用于视频广播监控的水印方法的研究

　　对于数字视频信号，水印的嵌入算法可分两类：空间域算法和变换域算法。空间域算法通过改变某些像素的亮度值来隐藏水印，而变换域算法是通过改变变换域的某些系数值来隐藏水印。不少学者已达成共识：变换域优于空间域算法，理由是：在变换域中嵌入的水印信号能量可分布到空间域的所有像素上，并且变换域算法可与国际数据压缩标准兼容。事实上，数字视频信号在存储和传输时多采用以DCT变换、运动预测补偿为核心的MPEG-2压缩标准，因此研究基于MPEG-2的视频数字水印算法，可有力推动数字水印技术在电视领域的应用。

　　国内外研究者提出了多种基于MPEG-2的算法，有的算法把水印嵌入到DCT变换后的高频系数上，但嵌入的水印鲁棒性较差，作为一种改进，可将水印嵌入DCT域的中低频系数上。也有的算法将水印嵌入到幅度值大而相角变化小的运动矢量上。

　　本文在已有方法基础上对用于广播监控系统的数字水印进行研究改进。选用在原始视频中嵌入水印的方法，采用以DCT变换运动预测补偿为核心的MPEG-2视频压缩标准，选取运动变化比较大的块，将有意义的二值图像嵌入到视频序列中，这样即使水印信息有部分的损失，由于人眼的分辨率原因，水印信息仍能正确辨识，提高了水印的鲁棒性。

　　嵌入时把一帧当作一个整体嵌入一定量水印信息;每一帧的水印信息分为两个部分：部分二值图像水印信息和这些信息在二值图像中的索引信息，同时由于索引信息的加入，可有效提高对帧错位和帧删除的鲁棒性;在水印的嵌入过程中，考虑相邻帧之间统计上的相关性，在相近的帧中嵌入同样的水印信息，以有效的防止通过比较相近帧而消除水印信息的共谋攻击;在水印嵌入前对水印图像进行置乱，提高了水印的安全性。

　　提取时是在播放端，在播放的时候一般要进行解码，因此解码到帧后进行提取。在用户接收端根据监测到的水印分别记录相应广告播出的时间，实现对内容播放完整性的监控。具体方法如下：

　　1、水印嵌入算法

　　(1) 用有意义的二值图像嵌入到视频序列中，这样即使水印信息有部分的损失，由于人眼的分辨率原因，水印信息仍能正确辨识，提高了水印的鲁棒性。

　　(2) 嵌入时把一帧当作一个整体嵌入一定量水印信息;每一帧的水印信息分为两个部分：部分二值图像水印信息和这些信息在二值图像中的索引信息。这样既避免了视频序列发生移位时需要用滑动相关来找出移位值的算法复杂性，同时由于索引信息的加入，可有效提高对帧错位和帧删除的鲁棒性。

　　(3) 在水印的嵌入过程中，考虑相邻帧之间统计上的相关性，在相近的帧中嵌入同样的水印信息，以有效的防止通过比较相近帧而消除水印信息的共谋攻击[31][35]。

　　(4) 在水印嵌入前对水印图像进行了置乱，提高了水印的安全性。

　　嵌入算法如下。

　　(1) 将水印图像置乱，以增强水印提取时的鲁棒性。

　　(2)将置乱后的水印图像经过逐行扫描，变成一维二值序列，形成要嵌入的一维二值水印序列。

　　(3) 按顺序取Num个水印信息，使用扩频系数扩展成跟原始视频帧同样大小的扩频水印矩阵;经过伪随机序列P调制后得到真正要嵌入到视频帧中的水印信息W;对原始视频帧和调制后的水印图像分别作DCT变换，利用MPEG-2的量化矩阵作为图像模板，并进行一定的幅度调治，使之达到水印不可见并且能更好抵抗MPEG-2压缩的目的。

　　(4) 对相邻帧作统计相关性，求出相关值Cor，并给定一定的阈值T，在下一帧中嵌入同上一帧一样的水印信息;相反则再按顺序取下一组水印信息按上述方法嵌入，指导整个水印被嵌入到视频序列中。

　　2、水印提取算法

　　水印的提取不需要原始视频信息，具体步骤如下。

　　(1) 将含水印信息的视频序列通过一个高通滤波器，产生滤波后的视频序列，目的是除去视频信号本身的大部分信息。滤波器可以是一维或二维的、自适应或非自适应的滤波器。滤波过程不是必须的，但是这提高了整个水印提取系统的功能。

　　(2) 解调，即将滤波后的视频序列信号与嵌入时使用的伪随机信号相乘。

　　(3) 将解出的水印信息按后8B组成的二进制索引系数重新排列成二维黑白图像，经过一次解密，就可以恢复出置乱前的水印图像。

　　在用户接收端根据监测到的水印分别记录视频的播出的时间，实现对内容播放完整性、播放时段一致性的监控，其精确度和智能化程度大大优于现有的大多数视频监播系统。随着广播电视将逐步全面实现数字化的需求，以数字视频水印为研究重点对协助规范广电领域的管理将具有重要意义。

　　参考文献：

　　[1] 陈名华, 何芸. 一种基于数字水印的错误检测和定位技术. 清华大学学报, 2002。

　　[2] 电视与数字水印技术2010年07 期。

　　[3] 俞能海，赵卓，曹楠楠等. 一种新颖的基于非压缩数字视频的水印盲检测算法[J]. 电路与系统学报, 2003,8(3):60-65。

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文章名称： 用于视频广播监控的水印方法的研究

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