浅谈数字视频水印技术

摘要：对数字水印技术的基本原理进行了简要的介绍，分析了数字视频水印的特点、分类以及应用，阐述了视频水印的发展现状，并从三个方向探讨了视频水印未来的发展趋势。

关键词：数字视频；数字水印；视频水印

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）22-5143-03

1 数字水印的基本原理及框架

视频数字水印就是以视频为载体添加数字水印。数字水印技术实质上是一种信息隐藏技术，它的基本思想就是将版权信息嵌入到数字图像、音频、视频、文档等数字对象中，从而保护数字多媒体的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。

一般来讲，数字水印系统包含三个基本部分：水印的生成、嵌入、提取或检测，如图2所示。通过相关的水印生成算法生成隐秘信息（如版权信息）形成水印，将水印嵌入到数字内容中得到含水印的数字内容，使用解密密钥结合水印算法提取或检测出水印，从而实现对数字内容的保护与监测。其中，在数字媒体传输的过程中，会受到各种攻击，企图破坏或修改水印，这就要求数字水印能够很好的抵抗各种攻击。

2 数字视频水印的特点及分类

对数字媒体而言，数字水印的主要作用是：1）保护源数据；2）盗版取证和追踪；3）数据加注解和访问控制；4）篡改提示与完整性保护；5）保护许可证信息。

2.1数字水印的特点

数字水印本身的特性可以帮助它在不知不觉间实现对数字媒体的保护。一般来说，数字水印具有以下三个基本特征：

1） 鲁棒性。这是数字水印的最基本要求，即数字水印应该能够抵抗各种有意（如马赛克攻击、统计平均攻击、线性共谋攻击等等）或无意（压缩、滤波、噪声污染、各种几何变换等等）的修改或恶意攻击。这样既保证了数字媒体的高品质，同时也保护了作者的利益。

2） 不可见性。水印的嵌入对数字媒体造成的变化不能被轻易察觉到，同时也不能影响数字媒体的正常使用，从而确保数字媒体的商业价值。可视水印除外。

3） 安全性。嵌入数字多媒体的水印信息应是难以被篡改或伪造的，未经授权的用户是无法正确地检测、提取或是移除水印的。

2.2视频水印的特点

视频不同于静止的图像，是由一系列连续等时间间隔的帧图像构成，受人眼视觉系统、视频的压缩编码以及专门针对视频的攻击形式（如帧间组合、帧删除等）的影响，使得视频水印的研究更具有挑战性。除了具备上述数字水印的基本特点外，视频水印还有其自身的特点。

1） 实时盲检测性。实时动态的视频流，水印的嵌入和提取必须在短时间内完成，从而确保视频的实时编解码。同时，原始视频难以获得，水印的检测要必须满足盲检测的要求。

2） 与视频编码标准相结合。由于视频数据量庞大，存储和传输中常常先进行压缩编码。而水印可以嵌入在原始视频中，也可以在压缩视频中，甚至还可以在编码压缩时嵌入。因此，水印的设计必须考虑视频压缩编码标准，从而保证在视频压缩编码过程中水印信息不丢失。

3） 随机性检测。对于视频而言，水印的检测必须能够在视频的任何位置实现，而不是按视频的播放顺序一步步检测。

2.3数字视频水印的分类

3 数字视频水印的主要应用

版权保护。此类防伪技术主要提高水印鲁棒性，在经历多种信号处理操作或攻击后，水印信息不会被破坏也不会被轻易移除。同时增强水印的不可见性，使得攻击者无法确定水印的位置，从而降低攻击的破坏力。通常是将载有创建者、所有者的标识信息或者是所有者序列号的信息作为水印信息，来实现对数字视频的版权保护。一旦发生版权纠纷，可以提取并检测水印信息来证明版权归属问题。

内容鉴定。有时需要检测视频内容是否遭到恶意更改或伪造，确保视频内容的真实性与安全性。用于认证技术的脆弱水印，即使是轻微的变动也会造成水印信息的破坏而无法提取并检测，嵌入了此类水印，不仅可以感知视频内容是否被修改，还可以对修改信息进行定位。这类水印除了应用于内容认证方面外，在广播监控中也发挥着举足轻重的作用，由于脆弱水印有较强的敏锐性，可以通过检测水印来监控广播是否按照协议正常播放。

拷贝控制。随着计算机与网络的普及，未经授权的视频拷贝与传播极为便捷，也就是说，即使是刚上映的影片，盗版影片在其首映当日就有可能大肆传播。所有者可以在发行的每个拷贝中嵌入不同的指纹——指纹水印，然后将嵌入了指纹的数字视频分发给用户。如果发行商发现了盗版行为，可以根据数字指纹体系中的拷贝分发体制和跟踪体制，实现对非法分发者的跟踪并审判。正如《画皮2》中，华谊兄弟公司通过对检索盗版影片的指纹追踪其源，从而确定出非法复制的来源，然后对盗版者进行起诉，最终实现了版权的保护。

4 数字视频水印的发展现状及趋势

自1994年Van Schyndel在ICIP 94会议上发表了第一篇题为《A digital watermark》的数字水印文章以来，各国学者展开了对水印技术做深入的研究。目前，数字视频水印的发展主要经历了两个阶段。

第一代水印主要侧重于将水印信息扩展到帧中所有的像素中，减少算法的复杂度，增加水印的强度，这一阶段水印的主要特点是与视频内容无关。第二代水印侧重于水印在时间和空间上的同步性，水印信息与视频内容相结合，可以抵抗与帧相关的攻击，与第一代水印相比具有明显的优势。而视频水印算法未来主要的发展方向是基于视频内容或特定属性的算法。

数字水印技术自产生到发展已经取得了很大的进步，但其主要是集中于静止图像的研究，而对视频方向研究的深度、广度以及成熟度等方面都远滞后于图像。不仅由于数字视频数据量大，更受限于其高度复杂性，使得面向数字视频水印的技术具有更大的挑战性。数字视频水印除了在其原有的应用领域中不断优化与完善之外，还将扩展其应用到其他领域，在此笔者主要提出了三个未来的应用趋势。

1）随着互联网技术的发展、三网融合的逐步深化，IPTV的出现将视频与IP相结合，网络带宽有限、拖布结构异构性等，使得视频在网络的传输中经常出现丢包与出错的现象，对水印的鲁棒性形成了巨大的挑战。与IP相结合的视频水印的研究是迫切需要的，水印的算法不仅要具有更好的实时性，还有考虑水印的容量以及长度。

2）下一代视频编码标准H.265的出现，视频朝着高清晰度、低码率的方向发展，视频的高效压缩对视频水印技术更加复杂。结合人类视觉特性、新的编码标准，寻求新的水印嵌入算法以及位置。

3）人们对视频质量的要求越来越高，目前对视频质量的评价普遍都是从主客观测量进行的。而基于数字水印的视频质量检测也是未来的一个重要发展趋势，在视频序列中嵌入水印信息，在解码端提取水印，并与原始水印的损伤程度和部位进行比较，从而评估视频在压缩和传输过程中的质量损伤情况。

5 总结

一直以来，影片盗版问题迟迟得不到解决，而此次《画皮2》侵权案件胜诉是国内电影制片发行方首次状告电影院侵权，将电影著作权维权工作领域延伸至源头。归根结底，是数字水印技术的在数字视频方面的一个成功应用。随着多媒体技术的发展，视频数字化，同时视频压缩技术的逐步完善使得人们可以很方便的使用多媒体产品。现如今，在充分利用互联网的便利下，对数字视频进行更好的保护已经成为研究的热点与难点。视频数字水印技术将成为数字水印的一个重要发展方向，在将来的版权保护、打击盗版方面具有巨大的发展潜力和现实意义。

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