一种基于指纹和可视可擦除水印的安全广播视频分发方案

李宏圆 刘光杰 杨鑫豪

（船舶重工集团公司723所 江苏 225001）

0 引言

可视水印技术[1，2]通过在多媒体数据中嵌入标示有版权信息的可视水印来保护多媒体数据的版权。如果可视水印可以从原始载体擦除并恢复原始载体，这样的可视水印被称作可视擦除水印。可视可擦除水印一般可以分为两个部分，水印的嵌入和水印的擦除。数字指纹在解决版权追踪的问题上发挥了重要的作用。作为数字产品的发行商来说，将标记有每个用户的指纹信息嵌入到数字载体中。当发行商发现盗版的拷贝后，嵌入其中的用户信息就可以被提取出来，从而完成对非授权用户的追踪。通常，数字指纹码可以分为两类：正交的数字指纹码和编码的数字指纹码。

1 安全广播方案

图1 整体方案

本文在可视可擦除水印技术与数字指纹技术[3-5]的基础上，提出了一种安全的广播视频分发方案。整体解决方案主要包含有两个部分：发送端和接收端。以数字电视节目点播与传输为例，说明项目的整体方案，如图 1。内容服务器主要进行结合多媒体的编码的可视水印的嵌入。经过用户申请预览后，付费节目首先进行多媒体编码，在编码的过程中嵌入可视水印，然后编码成节目流。对节目流的加密主要是利用控制字（即随机数）与数据流进行模二的运算，最后进行数据广播。在机顶盒端，用户进行节目的预览。如果对节目进行申请预览。用户申请预览后，将会发送预览的请求给授权中心，授权中心向内容服务器发送预览的请求。同时，在得到用户节目支付后，授权中心向机顶盒传输可视水印的擦除密钥和该用户的数字指纹密钥。机顶盒利用可视水印密钥将可视水印擦除，同时利用产生数字指纹的密钥将用户的指纹信息嵌入到数字视频中。授权中心在内容服务器和机顶盒起了一个桥梁的作用。授权中心主要进行业务和许可的存储、响应和传输等的操作。授权中心记录了每个购买了数字指纹用户的信息。

1.1 可视可擦视频水印

可视可擦除视频水印包含有两个步骤：在节目发送端，在可视水印嵌入器的作用下，将可视图像嵌入到视频数据上；在接收端，机顶盒中的擦除模块将可视水印擦除。这里，水印的嵌入与擦除是一个完全可逆的过程。为了实现安全的嵌入与擦除，本文利用不同的伪随机数去调整水印图像的嵌入系数。这些伪随机数的产生是在密钥控制下的，不同的密钥所产生的随机数是不一样的。这样，只有拥有正确密钥的用户才能完成擦除可视水印并恢复高质量的视频数据。现有的成熟的视频编解码方法一般有MPEG2、MPEG4和H264。这些编解码方案的核心就是都使用了DCT变换。为了体现本项目的可视水印方案的快速性，可视水印的嵌入与擦除都是在DCT域进行。在节目的制作与播放的过程中，水印的嵌入与擦除操作并不需要额外的系统耗费。可视可擦除水印的方案具有快速与安全两种优点。这样的优点使得可视可擦除水印在数字电视系统中得到很好的应用。

1.2 数字指纹

在本方案中，数字指纹的嵌入操作是在机顶盒中完成。这样，减轻了服务器的载荷。在数字电视广播网视频点播的环境可知，本方案的数字指纹需要支持大规模的用户（十万级）。因此，在本方案中，我们将研究能支持大规模用户的数字指纹方法，具体可综合现有的数字指纹方案，利用Tardos等数字指纹码设计高性能指纹码。然后将Tardos指纹码以数字水印的方式（量化或扩频）嵌入到多媒体的鲁棒系数中去。这样，当发生可疑载体时，就可以提取含指纹码的系数，检测到非授权的分发者。

整体方案中各方的详细交互方案可以用下面的过程具体表示：

（1）用户向权力中心发送预览请求

（2）权利中心认证机顶盒并向机顶盒端发送解密密钥

（3）内容服务器将可视水印嵌入到视频中并向机顶盒发送

（4）机顶盒认证解密密钥的完整性并解密电视节目

（5）用户预览节目

（6）用户向权利中心发出擦除请求

（7）权利中心认证机顶盒并向机顶盒发送水印擦除密钥和数字指纹密钥

（8）机顶盒机顶盒认证解密密钥的完整性

（9）机顶盒擦除可视水印并嵌入数字指纹

（10）用户观看节目

2 结语

本文提出了一种安全广播视频分发方案，在方案中分别利用了可视可擦除数字水印以及数字指纹技术。满足了视频分发业务中的用户预览应用需求，具有追踪非授权分发用户的功能。该方案有如下的几个特点：它并不需要改变现有的网络传输结构，不会或极少增加网络带宽，具有很高的可行性；可视水印的擦除和数字指纹的嵌入是在机顶盒中完成，而机顶盒本身就预留了额外的模块。因此，对应于可视水印的擦除和数字指纹的嵌入的机顶盒中硬、软件设计是完全可行的；数字水印和指纹码的操作是在视频编解码中进行，且数字指纹的嵌入是在数字机顶盒中完成，因此较大的降低了发送端的系统载荷。

[1] 李茜，王朔中，金秋明.兼顾视觉质量和载体图像无损重建的可见水印.中国图象图形学报，2008，（10）：1947-1950.

[2] 赵友军，邸兰振.感兴趣区域的自适应可见水印技术.计算机工程，2007，（9）：180-181.

孙圣和，陆哲明，牛夏牧.数字水印技术及应用.科学出版社：北京，2004.14-50.

[3] M Barni，F Bartolini，V Cappellini，et al.A DCT-domain system for robust image watermarking.Signal Processing，1998，66（3）：357-372.

[4] H V Zhao，K J R Liu.Fingerprint multicast in secure video streaming.IEEE Transactions on Image Processing，2006，15（1）：12-29.

[5] S Lian，Z Liu.Secure media content distribution based on the improved set-top box in IPTV.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2008，54（2）：560-566.