視頻水印技術(shù)在數(shù)字電視監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉 俊，盧燕明

（廣東省廣播電視網(wǎng)絡(luò)股份有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519002）

根據(jù)國(guó)家廣電總局發(fā)布的《廣播影視科技“十五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃》，2015年中國(guó)將關(guān)閉有線電視模擬信號(hào)，全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視的傳輸。中國(guó)廣播電視正經(jīng)歷著由模擬向數(shù)字體制過(guò)渡、由單向廣播向雙向交互式轉(zhuǎn)變，由基本業(yè)務(wù)向增值業(yè)務(wù)拓展的變革。數(shù)字電視技術(shù)的不斷發(fā)展和“三網(wǎng)融合”的逐步推進(jìn)，給廣電運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)，也面臨著更多的挑戰(zhàn)。廣播電視媒體作為國(guó)家對(duì)內(nèi)對(duì)外宣傳的重要工具，保障安全播出一直是廣電運(yùn)營(yíng)商的一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的政治任務(wù)和技術(shù)任務(wù)。傳統(tǒng)“粗放式”的電視播出監(jiān)控，一是靠低效率和高勞動(dòng)強(qiáng)度的人工監(jiān)控方式，二是靠基于計(jì)算機(jī)錄像回放的“被動(dòng)”監(jiān)控方式。而基于數(shù)字視頻水印技術(shù)的電視播出監(jiān)控系統(tǒng)被認(rèn)為是一種穩(wěn)健的“主動(dòng)”式監(jiān)控方案，目前在歐洲實(shí)施的VIVA（Visual Identity and Verifica?tion Auditor）計(jì)劃已證明了數(shù)字視頻水印用于電視播出監(jiān)控的有效性。

1 視頻水印技術(shù)概述

1.1 視頻水印技術(shù)的基本概念

數(shù)字水印技術(shù)（Digital Watermarking）其實(shí)就是一種信息隱藏技術(shù)，它的基本思想源于古代的密寫(xiě)術(shù)。古希臘人將重要的軍事情報(bào)刻在木板上，然后用石蠟填平，收信方用火烤熱木板將石蠟融化后，就可以看到隱藏在木板里的密信。

視頻水印是指用數(shù)字信號(hào)處理的方法，在視頻數(shù)據(jù)的冗余信息中嵌入版權(quán)標(biāo)記，且不影響原始視頻數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而人們無(wú)法從表面上感知到水印的存在，只有通過(guò)專(zhuān)用的水印檢測(cè)器才可以檢測(cè)出隱藏的數(shù)字水印信息。

1.2 視頻水印技術(shù)的特征

數(shù)字水印作為一種信息隱藏技術(shù)，具有以下基本特征：1）不可見(jiàn)性，在多媒體信號(hào)中嵌入數(shù)字水印不會(huì)造成圖像、音頻或視頻信號(hào)主觀質(zhì)量的明顯下降；2）穩(wěn)健性（Robust），在不嚴(yán)重破壞多媒體主觀質(zhì)量的前提下，對(duì)多媒體數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)有意或無(wú)意的操作后，數(shù)字水印仍能保持完整性并能被檢測(cè)出來(lái)；3）抗攻擊能力，嵌入的視頻水印信息能夠有效地抵抗各種有針對(duì)性的攻擊行為，保證水印信息不被破解。

視頻水印作為數(shù)字水印技術(shù)在視頻信號(hào)處理中的應(yīng)用，還應(yīng)該根據(jù)用戶對(duì)視頻觀看必須實(shí)時(shí)的客觀要求，具備實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)性的特征，這就要求水印嵌入和提取算法的運(yùn)算量不能太大，以保證視頻質(zhì)量的延時(shí)性要求。同時(shí)，視頻水印信息的檢測(cè)必須能夠保證隨時(shí)隨地在視頻流中的任何位置隨機(jī)地檢測(cè)出來(lái)。另外，視頻水印在嵌入時(shí)，還要考慮視頻數(shù)據(jù)采用的編碼標(biāo)準(zhǔn)，若水印信號(hào)與視頻信號(hào)采用了不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，嵌入的水印信號(hào)在視頻編碼過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重失真[1]。

1.3 視頻水印技術(shù)的分類(lèi)

根據(jù)視頻水印技術(shù)的不同研究領(lǐng)域和不同應(yīng)用環(huán)境，可以有多種不同的分類(lèi)方法。例如，按照視頻水印在不同變換域的研究，可以分為空域水印、時(shí)域水印和頻域水印等。而根據(jù)視頻數(shù)據(jù)是否被壓縮處理，可以分為壓縮域與非壓縮域的視頻水印[2]。總之，視頻水印技術(shù)是基于研究對(duì)象和目的進(jìn)行分類(lèi)的，并沒(méi)用固定的分類(lèi)方法。

2 視頻水印技術(shù)的基本原理

2.1 視頻水印的數(shù)學(xué)模型

工程應(yīng)用數(shù)學(xué)上常用相關(guān)系數(shù)來(lái)判定兩個(gè)信號(hào)的相似性，而在圖像處理領(lǐng)域一般用歸一化的相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量?jī)煞鶊D像的相似度。視頻水印的嵌入和提取都是同一個(gè)水印信號(hào)，因此，也可以用歸一化相關(guān)系數(shù)的數(shù)學(xué)模型來(lái)判定提取出的視頻水印與原始嵌入水印的相關(guān)性。歸一化相關(guān)系數(shù)的定義為

式中：X(i)是原始嵌入水印信號(hào)，Y(i)是提取出來(lái)的水印信號(hào)，M表示水印容量。

2.2 視頻水印的系統(tǒng)模型

視頻水印的系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 視頻水印的系統(tǒng)模型

水印特征值通過(guò)設(shè)計(jì)好的嵌入算法計(jì)算后形成水印信號(hào)，經(jīng)過(guò)水印編碼器將水印信號(hào)嵌入到視頻數(shù)據(jù)流中，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和加密級(jí)別采用相應(yīng)的密鑰體系進(jìn)行加密；嵌入了水印的視頻數(shù)據(jù)流在傳輸過(guò)程中可能會(huì)遭到各種針對(duì)視頻內(nèi)容的攻擊；水印解碼器只能在獲取密鑰的前提下，利用相應(yīng)的水印提取算法檢測(cè)出水印，若沒(méi)有解密密鑰，攻擊者無(wú)法從視頻數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)和修改水印。

2.3 視頻水印的嵌入與提取

由于中國(guó)有線電視傳輸采用的是歐洲D(zhuǎn)VB－C標(biāo)準(zhǔn)，而DVB－C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用MPEG－2作為視頻的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，所以下面主要探討視頻水印與MPEG－2壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的嵌入策略。

根據(jù)原始視頻數(shù)據(jù)是否被壓縮處理，以及視頻信號(hào)處理的一般過(guò)程，視頻水印的嵌入與提取可以有3種不同的策略，如圖2所示。

圖2 視頻水印嵌入與提取策略對(duì)比

將水印信息直接嵌入到原始視頻數(shù)據(jù)中[3]，由于原始視頻本身的數(shù)據(jù)量就是巨大的，因此，當(dāng)進(jìn)行DCT和IDCT變換計(jì)算時(shí)，其計(jì)算量也是相當(dāng)大的，很難保證視頻的實(shí)時(shí)性要求；在MPEG－2編解碼過(guò)程中嵌入和提取水印信息，需要對(duì)現(xiàn)有的編解碼器要作修改，而且存在GoP（Group of Picture）的誤差積累，會(huì)降低視頻的質(zhì)量；直接在MPEG－2視頻流中嵌入和提取水印，不需要完全的解碼和再編碼過(guò)程，且計(jì)算復(fù)雜度低，但受壓縮比特率的限制，限定了嵌入水印容量大小。

通過(guò)上述對(duì)3種水印嵌入和提取策略的分析比較，結(jié)合數(shù)字電視播出監(jiān)控并不需要很大的水印容量，不難看出，采用低復(fù)雜度的策略3設(shè)計(jì)基于MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)壓縮域的視頻水印算法比較適合有線數(shù)字電視的播出監(jiān)測(cè)。

2.4 基于MPEG-2壓縮域的視頻水印技術(shù)

MPEG－2系統(tǒng)編解碼過(guò)程的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是是對(duì)視頻數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮過(guò)程。MPEG－2視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要使用了3種關(guān)鍵的壓縮技術(shù)：離散余弦變換DCT、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和Huffman編碼。在MPEG－2系統(tǒng)中存在5個(gè)檔次（Profile）和4個(gè)等級(jí)（Level），采用層次化結(jié)構(gòu)，自上到下分為圖像序列層、圖像組、圖像、像條、宏塊和塊。MPEG－2圖像的幀類(lèi)型分為I幀、B幀和P幀。塊（Block）是MPEG－2碼流層次結(jié)構(gòu)中的最小單元，也可以指DCT系數(shù)的編碼數(shù)據(jù)單元。

DCT是MPEG－2壓縮編碼的核心技術(shù)，目前大多數(shù)基于MPEG－2壓縮域的視頻水印算法都是通過(guò)對(duì)DCT量化系數(shù)的處理實(shí)現(xiàn)嵌入水印。二維DCT變換的定義為

根據(jù)DCT變換的原理，圖像經(jīng)過(guò)二維DCT變換后，DCT系數(shù)中的低頻DC系數(shù)（直流分量）集中了信號(hào)的大部分能量，其幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高頻AC系數(shù)（交流分量）。低頻系數(shù)是視覺(jué)系統(tǒng)感知上重要的分量，結(jié)合人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)模型（HVS），將水印嵌入到DCT域的DC系數(shù)比AC系數(shù)更有助于水印的穩(wěn)健性[4]。

視頻水印的嵌入點(diǎn)一般選擇視頻的I幀數(shù)據(jù)，因?yàn)樵贛PEG－2系統(tǒng)中，P幀和B幀都是幀間預(yù)測(cè)編碼，只對(duì)部分像素進(jìn)行編碼，而I幀是幀內(nèi)編碼，幀內(nèi)全部像素都將進(jìn)行編碼，因此I幀的數(shù)據(jù)是最完整的，使得可以嵌入的水印容量較大，所以選擇I幀作為水印信息嵌入的載體。圖像組GoP的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀一定是I幀，所以利用圖像組頭標(biāo)記（group_start code）和圖像標(biāo)記（picture start_code）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)I幀數(shù)據(jù)的查找。水印編碼器對(duì)接收到的MPEG－2節(jié)目流進(jìn)行解壓縮并提取出用于嵌入水印信息的I幀數(shù)據(jù)，在I幀數(shù)據(jù)的亮度分量DCT量化系數(shù)中嵌入水印信息，然后將嵌入了水印信息的I幀數(shù)據(jù)重新打包成符合MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)的視頻流。

水印信號(hào)的組成主要包括節(jié)目PID和時(shí)間標(biāo)簽，不同的節(jié)目PID唯一對(duì)應(yīng)不同的數(shù)字媒體內(nèi)容，時(shí)間標(biāo)簽在MPEG－2節(jié)目復(fù)用輸出時(shí)實(shí)時(shí)嵌入。水印檢測(cè)器通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的節(jié)目PID和時(shí)間標(biāo)簽信息的處理，可以構(gòu)成各種播出監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)。

3 視頻水印技術(shù)在數(shù)字電視監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 數(shù)字電視節(jié)目版權(quán)保護(hù)

視頻水印技術(shù)作為目前數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域最有效的技術(shù)手段之一[5]，也可以應(yīng)用于數(shù)字電視節(jié)目版權(quán)保護(hù)。國(guó)內(nèi)的廣電運(yùn)營(yíng)商普遍采用基于DVB端到端加密的條件接收系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視節(jié)目傳輸過(guò)程中的加密保護(hù)。但是，在用戶終端，失去CA系統(tǒng)的保護(hù)，解密后的數(shù)字媒體內(nèi)容便可以任意的拷貝和傳播，給廣電運(yùn)營(yíng)商造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重制約了數(shù)字電視業(yè)務(wù)的健康發(fā)展。

當(dāng)電視節(jié)目播出時(shí)，代表運(yùn)營(yíng)商版權(quán)的水印信號(hào)被實(shí)時(shí)嵌入到數(shù)字電視節(jié)目中，同時(shí)，與嵌入水印相關(guān)的信息（節(jié)目PID、節(jié)目頻道安排等）被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以對(duì)機(jī)頂盒解密后的多媒體內(nèi)容提供進(jìn)一步保護(hù)。在監(jiān)測(cè)端，用水印檢測(cè)器提取出嵌入的原始水印，在發(fā)生盜版行為和版權(quán)糾紛時(shí)，可以證明對(duì)該數(shù)字媒體內(nèi)容的所有權(quán)，并可以作為侵權(quán)訴訟的證據(jù)。

3.2 前端信號(hào)源傳輸安全監(jiān)控

有線電視網(wǎng)絡(luò)前端的信號(hào)源主要包括省傳光纖信號(hào)、微波信號(hào)，衛(wèi)星信號(hào)和本地自辦節(jié)目信號(hào)。對(duì)于地方衛(wèi)視節(jié)目，一般都是通過(guò)衛(wèi)星鏈路進(jìn)行傳輸?shù)模捎谛l(wèi)星信號(hào)是開(kāi)路空間傳輸，上行鏈路容易受到惡意干擾、攔截、非法插播。

目前，各級(jí)廣電運(yùn)營(yíng)商都已經(jīng)建立了安全播出監(jiān)控系統(tǒng)，并安排值班人員24 h監(jiān)看。但是，目前的監(jiān)控系統(tǒng)都是針對(duì)電視節(jié)目播出信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，而針對(duì)非法插播的內(nèi)容監(jiān)控仍需要人為的操作，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源內(nèi)容的監(jiān)控。基于視頻水印的數(shù)字電視安全播出監(jiān)控系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源節(jié)目?jī)?nèi)容的自動(dòng)監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

在衛(wèi)星節(jié)目發(fā)射上星傳輸之前，先通過(guò)視頻水印編碼器對(duì)播放的全頻道電視圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字水印嵌入，開(kāi)路空間的衛(wèi)星傳輸過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遭到惡意攻擊，在接收衛(wèi)星節(jié)目的有線電視前端安裝視頻水印解碼器，對(duì)接收的衛(wèi)星信號(hào)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水印特征標(biāo)，如果特征標(biāo)丟失，可以告警值班人員并采取手動(dòng)或自動(dòng)應(yīng)急切換系統(tǒng)切換到墊播信號(hào)防止非法信號(hào)的播出。借助視頻水印技術(shù)進(jìn)行內(nèi)容自動(dòng)監(jiān)控，不僅可以減輕監(jiān)控人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)大大提高監(jiān)控質(zhì)量。

3.3 傳輸分配網(wǎng)信號(hào)的監(jiān)控

廣電運(yùn)營(yíng)商僅僅對(duì)前端信號(hào)源進(jìn)行監(jiān)控是不夠的，由于HFC網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是星型結(jié)構(gòu)和樹(shù)形結(jié)構(gòu)，因此很容易被不法分子利用這種結(jié)構(gòu)的缺陷，在很多地市都曾經(jīng)發(fā)生過(guò)針對(duì)有線電視網(wǎng)絡(luò)某個(gè)覆蓋區(qū)域非法插播的事件。數(shù)字電視整轉(zhuǎn)后，很多城中村居民為了逃避繳納有線電視基礎(chǔ)收視費(fèi)，非法搭建電視播出小前端；區(qū)、縣等二級(jí)廣電運(yùn)營(yíng)商為了自身利益在電視節(jié)目中私自插播廣告，這些行為都嚴(yán)重地?fù)p害了廣電運(yùn)營(yíng)商的利益。部署數(shù)字電視水印監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在傳輸分配網(wǎng)的不同地理位置上放置眾多的水印監(jiān)測(cè)終端，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有線電視網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的全面監(jiān)控，如圖4所示。

在前端機(jī)房，信號(hào)在送入HFC網(wǎng)傳輸前先通過(guò)水印編碼器嵌入水印信息，再送往干線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分配傳輸，電視信號(hào)在傳輸分配過(guò)程中可能會(huì)受到各種干擾和攻擊，在接收端（或監(jiān)控端），將信號(hào)送入水印解碼器進(jìn)行水印檢測(cè)，若能檢測(cè)到水印，表明是合法信號(hào)。若檢測(cè)不到水印或檢測(cè)到的水印與原始水印不相干，則提示信號(hào)是非法信號(hào)，并發(fā)出警告通知相關(guān)人員進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

視頻水印技術(shù)應(yīng)用于有線數(shù)字電視業(yè)務(wù)中，可以有效地解決廣電運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展有線數(shù)字電視業(yè)務(wù)中數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)、數(shù)字媒體安全播出等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，保證數(shù)字電視業(yè)務(wù)的正常開(kāi)展，是目前公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)數(shù)字內(nèi)容版權(quán)保護(hù)的最有效解決方案之一。

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[2]伍宏濤，張立和.視頻水印技術(shù)發(fā)展分析[J].電視技術(shù)，2003，27（8）:70－72.

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