數字水印技術及其在影視領域中的應用

引言

隨著技術的發展，越來越多的影視作品以數字視頻的方式出現；而隨著寬帶的普及，通過網絡分發、獲取影視作品也日益普遍。如何維護影視作品的版權、維護影視作品內容的安全成為大家關注的一個問題。數字水印技術是近年發展起來的一項新技術，它通過一定的算法把數字水印嵌入到作品的原始數據當中，但是不會影響作品的使用和欣賞，通常也不會被使用者察覺。發行者把版權信息、序列號等內容存儲在數字水印中，隨拷貝一起發行；在需要對拷貝進行鑒定時，通過提取作品拷貝中的水印，就可以獲得發行者存儲在水印中的信息，對作品進行識別。另外，數字水印還能用于作品的內容認證，拷貝保護等方面，在影視領域具有廣闊的應用前景。

數字水印概述

數字水印是永久鑲嵌在其他數據(宿主數據)中具有可鑒別性的數字信號或模式，而且并不影響宿主數據的可用性。

數字水印具有以下一些基本特點：

(1)隱蔽性。在數字作品中嵌入水印后，不會產生可以感知的質量下降。對于影視作品，嵌入水印后，作品的圖像和聲音不應出現觀眾能夠感覺到的質量變化。

(2)安全性。水印嵌入后，未授權用戶不能檢測到水印信息的存在；或者雖然可以檢測到水印的存在，但不能解讀水印的內容。

(3)魯棒性。在水印嵌入后，如果對數字作品進行有意或無意的處理，水印仍然能被檢測出并保持完整性，即水印能夠抵抗無意的數據處理和有意的攻擊。但是脆弱性水印除外，脆弱性水印用于鑒定原始數據是否被修改過，要求原始數據改變時，水印也隨之被破壞。

從不同的角度，數字水印有不同的分類方法，按照檢測過程可以把數字水印分為非盲水印和盲水印。非盲水印在檢測過程中需要使用原始數據，而盲水印在檢測時只需要密鑰，不需要原始數據。一般而言，非盲水印的魯棒性比較強，但是對存儲空間的要求也較大。目前的數字水印大多數是盲水印。

按照嵌入域的不同，數字水印可分為空間域水印和變換域水印。空間域水印是用待嵌入的信息替換載體信息的冗余部分。變換域水印是在原始信號的某個變換域嵌入水印。變換域水印通常比空間域水印有更好的魯棒性。目前，變換域水印尤其是小波變換的水印算法研究較多。

根據數字水印的視覺特征，可以把數字水印分為可見水印和不可見水印。電視節目中的臺標就是一種可見水印，它通過一個視覺可見的標志，標識版權的所有者，防止未授權的使用。不可見水印的應用更為廣泛，也是目前研究的主要內容。

按照水印所附載的數字媒體的不同，數字水印可分為圖像數字水印、音頻數字水印、視頻數字水印、文本數字水印、關系數據庫數字水印、軟件數字水印以及三維網格數字水印等，在影視領域中應用的主要是視頻數字水印。

視頻數字水印

數字化的影視作品通常表現為數字視頻，因而視頻數字水印在影視領域有著廣闊的應用前景。由于視頻播放本身的特點，使得視頻數字水印除具有數字水印的共同特點外，還有一些獨特的要求：

(1)實時性。為了保證視頻播放的流暢，視頻水印的嵌入和提取必須在要求的時間內完成，這就要求視頻數字水印的算法要具有低復雜度。

(2)隨機檢測性。這是指可以在視頻的任何位置、在短時間內檢測出水印，而不需要從視頻的開始隨著視頻的播放逐步檢測出水印。

(3)視頻速率的恒定性。為了保證視頻圖像和聲音的同步，視頻水印在嵌入后不能改變原始視頻流的碼率，要適合傳輸信道的帶寬。

(4)與視頻編碼標準相結合。由于視頻的數據量很大，通常需要進行壓縮編碼。對于在未壓縮的原始視頻中嵌入的視頻數字水印，為了防止在編碼的過程中水印遭到破壞，保證水印的完整性，算法需要考慮視頻所采用的編碼標準。而對于在壓縮后的視頻碼流中嵌入的水印，顯然更需要結合視頻編碼的標準設計算法。

(5)盲水印。為保證水印檢測的實時性，視頻數字水印檢測時通常不能要求使用原始視頻進行檢測，一般應使用盲水印。另外，原始視頻所需要的大存儲空間，也限制了非盲水印在視頻中的應用。

(6)水印容量。嵌入的水印需要含有足夠多的信息，為滿足實時性的需要，視頻數字水印算法需要有較高的嵌入水印速率。

視頻數字水印算法根據嵌入策略的不同可以分為在未壓縮的原始視頻中嵌入水印、在視頻編解碼器中嵌入水印、在壓縮后的視頻碼流中嵌入水印三種。

(1)在未壓縮的原始視頻中嵌入水印。這種方法先把水印嵌入到未經過編碼的原始視頻數據中，再對含有水印信息的視頻數據進行編碼壓縮。優點是可以充分利用已有的數字圖像水印技術，可選用的嵌入方法比較多。缺點是經過壓縮編碼后水印可能被破壞增加視頻碼流的數據比特率，影響視頻速度的恒定性。而對于已經壓縮好的視頻，這種方法需要先解碼恢復出原始視頻數據，嵌入水印后再重新編碼壓縮，增加了計算量。

(2)在視頻編解碼器中嵌入水印。在視頻編解碼器對原始視頻數據進行編碼壓縮時嵌入水印。這種方法把水印的嵌入與視頻的編碼壓縮相結合，利用編碼的特性進行水印的嵌入。優點是水印的嵌入比較簡單；水印一般嵌入在變換域系數中，不會增加視頻流的數據比特率可以設計出抵抗多種攻擊的水印算法。缺點是需要對編解碼器進行修改，存在GOP的誤差積累。

(3)在壓縮后的視頻碼流中嵌入水印。優點是計算復雜度較低，不需要再進行解碼和編碼，不會影響視頻的質量。缺點是水印的數據量受到壓縮比特率的限制，嵌入水印的強度受視頻解碼誤差的限制，嵌入策略也會受相應視頻壓縮算法和編碼標準的限制。

數字水印在影視領域中的應用

數字水印的出現最初是為了保護數字產品的版權，但數字水印所具有的各種特點，使其得到了更廣泛的應用。目前，數字水印在影視領域主要有以下一些應用。

(1)版權保護。版權的所有者將含有版權信息的數字水印嵌入到影視作品的原始數據中，當出現版權糾紛時，從數據中提取出水印，作為證明版權的依據，維護版權者的權益。在實際應用時，版權所有者可以用密鑰對版權信息進行加密。這可能是目前數字水印在影視領域中最主要的應用。

(2)拷貝保護。版權所有者在發行拷貝時把視頻數字水印嵌入到視頻數據中，由播放視頻的硬件對水印信息進行檢測，并判斷播放數據的合法性以及是否可以被復制。對于可以復制的拷貝，還可以在水印中存入允許的拷貝數。硬件在對視頻進行復制時，同時對水印的內容進行修改，把可拷貝數減一，從而能對拷貝的數量進行限制，防止未授權的大規模復制。

(3)內容認證。通過脆弱性水印對影視資料進行內容認證和完整性檢查。由于數字化的影視作品容易被修改，為了防止未授權用戶對數據的修改，在原始數據中加入脆弱性水印。如果原始數據被修改，水印也會被破壞。由于這種認證是同內容密不可分的，因而簡化了處理過程。

(4)數字指紋。視頻發行時在各個拷貝中嵌入不同的數字水印作為數字指紋。當發現未授權的拷貝時，通過未授權拷貝中的數字水印確定數據的來源。在視頻點播等實時應用中，也可以應用數字指紋。

(5)標題和注釋。目前數字視頻的數量越來越多，而視頻內容的檢索又相對困難，這嚴重影響了影視作品的利用率。把影視作品的作者、作品內容介紹等相關信息用數字水印的形式加入到視頻數據中，搜索引擎可以利用水印的內容自動搜索需要的視頻。

結束語

數字水印技術是20世紀90年代興起的一項新技術，它吸引了眾多學者的注意，各種新的算法不斷被提出，現在這項技術也還在快速發展中。雖然數字水印技術已經取得了很多成果，但是還有一些問題沒有解決；而針對數字水印的各種攻擊方法，也對數字水印技術提出了更多的挑戰。隨著數字水印技術的進一步發展和完善，數字水印技術將在影視領域發揮更大的作用。

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