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。