视频水印技术在数字电视监测中的应用

2012-08-10卢燕明

电视技术 2012年10期

刘俊，卢燕明

（广东省广播电视网络股份有限公司珠海分公司，广东珠海 519002）

根据国家广电总局发布的《广播影视科技“十五”计划和2010年远景规划》，2015年中国将关闭有线电视模拟信号，全面实现数字电视的传输。中国广播电视正经历着由模拟向数字体制过渡、由单向广播向双向交互式转变，由基本业务向增值业务拓展的变革。数字电视技术的不断发展和“三网融合”的逐步推进，给广电运营商带来新的发展机遇，同时，也面临着更多的挑战。广播电视媒体作为国家对内对外宣传的重要工具，保障安全播出一直是广电运营商的一项长期而艰巨的政治任务和技术任务。传统“粗放式”的电视播出监控，一是靠低效率和高劳动强度的人工监控方式，二是靠基于计算机录像回放的“被动”监控方式。而基于数字视频水印技术的电视播出监控系统被认为是一种稳健的“主动”式监控方案，目前在欧洲实施的VIVA（Visual Identity and Verifica⁃tion Auditor）计划已证明了数字视频水印用于电视播出监控的有效性。

1 视频水印技术概述

1.1 视频水印技术的基本概念

数字水印技术（Digital Watermarking）其实就是一种信息隐藏技术，它的基本思想源于古代的密写术。古希腊人将重要的军事情报刻在木板上，然后用石蜡填平，收信方用火烤热木板将石蜡融化后，就可以看到隐藏在木板里的密信。

视频水印是指用数字信号处理的方法，在视频数据的冗余信息中嵌入版权标记，且不影响原始视频数据的质量，而人们无法从表面上感知到水印的存在，只有通过专用的水印检测器才可以检测出隐藏的数字水印信息。

1.2 视频水印技术的特征

数字水印作为一种信息隐藏技术，具有以下基本特征：1）不可见性，在多媒体信号中嵌入数字水印不会造成图像、音频或视频信号主观质量的明显下降；2）稳健性（Robust），在不严重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检测出来；3）抗攻击能力，嵌入的视频水印信息能够有效地抵抗各种有针对性的攻击行为，保证水印信息不被破解。

视频水印作为数字水印技术在视频信号处理中的应用，还应该根据用户对视频观看必须实时的客观要求，具备实时实现性的特征，这就要求水印嵌入和提取算法的运算量不能太大，以保证视频质量的延时性要求。同时，视频水印信息的检测必须能够保证随时随地在视频流中的任何位置随机地检测出来。另外，视频水印在嵌入时，还要考虑视频数据采用的编码标准，若水印信号与视频信号采用了不同的编码标准进行编码，嵌入的水印信号在视频编码过程中会严重失真[1]。

1.3 视频水印技术的分类

根据视频水印技术的不同研究领域和不同应用环境，可以有多种不同的分类方法。例如，按照视频水印在不同变换域的研究，可以分为空域水印、时域水印和频域水印等。而根据视频数据是否被压缩处理，可以分为压缩域与非压缩域的视频水印[2]。总之，视频水印技术是基于研究对象和目的进行分类的，并没用固定的分类方法。

2 视频水印技术的基本原理

2.1 视频水印的数学模型

工程应用数学上常用相关系数来判定两个信号的相似性，而在图像处理领域一般用归一化的相关系数来衡量两幅图像的相似度。视频水印的嵌入和提取都是同一个水印信号，因此，也可以用归一化相关系数的数学模型来判定提取出的视频水印与原始嵌入水印的相关性。归一化相关系数的定义为

式中：X(i)是原始嵌入水印信号，Y(i)是提取出来的水印信号，M表示水印容量。

2.2 视频水印的系统模型

视频水印的系统模型如图1所示。

图1 视频水印的系统模型

水印特征值通过设计好的嵌入算法计算后形成水印信号，经过水印编码器将水印信号嵌入到视频数据流中，并根据实际应用环境和加密级别采用相应的密钥体系进行加密；嵌入了水印的视频数据流在传输过程中可能会遭到各种针对视频内容的攻击；水印解码器只能在获取密钥的前提下，利用相应的水印提取算法检测出水印，若没有解密密钥，攻击者无法从视频数据中发现和修改水印。

2.3 视频水印的嵌入与提取

由于中国有线电视传输采用的是欧洲DVB－C标准，而DVB－C标准规定采用MPEG－2作为视频的压缩编码标准，所以下面主要探讨视频水印与MPEG－2压缩编码标准相结合的嵌入策略。

根据原始视频数据是否被压缩处理，以及视频信号处理的一般过程，视频水印的嵌入与提取可以有3种不同的策略，如图2所示。

图2 视频水印嵌入与提取策略对比

将水印信息直接嵌入到原始视频数据中[3]，由于原始视频本身的数据量就是巨大的，因此，当进行DCT和IDCT变换计算时，其计算量也是相当大的，很难保证视频的实时性要求；在MPEG－2编解码过程中嵌入和提取水印信息，需要对现有的编解码器要作修改，而且存在GoP（Group of Picture）的误差积累，会降低视频的质量；直接在MPEG－2视频流中嵌入和提取水印，不需要完全的解码和再编码过程，且计算复杂度低，但受压缩比特率的限制，限定了嵌入水印容量大小。

通过上述对3种水印嵌入和提取策略的分析比较，结合数字电视播出监控并不需要很大的水印容量，不难看出，采用低复杂度的策略3设计基于MPEG－2标准压缩域的视频水印算法比较适合有线数字电视的播出监测。

2.4 基于MPEG-2压缩域的视频水印技术

MPEG－2系统编解码过程的实质其实就是是对视频数据的压缩和解压缩过程。MPEG－2视频压缩标准主要使用了3种关键的压缩技术：离散余弦变换DCT、运动补偿和Huffman编码。在MPEG－2系统中存在5个档次（Profile）和4个等级（Level），采用层次化结构，自上到下分为图像序列层、图像组、图像、像条、宏块和块。MPEG－2图像的帧类型分为I帧、B帧和P帧。块（Block）是MPEG－2码流层次结构中的最小单元，也可以指DCT系数的编码数据单元。

DCT是MPEG－2压缩编码的核心技术，目前大多数基于MPEG－2压缩域的视频水印算法都是通过对DCT量化系数的处理实现嵌入水印。二维DCT变换的定义为

根据DCT变换的原理，图像经过二维DCT变换后，DCT系数中的低频DC系数（直流分量）集中了信号的大部分能量，其幅值远远大于高频AC系数（交流分量）。低频系数是视觉系统感知上重要的分量，结合人类视觉系统模型（HVS），将水印嵌入到DCT域的DC系数比AC系数更有助于水印的稳健性[4]。

视频水印的嵌入点一般选择视频的I帧数据，因为在MPEG－2系统中，P帧和B帧都是帧间预测编码，只对部分像素进行编码，而I帧是帧内编码，帧内全部像素都将进行编码，因此I帧的数据是最完整的，使得可以嵌入的水印容量较大，所以选择I帧作为水印信息嵌入的载体。图像组GoP的第一个数据帧一定是I帧，所以利用图像组头标记（group_start code）和图像标记（picture start_code）可以实现对I帧数据的查找。水印编码器对接收到的MPEG－2节目流进行解压缩并提取出用于嵌入水印信息的I帧数据，在I帧数据的亮度分量DCT量化系数中嵌入水印信息，然后将嵌入了水印信息的I帧数据重新打包成符合MPEG－2标准的视频流。

水印信号的组成主要包括节目PID和时间标签，不同的节目PID唯一对应不同的数字媒体内容，时间标签在MPEG－2节目复用输出时实时嵌入。水印检测器通过对检测到的节目PID和时间标签信息的处理，可以构成各种播出监控应用系统。

3 视频水印技术在数字电视监测中的应用

3.1 数字电视节目版权保护

视频水印技术作为目前数字媒体版权保护领域最有效的技术手段之一[5]，也可以应用于数字电视节目版权保护。国内的广电运营商普遍采用基于DVB端到端加密的条件接收系统来实现数字电视节目传输过程中的加密保护。但是，在用户终端，失去CA系统的保护，解密后的数字媒体内容便可以任意的拷贝和传播，给广电运营商造成巨大的经济损失，也严重制约了数字电视业务的健康发展。

当电视节目播出时，代表运营商版权的水印信号被实时嵌入到数字电视节目中，同时，与嵌入水印相关的信息（节目PID、节目频道安排等）被存储在数据库中，可以对机顶盒解密后的多媒体内容提供进一步保护。在监测端，用水印检测器提取出嵌入的原始水印，在发生盗版行为和版权纠纷时，可以证明对该数字媒体内容的所有权，并可以作为侵权诉讼的证据。

3.2 前端信号源传输安全监控

有线电视网络前端的信号源主要包括省传光纤信号、微波信号，卫星信号和本地自办节目信号。对于地方卫视节目，一般都是通过卫星链路进行传输的，由于卫星信号是开路空间传输，上行链路容易受到恶意干扰、拦截、非法插播。

目前，各级广电运营商都已经建立了安全播出监控系统，并安排值班人员24 h监看。但是，目前的监控系统都是针对电视节目播出信号质量的监测，而针对非法插播的内容监控仍需要人为的操作，现有的监控系统无法实现对信号源内容的监控。基于视频水印的数字电视安全播出监控系统则可以实现对信号源节目内容的自动监控。监控系统示意图如图3所示。

在卫星节目发射上星传输之前，先通过视频水印编码器对播放的全频道电视图像信号进行数字水印嵌入，开路空间的卫星传输过程中经常会遭到恶意攻击，在接收卫星节目的有线电视前端安装视频水印解码器，对接收的卫星信号自动实时监测水印特征标，如果特征标丢失，可以告警值班人员并采取手动或自动应急切换系统切换到垫播信号防止非法信号的播出。借助视频水印技术进行内容自动监控，不仅可以减轻监控人员劳动强度，同时大大提高监控质量。

3.3 传输分配网信号的监控

广电运营商仅仅对前端信号源进行监控是不够的，由于HFC网络的拓扑结构主要是星型结构和树形结构，因此很容易被不法分子利用这种结构的缺陷，在很多地市都曾经发生过针对有线电视网络某个覆盖区域非法插播的事件。数字电视整转后，很多城中村居民为了逃避缴纳有线电视基础收视费，非法搭建电视播出小前端；区、县等二级广电运营商为了自身利益在电视节目中私自插播广告，这些行为都严重地损害了广电运营商的利益。部署数字电视水印监测系统，在传输分配网的不同地理位置上放置众多的水印监测终端，可以实现对有线电视网络覆盖区域的全面监控，如图4所示。

在前端机房，信号在送入HFC网传输前先通过水印编码器嵌入水印信息，再送往干线传输网络进行分配传输，电视信号在传输分配过程中可能会受到各种干扰和攻击，在接收端（或监控端），将信号送入水印解码器进行水印检测，若能检测到水印，表明是合法信号。若检测不到水印或检测到的水印与原始水印不相干，则提示信号是非法信号，并发出警告通知相关人员进行处理。