（通信与信息系统专业论文）内嵌于mpeg2解码器的视频水印系统的研究与实现.pdf

摘要 内嵌于m p e g 2 解码器的视频水印系统 的研究与实现 专业：通信与信息系统 姓名：庄永锋 导师：刘红梅副教授、黄继武教授 摘要 随着数字电视的普及，高清的数字电视节目进入了千家万户，然而，这个技 术在给用户带来高清视频的同时，也给节目版权带来了新的问题：用户可以非常 简单地非法录制和分发解扰后的数字电视节目。数字节目版权的保护问题已经成 为当前迫切需要解决的问题之一。目前，数字电视版权保护方案主要集中在视频 的编码端以及视频的传输过程，在视频的解码端实现的视频水印方案很少而且普 遍存在明显的缺陷。 针对这些问题，本文对内嵌于m p e g 2 解码器的视频水印技术及其系统进行 了深入的研究。论文的主要工作如下： l 、设计并实现一种可工作于数字电视广播系统用户端的视频水印方案。该 方案可利用用户信息生成相关水印，实现盗版追踪的功能。该方案在视频的i 帧 和非l 帧嵌入相同的水印。当i 帧丢失时，非l 帧被编码为新的i 帧，系统仍然 可以从新的l 帧中提取水印，从而提高了系统抵抗帧删除、帧交换等攻击的鲁棒 性。该系统内嵌于官方m p e g 2 解码器，可较为方便地替代数字机顶盒等产品中 的解码器。 2 、采用已有的直流差分能量算法，在解码器解码m p e g 2 视频流的过程中 实现了数字水印在视频l 帧和非i 帧的嵌入。本文进行了仿真实验，实验结果表 明，采用数字水印技术对数字节目版权进行保护是一个行之有效的方法。 中山大学硕士学位论文 3 、定义了供水印嵌入、提取函数读写的数据接口。本系统将m p e g 2 编码 流解码过程中产生的各种可用于水印嵌入的数据进行封装，为水印嵌入、提取函 数提供数据读写接口，使得该系统能够兼容多种优秀的视频水印算法，从而提高 了系统的性能。 关键词：m p e g 2 标准，视频水印，i ) c t 变换，鲁棒性，不可见性 a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fv i d e ow a t e r m a r k i n g s y s t e me m b e d d i n g i nm p e g - 2d e c o d e r m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ： z h u a n g y o n g f e n g s u p e r v i s o r s ： a s s o c i a t ep r o f l i uh o n g m e i ，p r o f h u a n gj i w u a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i t yo fd i g i t a lt e l e v i s i o n ，h i g h - d e f i n i t i o nd i g i t a lt vp r o g r a m s e n t e rt e n so f t h o u s a n d so f h o u s e h o l d s t h i st e c h n o l o g yb r i n g su sh i g h d e f i n i t i o nv i d e o ， b u ta l s ob r i n g su sn e wp r o b l e m sf o rt h ed i g i t a lt vp r o g r a mc o p y r i g h tp r o t e c t i o n ： u s e r sc a ni l l e g a l l ya n de a s i l yr e c o r da n dd i s t r i b u t e d i g i t a lt vp r o g r a m sa t t e r d e s c r a m b l i n gt h ep r o g r a m t h ep r o t e c t i o no fd i g i t a lt vp r o g r a mc o p y r i g h th a s b e c o m eo n eo ft h eu r g e n tp r o b l e m sc u r r e n t l y a tp r e s e n t , c o p y r i g h tp r o t e c t i o n s c h e m e so fd i g i t a lt vp r o g r a m sm a i n l yf o c u so nt h ee n do ft h ev i d e oe n c o d i n ga n d t h et r a n s f e rp r o c e s s v i d e ow a t e r m a r ks c h e m e sb a s e do nv i d e od e c o d e ra r ev e r yf e w , a n dm o s to ft h e mw i t ho b v i o u sd e f i c i e n c i e s a c c o r d i n g l y , i nt h i st h e s i s , w ef o c u so i lt h es t u d yo ft h ev i d e ow a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g ya n di t ss y s t e me m b e d d i n gi nm p e g - 2d e c o d e r t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r ea sf o i l o w s ： 1 t op r o p o s a lav i d e ow a t e r m a r k i n gs y s t e ms c h e m ew o r k i n gi nt h ec l i e n to f d i g i t a lt vb r o a d c a s t i n gs y s t e m t h es y s t e mc a ng e n e r a t ew a t e r m a r kb a s e do nu s e r s i n f o r m a t i o n ，a n da c h i e v et h ef u n c t i o no fp i r a c yt r a c k i n g i nt h i ss c h e m e ，w ee m b e d w a t e r m a r ki nt h ei f r a m ea n dn o n - i - f r a m eo ft h ev i d e o w h e na nl f r a m ew a si o s t , a n o n i f r a m ew i l lb ee n c o d e di n t oan e wl - f r a m e ，t h es y s t e mc a l ls t i l le x t r a c tt h e w a t e r m a r kf r o mt h en e wl - f r a m e s oa st oe n h a n c et h er o b u s t n e s st ot e m p o r a la t t a c k s li k ef r a m ed e l e t i o n ，f r a m ee x c h a n g ee t c t h es y s t e mi se m b e d d e di nt h eo f f i c i a l m p e g - 2d e c o d e ra n dc a ne a s i l ys u b s t i t u t ef o rd e c o d e r so fp r o d u c t ss u c ha sd i g i t a l s e t t o pb o x 2 t oa d o p ta l le x i s t i n gd cd i f f e r e n t i a le n e r g ya l g o r i t h mt oe m b e dd i g i t a l w a t e r m a r ki nv i d e o si - f r a m ea n dn o n i - f r a m ed u r i n gt h ed e c o d i n gp r o c e s so f 中山大学硕士学位论文 m p e g 2v i d e os t r e a m s f i n a l l y , w ec a r r i e do u tas i m u l a t i o ne x p e r i m e n t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eu s eo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sa l le f f e c t i v ew a y t or e a l i z et h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i g i t a l1 3 p r o g r a m s 3 t op r o v i d ead a t ai n t e r f a c ef o rw a t e r m a r ke m b e d d i n ga n de x t r a c t i n gf u n c t i o n t or e a da n dw r i t e t h i ss y s t e mp a c k a g e sd a t at h a tw a sg e n e r a t e di nt h em p e g - 2v i d e o d e c o d i n gp r o c e s sa n dc o u l db eu s e df o rw a t e r m a r ke m b e d d i n g , t h e np r o v i d e sa r e a d a b l ea n dw r i t e a b l ei n t e r f a c ef o rw a t e r m a r ke m b e d d i n ga n de x t r a c t i n gf u n c t i o n ，5 0 a st om a k et h es y s t e mc o m p a t i b l ew i t hm o r ee x c e l l e n tv i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m k e yw o r d s ： m p e g - 2 ，v i d e ow a t e r m a r k i n g ，d c tt r a n s f o n n 。r o b u s t n e s s ， 插图 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 - 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 - 8 图4 9 图5 - l 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 - 7 图5 8 图5 - 9 插图 数字水印的嵌入模型7 数字水印的提取模型7 视频水印模型及其方案1 7 1 。1 0 d e w 算法流程i 巧l l3 典型的数字节目非法录制过程。1 6 数字电视节目的版权保护方案。l7 系统流程图18 m p e g 2 视频编解码基本过程1 9 m p e g 2 视频分层结构。2 0 i 、p 、b 类型图像关系。2 l m p e g - 2 典型编码器结构。2 3 内部宏块的编码过程2 4 m p e g - 2 视频压缩序列比特流。2 4 m p e g 2 视频图像数据的简化解码过程2 6 z i g z a g 扫描模板与交替扫描模板2 6 修改后的解码器程序流程简图2 8 正常情况下正确提取水印的场景2 9 受攻击后无法争取提取水印的场景2 9 改进的方案成功抵御帧删除攻击的场景3 0 m p e g 2 图像的像条结构3 l p 帧水印嵌入过程等效图3 l d c d e w 算法直流能量差分的计掣引。3 3 水印嵌入流程3 4 原m p e g 2 解码器i 帧解码函数流程简图。3 7 修改后的m p e g 2 解码器i 帧解码函数流程简图。3 8 原m p e g 2 解码器非l 帧解码函数流程简图3 9 修改后的m p e g 2 解码器非i 帧解码函数流程简图3 9 d ( 可e n c o d e 函数流程图。4 0 d c td e c o d e 函数流程图4 0 i 帧中的数据接口示意图4 l 系统启动界面4 3 水印嵌入批处理文件一4 3 水印嵌入程序运行界面4 4 水印提取程序运行界面4 4 水印信息保存文档4 4 原始视频与嵌入水印后视频比较4 6 帧删除攻击下的水印提取正确率4 9 帧插入攻击下的水印提取正确率4 9 帧交换攻击下的水印提取正确率5 0 v n 表格 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 - 5 表4 1 表5 1 表5 - 2 表5 3 表s 4 表格 m p e g 2 图像类型1 4 视频数据的层次结构。2 0 不同色差宏块的组成2 2 序列头的主要参数信息2 5 c h r o m af o r m a t 的含义2 5 p i c t u r e _ c o d i n g _ t y p e 信息的说明2 5 本系统提供的数据接口4 2 实验对象属性4 5 水印嵌入前后序列中前8 帧每一帧的p s n r 值。4 7 各序列的p s n r 平均值4 7 码率转换编码后的水印提取结果。4 8 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 弘蟹 聃们 吣加 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量拷贝并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 醐：7 引朋日 导师签名：剀和彩 日期：0 2 加7 年朋, 1 1 日 第一章绪论 第1 章绪论 随着广播电视数字化的发展，数字电视节目版权的保护问题日益突出如何 应用数字视频水印技术对多媒体数字版权进行保护，是多媒体信息安全的一个新 的研究热点，这也正是本文的研究重点本章中，主要叙述了本文的选题背景和 研究意义，并简单概括了本文的主要工作及章节内容安排 1 1 论文选题背景及研究意义 作为二十世纪最伟大的发明之一，电视技术的发展经历了由黑白到彩色，由 无线到有线，由模拟到数字的变革。由于数字电视在电视信号的处理、传输、发 射和接受的过程中都采用数字信号，技术完善，而且在数据服务、交互业务上都 具有无可比拟的优势，逐渐成为电视发展的主流。 2 0 0 4 年，根据我国的基本国情，国家广电总局确立了广播电视数字化发展 。三步走”的战略：第一步是有线电视数字化，推进有线数字电视；第二步，2 0 0 5 年开展数字卫星直播业务，同时开始地面数字电视试验；第三步，2 0 0 8 年利用 北京奥运会广播电视转播之机，全面推广地面数字电视。在全面完成三个发展阶 段之后，通过有线、卫星、无线三种方式实现对全国的覆盖，到2 0 1 5 年，将停 止播出模拟电视节目。 2 0 0 6 年，国务院颁布的“十一五”规划中提出数字电视产业是“十一五” 期间信息产业结构调整和升级的重点领域，要建设覆盖全国的数字电视网。按照 规划，预计在2 0 1 5 年能顺利完成广播电视数字化的转换，未来3 至5 年是我国 数字电视发展的关键时期。 目前，我国广播影视节目的制作、播出以及卫星、有线传输已经全面实现数 字化，地面电视基本实现数字化，高清的数字电视节目跟着数字机顶盒一起进入 了千家万户。这个技术在给用户带来高清视频的同时，也给数字电视节目的版权 保护带来了新的问题。由于数字视频可以被无失真地复制，因此，用户可以轻易 获得高质量的非法视频节目并通过网络分发非法拷贝。数字节目版权的保护问题 已经成为当前迫切需要解决的问题之一【l j 。 中山大学硕士学位论文 传统的数字电视系统，已经可以在数据传输环节对节目进行保护，但是数据 被用户合法解码并播放后，仍然存在非法复制的可能。因此，有必要在传统数字 电视系统的基础上引入新的版权保护技术，以更好地保护数字电视节目的版权。 数字水印技术是近几年才发展起来的信息隐藏学的分支。最早提出数字水印 技术的概念就是为了进行多媒体数据的版权保护。数字水印技术用于版权保护的 原理如下【2 】：数字媒体所有者使用密钥生成水印，将其嵌入原始载体对象中，然 后公开发布带有水印的数字媒体。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可 以使用密钥，从盗版作品或水印作品中提取水印信号作为依据，从而表明对作品 内容的所有权，保护自己的权益。数字水印技术由于自身的特点在解决数字媒体 保护等问题时具有很好的效果。 为了便于在一定带宽上的传输，数字节目常常是以压缩形式存在的。国际上 已经制定的视频压缩标准有m 】p e g 1 、m p e g - 2 、m p e g - 4 、h 2 6 t 、h 2 6 3 和h 2 6 4 等，但在广播电视行业内，使用最为广泛的是m p e g 2 标准【扪。我国数字电视卫 星传输标准和有线电视传输标准都采用m p e g 2 压缩标准编码。在我冒，使用 m p e g 2 标准的广播电视卫星上的视频编解码器、有限电视终端的数字机顶盒已 经占领了广播电视领域绝大多数的市场份额。， 目前，我国数字电视节目版权保护方案多数都是在数字电视广播系统的服务 器端对视频进行编码的过程中将带有版权信息白咻印嵌入到视频中的。这种方法 取得了一定的效果，视频被非法录制并传播后，版权信息仍不丢失。但是，该方 案只能嵌入视频节目的版权信息而无法嵌入用户的信息。当发现非法视频时，通 过水印只能确认视频版权，而无法对非法拷贝者进行追踪。如果水印的嵌入能够 在数字电视广播系统的用户端进行，便可利用用户信息生成相关水印，从而实现 盗版追踪的功能。 因此，研究内嵌于m p e g 2 解码器的视频水印技术及其系统，在数字电视广 播系统的用户端实现水印的嵌入，具有非常重要的现实意义和应用价值。 1 2 论文的主要工作 本文在分析了数字电视节目版权保护的需求和研究现状的基础上提出了一 种内嵌于m p e g 2 解码器的视频水印方案，并通过修改官方m p e g 2 解码器， 2 第一章绪论 实现了水印在m p e g 2 码流解码过程中的嵌入。该系统运行于用户端，可利用用 户信息生成相关水印并与版权信息一起嵌入到电视节目中，从而实现版权保护和 盗版追踪。该系统内嵌于官方m p e g - 2 解码器，可较为方便地替代数字机顶盒等 产品中的解码器。 论文的主要工作如下： l 、设计并实现一种可工作于数字电视广播系统用户端的视频水印方案。该 方案中，水印的嵌入在视频的i 帧和非i 帧进行，水印的提取只在i 帧提取。水 印在i 帧嵌入时，通过对编码流进行局部解码，得到i 帧的d ( 了系数，将水印 嵌入。在非l 帧嵌入水印时，首先对帧进行完全解码，得到完整的帧图像后在对 其进行d c t 编码。编码时严格按照m p e g - 2 编码器的像条结构划分像条，确定 宏块顺序，确定量化因子，成功编码并获得完整d c t 系数后，再进行水印嵌入。 最后进行反d c t 变换，输出带有水印的帧图像。当i 帧丢失时，非i 帧被编码 为新的i 帧，系统仍然可以从新的i 帧中提取水印。从而提高了水印方案抵抗帧 删除、帧交换等攻击的鲁棒性。 2 、采用已有的直流差分能量算法，在解码器解码m p e g 视频流的过程中实 现了数字水印的嵌入。该算法采用基于d c 系数的嵌入对策，在i 帧的色度d c 系数上嵌入水印。本系统采用该算法的思想，在视频的l 帧和非l 帧都嵌入相同 的水印，最后进行仿真实验。实验结果表明，采用数字水印技术对数字节目版权 进行保护是一个行之有效的方法。 3 、定义了供水印嵌入、提取函数读写的数据接口。本系统将m p e g 2 编码 流解码过程中产生的各种可用于水印嵌入的数据进行封装，以供水印嵌入、提取 函数读写，使得该系统能够兼容多种优秀的视频水印算法，从而提高了系统的性 能。 1 3 论文的结构安排 本文主要研究基于l 归e g - - 2 标准的压缩域视频水印算法，通过修改i l i p e g - 2 解码 器，设计并实现一种内嵌于m p e 6 - - 2 解码器的视频水印系统。该系统可应用于数字 电视节目的版权保护，具有盗版追踪功能。全文共分6 章： 第l 章绪论。阐述本文选题背景、研究意义及论文的主要工作。 3 中山大学硕士学位论文 第2 章视频水印系统及相关技术的介绍。主要对数字水印技术及其应用、视 频水印技术的特点、视频水印的模型及其代表性算法进行了阐述和分析。 第3 章内嵌于肝e g - 2 解码器的视频水印系统的设计。通过对数字电视节目版 权保护研究现状、m p e g 2 视频编解码过程以及系统设计难点的分析，针对目前现 有方案的不足，提出了一种内嵌于l 【p e g 2 解码器的视频水印系统方案。 第4 章内嵌于肝e g - 2 解码器的视频水印系统的实现。简单介绍一种直流差分 能量水印算法，详细介绍视频水印系统关键技术的实现及数据接口的定义。 第5 章内嵌于艘e g 一2 解码器的视频水印系统的仿真。简单介绍系统的界面及 使用方法，通过仿真实验对系统的性能进行了测试。 第6 章总结。总结了本文的主要研究工作和贡献、存在的不足及其下一步的 研究设想。 4 第2 章视频水印系统及其相关技术 第2 章视频水印系统及其相关技术 本章叙述了数字水印的基本原理，归纳总结了数字水印技术的基本性质，分 类，基本框架及应用，同时介绍了视频水印的特殊性和难点，视频水印的模型， 及典型的视频水印算法 2 1 数字水印技术 2 1 1 数字水印技术概述 数字水印技术是指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，在不影响原内容的价值和使用的情况下，不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的一项技术【4 1 。 根据数字水印系统的目的和用途，一般的数字水印必须满足以下三个基本要 求【5 】： 1 ) 不可感知性( v l s i b i l i t y ) 人的感觉器官( 眼睛、耳朵) 是有缺陷的，对某些信息不敏感，数字水印技 术正是利用这样一种缺陷，使得带有水印的作品与原始作品相比，质量上没有明 显的下降。嵌入的水印在视觉上必须是透明的，不可见的。 2 ) 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 鲁棒性是指水印在受到各种编辑处理操作后，不丢失，仍能被正确检测的能 力。常规操作包括空间滤波、有损压缩、打印和扫描、几何失真等。根据水印系 统用途的不同，要求水印对不同的操作具有不同的鲁棒性。 ( 3 ) 安全性( s e c u r i t y ) 水印的安全性是指水印抵抗恶意攻击的能力。常见的攻击有三种：非法删除、 非法嵌入、非法检测。水印应该能够承受一定程度的攻击。 数字水印的分类方法有很多，常见的分类方法有以下几种【5 1 【6 l ： 1 ) 按水印的感知特性划分 根据水印在感知上的特性，可将水印划分为可见水印和不可见水印。一般研 5 中山大学硕士学位论文 究的都是不可见水印。根据用途的不同，不可见水印又分为鲁棒性水印、脆弱性 水印。鲁棒性水印要求嵌入的水印具有鲁棒性，经过各种常见的编辑修改后仍不 丢失。脆弱性水印则要求嵌入的水印具有敏感性，当作品被编辑修改时，水印的 状态会发生变化。 2 ) 按水印检测过程是否需要原始宿主信号划分 根据水印检测过程是否需要原始数据的参与，可将水印划分为非盲水印、半 盲水印和盲水印。非盲水印的水印提取检测过程需要原始数据和原始水印参与； 半盲水印则不需要原始数据，但需要原始水印来协助检溅：盲水印的检测既不需 要原始数据，也不需要原始水印。 3 ) 按水印隐藏的位置划分 根据水印的隐藏位置的不同，可将水印趔分为时( 空) 域水印和变换域水印。 时( 空) 域水印直接在信号空间上叠加水印信息，而变换域水印则是首先将原始数 据进行信号变换( 例如常见的d c t 、d f t 、d w t 等) ，然后在变换域( d c t 域、d f r 域、d w t 域等) 上叠加水印信息。 4 ) 按水印内容划分 根据水印的内容，可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印 是指水印本身有特定的意义，一般是字符、图像或音视频的编码；无意义水印则 以一个随机序列或随机噪声作为水印内容。 2 1 数字水印系统的框架 尽管数字水印有各种各样的分类，各种各样的形式，在实际应用中，一个完 整的数字水印系统都包括一下三个部分：水印生成、水印嵌入、水印提取 1 、水印的生成 水印的生成通常基于伪随机序列或混沌系统，在密钥的控制下，由特定的信 息或者与原始产品相关的信息生成适合于嵌入到原始产品中的待嵌入水印信号 水印的生成必须配合水印嵌入算法。 2 、水印的嵌入 水印的嵌入过程就是在原始数据上叠加水印信息的过程，如图2 1 所示。 6 第2 章视频水印系统及其相关技术 水印内容含水印数据 图2 - 1 数字水印的嵌入模型 这个过程可以用公式2 1 描述： 以= e ( x o ，w ) ( 2 一1 ) 其中x o = x o ( 七) 为原始数据，矽= w ( 七) ) 为水印信息，以= 以) 则是嵌入水 印后的数据，e ( ) 为嵌入函数，根据算法的不同而不同。 从信号处理的角度看，数字水印的嵌入，可以视为在一个强背景上叠加一个 弱信号。从数字通信的角度看，可以理解为在一个宽带信道上传输一个窄带信号。 水印的嵌入过程中往往要加入用于控制嵌入位置、嵌入强度等参数的密钥，从而 加强水印的安全性。 3 、水印的提取 水印的提取是水印嵌入的逆过程，是从带有水印的数据中提取水印信号。根 据嵌入算法的不同，有时需要原始数据或原始水印参与才能进行提取检测，有时 则只需要密钥就可以进行提取。数字水印的提取模型如图2 2 所示： 含水印数据 i i i 原始数据 图2 2 数字水印的提取模型 2 1 3 数字水印的应用 水印信息 随着研究的日益深入和技术的日益成熟，数字水印技术在很多领域到得到了 7 中山大学硕士学位论文 广泛的应用。目前而言，主要有以下应用【6 】： ( 1 ) 版权保护 用于数字水印版权保护的水印一般是鲁棒性水印。利用这种水印技术，数字 媒体的所有者可以使用密钥将创建者或所有者的标志嵌入在自己的作品中，然后 公开发布带有水印的作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可以使用 密钥，从盗版作品或水印作品中提取版权标志作为依据，从而证明自己对作品的 所有权，保护自己的权益。 ( 2 ) 内容认证 数字水印在内容认证上的应用是指使用水印来反映数字作品的完整性。内容 认证一般用脆弱性水印或半脆弱性水印实现。当作品被修改、伪造或者特殊处理 时，可以通过检测水印的状态来判断作品是否完整，甚至可以定位作品当中被篡 改的位置。 ( 3 ) 数字指纹 数字水印在数字指纹上的应用是指对同一数字作品的不同拷贝嵌入不同的 水印。当发现未经授权的拷贝时，可以通过作品中的水印信息来追踪其来源。数 字指纹的一个典型例子是即付即看( p p v ) 和视频点播( v o d ) 中的权限控制。 部分系统将用户的i d 作为数字指纹嵌入到视频中，用于日后追踪视频是否被用 户非法利用。 ( 4 ) 拷贝保护 数字水印技术在拷贝保护上的应用是指通过在数字作品中加入水印信息来 控制数字作品的非法拷贝与传播。拷贝保护的一个典型例子是d v d 防拷贝系统。 该系统在d v d 数据中加入水印信息，例如“禁止拷贝”，d v d 播放器通过检测 数据中的水印信息，从而判断数据的合法性和可拷贝性。 2 2 视频水印技术 数字水印技术最初产生的时候，研究主要停留在静止图像水印技术方面。随 着研究的不断深入和技术的不断发展，数字水印技术的研究也从一开始的图像水 印逐渐向音频水印、视频水印方向转移。本节主要介绍视频水印技术。 8 第2 章视频水印系统及其相关技术 2 2 1 视频水印的特殊性和难点 视频是由一系列连续的静止图像构成，因此，很多基于图像的水印技术都可 以应用于视频水印系统。但是，作为两种不同的载体形式，视频与图像在很多方 面有明显的区别【7 】。对于图像，因为其信号空间非常有限，很多研究人员在图像 水印中都充分利用人类视觉模型( h v s ) ，根据h v s 调整嵌入强度，在水印的不 可感知性和水印容量、鲁棒性之间寻找一个平衡点。对于视频水印而言，信号空 间非常大水印数据可以分散到连续的多帧图像上。单帧图像可嵌入的水印信息 容量变得不那么重要。同时，由于视频信号往往以压缩形式存储，存在一个编解 码的过程，因此，算法的实时性和鲁棒性变得非常重要。另一方面，针对视频是 连续的静止图像序列这一事实，视频水印面临一些独特的攻击方法：帧删除、帧 平均、帧交换等。这些操作在不影响视频质量，不影响视频观看的同时，能够对 视频中的水印进行破坏。 因此，视频水印除了具备一般数字水印的基本性质外，还具有自己的特殊性， 概括如下隅】： 1 ) 在不可见性方面，视频由于时间维的增加，使水印的不可见性要求从静 止的扩展到了动态的：除了需要满足每一个视频帧作为静止图像显示时的不可 见性以外，还需要满足当视频连续播放时的不可见性，如不出现明显的闪烁感。 2 ) 在鲁棒性方面，视频水印应能抵御更多有意或无意的信号处理。对视频 信号来说，常见的信号处理操作包括：滤波、加噪声、数模转换、剪切等。由于 视频经常以压缩编码的形式存在，所以必须考虑视频压缩处理操作对水印的影 响。此外，视频水印还须对一些专门针对视频的攻击操作具有鲁棒性，这些操作 有：帧重组、帧删除、帧插入、帧问组合、帧平均、帧速率转换等。 3 ) 在实时性方面，由于数字视频是连续播放的，因此大多数应用下都要求 视频水印的嵌入和检测具有实时性或接近实时性。根据不同的应用场合，有时要 求水印嵌入具有实时性，有时要求水印提取具有实时性。 4 ) 盲检测的要求。由于视频信号的数据量庞大，若在检测时使用原始视频， 会大大增加计算量，提高算法的复杂性，影响实时性的满足。所以视频水印系统 应采用无需原始数据参与的盲检测水印技术。 5 ) 随机检测的要求。对于视频水印的检测，要求检测算法可以在视频的任 9 中山大学硕士学位论文 意位置、在短时间内检测出水印，而无需从视频的开始位置按播放顺序来检测。 6 ) 码率控制的要求。视频水印嵌入后，不应增加视频编码比特流的码率， 还需保证嵌入水印后的视频在解码时的播放速率不变，以免出现声音和图像不同 步的现象。 可见，视频水印与图像水印相比，有着更高的要求。 2 2 2 视频水印的模型及代表性算法 视频水印算法在形成视频码流的不同时机嵌入水印对算法复杂度及鲁棒性 有不同的影响。孙圣和等f 7 1 按照水印技术与数字视频编码系统结合方式的不同将 其分为：前置视频水印、内置视频水印和后置视频水印，其示意图如图2 - 3 所示 【8 - l o j ： 水印嵌入 水印嵌入 水印嵌入 原始 视频 原始 视频 a 水印嵌入过程 水印提取水印提取 水印提取 ( 前置) ( 内置)( 后置) b 水印提取过程 压缩视频流 压缩视频流 图冬3 视频水印模型及其方剽7 1 ( 一 前置视频水印方案 前置视频水印方案是在压缩编码之前，就将水印信息直接嵌入到原始视频图 像中，形成含水印的原始视频信息。 前置视频水印方案的优点在于可利用现有的成熟的图像水印算法，而不影响 编解码器的正常使用：但是，由于水印嵌入是基于原始视频序歹i j 的，必须考虑接 下来要经受的有损压缩以及对原始视频图像质量的影响。缺点是：嵌入水印后可 l o 第2 章视频水印系统及其相关技术 能会增加视频的码流，而且水印提取也必须将先解码压缩视频流，增加了水印算 法的处理时间。 按照水印嵌入和提取之前是否对宿主信号进行某种变换，前置视频水印又可 分为空域水印和频域水印两种。前者直接利用图像的冗余信息，在原始视频数据 中嵌入水印，后者则需要对原始视频数据进行某种变换，如d c t ，d f t 或d w t 等，然后在变换域中进行水印的嵌入和提取操作。 空域水印是指直接在原始视频数据中嵌入水印，嵌入的水印信号一般是添加 在亮度分量上，有时也有一部分或全部被加入到色度分量中。其优点是算法简单、 复杂度低，缺点是在鲁棒性和不可感知性方面的性能较差。空域水印的一个简单 实现，是直接利用各种l s b 方法，在原始视频数据中嵌入水印。空域水印的代 表算法有： 1 ) h a r t u n g 掣1 1 1 最早提出的借鉴扩频通信的思想在原始视频中嵌入水印的 方法： 2 ) k a i k e r 等【1 2 】提出的将视频视为一系列的静态图像，在连续的若干个帧中 嵌入相同的水印； 3 ) l a n c i n i 等f 1 3 】提出了一种利用人类视觉特性的空间域视频水印。 频域水印是指在原始视频的某个变换域中进行水印的嵌入和提取，常用的变 换域包括离散余弦变换( o c t ) 域、离散傅立叶变换( d f t ) 域、离散小波变换( d w d 域、分形域、哈达玛变换域等。频域水印有3 种处理方法：第一种方法将视频流 看成一个三维信号，空间上两维，时间上第三维，对其进行三维变换后进行水印 处理；第二种方法将视频流看成连续静止图像的序列，用图像水印的技术对其进 行水印处理；第三种方法则是分块频域变换，由于视频编码标准中的压缩编码也 是使用分块频域变换，因此，这种方法通常与视频编码器相结合，当与视频编解 码结合时，则通常应用于内置或后置视频水印方案中。频域水印的代表算法有： 1 ) d e g u i l l a r m e 等n 4 】提出的一种在视频序列的三维d f t 域中嵌入水印盼算 法。首先将视频序列划分为连续的且不重叠的等长度帧序列，水印嵌入或提取分 别在每个序列上重复进行，每个序列中嵌入相同的信息。 2 ) s w a n s o n 等提出的一种采用三维小波变换的水印方案。该方案同样将 视频序列看成三维信号，并将视频序列分为场景。 中山大学硕士学位论文 3 ) s h a n 掣1 提出的种哈达玛变换域的视频水印算法。该算法在哈达玛 变换域嵌入水印。哈达玛变换是一种正交变换，对二维哈达玛变换，正变换和逆 变换只相差一个比例系数n 2 。 4 ) s h e n 等【1 刀提出的一种利用几帧连续图像直流部分之间的能量关系来隐 藏数据的算法。 5 l i u 掣1 8 1 提出的一种基于d w t 的视频水印算法。该算法把多个信息位 嵌入到每一帧图像的y 分量的小波子带中。 频域水印综合利用人类视觉特性、视频序列时空特性、频域变换和数字通信 的最新技术，提高了水印的不可感知性和鲁棒性。 ( - - ) 内置视频水印方案和后置视频水印方案 内置视频水印方案在视频压缩编码的过程中将水印嵌入到视频流之中，属于 压缩域视频水印，是解决视频水印系统实时性需求的一种有效方案。 后置视频水印方案是直接将水印信息嵌入到已压缩的视频编码流中。其最大 的优点是不需要完全的编、解码的过程，因此计算复杂度低。但是，由于压缩比 特率的限制，制约了水印的嵌入容量的提高。而且水印的嵌入可能会对视频解码 中运动补偿环路造成不良的影响。 内置视频水印方案和后置视频水印方案同属于压缩域视频水印。 在压缩视频水印中，水印嵌入位置的选择是关键，嵌入位置的不同对水印的 容量、不可感知性和鲁棒性都有非常大的影响。算法的时间复杂度也因嵌入位置 的不同而不同。本文的主要研究对象为m p e g - 2 视频水印算法，下面结合m p e g 编解码标准，讨论压缩域水印的嵌入位置。一般而言，压缩域视频水日 的嵌入位 置有以下四个【1 9 】： 嵌入d ( 玎系数 m p e g 标准采用离散余弦变换( d c t ) 编码方法，进行帧内图像的数据压缩 编码。d c t 变换编码方法归纳起来，可分为三个阶段：离散余弦变换( d c t ) 、 量化( 包括量化、z 字扫描、行程编码) 、熵编码。因此，水印嵌入既可以在d c t 变换阶段进行，也可以在系数量化阶段进行。一般根据人类视觉特性选择部分 d c t 系数用于水印嵌入。 h a r t u n g 掣2 0 键出了将水印信息直接嵌入到压缩视频码流中的算法算法采 第2 视额 日壕统其相若技丰 用了扩频通信的原理。对于水印首先进行扩频，扩频后作d c t 变换，得到8 8 的d c t 系数块w ：对于m p e ( 3 视频，则首先进行解码反量化。得到一个 d c t 系数块s ；将w 与s 相加，就得到了带有水印的d c t 系数。对这些系数进 行量化，编码，术印便成功嵌入到压缩视频码流中。这种算法的优越性在于只需 要视频流进行局部解码具有一定的鲁棒性，但嵌入容量较小，算法较复杂。 b u s c h 等刚、h s u 等吲和d i t t m a n n 等吲都借鉴静态图像水印算法考虑人 类视觉系统的特性，提出基于d c t 系数的视频水印算法。之所以能够借鉴静态 图像水印算法用于压缩视频水印当中，是因为m p e g 标准对1 帧进行帧内压缩 编码的方法，与j p e g e e d j 标准对静止图像的压缩编码的方法是相同的。 l a n g e l a a r 等8 ”提出了一种利用d c t 系数能量差嵌入水印的算法i f f e r e n t i a l e n e p g y w a t c n n a r l d n g ) 。该算法的基本思想是把需要嵌入的水印逐比特地嵌入到视 频i 帧中的每一个由n 个8 x 8 的块组成的区域中。水印嵌入时，如图2 _ 4 所示， 首先将视频帧图像随机置乱后，选取h 个8 8 的块井分为子区域a 和子区域b 两组。图中取萨1 6 。分别计算两个子区域内的某些高频系数的能量和e 、e 。 令d = e 一晶表示a 和b 两个子区的高频能量之差。通过修改a 和b 中的d c t 系数来控制d 的值，实现水印的嵌入。对于d 的值，作如下约定：当d 0 ，表 示含有水印信息o ；d 0 ，表示含有水印信息l 。提取水印时。只需要用于嵌入 时一样的方式求得e 、毛，就可以利用d 的值提取水印。该算法计算简单同时 具有较强的鲁棒性。对于m p e g 压缩视频，该算i 左只需要部分解码，就能获得i 帧的