（光学专业论文）基于dsp的数字视频水印技术的研究.pdf

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果 福建师范大学学位论文使用授权声明 2 0 0 5 6 8 8 专业 迸堂所呈交的论文( 论文题目：基于d s p 的数字视 频水印技术的研究) 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人了解福建师范大学有关 保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交的学位论文并允许 论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容；学校可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名垂丝幽 指导教师签名 签名日期j 堡亟l 互一 福建师范大学硕士学位论文 摘要 多媒体技术和网络技术的发展，给人们带来了丰富多彩的视听娱乐的数字产品， 但是曲于数字产品复制不会引起质量下降，因此出现的大量盗版现象严重地损害了 生产商和著作者的利益，数字产品市场迫切需要加强版权保护工作的手段。数字水 印技术作为数字产品版权保护的有效手段，成为多媒体安全研究的热点，其中视频 数字水印成为近年来新的研究热点。 由于考虑到实时性是视频水印的一大特点，本文提出来一种能够满足实时性要 求的基于d s p 视频水印方案。在论述了数字水印技术的背景、原理和典型算法基础 上，提出了基于h 2 6 4 编码标准的数字视频水印算法。本算法是在视频原始域中嵌 入水印，把水印信息嵌入到图像内容中去，让水印与图像经历同样的变化，从而提 高其鲁棒性。从实验仿真结果来看，此算法对h 2 6 4 压缩及二次压缩具有良好的鲁 棒性，嵌入水印后不易被觉察具有较好的不可感知性。 关键词视频水印、d s p 、h 2 6 4 、扩频 福建师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i aa n di n t e r a c tt e c h n o l o g y , t h e r ea r em o r ea n d m o r ed i g i t a lp r o d u c t sf o ro u re n t e r t a i n m e n ta n dt h e yc a r le a s i l yb ec o p i e da n dd e l i v e r e d o ni n t e r a c tw i t h o u ta n yl o s s e si nq u a l i t y m o r ea n dm o r ep i r a t e ss t r o n g l yh u r tt h e p r o d u c e ra n da u t h o r si n t e r e s t s i tc a l l sf o ra l le f f e c t i v em e t h o dt op r o t e c tt h ed i 百t a l p r o d u c t s d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi ss u c ha ne f f e c t i v em e t h o da n da t t r a c t sm a n yr e s e a r c h e r s ， e s p e c i a l l yd i 百t a lv i d e ow a t e r m a r k i n gi nr e c e n ty e a r s t h ev i d e ow a t e r m a r k i n gp r e d o m i n a n tc h a r a c t e r i s t i ci sr e a l - t i m e ，w ep r o p o s ea p r o je c ta b o u tw a t e r m a r k i n gv i d e ow a t e r m a r k i n gb a s e do nd s ef o rt h i sp a p e r , s o m e i m p o r t a n tt o p i c sa b o u td i 醇a lw a t e r m a r k i n ga r ed i s c u s s e dw h i c hi n c l u d en o to n l yt h e b a c k g r o u n da n dp r i n c i p l e so fw a t e r m a r k i n gb u ta l s os o m ec l a s s i ca l g o r i t h m s a p a r tf r o m t h a t ，w ep r o p o s eas p r e a ds p e c t r u mw a t e r m a r k i n gb a s e do nh 2 6 4 i nt h ep r o p o s e d s c h e m e ，t h ew a t e r m a r k i n gi se m b e d d e di np r i m i t i v ev i d e od o m a i n t h ea d v a n t a g eo f w a t e r m a r k i n ge m b e di ni m a g ec o n t e n tw i l lt r a n s f o r mw i t ht h ei m a g ei nt o g e t h e r , s o i th a s v e r yg o o dp e r f o r m a n c ea tr o b u s t n e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e r m a r k e d v i d e oi si m p e r c e p t i b l ea n dr e s i s t a n tt oh 2 6 4c o m p r e s s i o na n dr e e o m p r e s s i o n ， k e y w o r d s v i d e ow a t e r m a r k i n g ，d s p , h 2 6 4 ，s p r e a ds p e c t r u m i l 福建师范大学硕士学位论文 中文文摘 随着数字技术和网络技术的发展，数字视频技术发展迅猛，数字视频通过网络、 数字广播等等方式得到了广泛的传播和应用成为了人们日常生活不可或缺的娱乐方 式。但它与模拟视频不同，数字视频无论被复制多少遍，其可视质量也不会降低。 因此它的版权保护问题面临更大的威胁，为此我们有必要研究用于数字视频版权保 护的有效技术手段。传统的数字视频加密技术只具有一次加密一次保护的能力，用 户解密后就可以任意拷贝复制而难以被追查，因此加密技术不足以在新的应用环境 下有效地实现数字视频的版权保护。 数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据安全技术，它将具有特定意义 的信息嵌入到数字产品中用以证明作者对其数字作品的所有权。从近几年来看，对 数字水印的研究越发广泛和深入，人们已经不局限于图像水印的研究，而是扩展到 了视频水印、音频水印乃至软件水印的研究上。此外其产品也目益增多并在定程 度上得到了实际应用。 视频水印就是嵌入到数字视频中的水印，与图像水印相比它具有水印容量大、 实时性要求强、攻击形式特殊等等特点，是目前国内外数字水印领域研究的热点所 在。考虑到视频水印的这些特点，本文提出了基于d s p 的数字视频水印技术。 首先，分析了数字水印提出的背景，主要介绍数字水印的概念、模型、特征、 分类和主要应用领域。数字水印技术，是指不可感知地把数字、序列号、文字、图 像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，且不破坏原数据价值，以起到版权保护、 秘密通信、数据文件的真伪鉴别和产品标识等作用。数字水印是信息隐藏技术的一 个重要研究方向，现主要应用在数字作品的版权保护方面。一般认为数字水印应具 有不可感知性、鲁棒性和可证明性等特点。从本质上讲，数字水印的嵌入、传输、 检测是一种通信过程。自然的，人们就试图把水印问题当作通信问题的特例来处理， 本文介绍了三种水印模型。接着介绍了视频数字水印的相关内容，由于视频的数据 量极大，各种压缩标准复杂，分析了视频水印的一些特殊的要求。 其次，介绍了视频编码标准h 2 6 4 及其核心技术以及h 2 6 4 算法d s p 移植问题。 h 2 6 4 标准是由i s o i e c 与u t 组成的联合视频组( j v t ) 锗i j 定的新一代的视频压缩 编码标准。它也是采用d c t 变换编码加d p c m 的差分编码，即混合编码结构。同 时，h 2 6 4 在混合编码的框架下引入了新的编码方式，提高了编码效率，更贴近实 i i i 福建师范大学硕士学位论文 际应用。h 2 6 4 标准之所以具有如此出众的表现和广泛的应用，一方面采用了与以 往制定的视频编解码标准( 如h 2 6 3 和m p e g 4 ) 相类似的一些编解码方法，另一方面 也采用了些新的技术，本文具体介绍h 2 6 4 采用的关键技术以及h 2 6 4 在 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 上的优化问题。 最后提出了视频水印系统的设计方案，从硬件和软件分别阐述，为今后的基于 h 2 6 4 的视频水印的嵌入和提取提供了一个可操作的平台。提出了一种视频水印算 法，在分析了现有的视频水印算法，提出了一种能抗h 2 6 4 压缩的水印方案：基于 h 2 6 4 的扩频水印算法，实验表明该方案嵌入的水印能抗h 2 6 4 压缩且具有良好的 不可感知性；文章最后对本课题进行了总结和展望。 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 信息隐藏技术与数字水印 上世纪9 0 年代以来，计算机网络技术和多媒体处理技术在全世界范围内得到了 迅猛的发展。计算机网络技术的发展使得处在世界各地的人们进行信息交流更加方 便，多媒体技术的发展为多媒体信息的存储和传播提供了极大的便利，同时也极大 的提高了信息表达的效率和准确性。特别是最近几年，多媒体信息的交流达到了前 所未有的深度和广度，其传播形式也愈加丰富多彩。但是，网络在给人们带来便利 的同时也暴露出越来越重要的安全问题：如多媒体作品的版权侵犯，软件或文档的非 法拷贝，电子商务中的非法盗用和篡改等。因此，如何既充分利用因特网的便利， 又能有效的保护数字图像等数字媒体的版权和信息的安全存储、传输等，已经成为 了一个十分紧迫的课题。 人们常常认为通信安全的实现可以通过加密来完成。即首先将多媒体数据文件 加密成密文后发布，使得网络传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获得机密信 息，从而达到版权保护和信息安全的目的，但这并不能完全解决问题。一方面加密 后的文件因其不可理解性妨碍多媒体信息的传播：另一方面多媒体信息经过加密后 容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且一旦加密文件经过破解 后其内容就完全透明了。 因此，需要寻求一种不同于传统技术的更加有效的手段，来保障数字信息的安 全传输和保护数字产品的版权。其中，信息隐藏n 3 ( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 技术的研 究在近年来成为了国际信息技术研究领域的一个新兴的研究方向，它作为隐蔽通信 和知识产权保护等的主要手段，正得到广泛的研究与应用。 信息隐藏技术是研究如何将某一信息隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开 信息的传输来传递隐藏信息。由于含有隐藏信息的媒体发布是公开的，而可能的检 测者难以从公开信息中判断隐藏信息是否存在，更加难以截获信息，从而达到保证 信息的安全的目的。 信息隐藏技术不同于传统的密码学技术。密码技术主要是研究如何将机密信息 进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式( 密文) 进行传递；而信息隐藏技术则 主要研究如何将某机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的 传输来传递机密信息。对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可通过裁取密 福建师范大学硕士学位论文 文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全；而 对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者则难以从公开信息中判断机密信息是 否存在，难以截获机密信息，从而能保证机密信息的安全。 信息隐藏技术研究的一个重要分支就是数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技 术。作为一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，它是通过一定的算法 将一些标志性信息( 水印) 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，并且不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检测器或阅读器才能 提取。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等，可 用来识别文件、图像或音乐制品的来d ，、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使 用入对数字产品的拥有权。与加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的 发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、真伪鉴别和非法 拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。 数字水印技术在一定程度上弥补了加密解密技术不能对解密后的数据提供进 一步保护的不足、弥补了数字签名不能在原始数据中一次性嵌入大量信息的弱点、 弥补了数字标签容易被修改和剔除的缺陷、弥补了数字指纹仅能给出出版权破坏者 信息的局限：正逐渐成为一种数字产品的可靠保护技术，也是当今网络信息安全和 数字媒体版权保护研究的热点。 1 2 主要工作 如上所述数字媒体的版权保护越来越受到人们的关注，也是亟待解决的问题。 而数字水印技术就是数字媒体版权保护的有效方法之一，经过十多年的研究，已建 立了各种研究模型，也提出了一些较为成熟的算法，出现了一些数字水印产品。但 到目前为止，所研究的重点主要集中在静态图像水印领域，主要数字水印产品也集 中在此领域。对于视频水印的研究相对静态图像水印相对滞后，由于视频信号本身 的复杂性和视频水印的特殊性，对基于视频信号的水印方案还比较少，也提出了一 些视频水印算法，但更多地是将图像水印的结果直接应用到视频领域中。目前，视 频水印技术的研究进展较慢，主要难题有：视频数据的数据量较大，视频的视觉失真 难以控制，复杂的水印技术往往不能满足实时处理的要求，简单的水印技术往往不 能很好地利用人类视觉系统( h v s ) 的空域和时域的掩盖效应而实现一个更具鲁棒性 的水印方案；对视频水印的攻击种类较多，针对单帧静态图像的水印攻击对视频也有 效，还有多帧攻击，如帧平均、帧交换和帧裁剪等。 第1 章绪论 而且目前对于视频水印算法的研究也都是基于软件平台( 如p c ) 的。一般是利 用视频压缩标准的测试模型和标准的视频序列进行研究，这样对其算法的研究是比 较方便的。但多数视频水印是有实时性要求的，我们知道由于传统p c 使用的是 y o nn e u m a n n 结构，要满足实时性是很难实现的。 于是本课题提出了基于d s p 的数字视频水印方案，随着数字信号处理技术和视 频图像处理技术的发展，越来越多的通用d s p 芯片被应用于视频图像的处理工作中。 图像处理系统首先从c c d 摄像机或其他视频源通过专用图像采集芯片将模拟视频信 号数字化，进而在d s p 芯片内部对图像进行一定的算法和处理。本系统是建立在一个 基于定点d s p 芯片d m 6 4 2 的图像处理系统的基础上，能够实现视频水印的实时嵌入， 并希望在此基础上搭建一个基于d s p 的视频水印的研究平台。 论文着重地分析了视频水印技术和研究现状，认为如何将新一代的压缩标准 h 2 6 4 和现有图像水印算法相结合是今后研究重点。在此基础上，本文提出了一种基 于h 2 6 4 的扩频水印算法方案，实验表明使用该方案嵌入的水印能够抵抗h 2 6 4 压缩 且具有良好的不可感知性。 1 3 论文组织结构 第1 章绪论。介绍论文研究背景及主要内容。 第2 章数字水印概述。主要介绍数字水印的概念、模型、特征、分类和主要应 用领域。 第3 章h 2 6 4 视频编码技术的研究。主要介绍视频编码标准h 2 6 4 及其核心技术。 首先简单了解视频压缩的发展过程，然后介绍了h 2 6 4 的关键技术，最后分析了h 2 6 4 算法d s p 移植问题。 第4 章视频水印系统设计。提出了视频水印系统的设计方案，从硬件和软件分 别阐述，为后面的基于h 2 6 4 的视频水印的嵌入和提取提供了一个可操作的平台。 第5 章视频水印算法的设计。分析现有的视频水印算法，提出了一种能抗h 2 6 4 压缩的水印方案一基于h 2 6 4 的扩频水印算法，实验表明该方案嵌入的水印能抗h 2 6 4 压缩且具有良好的不可感知性。 第6 章总结。对论文所做的工作进行了总结，并提出了今后研究工作的方向。 第2 章数字水印技术 第2 章数字水印技术 2 1 数字水印的概念、特性及分类 ( 1 ) 数字水印的概念 数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) ，是指不可感知地把数字、序列号、文 字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，且不破坏原数据价值，以起到版权 保护、秘密通信、数据文件的真伪鉴别和产品标识等作用豫1 。数字水印是信息隐藏 技术的一个重要研究方向，现主要应用在数字作品的版权保护方面。 ( 2 ) 数字水印特性 一般认为数字水印应具有不可感知性、鲁棒性和可证明性等特点乜1 。 不同的应用对数字水印的要求不尽相同，一般认为数字水印应具有如下特点： 不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水印导 致载体数据的变化对于观察者的视觉或听觉系统来讲是不可察觉的。 鲁棒性：鲁棒性指在经过常规信号处理操作后能够检测出水印的能力。针对图 像的常规操作包括空间滤波、有损压缩、打印与复印、几何变形( 旋转、平移、缩放 及其他) 等。视频水印除了要对很多相同的变化具有鲁棒性之外，还需要对视频磁带 的录制和帧频变化具有鲁棒性。音频水印需要对诸如时间域滤波、音频磁带录制、 录音重放速度的变化等过程具有鲁棒性。鲁棒性和应用相关，例如用于真伪鉴别的 水印应当是脆弱水印，而在一些特殊的应用中，水印必须对任何不破坏含水印作品 的畸变具有鲁棒性。 可证明性：水印能为受到保护的信息产品提供完全和可靠的证据。水印算法识 别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志戴有意义 的文字等) 并能在需要的时候将其提取出来。同时，能够监视被保护数据的传播、 真伪鉴别以及非法拷贝控制等。 ( 3 ) 数字水印的分类口3 按特性划分 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印。鲁棒性水印 能够经受各种常见的攻击，因此主要用于在数字作品中标识著作权信息。而脆弱水 印对信号的改动非常敏感，根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过，所 福建师范大学硕士学位论文 以主要用于完整性保护。 按水印所附载体划分 按水印所附的载体，数字水印分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印 以及用于三维网格模型的网格水印等。本论文主要研究图像水印的处理。 按检测过程划分 按水印的检测过程可以将数字水印分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过 程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。通常在水印的 恢复过程中使用原始数据集的水印嵌入方法会提高水印的鲁棒性。不过，在很多应 用中，比如数据的监控或跟踪，不可能得到原始数据，因此，明文水印的应用受到 存储成本的限制。目前数字水印大多数是盲水印。 ( 4 ) 按水印内容划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是 指水印本身也是某个数字图像( 如商标) 或数字音频片段的编码；无意义水印则只对 应于一个序列号。有意义水印如果受到攻击使提取出的水印破损，人们仍然可以通 过肉眼观察辨别出水印信息。但对于无意义水印来说，如果提取出的水印序列有若 干码元发生错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印并印序列有若干 码元发生错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印并且很难辨别出原 始水印内容。 “( 5 ) 按水印嵌入技术 按数字水印嵌入技术的不同可将其分为时空域数字水印和变换域数字水印。时空 域水印技术就是指水印信息嵌入数字作品的时间域或空间域中。而变换域水印技术 就是指将水印信息嵌入数字作品的某一变换域中。目前普遍认为变换域水印具有更 好的鲁棒性，因此对水印的研究相对集中于后者。 2 2 数字水印的模型 从本质上讲，数字水印的嵌入、传输、检测是一种通信过程。自然的，人们就 试图把水印问题当作通信问题的特例来处理。在这里介绍三种模型，它们的区别在 于如何模型化载体c 。在基本模型中，把c 。看作纯粹的噪声；在有边信息的通信模 型中，仍然把c 。看作噪声，只是在水印嵌入端，噪声作为边信息存在：在复用通信 模型中，不再把c 。看作噪声，而是把它看作通过复用技术传输的另一个消息乜1 。 ( 1 ) 基本模型 第2 章数字水印技术 图2 - 1 给出了水印信道的基本通信模型。在这种模型中，载体c o 作为噪声，被 看作信道的一部分。在水印嵌入时，可以分为两个步骤。首先，把消息m 映射为附 加模版w a ，这个过程可以由密钥控制完成。其次，把附加模版w a 叠加到c o 上，产 生嵌有水印的数据c 。 嵌有水印的数据c 在传输过程中，一般假定c ，将经过某种操作，这个操作对水 印信道的影响用加性噪声来模拟。于是，c 经过叠加噪声就得到信道输出c 。= c ，+ n 。 如果进行的是盲检测，直接对c 。进行水印解码得到输出消息w n 。 如果进行的是非盲检测，首先，从接收到的数据文中减去c o ，得到带噪声的模 版w n 。然后，通过水印解码从w n 中获得输出消息砜。 艟入信 嚷声 学钥屎始黄体密锈 图2 - 1 基本模型 f i g u r e2 - 1b a s i cm o d e l 绩出信惠 ( 2 ) 有边信息的通信模型( c o m m u n i c a t i o nw i t hs i d ei n f o r m a t i o n ) 嗓声 齄入信 水移密钢琢始蓑体永印密钥 图2 - 2 有边信息的通信模型 f i g u r e2 - 2 c o m m u n i c a t i o nw i t hs i d ei n f o r m a t i o n 辘出信息 在基本模型中，嵌入端要求w a 与载体c 。互相独立。事实上，嵌入端是完全知道 载体c 。的信息。如果允许水印编码时利用对c 。的信息，那么，将有利于产生更有效 福建师范大学硕士学位论文 的水印算法。图2 - 2 给出了一个允许模式w a 依赖于c o 的水印模型。这个模型称为 有边信息的通信模型。 ( 3 ) 复用通信模型( m u l t i p l e x e dc o m m u n i c a t i o n s ) 囔声 一图2 3 复用通信模型 f i g u r e2 - 3m u l t i p l e x e dc o m m u n i c a t i o n s 图2 3 给出了水印信道的复用通信模型。在这里，载体c 0 不再是信道的一部分， 而是通过信号c 和水印信息m 一起传输的第二个信息。这两个信息的接收端分别为： 水印检测器和人的感官。 2 3 数字视频水印 视频数字水印就是在视频文件中加入水印信息。由于视频的数据量极大，各种 压缩标准复杂，除了上述数字水印的特征之外，对于视频水印而言还有一些特殊的 要求，如： ( 1 ) 实时处理性。视频水印算法在多数情况下有实时性的要求，这也是视频水 印与静止图像水印之间的重要区别，特别是比如在多播的情况下，需要在接收端嵌 入用户的序列号，这一方面减少播出的带宽，另一方面可用于追踪盗版的原始分发 者。一般而言，对于在静止图像中嵌入或提取水印，几秒或更长的时间是可以接受 的，但对于视频数据而言，由于视频的帧率较高，以确保视频数据流的平滑性，所 以较长的水印嵌入或提取的延迟时间会降低视频帧率，从而严重影响视频的质量。 视频水印对实时性有多层次的要求，一种是要求嵌入和提取都必须是实时的，称为 强实时：另一种没有强实时要求，或者要求嵌入时满足实时性，或者要求提取时满足 实时性，称为弱实时。对于数字电视广播种应用数字水印，往往要求实时性较高， 因而是强实时的，另外一种特殊应用，比如广播监视，水印检测器必须能够实时地 第2 章数字水印技术 检测水印，而在水印嵌入过程中对实时性的要求不是很高，这种应用是弱实时的。 ( 2 ) 随机检测性，即可以在视频的任何位置，在短时间内检测出水印。随机检 测性比实时性具有更严格的要求。如果只能从视频的开始位置按播放顺序一步步检 测出水印，则不具有随机检测性：如果跳转到视频的任何_ 个位置，也能够在很短 时间内检测出水印，则具有随机检测性。 ( 3 ) 与视频编码标准相结合，视频数据由于其数据量极大，在存储、传播中通 常先要对其进行压缩，现在最常用的视频数据压缩编码标准是m p e g 系列和h 2 6 x 系 列。如果是在压缩视频中嵌入水印，必须与视频的压缩编码标准相结合，因为在原 始视频中嵌入水印，水印的嵌入是利用视频的冗余数据来携带信息的，而视频压缩 编码则需要除去视频中的冗余数据，因此如果不考虑视频压缩编码标准而盲目地嵌 入水印，则嵌入的水印很可能在编码过程中就被完全丢失。 ( 4 ) 盲水印方案。在某些应用中，并不能获得原始的宿主信号，即使能够获得 原始的宿主信号，由于数据量巨大，要使用原始的宿主信号也是不现实的，对于视 频数据来说，这一点表现得尤为突出。 ( 5 ) 鲁棒性。对于视频数据，除了一些针对图像的攻击，还存在一些特有的处 理和攻击方法，必须保证水印方案具有相应的鲁棒性，即满足在视频上的处理，只 要没有将视频破坏到失去使用价值的地步，都应该能够提取出嵌入的水印。 针对视频的各种攻击和处理有h ，： ( 1 ) 无意的攻击。采用各种压缩编码标准对视频进行编码；在n t s c 、p a l 、s e c a m 和通常的电影标准格式之间转换时所带来的帧速率和显示分辨率的改变，以及屏幕 高宽比的改变，如4 ：3 、1 6 ：9 ；帧删除、帧插入、帧重组等视频编辑处理；数模和 模数转换，如录制在模拟录像带上时，在转换中给视频可能带来的影响包括低通过 滤、添加噪音、对比度轻微改变、以及轻微的几何失真等。 ( 2 ) 有意的攻击。h a r t u n g 等畸3 将水印攻击分为4 类t 简单攻击、检测失效攻击、 混淆攻击和移去水印攻击，在视频上的攻击也基本由这4 类组成。对于连续的帧， 包括统计平均( a v e r a g i n g ) 攻击和统计共谋( c o l l u s i o n ) 攻击。平均攻击是对局部连 续的帧求平均，以消除水印，这种攻击对于在各帧中嵌入随机的、统计独立的水印 方案比较有效。在共谋攻击中，从单个的帧中估计出水印，这种攻击对于在所有帧 中嵌入相同的水印的方案比较有效。因此，必须考虑在视频上的各种可台邑的攻击处 理，来实现一个较好的水印方案。 福建师范大学硕士学位论文 2 4 国内外研究动态 1 9 9 0 年左右t a n a k a 等人首先提出了静态图像数字水印技术的想法。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 川6 1 一文中首次使用了“w a t e rm a r k ” 这一术语。这一命名标志着数字水印技术作为一门正式研究学科的诞生。后来二词 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”。自被提出以来，数字水印的研究已成为一个热点，对其研究可 谓如火如荼。 2 4 1 国际上关于数字水印的研究 ( 1 ) 大学、研究机构： 美国麻省理工学院、英国伦敦大学、瑞士洛桑联邦工学院、德国国家信息技术 研究中心和意大利的锡耶纳大学等可代表学术的最高水平。 ( 2 ) 政府或国际组织： 美国版权保护技术组织( c p t w g ) 成立了专门的数据隐藏小组( d h s g ) 来制定版权 保护水印的技术标准。 由欧洲委员会资助的项目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 yl a b e l i n g i m a g es e r v i c ea n dm o n i t o r i n ga c c e s sn e t w o r k s ) 盯1 是为欧盟成员国的服务提供 商提供一个标准版权保护机制，防止大规模商业盗版和非法拷贝。 ( 3 ) 商业集团： 微软公司正在积极地研究对原版c d 的版权保护，同时也在研发新的操作系统来 全面防止信息的非法复制。 索尼和飞利浦收购了拥有多项版权保护专利的i n t e r t r u s t 公司，收购最重要的 目标是通过广泛采用i n t e r t r u s t 在d r m 方面的知识产权加强数字内容的安全传播。 惠普从i n t e l 处获得了数字内容保护技术的授权，并将与飞利浦合作开发拷贝 控制技术。 还有韩国的三星，r 本的n e c 目前都有专门的d r m 研究项目。 ( 4 ) 国际学术界： 几个有影响的国际会议( 例如i e e e s p i e 等) 及国际权威学术期刊( 例如s i g n a l p 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。 信息隐藏学术研讨会( i n f o r m a t i o nh i d i n gi n t e 矾a t i o n a lw o r k s h o p ) ( 从 第2 章数字水印技术 1 9 9 6 年起每年一届) 国际数字水印讨论会( i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po nd i g i t a lw a t e r m a r k i n g i w d w ) ( 从2 0 0 2 年起每年一届) 国际光学工程师协会与图像科学与技术协会联合召开的“多媒体内容安全 和水印讨论会”( s e c u r i t ya n dw a t e r m a r k i n go fm u l t i m e d i ac o n t e n t s ) 。 ( 从 1 9 9 6 年起每年一届) 2 4 2 国内关于数字水印的研究 国内一些研究单位也己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。 我国第一届全国信息隐藏暨多媒体安全大会于1 9 9 9 年在北京召开，以后每年举 办一次，第七届全国信息隐藏暨多媒体安全大会于2 0 0 7 年1 1 月在南京理工大学召 开。很大程度地推进了国内水印技术的研究与发展。 2 0 0 4 年8 颁布了中华人民共和国电子签名法，这给水印技术的应用提供了 法律依据。 北京数字作品版权登记平台于2 0 0 6 年4 月2 6 日启动。该平台的建设充分考虑 了数字作品的特点，采用了我国拥有自主知识产权且具有国际领先水平的数字水印 加密和图像自动检索两大核心技术，使得数字作品在获得版权登记的同时也获得先 进科技手段的技术保护( 图2 4 为正版标志) 。 图2 - 4 正版标志 f i g u r e2 - 4c o p y r i g h tm a r k 2 5 数字水印的应用 随着数字水印技术的发展，数字水印的应用领域也得到了扩展，数字水印的基 、l j ， 正： 福建师范大学硕士学位论文 本应用领域是版权保护、隐藏标识、认证和安全不可见通信。主要应用有：d 3 ( 1 ) 广播监控 广告商希望他们从广播商处买到的广告时段能够按时全部播放，广播者则希望 从广告商处获得广告收入。为了实现广播监控，可雇用监控人员对所播出的内容直 接进行监视和监听，但这种方法不但花费昂贵而且容易出错。或者用动态监控系统 将识别的信息至于广播信号之外的区域，如时评信号的垂直空白间隔，但是该方法 涉及兼容性问题。水印技术可以对识别信息进行编码，是替代动态监控技术的一个 好方法。它利用自身嵌入的内容之中的特点，无需利用广播信号的某些特殊片段， 因而能够完全兼容于所安装的模拟或数字的广播基础设备。 ( 2 ) 隐蔽通信 将重要的数据作为水印隐藏在公开传输的数据中，不同于传统的密码术，它不 改变数据的特征，不易察觉，不易丢失。 ( 3 ) 交易跟踪 对于一个数字产品，我们不希望它被滥用，只制作限量的拷贝用于销售，那么 我们就要对于每一个拷贝嵌入不同的水印。一旦市场上有拷贝泛滥，可以根据水印 追查出于哪一个拷贝，便于追究责任。 ( 4 ) 内容真伪的鉴别 如今己难以察觉的方式对数字作品进行篡改己经变得越来越容易，消息真伪鉴 别问题在密码学中以有比较成熟的研究。数字签名( d i g i t a ls i g n a t u r e ) 是最常见的 加密方法，它实际上是加密的消息概要。如果将经过篡改的消息同原始签名相对照， 便会发现签名不符，说明消息被篡改过。这些签名均为源数据，需同它们所要验证 的作品一同发送。一旦签名遗失，作品便无法将进行真伪鉴别。使用水印技术将签 名嵌入作品中可能是一种比较好的解决方法，人们将这种被嵌入的签名称作真伪鉴 别印记。如果极微小改动就能造成真伪鉴别印记失效，这种印记便可称作“脆弱水 印， ( 5 ) 所有者识别 文本版权声明用于作品所有者识别具有一些局限。首先，在拷贝这些声明很容 易被去除，有时甚至不是故意为之。另一个问题是它可能会占据一部分图像空间， 破坏原图像的美感且易被剪切除去。由于水印既不可见，也同其嵌入的作品不可分 离，故水印比文本声明更利于使用者识别中。如果作品的用户拥有水印检测器，他 第2 章数字水印技术 们就能识别出水印作品的所有者，即使用能够将文本用户声明除去的方法来改动它， 水印也依然能够被检测到。 ( 6 ) 所有权验证 除了对版权所有者信息的识别，利用水印技术对其进行验证也是令人关注的一 项应用。传统的文本声明极易被篡改和伪造，无法用来解决该问题。针对此问题的 一个解决办法是建立一个中央资料库，对数字产品的拷贝进行注册，但人们可能会 因费用高而打消注册的念头。为了省去注册费，人们可以使用水印来保护版权，而 且为了使所有权验证达到一定的安全级别，可能需要限制检测器的发放。对手如果 没有检测器，清除水印是相当困难的。然而，即使水印不能清除，攻击者也可以使 用自己的水印系统，让人觉得数字产品里好像也具有攻击者的水印。因此，人们无 须通过所嵌入的水印信息直接证明版权，而是要设法证明一幅图像从另一幅得来这 个事实。这种系统能够间接证明有争议的这幅图像更有可能为版权所有者所有而不 是攻击者所有，因为版权所有者拥有创作出水印图像的原始图像。这种证明方式类 似于 版权所有者可以拿出底片，而攻击者却只能伪造受争议图像的底片，而不可能 伪造出原始图像的底片来通过测试。 ( 7 ) 拷贝和设备控制 在拷贝控制的应用中，人们致力于防止他人对受版权保护的内容进行非法拷贝。 防止非法拷贝的第一道防线就是加密。使用特定密钥对作品加密后，可以使没有此 密钥的人完全无法使用该作品，然后可以将此密钥已难以复制或分发的方式提供给 合法用户。但是，人们通常希望媒体数据可以欣赏，却不希望拷贝。这是人们可以 将水印嵌入到内容中，与内容一同播放。如果每个录制设备都装有一个水印检测器， 设备就能够在输入端检测到“禁止拷贝 水印的时候禁用拷贝操作。设备控制是指 设备能够在检测到内容中的水印是做出反应。 第3 章h 2 6 4 视频编码标准的研究 第3 章h 2 6 4 视频编码标准的研究 3 1 视频编码的国际标准 数字视频技术广泛应用于通信、计算机、广播电视等领域，诸如会议电视、可 视电话以及数字电视、媒体存储等等，而一系列的应用促使了许多视频编码标准的 产生。i t u t 和i s o i e c 是制定视频编码标准的两大组织，i t u t 的标准主要应用 于实时的视频通信领域，如会议电视，其标准包括h 2 6 1 ，h 2 6 3 ，h 2 6 4 ，m p e g 系列 标准是由i s o i e c 制定的，主要应用于视频存储( d v d ) 、广播电视、因特网或无线 网上的流媒体等方面。两个组织也共同制定了一些标准，h 2 6 2 标准等同于m p e g 2 的视频编码标准，而最新的h 2 6 4 标准则被纳入m p e g 一4 的第1 0 部分。图3 1 表示 了视频编码标准的发展历程。 i 。嚣 n 母e g 2 h 2 6 2 h 2 6 4 1 9 8 4 1 9 8 81 9 9 21 9 9 6 2 0 0 02 0 0 4 3 1 1h 2 6 1 视频编码标准 h 2 6 1 8 9 】是最早的视频编码标准，是玎u t 为在综合业务数字网( i s d n ) 上开 展双向声像业务( 可视电话、视频会议) 而制定的，其输出码率是p x 6 4 k b i t s ，其中p 是1 到3 0 的可变参数。h 2 6 1 只支持q c i f 和c i f 两种图像格式进行处理。h 2 6 1 采用的算法结合了可减少时间冗余的帧间预测和可减少空间冗余的d c t 变换的混 合编码方法，特点是压缩比高、算法复杂度低。h 2 6 1 详细制定了视频编码的各个 福建师范大学硕士学位论文 部分，包括帧间预测、d c t 变换、量化、 速率控制等部分。每帧图像分成图像层、 层共4 个层次来处理。 3 1 2h 2 6 3 视频编码标准 熵编码，以及与固定速率的信道相适配的 宏块组( g o b ) 层、宏块( m b ) 层、块( b l o c k ) h 2 6 3 阳1 是最早用于低码率视频编码的i t u - t 标准，随后出现的h 2 6 3 + n 2 3 以及 h 2 6 3 + + n 3 。1 5 1 增加了许多选项，使其拥有更广泛的适用性。 h 2 6 3 是i t u - t 为低于6 4 k b i t s 的窄带通信信道制定的极低码率视频编码标准。 该标准是在h 2 6 1 的基础上发展起来的，其标准的输入图像格式可以是s q c i f ，q c i f ， c i f ，4 c i f 或者1 6 c i f 的彩色4 ：2 ：o 亚取样图像。h 2 6 3 与h 2 6 1 相比采用了半像素的运 动补偿，并增加了4 种有效的压缩编码模式。 i t u - t 在h 2 6 3 发布后又修订发布了h 2 6 3 标准的第二个版本，非正式地称为 h 2 6 3 + 标准。它在保证了原h 2 6 3 标准的核心句法和语义不变的基础上，增加了若 干选项以提高压缩效率或某方面的功能。如：分级图像、增强的p b 帧等。h 2 6 3 + + 在h 2 6 3 + 的基础上增加了三个选项，主要是为了增强码流在恶劣信道上的抗误码性 能，同时也是为了增强编码效率。 3 1 3m p e g l 视频编码标准 m p e g - i n 町是i s 0 i e c 制定的音视频编码标准，该标准包括三个部分：第1 部分为 系统，阐述几种伴音压缩数据和图像数据的复用，以及加上同步信号后的整个系统。 第2 部分为视频，阐述视频压缩和码流结构。第3 部分内容为音频，阐述数字伴音 的压缩，其压缩数据可有6 4 ，1 2 8 和1 9 2 k b p s 三种码率。该标准是为速率为1 1 5 m b s 的数字声像信息的存储而制定的。m p e g - i 和h 2 6 1 视频编码算法的核心是一样的， 采用块运动补偿加d c t 变换为核心的压缩方案，主要区别是m p e g 一1 增加了b 帧图像 类型。 3 1 4m p e g - 2 视频编码标准 m p e g - 2 n 7 。1 8 1 标准是为了适应数字电视节目的生成、编辑、存储、恢复、传输和 显示的综合要求而研发的，其目标是提供广播质量的n t s c p a l 和s e c a m 信号，并且 也支持h d t v 质量。m p e g - 2 实际上最后得到的是一个通用的标准，它在很宽范围内对 不同分辨率和不同输出比特率的图像信号有效地进行压缩。m p e g - 2 对m p e g 一1 作了重 第3 章h 2 6 4 视频编码标准的研究 要的改进和扩充，如帧、场自适应编码、差错恢复等技术，建议了一套视频和音频 压缩以及相关数据的复接传输方法。 3 1 5m p e 叫视频编码标准 m p e g - 4 n 蝴1 的与传统的基于像素的视频压缩标准不同，它采用了基于对象的视 频编码方法，也就是把视频图像分割成不同对象或者把运动对象从背景中分离出来， 然后针对不同对象采用相应编码方法，以实现高效压缩。目前，m p e g - 4 比较实用化 的是s p ( 简级) 或a s p ( 先进的简级) ，主要应用于低码率方面，如因特网上的流媒体、 无线网的视频传输以及视频存储等，其核心类似于h 2 6 3 。 3 1 6h 2 6 4 视频编码标准 h 2 6 4 强卜捌标准是由i s o i e c 与i t u - t 组成的联合视频组( j v t ) 制定的新一代的视 频压缩编码标准。它也是采用d c t 变换编码j i d p c m 的差分编码，即混合编码结构。同 时，h 2 6 4 在混合编码的框架下引入了新的编码方式，提高了编码效率，更贴近实际 应用。h 2 6 4 没有繁琐的选项，而是力求简洁的“回归基本”，它具有比h 2 6 3 + + 更 好的压缩性能，又