錢庭霖

（福州大學(xué) 陽光學(xué)院計算機(jī)工程系，福建 福州 350015）

水印技術(shù)在MPEG-4流媒體版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

錢庭霖

（福州大學(xué) 陽光學(xué)院計算機(jī)工程系，福建 福州 350015）

Internet的迅猛發(fā)展和普及為流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展提供了廣闊的市場和強(qiáng)大的動力.與其他數(shù)字產(chǎn)品一樣，流媒體也同樣面臨著版權(quán)保護(hù)的問題.數(shù)字水印技術(shù)為數(shù)字版權(quán)的保護(hù)提供了一個有效的手段，本文深入地討論了數(shù)字水印技術(shù)在MPEG流媒體版權(quán)保護(hù)上的應(yīng)用研究.

流媒體；版權(quán)保護(hù)；數(shù)字水印；MPEG-4

1 引言

計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展極大地推動了數(shù)字多媒體的創(chuàng)作、使用和傳播.但在這同時，由于可以任意地獲取、復(fù)制和傳播數(shù)字多媒體作品，使得數(shù)字多媒體作品的版權(quán)保護(hù)面臨著嚴(yán)重的威脅——利用網(wǎng)絡(luò)的開放性和共享性，人們可以輕易地就對原創(chuàng)作品進(jìn)行篡改、偽造、復(fù)制和非法發(fā)布，這嚴(yán)重地?fù)p害了作品創(chuàng)作者和使用者的利益.如何保護(hù)數(shù)字多媒體作品的版權(quán)，以及如何保證作品內(nèi)容的真實性和完整性成為迫切需要解決的問題.

解決視頻作品的版權(quán)和完整性保護(hù)問題的通常途徑有兩種，一種是通過傳統(tǒng)的加密方法，另一種則是利用數(shù)字水印技術(shù)（Digital Water marking），相應(yīng)的技術(shù)手段有加解密、數(shù)字簽名、數(shù)字標(biāo)簽、數(shù)字指紋、信息隱藏等.

2 數(shù)字水印技術(shù)

信息隱藏技術(shù)不同于傳統(tǒng)的密碼學(xué)技術(shù)，密碼技術(shù)通過將機(jī)密信息進(jìn)行特殊編碼，形成不可識別的密文進(jìn)行傳遞；而信息隱藏技術(shù)則是通過將某一機(jī)密信息秘密隱藏于另一公開的信息中，然后通過公開信息的傳輸來傳遞隱藏信息.

信息隱藏技術(shù)研究的一個重要分支就是數(shù)字水印技術(shù).數(shù)字水印技術(shù)是利用數(shù)字作品中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)與隨機(jī)性，將數(shù)字、序列號、文字、圖像標(biāo)志等版權(quán)信息嵌入到數(shù)字作品本身中，從而起到版權(quán)保護(hù)、秘密通信、數(shù)據(jù)文件的真?zhèn)舞b別和產(chǎn)品標(biāo)識等作用[1].水印技術(shù)是一種有效的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)技術(shù)，通過將一些標(biāo)志性信息（水?。┲苯忧度氲蕉嗝襟w內(nèi)容中，所嵌入的信息不會影響原內(nèi)容的價值和使用，并且不能被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取.水印信息通常是作者的序列號、公司標(biāo)志、有特殊意義的文本等，這些信息可以用來識別文件、圖像或音樂制品的來源、版本、原作者、擁有者、發(fā)行人、合法使用人對數(shù)字產(chǎn)品的擁有權(quán).與加密技術(shù)不同的是，數(shù)字水印技術(shù)并不能阻止盜版活動，但它可以判別對象是否受到保護(hù)，監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播、真?zhèn)舞b別和非法拷貝、解決版權(quán)糾紛并為法庭提供證據(jù)[2].

視頻圖像水印是當(dāng)前水印技術(shù)研究方向中的熱點和難點.雖然數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展很快，但其方向主要集中于靜止圖像上.而視頻水印技術(shù)相對于圖像水印技術(shù)發(fā)展滯后，再加上現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼格式造成了水印技術(shù)引入上的局限性.

3 流媒體技術(shù)與MPEG-4

隨著寬帶網(wǎng)的興起，流媒體技術(shù)誕生了.流媒體是多媒體和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，它為多媒體信息提供了一條嶄新的應(yīng)用途徑.流媒體技術(shù)將傳統(tǒng)的多媒體應(yīng)用改變?yōu)榱魇綉?yīng)用，將音頻、視頻等多媒體信息轉(zhuǎn)化成“流”的形式，信息在傳輸?shù)耐瑫r即可進(jìn)行播放.

流媒體的編碼技術(shù)是建立在傳統(tǒng)的多媒體編碼技術(shù)基礎(chǔ)之上的.其編碼標(biāo)準(zhǔn)以ISO/IEC頒布的MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)和ITU頒布的H系列標(biāo)準(zhǔn)為代表.

MPEG 系列標(biāo)準(zhǔn)包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7，適用于不同帶寬和數(shù)字影像質(zhì)量的要求：MPEG-1廣泛應(yīng)用于VCD，MPEG-2 應(yīng)用于廣播電視盒DVD，而MPEG-4 更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性，MPEG-7則用于實現(xiàn)基于內(nèi)容的有效檢索.MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)旨在為流媒體的傳輸、存儲及其應(yīng)用環(huán)境提供一個基于“對象”的編碼方案，并在時域和空域具有靈活的擴(kuò)展性，以利于動態(tài)碼率的調(diào)整.

MPEG-4 作為一種新型的基于對象的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在視頻電話、視頻電子郵件和電子新聞等方面有著廣泛的應(yīng)用前景.MPEG-4 采用Object Based 方式解壓縮，其壓縮比指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他標(biāo)準(zhǔn).MPEG-4 引入了AV 對象，使得更多的交互操作成為可能.MPEG4 使用“圖層”(layer)方式，能夠智能化選擇影像的不同之處，是可根據(jù)圖像內(nèi)容，將其中的對象（人物、物體、背景）分離出來分別進(jìn)行壓縮，這不僅僅大大提高了壓縮比，也使圖像探測的功能和準(zhǔn)確性更充分的體現(xiàn)出來.

4 水印技術(shù)在MPEG-4流媒體版權(quán)保護(hù)上的應(yīng)用

4.1 與水印技術(shù)相關(guān)的MPEG-4關(guān)鍵技術(shù)

通常情況下，視頻的數(shù)字水印應(yīng)該直接與視頻編碼和解碼器相結(jié)合，利用視頻數(shù)據(jù)壓縮的基本原來，將使水印的嵌入和提出處理比較容易實現(xiàn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)水印嵌入和提取的實時處理.

MPEG-4是一種典型的基于內(nèi)容的編碼方案，它是一個具有交互性的動態(tài)圖像標(biāo)準(zhǔn)，有著很好的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性.由于MPEG-4引入了AV這種具有基于內(nèi)容和可伸縮性特點的編碼對象，使得MPEG-4具有更多的交互操作.基于內(nèi)容的可伸縮性包括基于內(nèi)容的空間可伸縮性和基于內(nèi)容的時間可伸縮性兩個方面.MPEG-4對AV對象的操作主要有以下幾個方面：

（1）采用AV對象來表示聽覺、視覺或者視聽組合內(nèi)容；

（2）允許組合已有的AV對象來生產(chǎn)復(fù)合的AV對象，并由此生產(chǎn)AV場景；

（3）允許對AV對象的數(shù)據(jù)靈活地多路合成與同步，以便選擇合適的網(wǎng)絡(luò)來傳輸這些AV對象數(shù)據(jù)；

（4）允許接收端用戶在AV場景中對AV對象進(jìn)行交互操作；

（5）支持AV對象的知識產(chǎn)權(quán)和保護(hù).

對于靜止圖像MPEG-4采用零樹小波算法以提高壓縮比，而對于運(yùn)動視頻對象的編碼，則采用特定的編碼過程以支持基于對象的編碼.

MPEG-4的解碼過程是從編碼位流中恢復(fù)視頻對象，包括形狀-運(yùn)動-紋理解碼、靜態(tài)紋理解碼、網(wǎng)格解碼和人臉解碼等幾個過程.

4.2 典型的MPEG-4水印應(yīng)用

以上所述的MPEG-4的基于內(nèi)容的交互性、高效靈活的編碼方式，使得在MPEG-4上應(yīng)用水印技術(shù)具有了很多新特點.

下面試幾種具有代表性的視頻水印算法[3]：

4.2.1 在DCT系數(shù)中嵌入水印

在DCT系數(shù)中嵌入水印是目前研究最多、技術(shù)最成熟的視頻數(shù)字水印技術(shù).這種技術(shù)在宿主視頻中利用空間擴(kuò)頻技術(shù)嵌入不可見水印，生成水印信號時使用同步模板以抵抗剪切、尺度變化和旋轉(zhuǎn)等操作帶來的幾何失真.為了使水印有較好的魯棒性和保證宿主視頻的視覺質(zhì)量，該技術(shù)采用了一個控制算法，采用空域和時域漂移補(bǔ)償來消除水印自干擾和由于I-VOP（幀內(nèi)）AC/DC系數(shù)預(yù)測和P-VOP（前向預(yù)測）、B-VOP（雙向預(yù)測）的運(yùn)動補(bǔ)償帶來的漂移現(xiàn)象.

4.2.2 在運(yùn)動矢量中嵌入水印

在運(yùn)動矢量中嵌入水印是一種通過改變運(yùn)動向量來嵌入信息的MPEG-4水印技術(shù).當(dāng)需要嵌入水印時，則在一個運(yùn)動向量的某個分量，比如垂直分量V重嵌入水印.這種技術(shù)的計算復(fù)雜度基本上可以忽略，并且其對幀的比特率的影響也是非常小的.

4.2.3 在臉部運(yùn)動參數(shù)中嵌入水印

該技術(shù)最早是在1998年提出的.在臉部運(yùn)動參數(shù)中嵌入水印采用的是擴(kuò)頻思想.MPEG-4的臉部通過66臉部運(yùn)動參數(shù) FAP（Facial Animation Parameter）運(yùn)動起來.MPEG-4編碼過程中將從視頻序列中確定FAP.該技術(shù)將1比特的水印信息散步到多余一個FAP中.其處理過程是：先對需要嵌入的比特信息進(jìn)行擴(kuò)展，然后再進(jìn)行調(diào)制，接下來進(jìn)行低通過濾和振幅調(diào)制，最后再嵌入到所選擇的FAP塊中.

4.2.4 通過修改編解碼過程嵌入水印

這種技術(shù)是通過修改MPEG-4編解碼過程，將水印算法整合到MPEG-4的編解碼器中.傳統(tǒng)的水印技術(shù)能夠應(yīng)用在MPEG-4所提供的對象邊界塊的透明背景像素的灰度填充之后，然而這種水印很容易通過比特流中的形狀信息的更改而被去除.

4.2.5 在對象的小波變換系數(shù)中嵌入水印

這是由F.Bartolini等人提出的一種控制MPEG-4視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)[4].該技術(shù)從MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性和系統(tǒng)的多樣性方面進(jìn)行考慮，特別是MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)允許直接對視頻序列中對象的操作，這使得即使一個對象從一個視頻序列中取出來，然后添加到另外的視頻中，這個視頻對象所包含的水印信息也應(yīng)當(dāng)很好地檢測出來.針對這些特點，并且為了保證視頻水印對格式轉(zhuǎn)換的魯棒性，水印被添加在壓縮之前.其實現(xiàn)方法是：將水印嵌入到每一幀的DWT系數(shù)中.

5 總結(jié)

水印技術(shù)在基于MPEG-4的流媒體版權(quán)保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用.數(shù)字水印技術(shù)是一種有效的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)技術(shù)，一個完整的數(shù)字水印系統(tǒng)包含三個基本部分：水印的生成、嵌入和水印的提取或檢測.本文在討論數(shù)字水印技術(shù)和于水印技術(shù)相關(guān)的MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上，介紹了幾種典型的在MPEG-4流媒體中嵌入數(shù)字水印技術(shù)方案.

通過本文的分析可以發(fā)現(xiàn)，在MPEG-4中嵌入數(shù)字水印的嵌入位置是靈活多變的，各種數(shù)據(jù)都可以作為水印的載體，包括DCT系數(shù)、運(yùn)動向量、FAP等，此外，還可以通過修改MPEG-4的編解碼器的編解碼實現(xiàn)過程來實現(xiàn)水印的嵌入.

〔1〕劉連山,李人厚,高琦.視頻數(shù)字水印技術(shù)綜述[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2005（03）.

〔2〕彭勃.基于MPEG視頻的數(shù)字水印技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2005.

〔3〕向移山.基于MPEG-4的視頻數(shù)字水印技術(shù)研究[D].燕山大學(xué)，2006.

〔4〕F.Bartolini,V.Cappellini,R.Caldelli,etal.MPEG-4 Video Data Protection for Internet Distribution.Evolutionary Trends of the Internet:Thyrrhenian International Workshop on Digital Communications,Taormina,Italy,2001,2170.

TP 391

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1673-260X（2010）12-0043-02