（通信与信息系统专业论文）视频水印在数字视频广播系统监控中的应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 广播电视是人们最常见、也是最广泛的视频形式，广播电视中会出现电视节目 盗播、广告不能按约定的时间、数量播放等各种问题，对电视节目播出过程进行实 时的不间断地监控，是保证节目准确播出的必要手段，而这些问题单纯靠人工来监 控不但费时、费力，效果也不理想。因此，将数字水印运用到视频广播监控上来， 期望能够通过数字视频水印实现监控的功能。 数字水印技术就是通过一定的算法将版权信息嵌入到被保护的数字载体信号 ( 如图像、音频、视频等) 中，来证明版权归属或侵权行为的技术，它已经成为多媒 体信号处理领域的一个研究热点。数字水印技术的研究和应用对版权保护、数据认 证和完整性检验、使用控制、广播监控、用户跟踪等方面都有非常重要的理论意义 和应用价值。 视频水印是利用视频存在的冗余数据与随机性，将与版权相关的信息嵌入到视 频内容中，从而起到版权保护、广播监视、拷贝控制、内容认证等作用。已有的视 频水印嵌入方法有：在原始视频中嵌入水印方法，在压缩过程中嵌入水印和在压缩 流中嵌入水印的方法。 本文在已有方法的基础上对用于广播监控系统的数字水印进行研究改进。选用 在原始视频中嵌入水印的方法，采用以d c t 变换运动预测补偿为核心的m p e g - 2 视 频压缩标准，选取运动变化剧烈的块，将有意义的二值图像嵌入到视频序列中，这 样即使水印信息有部分的损失，由于人眼的分辨率原因，水印信息仍能正确辨识， 提高了水印的鲁棒性；在水印的嵌入过程中，考虑相邻帧之间统计上的相关性，在 相近的帧中嵌入同样的水印信息，以有效的防止通过比较相近帧而消除水印信息的 共谋攻击；在水印嵌入前对水印图像进行置乱，提高水印的安全性；本方案可以反 映丢失帧的序号，实现对播放内容完整性的监控。 提取时是在播放端，首先将含水印的视频序列进行高通滤波，可以滤除视频信 号本身的大部分信息，可提高水印提取系统的性能；然后解调、叠加和重新排列， 经过解密，恢复出嵌入的水印图像。并根据算法进行了仿真实验，分三种情况对嵌 山东大学硕士学位论文 入的水印进行了相关检测。 在用户接收端根据监测到的水印分别记录相应广告播出的时间，实现对内容播 放完整性、播放时段一致性的监控，其精确度和智能化程度大大优于现有的大多数 广告监播系统。随着广播电视将逐步全面实现数字化的需求，以数字视频水印为研 究重点对协助规范广电领域的管理将具有重要意义。 论文最后总结了数字水印研究中一些亟待解决的问题以及下一步的研究重点， 展望了数字水印在视频广播监控、信息网络中的应用。 关键字：数字水印；视频水印；视频广播监控；肝e g 一2 ；d c t 变换 2 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t b r o a d c a s t i n gv i d e oi st h em o s tc o m m o na n de x t e n s i v ev i d e of o r m h o w e v e r , h e r e a r ev a r i o u sp r o b l e m si ni t , s u c ha sp i r a t i n gt e l e v i s i o np r o g r a m m e , d i s a g r e e m e n to nt h e t i m ea n dt h en u m b e ro ft h ea d v e r t i s e m e n t , a n ds oo n i ti san e c e s s a r ym e a s u r et h a t m o n i t o r i n gt h ep r o c e s so fp r o g r a mb r o a d c a s tt oe n s u r et h ep r o g r a m m e sb r o a d c a s t i n g a c c u r a t e l ya n dc o n t i n u o u s l y h o w e v e r , s o l v i n gt h e s ep r o b l e m sb ya r t i f i c i a lm o n i t o r i n gi s n o to n l yaw a s t eo ft i m ea n de f f o r t , b u tt h ee f f e c ti sa l s on o ti d e a l t h e r e f o r e ，w ea p p l y t h ed i i g i t a lw a t e r m a r kt ob r o a d c a s t i n gv i d e ot oa c h i e v et h em o n i t o r i n g d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi se m b e d d i n gt h ec o p y r i g h ti n f o r m a t i o ni n t od i g i t a lh o s t s i g n a l ( s u c h a si m a g e , a u d i o , v i d e o ) , a c c o r d i n gt o 翻跚田b p a r t i c u l a ra l g o r i t h m , t o a u t h e n t i c a t et h ec o p y r i g h ta n di th a sb e e nt h ef o c u si nt h ef i e l do fm u l t i m e d i as i g n a l p r o c e s s i n g t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r kw i l lb eo fg r e a tv a l u eb o t h i nt h e o r ya n di na p p l i c a t i o nf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o n , i n t e g r i t ya u t h e n t i c a t i o n , a c c e s s c o n t r o l ，b r o a d c a s tm o n i t o r i n g , c u s t o m e r st r a c k i n ga n ds oo n v i d e ow a t e r m a r k i n gi se m b e d d i n gt h ec o p y r i g h ti n f o r m a t i o ni n t ov i d e oc o n t e n tb y u s i n gr e d u n d a n c y a n dr a n d o m n e s so ft h ev i d e o rc a nb eu s e dt oc o p y r i g h tp r o t e c t i o n , b r o a d c a s t i n gm o n i t o r i n g ，c o p yc o n t r o l ，c o n t en tc e r t i f i c a t i o n ，c o v e r tc o m m u n i c a t i o n sa n d o n v i d e oe m b e d d i n gm e t h o d su s u a yc a l lb ed i v i d e da sf o l l o w ：e m b e d d i n g w a t e r m a r ki n t ot h eo r i g i n a l v i d e o ；e m b e d d i n g w a t e r m a r ki n t ot h ep r o c e s so f c o m p r e s s i o n ；e m b e d d i n gw a t e r m a r ki n t ot h ec o m p r e s s e ds t r e a m i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gm e t h o d sih a v ear e s e a r c ho nd i g i t a l w a t e r m a r k i n gu s e di nb r o a d c a s t i n gs y s t e m e m b e dm e a n i n g f u li m a g e si n t ot h ev i d e os e q u e n c eb yu s i n gt h em e t h o do f e m b e d d i n gw a t e r m a r ki no r i g i n a lv i d e o ，m p e g 一2v i d e oc o m p r e s s i o nw h i c hc o r e da s d c tc o n v e r s i o na n db i gb l o c ki ns e l f - a d a p t a t i o n ，b e c a u s eo ft h er e s o l u t i o no ft h e h u m a ne y e ，e v e ni fw a t e r m a r ki n f o r m a t i o nh a sl o s sp a r t l y , w a t e r m a r ki n f o r m a t i o nc o u l d b ei d e n t i f i e dc o r r e c t l y t h a tc a ni m p r o v et h e r o b u s t n e s so ft h ew a t e r m a r k i nt h ep r o c e s s o fe m b e d d i n g ，c o n s i d e r i n gt h er e l e v a n c eo fs t a t i s t i c sb e t w e e na d j a c e n tf r a m e ，e m b e d d i n g 3 山东大学硕士学位论文 t h es a m ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni ns i m i l a rf r a m ec a l le f f e c t i v e l yp r e v e n tv i d e o w a t e r m a r k i n ga t t a c k st h a tr e m o v et h ew a t e r m a r kb yc o m p a r i n gs i m i l a rf r a m e b e f o r et h e w a t e r m a r ke m b e d d i n g , s c r a m b l et h ew a t e r m a r ki m a g et oi m p r o v es e c u r i t yo ft h e w a t e r m a r k t h ew a t e r m a r ke x t r a c t i o ni si nt h ep l a y e rp a r t f i r s tf i l t e rv i d e os e q u e n c ew i t h w a t e r m a r k , w h i c hc a nf i l t e rm o s to ft h ev i d e os i g n a li n f o r m a t i o ni t s e l f , a n di m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fw a t e r m a r ke x t r a c t i o ns y s t e 札t h e nd e m o d u l a t e , a d da n dr e a r r a n g et h e v i d e os e q u e n c e a f t e rd e c r y p t i n gt h ee x t r a c t i n gi n f o r m a t i o n , w ec a l le x t r a c tt h e e m b e d d e dw a t e r m a r ki m a g e a tr e c e i v e r , t h eu s e rr e c o r d st h ea d st i m ea c c o r d i n gt ot h em o n i t o r e dw a t e r m a r kt o i m p l e m e n tt h em o n i t o r i n go ft h ei n t e g r i t yo f b r o a d c a s tc o n t e n ta n db r o a d c a s tt i m es l o t s c o n s i s t e n c y i t sa c c u r a c ya n di n t e l l i g e n c e a r cm u c hb e t t e rt h a nt h em o s te x i s t i n g b r o a d c a s ta d v e r t i s i n gm o n i t o r i n gs y s t e m 麟b r o a d c a s t i n gv i d e or e a l i z i n gt h ed e m a n d o ff u l ld i g i t a l ，f o c u s i n g0 1 1d i g i t a lv i d e ow a t e m a r kw i l lb eo fg r e a ts i g n i f i c a n c et oh e l p t h em a n a g e m e n to fr a d i oa n dt e l e v i s i o n f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h et o - b e - r e s o l v e dp r o b l e m si nw a t e r m a r k i n g r e s e a r c h , a n dt h ee m p h a s e so ff u r t h e rr e s e a r c h b e s i d e s , i tp r o v i d e sa l lo u t l o o ko fv i d e o b r o a d c a s tm o n i t o r i n ga n di n f o r m a t i o nn e t k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；v i d e ow a t e r m a r k i n g ；v i d e o b r o a d c a s tm o n i t o r i n g ： m p e g 2v i d e oc o m p r e s s i o n ；d c tc o n v e r s i o n 4 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已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：窒二蔓垒日期：望兰! ! ? ! ? 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 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 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑二薹兰导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 背景和目的 第一章绪论 随着电视的数字化，极大的拓展了广播影视节目的传播，使广播电视节目能 够更方便更快捷地传播，给广播影视节目的制作、传播和消费带来了全新的形态。 对电视节目播出过程进行实时地不问断地监控，是保证节目准确播出的必要手段。 电视媒体监测服务( 电视新闻监测，电视广告监测、监播) 已逐渐成了必不可少的 信息服务。目前大部分电视监测方法，在功能实现方面大多使用人工采集，采用的 是用长时间的录像机将每天的节目录制下来，等到播出结束后，回放录制的磁带， 来判断节目播出是否正常，在准确性、完整性、及时性各方面都存在弊端。 数字广播系统由信源播出系统、网络传输系统、条件接收系统、用户管理系 统、网络管理系统及节目调度系统等组成。信源播出系统包括：证券播出系统、 网站播发系统、文件播发系统、远程教育播出系统、媒体播出系统、视频播出系 统、卫星电视接收、外交互的视频点播系统( n v o d ) 及i n t e r n e t 接人系统等组成。 它们能够根据需要灵活组合，一台播控服务器可以播出多个不同种类信源。考虑 数字广播系统平台发展需要，可从证券播控系统、远程教育播出系统、多媒体播 出系统、文件及网站播出系统开始，逐步开展其他信源播出系统。用户管理系统 完成功能包括：用户授权及管理、节目管理、资源管理、计费、帐户管理等，同 时实现了用户管理与条件接收系统的集成，完成节目的加密及用户确认等功能。 节目调度系统完成节目的调度及控制，生成节目菜单并通知数字广播系统的d v b 网关，生成p s i ( s i ) 信息表。节目调度系统采用图表方式直观显示节目播出计划及 安排，操作人员在一定的授权下可以随时修改节目播出计划，插播广告等。节目 调度系统同时还具备一定的节目预览功能。网络管理系统完成网络的管理、节目 的监控等功能，它包括：故障管理、配置管理、性能管理、安全管理等功能。网 络传输系统包括数据广播网关、接口转换器、q a m 调制器、复用器等设备，完成 d v b 数据形成、传输及调制等功能。上述各系统相互关联、相互结合构成一个完整 数字广播系统平台，其相互关系如图i - i 所示。 5 山东大学硕士学位论文 图1 - 1 数字广播系统 随着计算机处理能力和网络宽带技术的迅速发展，以及各种实用视频处理技术 的出现，视频广播监控进入了全数字化的网络时代。数字监控与传统的模拟监控相 比，具有很多优点：如便于计算机处理；适合远距离传输；便于查找；系统易于管 理和维护等优点。近几年来，随着计算机网络技术、图像处理技术与通信技术的飞 速发展，极大的推动了监控技术的发展与更新。目前视频广播监控系统的研究已经 进入了一个高速发展的时期，行业竞争日趋激烈，传统模拟视频监控系统逐渐不再 适应社会发展的需要，监控产品也经历着从模拟化向数字化的革命。目前新崛起的 以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统得到了越来越广泛的应 用，它具有传统模拟监控无法比拟的优点，克服了传统视频监控的局限性，正在逐 步取代模拟监控，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势目 前，有很多性能良好的广播监控系统： 巴可的i s t u d i o 一体化广播电视监控管理系统n 1 是当前最先进的一体化高清晰 度监控管理系统，它由高清晰的背投显示单元、图像控制器和基于网络的操作软件 组成。单个投影显示模块可以同时显示最多达6 0 个录像或音频窗口，两至三个模 块可以合成一个大型的显示墙，同时对成百个信号进行控制管理，i s t u d i o 可以进 行点对点监控，并具备先进的警告能力。 i s t u d i o 具备良好的可靠性：i s t u d i o 专为每天2 4 小时，全年连续运行而设计， h y d r a 控制器电源可进行热插拔和无盘操作，维护非常方便经济，基于数字显像技 术( 多晶硅d l p t m ) 的系列化产品具备双灯备份功能，嵌入的备份光源可让您放心地 使用显示墙。 i s t u d i o 的应用领域：i s t u d i o 广泛用于演播厅、总控制中心、播放中心、上 6 山东大学硕士学位论文 行传送和下行接收监控系统中，在这些领域中，需要同时观看和控制的图像数量正 在急剧增加，可使操作人员不再局限于数量有限的监视器以及监视器的边框，他们 可以在屏幕的任何位置调节图像尺寸或移动虚拟监控器，以获得最大的图像。空间 大小不变，操作人员数量不变，改造后可以显示更多来源的图像，小巧灵活的 i s t u d i o 监控解决方案备受当今广播电视业好评，具有可按需要扩展、可随时升级、 良好的灵活性、快速安装、容易集成等特点。使用i s t u d i o 可以大大节省空间、简 化布线、降低运行成本和极大的提高工作效率；i s t u d i o 可以显示广电行业所有 类型的信号源，包括p a l 、s e c a m 和n t s c 等不同制式模拟信号、h d s d i 和模拟 r g b - h d 4 ：3 或1 6 ：9 的格式，以及模拟r g b 或数字d v i ( v g a 、s v g a 、x g a 、s x g a 、u x g a ) 钧计算机信号，每张图像都能按照实际分辨率完全输出，分辨率从s v g a 到u x g a ， 其它诸如计算机生成的数据、数字或模拟时钟，动画l o g o 以及计数器、信号源标 识和音量指示等，i s t u d i o 都可以将它们清晰地显示：i s t u d i o 开放式协议可以与 外部设备进行通信和集成，比如中控系统、自动化系统、路由器、操作支持系统等 等。基于x m l 的开放式界面，使得i s t u d i o 可以与所有管理和自动化系统完美整合 在一起；i s t u d i o 可以对图像中的音频部分实时进行检测，它能处理3 0 个s d i 信 道的嵌入音频( 每个信道可以有1 6 路音频) ，或者1 1 2 个模拟或a e s e b u 的外部音 频通道，主要功能包括：屏幕上的峰值计量、相位和响度计量，计量条可以自定义 尺寸、方向、位置和颜色；同时，为了简化问题分析和加快意外事件的处理，i s t u d i o 引入一个全新的概念广播管理监控系统，在实况报道中，新闻记者更希望能在 一个显示屏上看到多个场景的画面，将所有摄像机拍摄到的图像集中到一个屏上会 使整个事件更完整精确，这就是i s t u d i o 被称为户外广播车的最理想的解决方案的 原因。i s t u d i o 提供的强大功能是传统演播室监视器无法比拟的。 i s t u d i o 的先进报警功能：不间断地监控信号，如果信号中断则会自动报警， 它的图像控制器h y d r a 能检测输入信号的故障状态( 包括视频和音频) 并通过多种 途径通知操作员，然后h y d r a 通过s n m p 或x m s 向网络管理系统报警。如果屏幕上 出现报警信号，操作员就能检测到故障并采取必要的行动。h y d r a 可以监控屏幕上 的警告，建立日志文件，操作员可以根据在用户界面上的警告列表确认报警的性质。 n e x t a m p 数字电视水印系统是法国n e x t a m p 公司提供的数字电视监播解决方 7 山东大学硕士学位论文 案。它采用数字水印技术实现对数字电视内容的版权保护和权益管理。通过水印插 入器在数字视频流或视频文件中插入一个2 2 ，- - - 6 4 b i t 的不可见的水印标识，水印标 识具有自适应性，根据每幅图像的形状来对水印标识的不可见性和鲁棒性进行优 化，且无论对视频进行如何的编辑及编码格式转换、压缩解压缩，这一不可见的标 识都能被读取，都可以找到它的源头。该技术可以防止数字电视内容的非法使用， 实现内容追踪，抗击非法视频攻击。系统流程如图卜2 。 图1 - 2 利用数字水印技术的广播监控系统 该系统通过识别水印能准确证明特定形式和长度的广告已实际播放，验证广告 节目的完整性以及实际播放时段与付费时段的匹配性，提供在广播电视网络中播放 广告的证据，确保播放广告的收入。对电视节目内容广播权进行全面验证，确保当 前自动播放的节目与实际广播的视频节目原样一致，并对权利和元数据进行更新。 对第三方频道全部或部分节目进行连续监测，保护体育和新闻等高品质节目内容的 独家权利，统计节目内容被第三方频道引用或重新使用情况，持续追踪和检测已做 标明的节目，及时记录节目内容运行状况。 现有的广播监控技术还存在很多不足，在广播视频监播方面的性能还不完善， 当前的广播视频产品基本都是以压缩的形式进行传输或处理的，在这种情况下， 应用数字水印来监控广播系统的方法更加引起人们的关注，并已成为这几年国内 外学术界研究的热点。 1 2 主要研究内容 本文首先介绍了数字水印技术的基本原理、特性和应用，以及视频水印技术概 山东大学硕士学位论文 况。视频水印是利用视频存在的冗余数据与随机性，将与版权相关信息嵌入到视频 内容中，从而起到版权保护、拷贝控制、广播监视、内容认证等作用，视频水印技 术的应用范围还在不断扩展。 基于上述问题，接下来介绍了视频广播系统及其特性，主要阐述了视频的特点、 常用的m p e g - - 2 视频压缩编码系统及视频广播的独特之处。并由视频广播中出现的 诸如电视节目盗播、广告不能按预约的时间、数量播放等各种问题，引发了关于视 频广播监控问题的思考。查阅了大量中外文献和研究成果，不少学者提出了多种基 于m p e g 一2 的视频水印算法，有的算法将水印嵌入d c t 变换后的高频系数上，但嵌 入的水印鲁棒性较差；有的算法将水印嵌入到幅值较大且相角变化较小的运动矢量 上；也可将水印嵌入到d c t 域的中、低频系数上。本文在现有方法的基础上进行了 研究改进，在前人的基础上提出了自己的一些设想和方法，期望通过视频水印实现 对视频广播的监控。 在本文的最后做了实验仿真，并对检测结果进行了分析和总结。 具体做了如下研究和实验： l 、水印的嵌入：选用在原始视频中嵌入水印的方法，采用以d c t 变换运动预 测补偿为核心的m p e g - 2 视频压缩标准，自适应的选取运动激烈的块，将有意义的 二值图像嵌入到视频序列中，这样即使水印信息有部分的损失，由于人眼的分辨率 原因，水印信息仍能正确辨识，提高了水印的鲁棒性。 在水印嵌入前对水印图像进行置乱，提高了水印的安全性。要实现播放完整性 的监控，就需要能分辩很短的时间间隔，因此应在每一帧上都嵌入水印。在水印的 嵌入过程中，考虑相邻帧之间统计上的相关性，在相近的帧中嵌入同样的水印信息， 以有效的防止通过比较相近帧而消除水印信息的共谋攻击。 2 、水印的提取：提取时是在播放端，首先将含水印的视频序列进行高通滤波， 滤除视频信号本身的大部分信息，可提高水印提取系统的性能，然后解调、叠加和 重新排列( 为提高安全性，嵌入时对水印图像进行置乱，因此提取时需按索引重新 排列) ，经过解密，恢复出嵌入的水印图像。 3 、根据算法进行了仿真实验，分三种情况对嵌入的水印进行了相关检测： 嵌入水印后，在没有经过任何攻击的情况下水印能够被完全检测；经过m p e g 2 9 山东大学硕士学位论文 压缩后的检测，在压缩时由于各帧之间运动的差别，会造成某些帧因为被压缩的 程度大而丢失了水印的信息，但是对于每帧检测的结果大部分都在门限之上就说 明了水印能够被检测出来，但检测的结果差了一些；对于丢帧时的检测，基本 可以检测到丢了哪些帧，同样可以根据这个检测结果知道播放了多少帧。 实验结果表明，利用视频水印进行广告监播，在用户接收端自动地根据检测到 的水印，可以实现对内容播放完整性、播放时段一致性的监控。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章数字水印技术 2 1 数字水印的概述 l 、数字水印的概念 在大量的文献中常这样描述水印技术：在原始载体中嵌入一段秘密的信息来 证明作品的所有权，这些信息可以是文字、签名、序列号等，它们通常是不可感 知的。从这段描述中我们可以提取出这样一些内容：完整的水印系统应包括两个 基本要素载体和水印。水印具有不可感知的性质，再深入挖掘还可以发现： 水印与原始数据( 如图像、音频、视频数据) 紧密结合、并隐藏其中，它能够在经 历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作后而保存下来，即水印具有与载 体信息的一致性。这些都是水印必不可少的特性，将会在后面的内容中更详细地 论述，这里只是呈现水印的一个基本轮廓。 从学科上划分，数字水印属于信息隐藏的研究领域1 。信息隐藏主要研究如何 将某一机密信息秘密隐藏子另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递机 密信息。信息隐藏的另一个重要分支是隐写术( s t e g a n o g r a p ) 。这个术语来源于希 腊词根，字面意思是“密写一。一个有趣的例子可以用来说明水印与隐写术之间的 差异，故事中的奴隶主h i s t i a e u s 将秘密消息刺在一个奴隶的头皮上，然后派他去 m i l e t u s 的i o n i a n 城。在刺字后为了将消息隐藏起来，这个奴隶将头发重新留起 来，经过长途跋涉到达m il e t u s 后又将头发剃去，从而把消息展示给城市的统治者。 在这段故事中，对h i s t i a e u s 而言消息是最有价值的，而奴隶仅仅是消息的载体， 属于隐写术的范畴。但是如果奴隶头皮上的消息是“这个奴隶属于h i s t i a e u s ”， 就与我们前面对水印的定义一致了。如果别人宣称拥有这个奴隶，h i s t i a e u s 可以 用奴隶头皮上的信息证明自己的所有权，这时奴隶( 载体) 才是最重要的，消息仅提 供了有关载体作品的有效信息。从这个例子可以发现：水印嵌入的消息是为载体服 务的；而隐写术的载体是为了隐藏消息，消息才是最有价值的部分。这是水印和隐 写术的一个本质区别。 2 、数字水印框架模型 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 通用水印系统框架可统一表示为钉： 驴= c a ( i ) l 彩o ) 以i 呢 其中，表示维数d 的水印域，d = l ，2 ，3 ，分别表示声音、静止图像和视频中的 水印。u 表示水印信号的值域，可以是二值( u = 0 ，l 或u = 一l ，1 或者实数( 例 如高斯分布或均匀分布的水印) 。有时称为“原始水印”，以便区分于在嵌入 或检测过程中变换以后的水印f ( w ) 。水印的基本框架可以用六元组 ( x ，k ，g ，e d ) 表示： x 表示所要保护的数字产品x 的集合； w 表示水印信号的集合； k 表示水印密钥空间； g 表示利用密钥k 和待嵌入水印的数字作品x 共同生成水印的算法，即g ：x xk w 或w = g ( x ，k ) ； e 表示将水印w 嵌入数字作品) 【o 的水印嵌入算法，即e ：) ( 0 w k x 或x 。 = e ( ) ( 0 ，w ，k ) ，其中，x 。表示嵌入水印后得到的数字作品； d 表示水印检测算法，即d ：x x k 一 0 ，l ，其中 。叭f 1 ， 如果x 中存在w ( q ) 以以2l 。，如果x 中不存毒w d c b 时，嵌入一个位“0 ”；若 x l z a d c b ，则嵌入一个位“1 ”。 该算法中，攻击者不容易发现包含水印的所有帧。 d e g u i l l a r m e 等啪1 在视频序列的三维d f t 域中嵌入水印。因为在整个视频序 列上进行三维d f t 耗费巨大，所以首先将视频序列划分为连续的、非重叠的、长度 固定的帧序列，一般是1 6 或3 2 帧。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。水印嵌入时，将水印信号编码成扩频信号，对帧序列 进行三维d f t ；然后，选择d f t 系数的中频部分来嵌入水印。 s w a n s o n 等胁1 提出的采用三维小波变换的水印方案也是将视频序列看成三维 信号，并将视频序列按场景划分，这样水印处理就能够考虑时域冗余。视频序列中 视觉上类似的区域，即来自同一个场景的帧，必须嵌入一个一致的水印。水印嵌入 时，利用基于人类视觉系统的掩盖模型来保证嵌入到每个视频帧的水印是不可感知 的和鲁棒的。先对视频序列一个场景中的k 个帧进行三维小波变换，将变换系数分 为8 x 8 的块b i j ；对每一块a i j ，通过其o c t 得到频率掩盖矩阵，进而得到水印 矩阵w i j ( 水印包含视频信息，是非可逆水印) ，并根据空间域掩盖矩阵s i j ，在该 块中添加水印w i j ，所有块添加水印之后，进行逆变换则得到添加了水印的信号。 对视频进行三维变换，主要是利用时域上的相关性。低频为场景中的静态部分，高 频为场景中的动态部分，一般来说，只有保证对同一个场景中的视频序列进行三维 变换，才能充分发挥三维变换的优势。 p i v a 等陇1 利用了肝e g 4 基于内容编码的特点，提出了一种在肝e g - 4 视频 流的视频对象中嵌入水印的算法。该算法属于原始视频水印算法，因为它是一帧帧 嵌入水印的，在m p e g 一4 视频流的每个视频对象( v o ) 嵌入不同的水印，即水印嵌 入在视频对象经d w t 的系数上。该算法对m p e g 格式变换具有鲁棒性。水印嵌入时， 首先从视频帧提取视频对象，得到不同的图像，在每个图像嵌入不同的水印。 l i u 等乜羽提出了一种基于d w t 的视频水印算法，把多个信息位嵌入到没有压 缩的视频序列。该算法把水印看作通信问题，采用数字通信的一些技术( 如纠错编 码e c c 、3 0 交错技术、同步技术) 以减少误码率。嵌入过程如下： 第一步：对每帧图像的y 分量进行3 层小波分解，得到l o 个子带； 第二步：嵌入水印之前对l l 3 低频子带系数使用3 d 交错技术，以提高水印信 山东大学硕士学位论文 号的鲁棒性； 第三步：对水印信号用二进制随机序列进行调制，并用b c h 进行编码，以降 低检测误差； 第四步：b c h 编码的水印信号嵌入到经过3 d 交错处理的l l 3 子带系数。嵌入 水印时，用代表二进制1 或0 的数据位代替d w t 系数的一些最低有效位。 由以上分析可知，在变换域嵌入水印，可以综合利用人类视觉特性、视频序列 固有的时间和空间特性、频域变换和通信领域的最新技术，提高水印的鲁棒性。因 此在变换域嵌入水印，一直是人们研究的热点。 2 、压缩视频水印 在视频中嵌入水印一般考虑m p e g 编码标准。在m p e g 编码标准中，有三种图像 类型：内部编码帧( i 帧) 、前向预测帧( p 帧) 和双向预测帧( b 帧) 。i 帧的编码类似 于j p e g ，利用帧内相邻像素间的空间域冗余来压缩信息；p 帧编码时要用到先前的 帧，当前的帧又可以作为后面预测帧的参考帧：b 帧的数据压缩效果最显著，它的 预测需要先前和后续的信息，且自身不能作为其他帧的预测参考帧。p 帧和b 帧都 利用了相邻帧间的时域冗余来压缩信息，同时预测误差信号还可以迸一步的去除 空间域冗余。去除空间域冗余主要用到了d c t 、量化和熵编码技术；去时域冗余用 到了运动补偿、运动表示和运动估计等技术。 ( 1 ) 在d c t 系数中嵌入水印是目前研究最多的算法，可以借鉴图像d c t 水印 的成果，这方面的算法也很成熟。 l l a r t u n g 等提出利用扩频的思想在m p e g - 2 压缩视频中嵌入水印的算法。水 印信号经过扩展、放大和调制，得到一个拟随机序列：然后对其进行8 8 的d c t ， 并将d c t 系数叠加到m p e g - 2 码流的8 8 的d c t 系数上。它主要考虑两个问题： 第一，由于m p e g - 2 的d c t 系数是用变长编码进行编码的，系数在添加水印前后的 编码长度会发生变化。因此，如果要求不增加视频码流的长度，那么，在出现添加 水印后d c t 系数的编码比特数增加了的情况时，则仍将保留原有的系数。第二， m p e g - 2 编码方式中，帧间编码帧( p 帧和b 帧) 是从其他帧预测得到的，用一个 运动补偿向量来从其他帧重建当前帧，p 帧本身也可能作为其他帧的预测参考。一 个帧内的微小变化会在时间、空间上传播开来。因此，在水印信号之外，需要添加 3 9 山东大学硕士学位论文 一个偏移补偿信号来补偿前一帧的水印信号。 s i m i t o p o u l o s 等提出了一种在m p e g 流压缩域嵌入水印的算法，把视觉分 析和块分类技术结合起来，自适应地选择i 帧亮度模块d c t 域的量化交流( a c ) 系 数嵌入水印，水印系数w ( m ，n ) 是伪随机序列( 1 ) 、w ( m ，n ) 和对应的量化嵌入 标志m q ( m ，n ) 、分类标志c ( m ，n ) ( 分别由视觉分析和块分类过程产生) 的乘积加 到每个被选量化参数上，加入水印后的系数x q ( i l l ，n ) = x q ( m ，n ) + c ( i l l ，n ) m 0 ( m ，n ) w ( m ，n ) 该算法的优点是：在对d c t 系数量化之后嵌入水印，由于量化 之后执行m p e g 编码是无损操作，因此任何嵌入的信息不会在后续处理过程中丢失， 这样，当执行检测过程时，水印信息就会完整地存在于量化系数中。 ( 2 ) 在运动向量中嵌入水印 j o r d a n 等啪1 提出了一种直接针对m p e g 一4 编码视频流的水印算法，并通过修 改运动向量来嵌入信息。水印嵌入在一个运动向量的某个分量， 鲁棒性较好。每 帧随机选取一块，在每个运动向量可以嵌入2 个比特的信息。计算复杂度几乎可以 忽略，对于帧的比特率的影响也是非常小的。 z h a n g 等啪1 提出了一种对j o r d a n 方案的修正算法，只在运动矢量的幅值较大 的宏块嵌入水印，并且水印嵌入在运动矢量相角变化较小的分量上。具体算法如 下： 第一步：从视频流得到运动矢量； 第二步：计算运动矢量的幅值； 第三步：选择要嵌入水印的宏块，并计算该宏块的运动矢量的相角0 ； 第四步：根据e 的值确定在水平分量还是垂直分量嵌入水印。如果0 是锐角， 则在水平分量嵌入水印；如果0 是钝角，则在垂直分量嵌入水印：如果e = 4 5 。， 水平和垂直分量都嵌入水印。该嵌入水印的规则和 ( u t t e r 算法相同。 朱仲杰等乜刀汹1 提出了一种在m p e g - 2 压缩域的运动矢量中嵌入水印的算法。在 m p e g - 2 编码中每个图像组( g o p ) 采用1 2 帧图像，即1 个i 帧，3 个p 帧和8 个b 帧，在每个g o p 嵌入一幅水印图像，也就是每隔1 2 帧图像进行一次水印嵌入操作。 水印信息是一幅二值图像，为了增强算法的安全性和嵌入水印信号的鲁棒性，在嵌 入之前对水印图像作伪随机置乱。水印信息不是加到所有的运动矢量上，而是选择 山东大学硕士学位论文 其中的部分运动矢量来嵌入水印。嵌入算法如下：首先定义某一宏块的运动矢量特 征值p ，根据p 的值确定在运动矢量的水平分量还是垂直分量嵌入水印。该算法只 需要对运动矢量进行简单的判断和加减运算，因此计算复杂度很小。在运动矢量嵌 入水印的好处是：由于每个g o p 中b 帧和p 帧图像数量远远多于i 帧的图像数量， 运动矢量资源丰富，嵌入不会影响i 帧的图像质量。 ( 3 ) 在脸部运动参数中嵌入水印 h a r t u n g 等哺1 测提出了在m p e g 一4 脸部运动参数中嵌入水印的算法，仍然采用 了扩频通信的思想。在m p e g - 4 中定义了一个一般的脸部，并能够通过脸部运动参 数( f a c i a la n i m a t i o np a r a m e t e r ，f a p ) 运动起来。f a p 共有6 6 个，包括整个头 部的运动参数( a p 头的倾斜和偏转角度) 和局部的脸部运动参数( 即眼睑的张开、嘴 唇的张开、嘴角的运动) 。1 4 p e g - 4 编码过程中从视频序列中确定f a p ，可以将f a p 看成是随着时间变化的k l n a x 维向量f a p ( t ) ，k i i e l x 是所传输f a p 的数目( k m a x 6 6 ) ，t 是视频帧的整数时间索引值，f a p k ( t ) 是在时间t 第k 个f a p ( k ) l ，一， k m a x ) ) 水印的基本思想是将1 比特的水印信息散布到多于一个f a p 中，如m n 的f a p 块中。对要嵌入的比特信息，进行扩展、调制；然后进行低通过滤和振幅调 制，最后加到所选择的f a p 块中。从含水印的f a p 中提取嵌入的水印，需要从含水 印的f a p 中减去原始的f a p ；再用和水印嵌入相同的伪随机序列进行相关运算，然 后判断是否大于给定的阙值。但在某些情况下，不能直接得到f a p ，而只能得到播 放的视频序列；这时需要首先从播放的序列中估计出f a p ，然后从估计的f a p 中提 取水印。 该算法存在的主要问题包括：需要原始宿主信号，且水印提取出来的速率不是 均衡的；在水印嵌入和提取的处理中如何考虑人类视觉系统的特性。 ( 4 ) 在v l c 域嵌入水印 由于视频的数据量非常大，在原始视频中嵌入和提取水印不容易满足实时性 的要求。l u 等嘲提出的针对m p e g - 2 视频流的水印算法，它是在可变长编码 ( v a r i a b l el e n g t hc o d i n g ，v l c )