（通信与信息系统专业论文）基于h264的视频数字水印算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来随着数字视频在社会生活中的普及，视频作品遭到恶意攻击和非法 侵权的问题也越来越严重。如何有效地对数字视频进行版权保护，成为多媒体 技术发展中迫切而现实的问题。数字水印技术作为一种新的用来解决版权保护 问题的有效途径，近年来已成为信息安全领域的研究热点。在各类数字水印技 术中，数字视频水印技术由于其自身的研究价值和潜在的经济利益而倍受各国 学者的关注。然而，与静态图像水印技术相比，视频水印技术由于视频序列本 身的一些固有特点，如大量数据冗余、运动区域和非运动区域分布不平衡性、 时间掩蔽效应在内的更为精确的人类视觉模型还没有完全建立，而发展较为滞 后。 本文在研究数字水印特别是视频数字水印相关理论与技术的基础上结合 h 2 6 4 视频压缩标准和技术，提出了两种基于h 2 6 4 压缩标准的鲁棒视频水印算 法。为使水印在不可见性和鲁棒性之间取得较好的折中，水印算法的设计充分 考虑了水印的嵌入容量、嵌入位置和嵌入强度。算法一选择i 帧中背景亮度高、 纹理复杂的块作为水印嵌入块，将经过a r n o l d 变换的二值水印图像降维分段后 嵌入到该块的亮度d c t 直流系数的最低有效位上，水印的提取算法简单快速， 且为盲提取；算法二选择p 帧运动矢量幅值较大的块作为水印嵌入块，定义了 运动矢量特征值房，通过计算该块的远动矢量特征值并根据水印信息位改变运 动矢量水平分量和垂直分量的奇偶相关性达到嵌入水印的目的，水印的提取算 法简单快速，也为盲提取。这两种算法将a r n o l d 置乱技术运用到视频水印中， 既提高了水印的不可见性和鲁棒性，又提高了水印的安全性，达到了版权保护 的目的。 本文对水印算法进行了仿真，并给出了详细的实验结果及分析比较。对算 法的不可见性、鲁棒性、实时性、安全性方面进行了验证，实验结果表明这两 个算法均能较好的抵抗视频水印攻击如：重压缩、帧重组、帧删除，算法复杂 度低，能满足视频水印的实时性要求且都为盲提取。 关键字：视频水印；h 2 6 4 ；版权保护；离散余弦变换；运动矢量 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t h p o p u l a r i t yo fd i g i t a lv i d e oi ns o c i a ll i f e ，t h ei s s u eo fv i d e o w o r k sb ym a l i c i o u sa t t a c k sa n di l l e g a lu s eh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s h o wt o p r o t e c tt h ec o p y r i g h to fd i g i t a lv i d e oe f f e c t i v e l yh a sb e c o m ef i nu r g e n ta n dr e a l i s t i c i s s u ei nt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n i q u e a san e wa n de f f e c t i v ea p p r o a c ht o s o l v et h ep r o b l e mo fc o p y r i g h tp r o t e c t i o nd i g i t a lw a t e r m a r k i n gh a se m e r g e dt ob ea n a c t i v ea n df l o u r i s h i n gr e s e a r c ht o p i ci nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yr e c e n t l y a m o n gt h ep l e t h o r ao fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s ，r e s e a r c h e r sh a v ep a i dm o v e a t t e n t i o nt ov i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u eb e c a u s eo fi t sh i g hr e s e a r c hv a l u ea n d p o t e n t i a lc o m m e r c i a lp r o f i t s h o w e v e r ，c u r r e n t l ya v a i l a b l ev i d e ow a t e r m a r k i n g t e c h n i q u ei sf a rb e y o n dm a t u r ey e tc o m p a r e dw i t ht h es t i l li m a g ew a t e r m a r k i n g b e c a u s eo fi t ss p e c i a lf e a t u r e ss u c ha sm u c hd a t ar e d u n d a n c y , u n e v e nd i s t r i b u t i o no f m o v e m e n tf i e l da n ds t i l lf i e l da n di m p e r f e c tt - h v s ( t i m ed o m a i nh u m a nv i s u a l s y s t e m ) t h ep a p e rr e s e a r c h e st h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fd i g i t a l w a t e r m a r k i n g e s p e c i a l l yv i d e ow a t e r m a r k i n ga n dh 2 6 4v i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d b a s e da b o v e r e s e a r c h e s ，t h ep a p e rp r o p o s e st w or o b u s th 2 6 4v i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s i n o r d e rt og e tab a l a n c eb e t w e e nn o n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ，t h ed e s i g no ft h e a l g o r i t h mc o n s i d e rs u f f i c i e n t l yt h ec a p a c i t y , p o s i t i o na n ds t r e n g t ho ft h ee m b e d d e d w a t e r m a r k t h ef o r m e rc h o o s et h eh i g h l i g h t e da n dc o m p l i c a t e t e x t u r e db l o c ka s e m b e d d e db l o c ki nif r a m e ，t h i sa l g o r i t h mp r e p r o c e s s e dt h eb i n a r yl i t e r a li m a g eb y a m o l dt r a n s f o r i l l ，i te m b e d st h ew a t e r m a r ki n t ot h el s bo fd cc o e f f i c i e n to ft h e d c ty - b l o c k ，t h ee x t r a c t i o na l g o r i t h mo fw a t e r m a r ki sv e r ys i m p l e ，f a s ta n db l i n d r e t r i e v a l ；t h el a t e rc h o o s et h eb l o c kw i t hh i g h e rm o t i o nv e c t o ra m p l i t u d ea st h e e m b e d d e db l o c ki npf r a m e ，d e f i n et h ef e a t u r eo ft h em o t i o nv e c t o r p i ，c a l c u l a t et h e f e a t u r eo ft h em o t i o nv e c t o ro ft h ec h o o s e db l o c k ，t h e na c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o n o fw a t e r m a r ke m b e dt h ew a t e r m a r ki n t ot h em o t i o nv e c t o rb yc h a n g et h ep a r i t y r e l a t i o no ft h eh o r i z o n t a lc o m p o n e n ta n dv e r t i c a lc o m p o n e n to fm o t i o nv e c t o r , t h e i i 武汉理1 = 大学硕士学位论文 e x t r a c t i o na l g o r i t h mo fw a t e r m a r ki sv e r ys i m p l e ，f a s ta n db l i n dr e t r i e v a lt o o t h e s e t w oa l g o r i t h m sa l lu s et h ea r n o l dt r a n s f o r mt oe n h a n c et h en o n v i s i b i l i t y , r o b u s t n e s s a n d s e c u r i t yo ft h ew a t e r m a r k ，a n dm a k et h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o nr e a l t h ep a p e rh a se m u l a t e dt h et w oa l g o r i t h m s ，a n dg a v et h ed e t a i l e dr e s u l to f e x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ；w et e s ta n dv e r i f yt h en o n v i s i b i l i t y , r o b u s t n e s s ，r e a lt i m ea n d s e c u r i t yo ft h ew a t e r m a r k i n gs y s t e m ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h et w oa l g o r i t h m sa r e r e s i s t a n tt oa t t a c k ss u c ha sr e c o m p r e s s t i o n ，f l a m er e s t r u c t u r ea n df r a m ed e l e t i n g t h e t w oa l g o r i t h m sw i t hl o wc o m p l e x i t yc a nm e e tt h er e a l - t i m er e q u i r e m e n ta n da r eb l i n d r e t r i e v a l k e y w o r d s ：v i d e ow a t e r m a r k i n g ；h 2 6 4 ；c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ；d c t ；m o t i o nv e c t o r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：丕盎癌日期：鲨：上：墨 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 陬 研究生( 签名) ：乃如刊红导师( 签名) ：彳季蕊 日期加d 只r 、彩 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 随着计算机网络和多媒体技术的发展，数字多媒体产品的获取和传输变得 非常简单，但同时也导致了盗版和侵权行为【l 】。多媒体及网络技术的迅速发展 给人们的生活带来了极大的便利，数字产品在电子商务中占据了巨大的份额， 人们足不出户就可以从互联网上获得图像、音频、视频等数字作品。与此同时， 借助先进的多媒体处理软件，盗版者可以对原数字作品制作出完美的拷贝，甚 至不留痕迹地对作品做各种各样的篡改，并通过网络发布。这就带来了一系列 的问题：如何保护原作者的产权；如何控制拷贝的数量；如何确认作品是否完整、 内容是否真实有效等等。因此，数字媒体的安全问题成了瓶颈问题，制约着数 字化的进程，若得不到解决，将可能导致书籍、音乐、电影等电子出版业的不 健康发展，如何既充分利用网络的便利，又能有效地保护知识产权，成为迫切 需要解决的问题。 传统的加密方法是防止信息窃取的重要手段【2 】。然而遗憾的是，加密技术只 能保护传输中的内容，而内容一旦被解密就不再有保护的作用了。同时随着c p u 计算速度的飞速发展以及通过网络连接分摊计算复杂度达到并行计算( p a r a l l e l c o m p u t i n g ) 能力的破解技术的日益成熟，即使是d e s 、r s a 这些加密系统，其 安全性都受到了强大的挑战1 3 7 j 。 为了解决数字媒体的信息安全问题，人们急切需要一种对密码学进行补充 的技术，它应该可以在加密内容被解密后仍能继续保护内容。这时，新型有效 的数字媒体保护技术数字水( w a t e r m a r k ) 产生了。它利用人类听觉、视觉 系统的特点，在图像、音频、视频等数字化内容中嵌入不明显的记号，使肉眼 很难分辨得出嵌入水印后数据和原始数据的区别，而通过专门的检验步骤又能 提取出所嵌入的信息。水印与原数据紧密结合并隐藏在其中，成为不可分离的 一部分。数字水印的目的不在于限制或控制数据的获取，而是可提取的嵌入在 数字信息中，用来确认所有权和跟踪侵权行为。 经过十多年的研究和发展，基于图像的数字水印技术已经相对成熟，并取 武汉理工大学硕士学位论文 得了不少先进的研究成果，同时各大公司积极参与该技术的研究，也推出了一 些实用产品。但是，基于视频载体信号的水印方案目前相对较少，原因是其算 法的设计和实现的难度都较大。一方面，因为数字图像水印技术只是利用了视 觉空间掩蔽效应的成梨引，而视频水印，由于包括时间掩蔽效应特性在内的更为 精确的人眼视觉系统( h v s ) 模型【9 一o 】尚未完全建立，以及视频本身不同于图像的 诸多特性，使得视频水印技术相对于数字图像水印技术发展滞后，同时现有的 视频编码标准如m p e g 4 和最新的h 2 6 4 a v c 等又造成已有水印技术引入上的 局限性；另一方面，由于一些针对视频水印所特有的攻击形式( 如重量化编码、帧 编辑等) 的出现，为视频水印提出了一些区别于静止图像水印的独特要求。但是， 随着多媒体技术的发展及计算机处理视频数据能力的不断提高，人们对影视产 品的版权保护意识越来越迫切，因而视频水印技术已引起工业界的浓厚兴趣， 并日益成为国际上非常活跃的研究领域。 h 2 6 4 是由i t u t 和i s o i e c 的联合开发组共同开发的最新国际视频编码标 准。通过该标准，在同等图象质量下的压缩效率比以前的标准提高了2 倍以上， h 2 6 4 是目前最佳的视频编码标准【1 1 1 ，它作为一种新的视频压缩标准，在互联网 和无线网络中的应用越来越多，提出针对h 2 6 4 编码标准的视频水印方案具有广 泛的实际意义。 1 2 相关研究领域发展现状 1 2 1 数字水印研究现状 数字水印技术首次被使用是在1 9 5 4 年m u z a k 公司的e m i lh e m b r o o k e 申请 的名为“i d e n t i f i c a t i o no fs o u n da n dl i k es i g n a l s 的专利中【l2 。直到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 一文中才首次使用了“w a t e rm a r k 这一术语【l ”。这一命名标志着数字水印技术作为- - i 1 正式学科的诞生。后来， 这篇文章被整理为“ad i g i t a lw a t e r m a r k 在1 9 9 4 年的i c i p 上发表。 经过十多年的发展，数字水印作为一个新兴的研究领域，横跨了计算机学、 密码学、信息学、图像处理等多门学科，而水印的应用已经从最初的图像扩展 到如今的音频、视频、数据库等，很好地弥补了传统密码学的不足。数字水印 利用人类听觉、视觉系统的特点，在图像、音频、视频等数字化内容中嵌入不 明显的记号，使感官上很难分辨出嵌水印后资料和原始资料的区别，而通过一 2 武汉理工大学硕士学位论文 定的算法能提取或检测出嵌入的信息。数字水印的目的不在于限制或控制数据 的获取，而是确保能够被正确地检测或提取出来，从而确认所有权和跟踪侵权 行为。水印技术因为其广阔的应用前景得到迅猛发展，其研究方向从最简单的 应用发展到水印认证系统。利用隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等 数字产品中的水印信息，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起 诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整可靠 性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。 在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申 请了数字水印方面的专利。1 9 9 8 年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数 据隐藏的a d 报告。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也 有大学和知名企业，其中包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、 美国陆军研究实验室、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、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士洛 桑联邦工学院、西班牙v i g o 大学、i b m 公司w a t s o n 研究中心、微软公司剑桥 研究院、朗讯公司贝尔实验室、c a 公司、s o n y 公司、n e c 研究所以及荷兰菲 利浦公司等。视频水印技术主要应用于d v d 版权保护和v o d 系统管理，它具 有广阔的应用前景。世界各国的研究机构对此高度重视，如普林斯顿i n g e m a r j c o x 等人领导的n e c 研究机构m e cr e s e a r e hi n s t i t u t e ，p r i n c e t o n ) 1 4 5 1 ，德国 f r a n kh a r t u n g 所在的爱立信研究小组【1 6 】，i b mt j 研究中心的林清泳【1 7 】，t e x a s a & mu n i v e r s i t y 的d e e p ak u n d u r t 堪j ，美国p u r d u eu n i v e r s i t y 的r a y m o n d b w o l f g a n g l l w ，还有m i t ，i n t e l 公司等许多机构都在这一领域做了一定的研究 工作。 中国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科 研机构投入到这一领域的研究中来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的 研究和应用，1 9 9 9 年1 2 月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡 吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨 会。2 0 0 0 年1 月，由国家“8 6 3 智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家 重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家自然科学基金委员会、 国家信息安全测评认证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大学、清 华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、浙江大学、北京大学、北 京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究人 武汉理工大学硕士学位论文 员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。从这次会议反应 的情况上看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特 的研究思路。 然而，视频水印的研究深度和广度远远不够，更没有完全成熟的技术或产 品问世。因此，随着数字化产品的普及和网络应用的进一步推广，我国应该抓 紧研究数字视频水印技术，并以此为基础，结合密码算法、密码协议、密钥管 理方面的研究，实现一个完整的版权保护系统，以建立和完善现有的版权保护 机制，增强人们的版权保护意识。 1 2 2 典型视频水印算法分析 自从1 9 9 7 年h a r t u n g 等【2 0 】提出一种利用扩频思想在原始视频中嵌入水印的 算法以来，各国学者在视频水印处理算法这一领域展开了深入而细致的研究。 经过近十来年的研究发展，各种视频水印算法层出不穷，然而，纵观视频水印 的发展历史，多数视频水印算法都是在几种经典算法基础上的改进和发展，因 为这些经典算法为视频水印技术提出了基本的理论框架和思考的出发点。为了 对前人的研究工作有更深刻地理解，并为本文进一步的工作打下基础，对这些 典型算法的分析和总结是十分必要的。本文按照水印技术与视频编解码系统的 结合方式进行讨论，即基于原始视频的水印算法和基于压缩视频的水印算法。 1 2 2 1 基于原始视频的水印算法 空间域水印的一个简单实现是最低有效位( l s b ) 方法。其中，著名的 s c h y n d e l 算法【l3 】阐明了一些关于水印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法( 相 关性检测方法) ，此算法首先用一个密钥控制m 一序列( m a x i m u m 1 e n g t hr a n d o m s e q u e n c e ) 发生器来产生水印信号，然后此水印信号被重新排列成二维信号的形 式，并按像素点逐一嵌入到原始图像像素值的最低位。由于水印被安排在最低 位，它可以轻易地被移去，因此是不稳健的。而这种特性正符合了脆弱水印的 要求，于是，y e u n g 和m i n t z e r 2 1 】借鉴了l s b 算法提出用二值图像作为水印嵌入， 根据提取的水印图像是否完整来判断原图像是否被篡改。 在文献1 2 2 j 中，w a l t o n 将所有像素值中的高7 位的校验和作为水印信息。 这种求校验和的算法实质上是一种特殊的h a s h 函数，在该算法中，每一个字由 8 个部分构成，每个部分又是由像素值的高7 位组成。根据校验和，在图像中随 机选取固定数目的像素，将每个像素值的最低位l s b 用校验和中对应的一比特 4 武汉理工大学硕士学位论文 替换完成水印嵌入。认证时，只需检测图像的校验和与提取的水印信息是否一 致即可。但校验和无法检测像素之间的交换，篡改者可以通过替换图像l s b 平 面来移除水印信息。 k a l l e r 等【2 3 j 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。这里也利用了扩频的基本思想，水印是一个加性噪音。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 二高通过滤器过滤并取绝对值。水印检测 时，为了提高检测效果，对含水印的图像进行了匹配滤波，去除像素间的相关 性，再计算水印信号与滤波后图像的相关值。 z h uw e n w u 等1 2 4 j 人提出了一种基于小波域的多分辨率视频水印算法。其利 用小波变换逐帧对视频信号进行多分辨率分解，对不同分辨率的信号分别利用 空间域掩蔽效应、频率域掩蔽效应以及时间域特性动态地嵌入水印信息，以增 强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。 1 2 2 2 基于压缩视频的水印算法 l a n g e l a a r 等【2 5 j 提出了一种有选择地丢弃部分d c t 高频a c 系数来嵌入水印 的方法，并称其为差分能量水印( d e w ，d i f f e r e n t i a le n e r g yw a t e r m a r k i n g ) 算法， 被认为是压缩视频水印的经典算法。但是，d e w 水印算法适用于高比特码率视 频( 4 m b s ) 应用，因为高比特码率视频较低比特具有更多的利于水印嵌入的非零 d c t 系数。 j o r d a n 等【2 6 j 在一份m p e g 4 提案中提出了一种直接针对m p e g 4 编码视频 流的水印方法，通过修改运动矢量来嵌入信息。这就是经典的j o r d a n 模2 法。 在j o r d a n 算法的基础上，一些学者提出了一系列的改进方案【2 7 。2 9 1 ，在提高了嵌 入强度的同时对视频帧图像质量的降低几乎可以忽略不计。在他们的方案中有 两点嵌入策略约束：一是仅在幅值大于预先指定阈值的运动矢量中进行水印嵌 入：二是水印嵌入的位置( 水平或垂直分量) 应该由运动矢量的相角来决定。 在现有的实时视频水印算法中，d c t 域水印【3 0 3 1 】和运动矢量水印，由于较 低的复杂性以及与编码标准良好的兼容性，得到了深入的研究。尽管如此，每 种方案都有它自身的优点和缺点。在自适应嵌入长度的情况下，d c t 域水印通 过修改d c t 系数来嵌入水印，其对比特率转码变换和滤波等普通攻击具有鲁棒 性：在运动矢量中嵌入水印对滤波等普通攻击表现很脆弱，可用于视频认证水印 的设计。然而，以前大多数方法都着眼于m p e g 视频高比特率的应用，应用于 武汉理工大学硕士学位论文 h 2 6 4 a v c 低比特率视频流将受到限制，因为4 x 4 的残差变换系数几乎都为零， 从而限制了水印嵌入的容量。 自h 2 6 4 a v c 标准提出以来，国内外学者就开始了h 2 6 4 a v c 视频水印技 术的研究。新加坡南洋n - r 大学的j z h a n g 和a t s h o 等【3 2 3 3 1 在这方面作了较 早的研究探索工作。l i uq u a n 和l i uh o n g 3 4 】提出了一种基于h 2 6 4 标准的鲁棒 视频水印算法，该算法根据4 x 4 d c t 块直流系数d c 的特点生成水印信息 彬= ( 只m o d 2 ) ( mm o d 2 ) ，其中只为随机序列，m 为第f 块d c t 直流系数 d c ，然后将加密后的水印信息嵌入到4 x 4 d c t 块的中频带交流系数中，该算法 设计巧妙，检测水印时不需要原始视频数据，且鲁棒性较高，能满足实时性要 求。但是应该看到，基于h 2 6 4 压缩标准的视频水印算法并不多，还有很大的探 讨空间。 1 2 3 当前研究存在的问题 由于数字视频在多媒体产品中占有很大的比重，选取数字视频水印作为研 究对象，具有较强的现实意义。 视频数字水印仍然是一个未成熟的研究领域，还有许多问题需要解决，其 理论基础依然非常薄弱，大多数水印算法还是经验性的。由于包括时间掩蔽效 应特性在内的更为精确的人眼视觉系统( h v s ) 模型尚未完全建立，以及视频本 身不同于图像的诸多特性，使得视频水印技术相对于数字图像水印技术发展滞 后。当前，数字视频水印虽然取得了一些进展，但也存在着一些问题，主要体 现在以下几个方面： ( 1 ) 数字视频水印算法的解决方案较少。同时现有的视频编码标准如 m p e g - 4 和最新的h 2 6 4 a v c 等又造成已有水印技术引入上的局限性。基于 h 2 6 4 压缩标准的视频水印方案并不多。 ( 2 ) 基于d c t 系数和运动矢量的视频水印算法研究文献较多，但存在着 这样或那样的不足。如：有些算法存在着鲁棒性较强但检测不是盲水印检测， 或者不可感知性好但鲁棒性不强等不足，其研究还有进一步的必要。为使水印 在不可见性和鲁棒性之间取得较好的折中，本文水印算法的设计充分考虑了水 印的嵌入容量、嵌入位置和嵌入强度。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容和组织结构 本文在研究h 2 6 4 视频编解码关键技术的基础上，分析和总结视频水印技术 及先前的多种视频水印算法，特别针对h 2 6 4 数字视频的版权保护，提出了二个 基于h 2 6 4 低比特率视频码流的鲁棒盲水印方案。最后，利用j m 8 6 软件模型和 v i s u a lc + + 、m a t l a b 开发工具，搭建系统仿真平台，实现水印的生成、嵌入、提 取以及性能评估等功能，并对实现结果进行分析和总结。 全文的结构安排如下： 第一章：阐述了课题的研究背景，概述了水印技术的发展历史及研究现状。 重点研究了几种传统的视频水印算法。 第二章：简单地介绍了h 2 6 4 标准的概念及新型特性，系统地分析了h 2 6 4 编解码架构，并就编解码过程中预测、变换、量化、熵编码等关键技术进 行了较详细的分析和研究。在此基础上提出一种基于h 2 6 4 标准的鲁棒视频水印 方案，该方案将置乱后的水印嵌入到i 帧背景亮度较高纹理较复杂的亮度d c t 块量化d c 系数中。 第三章：系统地分析了h 2 6 4 关键技术：运动补偿、远动矢量、m v 预测，在 此基础上提出一种基于运动矢量的h 2 6 4 视频水印算法，该算法将置乱后的水印 嵌入到p 帧幅值较大的运动矢量中，通过改变水平分量和垂直分量的奇偶相关 性而达到水印嵌入的目的。 第四章：对本文提出的二个算法进行了仿真并对结果进行了详细的分析总 厶士 - - i z lo 第五章：对全文进行了总结，并对未来研究方向进行了展望。 最后是参考文献、致谢和攻读硕士学位期间发表的论文。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于d c t 系数的鲁棒视频水印算法 2 1 引言 h 2 6 4 是目前最佳的视频编码标型3 5 】它作为一种新的视频压缩标准，在互联 网和无线网络中的应用越来越多，提出针对h 2 6 4 编码标准的视频水印方案具有 广泛的实际意义。h 2 6 4 标准的主导思想是与现有的视频编解码标准一致的 基于块的混合编码方法。但是它同时运用了大量不同的技术，使得其视频编码 性能远远优于任何其他标准。h 2 6 4 标准采用了与已经制定的视频编码标准( 如 h 2 6 3 和m p e g 4 ) 相类似的一些编解码方法，所以基于h 2 6 4 视频水印方案的 设计可以借鉴已有的视频水印方案，但需要结合h 2 6 4 自身的特点设计。 已提出的h 2 6 4 视频水印算法主要在d c t 域上进行。文献【3 6 j 提出了一个混 合水印方案。将鲁棒水印嵌入到帧内编码图像( i 帧图像) d c t 的对角线系数中， 将弱水印嵌入到运动向量上，用于实现版权保护和认证的双重功能。文献p7 j 改 进了该算法，嵌入水印时引入自适应量化因子，提高了水印的不可见性和抗攻 击能力，但该算法要求水印位置的系数幅值足够大以抵抗压缩攻击。文献1 3 别提 出了一种在h 2 6 4 压缩视频中嵌入灰度图像的水印算法，水印嵌入实际上是通过 修改4 4 d c t 对角线系数的符号来实现的，该算法具有一定的鲁棒性。 本文根据h 2 6 4 标准的d c t 系数特点，总结以上算法提出了一种新的基于 h 2 6 4 标准的视频水印算法。首先将二值水印图像进行a r n o l d 置乱，提高水印 鲁棒性，然后选择背景亮度高，纹理复杂的宏块作为嵌入水印块，通过修改该 块的1 6 个4 4 亮度d c t 直流系数的最低有效位达到嵌入水印的目的。 2 2 涉及本算法的h 2 6 4 相关技术分析 2 2 1h 2 6 4 a v c 编解码器 h 2 6 4 并不明确地规定一个编解码器如何实现，而是规定了一个编了码的视 频比特流的句法，和该比特流的解码方法，各个厂商的编码器和解码器在此框 架下应能够互通，在实现上具有较大灵活性，而且有利于相互竞争。 8 武汉理t 大学硕士学位论文 h 2 6 4 编码器和解码器【3 9 】的功能组成分别见图2 一l ，2 2 。 f n 弋nd 1 叫q x 迥 当前 厂 t l重排序 一 f n 1 一。 参考 蠼剁翠内 ，p f 、 f 。i 滤l + ? n t - ih 卜- q 1 卜一 厂 l 重建 1 。一 波 、 l l f 一、 图2 1h 2 6 4 编码器 图2 2h 2 6 4 解码器 从上述二图可见，h 2 6 4 和基于以前的标准( 如h 2 6 1 、h 2 6 3 、m p e g 1 、 m p e g 4 ) 中的编解码器功能块的组成并没有什么区别，主要的不同在于各功能 块的细节。由于视频内容时刻在变化，有时空间细节很多，有时大面积的平坦。 这种内容的多变性就必须采用相应的自适应的技术措施；由于信道在环境恶劣 下也是多变的，例如互联网，有时畅通，有时不畅，有时阻塞，又如无线网络， 有时发生严重衰落，有时衰耗很小，这就要求采取相应的自适应方法来对抗这 种信道畸变带来的不良影响。这两方面的多变带来了自适应压缩技术的复杂性。 h 2 6 4 就是利用实现的复杂性获得压缩性能的明显改善。由于大规模集成电路技 术和工艺的迅猛进步，今天已完全具备了实现的可能性。 本文对h 2 6 4 编码器、解码器的主要功能进行简单描述，以便对编码器有一 个总的了解。 编码器采用的仍是变换和预测的混合编码法。 9 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 1 ，输入的帧或场f n 以宏块为单位被编码器处理。首先，按帧内或 帧间预测编码的方法进行处理。 如果采用帧内预测编码，其预测值p r e d ( 图中用p 表示) 是由当前片中前 面已编码的参考图像经运动补偿( m c ) 后得出，其中参考图像用f n 1 表示。 为了提高预测精度，从而提高压缩比，实际的参考图像可在过去或未来( 指显 示次序上) 已编码解码重建和滤波的帧中进行选择。 预测值p r e d 和当前块相减后，产生一个残差块d n ，经块变换、量化后产 生一组量化后的变换系数x ，再经熵编码，与解码所需的一些边信息( 如预测模 式量化参数、运动矢量等) 一起组成一个压缩后的码流，经n a l ( 网络自适应 层) 供传输和存储用。 正如上述，为了提供进一步预测用的参考图像，编码器必须有重建图像的 功能。因此必须使残差图像经反量化、反变换后得到的d n 与预测值p 相加，得 到u f n ( 未经滤波的帧) 。为了去除编码解码环路中产生的噪声，为了提高参考 帧的图像质量，从而提高压缩图像性能，设置了一个环路滤波器，滤波后的输 出f n 即重建图像可用作参考图像。 由图2 1 可知，由编码器的n a l 输出一个压缩后的h 2 6 4 压缩比特流。由 图2 2 ，经熵解码得到量化后的一组变换系数x ，再经反量化、反变换，得到残 差d n 。利用从该比特流中解码出的头信息，解码器就产生一个预测块p r e d ， 它和编码器中的原始p r e d 是相同的。当该解码器产生的p r e d 与残差d n 相加 后，就产生u f u ，再经滤波后，最后就得到滤波后的f n ，这个f n 就是最后的 解码输出图像。 2 2 2 帧内预测 在帧内预测模式中，预测块p 是基于已编码重建块和当前块形成的。对亮 度像素而言，p 块用于4 x 4 子块或者1 6 x 1 6 宏块的相关操作。4 x 4 亮度子块有9 种可选预测模式，独立预测每一个4 x 4 亮度子块，适用于带有大量细节的图像 编码；1 6 x 1 6 亮度块有4 种预测模式，预测整个1 6 x 1 6 亮度块，适用于平坦区域 图像编码；色度块也有4 种预测模式，类似于1 6 x 1 6 亮度块预测模式。编码器 通常选择使p 块和编码块之间差异最小的预测模式。 此外，还有一种帧内编码模式称为ip c m 编码模式。该模式下，编码器直 接传输图像像素值，而不经过预测和变换。在一些特殊的情况下，特别是图像 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 内容不规则或者量化参数非常低时该模式比起“常规操作”( 帧内预测一变换一量 化熵编码) 效率更高。ip c m 模式用于以下目的： ( 1 ) 允许编码器精确的表示像素值 ( 2 ) 提供表示不规则图像内容的准确值，而不引起重大的数据量增加。 ( 3 ) 严格限制宏块解码比特数，但不损害编码效率。 在以往h 2 6 3 + 、m p e g 4 等视频压缩编码标准中，帧内编码被引入变换域。 h 2 6 4 帧内编码则参考预测块左方或者上方的已编码块的邻近像素点，被引入空 间域。但是，如果参考预测块是帧间编码宏块，该预测会因参考块的运动补偿 引起误码扩散。所以，参考块通常选取帧内编码的邻近块。 2 2 3 整数d c t 变换与量化 为了进一步节省图像传输码率，需要对图像信号进行压缩，一般方法为去 除图像信号中的相关性及减小图像编码的动态范围，通常采用变换编码及量化。 变换编码将图像时域信号变换成频域信号，在频域中图像信号能量大部分集中 在低频区域，相对时域信号，码率有较大的下降。h 2 6 4 对图像或预测残差采用 了4 x 4 整数离散余弦变换技术，避免了以往标准中使用的通用8 x 8 离散余弦变 换逆变换经常出现的失配问题。量化过程根据图像的动态范围大小确定量化参 数，既保留图像必要的细节，又减少码流。 一维n 点离散余弦余弦变换( d c t ) 可以表示为： y t ：g 艺x nc o s 百( 2 n + 1 ) k n ( 2 1 ) n=0厶v 其中，x n 是输入时域序列中第1 1 项，y k 是输出频域序列中第k 项，系数c k 定义 如下： 印僬 k = 0 k = 1 , 2 ，n 一1 ( 2 2 ) 每个d c t 系数y k 确定信号x n 在相应频率点上的贡献。最低的系数( 即k = o ) 为d c 系数，代表信号的平均值，也称为直流分量。其它系数称为a c 系数，与 递增的较高频率相联系。 一维n 点离散余弦逆变换( i d c t ) 可以表示为： 武汉理工大学硕士学位论文 x：n n - i ( 2 n + 1 ) k z r c k y kc o s 2 汹面l i 一七= o v ( 2 3 ) 二维n x n 图像块的d c t 可以理解为先对图像块的每行进行一维d c t ，然 后对经行变换的块的每列再应用一维d c t 。可以表示为： l 。：c 。c 。y n - iy n - ix ，c o s ( 2 j + 1 ) n n l 一= c 肼g 1 = 0 j = 0 c 。s 百 厶 (2i+1)metcos( 2 一- 4 - ) l) 2 善n - ic 。s 骂笋c o s 产 协5 ， 其中，是图像块x 中第i 行第j 列图像或残差值， 应频率点上的d c t 系数。可以用矩阵表示： y = a x a t x = a t y a 其中n x n 变换矩阵a 中的系数： 是变换结果矩阵y 相 ( 2 6 ) ( 2 7 ) a g = c j c o s 坚学 ( 2 - 8 ) h 2 6 4 对4 x 4 的图像块( 亮度块或c r 、c b 色度块) 进行操作，则相应的4 x 4 d c t 变换矩阵a 为： a = 一1c o s ( 0 )一c o s i u l 2 、7 圭c 。s c 、i c o s i ) 加s c 争 扣c 争 1 2 扣c 、j c o s i ) i 1c o s ( o ) i c o s 【w 加s c 争i s i 扣c 争、j s i 扣c 争 1 2 扣c 争 一三 ，。2 一三c 似一、j c o s 虿) i 1c o s ( 0 ) 一c o s l u ) 2 、7 扣c 争 加s c 半， 扣c 争 、虿s 【一 2 1 - 一扣c 争一、j s i ) 1 2 三c o s i i u ll 2 l 胁i1 。c 争v i 胁i - , c 剖v 加c 剖、i s 丁l