一種基于指紋和可視可擦除水印的安全廣播視頻分發(fā)方案

李宏圓 劉光杰 楊鑫豪

（船舶重工集團(tuán)公司723所 江蘇 225001）

0 引言

可視水印技術(shù)[1，2]通過在多媒體數(shù)據(jù)中嵌入標(biāo)示有版權(quán)信息的可視水印來保護(hù)多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)。如果可視水印可以從原始載體擦除并恢復(fù)原始載體，這樣的可視水印被稱作可視擦除水印。可視可擦除水印一般可以分為兩個(gè)部分，水印的嵌入和水印的擦除。數(shù)字指紋在解決版權(quán)追蹤的問題上發(fā)揮了重要的作用。作為數(shù)字產(chǎn)品的發(fā)行商來說，將標(biāo)記有每個(gè)用戶的指紋信息嵌入到數(shù)字載體中。當(dāng)發(fā)行商發(fā)現(xiàn)盜版的拷貝后，嵌入其中的用戶信息就可以被提取出來，從而完成對(duì)非授權(quán)用戶的追蹤。通常，數(shù)字指紋碼可以分為兩類：正交的數(shù)字指紋碼和編碼的數(shù)字指紋碼。

1 安全廣播方案

圖1 整體方案

本文在可視可擦除水印技術(shù)與數(shù)字指紋技術(shù)[3-5]的基礎(chǔ)上，提出了一種安全的廣播視頻分發(fā)方案。整體解決方案主要包含有兩個(gè)部分：發(fā)送端和接收端。以數(shù)字電視節(jié)目點(diǎn)播與傳輸為例，說明項(xiàng)目的整體方案，如圖 1。內(nèi)容服務(wù)器主要進(jìn)行結(jié)合多媒體的編碼的可視水印的嵌入。經(jīng)過用戶申請(qǐng)預(yù)覽后，付費(fèi)節(jié)目首先進(jìn)行多媒體編碼，在編碼的過程中嵌入可視水印，然后編碼成節(jié)目流。對(duì)節(jié)目流的加密主要是利用控制字（即隨機(jī)數(shù)）與數(shù)據(jù)流進(jìn)行模二的運(yùn)算，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播。在機(jī)頂盒端，用戶進(jìn)行節(jié)目的預(yù)覽。如果對(duì)節(jié)目進(jìn)行申請(qǐng)預(yù)覽。用戶申請(qǐng)預(yù)覽后，將會(huì)發(fā)送預(yù)覽的請(qǐng)求給授權(quán)中心，授權(quán)中心向內(nèi)容服務(wù)器發(fā)送預(yù)覽的請(qǐng)求。同時(shí)，在得到用戶節(jié)目支付后，授權(quán)中心向機(jī)頂盒傳輸可視水印的擦除密鑰和該用戶的數(shù)字指紋密鑰。機(jī)頂盒利用可視水印密鑰將可視水印擦除，同時(shí)利用產(chǎn)生數(shù)字指紋的密鑰將用戶的指紋信息嵌入到數(shù)字視頻中。授權(quán)中心在內(nèi)容服務(wù)器和機(jī)頂盒起了一個(gè)橋梁的作用。授權(quán)中心主要進(jìn)行業(yè)務(wù)和許可的存儲(chǔ)、響應(yīng)和傳輸?shù)鹊牟僮鳌Ｊ跈?quán)中心記錄了每個(gè)購買了數(shù)字指紋用戶的信息。

1.1 可視可擦視頻水印

可視可擦除視頻水印包含有兩個(gè)步驟：在節(jié)目發(fā)送端，在可視水印嵌入器的作用下，將可視圖像嵌入到視頻數(shù)據(jù)上；在接收端，機(jī)頂盒中的擦除模塊將可視水印擦除。這里，水印的嵌入與擦除是一個(gè)完全可逆的過程。為了實(shí)現(xiàn)安全的嵌入與擦除，本文利用不同的偽隨機(jī)數(shù)去調(diào)整水印圖像的嵌入系數(shù)。這些偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生是在密鑰控制下的，不同的密鑰所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)是不一樣的。這樣，只有擁有正確密鑰的用戶才能完成擦除可視水印并恢復(fù)高質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的成熟的視頻編解碼方法一般有MPEG2、MPEG4和H264。這些編解碼方案的核心就是都使用了DCT變換。為了體現(xiàn)本項(xiàng)目的可視水印方案的快速性，可視水印的嵌入與擦除都是在DCT域進(jìn)行。在節(jié)目的制作與播放的過程中，水印的嵌入與擦除操作并不需要額外的系統(tǒng)耗費(fèi)。可視可擦除水印的方案具有快速與安全兩種優(yōu)點(diǎn)。這樣的優(yōu)點(diǎn)使得可視可擦除水印在數(shù)字電視系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用。

1.2 數(shù)字指紋

在本方案中，數(shù)字指紋的嵌入操作是在機(jī)頂盒中完成。這樣，減輕了服務(wù)器的載荷。在數(shù)字電視廣播網(wǎng)視頻點(diǎn)播的環(huán)境可知，本方案的數(shù)字指紋需要支持大規(guī)模的用戶（十萬級(jí)）。因此，在本方案中，我們將研究能支持大規(guī)模用戶的數(shù)字指紋方法，具體可綜合現(xiàn)有的數(shù)字指紋方案，利用Tardos等數(shù)字指紋碼設(shè)計(jì)高性能指紋碼。然后將Tardos指紋碼以數(shù)字水印的方式（量化或擴(kuò)頻）嵌入到多媒體的魯棒系數(shù)中去。這樣，當(dāng)發(fā)生可疑載體時(shí)，就可以提取含指紋碼的系數(shù)，檢測(cè)到非授權(quán)的分發(fā)者。

整體方案中各方的詳細(xì)交互方案可以用下面的過程具體表示：

（1）用戶向權(quán)力中心發(fā)送預(yù)覽請(qǐng)求

（2）權(quán)利中心認(rèn)證機(jī)頂盒并向機(jī)頂盒端發(fā)送解密密鑰

（3）內(nèi)容服務(wù)器將可視水印嵌入到視頻中并向機(jī)頂盒發(fā)送

（4）機(jī)頂盒認(rèn)證解密密鑰的完整性并解密電視節(jié)目

（5）用戶預(yù)覽節(jié)目

（6）用戶向權(quán)利中心發(fā)出擦除請(qǐng)求

（7）權(quán)利中心認(rèn)證機(jī)頂盒并向機(jī)頂盒發(fā)送水印擦除密鑰和數(shù)字指紋密鑰

（8）機(jī)頂盒機(jī)頂盒認(rèn)證解密密鑰的完整性

（9）機(jī)頂盒擦除可視水印并嵌入數(shù)字指紋

（10）用戶觀看節(jié)目

2 結(jié)語

本文提出了一種安全廣播視頻分發(fā)方案，在方案中分別利用了可視可擦除數(shù)字水印以及數(shù)字指紋技術(shù)。滿足了視頻分發(fā)業(yè)務(wù)中的用戶預(yù)覽應(yīng)用需求，具有追蹤非授權(quán)分發(fā)用戶的功能。該方案有如下的幾個(gè)特點(diǎn)：它并不需要改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)，不會(huì)或極少增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，具有很高的可行性；可視水印的擦除和數(shù)字指紋的嵌入是在機(jī)頂盒中完成，而機(jī)頂盒本身就預(yù)留了額外的模塊。因此，對(duì)應(yīng)于可視水印的擦除和數(shù)字指紋的嵌入的機(jī)頂盒中硬、軟件設(shè)計(jì)是完全可行的；數(shù)字水印和指紋碼的操作是在視頻編解碼中進(jìn)行，且數(shù)字指紋的嵌入是在數(shù)字機(jī)頂盒中完成，因此較大的降低了發(fā)送端的系統(tǒng)載荷。

[1] 李茜，王朔中，金秋明.兼顧視覺質(zhì)量和載體圖像無損重建的可見水印.中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2008，（10）：1947-1950.

[2] 趙友軍，邸蘭振.感興趣區(qū)域的自適應(yīng)可見水印技術(shù).計(jì)算機(jī)工程，2007，（9）：180-181.

孫圣和，陸哲明，牛夏牧.數(shù)字水印技術(shù)及應(yīng)用.科學(xué)出版社：北京，2004.14-50.

[3] M Barni，F(xiàn) Bartolini，V Cappellini，et al.A DCT-domain system for robust image watermarking.Signal Processing，1998，66（3）：357-372.

[4] H V Zhao，K J R Liu.Fingerprint multicast in secure video streaming.IEEE Transactions on Image Processing，2006，15（1）：12-29.

[5] S Lian，Z Liu.Secure media content distribution based on the improved set-top box in IPTV.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2008，54（2）：560-566.