期末報告 主題: 視訊浮水印生成技術與軟體 學生: 林佑威

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數位版權保護概論

期末報告

主題

:

視訊浮水印生成技術與軟體

學生

:

林佑威

班級

:

資工四甲

學號

:

495G0902

中華民國九十九年06月16日

數位浮水印簡介

過去的 10 年間,由於資料數位化的發展以及網際網路的

流行,資料可以用數位的方式儲存和傳輸;透過網路,人們

對於資訊的取得變得方便又迅速,傳遞也變得更 容易。雖

然人們可藉網路下載數位資訊來使用,然而數位化的資訊極

易被竄改與複製,這其中便牽涉到智慧財產權的侵權問題,

數位資訊保護的相關問題便因應而 生,成為最近幾年來相

當熱門的研究課題。

為何以前數位化較不普及時,智財權的侵權問題不及今

日嚴重與受到重視呢?主要原因在於類比 資料與數位資料

先天性質的差異。類比資料如錄音帶、錄影帶…等,每經過

一次的複製,品質就會遞減。因此人們不用擔心非法複製的

問題。而數位資料可無限制複 製,複製品和原版會一模一

樣。而且數位化資訊極易遭到竄改與散佈,最後可能導致資

訊擁有者不願再提供資料(如 Hollywood 電影製片公司將不

發行 DVD),這也會造成消費者的不便與損失。

過去,傳統密碼學技術的確在安全上(security)是相當有

效的機制,然而用它們做為 智慧財產權的保護卻顯得不

足,主要原因是加密資料是不容許被使用的(不符合多媒體的

特性),而被解密後的資料便完全失去保護功能。數位浮水印

(digital watermark)便是一新興技術,用以追蹤數位資料的傳

播與保護智慧財產權。以數位視訊為例,數位浮水印技術的

概念,是把一些資訊加到原始視訊中,加 入的資訊可以是

擁有者的資訊,使得視訊被下載使用時,還保有這些資訊。

一旦發生版權爭議,那麼著作人或擁有者便能藉著浮水印來

證明該視訊確實為其所有,可 以作為對非法使用者的舉證。

一個有效的浮水印技術要能同時考慮以下要求(所列者

非全部):

1.

透明性(transparency):被加入的浮水印(watermark)須

感官上 (perceptually)看不見(invisible)或聽不到

(inaudible),亦即無法查覺(imperceptible)以免影響原

來資 料的品質。

2.

強健性(robustness):做為版權宣示的浮水印需能抵抗

各種數位處理(or attacks),以維持其功能,或者至少避

免在其被破壞前原始資料已嚴重失真。

3.

鑑定時不需原始資料(blind detection):所謂的原始資

料很可能根本就不曾存在,並且方便任何使用者皆可做

版權鑑定。

4.

安全性(security):即使知道加入浮水印之程序,也無法

讓未經授權者移除所加 入的浮水印。

5.

非模糊性(unambiguousness):解決合法擁有者死結的

問題,亦即唯一確 認合法擁有者。

因此,數位浮水印已經廣泛的被使用在保護影像數位財產權

上,如何增加浮水印的不可視,以及增強它的抵抗力經後將

是很重要的課題。

視訊浮水印技術

數位視訊影片如同一般類比視訊影片,也有智慧財權侵

權保護的機制,但兩者在資料的保存與傳播特性上有很大的

差異(廖弘源, 2000)。類比式的錄音帶或錄影帶經數次的複製

後,影像品質會變差,其價值越低。然而數位化影音資料電

子檔案,多次複製品質如一,此乃數位視訊影片易於複製與

散佈,故數位視訊影片侵權問題更嚴重。如何讓數位視訊影

片受到更多保護?視訊浮水印防護支援系統是現階段的重

要措施。數位視訊浮水印技術概念,是將原創者的標識

(logo)、訊號(message)或序號(sequence)等浮水印相關資訊

加到原始視訊檔內(廖弘源, 2000)。一般數位視訊影片浮水印

技術可分為顯性(visible)及隱性(invisible)兩類,前者指人眼

可從影片中看到如製作公司的logo浮水印;後者指將浮水印

加到影片後,不影響影片使用方便性及視覺品質

。假若發生侵權爭議時,原創者鑲入之特殊意義的字串,

於驗證真實作者身份時可提出有力舉證及辨識。視訊浮水印

防護支援系統除了可鑲入豐富的資訊於數位視訊影片內,也

可以做即時浮水印的驗証偵測之外,其技術尚具有一般視訊

處理功能,如視訊壓縮及抗雜訊干擾的能力。

不可視浮水印技術介紹

1.

空間域法

早期的影像浮水印研究主要是發展在空間域中,空間域

方法指的是直接修改影像像素,達到資訊隱藏的目的。大多

是先利用一組亂數種子(seed)來打亂所要嵌入的浮水印,再

以另一組亂數種子來決定所要植入浮水印的空間位置,接著

直接改變位置上的數位資料值(也就是像素值),來達成浮水

印的嵌入。以灰階影像而言,每個取樣點(pixel)一般是以

八個位元來表示,且由最高有效位元(MSB)開始向右排列

至最低有效位元(LSB),表示資料位元的重要性次序,因此

可透過更改每個取樣點中敏感度最低的LSB來嵌入浮水印資

訊,使得浮水印具有較高的隱密性,這 是資訊隱藏技術中

最常被用來藏入資訊的一個既簡單又容易實現的方法。但其

缺點是容易被不法人士惡意破壞,且難以抵抗雜訊、壓縮處

理、影像處理以及剪下處理等各種攻擊。

2.

頻率域法

在頻域中的浮水印主要是原始影像轉換到頻域裡,在加入浮

水印資料,將浮水印嵌入至不同頻率成 份訊號可滿足不同

需求,當嵌入至高頻訊號,較不容易被人眼視覺系統所察

覺,嵌入至低頻成份訊號,由於能量較 高因而不容易被破

壞。一般來說轉換的方式主要有:離散傅立葉轉換(DFT)、離

散餘弦轉換(DCT)、與離散小波轉換(DWT)三種轉換方式。

A.

離散餘弦轉換(DCT)

離散餘弦轉換是靜態影像壓縮技術(如 JPEG)以及動態

視訊壓縮技術(如 MPEG)中的主要核心,而從影像以 8*8

的像素區塊為單位來做離散餘弦轉換,轉換後仍然以 8*8 的

區塊大小來表示頻率資 訊,其目的主要是將區塊中各個像

素的關聯性打散,使得大部分的能量可以集中在少數幾個基

底函數上。嵌入流程,如圖(1) 所示:

(1) 將影像切割成較小之區塊實驗區塊 (

B k

) 長寬段為 8X8。

(2) 對每個子影像做離散餘弦轉換(DCT)。

(3) 利用感測函數分析影像子區塊並插入浮水印資料。

根據 WATSON,A.B 及 JAYANT,N. 兩人每別在 1993 所發表

的論文當中(註 1),根據人類視覺系統(visual feature of the

Human Vision System) 我們對每個區塊進行紋理與亮度分

析時,根據分析值可以分成三個等級:Class1 表示亮度較暗

及紋理特徵較不明顯,Class3 表示亮度較亮及紋理特徵較 明

顯,而其它就歸類在 Class2。

B k

滿足

F k

(0,0) <T

1

, and number { int (F k

(u,v) / Q(u,v))

≠0 } > T

2

, 則

B k

把它定義為 class1. 若

F k

(0,0) <T

1

and number { int (F k

(u,v) / Q(u,v))≠0 } > T

2

, 則

B k

則把它定義為 class 3 ; 而其它則定義為 class 2。

B k

:表示每個影像所分割的區塊。 K = 1,2, …. N

F k

(0,0)

:表示每個區塊經過 DCT 轉換後的 DC 值。

F k

(u,v)

:表示每個區塊經過 DCT 轉換後的 AC 值, u,v ≠ 0

T

1

:表示 DC 值。

T

2

:表示 AC 中非 0 的個數。

T

1

T

2

的值是由實驗得來的,在此我們

T

1

設為 1200 而

T

2

設為 5,所得到的效果最好。

而浮水印的嵌入程序如下式:

α k

:根據每一個區塊分級不同而有不同的值,經實驗的結果

為 Class1 時

α k

=2,為 Class2 時

α k

=6 ,為 Class3 時

α k

=9

所得到的影像品值放果最好。(註 2)

X i

:表所嵌入的 watermark 值。在此的 watermark 值我們給

它一組亂數介於 (1~-1) 之間。

(u,v) Î {(0,1)(1,0)(1,1)}

:表示我們嵌入浮水印的位置。

B.

離散小波轉換(DWT)

離散小波轉換也是一種可將影像的空間域資訊轉換為

頻率域資訊的技術,其優點除 了可以有效的將影像中各個

像素的關聯性打散之外,還提供了多重解析度與多頻率的特

性,使得在處理聲音、影像以及視訊等資訊時的彈性較大,

因此近年來被廣泛的應用在影像處理、資料壓縮以及資訊隱

藏等研究領域。而離散小波轉換可透過相對應的濾波器而分

別作用在影像資訊中的列與行來實現。

轉換的運算大致上有兩個步驟:一為水平分割,另一為垂直

分割。水平分割時,讀取像數的順序是依照水平方向由左至

右取兩兩相鄰的兩個像素,儲存時是將兩個像素相加除2與

相減除2分別儲存在水平位置的兩邊。而垂直分割時,讀取

像數的順序是垂直方向由上至下取兩兩相鄰的兩個像素,儲

存時是將兩個像素相加除2與相減除2分別儲存在垂直位置

的兩邊,用圖表示如下:

步驟一: 第一次水平分割

步驟二:第一次垂直分割

完成第一次水平分割及第一次垂直分割後,這樣算是第一階

的離散小波轉換;得到了四個區塊LL、LH、HL、HH;這四

個區塊分別代表不同的頻率,也代表人眼對影像的覺察度。

LL頻帶是影像中最重要的部分,也人眼絕查度最高的部分。

對LL做第二階離散小波轉換動作。完成第二階離散小波轉換

後,總共可得到七個頻帶,其中四個為第二階的結果,而其

他三個為原本第一階留下來的結果。當然我們也可以往下繼

續做第三階、第四階、…、一直到第n階的離散小波轉換,目

前所看到的研究大多都做到第三階就停止了。

影像由空間域轉換成頻率域後,便可以針對不同的影像頻率

進行藏密,隱藏在高頻的部分(HH1),在影像作壓縮處理時

容易被去除,故不建議隱藏於此區。而隱藏在低頻的部分,

因為是人眼最品趕的部分,會對影像會有很大的改變,也不

建議隱藏於此區。一般都建議將數位浮水印隱藏在中頻的部

分。

視訊浮水印技術

早期的視訊浮水印多由影像浮水印延伸而來,後來有一些

方法在設計時開始考慮視訊訊號的特性以增進浮水印系統

的效能,例如利用其時間軸上的高相關性。Hsu提出的方法

為其中的代表,此法利用MPEG位元流(bitstreams)中不同

的畫面預測編碼類別,使用不同的Residual Mask來計算I畫

面與P、B畫面中的區塊極性,再根據浮水印來修改區塊極性

以完成浮水印的嵌入。I畫面的Residual Mask如圖2.1 (a) 所

示,目前處理的區塊只考慮同一張畫面中空間上的鄰近區

塊,而圖2.1(b)(c)為P與B畫面所使用的Residual Mask,考慮

了參考畫面中的空間鄰近區塊來決定區塊極性。

在設計建構在視訊編碼標準上的視訊浮水印時,浮水印

系統依照浮水印嵌入與視訊編碼器的關係可以分為三類:浮

水印在編碼前、編碼後與編碼時嵌入,而浮水印的萃取通常

在解碼器中與嵌入端對稱的位置進行。

第一類系統中浮水印的嵌入/萃取在未壓縮的視訊訊號

(Raw Video)進行,因此方法設計較不受編碼標準的限制,

嵌入的定義域不限於離散餘弦係數,可以在任何一種定義域

中,例如離散富立葉係數或是空間域像素值。由於完全獨立

於編碼標準之外,運算複雜度通常較高,且無法利用編碼標

準的一些特性。

第二類系統選擇在視訊完成編碼後嵌入浮水印,對位元

流作處理,浮水印可以嵌入在位元流中的離散餘弦係數、移

動向量(Motion Vector)或是合適的VLC碼字。由於視訊訊

號大多以壓縮形式儲存,因此這類系統的運算複雜度通常是

三類中最低的,不過在浮水印嵌入時必須考慮到不能使壓縮

檔大小改變的限制。更重要的是,因為是修改完成壓縮後的

視訊,不管是修改移動向量或是參考畫面的離散餘弦係數,

都容易造成畫面失真。修改參考畫面的資訊時,會造成解碼

器作移動補償的動作時取得的資訊不同於編碼器移動預估

得到的結果,使解碼後的畫面產生錯誤,稱為飄移(Drift)

問題。為了解決這個問題,Hartung在其視訊浮水印系統中

提出加入飄移補償訊號(Drift Compensation Signal)來修

正避免嚴重的視覺失真。

第三類系統將浮水印嵌入於量化前或量化後的離散餘弦

係數。若要嵌入於壓縮視訊中,需要一些時間進行部分解

碼,但花費 的時間比第一類的時間少。不過它不需要考慮

位元率的限制以及飄移問題。而且,此類系統可以同時完成

浮水印嵌入與視訊壓縮。

可嵌入浮水印的軟體

影片剪輯轉檔軟體-

Avidemux

官方網站

: http://avidemux.berlios.de/index.html

簡介: Avidemux is a free video editor designed for simple cutting, filtering and encoding tasks. It supports many file types, including AVI, DVD compatible MPEG files, MP4 and ASF, using a variety of codecs. Tasks can be automated using projects, job queue and powerful scripting capabilities.

Avidemux is available for Linux, BSD, Mac OS X and

Microsoft Windows under the GNU GPL license. The program was written from scratch by Mean, but code from other people and projects has been used as well.

Patches, translations and even bug reports are always welcome.

影片剪輯轉檔軟體:會聲會影

官方網站: http://www.corel.com/

簡介: Corel 會聲會影 12 將電影製作過程推至又一新境

界,為您呈現無窮無盡的創意空間。這套功能全面的 HD 影

片編輯程式,讓您一上手即可體驗各種專業的範本、頂級的

即時特效、精美的標題及流暢的轉場。支援 GPU 加速與多

核心 Intel® CPU 的能力可縮短編輯與建構時間,大幅加速

整個影片製作過程。您既可在全新的「簡易編輯」模式下快

速組合影片剪輯,又可透過進階影片編輯工具使作品更臻完

美。大功告成之後,即可透過 YouTube、Facebook®、

Vimeo®、DVD、AVCHD™ 及 Blu-ray discs™、iPod®、

PSP® 等分享您的作品。

影片剪輯轉檔軟體:格式工廠

簡介: 網路流傳的各種影音格式,如要轉換必須有特定的程

式才可完成。但本軟體提供目前大部份主流的格式互轉功

能,可以讓您一招在手、轉遍世界。

功 能介紹:

所有類型視頻轉到

MP4/3GP/MPG/AVI/WMV/FLV/SWF。

所 有類型音頻轉到

MP3/WMA/MMF/AMR/OGG/M4A/WAV。

所有類型圖片轉到 JPG/BMP/PNG/TIF/ICO /...。

抓取 DVD 到視頻檔。

MP4 檔支援 iPod/iPhone/PSP/黑莓機等指定格式。

原 始檔案支持 RMVB。

影片擷圖軟體-Scenegrabber.NET

官方網站:

http://www.scenegrabber.net/index.html

簡介:

Scenegrabber.NET is freeware and provide you an easily way to create sceneshots from movies. You can grab manual or automatic frames from a movie and join

then in a single JPG-image. Furthermore you can add to the single JPG image infos like moviename, resolution, codec-info, movielength and time of sceneshot creation.

Scenegrabber.NET supports a wide range of movie formats. You can use all local installed codecs for this program. We prefer a installed codec pack like "XP-Codec pack".

You can configure some seetings like width and height of tiles, font, color and much more.

Basic requirements are: installed codecs and windows media player. No more ;) i hope you enjoy this small powerfull app !

結論

這一次的報告,讓我明白所謂視訊浮水印與一般不可視浮水

印的不同,對於以前就看過的不可視浮水印的方法也有更深

一步的了解。找了相當多的視訊浮水印軟體,美中不足的,

是對於不可視視訊浮水印的軟體相對來說就比較少,這是很

可惜的一點。

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