蔡 偉

（廣東省信宜732 臺，廣東 茂名 525300）

0 引言

廣播電視是一種廣泛傳播信息和娛樂的重要媒體形式，面臨著內(nèi)容完整性、版權(quán)保護(hù)和信號篡改等問題。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字水印技術(shù)作為一種隱蔽、穩(wěn)定的信息嵌入和提取方法，逐漸成為解決這些問題的有力工具。

數(shù)字水印技術(shù)是一種將額外信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中的方法，不影響數(shù)據(jù)的可視或聽覺質(zhì)量。這種額外信息可以用于標(biāo)識內(nèi)容的版權(quán)信息，進(jìn)行內(nèi)容完整性驗證，甚至用于未經(jīng)授權(quán)廣告插播檢測。廣播電視信號中的數(shù)字水印技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，從版權(quán)保護(hù)到廣告監(jiān)測再到內(nèi)容完整性驗證，都能夠獲得顯著的收益。本文將重點探討廣播電視信號中的數(shù)字水印技術(shù)，包括水印的嵌入和提取過程，以及具體的算法應(yīng)用。

1 數(shù)字水印技術(shù)概述

數(shù)字水印技術(shù)是一種強大的信息隱藏技術(shù)，可將不可見的標(biāo)識符嵌入數(shù)字媒體文件中，以實現(xiàn)多種應(yīng)用目的。數(shù)字水印通常以數(shù)字形式存在，可以是文本、圖像、音頻或視頻等數(shù)據(jù)。而在嵌入水印后，媒體文件的外觀或聽取質(zhì)量不應(yīng)受到顯著影響[1]。

數(shù)字水印的基本原理涉及不同的技術(shù)方法，包括頻域技術(shù)、時域技術(shù)和變換域技術(shù)。頻域技術(shù)通常用于修改圖像或音頻的頻譜，以隱藏信息。例如，將水印信息嵌入到特定頻率或幅度范圍內(nèi)。時域技術(shù)通過微調(diào)媒體文件的樣本值來嵌入信息，通常采用微小的振幅變化或相位移位。變換域技術(shù)使用數(shù)學(xué)變換如傅里葉變換或小波變換，將水印信息嵌入媒體文件的變換域中。密鑰管理也是數(shù)字水印系統(tǒng)的重要組成部分，用于控制嵌入和提取過程，確保只有知道密鑰的人才能成功提取數(shù)字水印信息。

2 廣播電視信號中的水印嵌入

2.1 SURF 算法

加速穩(wěn)健特征（Speeded Up Robust Features，SURF）是一種用于圖像特征提取和匹配的算法，是在計算機視覺領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種特征描述算子。SURF 特征描述算子的主要特點包括速度快、健壯性強，適用于實時圖像處理和物體識別任務(wù)[2]。該算法的應(yīng)用涉及多個步驟，包括特征點檢測、關(guān)鍵點方向計算以及特征描述子生成等。

進(jìn)行水印嵌入時，需要利用SURF 算法獲得嵌入水印的低頻子帶的特征點和特征描述子。特征點提取過程中，SURF 算法利用Hessian 矩陣來估計圖像中的關(guān)鍵點[3]，其計算公式為

式中：p表示圖像中的某一點，σ表示尺度參數(shù)，Lxx(p,σ)、Lyy(p,σ)、Lxy(p,σ)分別表示在點p處、尺度為σ時，對圖像進(jìn)行兩次x方向、兩次y方向、x方向和y方向的高斯平滑后再進(jìn)行2 階偏導(dǎo)數(shù)計算。

利用近似值來加速高斯卷積的計算。這些近似值分別為Dxx、Dxy、Dyy。再利用式（2）進(jìn)行行列式的代替和計算。當(dāng)式（2）取得局部極大值，即可判定關(guān)鍵點。

根據(jù)確定的關(guān)鍵點，將其周圍鄰域分成4×4子塊，并計算子塊像素水平、垂直方向的Haar 小波特征，生成每個子塊的4 維特征向量，計算公式為

式中：dx、dy表示像素水平、垂直小波特征。4×4個子塊的所有特征向量構(gòu)成了特征點的特征描述子，其維度為4×4×4=64。

2.2 嵌入流程

水印嵌入流程如圖1 所示，具體步驟如下。

圖1 廣播電視信號水印嵌入流程

（1）從原始廣播電視信號中利用幀差法選擇關(guān)鍵幀。當(dāng)連續(xù)幀之間幀差最小，可確定這些幀為關(guān)鍵幀，以矩陣P的形式表示，P(i,j)便是對應(yīng)像素點的像元值，尋找?guī)畹墓綖?/p>

式中：Fd表示幀差，F(xiàn)m+1、Fm表示第m+1、m時間點的幀。

（2）對關(guān)鍵幀P進(jìn)行二級離散小波變換，以獲得低頻子帶（LL2），并提取小波系數(shù)C(i)，對第一重水?。ê戏ㄐ运。┻M(jìn)行利用Arnold 加密處理，加入公式為

加密后嵌入到C(i)，并獲取嵌入水印之后的小波系數(shù)C'(i)，嵌入公式為

式中：α表示嵌入的第一重水?。ê戏ㄐ运。姸?，f(*)表示水印信息加密函數(shù)。

（3）利用SURF 算法獲得嵌入水印的低頻子帶的特征點和特征描述子，并將其所構(gòu)成的特征矩陣A進(jìn)行奇異值分解[4]，奇異值分解公式為

式中：n、m分別表示特征矩陣中特征點個數(shù)、行向量，m=64。將分解后的對角矩陣S的前10%作為第二重完整性水印W2。

（4）將步驟（2）中獲取的低頻子帶再次進(jìn)行二級離散小波逆變換，獲取含有第一重水?。ê戏ㄐ运。?，利用奇異值分解將第二重水印（完成性水?。┣度?，得到雙重水印幀P"。

式中：β表示第二重水?。ㄍ瓿尚运。┣度霃姸?。

（5）將雙重水印幀P"插入到原廣播電視信號中。至此，完成水印的嵌入。

3 水印提取與檢測

水印提取與檢測流程如圖2 所示。首先，獲取包含水印的廣播電視信號并選取關(guān)鍵幀，對選定的關(guān)鍵幀進(jìn)行二級離散小波變換，以得到低頻子帶，提取小波系數(shù)，在關(guān)鍵幀選取的過程中通過奇異值分解獲取理論完整性水印。其次，從得到的低頻子帶中提取水印，驗證其合法性，利用SURF 算法、奇異值分解獲取實際完整性水印，檢測對比理論完整性水印與實際完整性水印。最后，根據(jù)對比結(jié)果，判斷信號是否完整、被篡改、被攻擊。具體步驟如下。

圖2 水印提取與檢測流程

（1）根據(jù)接收到的含有水印信號的關(guān)鍵信息，確定含有水印關(guān)鍵幀的位置、S"、α、β、f(*)等參數(shù)。

（2）對提取出的關(guān)鍵幀進(jìn)行二級離散小波逆變換，根據(jù)加密公式（5）、嵌入公式（6）進(jìn)行逆推，獲取第一重水印（合法性水?。?/p>

（3）利用SURF 算法獲得嵌入水印的低頻子帶的特征點和特征描述子，并將其所構(gòu)成的特征矩陣A進(jìn)行奇異值分解，將分解后的對角矩陣的前10%作為提取出的第二重完整性水印S*（實際提取的完整性水?。?。

（4）將接收到的含有水印信號的原始圖像進(jìn)行奇異值分解，獲取第二重完整性水印S*'（理論完整性水印）為

（5）設(shè)定并計算S*與S*'之間歐式距離閾值k。當(dāng)計算出的歐式距離大于設(shè)定的閾值k時，則可判定廣播電視信號受到了攻擊。計算公式為

4 功能分析

面向水印嵌入與提取的廣播電視信號檢測技術(shù)具有兩個重要功能：一是插播信號檢測，二是信號篡改檢測[5]。

插播信號檢測是一項至關(guān)重要的任務(wù)，旨在識別和驗證廣播信號中的未經(jīng)授權(quán)插播內(nèi)容，如廣告、商業(yè)標(biāo)識和其他不相關(guān)信息。這個技術(shù)的重要性在于確保廣告合法性和版權(quán)保護(hù)。它能夠檢測并監(jiān)測未經(jīng)授權(quán)的廣告插播，確保廣告內(nèi)容的合法性，驗證廣播節(jié)目中的商業(yè)廣告和品牌標(biāo)識，以確保它們遵守廣告協(xié)議和版權(quán)法規(guī)。一旦檢測到未經(jīng)授權(quán)插播信號，系統(tǒng)將記錄相關(guān)事件信息并通知廣播電視運營商，以采取適當(dāng)措施來維護(hù)廣播內(nèi)容的完整性。此外，這個技術(shù)還記錄檢測到的事件，生成報告以供后續(xù)分析，為廣播業(yè)務(wù)的決策提供有用信息。

信號篡改檢測技術(shù)旨在確保廣播電視信號的完整性和品質(zhì)，以抵御未經(jīng)授權(quán)的編輯和篡改，包括對廣播電視信號的圖像和音頻進(jìn)行分析，以檢測是否存在未經(jīng)授權(quán)的編輯、篡改或丟失。此外，系統(tǒng)會檢查每個視頻幀的完整性，以避免在傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失或篡改，同時對音頻信號的完整性進(jìn)行檢查，以確保聲音質(zhì)量和完整性，以提供高質(zhì)量的音頻體驗。如果檢測到信號被篡改，系統(tǒng)將觸發(fā)警報并嘗試恢復(fù)原始信號，或采取措施來制止篡改信號的傳播，維護(hù)廣播內(nèi)容的質(zhì)量和完整性。

5 結(jié)語

本文通過深入探討數(shù)字水印技術(shù)在廣播電視信號中的嵌入與提取過程以及相關(guān)的算法應(yīng)用，為廣播電視行業(yè)的內(nèi)容檢測提供參考。數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以幫助廣播電視行業(yè)維護(hù)廣告和節(jié)目的版權(quán)，確保信號的完整性，還能在未經(jīng)授權(quán)廣告插播檢測和信號篡改檢測等方面發(fā)揮重要作用。隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印技術(shù)也可以與這些領(lǐng)域相結(jié)合，提供更加智能化的解決方案。