面向音視頻數(shù)字檔案的水印技術(shù)研究

馬林聯(lián) 羅為榮 趙麗玲 李章兵 向德生 葛昆

1、前言

檔案信息化是指利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、高速掃描技術(shù)等技術(shù)手段，將紙質(zhì)文件、聲音、圖像、影像等傳統(tǒng)介質(zhì)文件和已歸檔保存的電子檔案，系統(tǒng)組織成具有有序結(jié)構(gòu)的檔案信息庫(kù)。數(shù)字檔案的使用既可以保護(hù)原始檔案，又能方便公民查閱，但同時(shí)也產(chǎn)生了數(shù)字檔案的保護(hù)問題。由于數(shù)字化產(chǎn)品可以毫無損失的復(fù)制、存儲(chǔ)，甚至重新生成，從而數(shù)字檔案的非法獲取也更為容易。這就迫切地需要對(duì)這些數(shù)字化的檔案進(jìn)行有效的保護(hù)。使用數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字檔案中加入水印信息，一方面可以防止其它團(tuán)體或個(gè)人非法使用該數(shù)字檔案或?qū)υ摂?shù)據(jù)檔案宣稱擁有版權(quán);另一方面可以防止偽造數(shù)字檔案。

2、特點(diǎn)

數(shù)字音視頻水印技術(shù)橫跨了信號(hào)處理、數(shù)字通信、密碼學(xué)、模式識(shí)別等多種學(xué)科。數(shù)字音視頻水印技術(shù)就是在不影響原始音視頻信號(hào)聽覺和視覺質(zhì)量的前提下，通過一定的算法向數(shù)字音視頻信號(hào)中嵌入易于提取的秘密信息的過程。根據(jù)應(yīng)用目的的不同，被嵌入的信息可以是具有特定意義的信息，如：作者的序列號(hào)、單位標(biāo)志或有特殊意義的文本;可以是用來識(shí)別音視頻作品的來源、版本、創(chuàng)作者、發(fā)行者、所有者以及合法使用者對(duì)該作品的所有權(quán)的標(biāo)識(shí)符;也可以是不具有任何特定含義的字符串或隨機(jī)序列，用來進(jìn)行數(shù)字音頻作品的完整性認(rèn)證。水印與原始音視頻數(shù)據(jù)緊密結(jié)合并隱藏在其中，只有通過專用的檢測(cè)器或閱讀器才能提取。因此，數(shù)字水印技術(shù)不僅在驗(yàn)證數(shù)字檔案真實(shí)性和完整性上發(fā)揮著重要作用，還在檔案工作的信息追蹤、媒體宣傳和防止偽造上有著不可估量的作用。

3、研究?jī)?nèi)容

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外音視頻數(shù)字水印算法所存在的缺點(diǎn)和問題，主要研究以下內(nèi)容：

（1）水印信息生成：水印可由多種模型構(gòu)成，如偽隨機(jī)序列、數(shù)字標(biāo)識(shí)、文本以及圖像等，研究擴(kuò)頻原理，設(shè)計(jì)包含音視頻作品的來源、版本、創(chuàng)作者、發(fā)行者、所有者的水印信息，并采取加密和認(rèn)證機(jī)制。

（2）嵌入位置：研究音視頻文件格式與編碼特性，研究水印嵌入在原始音視頻信號(hào)的時(shí)域還是頻域及位置，如頻域的高頻系數(shù)還是低頻系數(shù)，將脆弱水印嵌入到感知不重要的高頻分量中。研究在視頻MPEG-4壓縮編碼中進(jìn)行可逆半脆弱水印的嵌入方法，在I幀、P幀、B幀嵌入能夠篡改定位的可逆脆弱水印;研究運(yùn)動(dòng)矢量對(duì)視頻嵌入水印的作用。

（3）內(nèi)嵌強(qiáng)度：研究水印的魯棒性和透明性（不可覺察性），綜合考慮并恰當(dāng)選取內(nèi)嵌強(qiáng)度，增強(qiáng)水印抵抗攻擊的能力，同時(shí)保證原音視頻信號(hào)的質(zhì)量。研究低頻混合域系數(shù)兩級(jí)矢量量化的多重水印方案;避免魯棒水印和脆弱水印間的相互干擾。

（4）水印的提取與檢測(cè)：研究混沌映射與小波域變換理論，研究混沌相變檢測(cè)微弱有用信號(hào)的方法、應(yīng)用混沌振子相變檢測(cè)技術(shù)的快速檢測(cè)算法，研究利用最大相似序列向量檢測(cè)水印的方法盲提取過程。

（5）研究相應(yīng)的數(shù)字水印攻擊方法，改進(jìn)水印算法抵抗仿射變換、濾波、重采樣、色彩抖動(dòng)和有損壓縮的魯棒性。

（6）水印算法的透明性和魯棒性評(píng)估：研究各種不同的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的水印算法進(jìn)行評(píng)估。

4. 關(guān)鍵技術(shù)

（1）音視頻線性預(yù)測(cè)系數(shù)矢量量化;圖像宏塊與邊緣檢測(cè)問題;

（2）保持小的峰值信噪比損失PSNR 值<40dB，獲得較好的視聽效果和透明性;

（3）音視頻水印的多重嵌入，對(duì)于刪幀攻擊和篡改定位的魯棒性保持問題;

（4）音頻與視頻水印盲檢測(cè)的重同步問題;

（5）含水印音頻或視頻的差錯(cuò)掩蓋補(bǔ)償算法。

5. 研究具體措施

（1）分析音視頻文件格式與壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)、分析人類聽覺與視覺掩蔽特性;

（2）探討現(xiàn)有與音視頻相關(guān)的數(shù)字水印技術(shù)（如DCT、DFT、DWT），用混沌序列確定水印嵌入位置，結(jié)合均值量化技術(shù)對(duì)水印在小波域進(jìn)行嵌入;總結(jié)相關(guān)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)并相應(yīng)提出改進(jìn)方法。

（3）以水印透明性和魯棒性為目標(biāo)，結(jié)合離散小波變換的多分辨率分析特性、離散余弦變換的能量壓縮特性以及高階累積量的高斯噪聲抑制特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)字水印的多重嵌入與盲檢測(cè)算法，在隱藏水印信息的同時(shí)，嵌入一個(gè)同步信號(hào)，使水印具有自同步能力。

（4）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)針對(duì)含水印音視頻流的差錯(cuò)掩蓋補(bǔ)償算法。利用編碼器中解碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣檢測(cè)確定邊緣塊與非邊緣塊，選擇P幀中具有最大運(yùn)動(dòng)矢量幅值的宏塊嵌入水印，給出編解碼器嚴(yán)格的補(bǔ)償方案。

（5）構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將嵌入算法、差錯(cuò)掩蓋算法和盲檢測(cè)算法集成起來進(jìn)行綜合測(cè)試試驗(yàn)。

（6）研究音視頻水印的攻擊算法和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)的算法和系統(tǒng)進(jìn)行攻擊測(cè)試和評(píng)估。用水印測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)軟件用來測(cè)試水印方案的魯棒性，如unzing、Certimark等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析和改進(jìn)水印算法的性能和安全影響。

6.結(jié)語

目前數(shù)字水印技術(shù)研究有了比較健全的理論體系，但音頻和視頻水印技術(shù)的研究還不甚成熟，存在著很多困難，對(duì)音視頻水印的評(píng)估沒有一個(gè)完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，特別是水印的安全性研究還有待提高;音視頻水印技術(shù)在檔案數(shù)字化上的應(yīng)用更少。因此，開展針對(duì)音視頻的水印技術(shù)研究對(duì)檔案數(shù)字化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

貴州省檔案局科研項(xiàng)目

（作者單位：貴州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南科技大學(xué)）