面向水印嵌入與提取的廣播電視信號檢測技術

蔡 偉

（廣東省信宜732 臺，廣東 茂名 525300）

0 引言

廣播電視是一種廣泛傳播信息和娛樂的重要媒體形式，面臨著內容完整性、版權保護和信號篡改等問題。隨著數字技術的不斷發展，數字水印技術作為一種隱蔽、穩定的信息嵌入和提取方法，逐漸成為解決這些問題的有力工具。

數字水印技術是一種將額外信息嵌入到多媒體數據中的方法，不影響數據的可視或聽覺質量。這種額外信息可以用于標識內容的版權信息，進行內容完整性驗證，甚至用于未經授權廣告插播檢測。廣播電視信號中的數字水印技術具有廣泛的應用，從版權保護到廣告監測再到內容完整性驗證，都能夠獲得顯著的收益。本文將重點探討廣播電視信號中的數字水印技術，包括水印的嵌入和提取過程，以及具體的算法應用。

1 數字水印技術概述

數字水印技術是一種強大的信息隱藏技術，可將不可見的標識符嵌入數字媒體文件中，以實現多種應用目的。數字水印通常以數字形式存在，可以是文本、圖像、音頻或視頻等數據。而在嵌入水印后，媒體文件的外觀或聽取質量不應受到顯著影響[1]。

數字水印的基本原理涉及不同的技術方法，包括頻域技術、時域技術和變換域技術。頻域技術通常用于修改圖像或音頻的頻譜，以隱藏信息。例如，將水印信息嵌入到特定頻率或幅度范圍內。時域技術通過微調媒體文件的樣本值來嵌入信息，通常采用微小的振幅變化或相位移位。變換域技術使用數學變換如傅里葉變換或小波變換，將水印信息嵌入媒體文件的變換域中。密鑰管理也是數字水印系統的重要組成部分，用于控制嵌入和提取過程，確保只有知道密鑰的人才能成功提取數字水印信息。

2 廣播電視信號中的水印嵌入

2.1 SURF 算法

加速穩健特征（Speeded Up Robust Features，SURF）是一種用于圖像特征提取和匹配的算法，是在計算機視覺領域廣泛應用的一種特征描述算子。SURF 特征描述算子的主要特點包括速度快、健壯性強，適用于實時圖像處理和物體識別任務[2]。該算法的應用涉及多個步驟，包括特征點檢測、關鍵點方向計算以及特征描述子生成等。

進行水印嵌入時，需要利用SURF 算法獲得嵌入水印的低頻子帶的特征點和特征描述子。特征點提取過程中，SURF 算法利用Hessian 矩陣來估計圖像中的關鍵點[3]，其計算公式為

式中：p表示圖像中的某一點，σ表示尺度參數，Lxx(p,σ)、Lyy(p,σ)、Lxy(p,σ)分別表示在點p處、尺度為σ時，對圖像進行兩次x方向、兩次y方向、x方向和y方向的高斯平滑后再進行2 階偏導數計算。

利用近似值來加速高斯卷積的計算。這些近似值分別為Dxx、Dxy、Dyy。再利用式（2）進行行列式的代替和計算。當式（2）取得局部極大值，即可判定關鍵點。

根據確定的關鍵點，將其周圍鄰域分成4×4子塊，并計算子塊像素水平、垂直方向的Haar 小波特征，生成每個子塊的4 維特征向量，計算公式為

式中：dx、dy表示像素水平、垂直小波特征。4×4個子塊的所有特征向量構成了特征點的特征描述子，其維度為4×4×4=64。

2.2 嵌入流程

水印嵌入流程如圖1 所示，具體步驟如下。

圖1 廣播電視信號水印嵌入流程

（1）從原始廣播電視信號中利用幀差法選擇關鍵幀。當連續幀之間幀差最小，可確定這些幀為關鍵幀，以矩陣P的形式表示，P(i,j)便是對應像素點的像元值，尋找幀差的公式為

式中：Fd表示幀差，Fm+1、Fm表示第m+1、m時間點的幀。

（2）對關鍵幀P進行二級離散小波變換，以獲得低頻子帶（LL2），并提取小波系數C(i)，對第一重水印（合法性水印）進行利用Arnold 加密處理，加入公式為

加密后嵌入到C(i)，并獲取嵌入水印之后的小波系數C'(i)，嵌入公式為

式中：α表示嵌入的第一重水印（合法性水印）強度，f(*)表示水印信息加密函數。

（3）利用SURF 算法獲得嵌入水印的低頻子帶的特征點和特征描述子，并將其所構成的特征矩陣A進行奇異值分解[4]，奇異值分解公式為

式中：n、m分別表示特征矩陣中特征點個數、行向量，m=64。將分解后的對角矩陣S的前10%作為第二重完整性水印W2。

（4）將步驟（2）中獲取的低頻子帶再次進行二級離散小波逆變換，獲取含有第一重水印（合法性水印）幀，利用奇異值分解將第二重水印（完成性水印）嵌入，得到雙重水印幀P"。

式中：β表示第二重水印（完成性水印）嵌入強度。

（5）將雙重水印幀P"插入到原廣播電視信號中。至此，完成水印的嵌入。

3 水印提取與檢測

水印提取與檢測流程如圖2 所示。首先，獲取包含水印的廣播電視信號并選取關鍵幀，對選定的關鍵幀進行二級離散小波變換，以得到低頻子帶，提取小波系數，在關鍵幀選取的過程中通過奇異值分解獲取理論完整性水印。其次，從得到的低頻子帶中提取水印，驗證其合法性，利用SURF 算法、奇異值分解獲取實際完整性水印，檢測對比理論完整性水印與實際完整性水印。最后，根據對比結果，判斷信號是否完整、被篡改、被攻擊。具體步驟如下。

圖2 水印提取與檢測流程

（1）根據接收到的含有水印信號的關鍵信息，確定含有水印關鍵幀的位置、S"、α、β、f(*)等參數。

（2）對提取出的關鍵幀進行二級離散小波逆變換，根據加密公式（5）、嵌入公式（6）進行逆推，獲取第一重水印（合法性水印）。

（3）利用SURF 算法獲得嵌入水印的低頻子帶的特征點和特征描述子，并將其所構成的特征矩陣A進行奇異值分解，將分解后的對角矩陣的前10%作為提取出的第二重完整性水印S*（實際提取的完整性水印）。

（4）將接收到的含有水印信號的原始圖像進行奇異值分解，獲取第二重完整性水印S*'（理論完整性水印）為

（5）設定并計算S*與S*'之間歐式距離閾值k。當計算出的歐式距離大于設定的閾值k時，則可判定廣播電視信號受到了攻擊。計算公式為

4 功能分析

面向水印嵌入與提取的廣播電視信號檢測技術具有兩個重要功能：一是插播信號檢測，二是信號篡改檢測[5]。

插播信號檢測是一項至關重要的任務，旨在識別和驗證廣播信號中的未經授權插播內容，如廣告、商業標識和其他不相關信息。這個技術的重要性在于確保廣告合法性和版權保護。它能夠檢測并監測未經授權的廣告插播，確保廣告內容的合法性，驗證廣播節目中的商業廣告和品牌標識，以確保它們遵守廣告協議和版權法規。一旦檢測到未經授權插播信號，系統將記錄相關事件信息并通知廣播電視運營商，以采取適當措施來維護廣播內容的完整性。此外，這個技術還記錄檢測到的事件，生成報告以供后續分析，為廣播業務的決策提供有用信息。

信號篡改檢測技術旨在確保廣播電視信號的完整性和品質，以抵御未經授權的編輯和篡改，包括對廣播電視信號的圖像和音頻進行分析，以檢測是否存在未經授權的編輯、篡改或丟失。此外，系統會檢查每個視頻幀的完整性，以避免在傳輸過程中的數據丟失或篡改，同時對音頻信號的完整性進行檢查，以確保聲音質量和完整性，以提供高質量的音頻體驗。如果檢測到信號被篡改，系統將觸發警報并嘗試恢復原始信號，或采取措施來制止篡改信號的傳播，維護廣播內容的質量和完整性。

5 結語

本文通過深入探討數字水印技術在廣播電視信號中的嵌入與提取過程以及相關的算法應用，為廣播電視行業的內容檢測提供參考。數字水印技術的應用，不僅可以幫助廣播電視行業維護廣告和節目的版權，確保信號的完整性，還能在未經授權廣告插播檢測和信號篡改檢測等方面發揮重要作用。隨著人工智能和大數據技術的發展，數字水印技術也可以與這些領域相結合，提供更加智能化的解決方案。