面向音视频数字档案的水印技术研究

马林联 罗为荣 赵丽玲 李章兵 向德生 葛昆

1、前言

档案信息化是指利用数据库技术、数据压缩技术、高速扫描技术等技术手段，将纸质文件、声音、图像、影像等传统介质文件和已归档保存的电子档案，系统组织成具有有序结构的档案信息库。数字档案的使用既可以保护原始档案，又能方便公民查阅，但同时也产生了数字档案的保护问题。由于数字化产品可以毫无损失的复制、存储，甚至重新生成，从而数字档案的非法获取也更为容易。这就迫切地需要对这些数字化的档案进行有效的保护。使用数字水印技术在数字档案中加入水印信息，一方面可以防止其它团体或个人非法使用该数字档案或对该数据档案宣称拥有版权;另一方面可以防止伪造数字档案。

2、特点

数字音视频水印技术横跨了信号处理、数字通信、密码学、模式识别等多种学科。数字音视频水印技术就是在不影响原始音视频信号听觉和视觉质量的前提下，通过一定的算法向数字音视频信号中嵌入易于提取的秘密信息的过程。根据应用目的的不同，被嵌入的信息可以是具有特定意义的信息，如：作者的序列号、单位标志或有特殊意义的文本;可以是用来识别音视频作品的来源、版本、创作者、发行者、所有者以及合法使用者对该作品的所有权的标识符;也可以是不具有任何特定含义的字符串或随机序列，用来进行数字音频作品的完整性认证。水印与原始音视频数据紧密结合并隐藏在其中，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。因此，数字水印技术不仅在验证数字档案真实性和完整性上发挥着重要作用，还在档案工作的信息追踪、媒体宣传和防止伪造上有着不可估量的作用。

3、研究内容

针对目前国内外音视频数字水印算法所存在的缺点和问题，主要研究以下内容：

（1）水印信息生成：水印可由多种模型构成，如伪随机序列、数字标识、文本以及图像等，研究扩频原理，设计包含音视频作品的来源、版本、创作者、发行者、所有者的水印信息，并采取加密和认证机制。

（2）嵌入位置：研究音视频文件格式与编码特性，研究水印嵌入在原始音视频信号的时域还是频域及位置，如频域的高频系数还是低频系数，将脆弱水印嵌入到感知不重要的高频分量中。研究在视频MPEG-4压缩编码中进行可逆半脆弱水印的嵌入方法，在I帧、P帧、B帧嵌入能够篡改定位的可逆脆弱水印;研究运动矢量对视频嵌入水印的作用。

（3）内嵌强度：研究水印的鲁棒性和透明性（不可觉察性），综合考虑并恰当选取内嵌强度，增强水印抵抗攻击的能力，同时保证原音视频信号的质量。研究低频混合域系数两级矢量量化的多重水印方案;避免鲁棒水印和脆弱水印间的相互干扰。

（4）水印的提取与检测：研究混沌映射与小波域变换理论，研究混沌相变检测微弱有用信号的方法、应用混沌振子相变检测技术的快速检测算法，研究利用最大相似序列向量检测水印的方法盲提取过程。

（5）研究相应的数字水印攻击方法，改进水印算法抵抗仿射变换、滤波、重采样、色彩抖动和有损压缩的鲁棒性。

（6）水印算法的透明性和鲁棒性评估：研究各种不同的评估标准和评估软件，对设计的水印算法进行评估。

4. 关键技术

（1）音视频线性预测系数矢量量化;图像宏块与边缘检测问题;

（2）保持小的峰值信噪比损失PSNR 值<40dB，获得较好的视听效果和透明性;

（3）音视频水印的多重嵌入，对于删帧攻击和篡改定位的鲁棒性保持问题;

（4）音频与视频水印盲检测的重同步问题;

（5）含水印音频或视频的差错掩盖补偿算法。

5. 研究具体措施

（1）分析音视频文件格式与压缩编码标准、分析人类听觉与视觉掩蔽特性;

（2）探讨现有与音视频相关的数字水印技术（如DCT、DFT、DWT），用混沌序列确定水印嵌入位置，结合均值量化技术对水印在小波域进行嵌入;总结相关技术的优缺点并相应提出改进方法。

（3）以水印透明性和鲁棒性为目标，结合离散小波变换的多分辨率分析特性、离散余弦变换的能量压缩特性以及高阶累积量的高斯噪声抑制特性，设计并实现音视频数字水印的多重嵌入与盲检测算法，在隐藏水印信息的同时，嵌入一个同步信号，使水印具有自同步能力。

（4）设计并实现针对含水印音视频流的差错掩盖补偿算法。利用编码器中解码的数据进行边缘检测确定边缘块与非边缘块，选择P帧中具有最大运动矢量幅值的宏块嵌入水印，给出编解码器严格的补偿方案。

（5）构建实验平台，将嵌入算法、差错掩盖算法和盲检测算法集成起来进行综合测试试验。

（6）研究音视频水印的攻击算法和评估标准，对实现的算法和系统进行攻击测试和评估。用水印测试标准软件用来测试水印方案的鲁棒性，如unzing、Certimark等，根据实验结果，分析和改进水印算法的性能和安全影响。

6.结语

目前数字水印技术研究有了比较健全的理论体系，但音频和视频水印技术的研究还不甚成熟，存在着很多困难，对音视频水印的评估没有一个完全统一的标准，特别是水印的安全性研究还有待提高;音视频水印技术在档案数字化上的应用更少。因此，开展针对音视频的水印技术研究对档案数字化具有重要的现实意义。

贵州省档案局科研项目

（作者单位：贵州轻工职业技术学院，湖南科技大学）