面向音視頻數字檔案的水印技術研究

馬林聯 羅為榮 趙麗玲 李章兵 向德生 葛昆

1、前言

檔案信息化是指利用數據庫技術、數據壓縮技術、高速掃描技術等技術手段，將紙質文件、聲音、圖像、影像等傳統介質文件和已歸檔保存的電子檔案，系統組織成具有有序結構的檔案信息庫。數字檔案的使用既可以保護原始檔案，又能方便公民查閱，但同時也產生了數字檔案的保護問題。由于數字化產品可以毫無損失的復制、存儲，甚至重新生成，從而數字檔案的非法獲取也更為容易。這就迫切地需要對這些數字化的檔案進行有效的保護。使用數字水印技術在數字檔案中加入水印信息，一方面可以防止其它團體或個人非法使用該數字檔案或對該數據檔案宣稱擁有版權;另一方面可以防止偽造數字檔案。

2、特點

數字音視頻水印技術橫跨了信號處理、數字通信、密碼學、模式識別等多種學科。數字音視頻水印技術就是在不影響原始音視頻信號聽覺和視覺質量的前提下，通過一定的算法向數字音視頻信號中嵌入易于提取的秘密信息的過程。根據應用目的的不同，被嵌入的信息可以是具有特定意義的信息，如：作者的序列號、單位標志或有特殊意義的文本;可以是用來識別音視頻作品的來源、版本、創作者、發行者、所有者以及合法使用者對該作品的所有權的標識符;也可以是不具有任何特定含義的字符串或隨機序列，用來進行數字音頻作品的完整性認證。水印與原始音視頻數據緊密結合并隱藏在其中，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。因此，數字水印技術不僅在驗證數字檔案真實性和完整性上發揮著重要作用，還在檔案工作的信息追蹤、媒體宣傳和防止偽造上有著不可估量的作用。

3、研究內容

針對目前國內外音視頻數字水印算法所存在的缺點和問題，主要研究以下內容：

（1）水印信息生成：水印可由多種模型構成，如偽隨機序列、數字標識、文本以及圖像等，研究擴頻原理，設計包含音視頻作品的來源、版本、創作者、發行者、所有者的水印信息，并采取加密和認證機制。

（2）嵌入位置：研究音視頻文件格式與編碼特性，研究水印嵌入在原始音視頻信號的時域還是頻域及位置，如頻域的高頻系數還是低頻系數，將脆弱水印嵌入到感知不重要的高頻分量中。研究在視頻MPEG-4壓縮編碼中進行可逆半脆弱水印的嵌入方法，在I幀、P幀、B幀嵌入能夠篡改定位的可逆脆弱水印;研究運動矢量對視頻嵌入水印的作用。

（3）內嵌強度：研究水印的魯棒性和透明性（不可覺察性），綜合考慮并恰當選取內嵌強度，增強水印抵抗攻擊的能力，同時保證原音視頻信號的質量。研究低頻混合域系數兩級矢量量化的多重水印方案;避免魯棒水印和脆弱水印間的相互干擾。

（4）水印的提取與檢測：研究混沌映射與小波域變換理論，研究混沌相變檢測微弱有用信號的方法、應用混沌振子相變檢測技術的快速檢測算法，研究利用最大相似序列向量檢測水印的方法盲提取過程。

（5）研究相應的數字水印攻擊方法，改進水印算法抵抗仿射變換、濾波、重采樣、色彩抖動和有損壓縮的魯棒性。

（6）水印算法的透明性和魯棒性評估：研究各種不同的評估標準和評估軟件，對設計的水印算法進行評估。

4. 關鍵技術

（1）音視頻線性預測系數矢量量化;圖像宏塊與邊緣檢測問題;

（2）保持小的峰值信噪比損失PSNR 值<40dB，獲得較好的視聽效果和透明性;

（3）音視頻水印的多重嵌入，對于刪幀攻擊和篡改定位的魯棒性保持問題;

（4）音頻與視頻水印盲檢測的重同步問題;

（5）含水印音頻或視頻的差錯掩蓋補償算法。

5. 研究具體措施

（1）分析音視頻文件格式與壓縮編碼標準、分析人類聽覺與視覺掩蔽特性;

（2）探討現有與音視頻相關的數字水印技術（如DCT、DFT、DWT），用混沌序列確定水印嵌入位置，結合均值量化技術對水印在小波域進行嵌入;總結相關技術的優缺點并相應提出改進方法。

（3）以水印透明性和魯棒性為目標，結合離散小波變換的多分辨率分析特性、離散余弦變換的能量壓縮特性以及高階累積量的高斯噪聲抑制特性，設計并實現音視頻數字水印的多重嵌入與盲檢測算法，在隱藏水印信息的同時，嵌入一個同步信號，使水印具有自同步能力。

（4）設計并實現針對含水印音視頻流的差錯掩蓋補償算法。利用編碼器中解碼的數據進行邊緣檢測確定邊緣塊與非邊緣塊，選擇P幀中具有最大運動矢量幅值的宏塊嵌入水印，給出編解碼器嚴格的補償方案。

（5）構建實驗平臺，將嵌入算法、差錯掩蓋算法和盲檢測算法集成起來進行綜合測試試驗。

（6）研究音視頻水印的攻擊算法和評估標準，對實現的算法和系統進行攻擊測試和評估。用水印測試標準軟件用來測試水印方案的魯棒性，如unzing、Certimark等，根據實驗結果，分析和改進水印算法的性能和安全影響。

6.結語

目前數字水印技術研究有了比較健全的理論體系，但音頻和視頻水印技術的研究還不甚成熟，存在著很多困難，對音視頻水印的評估沒有一個完全統一的標準，特別是水印的安全性研究還有待提高;音視頻水印技術在檔案數字化上的應用更少。因此，開展針對音視頻的水印技術研究對檔案數字化具有重要的現實意義。

貴州省檔案局科研項目

（作者單位：貴州輕工職業技術學院，湖南科技大學）