（信号与信息处理专业论文）基于ldpc码的mpeg4视频数字水印研究.pdf

3，曹，摹瓣疆鼍爹蓥曾n瞽暂； 苏州大学学位论文使用授权声明 i i l ll l il i l tff iir l l li ii y 17 3 2 8 5 8 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 世 论文作者签名堑亚整 日 期：圭! ! ! ：生：互 导师签 e l 期：壶! ! ：兰：) 毒 j ： 基于l d p c 码的肝e g 一4 视频数字水印研究中文摘要 基于l d p c 码的m p e g 。4 视频数字水印研究 中文摘要 近年来，随着信息技术和计算机网络的发展，多媒体技术不断进步，数字媒体在 各个领域得到了广泛应用，给人们的生活带了极大的便利。新的技术催生出新的问题： 信息安全威胁和盗版，因此阻碍了数字媒体的进一步发展和应用。版权保护，防止盗 版成为亟需解决的问题。用于数字视频保护的视频水印技术引起了社会的广泛关注， 视频水印技术发展迅速。 论文阐述了课题研究的背景，分析了视频水印技术的研究现状，基本概念，基本 原理和基本技术，以及发展趋势和应用前景。介绍了m p e g 一4 视频标准以及编解码算 法原理，重点介绍了x v i dv i d e oc o d e c 实现的m p e g - 4 标准的编解码算法的工作流 程，给出了一些关键过程的流程框图及其简要说明。 通过分析了现有的经典的水印算法，根据视频水印系统和数字通信系统相似的特 性，提出了一种基于l d p c 码的m p e g - 4 视频水印方案，利用l d p c 码的纠错性能和人 眼视觉特性在m p e g - 4 视频中实现数字水印的嵌入和提取。嵌入前先对水印信息进行 l d p c 编码，将处理后的水印嵌入到视频i - v o p 亮度分量的中频系数中，每个水印信 息通过扩展系数扩展，这样增强了水印的鲁棒性。盲提取时用l d p c 迭代译码算法对 提取的水印信息进行译码。由于采用迭代译码算法，而且是并行算法，因此能提高译 码速度，降低译码的复杂度。 实验结果表明，与扩频水印方案相比，该方案不仅满足了视觉掩蔽性，而且显著 降低了水印在传输过程中的误码率，提高了水印的抗攻击能力。另外，在不同码率情 况下，算法的性能也得到了提升。 关键词：低密度奇偶校验码；m p e g - 4 ：视频水印：盲水印 作者：郝腾 指导老师：俞一彪 r e s e a r c h 。n d i g i t a lw a t e r m a r k i n gf o rm p e g 4 u s i n g l o w d e n s i t yp a r i t yc h e c k c o d i n g a b s t r a c t 1 1 1r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ya n dc o n l p u t e rn e 锄，0 1 k sd e v e l o p m e n t a sw e ha st h em u l t i m e d i a t e c h n o l o g yp r o g r e s s ，d i g i t a lm e d i ah a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n v 鲫o u sf i e l d s , w h i c hb r i n g sg r e a tc o n v e n i e n c e t op e o p l e sl i f e t h en e w t e c h l l o i o g ) ，g i v e s b l n ht on e wp r o b l e m s ：i n f o r m a t i o n s e c u r i t yt h r e a ta n dp i r a c yt h a t i m p e d em e 觚h e r d e v e l o p m e n to fd i g i t a lm e d i aa n di t s a p p l i c a t i o n s c o p y r i g h tp r o t e c t i o n 锄da g a i n s tt h e p l r a c yn e e dt os o l v ea st h eu r g e n tp r o b l e m p r o t e c t i o n f o rd i g i t a lv i d e ow a t e 肺砒乜n g t e c h n o l o g yh a sa r o u s e dw i d e s p r e a dc o n c e r n i ns o c i e t ya n dd e v e l o p i n g r a p i d l y jn ep a p e r e x p o u n d st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do f t h e i s s u e ，a n a l y z i n gt h ef e a t u r eo ft h e v l d e ow a t e n n a r k i n gi n c l u d i n gt h er e s e a r c h s t a t u s ，b a s i cc o n c e p t s ，b a s i cp r i n c i p l e s ，b 撕c t e c h l l l q u e s ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n d sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i ti n t r o d u c e s t h em p e g 4 v 1 d e os t 觚d a r da n d p r i n c i p l eo ft h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t l u l l ，w h o s ew o r k f l o w i s h i g h l i g h t e dv i at h ex v i dv i d e oc o d e c s o u r c ec o d e b e s i d e s ，t h en o w d i a g r 锄o fs o m e k e yp r o c e s s e sa n dt h e i rb r i e f i n s t r u c t i o n sa r eg i v e ni nt h i sp 微 廿y a n a l y z i n gt h ee x i s t i n gc l a s s i c a l w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，a c c o r d i n gt o t h e c o m p 撇b 的b e 帆e nt h ev i d e ow a t e r m a r k i n gs y s t e ma n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ad l g i t a lw a t e 肌a r k i n ga l g o r i t h mf o rm p e g - 4v i d e o b a s e do nl d p cc o d i n gi s p r o p o s e d jn ew a t e 肋a r ki se m b e d d e di n t oa n dr e t r i e v e df r o mt h em p e g 4 v i d e ou s i n gt h el d p c c o d l n gt e c h n l q u ea n dh u m a nv i s u a l c h a r a c t e r i s t i c s t h ew a t e n i l a r ki sf i r s te n c o d e dw i t h l u p cb e f o r e e m b e d d i n gi n t ot h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so ft h el u m i n a l l c e c o m p o n e n t so ft h ei - v o p e a c hw a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o ni s e x t e n d e d b yt h ee x p a n s i o n ? o e f f i a 哪i t e n h a n c e t h er o b u s t n e s so ft h ew a t e r m a r k i n g t h e w a t e 肋砒i s 州e v e d ：l i n d l y f r o mt h em a r k e dv i d e ou s i n gt h el d p c i t e r a t i v em e t h o d a sa r e s u l to fu s i n gt h e 1 t e r a t l v ed e c o d i n ga l g 嘶t ，w h i c hi s ap a r a l l e la l g o r i t h m ，i tc a ni m p r o v et h e d e c o d i n g s p e e da n dr e d u c et h ec o m p l e x i t yo f d e c o d i n g e x p e r i m e n t a lr e s u i t ss h 。wt h a tt h es c h e m e n 。to n l ym e e t st h ev i s u a lm a s l ( i n g ，b m a l s 。 比d u c e st h eb i te m rr a t ei nt r a n s m i s s i o n p r o c e s s 。ft h ew a t e r m 删n g ，a n di m p r o v e st h e n 1 。1 1 。_ _ _ 。1 。1 。1 。1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ r e s e a r c ho nd i g i t a lw a t e r m a r k i n gf o rm p e g - 4u s i n gl o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d i n ga b s t r a c t a n t i a t t a c kc a p a b i l i t yo ft h e w a t e r m a r k i n g a s c o m p a r e d 、忻t ht h es p r e a d - s p e c t r u m w a t e r m a r k i n g i na d d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mo ft h ev a r i e db i t - r a t e si s i m p r o v e d k e yw o r d s ：l d p c ；m p e g - 4 ；v i d e ow a t e r m a r k i n g ；b l i n de x t r a c t i o n 1 1 i w r i t t e nb yh a o t e n g s u p e r v i s e db yy uy i - b i a o 1 3 存在的问题和本文研究内容11 1 4 论文的结构安排如下1 2 第二章m p e g 4 视频标准及编解码算法原理13 2 1m p e g 4 视频标准概述13 2 】1m p e g 4 的结构特点与语法13 2 1 2m p e g 4 视频算法的关键技术。1 5 2 2m p e g 4 视频编解码设计2l 2 2 1m p e g 4 视频编码2 2 2 2 2m p e g 4 视频解码2 6 第三章基于l d p c 码的m p e g 一4 视频数字水印方案的设计3 1 3 1 已有典型算法分析3 2 3 2l d p c 码在视频水印中的应用3 6 3 2 1l d p c 码概述3 6 3 2 2l d p c 码在视频水印中的应用3 9 3 3 方案的总体设计4 0 3 4 功能模块设计4 1 3 4 1 水印的预处理4 1 3 4 2 水印的嵌入4 4 3 4 - 3 水印的提取4 5 3 4 4 水印的后处理。4 6 第四章基于l d p c 码的m p e g 4 视频数字水印方案的实现4 7 4 1 方案设计的总体框图4 7 4 2 各功能模块分析4 8 4 2 1 水印的预处理4 8 4 2 2 水印的嵌入5 0 4 2 3 水印的提取5 2 4 2 4 水印的后处理5 3 第五章仿真实验结果及算法评估5 4 5 1 实验结果5 4 5 2 算法评估5 5 5 2 1 鲁棒性评估5 6 5 2 2 视觉质量评估5 7 5 2 3 不同位率情况下的对比6 1 第六章总结与展望6 2 参考文献6 5 攻读学位期间主要的研究成果6 9 致谢 基于l d p c 码的h p e g - 4 视频数字水印研 1 1 课题研究的背景 第一章绪论帚一早珀t 匕 2 0 世纪9 0 年代以来，随着信息技术和计算机网络的发展，信息多媒体数字化程 度越来越高，信息的存取变得越来越方便。新的技术催生出新的问题：信息安全威胁 和盗版。严重侵害了数字媒体作者、发表者和合法用户的权益，从而也妨碍了数字媒 体在很多领域的更进一步的发展和应用。版权保护，防止盗版成为亟需解决的问题。 传统的密码保护机制主要是建立在密码学技术之上，通过对多媒体文件加密变成 密文的形式发布，这样可以保证数据文件在网络传递过程中，非法攻击者无法从密文 获得机密信息，从而达到保护信息安全的目的。但是，采用加密方法保护下的数字媒 体一般不具有可识别性和可理解性，同时，也不利于数字媒体的直接传播和使用。另 外，也很容易引起攻击者的注意。 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术作为版权保护的新技术，它能在保证具有合法 权限的用户对数字多媒体的正常使用，又能很好的保护创作者和拥有者的版权，受到 了社会的广泛重视，逐渐地成为了多媒体信号处理领域的一个研究热点，甚至被称为 多媒体数据保护的最后一道“防线”【1 】。 数字水印最原始的推动力是提供一些在数字媒体的版权保护方面应用的证据和 版权侵权发生后的证明，即所有证明。数字水印就是把传统习惯用的纸张文本水印用 到数字世界，数字水印描述的方法和技巧允许隐藏信息，例如，把文本数字隐藏到图 像、视频、音频等数字媒体中。这种嵌入需要巧妙地处理数字资料的内容，要求对媒 体信息的修改不易察觉和不可见。根据不同的应用，水印既可以是鲁棒的也可以是易 碎的，数字水印信息与原始数据紧密结合并隐藏在其中【2 】。 数字水印技术特别是数字视频水印技术是横跨信号处理、数字通信、密码学、计 算机网络技术等多学科的新兴技术，具有潜在的应用市场和良好的应用前景，对它的 研究具有重要的学术、经济和军事价值。一方面，它将促进多媒体技术、网络技术、 通信技术、信号处理技术等多门新兴技术的有机结合，促进多媒体网络的进步繁荣； 第一章绪论基于l d p c 码的m p e g 一4 视频数宁水印研究 另一方面，它将有助于多媒体信息版权保护及其版权冲突问题的解决，同时，它将促 进隐蔽通信技术、信息安全技术的提高，这一点有着不可低估的军事意义【1 1 。 1 2 数字视频水印概述 1 2 1 国内外研究现状 数字水印起源于古老的水印技术，如纸币上的水印、邮票股票上的水印等。数字 水印的产生最早可追溯到1 9 5 4 年，m u z a k 公司的埃米利希姆布鲁克( e m i lh e m b r o o k e ) 为带有水印的音乐作品申请了一项专利。后来m u z a k 公司在1 9 6 4 年前后申请了美国 专利。从那时起，人们开始发展大量的水印技术并由此展开了各种各样的应用，但这 时的数字水印只是作为一种版权认证的工具，并没有成为一门科学。 直到2 0 世纪9 0 年代初期，数字水印才作为一个研究课题受到了足够的重视。1 9 9 3 年a z t i r k e l 等所撰写的“e l e c t r o n i cw a t e rm a r k 一文中首次使用了“w a t e rm a r k 这一术语f 3 】。这一命名标志着数字水印技术作为- - f 正式研究学科的诞生，后来合二 为一就成为“w a t e r m a r k ，而现在一般都使用“d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ”一词来表示“数 字水印”，现在我们所说的“水印”一般指的都是数字水印。 数字水印技术的研究最初主要集中在基于图像的水印技术方面。近几年来，基于 视频的数字水印技术研究成为了数字水印技术研究的一个热点，主要原因是随着大量 数字视频产品如v c d 、d v d 的出现，对视频数字产品版权保护的市场需求日益迫切。 视频序列是由一系列连续的等时间间隔的静态图像构成，因此可以将某些图像水印技 术的思想直接应用于视频序列。但实际上图像与视频间也存在一些重要的差别，比如 一个视频水印算法必须考虑某些可能的帧速率转换或丢帧现象，最重要的是，视频水 印嵌入时计算复杂度问题会成为首要问题【4 】。 视频数字水印算法根据嵌入水印的数据域的不同可分为在原始域嵌入水印和在 压缩域嵌入水印两大类。m a t s u i 等人于1 9 9 4 年提出的一种d c t 域视频数据嵌入算法， 该算法类似于图像水印算法，通过d c t 系数对每一帧视频图像的像素值进行变化， 因此对噪声、剪切等视频处理，水印的鲁棒性非常脆弱，而且若攻击者掌握了同一帧 视频对象的多个不同水印版本，则可以通过比较得出原始的、未加水印的图像帧【5 】。 2 基于l d p c 码的m p e g 一4 视频数字水印研究第一章绪论 s w a n s o n 等人对上述算法进行了改进，利用分块d c t 变换和频率掩蔽特性相结合嵌 入水印，提高了水印的鲁棒性【6 j 。此外s w a n s o n 等还提出了一种基于内容的水印技术， 并提出了多分辨率的视频水印算法。l a n g e l a n 等人首先提出了两种压缩域上的嵌入 算法，一种替换帧内编码块d c t 系数的变长码的方法，另一种是基于丢弃部分压缩 视频流的方法i _ 7 1 。前一种方法计算量较小，水印嵌入比特率大，但是鲁棒性差，后一 种方法计算较为复杂，水印嵌入比特率低，但水印鲁棒性较强，可以抵抗解码后重新 编码的攻击。h a r t u n g 等人研究了m p e g 2 压缩视频域上的水印算法，在保持码率基 本不变的情况下，将水印嵌入到d c t 系数中，并实现了水印的盲检测【8 】。他们研究 了该算法的鲁棒性，指出其算法对压缩、滤波、轻度旋转具有鲁棒性，对更大程度的 旋转，需要采用适当的检测和校正机制，由于去除或插入数据会导致收发双方丢失同 步信息，因此还需要同步信息丢失检测及再次同步的机制【9 】。 数字水印技术自1 9 9 3 年被提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地位， 发展较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方 面的研究。如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国海陆 空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本n t t 信息与通信 系统研究中心、麻省理工学院、南加利福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、 微软公司、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。i b m 公司、日立公司、 n e c 公司、p i o n e e r 电子公司和s o n y 公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的 电子水印。国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的 国际会议( 如i e e e ，s p i e 等) 及一些国际权威学术期刊( 如s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相继出版 了有关数字水印技术的专题。与数字水印相关的国际学术会议信息隐藏学术研讨会 ( i n t e m a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ，i h w ) 第一届年会于1 9 9 6 年5 月在英国剑 桥牛顿研究所召开，至今该研讨会已举办了很多届。在1 9 9 9 年第三届信息隐藏国际 学术研讨会上，数字水印成为主旋律，全部3 3 篇文章中有1 8 篇是关于数字水印的研 究。2 0 0 6 年将在美国维吉尼亚州亚历山大举办第8 届信息隐藏学术研讨会。1 9 9 8 年 的国际图像处理大会( i c i p ) 上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。由m a r t i n k u t t e r 创建的w a t e r m a r k i n g w o r l d 已成为一个关于数字水印的著名网上论坛。在2 0 世 纪9 0 年代末期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方面，美国的d i g i m a r c 公司率先推出了第一个商用数字水印软件【l0 1 ，而后又以插件形式将该软件集成到 3 第一章绪论基于l d p c 码的m p e g 一4 视频数字水印研究 a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和c o r e ld r a w 图像处理软件中。该公司还推出了媒体桥 ( m e d i a b r i d g e ) 技术，利用这项技术用户只要将含有d i g i m a r c 水印信息的图片放在网络 摄像机( w e bc a m e r a ) 前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与图像内容相关联的网络 站点。a l p v i s i o n 公司推出的l a v e l l t 软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符【l ， 这些字符标记可以作为原始文件出处的证明，也就是说，任何电子图片，无论是用于 w o r d 文档、出版物，还是电子邮件或者网页，都可以借助于隐藏的标记知道它的原 始出处。a l p v i s i o n 的s a f e p a p e r 是专为打印文档设计的安全产品，它将水印信息隐藏 到纸的背面，以此来证明该文档的真伪。s a f e p a p e r 可用于证明一份文件是否为指定 的公司或组织所打印，如医疗处方、法律文书、契约等，还可以将一些重要或秘密的 信息，如商标、专利、名字、金额等，隐藏到数字水印中。欧洲电子产业界和有关大 学协作开发了采用数字水印技术来监视复制音像软件的监视系统，以防止数字广播业 者的不正当复制的行为，该开发计划名称为( ( t a l i s m a n ( t r a c i n ga u t h o r s r i g h t sb y l a b e l i n gi m a g es e r v i c ea n dm o n i t o r i n g a e c e s sn e t w o r k s ) ) ) 1 2 1 , 此开发计划作为欧洲电 子产业界等组织的欧共体项目于1 9 9 5 年9 月开始进行，1 9 9 8 年8 月结束，法国、比 利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等在内的1 1 个通信与广播业者、研究单位和大 学参加。 随着信息技术交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐步从 技术跟踪转向深入系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研究，其中比较 有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏 育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻等，中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭 铁牛等，他们是国内较早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研单位。 我国也于1 9 9 9 年底在北京电子技术应用研究所举办了第一届全国信息隐藏学术 研讨会( c i h w ) ，它是我国信息安全领域中信息隐藏及数字水印技术的专业学术交流 活动。在中国电子学会通信学分会及北京电子技术应用研究所的组织和有关高校及科 研机构的大力支持下，c i h w 研讨活动至今已成功举行了八届全国会议，c i h w 已成 为国内最具代表性的信息隐藏学术交流活动。第九届全国信息隐藏学术研讨会 ( c i h w 2 0 1 0 ) 将于2 0 1 0 年9 月在成都召开。 由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2 0 0 2 年在上海创办了的一家专 门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司一上海阿须 4 基于l d p c 码的m p e g 一4 视频数字水印研究 第一章绪论 数码技术有限公司。尽管多数单位目前对此技术只是跟踪阶段，其在国内外核心刊物 上发表的论文也不多，但是电子出版物的版权保护、电子商务的发展、网上银行、网 上购物以及电子货币等业务的发展，必将促进我国对于该领域技术研究的进一步发 展。 1 2 2 基本概念，基本原理和基本技术 ( 1 ) 基本概念 数字水印是永久镶嵌在宿主数据中具有可鉴别性的数字信号或模式。数字水印技 术是利用数字作品中普遍存在的冗余数据和随机性，通过一定的算法将一些标志性信 息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的感知 系统察觉或注意到。与传统的的加密技术不同，数字水印技术虽不能阻止盗版活动的 发生，但是可以辨别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播，鉴别真伪，解决版 权纠纷并为法庭提供认证证据13 1 。 数字水印，按照宿主信号，即水印嵌入的载体的类型划分，可分为文本水印、图 像水印、音频水印和视频水印等。视频水印就是针对数字视频载体的主观和客观的时 间冗余和空间冗余加入信息，既不影响视频质量，又能达到用于版权保护和内容完整 性检验目的的水印技术。 ( 2 ) 基本原理 视频数字水印技术主要包括数字水印的嵌入和数字水印的提取两个部分。 数字 水印的嵌入流程图如下图2 1 所示。 数字水印信 视频信息 媒体水印化 信息 图2 1数字水印的嵌入流程图 系统的输入是数字水印信号、被保护的原始载体和一个可选的公钥或私钥。数 字水印一般可为数字序列、数字标识、文本、图像或音视频片段等信息，其生成和选 第一章绪论基于l d p c 码的m p e g 一4 视频数字水印研究 择一般有两类方法，一类是独立的与原始数据无关的水印标识，另一类则是依赖原始 载体数据内容的水印。数字水印算法通常都要与加密解密算法相结合，密钥可以用 来加强安全性，利用密钥可禁止水印的非法提取，避免未授权方恢复和修改水印。水 印嵌入系统的输出是加载了水印信息的水印化信息。视频数字水印的提取和检测算法 流程图2 2 所示。 提取的水印或置 信度测定 视频信息 图2 2 数字水印的提取和检测算法流程图 水印检测和提取系统的输入是待检测媒体信息、私钥或公钥，以及原始水印和 ( 或) 原始载体信息。输出的是提取的水印信号，或者某种可信度值，它表明了所考察 的待检测媒体信息中存在给定水印信号的可能性。通常可以利用水印信号的相关性实 现水印的提取。在水印检测的时候，可以通过计算检测到的水印信号与已知水印信号 的相似度或相关性来判断待测媒体信息中是否含有已知的水印信号。 ( 3 ) 基本技术 通过分析现有的数字视频编解码系统，根据嵌入码流的不同可将视频水印方案分 为如下图2 3 所示的三类【9 】【1 4 - 15 1 。 取 方案一方案二方案三方案三方案二方案一 图2 3数字视频水印嵌入和提取方案 l 基于原始视频的水印方案。 此方案将水印直接嵌入在原始图像码流中，形成含有水印的原始视频信息，然后 6 基于l d p c 码的d p e g - 4 视频数宁水印研究第一章绪论 进行视频编码。这类方案可以充分利用多种用于静止图像的数字水印技术和策略，同 时不影响现有标准( 如m p e g 一4 ) 编解码器的使用。但水印信息的引入会导致整体码流 信息的增加，而经过编码器编解码处理以及水印信息的再编码后，可能会造成部分水 印信息的丢失。此类方案的优缺点：优点，水印嵌入方法多( 原则上图像水印方案均 可应用与此) 、算法成熟、有鲁棒性水印和脆弱性水印等，可用于多种目的。缺点， 经过视频编解码处理后，会造成部分水印信息丢失，给水印的提取和检测带来不便， 增加数据比特率；经过编码器压缩后会丢失水印；降低视频质量；对于已压缩的视频 需先解码，嵌入水印后，再重新编码，算法运算量大，效率低，防攻击能力差。现在 已有一些新型视频水印( 主要仍然是统计不可见性和与内容同步嵌入) ，它们增加了防 攻击能力，具有智能特性。 按照水印嵌入域不同，此类水印又可分为空域水印和变换域水印两种。 ( 1 ) 空域水印，是指直接把水印嵌入在原始视频数据中，一般是嵌入在亮度分量 上，也有的是嵌入在色度分量中。h a r t u a n g 和k a l k e r 把这种方法称为空域方法。 h a r t u n g 等提出借鉴扩频通信的基本思想在未压缩视频中嵌入数字水印的算法【1 6 1 。水 印嵌入时，按照空间上的从左到右、从上到下以及时间上的先后顺序，将视频信号看 作一个一维信号；水印信号经过扩频、调制，得到一个伪随机序列，采用普通的加法 将该随机序列加到一维视频信号中，即可得到嵌入了水印的视频信号。水印检测时， 计算水印嵌入时的拟随机序列和嵌入了水印的视频信号( 可能受到了攻击) 之间的相 关值，正的相关值表示嵌入了信号+ 1 ，负的相关值表示嵌入了信号一1 ，这种方法是 对基于图像的扩频水印算法的一个推广。k a l k e r 等人将视频看成一系列的静态图像， 在数个连续的帧中嵌入相同的水印【 】。这是利用扩频的基本思想，水印看成是一个加 性噪声。水印嵌入时，为了在图像活动较多和较少的区域采用不同的嵌入强度，可以 采用局部缩放因子，该因子是通过将图像用一个l a p l a c i a n 高通滤波器过滤并取绝对 值得到的。水印检测时，为了提高检测效果，先对嵌入了水印的信号进行匹配过滤， 取出像素间的相关性以提高检测效率，最后计算相关性。计算相关性时，要求水印和 图像是严格对齐的，而实际上可能并非如此，因此引入了水印的平移对称性，来防止 图像的偏移。 空间域水印的优点就是复杂度低，计算简单，但是鲁棒性和不可感知性较之变换 域水印要差些。一个简单的实现是直接利用各种最低有效位方法，在原始视频数据中 7 第一章绪论基于l d p c 码的m p e g - 4 视频数水印研究 嵌入水印。 ( 2 ) 变换域水印，这种方法一般是将视频看成一个三维信号( 两维在空间上，一维 在时间上) ，水印嵌入在三维变换域中。常用的变换域有d c t 、d f t 、d w t 、分形域、 哈达玛变换域等。s h a h 等人提出了一种实时视频数字水印算法【1 8 】。该算法是在哈达 玛变换域嵌入水印，并集成到原始图像电路，直接在摄像机的视频信道执行水印的嵌 入。哈达玛变换是正交变换，对二维哈达玛变换，正变换和逆变换只相差一个比例系 数，。因此，这种特性使得哈达玛正向变换和反向变换可以使用相同的硬件设备。 水印嵌入在彩色帧的绿色分量，因为压缩后绿色分量水印的鲁棒性最好。水印是由密 钥产生的具有单位方差和零均值的随机实数序列。先把视频帧分为8 8 的块，对每 个块进行哈达玛变换，按z i g z a g 方式选取中频系数嵌入水印，然后执行哈达玛逆变 换。z h uw e n w u 等人提出一种基于小波域的多分辨率视频水印算法【1 9 】。利用小波变换 逐帧对视频图像帧进行多分辨率分解，对不同分辨率的信号分别利用空间域掩盖效 应、频率域掩盖效应以及时间域特性动态地嵌入水印信息，增强其不可见性和抗攻击 能力，最后重构原始图像进行视频压缩编码。 该类方法的一个缺点就是运算量大。当然，随着处理速度的提高，在实时性要求 不大高的情况下是可以满足速度要求的。 2 基于视频编码的水印方案。 此类方案中，一般都是通过修改编码阶段的d c t 系数域中的量化系数，结合人类 视觉特性嵌入水印。水印的嵌入和提取过程是在视频编解码器中进行，适用于可以 直接介入视频编码过程的情况。例如，朱仲杰等提出了一种在m p e g 2 压缩域的运动 矢量中嵌入水印的算法【2 0 1 。在m p e g 2 编码中每个图像组( g o p ) 采用1 2 帧图像，即 1 个i 帧，3 个p 帧和8 个b 帧，在每个g o p 嵌入一幅水印图像，也就是每隔1 2 帧图像 进行一次水印嵌入操作。水印信息是一幅二值图像，为了增强算法的安全性和嵌入水 印信号的鲁棒性，在嵌入之前对水印图像作伪随机置乱。水印信息不是加到所有的运 动矢量上，而是选择其中的部分运动矢量来嵌入水印。嵌入算法如下：首先定义某一 宏块的运动矢量特征值p ，根据p 的值确定在运动矢量的水平分量还是垂直分量嵌入 水印。该算法只需要对运动矢量进行简单的判断和加减运算，因此计算复杂度很小。 在运动矢量嵌入水印的好处是：由于每个g o p 中b 帧和p 帧图像数量远远多于i 帧的图 像数量，运动矢量资源丰富，水印的嵌入裕度大，而且水印嵌入不会影响i 帧的图像 r 基于l d p c 码的m p e g 一4 视频数字水印研究 第一章绪论 质量。此类方案的优点是水印仅嵌入在d c t 系数中，不会增加数据比特率，易设计出 抗多种攻击的水印。缺点是会降低视频的质量，因为一般它也会有一个解码、嵌入、 再编码的过程；存在误差积累，嵌入的水印数据量低，没有成熟的三维时空视觉隐蔽 模型。z h a o k o c h 算法则是在视频图像亮度信息经d c t 变换和量化后，利用密钥控制， 在每个d c t 数据块中随机选取三个系数，通过调整他们之间的关系嵌入1 比特水印信 ，g t 2 1 1 。 该方案对特定的视频编码系统具有依赖性，其优点在于可以更为精确地控制水印 信息调制，对编码过程中码流变化等影响水印信息嵌入的因素进行及时分析，并可利 用自适应控制机制作出相应反应；同时一般视频压缩编码系统均考虑到视觉冗余特性 的利用，水印算法也可以充分利用这些特性实现水印信息的嵌入，例如视觉频率域特 性。但这一依赖性也给具体水印设计算法带来局限性，由于水印算法内嵌于视频编码 器之中，受整体系统算法复杂度的影响，水印算法大多只能采取与视频压缩编码核心 算法相一致的技术，例如在以d c t 变换为核心的m p e g 编码系统中就很难引入小波等 其它变换技术【9 】。 设计该类算法关键在于解决如何充分利用特定视频编解码过程中的各种信息，如 何控制水印信息的嵌入，使其满足视觉不可见性的同时，又具有较强的鲁棒性，最终 使得视频水印算法溶于视频编码系统中，达到系统的整体优化。 3 基于压缩视频的水印方案。 直接把水印嵌入在视频压缩比特流中，适用于不能直接介入视频编解码过程，只 能得到编解码视频流的场合。基于压缩视频的水印设计策略受相应视频压缩算法和视 频编码标准的限制( 如恒定码率的约束等) ，因此算法设计具有一定难度。该类算法应 具备的基本条件包括： ( 1 ) 水印信息的嵌入不能影响视频码流的正常解码和显示； ( 2 ) 嵌入水印的视频码流仍满足原始码流的码率的约束条件； ( 3 ) 内嵌水印在体现视觉不易察觉性的同时，能够抗有所压缩编码。 f r a n kh a r t u n g & b e m dg i r o d 算法( 简称h & g 算法) 是一个典型的这种类型的水印 算法，该算法首先将压缩码流中包含d c t 系数的v l c 编码数据分离提取，并经过部分 解码重建d c t 系数，在d c t 系数中嵌入经过d c t 变换的水印信息，而后将嵌入水印的 d c t 系数再编码，并与无变化码流成分( 如头信息、运动矢量等) 进行复合，重新形成 q 第一章绪论基于l d p c 码的m p e g 一4 视频数水日j 研究 视频码流【2 2 j 。 l u 等人提出的针对m p e g 2 视频流的水印算法，它是在可变长编码( v a r i a b l e l e n g t hc o d i n g ，v l c ) 域嵌入水印，并实现实时检测，相对于解码过程所需时间，水 印检测所需的时间可以忽略不计。该算法是基于携带辅助信息通信的思想设计的【2 3 1 。 这类算法的优点是不需完全解码和再编码的过程，对整体视频信号的影响较小。 缺点是视频系统对视频压缩码率的约束将限制水印的嵌入量，水印的嵌入可能造成对 视频解码系统中运动补偿环路的不良影响。另外，该类算法设计具有一定的复杂度。 1 2 3 发展趋势和应用前景 随着视频水印技术的发展，新的攻击算法也在不断地提出，对水印的鲁棒性构成 了很大的挑战。有关水印算法的复杂度、水印的鲁棒性和不可感知性、水印的随机检 测等关键技术和问题亟待研究和解决。视频水印技术将有以下几个研究方向i l5 j ：( 1 ) 研究新的嵌入提取机理。例如，当视频作品数据量很大、水印嵌入算法比较复杂时， 为了提高计算速度，可以在集群计算机上采用并行分布算法计算，或者在单机上设计 快速算法。目前这方面丌展的研究还很少。( 2 ) 在已有的嵌入位置上，采用新的方 法嵌入和提取水印。视频水印一般嵌入在空间域、频率域或压缩域，目前研究的重点 是频率域和压缩域，尤其是在压缩视频流嵌入水印，能更好地和m p e g 编码特性结 合在一起。水印的鲁棒性不但和嵌入位置有关，也与算法的特点有关，因此根据嵌入 位置以及人类视觉特性，设计新的算法是提高鲁棒性的一个有效的办法。( 3 ) 利用 人工智能原理( 如神经网络、模糊控制等) 设计智能嵌入算法，自适应地寻找合适的 视频部位和嵌入强度，嵌入数字水印。( 4 ) 结合人类视觉特性、视频序列帧间关系及 新的m p e g 压缩算法，寻找新的水印嵌入位置嵌入水印。文献【2 4 】就是利用了 m p e g 4 基于内容编码的特点，提出了在视频对象中嵌入水印的算法。( 5 ) 借鉴其他 学科( 尤其是通信和数学领域和生物领域) 的新技术、新成果，如把动物和人类的视 觉特征和视频水印技术融合在起，设计出更适合视频特点的水印。( 6 ) 已经发表的水 印算法一般只对某些攻击具有鲁棒性，能抵抗复合攻击的数字水印有待进一步的研 究。 1 0 基于l d p c 码的m p e g - 4 视频数字水印研究第一章绪论 1 3 存在的问题和本文研究内容 ( 1 ) 存在的问题 在过去相当长的一段时间里，视频水印技术虽然说取得了一定的进步，但是对于 关键技术和很多重要问题还没有得到解决，发展还是比较缓慢，还有待进一步的发展 和提高。较之图像水印技术，还不够成熟。