神马文学网数字水印技术 广电
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/18 23:56:23
数字水印技术及在广电行业的应用
一 面临的形势
多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性。数字技术的迅速发展和广泛应用，互联网、电信移动网络等新兴传输方式和手机、机顶盒、电脑等多媒体终端极大地拓展了数字媒体的传输范围。人们可以通过Internet网发布自己的作品，传递重要信息，进行网络贸易等。但是由于数字媒体易于无损拷贝和分发的特点，其暴露出的问题也越来越明显：作品侵权更加容易，篡改更加方便。如何进行数字媒体知识产权保护，已经越来越受到人们的高度重视。虽然广播电视行业目前普遍采用的成熟条件接收系统可以解决数字媒体内容安全传递和访问控制，但是一旦解密后，数字媒体内容便可以随意的被拷贝、传播，给内容提供商造成了巨大损失，从而制约着数字媒体应用的进行。内容提供商、内容分发商和用户整个环节目前都在探讨能够保护各个环节利益的技术和模型，数字水印技术作为一种新兴技术在广播电视行业将有很广泛的应用前景。
二 数字水印技术介绍
数字水印作为数字媒体版权保护的一种关键技术和解决手段，最近几年成为了商业界和学术界共同关注的热点,该技术也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。数字水印技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。它通过在原始数据中嵌入秘密信息——水印（watermark）来证实该数据的所有权。被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等，这些信息一般包含数字媒体的出处、状态以及目的等信息，可以用来证明原作者的所有权以及鉴别真伪等。
水印通常是不可见或不可察，它与原始数据（如图像、音频、视频数据等）紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。数字水印是嵌在数字产品中的数字信号，水印的存在要以不破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。
三 数字水印的特点
数字水印具有以下基本特征：
* 隐蔽性：在多媒体数据中嵌入数字水印不会造成图像或声音主观质量的明显下降，且不易被觉察；
* 安全性：水印一旦嵌入到多媒体数据中，具有很强的对抗非法控制、检测和破解的能力；
* 鲁棒性：在不破坏多媒体主观质量的前提下，对多媒体数据经过有意或无意的操作后，数字水印仍能保持完整性并能被鉴别出来。这些操作包括所有可能的信号处理，如加入信号、滤波、剪切、编码，也包括所有未经授权的恶意攻击。这是版权保护的一项关键特征。
* 自恢复性：经过一些操作或变换后，可能会使原图产生较大的破坏，所谓自恢复性是指能从留下的片段数据恢复隐藏信号，而且恢复过程不需要宿主信号。
在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性是一对矛盾。从主观上讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。但在实际应用中，这两个指标往往不能同时实现，不过这并不会影响数字水印技术的应用，因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信，数据量显然是最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小，因而对鲁棒性要求不高。若是保证数据安全，则情况恰恰相反，由于各种保密的数据随时可能被盗取和篡改，所以鲁棒性变得十分重要，隐藏数据量的要求退到了次要地位。
数字水印技术除具备信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和研究方法。例如，从信息安全的保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉，系统可以视为安全的，因为秘密信息并未泄露；但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系统就是失败的。因此数字水印技术必须具有较强的鲁棒性，安全性，同时对媒体内容影响要在主观评价下不影响内容本身的使用。
四 数字视频水印嵌入与检测
数字水印技术通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的感知系统觉察或注意到。与传统的加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播，鉴别真伪，解决版权纠纷并为法庭提供认证证据。为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密体系来加强，在水印嵌入、提取时采用一种密钥，甚至几种密钥联合使用。水印嵌入和提取的一般方法如图１所示
视频数字水印设计应考虑的几个方面：
* 水印容量：嵌入的水印信息必须足以标识多媒体内容的购买者或所有者；
* 不可察觉性：嵌入在视频数据中的数字水印应该不可见或不可察觉；
* 鲁棒性：押在不明显降低视频质量的条件下，水印很难除去；
* 盲检测：水印检测时不需要原始视频，因为保存所有的原始视频几乎是不可能的；
* 篡改提示：当多媒体内容发生改变时，通过水印提取算法，能够敏感地检测到原始数据是否被篡改。
在现有的数字视频编解码系统中进行视频水印的嵌入与提取方案分为以下三种方法，各种方法具有其各自特点，如图2所示。
视频水印嵌入方案一
水印直接嵌入在原始视频流中。此类方案的优点是：水印嵌入的方法较多，原则上数字图像水印方案均可应用于此。缺点是：
* 会增加视频码流的数据比特率；
* 经MPEG有损压缩后会丢失水印；
* 会降低视频质量；
* 对于已压缩的视频，需先进行解码，然后嵌入水印，再重新编码。
视频水印嵌入方案二
水印嵌入在编码阶段的离散余弦变换（DCT）的直流系数（DC）中（量化后、预测前）。此类方案的优点是：
* 水印仅嵌入在DCT系数中，不会增加视频流的数据比特率；
* 易设计出抗多种攻击的水印；
* 可通过自适应机制依据人的视觉特性进行调制，在得到较好的主观视觉质量的同时得到较强的抗攻击能力。
缺点是对于已压缩的视频，有一个部分解码、嵌入、再编码的过程。
视频水印嵌入方案三
水印直接嵌入在MPEG压缩比特流中。优点是不需完全解码和再编码的过程，对整体视频信号的影响较小。缺点是：
* 视频系统对视频压缩码率的约束将限制水印的嵌入量；
* 水印的嵌入可能造成对视频解码系统中运动补偿环路的不良影响；
* 该类算法设计具有一定的复杂度。
五 数字水印技术在广电行业应用
基于数字水印技术数据隐藏、与内容相关的特点，在广播行业有多种可行应用，可以在内容制作、内容播出、内容消费这些产业链环节环节使用。应用数字水印技术主要目的在于版权标识、加指纹、防篡改、访问控制、使用控制和安全播出等：
1. 版权标识
电脑美术、数字音乐、三维动画等数字作品的版权保护问题是当前的热点之一。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以用一般的方法难以保护数字作品的知识产权。
“数字水印”利用数据隐藏原理可使版权标志不可见或不可听，达到既不损害原作品，又保护了版权的目的。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能。
2. 加指纹
为避免未经授权的拷贝制作和发行，出品人可以将不同用户的ID或序列号作为不同的水印（指纹）嵌入作品的合法拷贝中。一旦发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的合法拥有者，这也是版权保护的一种手段。
3. 声像数据的隐藏标识和篡改提示
数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、经/纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。
数据的篡改提示也是十分重要的。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知，因此，如何防范对图像、录音、录像数据的篡改攻击是十分重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的一种理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。为实现该目的，通常可将原始图像分成多个独立块，再将每个块加入不同的水印，通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原始数据。
4. 使用控制
这种应用的一个典型的例子是DVD防拷贝系统，即将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性，从而保护制造商的商业利益。也可以应用于VOD视频点播，或者因特网中视频下载服务等。
5. 安全播出
广播电视媒体是党和政府喉舌，当前“安全播出”在广播电视行业中具有头等重要地位，数字水印技术可为安全播出提供技术解决方案。在非法信号攻击卫星的情况时有发生情况下，安全播出的根本解决方法是对卫星信号源进行敌我判断。这就需要对信号进行某种“标识”，作为信号身份的识别。基于数字水印技术的特点，可以采用与码流内容特征相关的“水印”作为信号身份标识，嵌入到播出信号源码流中。这种标识是利用数据隐藏原理，在数字通道的码流中加入与播出内容相关的“水印”，“水印”是通过某种算法实时生成并嵌入到码流中。在接收端可以通过“水印”提取，根据码流中是否存在“水印”以及“水印”是否是按照加入时与码流内容对应就可以判断接收信号源的合法性，如果检测发现不合法，就立即采取相应的措施切断或切换播出信号。这种技术方案的性能是与水印加入大小和算法有关，完全可以做优化选择满足“安全播出”的需求。
一 面临的形势
多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性。数字技术的迅速发展和广泛应用，互联网、电信移动网络等新兴传输方式和手机、机顶盒、电脑等多媒体终端极大地拓展了数字媒体的传输范围。人们可以通过Internet网发布自己的作品，传递重要信息，进行网络贸易等。但是由于数字媒体易于无损拷贝和分发的特点，其暴露出的问题也越来越明显：作品侵权更加容易，篡改更加方便。如何进行数字媒体知识产权保护，已经越来越受到人们的高度重视。虽然广播电视行业目前普遍采用的成熟条件接收系统可以解决数字媒体内容安全传递和访问控制，但是一旦解密后，数字媒体内容便可以随意的被拷贝、传播，给内容提供商造成了巨大损失，从而制约着数字媒体应用的进行。内容提供商、内容分发商和用户整个环节目前都在探讨能够保护各个环节利益的技术和模型，数字水印技术作为一种新兴技术在广播电视行业将有很广泛的应用前景。
二 数字水印技术介绍
数字水印作为数字媒体版权保护的一种关键技术和解决手段，最近几年成为了商业界和学术界共同关注的热点,该技术也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。数字水印技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。它通过在原始数据中嵌入秘密信息——水印（watermark）来证实该数据的所有权。被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等，这些信息一般包含数字媒体的出处、状态以及目的等信息，可以用来证明原作者的所有权以及鉴别真伪等。
水印通常是不可见或不可察，它与原始数据（如图像、音频、视频数据等）紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。数字水印是嵌在数字产品中的数字信号，水印的存在要以不破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。
三 数字水印的特点
数字水印具有以下基本特征：
* 隐蔽性：在多媒体数据中嵌入数字水印不会造成图像或声音主观质量的明显下降，且不易被觉察；
* 安全性：水印一旦嵌入到多媒体数据中，具有很强的对抗非法控制、检测和破解的能力；
* 鲁棒性：在不破坏多媒体主观质量的前提下，对多媒体数据经过有意或无意的操作后，数字水印仍能保持完整性并能被鉴别出来。这些操作包括所有可能的信号处理，如加入信号、滤波、剪切、编码，也包括所有未经授权的恶意攻击。这是版权保护的一项关键特征。
* 自恢复性：经过一些操作或变换后，可能会使原图产生较大的破坏，所谓自恢复性是指能从留下的片段数据恢复隐藏信号，而且恢复过程不需要宿主信号。
在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性是一对矛盾。从主观上讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。但在实际应用中，这两个指标往往不能同时实现，不过这并不会影响数字水印技术的应用，因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信，数据量显然是最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小，因而对鲁棒性要求不高。若是保证数据安全，则情况恰恰相反，由于各种保密的数据随时可能被盗取和篡改，所以鲁棒性变得十分重要，隐藏数据量的要求退到了次要地位。
数字水印技术除具备信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和研究方法。例如，从信息安全的保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉，系统可以视为安全的，因为秘密信息并未泄露；但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系统就是失败的。因此数字水印技术必须具有较强的鲁棒性，安全性，同时对媒体内容影响要在主观评价下不影响内容本身的使用。
四 数字视频水印嵌入与检测
数字水印技术通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的感知系统觉察或注意到。与传统的加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播，鉴别真伪，解决版权纠纷并为法庭提供认证证据。为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密体系来加强，在水印嵌入、提取时采用一种密钥，甚至几种密钥联合使用。水印嵌入和提取的一般方法如图１所示
视频数字水印设计应考虑的几个方面：
* 水印容量：嵌入的水印信息必须足以标识多媒体内容的购买者或所有者；
* 不可察觉性：嵌入在视频数据中的数字水印应该不可见或不可察觉；
* 鲁棒性：押在不明显降低视频质量的条件下，水印很难除去；
* 盲检测：水印检测时不需要原始视频，因为保存所有的原始视频几乎是不可能的；
* 篡改提示：当多媒体内容发生改变时，通过水印提取算法，能够敏感地检测到原始数据是否被篡改。
在现有的数字视频编解码系统中进行视频水印的嵌入与提取方案分为以下三种方法，各种方法具有其各自特点，如图2所示。
视频水印嵌入方案一
水印直接嵌入在原始视频流中。此类方案的优点是：水印嵌入的方法较多，原则上数字图像水印方案均可应用于此。缺点是：
* 会增加视频码流的数据比特率；
* 经MPEG有损压缩后会丢失水印；
* 会降低视频质量；
* 对于已压缩的视频，需先进行解码，然后嵌入水印，再重新编码。
视频水印嵌入方案二
水印嵌入在编码阶段的离散余弦变换（DCT）的直流系数（DC）中（量化后、预测前）。此类方案的优点是：
* 水印仅嵌入在DCT系数中，不会增加视频流的数据比特率；
* 易设计出抗多种攻击的水印；
* 可通过自适应机制依据人的视觉特性进行调制，在得到较好的主观视觉质量的同时得到较强的抗攻击能力。
缺点是对于已压缩的视频，有一个部分解码、嵌入、再编码的过程。
视频水印嵌入方案三
水印直接嵌入在MPEG压缩比特流中。优点是不需完全解码和再编码的过程，对整体视频信号的影响较小。缺点是：
* 视频系统对视频压缩码率的约束将限制水印的嵌入量；
* 水印的嵌入可能造成对视频解码系统中运动补偿环路的不良影响；
* 该类算法设计具有一定的复杂度。
五 数字水印技术在广电行业应用
基于数字水印技术数据隐藏、与内容相关的特点，在广播行业有多种可行应用，可以在内容制作、内容播出、内容消费这些产业链环节环节使用。应用数字水印技术主要目的在于版权标识、加指纹、防篡改、访问控制、使用控制和安全播出等：
1. 版权标识
电脑美术、数字音乐、三维动画等数字作品的版权保护问题是当前的热点之一。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以用一般的方法难以保护数字作品的知识产权。
“数字水印”利用数据隐藏原理可使版权标志不可见或不可听，达到既不损害原作品，又保护了版权的目的。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能。
2. 加指纹
为避免未经授权的拷贝制作和发行，出品人可以将不同用户的ID或序列号作为不同的水印（指纹）嵌入作品的合法拷贝中。一旦发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的合法拥有者，这也是版权保护的一种手段。
3. 声像数据的隐藏标识和篡改提示
数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、经/纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。
数据的篡改提示也是十分重要的。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知，因此，如何防范对图像、录音、录像数据的篡改攻击是十分重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的一种理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。为实现该目的，通常可将原始图像分成多个独立块，再将每个块加入不同的水印，通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原始数据。
4. 使用控制
这种应用的一个典型的例子是DVD防拷贝系统，即将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性，从而保护制造商的商业利益。也可以应用于VOD视频点播，或者因特网中视频下载服务等。
5. 安全播出
广播电视媒体是党和政府喉舌，当前“安全播出”在广播电视行业中具有头等重要地位，数字水印技术可为安全播出提供技术解决方案。在非法信号攻击卫星的情况时有发生情况下，安全播出的根本解决方法是对卫星信号源进行敌我判断。这就需要对信号进行某种“标识”，作为信号身份的识别。基于数字水印技术的特点，可以采用与码流内容特征相关的“水印”作为信号身份标识，嵌入到播出信号源码流中。这种标识是利用数据隐藏原理，在数字通道的码流中加入与播出内容相关的“水印”，“水印”是通过某种算法实时生成并嵌入到码流中。在接收端可以通过“水印”提取，根据码流中是否存在“水印”以及“水印”是否是按照加入时与码流内容对应就可以判断接收信号源的合法性，如果检测发现不合法，就立即采取相应的措施切断或切换播出信号。这种技术方案的性能是与水印加入大小和算法有关，完全可以做优化选择满足“安全播出”的需求。
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