数字水印技术在电视领域中的应用

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1、#大学研究究生堂下下考试答答卷20099-20010学学年第11学期考试科目目数字图图像与多多维信号号处理姓 名年 级220099级研究究生专 业 信号号与信息息处理 20100年1月5日数字水印印技术在在电视领领域中的的应用摘要：数数字水印印技术是多多媒体版版权保护护的一种种有效技技术手段段。介绍绍数字水水印技术术的基本本概念、基本原理，阐述了视频数字水印应具有的特点。在此基础上，提出数字水印在电视领域的应用方案。该技术为电视版权管理的有效实施具有一定的借鉴作用。 关键词：数字水水印；视视频；算算法；信信息安全全0 引言言 随着数字字技术和和互联网网的迅速速发展与与普及，许许多传统统媒体内内

2、容都向向数字化化转变，如如网上电电子图书书销售、数数字影院院等数字字媒体内内容在网网络上传传播和交交易已达达到了前前所未有有的深度度和广度度，特别别是计算算机网络络通信技技术发展展，数字字产品的的交换和和传输成成了一个个很简单单的过程程。人们们借助于于计算机机、扫描描仪等电电子设备备很方便便地实现现信息传传递，随随之而来来的就是是在网络络传输中中，使一一些有目目的的人人很容易易从互联联网中以以电子的的形式获获取、处处理、篡篡改和共共享多媒媒体信息息资源。长长时间辛辛苦创作作的结晶晶，可能能在瞬间间被别人人毫无差差别地大大量复制制，对创创作者来来说这无无疑是件件头疼的的事情。因因此在互互联网中中

3、如何进进行版权权保护、信信息安全全、数据据认证，以以及访问问控制等等成为迫迫切需要要解决的的问题。以以前传统统的是用用密码技技术进行行加密，但但多媒体体数字产产品本身身就是数数字信号号，如果果也对这这些数据据采用密密码加密密，则其其本身信信号属性性就忽略略了。在在这种背背景下数数字水印印技术就就应运而而生了，并并已成为为目前学学术界的的一个前前沿研究究领域的的新热点点。 1数字水水印技术术概念和和基本特特征 数字水印印（Diggitaal WWateermaark）技术是是指用信信号处理理的方法法通过一一定算法法在数字字化的多多媒体数数据中嵌嵌入隐蔽蔽的标志志性信息息(比如如数码相相片中添添加

4、拍摄摄者信息息，在数数字影碟碟中添加加公司标标记等)，这些些标志性性信息通通常是不不可见的的，虽然然通过专专用的检检测器或或阅读器器能够提提取，但但是信息息很难被被破坏，隐隐蔽的标标志性信信息用来来识别文文件、图图像或音音乐制品品的来源源、版本本、原作作者、拥拥有者、发发行人、合合法使用用人对数数字产品品的拥有有权等，从从而达到到真伪鉴鉴别、版版权保护护等目的的。数字字水印一一般具有有以下几几个基本本特征。隐蔽性：水印的的存在必必须以不不破坏原原数据及及其使用用价值，即即水印嵌嵌入导致致宿主信信号质量量变化的的程度，嵌嵌入后的的数据与与原始数数据相比比，应感感觉不到到差别。一一方面嵌嵌入水印印

5、后在视视听觉上上与原始始图像应应没有明明显的降降质现象象，这是是大多数数水印算算法所需需达到的的要求；另一方方面对大大量用水水印处理理过的数数字产品品，即使使用统计计方法也也不能提提取水印印或确定定水印的的存在。鲁棒性：是指水水印在媒媒体数据据编辑、处处理过程程中的生生存能力力。或者者说，数数字水印印技术的的应用本本身并不不能影响响对原文文件中信信息的识识别，原原文件中中信息是是显性的的，而数数字水印印则是隐隐性的。媒媒体数据据的各种种操作会会导致宿宿主信号号信息损损失，从从而破坏坏水印完完整性，像像压缩、滤滤波、加加噪、剪剪切、缩放和和旋转等等，也包包括一些些恶意的的攻击。除除非对数数字水印

6、印具有足足够的先先验知识识，任何何破环和和消除水水印的企企图都将将严重破破坏多媒媒体信息息的质量量。 信息容量量：是指指在一定定保真度度下，水水印信号号可传递递的信息息量。在在实际应应用过程程中要求求水印应应传送多多位信息息。 安全性：限制非非法用户户对嵌入入的水印印读取、删删除。在在应用中中总有人人要嵌入入、检测测或剔除除水印，而而必须限限制其他他人做同同样的操操作。 篡改提示示：当多多媒体内内容发生生改变时时，通过过水印提提取算法法，能够够敏感地地检测到到原始数数据是否否被篡改改。 不可检测测性和盲盲测性：看似相相对立的的两个属属性却一一点也不不矛盾，不不可检测测性指的的是隐蔽蔽载体与与原

7、始载载体具有有一致的的特性，比比如说一一致的统统计噪声声分布等等，即使使被非法法拦截者者拦截也也无法判判断是否否有隐藏藏信息，而而盲测性性指检测测时不需需要原图图或任何何其他信信息。 2 数字字水印技技术通用用模型与与基本原原理 数字水印印技术利利用人类类感觉器器官的不不敏感，以以及数字字信号本本身存在在的感觉觉冗余，通通过一定定的算法法将一些些标志性性信息直直接嵌入入到多媒媒体内容容当中，不不影响原原内容的的价值和和使用，并并且不能能被人的的知觉系系统觉察察或注意意到。数数字水印印技术与与加密技技术不同同，它不不能阻止止盗版活活动的发发生，但但可以判判别对象象是否受受到保护护，监视视被保护护

8、数据的的传播、鉴鉴别真伪伪、非法法拷贝、解解决版权权纠纷并并为法庭庭提供证证据，以以法律的的手段对对其进行行制裁，间间接打击击盗版者者，起到到保护知知识产权权的作用用。为了了给攻击击者增加加去除水水印时不不可预测测的难度度，目前前大多数数水印制制作时都都采用密密码学中中的加密密（包括公公开密钥钥、私有有密钥）体系来来加强，在在水印的的嵌入、提提取时采采用一种种密钥，甚甚至几种种密钥联联合使用用，除非非掌握密密钥才能能读出水水印来。数数字水印印技术包包括嵌入入、检测测和提取取几个过过程11。 2.1 水印的的嵌入过过程 如图1所所示是一一个嵌入入的通用用模型，其其功能是是完成将将水印信信号加入入

9、到原始始数据中中。在这这个过程程中要解解决好两两个问题题：一是是数字水水印的生生成，可可能是一一串伪随随机数，也也可能是是字符串串、图标标等信息息经过加加密后产产生；二二是解决决好算法法，嵌入入水印后后使其在在不可见见性和鲁鲁棒性之之间找到到一个很很好的结结合点。 图1 数数字水印印信号嵌嵌入框图图2.2 水印的的检测过过程如图2所所示是一一个检测测的通用用模型，用用以判断断某一数数据中是是否含有有指定的的水印信信号。在在检测阶阶段设计计一个相相应于嵌嵌入过程程的检测测算法，检检测的目目的是使使错判或或漏判的的可能性性尽量小小。图2 数数字水印印信号检检测框图图2.3 水印的的提取过过程如图3

10、所所示是一一个提取取的通用用模型。利利用密钥钥从多媒媒体信息息中提出出水印，并并验证水水印的真真伪。图3数字字水印信信号提取取框图2.4 视频数数宇水印印的特征征把嵌入到到视频载载体中的的数字水水印称为为视频数数字水印印。由于于视频是是由一序序列数字字图像组组成，因因此视频频数字水水印和数数字图像像水印具具有相同同特点，例例如保真真性、鲁鲁棒性、无无歧义性性、安全全性、可可靠性等等2。除此此之外，视视频数字字水印还还具有实实时性、盲盲水印、随随机检测测性、水水印容量量、与视视频编码码标准相相结合、视视频速率率的恒定定性和低低虚警率率等特点点。3 视频频数字水水印的主主要算法法分析在视频中中嵌入

11、水水印一般般应遵循循MPEEG编码码标准。下下面主要要根据视视频水印印嵌入的位置置对其主主要算法法进行分分析讨论论 。3.1 嵌入DDCT系系数6在DCTT系数中中嵌入水水印，先把水水印信号号处理为为随机序序列，再再进行88*8的DDCT变变换。嵌嵌入水印印时，将将水印的的DCTT系数叠叠加到MMPEGG-2码流流的DCCT系数数上33。但但该算法法需考虑虑两个问问题 ：（1）由由于MPPEG-2的码码流是采采用变长长编码VVLC(Varriabble Lenngthh Coodinng)编编码。系系数在添添加水印印前后的的编码长长度会发发生变化化。因此，如如果要求求不增加加视频码码流的长长度

12、，在在出现添添加水印印后DCCT系数数的编码码比特数数增加的的情况时时，则仍仍保留原原来的系系数；（2）在在MPEEG-2编码码方式中中，帧间间编码帧帧是从其其他帧预预测得到，用用一个运运动补偿偿向量从从其他帧帧重建当当前帧，PP帧本身身也可能能作为其其他帧的的预测参参考，一一个帧内内的微小小变化，会会在时间间、空间间上传播播开来。因因此，在在水印信信号之外外，需要要添加一一个偏移移补偿信信号补偿偿前一帧帧的水印印信号。3.2嵌嵌入运动动向量3在运动向向量中嵌嵌入水印是是通过修修改MPPEG编编码视频频流的运运动向量量来嵌入入信息。在在MPEEG-4压缩缩域的运运动矢量量中嵌入入水印，算法为为

13、：从MMPEGG-4视频频流得到到运动矢矢量，计计算其幅幅值，选选择幅值值较大的的宏块作作为水印印的嵌入入位置，并并计算该该宏块运运动矢量量的相角角，根据据的值确确定水印印是嵌入入在运动动向量的的水平分分量还是是垂直分分量。若若为锐角角，则在在水平分分量嵌入入水印；若为钝角角，则在在垂直分分量嵌 入水印印；若为45，则在在水平和和垂直分分量都嵌嵌入水印印。假设设在垂直直分量yy中嵌入入水印，设设b =0,1为为待嵌入入的比特特值，水水印的嵌嵌入规则则为：式中，TT = 2 xx ，= ( 22 n +1 )/q，nn为整数数，一般般来说，对对于空间间向量，n = l；否则nn = 0。q指指定

14、运动动向量修修改的范范围，一一般取值值为 ll或2。提提取规则则为。该该算法对对压缩鲁鲁棒性较较好，对对帧的比比特率影影响也非非常小。该算法只只需对运运动矢量量进行简简单的判判断 和和加减运运算， 因此计计算复杂杂度很小小。 3.3嵌嵌入脸部部运动参参数FAAP6脸部运动动参数FFAP(Facciall Annimaatioon PParaametter)中嵌入入水印算算法，基基本思想想是在MMPEGG-4中中定义一一般的脸脸部，并并能够通通过FAAP运动动起来。FFAP共共有666个，包包括整个个头部的的运动参参数和局局部脸部部运动参参数。在在MPEEG-44的编码码过程中中从视频频序列中中

15、确定FFAP，可可以将其其看成是是随时间间变化的的维向量量，其中中是所传传输的FFAP的的数目()，t是视视频帧的的整数时时间索引引值，FFAPkk(t )是在在时间tt第k个个FAPP(。水水印的嵌嵌入是将11比特的的水印信信息散布布到多于于一个FFAP中中，如的的FAPP块中。为为加强水水印的安安全性和和鲁棒性性，对于于嵌入的比特特信息，需需先扩展展、调制制，再低低通过滤滤和振幅幅调制，最最后嵌入入到所选选的FAAP块中中。水印印的检测测，从含含水印的的FAPP中减去去原始的的FAPP，接着着用与水水印嵌入入相同的的随机序序列进行行相关运运算，然然后判断断是否大大于给定定的闭值值。当大大于

16、时，水水印存在在;否则则，水印印不存在在。将该该算法与与人类视视觉系统统的特性性相结合合可达到到较好效效果。4视频数数字水印印在电视视领域的的应用虽然就目目前来说说数字水水印在电电视领域域的应用用还不多多见。但但随着电电视数字字化的进进一步深深入，各各省、市市数字电电视平台台的构建建。随着着电视领领域事业业的发展展，相信信这一新新技术的的应用前前景将是是十分乐乐观的，理由在在于数字字水印技技术可以以在数字字电视平平台中以以下这些些方面得得到应用用6。4.1版版权保护护电视节目目的版权权保护也也是一个个颇受关关注的问问题。在在数字电电视节目目信号中中嵌入数数字水印印。可以以对节目目进行版版权标记

17、记。当有有侵权情情况如非非法复制制、非法法传播等等出现时时。从节节目信号号中提取取的水印印可作为为版权证证明成为为向法庭庭起诉的的依据。在在近年来来不断普普及发展展的媒体体资产管管理系统统中，使使用数字字水印，可可在节目目资源共共享的同同时对节节目版权权进行标标记保护护。电视视节目的的版权所所有者可可用密钥钥产生一一个用于于表明所所有权的的水印信信息，并并将之嵌嵌入到电视视节目的的视频数数据中，当当该节目目被盗版版或出现现版权纠纠纷时，版版权所有有者可通通过提取取或检测测水印来来维护自自己的权权益。4.2 信号源源传输安安全监测测为了确保保广播电电视的安安全播出出防止各各类故障障事故及及非法攻

18、攻击。在在转播外外来信号号前需对对外来信信号源的的技术质质量和节节目内容容进行监监控。借借助技术术检测手手段。可可以减轻轻监控人人员的劳劳动强度度。还可可以在一一定程度度上提高高监控质质量。现现有的监监控技术术就视频频方面来来说，大大多是基基于模拟拟视频信信号波形形的技术术质量监监控。该该类方法法是通过过检测视视频信号号的有或或无、信信号电平平的高或或低、一一定时间间内信号号电平的的变化等等来判断断是否出出现视频频信号丢丢失、黑黑场或静静帧等情情况，借助数数字水印印技术可可以在数数字域对对信号节节目内容容的合法法性进行行监测。比比如说要要监测数数字卫星星信号是是否被非非法插播播。可采采取以下下

19、的方略略数字电电视信号号在发送送到卫星星转发器器之前。先先用一密密钥嵌入入水印。在在接收到到卫星信信号后.用同一一密钥检检测接收收到的信信号中是是否存在在水印若若检测不不到水印印，则可判断为为非法信信号，采采取相应应的处理理措施。4.3 电视节节目监视视在电视台台做广告告的厂商商，想监监视某个个电视频频道是否否按时播播出了他他们的广广告、电视剧剧、电影影、MTTV等内内容生产产商想知知道电视视台播出出自己作作品的时时间和次次数是否否超过允允许的次次数限制制，都可可借助水水印技术术，准确确监视。把把标识厂厂商或生生产商的的信息作作为水印印信号，将将之嵌入入到广告告或电视视剧等数数据中，厂厂商或生

20、生产商利利用水印印监视功功能系统统(软件件或硬件件)就可可以准确确监视作作品播出出的次数数、时间间等。4.4 视频音频延延时自动动校正在电视节节目的制制作过程程中，视视频信号号和音频频信号通通常都是是分开处处理的。这这样，由由于处理理和传输输链路的的不同，造造成视频频信号和和音频信信号之间间定时关关系的改改变，出出现声图图不同步步。利用用数字水水印技术术可以很很好解决决上述问问题，从从音频信信号中提提取特征征值把它它作为水水印嵌入入到同步步的数字字视频信信号中，加加有水印印的数字字视频信信号和音音频信号号正常传传输分配配。在接接收端先先从数字字视频信信号中检检测提取取出数字字水印(音频特特征值

21、)，并与与从接收收到的音音频信号号中提取取的特征征值相比比较，从从而找到到相应的的同步点点。计算算两者之之间的延延时，以以此控制制音频延延时器，从从而达到到视频音音频延时时的自动动校正。5 总结结 数字水水印技术术与信息息安全、信信息隐藏藏、数据据加密等等均有密密切联系系。与数数据隐藏藏不同的的是它有有鲁棒性性 ，这这是数字字水印技技术非常常重要的的特性。针针对不同同的应用用将产生不不同的设设计目的的和水印印算法。通通过介绍绍数字水水印技术术在电视视领域中中的具体体应用，将对数数字水印印技术有有更深的的认识，作为多媒体信息中的新技术，用途越来越广，尤其在防伪版权保护方面具有广阔前景。参考文献献

22、1刘刘振华，尹尹萍信息隐隐藏技术术及其应应用MM北京：科学出出版社，2200222张张江，赵赵黎视频水水印技术术综述田田J计算算机应用用，20005，25(44 )：8511-85523 Harrtunng FF，Girrod BDiggitaal wwateermaarkiing of MPEEG-2 ccodeedviideoo inn thhe bbitsstreeam dommainnJIEEEE Intternnatiionaal CConffereenceeon Acoousttic，Speeechh annd SSignnal Proocesssinng，Munnichh，Gerrmanny，119977(4)：26221-6244.4陈陈彤，李李忠源图像隐隐含信息息方法的的研究J北京理理工大学学学报，119977，（6）5钟钟玉琢，蔡蔡莲红，史史元春多媒体体计算机机技术基基础及应应用MM高高等教育育出版社社，20005 6 曹军梅梅数字水水印技术术分析及及在电视视领域中中的应用用J电子工工程设计计，20009，117（66）