王薇娜

(中國(guó)電影科學(xué)技術(shù)研究所,北京 100086)

1 移動(dòng)端觀影模式

隨著國(guó)民收入水平不斷提升,影院觀影的消費(fèi)需求也在急劇飆升。但由于實(shí)體院線的單體投資巨大,且影院建設(shè)嚴(yán)重受限于影院盈利必備的輻射半徑人口密度,致使實(shí)體影院建設(shè)增長(zhǎng)乏力,無(wú)法滿足廣大非影院建設(shè)適配區(qū)域的觀影需求?；谶@個(gè)市場(chǎng)定位,在產(chǎn)品功能上,移動(dòng)電影院以手機(jī)、平板電腦為載體,向觀眾放映已取得電影公映許可證且處于公映期內(nèi)的電影,打破了時(shí)間、地點(diǎn)的限制,從“一對(duì)多的大廣播模式”變成“一對(duì)一的電影放映模式”,從而覆蓋放映盲區(qū)。與此同時(shí),經(jīng)過(guò)10多年的技術(shù)發(fā)展,隨著資本、政策、版權(quán)、技術(shù)等多重浪潮的推進(jìn),國(guó)家出臺(tái)了一系列政策規(guī)范在線視頻的發(fā)展,并逐步加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。同時(shí),隨著播放技術(shù)、鏈路保護(hù)技術(shù)、便捷支付技術(shù)的發(fā)展,付費(fèi)獲得視頻服務(wù)已逐漸被大眾接受,市場(chǎng)逐漸被培育成熟。

移動(dòng)端音視頻內(nèi)容的供給越來(lái)越豐富,而且由于觀看方式更具有便捷性、私密性,因此被存儲(chǔ)、盜版的可能性越來(lái)越高。除了專業(yè)的錄屏軟件,隨機(jī)自帶的錄屏軟件使用起來(lái)也異常方便。這些現(xiàn)狀給移動(dòng)端觀影的版權(quán)保護(hù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn),也或多或少為良性發(fā)展制造了障礙。為了降低移動(dòng)端觀影盜拍盜錄情況的發(fā)生,版權(quán)保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用是必須考慮的問(wèn)題。

2 視頻水印技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 水印技術(shù)簡(jiǎn)介

水印技術(shù)在版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。在應(yīng)用時(shí),需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景在隱蔽性、魯棒性和效率需求之間尋找平衡點(diǎn)。然后,在這種平衡下,選擇出信息嵌入的最佳位置以及用于嵌入的方法。根據(jù)水印所需要的特性以及預(yù)判水印可能遇到的破壞模型,找到嵌入的平衡點(diǎn)。嵌入最佳位置是指將水印信息添加到視頻的元數(shù)據(jù)或是幀的特定區(qū)域。水印的嵌入方法是通過(guò)改變水印的嵌入域與系數(shù)來(lái)嵌入需要的信息。

視頻水印的嵌入方法可以從幾個(gè)不同角度出發(fā):

(1)把視頻看作一個(gè)比特序列。如果水印是用來(lái)標(biāo)記視頻傳輸過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體,我們可以把這個(gè)序列看作是數(shù)據(jù)包。這個(gè)數(shù)據(jù)包遵循一系列協(xié)議,而這些協(xié)議就包含冗余空間,可用于水印嵌入。

(2)從把視頻看作是序列幀的角度出發(fā),水印嵌入可以理解成為圖像水印嵌入的集合。這種嵌入方式多利用的是圖像像素空間上的冗余。

(3)水印的嵌入位置:考慮到水印應(yīng)用中的隱形要求,我們需要從人眼視覺(jué)系統(tǒng)(HVS)研究成果出發(fā)。人類視覺(jué)感知最不敏銳的區(qū)域就是嵌入水印的最佳位置。例如,在RGB格式的圖像中,人眼對(duì)藍(lán)色分量的敏銳度是最低的,因此就可以選擇在藍(lán)色分量中加入水印。在YUV或YCr Cb格式的圖像中,人眼對(duì)高亮區(qū)域的變化不敏感,因此可以選擇Y分亮高值區(qū)域。還有一種是人眼對(duì)紋理細(xì)節(jié)的不敏感特性。紋理細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)的是圖像具有高頻內(nèi)容的位置。因此通過(guò)頻域變換,可以確定這些區(qū)域,添加水印。

2.2 數(shù)字電影水印技術(shù)規(guī)范

2020年7月DCI組織推出了《數(shù)字影院系統(tǒng)規(guī)范》V1.4版,其對(duì)于水印標(biāo)記的規(guī)定還沿用了前序版本的規(guī)則,其中詳細(xì)規(guī)定了數(shù)字水印的技術(shù)參數(shù):水印信息有效載荷最少為35比特。這些比特必須包含兩類必要信息:一類是時(shí)間碼,一類是水印標(biāo)識(shí)(FMID)。時(shí)間碼,標(biāo)記精度為15分鐘,即每15分鐘用同一個(gè)時(shí)間戳,一年按366天計(jì),共有35136種時(shí)間戳,需要16比特標(biāo)記。水印標(biāo)識(shí)利用剩余的19比特,用于標(biāo)記硬件。水印標(biāo)識(shí)不能被隨意更改。搭載水印嵌入工具的實(shí)體制造商應(yīng)能保持提供一個(gè)準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù),從而將含有水印標(biāo)識(shí)的SPB序列號(hào)與數(shù)字證書對(duì)應(yīng),并確保其唯一性。35比特的水印信息可能重復(fù)分布在5分鐘的片段內(nèi),并且要做到在放映時(shí)實(shí)時(shí)嵌入。在實(shí)現(xiàn)方面,考慮到業(yè)務(wù)和生產(chǎn)后期的約束,建議水印嵌入實(shí)現(xiàn)時(shí)盡量減少水印標(biāo)記數(shù)據(jù)所需的元數(shù)據(jù)有效負(fù)載。合理的目標(biāo)應(yīng)該是小于壓縮圖像和聲音數(shù)據(jù)有效載荷的2%檢出要求:能夠從30分鐘的連續(xù)片段內(nèi)找到水印識(shí)別信息。圖像的水印信息需要滿足隱形,能夠抵御由于圖像變換帶來(lái)的攻擊等。

常見(jiàn)的攻擊行為有以下幾種方式:

(1)數(shù)字-模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換(包括多次D-A/A-D轉(zhuǎn)換)、重采樣和重量化(包括抖動(dòng)和重壓縮)以及對(duì)圖像對(duì)比度和顏色的常見(jiàn)信號(hào)增強(qiáng),都必須保證水印不被破壞。

(2)大小調(diào)整、信盒、光圈控制、低通濾波和抗混疊、矩形濾波、數(shù)字視頻降噪濾波、幀交換、壓縮、縮放、裁剪、覆蓋、添加噪聲和其他轉(zhuǎn)換。

(3)能夠抵抗拼接,多個(gè)視頻的拼接時(shí),能夠防御對(duì)水印的破壞。

(4)能夠抵抗格式轉(zhuǎn)換,頻率和空間分辨率的變化帶來(lái)的破壞。例如,NTSC、PAL和SECAM之間的轉(zhuǎn)換。

(5)能夠抵抗畫面水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)。

(6)能夠抵抗任意縮放 (高寬比不一定是恒定的)

3 小波變換水印嵌入算法

小波變換(DWT)是一種最常用的頻域水印嵌入變換。 小波變換也屬于無(wú)損變換。在小波變換中,表示圖像的矩陣被分解為兩部分,分別在水平和垂直方向進(jìn)行濾波的方法實(shí)現(xiàn)二維小波多分辨率分解,會(huì)得到四個(gè)子圖像,如圖1結(jié)構(gòu)圖所示:左上角代表LL子頻帶,表示在兩個(gè)方向都用低通小波濾波器卷積后產(chǎn)生的小波系數(shù),這樣會(huì)得到圖像的低頻分量,展現(xiàn)的是圖像的基本要素。其他三部分描述的是圖像不同方向細(xì)節(jié)的子頻帶分量,HL子頻帶表示在水平方向高通處理,在垂直方向低通處理,表現(xiàn)的是水平方向的邊緣特性。同理LH子頻帶和H H子頻帶,第一個(gè)字母表示水平方向的處理,第二個(gè)字母表示垂直方向的處理。最終都顯示了不同方向的邊緣特性。這種變換可以在同一幅圖像上被多次應(yīng)用,稱為“層”,從而產(chǎn)生幀的遞歸表示。越靠近左上角的頻帶,頻率越低,水印嵌入對(duì)載波圖像的質(zhì)量影響越大,但得到的水印的魯棒性越好。

圖1 小波變換的圖像結(jié)構(gòu)

圖2是用matlab實(shí)現(xiàn)的一次haar小波變換處理的圖像,可以看出,變換后的左上角保留了圖像的基本信息。右上角的圖像主要表現(xiàn)了水平方向的細(xì)節(jié)變化,左下角表現(xiàn)的是垂直方向的細(xì)節(jié)信息,右下角表現(xiàn)的是對(duì)角線方向的細(xì)節(jié)信息。

圖2 一次小波變換圖像分解

圖3 二次小波變換

經(jīng)過(guò)二次小波變換后,左上角的低頻分量進(jìn)行了二次分解,就得到了方向上進(jìn)一步的細(xì)節(jié)分量。我們生成了一組64比特隨機(jī)數(shù)模擬需要添加的水印信息。為了確保一定的魯棒性,我們將這組隨機(jī)數(shù)添加在了二次變換區(qū)域的右下角高頻區(qū)域的一段向量中(見(jiàn)圖3標(biāo)記位置)。再經(jīng)過(guò)小波逆變換得到添加水印的圖像。如圖4所示,可以看出這樣添加的水印也可以滿足肉眼無(wú)法分辨的隱形要求。

圖4 添加水印后圖像

4 移動(dòng)端水印算法嵌入

4.1 水印信息

水印信息中包含了用于識(shí)別用戶的信息碼以及播放時(shí)間碼。DCI規(guī)范中要求的水印負(fù)載不低于35比特。本項(xiàng)目中采用的水印算法,水印負(fù)載為64比特,0-39比特被分配給定位信息(識(shí)別碼),40-63比特被分配給時(shí)間戳。水印信息包括:機(jī)器序號(hào)+用戶編號(hào)+放映時(shí)間戳。

機(jī)器序號(hào)和用戶編號(hào)分別由5位十六進(jìn)制字符表示,共40比特。

時(shí)間戳:自動(dòng)動(dòng)態(tài)獲取,其格式:YYYYMM-DD hh∶mm∶ss,用24比特表示。

4.2 嵌入水印的圖像格式

圖5 視頻幀掃描行采樣格式

嵌入水印時(shí)需要已知視頻幀的碼流存儲(chǔ)格式,這樣才能準(zhǔn)確讀取想要的圖像分量信息,并且對(duì)添加水印之后的圖像正確還原。碼流的存儲(chǔ)格式與采樣方式是密切相關(guān)的。根據(jù)移動(dòng)端的影片的素材格式來(lái)進(jìn)行設(shè)定,視頻幀的編碼格式為YUV420,如圖5所示。

圖5中,黑點(diǎn)表示Y亮度分量采樣,圓圈表示UV分量采樣。讀取Y分量,利用小波變換,確定添加水印的位置,加入水印,再經(jīng)過(guò)圖像重組,得到添加過(guò)水印之后的幀圖像。

4.3 嵌入實(shí)施流程

數(shù)字電影隱形實(shí)時(shí)水印技術(shù)在專業(yè)的播放服務(wù)器中已經(jīng)相對(duì)成熟,由專業(yè)芯片完成。在移動(dòng)端的影片播放應(yīng)用要想通過(guò)芯片實(shí)現(xiàn)并不容易實(shí)施,因此考慮直接使用純軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)添加水印的過(guò)程。中國(guó)電影科學(xué)技術(shù)研究所已成功在點(diǎn)播影院系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了符合要求的水印算法。同時(shí)安卓平臺(tái)移動(dòng)端應(yīng)用,我們采用調(diào)用封裝好的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。將水印添加算法封裝為so庫(kù),在應(yīng)用程序的底層播放器程序中調(diào)用此庫(kù),讀取播放器解碼的圖像信息,在視頻幀中添加隱形實(shí)時(shí)水印信息,并將播放器程序再次封裝為so庫(kù),在應(yīng)用層程序中完成上層接口調(diào)用,避免圖像明流信息泄露。水印信息中包含了用于識(shí)別用戶的信息碼FMID以及播放時(shí)間碼。

表1 初始化參數(shù)

水印算法一共有三個(gè)調(diào)用接口,分別是:初始化函數(shù)接口、嵌入水印接口、水印工具釋放接口。在初始化函數(shù)中需要確定表1參數(shù)。

將影片解碼后的幀數(shù)據(jù)流傳入“數(shù)字水印接口”,同時(shí)提供用于標(biāo)識(shí)終端用戶的信息負(fù)載FMID,水印算法完成數(shù)字水印的嵌入,最后返回含有水印的“幀數(shù)據(jù)流”,進(jìn)行顯示輸出。

圖6 水印嵌入基本流程圖

5 魯棒性測(cè)試

添加了水印的視頻文件,在盜拍盜錄編輯等傳輸過(guò)程中,會(huì)經(jīng)歷自然噪聲或惡意破壞等方式攻擊。因此水印算法應(yīng)具備一定的魯棒性,能夠抵抗一些主動(dòng)或被動(dòng)遭遇的攻擊。魯棒性的測(cè)試就是設(shè)定預(yù)先已知的水印信息,添加水印后,人為模擬攻擊過(guò)程,再做水印檢出。根據(jù)檢出結(jié)果,判定水印是否被破壞。

5.1 測(cè)試條件

使用智能移動(dòng)終端視頻播放器(高分辨率智能手機(jī)和低分辨率智能手機(jī))分別播放測(cè)試內(nèi)容,并用手機(jī)自帶錄屏軟件錄屏,其中,錄屏素材圖7為使用小米系統(tǒng)MIUI 9.6穩(wěn)定版,使用設(shè)備自帶的錄屏工具錄制,錄屏畫面紅色框分辨率為:2248×1080。有效畫面為黃色框內(nèi)小于此分辨率。綠色框半透明的視頻參數(shù)內(nèi)容在加水印的畫面上層,造成一定的畫面遮擋攻擊,如圖7所示。

圖7 水印魯棒性測(cè)試素材1截圖

錄屏素材圖8為使用華為系統(tǒng)EMUI 9.1.0錄制,使用設(shè)備自帶的錄屏工具錄制,錄屏畫面紅色框分辨率為:1280×606。有效畫面黃色框,畫面下邊緣有裁切。綠色框半透明的視頻參數(shù)內(nèi)容在加水印的畫面上層,造成一定的畫面遮擋攻擊,見(jiàn)圖8所示。

圖8 水印魯棒性測(cè)試素材2截圖

嵌入被測(cè)視頻中的初始FMID水印信息為“123456789A”,時(shí)間信息為被測(cè)錄屏素材實(shí)際錄制時(shí)間(UTC時(shí)間)。

5.2 測(cè)試項(xiàng)目

表2 測(cè)試項(xiàng)目

通過(guò)模擬常見(jiàn)的攻擊形式,驗(yàn)證水印信息是否能夠保留。測(cè)試項(xiàng)目如表2所示。

項(xiàng)目組委托中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測(cè)所對(duì)樣本開(kāi)展測(cè)試,模擬了多種人為攻擊,共計(jì)19項(xiàng)內(nèi)容。之后利用水印檢測(cè)工具檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果表明,水印信息都存在且完整,達(dá)到了項(xiàng)目組對(duì)水印算法的魯棒性要求。

6 小結(jié)

為了增強(qiáng)移動(dòng)端觀影影片的版權(quán)保護(hù)性能,有效管控移動(dòng)端觀影盜拍盜錄的情況發(fā)生,項(xiàng)目組采用在播放器端集成視頻圖像的水印嵌入算法,水印負(fù)載為64比特。通過(guò)在安卓播放器底層解碼后實(shí)時(shí)讀取幀數(shù)據(jù),調(diào)用頻域水印嵌入算法,實(shí)現(xiàn)水印信息嵌入。通過(guò)與移動(dòng)應(yīng)用播放器解碼端適配,達(dá)到了最終的隱形水印實(shí)時(shí)添加的需求,并進(jìn)行了魯棒性測(cè)試,測(cè)試結(jié)果滿足使用需求。