并與從接收到的音頻信號中提取的特征值相比較，從而找到相應的同步點。計算兩者之間的延量時，以此控制音頻延時器，從而達到視頻音頻延時的自動校正。

4．7 信號源傳輸安全檢測

為了確保廣播電視安全播出，防止各類故障事故及非法攻擊，在轉播外來信號前，需對外來信號源的技術質量和節目內容進行監控。借助數字水印技術，可以在數字域對信號節目的合法性進行監測。比如說要監測數字衛星信號是否被非法傳播，可在數字電視信號發送到衛星轉發器之前，先用一密鑰嵌入水印。在接收到衛星信號后，通過密鑰檢測接收到的信號中是否存在水印。數字衛星新聞采集系統是借助同步通信衛星．把在新聞現場采集到的數字視、音頻信號發射轉送回電視臺新聞演播室，若在此系統中應用數字水印技術，對于現場直播特別是多點現場直播，可有效達到視、音頻的延時校正和信號源監控的雙重功能。

5 結語

依據視頻特點，指出作為視頻的數字水印應滿足的要求，對視頻數字水印算法進行分析和探討。最后針對數字電視版權管理的具體問題，提出利用數字水印技術巧妙解決問題的方案。

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