如果數(shù)字視頻水印總要求和不可感知性的魯棒性要求解析

如果數(shù)字視頻水印總要求和不可感知性的魯棒性要求解析

0關(guān)于東南角視頻版權(quán)保護(hù)的必要性隨著經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了創(chuàng)新變化，比特電視越來越受到重視。OTTTV通過互聯(lián)網(wǎng)提供視頻服務(wù),其最大的特點(diǎn)就是多渠道、多終端:OTT視頻不僅可以通過專網(wǎng)(廣電網(wǎng)、電信網(wǎng))進(jìn)行傳輸也可以通過公網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))進(jìn)行傳輸;OTTTV終端可以是Mobile、Pad、PC和智能電視機(jī)等。人們可以很方便地獲取、存儲和使用OTT視頻,使視頻內(nèi)容更容易被竊取和盜用,因此解決OTTTV視頻版權(quán)保護(hù)問題迫在眉睫。近年來,數(shù)字水印技術(shù)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域本文首先簡要介紹OTTTV系統(tǒng)框架,其次分析OTTTV視頻版權(quán)信息的內(nèi)容,然后著重針對不同類型的載體視頻和OTT應(yīng)用環(huán)境,詳細(xì)分析視頻水印總要求和不可感知性、魯棒性等技術(shù)性要求,希望為OTTTV的數(shù)字視頻水印技術(shù)的發(fā)展及其評測標(biāo)準(zhǔn)體系的建立奠定基礎(chǔ)。1東南角前播系統(tǒng)系統(tǒng)OTTTV從廣義上來說是基于互聯(lián)網(wǎng)的視頻服務(wù)。從狹義上來說,是指通過公共互聯(lián)網(wǎng)并以電視機(jī)為顯示終端的單向或者點(diǎn)播視頻、信息和通信服務(wù)等業(yè)務(wù),接收終端一般為OTT機(jī)頂盒加電視機(jī),或者智能電視機(jī)。OTTTV傳輸系統(tǒng)如圖1所示。OTT視頻內(nèi)容由電視臺、視頻網(wǎng)站、牌照商、UGC以及其他內(nèi)容制作單位提供。OTTTV集成播控平臺包括CMS、EPG服務(wù)門戶、內(nèi)容分發(fā)、運(yùn)營支撐平臺和終端管理平臺等。1.CMS:內(nèi)容管理系統(tǒng),對內(nèi)容進(jìn)行注入、編排、審核、存儲和管理等。2.EPG服務(wù)門戶:完成和用戶的接口,與用戶進(jìn)行交互。3.內(nèi)容分發(fā):建立中央級的CDN節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)內(nèi)容的分發(fā)和推送4.運(yùn)營支撐平臺5.終端管理平臺:通過終端管理平臺實(shí)現(xiàn)終端的認(rèn)證、接入管理和軟件升級等。OTTTV終端具有多樣性,可以是Mobile、Pad、PC、智能電視機(jī)等各種設(shè)備。OTT視頻種類繁多,數(shù)量巨大。目前各OTTTV平臺的視頻信息整理見表1。2tp編碼技術(shù)根據(jù)ChinaDRM提出的廣播電視數(shù)字版權(quán)管理數(shù)字內(nèi)容標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)1.版本號。OTT視頻正處在飛速發(fā)展時(shí)期,定義視頻版權(quán)信息需要遵循可擴(kuò)展性原則,因此需要在版權(quán)信息中設(shè)置版本號字段,在當(dāng)前版本不符合實(shí)際情況時(shí),可以定義新的版權(quán)信息。2.提供者類別。OTT視頻內(nèi)容既可由個(gè)人提供也可由機(jī)構(gòu)提供,若不將個(gè)人提供者(個(gè)體數(shù)量多,每個(gè)個(gè)體提供的內(nèi)容數(shù)量少)與機(jī)構(gòu)提供者(個(gè)體數(shù)量少,每個(gè)個(gè)體提供的內(nèi)容數(shù)量多)加以區(qū)分,必然造成編碼效率低下,因此需設(shè)一個(gè)字段來辨別是個(gè)人還是機(jī)構(gòu)。其中“0”代表法人,“1”代表自然人。3.注冊代理機(jī)構(gòu)。OTT視頻版權(quán)信息中包含注冊代理機(jī)構(gòu)(RA)的信息,既可以避免集中式注冊產(chǎn)生的管理瓶頸,也可以涵蓋更多的數(shù)字內(nèi)容類型。4.內(nèi)容提供者。用于標(biāo)識OTT視頻提供者的一個(gè)身份驗(yàn)證號,通過它可以從數(shù)據(jù)庫中檢索出內(nèi)容提供者的具體信息,以解決版權(quán)糾紛問題。5.注冊年份。用于識別OTT視頻的登記注冊時(shí)間。注冊年份用二進(jìn)制數(shù)字表達(dá),長度為8比特,其值是用注冊年份數(shù)值減去2000,即取值范圍為0?255,表示2000年至2255年。6.內(nèi)容編碼。用于標(biāo)識同一內(nèi)容提供者的不同數(shù)字內(nèi)容,以二進(jìn)制數(shù)字表示。內(nèi)容編碼的長度取決于提供者類別,當(dāng)“提供者類別”值為“0”時(shí),長度為24個(gè)比特;當(dāng)“提供者類別”值為“1”時(shí),長度為12個(gè)比特。表2給出了OTTTV視頻版權(quán)信息各段的取值范圍,最小的為1比特,最大的為32比特。3數(shù)字視頻水印嵌入與檢測OTTTV視頻水印系統(tǒng)應(yīng)滿足足夠的取證數(shù)據(jù)容量、技術(shù)實(shí)現(xiàn)的開放性和兼容性、實(shí)時(shí)性、高圖像質(zhì)量和高魯棒性。其水印系統(tǒng)框圖如圖2所示。數(shù)字水印嵌入與檢測應(yīng)支持各種視頻編碼格式包括MPEG1/2/4、H.264、H.265、MPEG1/2/4、VC-1、DivX4/5、RealVideo等。數(shù)字水印嵌入與檢測應(yīng)支持各種視頻格式包括RMVB、FLV、MP4、MPEG、AVI和WebM等。2.OTT視頻圖像寬高比數(shù)字水印嵌入與檢測應(yīng)支持不同視頻圖像寬高比,包括1.37:1、1.55:1、1.78:1、1.85:1和2.35:1等。3.OTT視頻版權(quán)消息數(shù)據(jù)凈荷水印數(shù)據(jù)凈荷應(yīng)包含表2的全部信息,至少為64比特。當(dāng)法人作為內(nèi)容提供者時(shí),必須包含3比特的版本號、1比特的提供者類別、8比特的注冊代理機(jī)構(gòu)、20比特的內(nèi)容提供者、8比特的注冊年份以及24比特的內(nèi)容編碼。當(dāng)自然人作為內(nèi)容提供者時(shí),必須包含3比特的版本號、1比特的提供者類別、8比特的注冊代理機(jī)構(gòu)、32比特的內(nèi)容提供者、8比特的注冊年份以及12比特的內(nèi)容編碼。4.OTT視頻水印容量及實(shí)時(shí)性參考美國數(shù)字電影倡導(dǎo)組織(DCI,DigitalCinemaInitiatives)的相關(guān)規(guī)定,本文建議基于OTT的視頻水印系統(tǒng)中當(dāng)載體視頻為標(biāo)清時(shí),每10分鐘的內(nèi)容包含64比特的水印數(shù)據(jù)。載體視頻為高清時(shí),要求每4分鐘的內(nèi)容要求包含64比特的水印數(shù)據(jù)。嵌入水印應(yīng)是實(shí)時(shí)的,可以在15分鐘內(nèi)容片斷上完成水印的檢測和恢復(fù)。由水印的生產(chǎn)廠商或版權(quán)所有者進(jìn)行檢測。4tax視頻水處理技術(shù)要求4.1水印圖像的主觀質(zhì)量感知度是用來衡量在視頻中嵌入數(shù)字水印后水印的可見度,它影響含水印視頻的視頻質(zhì)量。OTTTV視頻水印應(yīng)具有不可感知性,即嵌入水印后不能降低視頻視覺效果。根據(jù)Rec.ITU-RBT.500-11T的相關(guān)規(guī)定(見表3),基于OTT視頻水印系統(tǒng)輸出的含水印信息圖像的主觀質(zhì)量平均等級(比未嵌水印視頻質(zhì)量)應(yīng)達(dá)到5分。客觀上可采用峰值信噪比(PSNR,PeakSignal-to-NoiseRatio)來衡量水印的客觀感知程度。一般地,PSNR的值越大,表示嵌入水印前和嵌入水印后兩幅圖像的差異越小,視頻質(zhì)量就越高;反之亦然。OTT視頻水印中PSNR的值一般要求不低于42dB。4.2視頻序列檢測數(shù)字水印的魯棒性指即使視頻文件受到某種改動,水印信息仍然可以被提取或鑒別的能力。這里的“改動”包括不可避免的常規(guī)信號處理和非法的惡意攻擊。常規(guī)的信號處理是指視頻的擁有者為了更好地管理或使用視頻數(shù)據(jù)而對其進(jìn)行的各種處理根據(jù)視頻在傳輸使用過程中受到各種處理可能性大小遞減的順序?qū)⒐纛愋头譃?一級攻擊、二級攻擊和三級攻擊。一級攻擊是視頻在傳輸使用過程中最有可能經(jīng)過的處理,比如壓縮、加噪、轉(zhuǎn)碼二級攻擊是視頻在傳輸使用過程中可能受到的處理,比如濾波、裁剪、幀重組、幀交換、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、制式轉(zhuǎn)換、視頻幀率轉(zhuǎn)換、尺度變換、水平和垂直位移等。三級攻擊是視頻在傳輸使用過程中很少受到的處理,通?？烧J(rèn)為是以破壞水印為目的的惡意攻擊,比如共謀攻擊圖3給出了OTT視頻水印需要抵抗的攻擊。為了保證視頻的魯棒性,在視頻受到攻擊后,對視頻序列進(jìn)行水印檢測,通過率應(yīng)不低于90%。1.一級攻擊1)壓縮:為了提高視頻傳輸?shù)挠行?通常要對視頻信息進(jìn)行編碼壓縮。經(jīng)有損壓縮后,高頻分量常被當(dāng)作冗余信息去除,于是嵌入在高頻分量中水印信息也被去除。2)加噪:噪聲主要來自傳輸中的干擾,也可能是攻擊者為了消除或破壞水印而在視頻幀圖像中惡意引入。3)轉(zhuǎn)碼:為了達(dá)到OTT視頻在線邊接收邊播放觀看的目的,往往在傳輸之前先將視頻同時(shí)轉(zhuǎn)碼成內(nèi)容相同碼率不同(碼率越高,分辨率越大,視頻質(zhì)量就越好)的多碼率視頻流。4)分片:將已轉(zhuǎn)碼的不同碼率視頻流按一定時(shí)間間隔分割成多個(gè)時(shí)間相同,質(zhì)量不同的子文件,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況選擇合適的子文件進(jìn)行傳輸。5)丟包:OTT視頻在網(wǎng)絡(luò)中是被分成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)?一般在傳輸過程中往往會出現(xiàn)線路差,網(wǎng)絡(luò)被堵塞等情況,這時(shí)就會造成丟包。2.二級攻擊1)濾波:濾波包括低通濾波、中值濾波和抗混疊濾波等。2)裁剪:像素大小不變,通過剪切圖像導(dǎo)致圖像大小改變,并會引起部分內(nèi)容丟失。3)幀重組:視頻在傳輸時(shí)采用自適應(yīng)傳輸流技術(shù),先對視頻進(jìn)行分片,形成內(nèi)容相同碼流不同的子片,最后在接收端重組。4)幀交換:通過交換視頻序列中的兩幀或幾幀,破壞運(yùn)動估計(jì)和補(bǔ)償,從而達(dá)到破壞水印的目的。5)A/D和D/A轉(zhuǎn)換:經(jīng)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)A-D和D/A轉(zhuǎn)換。6)制式轉(zhuǎn)換:不同制式之間的轉(zhuǎn)換,如PAL、NTSC和SECAM之間的轉(zhuǎn)換。7)視頻幀率轉(zhuǎn)換:視頻幀率表示每秒顯示視頻幀的幀數(shù)。視頻幀率轉(zhuǎn)換支持視頻幀率在60幀到15幀之間變化。8)尺度變換:包括一致性尺度變換和非一致性尺度變換。一致性尺度變換的寬高比不變,因像素大小改變而導(dǎo)致圖像大小改變;非一致性尺度變換的寬高比發(fā)生變化,即圖像出現(xiàn)拉伸變形或擠壓變形,但圖像內(nèi)容仍然保持完整。9)水平和垂直位移:任意刪除圖像中的某幾行或列,或者刪除行或列后在圖像中的其它位置上復(fù)制相同數(shù)量的行和列,以保證圖像尺寸不變。3.三級攻擊1)共謀攻擊:通過同一原始數(shù)據(jù)集合的不同水印版本,生成一個(gè)近似的數(shù)據(jù)集合,以此來逼近和恢復(fù)原始數(shù)據(jù),使檢測系統(tǒng)無法在這個(gè)近似的數(shù)據(jù)集合中檢測出水印的存在。2)覆蓋攻擊:添加新的水印,以混淆原有水印,造成版權(quán)糾紛問題。3)馬賽克攻擊:把視頻幀分割成許多小的圖像塊,然后再拼成整體效果和原圖一樣的圖像,使得水印不能被檢測或提取出來。5視頻水印質(zhì)量本文通過對OTTTV視頻的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)的分類和分析,給出了視頻水印的感知度、魯棒性和水印容量的性能需求:1.根據(jù)Rec.ITU-RBT.500-11T的相關(guān)規(guī)定,主觀評價(jià)感知度時(shí),建議OTT視頻水印系統(tǒng)輸出的含水印信息圖像的主觀質(zhì)量平均等級(比未嵌水印視頻質(zhì)量)應(yīng)達(dá)到5分;客觀評價(jià)時(shí),OTT視頻水印PSNR的值一般要求不低于42dB。2.關(guān)于魯棒性,根據(jù)視頻在傳輸使用過程中受到各種處理的可能性大小將攻擊類型分為三級,并對每一種處理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。3.參考美國DCI的相關(guān)規(guī)定,對OTT視頻水印容量提出了要求:建議在OTT的視頻水印系統(tǒng)中當(dāng)載體視頻為標(biāo)清時(shí),每10分鐘的內(nèi)容包含64比特的水印數(shù)據(jù)。載體