（信号与信息处理专业论文）基于mpeg4的视频信息隐藏算法.pdf

中文摘要 随着互联网络和多媒体通信业务的飞速发展，通信系统在网络环 境下的信息安全问题越来越受到人们的重视。同时，多媒体的广泛传 播也使得数字产品的版权保护成为一个迫切需要解决的问题。信息隐 藏技术的出现为解决这些问题提供了新的途径。尤其是视频信息隐藏 技术，大量消费类数字音视频产品的推出，如v c d ，d v d ，使得视 频信息隐藏技术成为当前隐藏技术研究方向中的一个热点。 本文首先介绍了信息隐藏技术的基本概念、分类和应用。随后重 点介绍了视频信息隐藏的特点及其应用，并在详细描述m p e g 4 视频 编码原理的基础上，分析了视频信息隐藏算法的分类。然后，在分析 一种典型码流域隐藏算法的基础上，提出了种新的适合m p e g 4 码流和编码特点的信息隐藏算法。模拟实验表明，改进后的算法适合 m p e g - 4 ，能够较好的嵌入信息，并不会对解码后的图像的主客观结 果产生明显影响，同时，计算量小。 关键字：信息隐藏，数字水印，数字视频，m p e g - 4 ，码流域 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ， t h es e c u r i t yp r o b l e m so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e e np a i dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ew i d ed i s t r i b u t i o no fd i g i t a l m e d i aa l s op o s e sa c h a l l e n g eo nh o wt op r o t e c tc o p y r i g h to ft h e s e p r o d u c t s i n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n o l o g yh a sb e e n p r o p o s e da sas o l u t i o n t ot h ea b o v e p r o b l e m s e s p e c i a l l y f o rv i d e oi n f o r m a t i o n h i d i n g t e c h n o l o g y , t h ea p p e a r a n c eo fal a r g en u m b e ro fd i g i t a lv i d e oa n da u d i o p r o d u c t sf o rc o n s u m p t i o n s ，s u c ha sv c da n dd d ，m a k e si ta ne m p h a s i s o f p r e s e n ti n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n o l o g y 1 1 1 i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t i o n s ，c l a s s i f i c a t i o na n d a p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o nh i d i n g t h e n ，i tp u t st h ee m p h a s i so nt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no fv i d e oi n f o r m a t i o nh i d i n g a tt h es a m e t i m e ，i ta n a l y s e st h ec l a s s i f i c a t i o no fv i d e oi n f o r m a t i o nh i d i n gb a s e do n t h ed e s c r i p t i o no fv i d e oc o d i n gf o rm p e g 4 f i n a l l y , i tp r e s e n t san e w a l g o r i t h mc o m p l i a n tt ov i d e ob i t s t r e a ma n dv i d e oc o d i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fn e g 一4b ya n a l y z i n gat y p i c a li n f o r m a t i o nh i d i n ga l g o r i t h mb a s e do n b i t s t r c a md o m a i n t h er e s u l t so fe x p e r i m e n th a v ep r o v e dt h a tt h en e w a l g o r i t h mi sf i tf o rm p e g 一4b e t t e r , y i e l d si n v i s i b l ed e g r a d a t i o no fv i d e o a f t e rh i d i n g ，h a sah i g hc a p a c i t yf o rh i d i n ga n di se a s yt oo p e r a t e k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o nh i d i n g ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，d i g i t a lv i d e o ， m 噼e g 4 ，b i t s t r e a md o m a i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他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。 学位论享作者签名：哥毪魏 签字日期：加心年月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：帮磊 签字日期：砌r 年 月叫日 导师签名： 签字日期：如心年 月 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着互联网络的飞速发展，多种形式的数字多媒体产品，包括视频、音频、 图像等，纷纷以网络的形式发布，同时，数字图书馆、网络视频和音频、电子商 务等新的服务形式和运作方式的出现为商业、科研和娱乐带来了机会。然而，随 之而来的负作用是盗版者能以低廉的成本复制及传播未经授权的数字产品内容。 另一方面，数字化的信息在容易被编辑和拷贝的同时，也暴露了容易被攻击、修 改的弱点。因而，如何有效实施数字产品的版权保护和信息安全成为一个迫切需 要解决的问题。 密码学一直被认为是在通信领域中实现信息安全的主要手段。首先将多媒体 数据文件加密成密文后发布，由于只有用户和版权所有者才有密钥，只有他们才 可以解密，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，随着计 算机处理能力的快速提高，通过不断增加密码长度来提高系统密级的方法变得越 来越不安全。另一方面，加密的数字内容在解密后，就没有有效的手段来保证不 被非法拷贝、再次传播和盗用了。 为了解决这些问题，近几年来，越来越多的研究机构倾向于发展信息隐藏技 术。信息隐藏是一种秘密传送信息的技术或方法，其原始信息的载体可以使任何 类型文件或数据流。信息隐藏和密码术经常被联系在一起，但二者有根本的不同。 密码术主要是对传送的信息进行加密，但传送的方式是公开的，怀有恶意的攻击 者可能得到传送的信息，但是无法解密内容。而信息隐藏的传送方式是秘密的， 在不引起敌方的注意的情况下，通过隐秘的通道信息得以传送。可以将信息隐藏 和密码术有机地结合在一起，把传送的信息加密后，通过隐秘信道加以传输，从 而实现更为安全的传送。 数字水印技术作为信息隐藏的一个重要分支在近几年逐步发展起来，并成为 数字产品版权保护和信息安全维护的有效手段。它用信号处理的方法在多媒体数 据中嵌入特制的隐蔽标记，这种标记的嵌入不会引起宿主媒体主观质量的下降， 不易察觉，只能通过专用的检测器才能提取，并且水印具有很强的对抗非法破解 的能力。 从学术研究角度而言，数字水印技术是一项横跨信息处理、图像处理、多媒 体技术、密码学等多学科领域的高新技术前沿课题，包括数字水印在内的信息隐 第一章绪论 藏技术尚未形成完整的学科理论体系。因此，吸引了众多不同研究背景的学者投 身到这一课题的研究之中，学术界先后于1 9 9 6 年、1 9 9 8 年、1 9 9 9 年、2 0 0 1 年、 2 0 0 2 年、2 0 0 4 年分别在英国剑桥、美国波特兰、德国德雷斯顿、美国匹兹堡、 荷兰诺特维克、加拿大多伦多召开了六届信息隐藏技术国际讨论会，它已成为 当前信息学科前沿中一个新颖并具有广泛应用前景的研究热点。 随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也逐步 从技术跟踪转向深入系统研究。但国内至今还缺少重大影响的数字水印研究成果 的报道，尤其是在数字视频研究领域。数字视频水印技术研究是当前水印研究方 向中的一个热点和难点。热点在于大量消费类数字音视频产品的推出，如v c d 、 d v d ，使得以数字水印为重要组成部分的数字产品版权保护技术的市场需求更 为迫切。难点是尽管数字水印技术在近几年得到长足发展，但研究方向主要集中 于静止图像水印，而在视频水印研究方面发展滞后，但是由于其具有良好应用前 景，因而它的研究和开发受到相关的各大产业巨擎的关注，同时，正是由于这些 大企业的倾力介入，也加速了数字视频水印技术向实际应用转化过程。 总而言之，信息隐藏与数字水印技术是一项重要的应用基础研究，同时它又 是一项与实际应用密切结合的高新技术，其成果将成为拥有自主知识产权的技 术，发展为具有自身特色的软件产品和专用芯片，随着信息产业的发展，有着十 分广阔的应用市场。信息隐藏技术研究特别要面向i n t e m e t 上广为使用的各种数 据文件，包括j p e g 压缩图像、m p e g 2 压缩视频、w a v 、m i d i 、m p 3 音频文件、 a v i 及三维动画文件、p s 和p d f 标准文本、v o i c e m a i l 或v i d e o m a i l 等多媒体邮 件格式。古老的隐写术衍生出来的信息隐藏技术，在信息时代一定会在信息安全 方面得到广泛的应用。 1 2 信息隐藏的概念 信息隐藏的基本思想起源于古代的隐写术( s t e g a n o g r a p h y ) ，s t e g a n o g r a p h y 这个词起源于古希腊，通常指将信息隐藏到另一信息之中。古希腊的斯巴达人 将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热木板，石 蜡融化后，就可以看到密文了眨1 。在语言学中广泛使用的隐写方法是藏头诗，中 国古代文人常用藏头诗来讽喻或暗示事物。 传统的信息隐藏技术信息隐藏量小、操作困难的局限性使其没有受到人们的 广泛关注。如今，科学技术的发展使得古老的隐写术在信息时代又成为新的研究 热点。近年来信息隐藏技术理论框架的研究逐渐兴起，把密码学、通信理论、编 码理论以及视觉模型等结合起来，利用多种数字媒体信息充当载体，引入更为先 2 第一章绪论 进的数字化嵌入技术。 信息隐藏不同于我们熟悉的传统密码学技术。从目的来看，密码技术主要是 研究如何将机密信息进行特殊编码，以形成不可识别的密码形式( 密文) 进行传 递；而信息隐藏则是研究如何将某一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 拦截者可通过截取密文，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；但对信息隐藏而言，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。 1 9 9 6 年5 月在英国剑桥召开的第一届信息隐藏国际讨论会定义了信息隐藏 的几个基本概念h 1 ： 1 嵌入信息( e m b e d d e dd a t a ) 是多媒体信息的所有者希望隐藏在原信息中的 数据。 2 原信息( c o v e 卜i m a g e 或c o v e r - a u d i o 等) 是原始的数字化多媒体信息。 3 隐秘对象( s t e g o o b j e c t ) 通过一定算法，把隐藏信息嵌入原信息后，就生成 隐秘对象。 4 密钥( s t e g o k e y ) 。信息隐藏的算法通常是公开的，对隐藏信息嵌入和随后 的嵌入信息读取的控制，都是通过密钥来实现的。要求用户即使是知道信息隐藏 算法，只要得不到密钥，就仍然不能非法地嵌入和修改隐藏信息。通常也无法读 取隐藏信息，甚至根本就感觉不到隐藏信息的存在。 信息之所以能够隐藏在多媒体数据是因为h 1 ： 1 多媒体信息本身存在很大的冗余度，从信息论的角度看，未压缩的多媒 体信息的编码效率是很低的，所以将某些信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传送 是完全可行的，并不会影响多媒体信息本身的传送和使用。 2 人眼或人耳对某些信息都有一定的掩蔽效应，比如人眼对灰度的分辨率 只有几十个灰度级；对细节信息也不敏感等。利用人的这些特点，把嵌入信息视 为在强背景下叠加一个弱信号，只要叠加的信号强度低于人类视觉系统( h v s ) 对比度门限或听觉系统( h a s ) 对声音的感知门限，h v s 或h a s 就无法感知到 信号的存在。由于h v s 和h a s 受空间、时间和频率特性的限制，因此通过对载 体对象作一定的调整，就有可能在不引起人知觉的情况下嵌入一些信息。 信息隐藏系统的嵌入基本框图如图1 1 所示。 第一章绪论 秘密倩息 ( s ) 入信息 ( 聊 图1 , 1 信息嵌入基本框图 设s 是秘密信息，对它进行预处理，例如，加密、扩频等，以增强安全性， 得到预处理后的嵌入信息。信息嵌入系统可以用公式( 1 。1 ) 来表示。 i = e ( w ，k ，d ) 其中，e 表示嵌入函数；k 表示控制嵌入的密钥；d 表示原信息，可以是文 档、图像、声音、视频文件等；，表示隐秘对象，该信息可以通过公开信息进行 传输。 对应的信息提取框图如图1 2 所示。 乎含隐蔽情意媒体( j - ) 图1 - 2 信息提取基本框图 提取秘密信息 ( s ) 经过信道传输过来的媒体信息，可能经过了攻击或者处理，不完全与信息嵌 入系统得到的隐秘对象，完全相同。在密钥k 的控制下，有时还需要原信息d 的参与，经过提取函数d 得到隐秘信息s 。如公式( 1 2 ) 所示。 s = d ( ，k ，p ) 4 ( 1 2 ) 第一章绪论 信息隐藏的基本特点，第一是通过隐蔽性来实现安全性。如果攻击者根本就 察觉不到隐蔽信息的存在，自然也就无从攻击。第二是要善用伪装，表现在数字 水印中，就是要充分利用人类视觉和听觉的感官特点，尽量使水印的嵌入不易为 人所察觉，同时还能增强水印的鲁棒性。第三是选好隐藏信息嵌入的位置。嵌入 在文件头中某个固定位置的信息往往很容易被修改和删除，因此，现代信息隐藏 系统往往利用密钥作种子生成一串伪随机数，将隐藏信息随机地嵌入原图片，以 增强隐蔽性和鲁棒性。第四是将隐藏信息分散在整个图片范围内，否则将很容易 被裁剪和过滤等操作去除。 1 3 信息隐藏的分类 随着信息隐藏技术的发展，已经出现很多研究成果，其中一种分类方法如图 1 3 所示。 厂_ l 厂j 谱义距秘沭 ( l ；n g u i s | i e s t e g a n o g r a p h i e ) 其它隐秘术 ( t e c h n i c a l s t e g a n o g r a p h i e ) 蛰摊数字水印 ( 黜岫甜蜊g b t m a r k i 嘲 致字指纹数j 雇印 脆羽敷字水 ；i j ( f r a g i l e w a r m - m a r k i n g ) ( w a i m n a r k i n g ) 厂- 可j i i n 0 数字永印 不一，r 见的数字水t ：0 ( v i s i b l e ( 1 m p e r c x p t i b l c w a t e r m a r k i n g ) w a t e r m a r k i n 曲 图1 - 3 信息隐藏的分类 数字水印是信息隐藏的一个重要分支，它是指在数字化的数据内容中嵌入不 明显的记号。被嵌入的记号通常是不可见或不可察的，但是通过一些计算操作可 以被检测或者被提取。水印与原数据( 如图像、音频、视频数据) 紧密结合并隐 藏其中，成为原数据不可分离的一部分，并可以经历一些破坏原数据使用价值或 商业价值的操作而存活下来。相对于信息隐藏的其他技术，数字水印的鲁棒性要 求更高。 数字水印通常包括鲁棒性水印和脆弱性水印。 第一章绪论 鲁棒性水印是指嵌入的水印不仅能对抗非恶意的攻击，而且能对抗一定失真 内的恶意攻击，并且一般的数据处理不影响水印的检测。鲁棒性水印通常用于版 权保护的目的，在多媒体内容中嵌入创建者、所有者或者购买者的标识信息。在 发生版权纠纷时，创建者或所有者的信息用于鉴别数据的版权所有者，而购买者 标识可以用于追踪违反协议为盗版提供多媒体数据的用户。由于鲁棒性水印用于 确认原信息的版权，因而它必须保证对原始版权标识的准确无误的标识。而数字 水印时刻面临着侵权者的有意破坏或者用户的无意破坏，因此，鲁棒性水印必须 保证在原信息可能发生各种失真变化以及各种恶意攻击下具备较高的抵抗能力。 脆弱性水印是指当嵌入水印的载体数据被修改时，通过对水印的检测，可以 对载体是否进行了修改或进行了何种修改进行判定。脆弱性水印为数据完整性认 证提供了一种新的解决途径。假定收到一媒体信号，脆弱性水印的任务就是在对 原信息的具体内容不知的情况下，以最大的可能判断它是否是原始信息。与鲁棒 性水印不同，脆弱性水印应随着原信息的变动作出相应的改变。即体现出脆弱性。 1 4 信息隐藏的应用 信息隐藏作为一种新兴的数字产品版权保护和信息安全技术逐渐为世人所 关注。随着信息隐藏和数字水印技术的不断发展，其应用也不断地渗透到信息安 全的各个领域，具有巨大的应用前景。目前，信息隐藏的应用主要有以下几种： 1 版权保护 版权保护是信息隐藏和数字水印技术最早的应用。版权所有者可将自己的版 权标识信息作为水印信息嵌入到多媒体数字产品中，当该产品被盗版或出现版权 纠纷时可通过提取出的水印信息来判决所有权的归属。 目前，d i g i m a r e 公司以推出了其数字水印版权系统，并将水印嵌入和水印检 测系统内植于a d o b e 公司最流行的图像处理软件p h o t o s h o p 中”1 。 2 拷贝控制 拷贝控制是信息隐藏和数字水印技术较为成功的应用领域。存贮在水印中的 信息可以控制刻录仪器实现拷贝控制的目的，水印代表拷贝禁止位，刻录仪器中 的水印检测器通过查询水印来判断该数据是否可以进行拷贝。 目前，在可刻录d v d 设备中引入水印系统来控制对视频信息产品的拷叭权 限，已被作为数字视频产品知识产权保护的核心技术之一”。 3 数字指纹 数字指纹技术主要用于追踪非法散布数据的授权用户。授权者嵌入不同的、 作为指纹的隐藏信息，在不同用户的数据拷贝中用以标识用户的身份，则授权者 作为指纹的隐藏信息，在不同用户的数据拷贝中用以标识用户的身份，则授权者 第一章绪论 可以通过辨认指纹来追踪向第三方非法提供数据的用户。 目前，将数字指纹嵌入到媒体产品中来追踪版权的策略正被逐步引入到 v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 7 1 中来。 4 广播监控 广播监控具有多方面的应用需求，如在多语种电影、电视系统中，可以将各 种语言配音和字幕作为隐秘信息嵌入到视频图像中传输，在接收端根据用户的选 择进行相应的语音和字幕播放，这样，既节省了声音的传输信道，又不影响图像 的主观质量。再者，在商业广告中嵌入隐藏信息，一个自动的监控系统就可以确 认广告是否按照合同规定的时间和数量进行播放。 5 隐蔽信道 利用信息隐藏技术，将需要传递的秘密信息嵌入到可以公开的多媒体信息， 如数字图像、数字音频、视频中，由于嵌入秘密信息的多媒体信息在感知特性上 没有明显的变化，故秘密信息被人察觉的可能性较小，从这个意思上将，传递秘 密信息的信道也是秘密的。与传递堆杂乱无章的加密数据相比，这种采用通用 媒体为秘密信息提供伪装的隐蔽通信不易引起攻击者的注意。此外，由于信息的 嵌入方法是秘密的，如果在嵌入过程中再结合密码技术，这样，即使敌方知道秘 密信息的存在，要提取和破译该信息也是非常困难的。 6 完整性认证 传统的基于数字签名的信息完整性认证系统一般将签名和媒体信息捆绑在 一起存储和传输，由于签名独立于媒体数据存在，这样既占用一定的存储空间或 信道带宽，又容易被删除：而基于数字水印的认证系统是将水印内嵌入媒体信息 中，水印无需占用存贮空间或信道带宽，且很难被除去；再者，数字水印技术还 可以采用双水印系统( 即脆弱性水印和鲁棒性水印相结合) 对数字产品进行多重 目的的保护噶1 。 以上介绍的仅是信息隐藏和数字水印技术的一些典型应用系统，随着其不断 发展，信息隐藏的应用领域也将不断的拓宽。 1 5 论文结构 本文工作的重点是对于视频信息隐藏技术的分析和研究。论文内容共分为四 个部分，安排如下： 第一章绪论，介绍了信息隐藏和数字水印技术的发展背景、概念、分类和应 用。 第二章视频信息隐藏技术，首先介绍了视频信息隐藏技术的应用及特点，接 第一章绪论 着介绍了m p e g 4 视频压缩原理，并分析和讨论了几类视频信息隐藏算法。 第三章和第四章是本文重点。第三章码流域的视频信息隐藏算法，首先介绍 了一种典型的码流域信息隐藏算法，并分析了该算法应用于m p e g 4 的限制， 接着提出了一种新的适合于，m p e g 4 的码流域信息隐藏算法。第四章实验结果 和分析，结合第三章的两种算法，比较实验结果并进行分析。 最后是结束语、参考文献和致谢部分。 第二章视频信息隐藏技术 第二章视频信息隐藏技术 早期的信息隐藏技术主要集中在静止图像方面，但随着信息隐藏技术的发 展，越来越多的算法开始针对其他载体对象，例如视频、音频、文档等。尤其是 视频信息隐藏技术，大量消费类数字音视频产品的推出，如v c d ，d v d ，使得 视频信息隐藏技术成为当前隐藏技术研究方向中的一个热点。 2 1 视频信息隐藏技术的应用及特点 不同载体对象的隐藏技术依据媒体自身的特点和不同的应用场合，具有不同 的特点。 对于视频信息隐藏技术来说，主要有以下几个方面的应用。 1 视频点播( v o d ) 管理系统 随着有线电视网络的拓展以及智能化社区的兴起，交互式多媒体应用系统正 悄然走向我们，而视频点播系统( v o d ) 就是个典型应用系统。为了增强v o d 系统的管理功能，将标识版权和不同的客户标识嵌入到视频码流中，一方面，实 现标识视频作品版权的目的，另一方面，实现信息追踪管理的目的。这一过程可 以在发送端完成，但为了减轻视频服务器的运算负担，可以将客户标识嵌入过程 转移到客户端的机顶盒上完成，在视频码流完成条件接收解密后完成客户i d 标 识的嵌入。如图2 1 所示。这一嵌入信息将随视频信息进行播放或被录制，可用 来追踪个别客户的盗版行为。 接收端机顼盒 t v j + 播 m p e g 条件接受 ( 解密) i视频点播服务器攀堕墅塑目稠v lm p e 0 f o dl 竺= = _ = = = = = ii 叫解码器r i 并 jr i i嵌入傣息 ! - 。l 图2 1 视频信息隐藏在v o d 中的应用 t v v e r 2 视频增强编码例 视频编码过程可以顺序分为两个步骤。首先，进行信源编码，在保证原始数 9 第二章视频信息隐藏技术 据视觉质量的前提下，尽可能去除数据的冗余度，达到压缩编码的目的。然后， 进行信道编码，增加压缩数据的冗余度用来实现纠错功能。信道编码是必要的， 因为在传输过程中，错误极有可能发生，例如，无线信道。视频信息隐藏可以通 过嵌入纠错信息，在不增加负载的情况下，有效地协助进行错误的检测和修复。 另外，直接将有用数据嵌入到视频码流中可以节省存储空间。典型的视频流 有两种不同的平行码流构成：音频流和视频流。两种码流在回放后需要同步，而 这在发生截剪操作后很难进行。将音频流隐藏到视频流中，可以提供有效的同步， 并节省存储空间。用相同方式，可以使用信息隐藏技术改进画中画系统，将一个 视频流隐藏到另一个当中。 除了上述应用，视频信息隐藏技术还有许多其他方面的应用，表2 1 列举了 视频信息隐藏技术的部分应用。随着研究的深入，视频信息隐藏技术会更广泛地 融入各种视频多媒体系统，不断拓展其应用领域。 应用 嵌入信息翔的 拷贝控制防止来授权拷贝 广播监控确认被广播的视频项目 数字指纹追踪恶意朋户 税额认谯确认缀始内容是否被修改 版权保护证明所有权 增强编码携带附加信息，例如，纠错 表2 1 视频信息隐藏的应用和相关目的 视频可以认为是由一系列连续的静止图像在时间上的扩展，因此视频信息隐 藏技术与静止图像信息隐藏技术在应用模式和设计方案上具有类似性，一些曾经 成功应用于静止图像的信息隐藏技术被直接引入到视频信息隐藏之中。实际上， 由于视频序列和静止图像之间存在一定区别，导致视频水印技术设计具有自身特 殊性。 1 最重要的不同之处在于视频信息隐藏具有更大的可用载体空间。有别于 图像信号空间的局限性，视频序列为隐藏信息的嵌入提供了更大的可用载体空 间；同时由于视频信号从空间域扩展到了时间域，对人眼视觉特性的利用范围进 步扩大。 2 视频信息隐藏系统必然要经历有损压缩编码过程。由于视频序列的巨大 第二章视频信息隐藏技术 数据量，必须经过有损压缩编码才能进行存储或传递，而嵌入其中的隐藏信息必 须具有抗击或者适应视频有损压缩编码处理的能力。 3 视频信息隐藏系统通常具有实时性或准实时性的要求和其他一些约束条 件( 如恒定码率) 。当一个人想要在一幅图像中嵌入信息或者进行信息的提取时， 几秒钟的延迟是可以接受的。但是，对于视频序列来讲，这样的延迟是不切实际 的。视频序列通常以2 5 帧秒或者更高的帧率进行显示或处理，因而嵌入器和 提取器应该能在这样的一个速率下进行工作。上述的约束和已形成的视频压缩编 码国际标准在一定程度上制约了信息隐藏算法设计的灵活性。因此，视频信息隐 藏算法的设计必须以具体实际应用系统为基础，与之相适应相结合。 2 2m p e g 4 视频编码技术 视频信息隐藏系统必须与视频压缩编码系统相结合，因此，我们以m p e g 4 为例介绍视频编码技术，以更好地理解视频信息隐藏系统。 2 2 1m p e g 。4 标准简介 m p e g 一4 是由m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 工作组制订的i s o i e c 标准，该组织还制订了其他标准，例如m p e g 1 、m p e g 2 ，这些标准使得c d r o m 和数字电视上的交互式视频成为可能，而m p e g 4 带来了更高级别的交互一由 内容开发者控制的交互，同时，它还将多媒体内容应用于各种新型网络，包括一 些要求甚低速率的网络和移动网络。 m p e g 一4 的初衷是解决甚低速率编码的问题，但是，考虑到视音频环境的变 化，m p e g 立即修改了计划以满足视音频信息由播放型转向基于内容的访问和操 作型的应用要求。 m p e g - 1 和m p e g 2 的主要目标是实现数字音视频的高效存储和传输，因而 它们是基于帧进行编码，基于内容的交互局限于视频帧级，以及和它关联的音频。 而m p e g 4 标准超越了这一目标，它通过对具有某种空间和时间关联性的视音 频对象“a vo b j e c t s ”的描述来指定一个数字视音频场景。 m p e g 4 目前分为二十一部分，其中许多部分还在开发过程，下面简单列举 其中几部分3 ，本文主要涉及第二部分v i s u a l 。 1 i s o f i e c1 4 4 9 6 1 ( s y s t e m s ) 包括许多工具，例如b i f s ，o b j e c td e s c r i p t o r ，f l e x m u x ，m p 4 文件格式等。 2 。i s o i e c14 4 9 6 - - 2 ( v i s u a l ) 包括自然和合成图像的编码 第二章视频信息隐藏技术 3 i s o i e c1 4 4 9 6 。3 ( a u d i o ) 包括语音编码，一般音频编码，结构音频，文本语音接口，参数音频等。 4 i s o i e c1 4 4 9 6 - - 4 ( c o n f o r m a n c e ) 验证码流和解码器是否满足1 ，2 ，3 和6 部分的要求。 5 i s o i e c14 4 9 6 5 ( r e f e r e n c es o f t w a r e ) m p e g 4 规范的非最优软件实现。 6 i s o i e c14 4 9 6 - - 6 ( d e l i v e r ym u l t i m e d i ai n t e g r a t i o nf r a m e w o r k ) 提供一种透明存取和传输内容的方式。 、 7 i s o i e c14 4 9 6 7 ( o p t i m i s e ds o f t w a r ef o rm p e g 一4t o o l s ) 8 i s o i e c14 4 9 6 - - 8 ( c a r r i a g eo fl s o i e c14 4 9 6c o n t e n t so v e ri pn e t w o r k s ) 9 i s o i e c14 4 9 6 - - 9 ( r e f e r e n c eh a r d w a r ed e s c r i p t i o n ) 10 i s o i e c14 4 9 6 10 ( a d v a n c e dv i d e oc o d i n g ) m p e g 4 支持的码率有： 1 f 氐码率( 6 4 k b p s ) 2 中间码率( 6 4 - - 3 8 4 k b p s ) 3 ：高码率( 3 8 4 k b p s - - 4 m b p s ) ， m p e g 一4 既支持恒定码率( c b r ) ，也支持变码率( v b r ) 。 m p e g 4 目前支持的视频格式有： 1 按照扫描方式：累进和交织。 2 按照两度空间分辨率：任意形状从8 8 到2 0 4 8x 2 0 4 8 ，例如：s q s i f s q c i f ， q s i f q c i f ，s i f c i f ，4 s i f c i f ，和c c i r 6 0 1 。 3 按照颜色空间：单色调，y ，c r ，c b ，结合a l p h a 通道。 4 按照色度空间分辨率：4 ：0 ：0 ，4 ：2 ：0 ，4 ：2 ：2 。 5 按照时间分辨率：随着捕获率的不同，可以有不同的分辨率。 2 2 2m p e g 4 视频编码原理 经过几十年众多研究人员的不懈努力，视频压缩编码技术已日趋成熟，形成 了针对不同用途、不同实现条件的一系列技术体系和相应的编码国际标准，并且 仍在不断发展完善之中。而先后出现的h 2 6 1 、m p e g 1 、m p e g 2 、h 2 6 3 、 m p e g 4 、h 2 6 4 等国际标准正推动着消费类视频产品和信息服务业的迅速发展。 现在较为流行的视频压缩编码国际标准，如m p e g 2 、m p e g 4 等，它们的 算法基础和核心框架均采用了混合图像编码方式( h y b r i di m a g ec o d i n g ) 。该框架 1 2 第二章视频信息隐藏技术 的最初形成应追溯到h 2 6 1 ，其基本流程为：帧间运动估值与运动补偿( m e + m c ) + 变换编碉j ( d c t ) q - - i 化( q ) - f 变字长熵编码l c ) + 编码控n ( c c c o d i n gc o n t r 0 1 ) 1 羽，如图2 2 。 视频 图2 - 2 编码器基本框图 m p e g 4 视频编码标准与上述编码器最大的不同在m p e g 4 是基于对象编码 的。引入了v o ( v i d e oo b j e e 0 的概念来实现基于对象的表示，v o 的构成依赖于 具体应用和系统实际所处环境：v o 可以是一个矩形帧，从而与原来的标准兼容； 也可以是某一物体或某一场景。在m p e g 一4 中，v o 主要被定义为画面中分割出 来的不同物体。每个v o 由三类信息来描述：形状信息、纹理信息和运动信息。 视频层的编码结构可以用层次化的数据结构来描述n 3 】。如图2 3 。 第二章视频信息隐藏技术 v i d e os e q u e n c e s v i d e oo o c t v i d e oo b j e c tl a y e r v i d e oo b j e c tp l m a e v i d e op a c k e t o r g o b m a c r o b l o c k s 一一，一a 一一一一一 v o l 0 v o l l 一一、一一，一靛一一一 11l 壁j ! l = ：l v o = pv o pv o p v p 0v p l b 批匦亚匿匝亚压豇强 图2 - 3m p e g 4 视频层次化数据结构 1 视频序列( v s ：v i d e os e s s i o n ) v s 是其它层的入口。一个完整的视频包含多个v s 。 2 视频对象( v o ： v i d e oo b j e c t ) v o 是场景中的编码对象。 3 。视频对象层( v o l ： v i d e oo b j e c tl a y e r ) v o l 是v o 在时间或空间的扩展性描述。v o 的描述可以在不同时间分辨率 和空间分辨率上进行。它可以只包括一个基本层，也可以包括多个分辨率增强层。 对象的扩展性即是通过v o l 来实现的。 4 视频对象平面( v o p ： v i d e oo b j e c tp l a n e ) v o p 是v o 在某个时间的存在，是v o 在不同v o l 层的时间序列。 编码是基于v o p ( v i d e oo b j e c tp l a n e ) 进行的，如图2 4 ，编码器由形状编码 和运动、纹理编码构成。 1 4 第二章视频信息隐藏技术 任意形状9 0 p 图2 4m p e g 一4 编码器基本框图 v o p 的形状信息( 又称为a l p h a 平面) 对各个零散的v o 合成整个场景非 常重要。它是对场景分割各v o 的描述。一般v o 的形状是任意的，所以要对它 进行专门的编码。 和m p e g 2 相似，v o p 可采用帧内编码( i n t e r - v o p ，简称i - v o p ) 和帧间 预测编码( i n t e r - v o p ) 。帧间预测编码又可以分为前向预测编码( p - v o p ) 和双 向预测编码( b v o p ) 。帧间预测编码消除了视频信息的时间冗余。 对于各个v o p , m p e g 4 的编码和m p e g 2 也相似。首先把v o p 从左到右、 从上到下分成1 6 1 6 大小的宏块( m a c r o b l o c k 简称m b ) 。具体的形状、运动 和纹理编码仍是基于m b 进行的。所以一个m b 的信息是形状一运动一纹理 ( s h a p e m o t i o n t e x t u r e ) 的总和。 对于各个m b 的编码，可以分为四个8 8 ( b l o c k ) 的亮度( y ) 分量，和2 个8 x 8 块的色度( c r 和c b ) 分量分别进行编码。 对于m b 的形状信息，各种m b ( i m b ，p m b ，b m b ) 只在m b 级进行编 码。形状信息的获得首先要对图像进行分析和分割。把各个代表不同内容的对象 分割后用形状表示。形状信息通常用二值a l p h a 平面和灰度a l p h a 平面来表示。 二值a l p h a 平面可用上下文信息进行算术编码( c a e ：基于上下文的算术编码) 。 而灰度a l p h a 平面可用运动补偿加d c t 变换类似纹理编码一样进行编码。 对于p m b 和b m b 的运动信息，可以在m b 级，也可以在b l o c k 级进行运 动估计和运动补偿编码，运动补偿后，各块只留下残差图像。 对于i - m b ，其纹理信息就是其图像本身。对于p m b 和b m b ，其纹理信 息则是残差图像。m b 的纹理信息则是基于以上6 个b l o c k 进行8 8 d c t 二维变 换( 以消除视频信息的空间冗余) 、量化和h u f f m a n 编码。 第二章视频信息隐藏技术 m p e g 4 的编码方法便于操作和控制对象，用户可以在用户端直接对不同对 象进行合成，而传统基于帧的压缩方法是无法对对象操作的。然而，除了基于对 象的特点外，m p e g 4 还引入了一些其他的编码特点。m p e g 4 场景编码提出了 新的技术s p r i t e 编码，这种编码是针对一系列图像中都出现的像素组成的图 像即背景进行编码，将背景的运动用全局运动模型表示，利用运动参数直接得到 卷l 抽( w a r p i n g ) 的s p r i t e 以重建v o p ，全局运动是基于参数化的几何变换模型，如 平移、旋转、缩放等，我们称这种提取s p r i t e 的方法为全局运动补偿。简单的讲， s p r i t e 的提取是首先处理一段视频序列的每一帧，提取全局运动信息，基于这些 运动信息把这些帧连在一起。另外，m p e g 4 提供多分辨率的扩展编码功能，用 户可以根据需求选择不同的时间分辨率和空间分辨率，每种类型的扩展都涉及多 层，可以根据不同的应用选择不同的编码方式，适应变化的带宽要求。 由于视频信息隐藏系统的嵌入大多数在d c t 变换、量化d c t 系数、v l c 变字长熵编码这一过程中进行，因而本文选取这一过程算法进行分析。编码系统 首先将图像逐层分割，最小编码单位为8 8 像素块，图2 5 为8 8 像素块的编 码过程，图2 - 6 举例说明了对8 8 像素块的量化后d c t 系数矩阵进行v l c 编 码的过程。 避匝卜巨 匹垂 咂习掣0 1 0 图2 58 8 像素块的编码过程 ；8 盘化焉d c l 镙数矩鞲 -每 2 - r 羽 融一西 p - 固 ， ， ， ， p 1 ， ， 唯7 f粤 留 黛疆 疑 ， ， ， 分 ， ， 0 ， p 27 r，r秘 西 ， 审 ， 轼| ， 户 0 。 馨 上， 黛 9 ，j 玉 0 ， 寸 ， ， 铋 伢， 9 管办 ， ， 9 ， ， p 。 ， 疆 0 弘r铅 卿 j ，i 毽7 ， ， ? 0 。 ， 留 程 诺 窝 7 r曲 ， ， ， ， 矿 掣- 曾曾 召0 一0 ，。编鲫e n t 码字 ( l a s t ，r u n l e v e l ) 图2 - 6 v l c 编码示意 o l o l0 1 s 0 0 1 0l ll s llll s ll o s ll1l s o 0 0 11 1 0 1s 0 1 1 01 s o l 】t o o s 0 1 0 0ll s 0 0 0 10 0 0 0o s 0 1 0 0 0 0 s 0 0 1 00 0 1 s m e p g 4 标准的d c t 系数变长码表是对三维事件e v e n t ( l a s t ，r u n ，l e v e l ) 、， )1) 3 4 2 l 2 2 l l l l l ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，盘u ， ， o o o l o 2 3 4 6 l 9 7 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， o o o 0 o o 0 0 0 0 o l，l，l，l，l，l，l，l，l，l(，l 第二章视频信息隐藏技术 进行编码，与m p e g 2 标准相比除了r u n 和l e v e l 外还增加了一个l a s t ，l a s t = 0 说明这个块中还有其他非零系数，l a s