（系统分析与集成专业论文）基于h264的视频水印技术研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机的处理器运算速度、存储容量不断提高以及网络、多媒体技术的快速发展， 使得文本、图像、视频、音频等数字产品日益丰富。数字产品的批量复制和易传播特性在 给人们带来便利的同时，也给信息安全和数字产品的版权保护带来一些问题。其中大量的 视频产品的出现，如d v d 、高清数字电视、视频会议、v o d 等，使得视频产品版权保护 技术的研究与应用更为迫切。数字水印技术作为信息隐藏的一项重要分支，被公认是解决 多媒体信息安全的一种有效手段。 本文首先对视频水印技术及最新视频编码技术h 2 6 4 原理和关键技术进行分析和研 究，在此基础上根据视频内容特征提出改进的差分能量水印算法：通过引入能量分布公式， 分析视频图像的能量( 即纹理) 均匀程度自适应选择嵌入区域，提高了水印嵌入的有效性。 最后结合改进的差分能量水印技术和扩频技术提出一种可用于内容完整性认证和版权保护 的、半脆弱和鲁棒水印相结合的双重水印方案，该方案首先将二值水印图像扫描为序列， 并扩频处理，然后在h 2 6 4 帧内预测编码阶段根据一定的判定条件，将水印序列逐比特地 嵌入到i 帧每个宏块的4 个8 x8 子块所选定的某个中、低频变换系数中，水印嵌入具有一 定的自适应性，同时引入基于l a g r a n g i a n 优化算法的编码控制模型，以提高含水印视频码 流的率失真性能。第二层水印为改进的差分能量水印。最后对算法的嵌入和提取过程进行 了仿真实现。 实验结果表明，双重水印嵌入流程与h 2 6 4 a v c 标准相结合，提高了算法的可靠性， 并能a 很z 好地满足实时性的要求。 关键词：数字水印，视频，h 2 6 4 ，差分能量，l a g r a n g i a n 优化算法，扩频技术 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s so fc o m p u t i n gs p e e d , s t o r a g ec a p a c i t y , i n t e m e ta n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o n so f tt e x t , i m a g e s ，v i d e o ，a u d i oa n do t h e rd i g i t a lp r o d u c t sa r ei n c r e a s i n g l y r i c h t h ea d v a n t a g e so fd i g i t a lp r o d u c ti n c l u d ep e r f e c tc o p y i n ga n de a s i e ra n dm o r ee f f i c i e n t t r a n s m i s s i o no v e ri n f o r m a t i o nn e t w o r k , m a k eu sc o n v e n i e n t , b u ti n c r e a s ed e m a n do fi n f o r m a t i o n s e c u r i t yp r o t e c t i o n a n dm u l t i m e d i aa u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g i e s n o w a d a y s ，t h es t u d ya n d a p p l i c a t i o no fc o p y r i g h tp r o t e c t i o nt e c h n o i o g yi si ng r e a td e m a n d ，e s p e c i a l l yi nt h ec a s eo fd v d ( d i g i t a lv i d e od i s k ) ，h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ，c o n f i d e n t i a lv i d e oc o n f e r e n c i n 岛v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) ，a sw e l l 硒v a r i o u sd e f e n s ea p p l i c a t i o n s a sa m a i np a r to fi 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 gi sr e g a r d e d a u sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt os o l v et h es e c u r i t yp r o b l e mo f m u l t i m e d i ap r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r , w ef i r s td os o m ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ea n d h 2 6 4s t a n d a r d , a n do nt h i sb a s i s ，a ni m p r o v e dd 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 ga l g o r i t h m a c c o r d i n gt ov i d e oc o n t e n tc h a r a c t e ri sp r o p o s e d t h en e wa l g o r i t h mu s e st h ef o r m u l ao fe n e r g y d i s t r i b u t i o na n dc o n s u l t st h ev a l u eo fv i d e oi m a g ee n e r g y ( t e x t u r e ) a n dc o n t e n tc h a r a c t e r t h e a d a p t i v ee m b e d d i n gm e t h o de n s u r e st h ew a t e r m a r k i n gr o b u s ta n de f f i c i e n t a r e rt h i sw o r k , a n o v e ls c h e m eo fw a t e r m a r kf o rd u a la u t h e n t i c a t i o ni sp r o p o s e d , w h i c hc o m b i n e sw i t ht h e i m p r o v e dd e w a n ds p r e a ds p e c t r u m ( s s ) a n dw i t hs e m i - f r a g i l ew a t e r m a r ka n dr o b u s tw a t e r m a r k u s e df o ri n t e g r a l i t ya u t h e n t i c a t i o na n dc o p ) ni g h tp r o t e c t i o ns e p a r a t e l y s c h e m es c a n sab i n a r y w a t e r m a r ki m a g ei n t os e q u e n c e sf i r s t l ya n dp r o c e s s e st h e mw i t hs p r e a d s p e c t r u m ，a n dt h e n e m b e d sw a t e r m a r ks e q u e n c e si n t oc e r t a i nm e d i a n - f r e q u e n c yo r l o w f r e q u e n c y t r a n s f o r m c o e f f i c i e n t ss e l e c t e db i t - b y b i tb yi u d g m e n tu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n si na l l8 8s u b m a c r o b l o c k s o fe a c hm a c r o b l o c ko f1i - f l a m e si nh 2 6 4i n t r ap r e d i c t i o nc o d i n gs t a g e 1 1 h ee m b e d d i n gp r o c e s s h a sc e r t a i na d a p t a b i l i t y , a n di n t r o d u c e st h ec o d i n gc o n t r o lm o d e lb a s e do nt h ea l g o r i t h mo f l a g r a n g i a no p t i m i z a t i o nt oe l i m i n a t et h er a t e - d i s t o r t i o np e r f o r m a n c eo ft h ew a t e r m a r k i n gv i d e o b i t s t r e a m t h es e c o n dl e v e lw a t e r m a r ku s e st h ei m p r o v e dd e w a l g o r i t h m f i n a l l y , e x p e r i m e n t s a lep e r f o r m e dt os i m u l a t et h ee m b e d d i n ga n de x t r a c t i o ns c h e m e t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h ed u d a lw a t e r m a r k sc o m b i n e dw i t hh 2 6 4s t a n d a r d i m p r o v es e c u r i t ya n d t h er e a l - t i m ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t y k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r kv i d e o ，h 2 6 4 ，d i f f e r e n t i a le n e r g y , l a g r a n g i a no p t i m i z a t i o n , s p r e a ds p e c t r u m 缩写词表 d v d h d t v s s d c t d f t d e w m s e s n r p s n r g o p v c l n a l q o s q p c a v l c 斟c 缩写词表 d i 西t a lv i d e od i s k h i 曲d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n s p r e a ds p e c m w n d i s c r e t ec o s m et r a n s f o r m d i s c r e t elo u d e rt r a n s f o r i l l 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 m e a ns q u a r ee r r o r s i g n a lt on o i s er a t i o p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o g r o u po f p i c t u r e v i d e oc o d i n gl a y e r n e t w o r ka b s t r a c t i o nl a y e r q u a l i t yo fs e r v i c e q u a n t i z a t i o np a r a m e t e r c o n t e x t - a d a p t i v ev a r i a b l el e n g t h c o d i n g a d v a n c e dv i d e oc o d i n g 5 5 数字化可视光盘 高清晰度电视 扩频 离散余弦变换 离散傅里叶变换 差分能量水印 均方误差 信噪比 峰值信噪比 图像组 视频编码层 网络提取层 服务质量 量化参数 基于上下文的自适应的可变长编码 先进视频编码 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 矿 作者签名：王蠼堑 日期：沪z 占p 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，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复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论 文在解密后适用本规定。 作者签名： 至i 垒墓 日飙彳六 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息上程大学有关保留、使片j 学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，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，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循此规定) 作者签名： 日期： 导师魏徊垄 e l期：鱼翌：墨：妒 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 多媒体信息的数字化及计算机网络的发展为信息的存取提供了快速、高效和方便的途 径，信息的传播和获取，变得日益快捷和方便。人们可以借助扫描仪、数字相机和调制解 调器等电子设备将数字信息传送到世界的各个角落，因而使电子图书馆、在线服务、电子 商务和电子政务等先进的多媒体服务有了十分广阔的前景。然而，新技术的出现必然会带 来一些新的问题，特别是信息安全方面的问题。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复制，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：如何保护原作者的知识产权；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关键问题， 制约着数字化的发展，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，如何有效地保护知识产权，成为迫切需要解决的问题。 密码学作为版权保护的重要手段，是通过密钥保证数字作品的安全，控制访问权限， 但近几年这种情况有了改变。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，多媒体加密信息一旦破解后，其内容就完全透明了。随着计算机运算速度 的快速提高以及网络并行计算( p a r a l l e lc o m p u t i n g ) 技术的日益成熟，即使是d e s 、r s a 这些经典的加密算法，其安全性也受到了巨大的挑战。于是人们尝试将秘密信息隐藏于普 通文件中分发出去，用于跟踪侵权行为并提供法律保护的证据，这就是信息隐藏 ( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) ，近年来数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 己经发展为信息隐藏的主要 技术，并引起学术界的广泛关注0 , 2 j 。 自九十年代开始，数字水印c d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术的出现对于多媒体信息的版 权保护以及对信息的合法使用提供了一种新的解决途径【3 l ，并成为近年来数字化技术的一 个新热点。数字水印技术是将具有特定意义的标记( 水印) ，利用数字嵌入的方法隐藏在图 像、视频和音频等数字产品中，用以证明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性、可靠性，从而成为 知识产权和数字多媒体防伪的有效手段。其中的水印信息可以是特定序列号、公司标志或 是有特殊意义的文本、图像等，用来标识作者对数字产品的所有权。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，监视被保护信 息的传播、真伪鉴别及非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。 经过十多年的研究和发展，基于静态图像的数字水印技术已经相对成熟，并取得了不 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比较大。 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果 4 1 ，而视频水印，由 第1 章绪论 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比如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( 如重量化转码、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业界的浓厚兴趣，并日益成为国际上非常活跃的研究领 域。 水印技术存在的基础是其技术的先进性，其归根结底是利用信息的冗余来携带水印信 息，而视频压缩的目的是去除冗余，因此好的水印方案应该充分考虑视频压缩编码的新动 向，紧密结合当前及未来的标准进行研究。另一方面，压缩编码标准又会引入一些技术要 求，要实现一个在鲁棒性、安全性和水印嵌入容量等方面达到均衡的水印系统，要求水印 设计者必须熟悉和掌握视频编码器的工作流程。这就迫切要求水印技术跟新的h 2 6 4 a v c 压缩标准【5 】相融合，改进现有的水印算法，以适应新的应用环境。国内外学者已进行了大 量的图像数字水印算法和基本理论的研究，但是有关视频数字水印，特别是结合新标准 h 2 6 4 a v c 的视频水印的研究和开发还是比较有限的【6 j ，本文就是在总结前人研究的基础 上，进行了进一步的研究工作。 1 2 数字水印 1 2 1 数字水印的分类 数字水印技术可以从不同的角度分类： 1 、从抗攻击能力的角度分类。数字水印可分为鲁棒水印、脆弱水印与半脆弱水印。鲁 棒水印主要应用于版权声明，它应该经得起常见的攻击，包括：添加噪声，压缩( j p e g ， m p e g ) ，线性和非线性滤波，图像量化与增强，打印及重扫描以及几何攻击；脆弱水印主 要用于多媒体内容的真实性、完整性检验等应用，它对信号的改动很敏感，即使细小的影 响( 包括添加噪声，滤波，有损压缩等) 也会导致水印的难以检测和提取，它随着载体的 修改而被破坏；半脆弱水印对通常的非恶意处理( 如压缩) 不敏感，而对转变图像的信息 ( 比如替换一部分图像) 应该很敏感，是用于鉴定的理想水印。 2 、从水印检测时是否需要原始数据的角度分类。数字水印可分为盲水印( b l i n d w a t e r m a r k ) 、半盲水印( s e m i n o n b l i n dw a t e r m a r k ) 和非盲水印( n o n b l i n dw a t e r m a r k ) 。盲水 印的检测只需要密钥，无需原始数据和原始水印：半盲水印的检测无需原始数据，但需要 原始水印；非盲水印既需要原始数据，也需要原始水印。一般地，非盲水印比盲水印鲁棒 性强，更安全，但盲水印更符合所有权验证的需要，是水印算法的发展方向。 3 、从水印的嵌入位置角度分类。数字水印可分为空间域数字水印、变换域数字水印。 2 第1 章绪论 空间域数字水印是直接在信号空间上通过修改像素颜色或位置添加水印，变换域水印是事 先对原始数据信息进行各种变换再嵌入水印，如d c t 变换、傅立叶变换、小波变换等。 4 、根据密钥分类。数字水印可以分为对称水印和非对称水印。若嵌入和提取采用同样 的密钥，则称为对称水印( s y m m e t r i cw a t e r m a r k ) ，否则称为非对称水印( a s y m m e t r i c w a t e r m a r k ) 。非对称水印算法就是通信的双方，每一方有两把密钥，一把私钥专用匙，不 让他人知道；另一把为公钥，用接受方的公钥加密，只有合法的接受方有私钥才可以解密。 优点是：密钥数量大大减少，消除了经特殊保密的密钥信道分送密钥的困难，且便于实现 数字签名。 5 、根据载体分类。可以将数字水印划分为图像水印、视频水印、音频水印、文本水印、 关系数据库水印以及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展，会有更多种 类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。 1 2 2 数字水印的特点 在不同的应用环境下，对嵌入数字产品中的数字水印要求不尽相同，一般认为应具有 以下特点【7 - 9 1 ： ( 1 ) 安全性：嵌入的水印信息应该是安全的，难以被伪造的。 ( 2 ) 不可感知性：其一，视觉上嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应 该是不可察觉的；其二，采用统计方法将不能恢复水印信息或不能确定水印的存在。 ( 3 ) 鲁棒性( 稳健性) ：在多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印应该能够保持 完整性或被准确鉴别。信号处理过程包括信道噪声、滤波、重采样、剪切、位移尺度变化 及有损压缩编码等。 ( 4 ) 可证明性：数字水印应能为受到版权保护的数字产品的归属提供完全可靠的证据 而不引起争议。 1 2 3 数字水印模型 首先给出数字水印系统的基本模型，后面的分析基本都是建立在这个模型基础上的， 只不过针对不同算法，细节部分有些许的改动。一个典型的数字水印系统，一般包括水印 的生成、嵌入和提取( 或检测) 三部分【i o j ( 图1 2 1 ) 。 ( 1 ) 水印生成 水印信号的产生可以不依赖于原始作品，此时水印信号可以是版权信息、图标等有意 义的信息，或者是通过伪随机数发生器或混沌系统产生的无意义的伪随机数或混沌序列。 如果水印信号的产生依赖于原始作品，水印信号往往需要进一步的变换以适应水印嵌入算 法。 从信号处理的角度看，嵌入载体对象的水印信号可以视为在强背景下叠加一个弱信号， 3 第1 章绪论 只要叠加的水印信号强度低于人视觉系统( 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。 从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为一个在宽带信道( 载体对象) 上用扩频通信 技术传输一个窄带信号( 水印) 。水印的译码( 检测) 则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。 根据v o y a t z i s 和p i t a s 提出的思想，数字水印的基本框架如下。 定义水印为信号形， 形= w ( j i ) 1 w ( d b ，k 形4 ( 1 2 1 ) 这里形4 表示维数为d 的水印信号域，d = 1 ，2 ，3 分别表示声音、静止图像和视频图 像。水印信号一般是一些有意义的信息经过加密和调制形成的序列，表示为二值形式 b = 0 ，1 ) ，或b = - l ，1 ) ，或者是高斯噪声形式。 ( 2 ) 水印嵌入 水印嵌入就是把水印信号矿= w ( 七) ) 嵌入到原始作品瓦= 矗( 尼) 中，一般的水印 嵌入规则可描述为 ( 后) = x o ( k ) eh ( d w ( k ) ( 1 2 - 2 ) 其中。为某种叠加操作，也可能包括合适的截断操作或量化操作。h = 而( 七) 称为d 维( 声音l 维，图像2 维，视频3 维) 的水印嵌入掩码。最常用的嵌入准则如下，其中，口( f ) 用于控制水印嵌入强度。 ( f ) = x ( f ) + 口( f ) w ( f ) ，加法准则 ( 1 2 - 3 ) ( f ) = 攻f ) ( 1 + 口( f ) 以f ) ) ，乘法准则 ( 1 2 - 4 ) 图1 2 1 显示了水印嵌入的基本模型，表示水印被嵌入到原始作品( 载体) 当中的过程， 虚线表示在不同的算法中，密钥不是必需的。用公式来表示，水印嵌入就是把水印信号 形= w ( 0 ) 以一种不可见的方式加载到原始载体信号x = x ( 哪中去，得到含水印的作品 x w = ( 讲。 4 第1 章绪论 水印 形 l i 士 载x 体数据 二兰三 套晏：体数 密钥 k 图1 2 1 水印嵌入系统 ( 3 ) 水印提取或检测 水印的提取或检测可以需要原始作品的参与，也可以不需要原始作品的参与。图1 2 - 2 是水印提取或检测模型，虚框部分表示这部分不是必需的。 原始载体数据x 一 水印载体数据 或 水印提取或检 测算法 密钥 x 图1 2 - 2 水印提取或检测模型 水印或认证信 息形 综上所述，数字水印处理系统基本模型可以定义为一个六元组( x ，w ，k ，g ，孝，d ) 。其 中： 1 ) x 表示所要保护的数字产品的集合： 劲形表示所有式( 1 2 1 ) 可能水印信号形的集合； 3 ) k 是水印密钥的集合； 4 1g 表示利用密钥k 和待嵌入水印的数字产品x 生成水印信息的算法， 不依赖于产品本身时，这一步骤就可以省略。 g ：矿= a ( x ，k ) 5 当水印信息 ( 1 2 5 ) 第1 章绪论 5 ) f 表示将水印形嵌入数字产品x 的嵌入算法，即 善：l = 孝( ；c o 形) ( 1 2 - 6 ) 其中k 表示原始的数字产品，以表示嵌入水印后得到的数字产品。 6 ) d 表示水印提取或检测算法，即 d ：w = d ( 瓦，k ) ( 1 2 7 ) 7 = 三 孑，z0 曼 其中形表示提取出来的水印。 在某些水印系统中，用作水印提取时，负责从含有水印的作品中恢复出水印信号：而 作为水印检测系统使用时，则从水印作品中判断是否含有正确的水印信息。如果在进行水 印提取或检测时，不需要原始载体数据，则称这个系统是一个盲水印系统。后面的章节中 会提到，对视频水印来说盲检测非常重要。 在完整性认证系统中，必须能够精确地提取出嵌入的水印，并且通过水印的完整性来 确认多媒体内容的完整性。如果提取出来的水印发生了部分的变化，则希望能够通过发生 变化的位置来确定原始数据被篡改的位置。对于主要用于版权保护的稳健水印，因为可能 受到各种恶意的攻击，嵌入水印的数据经过这些操作后，提取出来的水印通常已经面目全 非，这时需要水印检测过程。 水印检测可能产生两种错误，这两个错误发生的概率分别称为虚警概率和漏警概率。 第1 类错误：产品中不存在水印，检测结果是存在水印( 错误肯定) ；第1 i 类错误：产品中 存在水印，检测结果是不存在水印( 错误否定) 。 1 3 数字水印的发展和研究现状 数字水印技术的学科特点在于它涉及图像处理、多媒体音视频技术、模式识别、密码 学、数字通信等多学科领域，以及这些领域的算法、思想和概念为基础。一个数字水印方 案一般综合利用这些领域的最新进展，针对不同的应用特性，各学科的学者们也提出了不 尽相同的算法。 t n k e l 掣3 】在1 9 9 3 年首先提出电子水印( e l e c t r o n i cw a t e r m a r k ) 的概念，正式提出“数 字水印”这一术语，他们针对灰度图像提出两种向图像最低有效位( l s b ) 中添加水印的 方案。v a ns e h y n d e l 在1 9 9 4 年的国际图像处理会议( i c i p 9 4 ) 上发表了题为“ad i g i t a l w a t e r m a r k i n g ”的文章【1 1 1 ，这是第一篇在主要会议上发表的有关数字水印的文章，其中阐 明了一些关于水印的重要概念，标志着这一领域的开始。初期的水印研究主要是脆弱水印， 鲁棒性较差。 为了提高水印的鲁棒性，1 9 9 5 年c o x 掣1 2 蟪出一种基于扩频通信的思想，将水印嵌入 图像感知上最重要的频域因子中的水印方案。c o x 方案已经成为数字水印技术中一个比较 6 第1 章绪论 经典的方案，但水印的提取过程需要原始图像的参与，即它不是盲水印方案。随后，p i t a s 等 1 3 3 4 】将混沌理论引入到数字水印算法中，使得算法的鲁棒性进一步提高，但是算法仍然 局限于空间域。k u n d u r 等【l5 1 提出了一种基于离散小波变换( d w t ) 的水印算法，通过修 改d w t 系数来嵌入水印，并且提出了利用脆弱水印对图像所经受的处理进行估计，使得 水印检测更加有效。k a n k a n h a l l i 等【l6 】研究了基于图像内容的数字水印技术，这与计算机视 觉的发展是密不可分的。 音频水印的研究最早见于1 9 9 6 年，b e n d e r 等在文献1 1 7 j 中提出了l s b ( 最低有效位) 编码、回声编码、扩频编码和相位编码等四种算法；b o n e y 掣1 8 1 将c o x 方案应用到音频信 号中，取得了很好的实验结果。1 9 9 7 年，h a r t u n g 掣1 9 j 提出种利用扩频思想在原始视频 中嵌入水印的算法，从而开启了视频水印研究的新篇章。 此外，很多学者还提出了一些对数字水印进行攻击的方法1 2 0 1 ，非常有助于鲁棒性要求 很高的数字水印技术的研究。 1 9 9 6 年5 月，国际第一届信息隐藏学术讨论会在英国剑桥牛顿研究所召开，以后该研 讨会每年举办一次至今，数字水印技术是其主要议题之一。s p i e 从1 9 9 9 年开始举办专门 的“多媒体内容安全与水印”研讨会，i e e e 也出版了关于数字水印的专题。1 9 9 9 年1 2 月， k a t z e n b e i s s e r 和p e t i t e o l a s 等【2 1 1 出版了该领域的第一本专业著作 i n f o r m a t i o nh i d i n g t e c h n i q u e sf o rs t e g a n o g r a p h ya n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) ) 。 欧美一些著名大学和研究机构，如美国麻省理工大学、哥伦比亚大学、英国剑桥大学 以及n e c 研究所、m m 研究所等，已相继投入了大量人力、财力致力于该项研究，并取得 了一些研究成果。美国麻省理工学院媒体实验室( m i t m e d i a l a b ) 在这方面作了大量的研究 工作，他们研究将信息隐藏于图像、声音及文本之中。m m 在日本的研发中心专门有信息 隐藏研究小组，同时，i b m 公司出资资助m tm e d i al a b 开展信息隐藏的研究。日本国防 学院( j a p a nn a t i o n a ld e f e n s ea c a d e m y ) 的k m a t s u l 教授提出将数字签字隐藏于图像中的 几种方法。美国n e c 研究学院( n e cr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 提出利用扩频通信的方法将数字 水印隐藏于图像之中。另外，还有一些知名公司也开展了一系列的研究工作并开发出一些 初级的软件和硬件提供有关版权保护的服务。随着理论研究的深入，很多从事信息隐藏研 究的公司或团体纷纷推出了相关的软件和硬件。日本电气公司、日立制作所、先锋、索尼 及i b m 等公司联合开发了统一标准的基于数字水印技术的d v d 影碟防盗版技术；德国在 利用数字水印保护及防止伪造电子照片的技术方面取得了很大进展；由欧洲委员会资助的 几个国际研究项目也正致力于实用的数字水印的研究。 我国也在数字水印研究领域加大了投入，中科院模式识别国家重点实验室、中科院计 算所c a d 开放实验室、北京大学、浙江大学、北京邮电大学、上海交通大学、国防科技大 学、复旦大学等多家科研机构与高校对信息隐藏的研究近年来也在逐步展开。国家高技术 研究发展计划( 8 6 3 计划) 信息安全课题的提出以及电子出版物的版权保护、电子商务、 电子政务、网上银行以及网上购物等业务的发展，必将促进我国对于该领域技术研究的进 一步发展。 7 第1 章绪论 1 4 本文主要研究工作和结构安排 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，提出了一种基于h 2 6 4 低比特 率视频码流的鲁棒盲水印方案。最后，利用h 2 6 4 a v c 标准参考软件j m 8 6 和v i s u a lc + + 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，简单地介绍了数字水印的概念及应用，概述了水印 技术的发展历史及研究现状。 第二章：对数字视频水印技术概念、特性和视频水印框架进行了较详细的阐述，在此 基础上重点研究了几种传统的视频水印处理算法，并对这些算法的性能进行了分析和比较。 第三章：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、编码控制、熵编码等关键步骤的技术实现进行 了较详细的分析和研究。 第四章：结合h 2 6 4 a v c 视频编码标准，提出能量差比率和能量分布公式的概念，改 进传统的差分能量水印算法( d e w ) 。 第五章：是本文的核心内容。在综合分析的基础上，提出了一种基于h 2 6 4 低比特率 视频流的结合改进的差分能量水印算法和扩频水印算法的双重水印方案，系统地阐述了此 算法的水印生成、嵌入策略和提取机制，并对这个算法进行了实现仿真和分析总结。 第六章：论文结束总结，并提出了下一步的工作方向。 最后是参考文献、攻读硕士学位期间发表的论文。 8 第2 章数字视频水印技术综述 2 1 引言 第2 章数字视频水印技术综述 视频是由许许多多幅按时间序列构成的连续图像集合，因而它具有许多与图像相似的 性质。视频水印研究的初期，大量期刊文献都将视频看作图像序列的简单组合来处理，沿 用了图像水印的一些算法f 2 2 郅1 。这在当时也有力地推进了视频水印的发展。其实，相同的 现象在其它的视频处理中也出现过，如最早的视频编码方法m o v i n gj p e g ( m j p e g ) 就是 将视频的每一帧独立使用j p e g 的方法来编码的【2 4 乃j 。 然而，作为一种不同的载体形式，视频与图像相比，有着明显的区别。具体来说视频 本身具有不同于静止图像的诸多特性，如过多的数据冗余、运动区域与非运动区域的分布 不平衡等，且包括时间域掩盖效应等特性，能承受更大的数据载荷。在图像水印中，嵌入 的水印信息容量是十分有限的，而对于视频而言，水印信息可以分散到连续的画面( 图像 帧) 上，但是，两者之间的差异也使得视频水印需要满足一些特殊的要求。 2 2 视频水印的基本特征与分类 数字视频水印是嵌入在视频中的信号，它使人们能够建立版权认证，判别所有者，对 视频的完整性或者合法性提供信息，由于数字视频是连续播放的，相邻画面之间内容有高 度的相关性，并且还存在动态编解码的过程，因此，视频水印具备一些独有的特征，概括 如下1 2 6 】： ( 1 ) 实时处理性：水印嵌入和提取应该具有低复杂度。然而不同的应用有不同的要求。 如果水印是用于追踪，每个接收端都必须提取水印，则水印提取应该容易。如果为不同的 接收者嵌入身份标识，水印处理在大量的分布视频序列上，而水印提取只是在出现版权冲 突时才进行。因此，为了考虑水印受到的所有可能的攻击，水印提取比较复杂，而水印嵌 入在这种情况下复杂度应该低。 ( 2 ) 随机检测性：可以在视频的任何位置、在短时间内( 不超过几秒钟) 检测出水印。 随机检测性比实时性具有更严格的要求：一个水印方案是实时的，但是如果只能从视频的 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一 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，现在最常用的视频压缩编码标准是m p e g - 4 和h 2 6 4 a v c 。如果是在压缩视频 中嵌入水印，水印嵌入在视频编码过程中的数据中，水印算法与视频压缩编码标准相结合； 如果是在原始视频中嵌入水印，由于水印嵌入是利用视频的冗余数据来携带信息，而视频 压缩编码则需要除去视频中的冗余数据，如果不考虑视频压缩编码标准而盲目地嵌入水印， 9 第2 章数字视频水印技术综述 则嵌入的水印很可能在编码过程中就完全丢失了。 ( 4 ) 盲水印方案：若检测时需要原始宿主信号，则称为非盲水印，否则称为盲水印( b l i n d w a t e r m a r k ) 。使用原始的宿主信号，更有利于检测和提取信息。但是，检测时用到的原始 宿主信号容易暴露给恶意的攻击者。而且，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，但由于数据量巨大，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。因此，除了极少数的方案外，目前主要研究 的是盲视频水印技术。 ( 5 ) 鲁棒性：对于视频数据，还存在一些特有的处理和攻击方法，必须保证水印方案 对这些处理和攻击的鲁棒性。在视频上的任何处理，只要没有将视频破坏到失去使用价值 的地步，都应该不会破坏所嵌入的水印。 从不同角度，可以对视频水印进行不同的划分，表2 2 1 列出了几种常见的分类方法 f l o j 6 。 表2 2 1 从不同角度对水印算法进行划分 分类标准划分内容 载体类型原始视频、压缩视频 嵌入域空域、频域、小波域 鲁棒性鲁棒、半脆弱、脆弱 视觉特性可见、不可见 是否需要密钥对称、非对称 水印内容无意义、有意义 每类水印都存在着优点和不足，具体应用时，应根据应用场合及要求的不同，选择合 适的视频水印算法。 2 3 视频水印系统的性能及评估标准 从上一节介绍中已经知道，由于视频文件的数据量十分巨大，尽量提高算法的效率， 才能满足视频水印实时应用的要求，除此之外，还需要对算法的鲁棒性进行评价，包括由 水印处理和攻击引入的失真的主观和定量评价。对合理的基准和性能评价来说，应保证考 察的方法是在可比较的条件下进行，同时应在不同的测试条件下有相同或相似的结果。影 响水印性能一般有如下几个因素 1 0 , 2 6 ： 1 ) 嵌入水印信息的数量：因为它直接影响水印的鲁棒性和不可感知性，所以是一个重 要的参数。一般来说，要嵌入的信息越多，水印的鲁棒性就越差。相对于图像载体来说， 视频可嵌入的水印信息量要大的多。 2 ) 水印的嵌入强度：水印的嵌入强度( 对应鲁棒性) 和水印的可感知性之间有个平衡。 强度的增加可以达到强鲁棒性，然而也增加了水印的可感知性。 3 ) 水印载体的大小和种类：载体信号的尺寸大小和特征对水印算法的性能有直接的影 1 0 第2 章数字视频水印技术综述 响。 4 ) 密钥信息：尽管密钥信息对水印的不可感知性以及鲁棒性没有直接的影响，然而在 系统的安全性方面却充当了重要的角色。密钥空间应取的足够大，以防止攻击者采用穷举 搜索法进行攻击。因此良好的水印系统应该遵循基本的密码学原则。 综合以上这些影响水印技术的因素，可以得知要获得合适的基准和性能评估，水印嵌 入方法必须要针对不同的数据信息进行测试。因为水印的鲁棒性和不可感知性之间存在着 对立关系，因此要进行合理的评估和比较。在评估过程中需要考虑不可感知性的影响，而 这可以通过主观测试或者质量度量来衡量，主观测试对最终的质量评价和测试是有实用价 值的，但是在研究和开发情况下并不是很有用，而质量度量到目前为止还没有通用的度量 标准。 视频水印的性能评估中常用的性能指标1 2 , 1 0 如表2 3 1 所示： 表2 3 1 视频水印常用的性能指标 i1，1 均方差m s e m s e 2 万茜萎- 1 荟i v - 1 ( 厂( 五y ) 一无( 而y ) ) 2 s n r 圳- g 去斟如志篓篓川一而2 信噪比s n r 可= 志1 m 萎- i 萎n - i m 川 峰值信噪比 p s n r 划唱丽2 5 5 圳- g 篙 p s n r w ( i ，j ) xw ( i ，) n c ： 信oj 一 相似性系数n c i m 一1n - 1 m - in-im-li v - t vi y 0 j = o 吣m 吣力i = 0 j * o 邶州( “) 2 4 视频水印的嵌入提取方案与框架模型 目前，水印技术与视频编解码系统( 如m p e g 4 和h 2 6 4 )