視頻水印技術(shù)在數(shù)字電視監(jiān)測中的應(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)國家廣電總局發(fā)布的《廣播影視科技“十五”計劃和2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃》，2015年中國將關(guān)閉有線電視模擬信號，全面實現(xiàn)數(shù)字電視的傳輸。中國廣播電視正經(jīng)歷著由模擬向數(shù)字體制過渡、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)，給廣電運營商帶來新的發(fā)展機(jī)遇，同時，也面臨著更多的挑戰(zhàn)。廣播電視媒體作為國家對內(nèi)對外宣傳的重要工具，保障安全播出一直是廣電運營商的一項長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強(qiáng)度的人工監(jiān)控方式，二是靠基于計算機(jī)錄像回放的“被動”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”式監(jiān)控方案，目前在歐洲實施的VIVA（Visual Identity and Verifica?tion Auditor）計劃已證明了數(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）其實就是一種信息隱藏技術(shù)，它的基本思想源于古代的密寫術(shù)。古希臘人將重要的軍事情報刻在木板上，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，而人們無法從表面上感知到水印的存在，只有通過專用的水印檢測器才可以檢測出隱藏的數(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）不可見性，在多媒體信號中嵌入數(shù)字水印不會造成圖像、音頻或視頻信號主觀質(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，對多媒體數(shù)據(jù)經(jīng)過有意或無意的操作后，數(shù)字水印仍能保持完整性并能被檢測出來；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)在視頻信號處理中的應(yīng)用，還應(yīng)該根據(jù)用戶對視頻觀看必須實時的客觀要求，具備實時實現(xiàn)性的特征，這就要求水印嵌入和提取算法的運算量不能太大，以保證視頻質(zhì)量的延時性要求。同時，視頻水印信息的檢測必須能夠保證隨時隨地在視頻流中的任何位置隨機(jī)地檢測出來。另外，視頻水印在嵌入時，還要考慮視頻數(shù)據(jù)采用的編碼標(biāo)準(zhǔn)，若水印信號與視頻信號采用了不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，嵌入的水印信號在視頻編碼過程中會嚴(yán)重失真[1]。

1.3 視頻水印技術(shù)的分類

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]?？傊?，視頻水印技術(shù)是基于研究對象和目的進(jìn)行分類的，并沒用固定的分類方法。

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)來判定兩個信號的相似性，而在圖像處理領(lǐng)域一般用歸一化的相關(guān)系數(shù)來衡量兩幅圖像的相似度。視頻水印的嵌入和提取都是同一個水印信號，因此，也可以用歸一化相關(guān)系數(shù)的數(shù)學(xué)模型來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，Y(i)是提取出來的水印信號，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

水印特征值通過設(shè)計好的嵌入算法計算后形成水印信號，經(jīng)過水印編碼器將水印信號嵌入到視頻數(shù)據(jù)流中，并根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境和加密級別采用相應(yīng)的密鑰體系進(jìn)行加密；嵌入了水印的視頻數(shù)據(jù)流在傳輸過程中可能會遭到各種針對視頻內(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出水印，若沒有解密密鑰，攻擊者無法從視頻數(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，以及視頻信號處理的一般過程，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變換計算時，其計算量也是相當(dāng)大的，很難保證視頻的實時性要求；在MPEG－2編解碼過程中嵌入和提取水印信息，需要對現(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程，且計算復(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。

通過上述對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。

2.4 基于MPEG-2壓縮域的視頻水印技術(shù)

MPEG－2系統(tǒng)編解碼過程的實質(zhì)其實就是是對視頻數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮過程。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、運動補(bǔ)償和Huffman編碼。在MPEG－2系統(tǒng)中存在5個檔次（Profile）和4個等級（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對DCT量化系數(shù)的處理實現(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)是視覺系統(tǒng)感知上重要的分量，結(jié)合人類視覺系統(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]。

視頻水印的嵌入點一般選擇視頻的I幀數(shù)據(jù)，因為在MPEG－2系統(tǒng)中，P幀和B幀都是幀間預(yù)測編碼，只對部分像素進(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）可以實現(xiàn)對I幀數(shù)據(jù)的查找。水印編碼器對接收到的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。

水印信號的組成主要包括節(jié)目PID和時間標(biāo)簽，不同的節(jié)目PID唯一對應(yīng)不同的數(shù)字媒體內(nèi)容，時間標(biāo)簽在MPEG－2節(jié)目復(fù)用輸出時實時嵌入。水印檢測器通過對檢測到的節(jié)目PID和時間標(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)。國內(nèi)的廣電運營商普遍采用基于DVB端到端加密的條件接收系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)字電視節(jié)目傳輸過程中的加密保護(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，給廣電運營商造成巨大的經(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，代表運營商版權(quán)的水印信號被實時嵌入到數(shù)字電視節(jié)目中，同時，與嵌入水印相關(guān)的信息（節(jié)目PID、節(jié)目頻道安排等）被存儲在數(shù)據(jù)庫中，可以對機(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)測端，用水印檢測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，可以證明對該數(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 前端信號源傳輸安全監(jiān)控

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

目前，各級廣電運營商都已經(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)都是針對電視節(jié)目播出信號質(zhì)量的監(jiān)測，而針對非法插播的內(nèi)容監(jiān)控仍需要人為的操作，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)無法實現(xiàn)對信號源內(nèi)容的監(jiān)控?；谝曨l水印的數(shù)字電視安全播出監(jiān)控系統(tǒng)則可以實現(xiàn)對信號源節(jié)目內(nèi)容的自動監(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，先通過視頻水印編碼器對播放的全頻道電視圖像信號進(jìn)行數(shù)字水印嵌入，開路空間的衛(wèi)星傳輸過程中經(jīng)常會遭到惡意攻擊，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，對接收的衛(wèi)星信號自動實時監(jiān)測水印特征標(biāo)，如果特征標(biāo)丟失，可以告警值班人員并采取手動或自動應(yīng)急切換系統(tǒng)切換到墊播信號防止非法信號的播出。借助視頻水印技術(shù)進(jìn)行內(nèi)容自動監(jiān)控，不僅可以減輕監(jiān)控人員勞動強(qiáng)度，同時大大提高監(jiān)控質(zhì)量。

3.3 傳輸分配網(wǎng)信號的監(jiān)控

廣電運營商僅僅對前端信號源進(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)生過針對有線電視網(wǎng)絡(luò)某個覆蓋區(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，非法搭建電視播出小前端；區(qū)、縣等二級廣電運營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害了廣電運營商的利益。部署數(shù)字電視水印監(jiān)測系統(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)測終端，可以實現(xiàn)對有線電視網(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，信號在送入HFC網(wǎng)傳輸前先通過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，電視信號在傳輸分配過程中可能會受到各種干擾和攻擊，在接收端（或監(jiān)控端），將信號送入水印解碼器進(jìn)行水印檢測，若能檢測到水印，表明是合法信號。若檢測不到水印或檢測到的水印與原始水印不相干，則提示信號是非法信號，并發(fā)出警告通知相關(guān)人員進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

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營商開展有線數(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)問題，保證數(shù)字電視業(yè)務(wù)的正常開展，是目前公認(rèn)的實現(xiàn)數(shù)字內(nèi)容版權(quán)保護(hù)的最有效解決方案之一。

[1]邵鳳蓮.數(shù)字水印在電視領(lǐng)域的應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2004（11）：77－80.

[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.

[3]劉祥權(quán).使用數(shù)字水印實現(xiàn)廣播電視節(jié)目的精確監(jiān)測[J].廣播與電視技術(shù)，2009（3）：135－137.

[4]徐先傳，張琦.一種基于DCT域的數(shù)字水印方案研究[J].微計算機(jī)世界，2007（12）：59－61.

[5]郭烽，張春田.應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)的視頻數(shù)字水印[J].電視技術(shù)，2001，25（6）：21－23.