水印技術在MPEG-4流媒體版權保護領域的應用研究

錢庭霖

（福州大學 陽光學院計算機工程系，福建 福州 350015）

水印技術在MPEG-4流媒體版權保護領域的應用研究

錢庭霖

（福州大學 陽光學院計算機工程系，福建 福州 350015）

Internet的迅猛發展和普及為流媒體業務發展提供了廣闊的市場和強大的動力.與其他數字產品一樣，流媒體也同樣面臨著版權保護的問題.數字水印技術為數字版權的保護提供了一個有效的手段，本文深入地討論了數字水印技術在MPEG流媒體版權保護上的應用研究.

流媒體；版權保護；數字水??；MPEG-4

1 引言

計算機技術及網絡技術的飛速發展極大地推動了數字多媒體的創作、使用和傳播.但在這同時，由于可以任意地獲取、復制和傳播數字多媒體作品，使得數字多媒體作品的版權保護面臨著嚴重的威脅——利用網絡的開放性和共享性，人們可以輕易地就對原創作品進行篡改、偽造、復制和非法發布，這嚴重地損害了作品創作者和使用者的利益.如何保護數字多媒體作品的版權，以及如何保證作品內容的真實性和完整性成為迫切需要解決的問題.

解決視頻作品的版權和完整性保護問題的通常途徑有兩種，一種是通過傳統的加密方法，另一種則是利用數字水印技術（Digital Water marking），相應的技術手段有加解密、數字簽名、數字標簽、數字指紋、信息隱藏等.

2 數字水印技術

信息隱藏技術不同于傳統的密碼學技術，密碼技術通過將機密信息進行特殊編碼，形成不可識別的密文進行傳遞；而信息隱藏技術則是通過將某一機密信息秘密隱藏于另一公開的信息中，然后通過公開信息的傳輸來傳遞隱藏信息.

信息隱藏技術研究的一個重要分支就是數字水印技術.數字水印技術是利用數字作品中普遍存在的冗余數據與隨機性，將數字、序列號、文字、圖像標志等版權信息嵌入到數字作品本身中，從而起到版權保護、秘密通信、數據文件的真偽鑒別和產品標識等作用[1].水印技術是一種有效的數字產品版權保護和數據安全維護技術，通過將一些標志性信息（水?。┲苯忧度氲蕉嗝襟w內容中，所嵌入的信息不會影響原內容的價值和使用，并且不能被人的知覺系統覺察或注意到，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取.水印信息通常是作者的序列號、公司標志、有特殊意義的文本等，這些信息可以用來識別文件、圖像或音樂制品的來源、版本、原作者、擁有者、發行人、合法使用人對數字產品的擁有權.與加密技術不同的是，數字水印技術并不能阻止盜版活動，但它可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播、真偽鑒別和非法拷貝、解決版權糾紛并為法庭提供證據[2].

視頻圖像水印是當前水印技術研究方向中的熱點和難點.雖然數字水印技術發展很快，但其方向主要集中于靜止圖像上.而視頻水印技術相對于圖像水印技術發展滯后，再加上現有的標準視頻編碼格式造成了水印技術引入上的局限性.

3 流媒體技術與MPEG-4

隨著寬帶網的興起，流媒體技術誕生了.流媒體是多媒體和網絡領域的交叉學科，它為多媒體信息提供了一條嶄新的應用途徑.流媒體技術將傳統的多媒體應用改變為流式應用，將音頻、視頻等多媒體信息轉化成“流”的形式，信息在傳輸的同時即可進行播放.

流媒體的編碼技術是建立在傳統的多媒體編碼技術基礎之上的.其編碼標準以ISO/IEC頒布的MPEG系列標準和ITU頒布的H系列標準為代表.

MPEG 系列標準包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7，適用于不同帶寬和數字影像質量的要求：MPEG-1廣泛應用于VCD，MPEG-2 應用于廣播電視盒DVD，而MPEG-4 更加注重多媒體系統的交互性和靈活性，MPEG-7則用于實現基于內容的有效檢索.MPEG-4 標準旨在為流媒體的傳輸、存儲及其應用環境提供一個基于“對象”的編碼方案，并在時域和空域具有靈活的擴展性，以利于動態碼率的調整.

MPEG-4 作為一種新型的基于對象的壓縮標準，在視頻電話、視頻電子郵件和電子新聞等方面有著廣泛的應用前景.MPEG-4 采用Object Based 方式解壓縮，其壓縮比指標遠遠優于其他標準.MPEG-4 引入了AV 對象，使得更多的交互操作成為可能.MPEG4 使用“圖層”(layer)方式，能夠智能化選擇影像的不同之處，是可根據圖像內容，將其中的對象（人物、物體、背景）分離出來分別進行壓縮，這不僅僅大大提高了壓縮比，也使圖像探測的功能和準確性更充分的體現出來.

4 水印技術在MPEG-4流媒體版權保護上的應用

4.1 與水印技術相關的MPEG-4關鍵技術

通常情況下，視頻的數字水印應該直接與視頻編碼和解碼器相結合，利用視頻數據壓縮的基本原來，將使水印的嵌入和提出處理比較容易實現，并且能夠實現水印嵌入和提取的實時處理.

MPEG-4是一種典型的基于內容的編碼方案，它是一個具有交互性的動態圖像標準，有著很好的適應性和可擴展性.由于MPEG-4引入了AV這種具有基于內容和可伸縮性特點的編碼對象，使得MPEG-4具有更多的交互操作.基于內容的可伸縮性包括基于內容的空間可伸縮性和基于內容的時間可伸縮性兩個方面.MPEG-4對AV對象的操作主要有以下幾個方面：

（1）采用AV對象來表示聽覺、視覺或者視聽組合內容；

（2）允許組合已有的AV對象來生產復合的AV對象，并由此生產AV場景；

（3）允許對AV對象的數據靈活地多路合成與同步，以便選擇合適的網絡來傳輸這些AV對象數據；

（4）允許接收端用戶在AV場景中對AV對象進行交互操作；

（5）支持AV對象的知識產權和保護.

對于靜止圖像MPEG-4采用零樹小波算法以提高壓縮比，而對于運動視頻對象的編碼，則采用特定的編碼過程以支持基于對象的編碼.

MPEG-4的解碼過程是從編碼位流中恢復視頻對象，包括形狀-運動-紋理解碼、靜態紋理解碼、網格解碼和人臉解碼等幾個過程.

4.2 典型的MPEG-4水印應用

以上所述的MPEG-4的基于內容的交互性、高效靈活的編碼方式，使得在MPEG-4上應用水印技術具有了很多新特點.

下面試幾種具有代表性的視頻水印算法[3]：

4.2.1 在DCT系數中嵌入水印

在DCT系數中嵌入水印是目前研究最多、技術最成熟的視頻數字水印技術.這種技術在宿主視頻中利用空間擴頻技術嵌入不可見水印，生成水印信號時使用同步模板以抵抗剪切、尺度變化和旋轉等操作帶來的幾何失真.為了使水印有較好的魯棒性和保證宿主視頻的視覺質量，該技術采用了一個控制算法，采用空域和時域漂移補償來消除水印自干擾和由于I-VOP（幀內）AC/DC系數預測和P-VOP（前向預測）、B-VOP（雙向預測）的運動補償帶來的漂移現象.

4.2.2 在運動矢量中嵌入水印

在運動矢量中嵌入水印是一種通過改變運動向量來嵌入信息的MPEG-4水印技術.當需要嵌入水印時，則在一個運動向量的某個分量，比如垂直分量V重嵌入水印.這種技術的計算復雜度基本上可以忽略，并且其對幀的比特率的影響也是非常小的.

4.2.3 在臉部運動參數中嵌入水印

該技術最早是在1998年提出的.在臉部運動參數中嵌入水印采用的是擴頻思想.MPEG-4的臉部通過66臉部運動參數 FAP（Facial Animation Parameter）運動起來.MPEG-4編碼過程中將從視頻序列中確定FAP.該技術將1比特的水印信息散步到多余一個FAP中.其處理過程是：先對需要嵌入的比特信息進行擴展，然后再進行調制，接下來進行低通過濾和振幅調制，最后再嵌入到所選擇的FAP塊中.

4.2.4 通過修改編解碼過程嵌入水印

這種技術是通過修改MPEG-4編解碼過程，將水印算法整合到MPEG-4的編解碼器中.傳統的水印技術能夠應用在MPEG-4所提供的對象邊界塊的透明背景像素的灰度填充之后，然而這種水印很容易通過比特流中的形狀信息的更改而被去除.

4.2.5 在對象的小波變換系數中嵌入水印

這是由F.Bartolini等人提出的一種控制MPEG-4視頻數據網絡分發的版權保護系統[4].該技術從MPEG-4標準的復雜性和系統的多樣性方面進行考慮，特別是MPEG-4標準允許直接對視頻序列中對象的操作，這使得即使一個對象從一個視頻序列中取出來，然后添加到另外的視頻中，這個視頻對象所包含的水印信息也應當很好地檢測出來.針對這些特點，并且為了保證視頻水印對格式轉換的魯棒性，水印被添加在壓縮之前.其實現方法是：將水印嵌入到每一幀的DWT系數中.

5 總結

水印技術在基于MPEG-4的流媒體版權保護中得到了廣泛的應用.數字水印技術是一種有效的數字產品版權保護和數據安全維護技術，一個完整的數字水印系統包含三個基本部分：水印的生成、嵌入和水印的提取或檢測.本文在討論數字水印技術和于水印技術相關的MPEG-4技術的基礎之上，介紹了幾種典型的在MPEG-4流媒體中嵌入數字水印技術方案.

通過本文的分析可以發現，在MPEG-4中嵌入數字水印的嵌入位置是靈活多變的，各種數據都可以作為水印的載體，包括DCT系數、運動向量、FAP等，此外，還可以通過修改MPEG-4的編解碼器的編解碼實現過程來實現水印的嵌入.

〔1〕劉連山,李人厚,高琦.視頻數字水印技術綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2005（03）.

〔2〕彭勃.基于MPEG視頻的數字水印技術研究[D].西南交通大學，2005.

〔3〕向移山.基于MPEG-4的視頻數字水印技術研究[D].燕山大學，2006.

〔4〕F.Bartolini,V.Cappellini,R.Caldelli,etal.MPEG-4 Video Data Protection for Internet Distribution.Evolutionary Trends of the Internet:Thyrrhenian International Workshop on Digital Communications,Taormina,Italy,2001,2170.

TP 391

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1673-260X（2010）12-0043-02