关键词：视频数字水印视频编码器MPEG-4
目前,随着网络视频点播技术的迅速发展，人们不但可以通过互联网和ＣＤ－ＲＯＭ方便快捷地获得多媒体信息，还可以得到与原始数据完全相同的复制品，由此引发的盗版问题和版权纷争已成为日益严重的社会问题。因此，对数字多媒体产品的版权保护，拷贝保护，产品认证等采取的数字水印处理技术已经成为近年来研究的热点领域之一。
一、视频数字水印技术介绍
数字水印技术通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的感知系统觉察或注意到。虽然数字水印技术近几年得到长足发展，但方向主要集中于静止图像。由于包括时间域掩蔽效应等特性在内的更为精确的人眼视觉模型尚未完全建立，视频水印技术的发展滞后于静止图像水印技术。另一方面，由于针对视频水印的特殊攻击形式的出现，为视频水印提出了一些区别于静止图像水印的独特要求。
视频数字水印和静止图像数字水印存在差异：:视频信息具有大容量、结构复杂、信息压缩等特征；可用信号空间不同；视频作为一系列静止图像的集合，会遭受到一些特定的攻击。如帧平均，帧剪切，帧重组等；虽然视频信号空间比较大，但是视频水印经常有实时或者是接近实时的要求，与静止图像相比，较低复杂度的要求更为重要，同时现有的标准视频编码格式又造成了水印技术引入上的局限性。
基于以上差异，视频水印除了具备难以察觉，健壮性外，还具有以下特征：复杂度；压缩域处理；恒定码率；水印检测时不需要原始视频，因为保存所有的原始视频几乎是不可能的。
二、视频数字水印的算法
通过分析现有的数字视频编解码系统，可视频水印根据嵌入的策略可以分为以下几类，在未压缩域中嵌入、在视频编码器中嵌入和在如图所示。
（１）视频水印嵌入方案一：水印直接嵌入在原始视频流中。此类方案的优点是：水印嵌入的方法较多，原则上数字图像水印方案均可应用于此。缺点是：会增加视频码流的数据比特率；经ＭＰＥＧ－４有损压缩后会丢失水印；会降低视频质量；对于已压缩的视频，需先进行解码，然后嵌入水印，再重新编码。
（２）视频水印嵌入方案二：水印嵌入在编码阶段的离散余弦变换（ＤＣＴ）的直流系数（ＤＣ）中（量化后、预测前）。它的优点是：水印仅嵌入在ＤＣＴ系数中，不会增加视频流的数据比特率；易设计出抗多种攻击的水印；可通过自适应机制依据人的视觉特性进行调制，在得到较好的主观视觉质量的同时得到较强的抗攻击能力。缺点是对于已压缩的视频，有一个部分解码、嵌入、再编码的过程。
(３)视频水印嵌入方案三：水印直接嵌入在ＭＰＥＧ－４压缩比特流中。优点是不需完全解码和再编码的过程，对整体视频信号的影响较小。缺点是：视频系统对视频压缩码率的约束将限制水印的嵌入量；水印的嵌入可能造成对视频解码系统中运动补偿环路的不良影响；该类算法设计具有一定的复杂度。
三、视频数字水印算法与实现
本文提出了一种基于扩展频谱的视频数字水印改进方案。在ＭＰＥＧ－４视频中，由于ＩＶＯＰ中色度子块的ＤＣＴ直流系数是一个在视频流中始终存在且很鲁棒的参数，本方案将水印信息经ｍ序列(最长线性反馈移存器序列)调制后嵌入到ＩＶＯＰ的色度子块ＤＣＴ的直流系数中。关键问题是色度ＤＣＴ的直流系统是一个对视觉系统很敏感的参数，本方案在色度ＤＣＴ的直流系数上加水印相当于对其加入微量干扰，必须使这种干扰低于一定的门限值，使人眼的视觉系统对视频中色度的微小变化感觉不到。经过试验将水印嵌入到ＩＶＯＰ的色度ＤＣＴ的直流系数的最低位能满足要求。
（1）视频数字水印的嵌入
伪随机的扩展序列长度为２５５(２８－１)，每一水印信息位通过伪随机扩展序列的调制嵌入到相应的ＩＶＯＰ色度对应的ＤＣＴ直流系数(量化后、预测前)的最低位,这样水印信息在不影响视频效果的情况下一般难以去除。同时，嵌入在直流系数的最低位，带来的误差非常小。
伪随机的扩展序列产生代码如下：
＃ｄｅｆｉｎｅＭ＿ＬＥＮ２５５
＃ｄｅｆｉｎｅＭ＿ＳＥＲＩＥＳ８
ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＋＋)ｍ[ｉ]＝１;
ｆｏｒ(ｉ＝Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＜Ｍ＿ＬＥＮ;ｉ＋＋)
{ｍ[ｉ]＝ｍ[ｉ－１]＋ｍ[ｉ－５]＋ｍ[ｉ－６]＋ｍ[ｉ－７];
ｍ[ｉ]＝ｍ[ｉ]％２;}
水印信息位扩展调制方式为：水印信息位为０，伪随机的扩展序列不变；水印信息位为１，伪随机的扩展序列取反。
这个过程可以用异或运算实现。代码如下:ＷＭｉｊ＝Ｗｉ＾ｍ[ｊ];
／*每一水印信息位扩展调制成２５５位的扩展调制位*／
这里Ｗｉ表示水印信息码流(ＷＭｉｊ表示水印信息扩展调制码流。设ＵＤＣｉｊ表示视频ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系数)量化后、ＤＣ预测计算之前?雪序列，为了方便，用一个字节表示一位二进制码流信息。
水印嵌入过程如下：ｉｆ(ＷＭｉｊ)ＵＤＣｉｊ｜＝１;
／*根据扩展调制后的码流嵌入水印信息*／
ｅｌｓｅＵＤＣｉｊ＆＝０ｘＦＦＦＥ;
（２)视频数字水印的提取
水印信息提取是水印信息嵌入的逆过程,代码如下:
ｉｆ(ｉｎｖ＿ＵＤＣｉｊ＆１)ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ＝１;
ｅｌｓｅｉｎｖ＿ＷＭｉｊ＝０;
这里ｉｎｖ＿ＵＤＣｉｊ表示带有水印信息的视频ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系数(反量化前、ＤＣ预测计算之后)序列；ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ表示检测到的水印信息扩展调制码流。每个ＩＶＯＰ色度子块在解码时得到一位扩展调制的信号位，每连续２５５个扩展调制的信号位可解调得到１位水印信息。
试验结果表明，ｍ序列的长度越长，检测效果越好，但能够嵌入的水印信息量也相应地减少。本方案中将水印信息嵌入到色度子块ＤＣＴ直流系数的最低位，这样不仅使水印嵌入计算的复杂度大为降低，为ＭＰＥＧ－４编解码节省了时间，还达到了不可觉察性，而且也不会增加视频码流。另外，水印提取时无需原始视频。若水印信息未受到攻击，则本方案可准确地提取到原始视频的完全水印；若水印信息受到攻击，根据扩频解调性质，本方案可以最大限度地恢复出原始水印信息，并统计出有多少个ＩＶＯＰ色度子块受到攻击。
参考文献：
[1]刘少峰.视频数字水印的研究与应用[D].北京邮电大学.2007年.
[2]刘琪.MPEG-4视频水印技术的研究与实现[D].沈阳工业大学.2006年.