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鲁棒性视频水印研究 专业：通信与信息系统 硕士生：郭耀松 指导教师：方艳梅副教授黄继武教授 摘要 随着网络和多媒体技术的发展，图像、音频和视频变得更加流行，得到广泛 的传播。人们可以方便的利用编辑软件对多媒体数据进行修改重新发布，多媒 体产品的版权容易引起纠纷，因此多媒体产品的版权保护是一个亟需解决的技术 难题。数字水印技术是多媒体产品版权保护的有效手段，广泛的应用于版权保护、 拷贝控制等领域。本文针对原始视频和h 2 6 4 视频编码标准，分别提出了不同鲁 棒性的视频水印算法。主要工作如下： ( i ) 提出了基于原始视频的鲁棒性水印算法。基于三维离散小波变换( t h r e e d i m e n s i o nd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o t - i l l ：3 d d w t ) 对视频序列进行时空多分辨 率分析，利用基于模运算的嵌入策略把水印信息嵌入到三维小波低频子带系数上。 实验结果表明，该水印方案具备良好的鲁棒性，能够有效抵抗帧交换、帧平均等 时间轴上的攻击。 ( 2 ) 提出了基于h 2 6 4 视频编码标准的鲁棒性水印算法。根据人类视觉系统 模型( h u m a nv i s i o ns y s t e m ：h v s ) 原理，选择p 帧宏块中最大运动向量( m o t i o n v e c t o r ：m v ) 作为嵌入对象。同时结合h 2 6 4 帧间预测的特点，对该m v 进行 量化处理，得到独立的两个区域。根据嵌入不同的水印信息，修改运动向量的大 小和方向，使它指向不同的区域。为了增强水印性能，算法利用扩频技术，在 h 2 6 4 码流中嵌入鲁棒性的水印信息。实验结果表明，该嵌入方案能够有效抵抗 重编码压缩、对比度增强、高斯白噪声等攻击，具备良好的鲁棒性。 关键字：视频水印，多分辨率分析，运动向量，1 4 2 6 4 r e s e a r c ho nr o b u s tw a t e r m a r k i n gf o rv i d e o 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 ：g u oy a o s o n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f f a n gy a n 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 ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dm u l t i m e d i a ，d i g i t a lm e d i as u c h 雒i m a g e ， a u d i o ，a n dv i d e oa r ew i d e l ya p p l i e di nm a n ys i t u a t i o n s k i n d so fe d i ts o f t w a r ea r e a v a i l a b l ea n dc o n v e n i e n tf o rp e o p l et ot e m p e rm u l t i m e d i ac o n t e n t sa n dr e l e a s e ，t h u s t h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fm u l t i m e d i ap r o d u c tb e c o m e sas i g n i f i c a n tp r o b l e mt ob e s o l v e du r g e n t l y d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sas o l u t i o nt op r o v i d ec o p y r i g h tp r o t e c t i o n 【n t h i sp a p e lw ef o c u so nt h er e s e a r c ho fv i d e ow a t e r m a r k i n g ，a n dp r e s e n tt w od i f f e r e n t r o b u s tw a t e r m a r k i n gs c h e m e sa st h ef o l l o w i n gd e s c r i b e s ： ( i ) t oh a v ep r o p o s e dar o b u s tw a t e r m a r k i n gs c h e m ef o ro r i g i n a lv i d e o f i r s t l y v i d e of l a m e sa r et r a n s f o r m e du s i n gt h r e e d i m e n s i o n a ld i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m ( 3 d d w t ) f o rt e m p o r a l s p a t i om u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s w a t e r m a r kb i t s a r ee m b e d d e di n t ot h e c o e f f i c i e n to fl o w f l e q u e n c ys u b b a n di n3 d d w td o m a i n ， u s i n gm o d u l a ro p e r a t i o ne m b e d d i n gm e t h o d w a t e r m a r ke n e r g yi ss p r e a di n t oe a c h f r a m eo ft h ev i d e o e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ew a t e r m a r ka c h i e v e s g o o dr o b u s t n e s sa g a i n s tv a r i o u sa a a c k ，s u c ha sf l a m es w a p p i n g ，f r a m ea v e r a g e ，e t c ( 2 ) t oh a v ep r o p o s e dar o b u s tw a t e r m a r k i n gf o rh 2 6 4v i d e o a c c o r d i n gt o t h eh u m a nv i s i o ns y s t e m ( h v s ) m o d e l ，l a r g e s tm o t i o nv e c t o r ( m v ) i np m a c r o b l o c k i ss e l e c t e dt oe m b e dw a t e r m a r k u t i l i z i n gt h em o t i o nc o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f h 2 6 4a n dt w oi n d e p e n d e n ts q u a r ez o n e sa r ed e t e r m i n e db yt h eq u a n t i z e dm v s d i f f e r e n tw a t e r m a r ki se m b e d d e di n t od i f f e r e n tz o n e sb ym o d i f y i n gt h ev a l u eo ft h e m v t oe n h a n c et h er o b u s t n e s so fw a t e r m a r k i n g ，s p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g yi su s e d i ns c h e m e w i t ht h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，t h ew a t e r m a r k i n gs c h e m ec a na c h i e v eg o o d r o b u s t n e s sa g a i n s tr e c o m p r e s s i o na n dc o m m o ns i g n a lp r o c e s s i n ga t t a c k s s u c ha s i l l g a u s s i a nf i l t e r i n g ，c o n t r a s te n h a n c e m e n t ，b r i g h t n e s sc h a n g e ，g a u s s i a nn o i s e ，e v e n s l i g h tr o t a t i o n ，w h i l ek e e p i n gh i g hv i s u a lq u a l i t yo ft h ew a t e r m a r k i n gv i d e o k e yw o r d s ：v i d e ow a t e r m a r k i n g ，m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ，m o t i o nv e c t o r , h 2 6 4 插图 图2 1 数字水印系统框图4 图2 2 视频水印不同嵌入及检测位置示意图1 0 图2 3h 2 6 4 编码器1 4 图2 - 4h 2 6 4 解码器1 4 图2 5 运动补偿的宏块分割1 6 图3 1 图像二维小波分解示意图2 0 图3 2 图像二维小波重构示意图2 0 图3 3 视频序列图像示意图2l 图3 4 时空三维小波变换示意图2 2 图3 5 空时三维小波变换示意图2 3 图3 - 6 视频水印嵌入示意图2 4 图3 7 嵌入的水印以及嵌入后的视频图像2 7 图3 8 高斯白噪声攻击的鲁棒性2 7 图3 - 9 帧交换攻击下的鲁棒性2 8 图3 1 0 帧平均攻击下的鲁棒性2 8 图3 1 lm p e g 压缩下的鲁棒性2 9 图3 1 2f o o t b a l l 视频帧删除b e r 曲线及重构水印图像2 9 图3 1 3c o a s t g u a r d 视频帧删除b e r 曲线及重构水印图像3 0 图3 1 4h 2 6 4 压缩下的鲁棒性3 0 图4 1 水印嵌入方案流程图3 4 图4 2 水印嵌入过程示意图3 6 图4 3 测试序列嵌入水印前后p s n r 变化3 8 图4 4 水印嵌入后视频失真比较3 8 图4 5 不同q p 重压缩编码下的鲁棒性4 0 图4 6 不同程度对比度增强下的鲁棒性4 l 图4 7 不同程度亮度减弱下的鲁棒性4 i 图4 8 不同旋转角度下的鲁棒性4 2 v 1 i 图4 - 9 不同程度a g w n 下鲁棒性4 3 图4 1 0 不同程度高斯滤波下鲁棒性4 3 v i l l 3 d d 、”： 3 d i d w t ： b m a ： c a b a c ： c a v l c ： d c t ： d f t ： d 、”： h v s ： i c a ： l s b ： m c ： m p e g ： m s e ： m v ： m v d ： m v p ： p s n r ： s a d ： s 吧： v c e g ： 缩略词 t h r e ed i m e n s i o nd i s c r e t ew a v e l e tt m n s f o r m t h r e ed i m e n s i o ni n v e r s ed i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r n l bl o c km a t c h i n ga l g o r i t h m c o n t e x t a d a p t i v eb i n a r ya r i t h m e t i cc o d i n g c o n t e x t - a d a p t i v ev a r i a b l e l e n g t hc o d i n g d i s c r e t ec o s i n et r a n sf o r m d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r n l d i s c r e t e 肠v e l e tt r a n s f o r i l l h u m a nv i s i o ns y s t e m i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s l e a s ts i g n i f i c a n tb i t m o t i o nc o m p e n s a t i o n m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p m e a ns q u a r ee r r o r m o t i o nv e c t o r m o t i o nv e c t o rd i 脓r e n c e m o t i o nv e c t o rp r e d i c t i o n p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o s u mo f a b s o l u t ed i 肤r e n c e s i n g l ew a t e r m a r k i n ge m b e d d i n g v i d e o c o d i n ge x p e r t sg r o u p 论文原创性声明 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 或集体已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：言p 鄢仫 日期：) o d 罗年，月2 2 日 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复制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：言f ) 劣褶仫 导师签名： 日期：) d 护年歹月2 2 日 啉砷年岁月2 2 日 鲁棒性视频水印研究 第1 章绪论 作为一种新兴的多媒体信息安全技术，数字水印技术引起越采越多学者的关 注，它广泛地应用于多媒体版权保护、拷贝防止等方面。本文主要研究了原始视 频和最新视频编码标准h 2 6 4 的视频水印方案。本章主要介绍了论丈的选题背景 和意义，并简单概述了论文的主要工作和结构安排。 1 1 论文的研究背景及意义 随着数字多媒体技术以及互联网技术的发展。图片、音频和视频等数字媒体 变得更加流行，得到广泛的传播与应用。联网p c 机也逐渐走进千家万户，数字 媒体的应用发布变得更加方便快捷。电子商务及在线服务得到迅速发展，数字电 器设备逐渐取代传统的模拟电器，相应的数字媒体的录制、存储变得更加容易， 人们可以随时、随地的欣赏电影等数字产品。数字媒体无损拷贝复制的特点，使 得其拷贝传播日趋泛滥。同时多样化的图片和音视频编辑软件在给人们带来便利 操作的同时，也为数字产品篡改提供了极大可能性。因此数字媒体的版权保护成 为亟需解决的难题，如何有效地防止数字产品被肆意拷贝、篡改和非法传播等相 关问题的研究，成为国内外人们研究的热门课题【i 】 2j 【3 j 【引， 为了有效地为图像、音频和视频数据提供版权和拷贝防止的保护，现今有两 种互补的技术手段得到越来越多的应用：加密技术和数字水印技术【5 。 加密技术是信息安全领域的传统技术，现有的数字产品内容保护多采用加密 的方法，即在信源端用现代密码技术( 如d e s 或a e s 等加密标准) 对多媒体数 据进行加密，并以密文形式发布，密文在信道的传输过程中，非法用户没有合法 密钥无法正确获得数字产品内容，从而达到对数字产品内容保护的目的。但是加 密技术只能用于从信源到信宿的信息传输中，一旦在信宿端密文被正确解密，数 字产品就等同于原始数据，没有任何的内容保护措施，加密技术不能够解决数字 产品再次非法分发和篡改等版权保护问题 6 】。因此迫切需要一种替代技术或者 补充技术，在数字产品内容被解密后能提供持久的版权保护。 中山大学硕士学位论文 数字水印技术是一种信息隐藏技术，在不影响人类视听觉情况下，通过把秘 密信息嵌入到数字图像、音频和视频等数字媒体中，有效地保护数字产品的版权、 证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息 7 1 。嵌入的秘密 信息可以是版权标志，用户序列号或者是产品的相关信息。数字水印技术在数字 产品中嵌入标志版权的秘密信息，这些嵌入的信息不会因常规操作而去除，因此 可以作为加密技术的有效补充手段对数字产品提供持久性版权保护。数字水印技 术一方面弥补了密码技术的缺陷，因为它可以为解密后的数据进一步提供保护； 另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名的缺陷，因为它可以在原始数据中一 次嵌入大量的秘密信息 8 j 【9 】【1 0 j 。 目前，针对数字水印的研究多集中于静止图像，在视频水印方面只有少数算 法被提出，并且存在很多不完善的地方。从某种程度上讲，视频水印技术可以看 作是图像水印的扩展应用，但并不是所有的图像水印算法部适用于视频水印，因 为视频本身存在许多有别于图像的特性，比如：视频除了具有空间二维尺度特性， 还具有时间一维尺度特性：视频编码标准和图像编码标准存在技术细节上的差别； 视频数据量大，对算法的复杂度有着更高的要求。因此视频水印将是一个富有挑 战性而有广泛应用前景的研究领域。本文将就视频水印展开一些研究。 1 2 论文的主要工作 本文的重点是对原始视频和最新视频编码标准h 2 6 4 的鲁棒视频水印进行 研究。主要工作有： 【) 基于模运算的三维小波水印嵌入方案 本文把基于模运算的嵌入方法应用于三维小波视频水印方案中，该嵌入方法 有效地把嵌入引起的失真均匀地分布在尽量小的空间上。本文提出用基于模运算 的嵌入方法，把水印信息嵌入到3 d d w t 的低频子带系数中。3 d d w t 的低频 子带系数反映视频逼近帧的静止部分，水印扩散到视频序列的每一帧当中。实验 表明该算法具有良好的鲁棒性，能有效抵抗帧间攻击和帧内攻击。 2 1 基于运动向量的h 2 6 4 水印方案 鲁棒性视频水印研究 通过分析h 2 6 4 视频编码的特点，结合h v s 原理，选择h 2 6 4 编码p 帧宏 块中幅度最大的m v 作为水印的嵌入域。该方案结合h 2 6 4 帧间预测的特点，对 该m v 进行量化分区。修改m v 的幅值和方向，根据嵌入水印信息的不同，使 之指向不同的区域。方案同时采用了扩频技术以增强水印的鲁棒性。实验结果证 实该算法性能较好，和现有的算法相比鲁棒性更高。 1 3 论文研究内容及安排 论文的具体安排如下： 第l 章：绪论，介绍研究背景和意义，主要工作和结构安排。 第2 章：数字水印技术及h 2 6 4 视频编码，先简要讲述了数字水印技术的概 念原理和框架，然后是数字水印技术的特点要求，以及其广泛的应用场合，并着 重介绍了视频水印的特点以及国内外研究状况，最后讲述了h 2 6 4 视频编码的一 般原理。 第3 章：三维小波视频水印技术，描述了视频的三维小波多分辨分析方法， 提出基于模运算三维小波视频水印算法，通过扩频，将水印信息嵌入在3 d d w t 低频子带系数中，最后用实验验证了其良好的鲁棒性。 第4 章：h 2 6 4 鲁棒性水印技术，分析了h 2 6 4 水印嵌入方案，提出了结 合h 2 6 4 特点的基于运动向量的鲁棒性水印方案，实验表明该方案鲁棒性良好。 第5 章：总结，回顾论文的主要工作并展望下一步的研究工作。 最后是参考文献，附录和致谢。 中山大学硕士学位论文 第2 章数字水印技术及h 2 6 4 视频编码 本章主要讲述数字水印技术的一般概念首先对数字水印的原理和基本框 架做了描述，讨论了水印的应用领域及其特点要求。接着就视频水印技术做了 详细的介绍，分析了视频水印的系统框架和现有的算法。 2 1 数字水印概况 数字水印是近年来出现的一种多媒体信息隐藏技术，它通过在原始数字作 品中嵌入版权信息，达到证明原创者作品的所有权或作品内容完整性证实等目 的。从本质上讲，数字水印与信息隐写术是一样的，都是将信息嵌入到数字载 体中。从技术角度上讲，数字水印技术要求更高，要求所嵌入的水印不仅具有 安全性，还要有很强的稳健性。数字水印技术是一门交叉学科，它的研究涉及 计算机科学、密码学、通信理论、算法设计和信号处理等领域，是目前信息安 全领域研究的热点。 2 1 1 系统原理及框架 数字水印的基本思想是在不影响原信号质量的情况下，把水印信号嵌入到 载体中，使得载体在各种信号处理下水印仍具有一定的安全性，只有在具备正 确密钥的情况下才能部分或全部地恢复出水印信号。一个典型的数字水印系统 一般包括水印嵌入器和水印检测器两大部分，同时系统通常还包含水印攻击单 元，以测试系统性能。图2 1 给出了数字水印系统的基本框架示意图，其中是 水印嵌入器。是水印检测器，为水印攻击单元，下面是框架的详细介绍【l l j ： 水印信 oo 原始信号水印攻击 图2 - 1 数字水印系统框图 恢复出 水印信息 鲁棒性视频水印研究 ( 1 ) 水印嵌入。实际水印的嵌入过程包括水印信号的生成和嵌入算法的设计 两个步骤。水印信号的生成，也可以称之为水印调制的过程。实际嵌入的水印 信号依赖于密钥k 和水印信息，其调制过程可以用如下公式表述： w = f o ( ，k )( 2 1 ) 这里函数局0 是实际采用的调制方式。实际水印系统中采用多种调制方式如： 扩频技术、置乱技术、编码预处理等。 水印嵌入算法的设计，是一个替代的过程，选择合适的策略把调制水印信 号嵌入到数据x 中，嵌入水印的数据y 替代原始数据x ，嵌入过程可以用如 下公式描述： y = ，)( 2 2 ) 这里函数 o 是实际采用的嵌入策略。水印的嵌入区域一般选择在相对稳定的 分量中。经过正常的信号处理这些分量一般保持不变，水印保持存在。实际水 印系统中采用的嵌入策略有：最低比特有效位( l s b ) 嵌入方法、基于量化的嵌 入方法、基于替换的嵌入方法，基于关系的嵌入方法和自适应嵌入方法等等。 ( 2 ) 水印提取。将水印信息从含水印的载体数据中检测出来，这个过程就 是水印的提取，它可以用如下公式来表示： ，= g ( r ，k )( 2 3 ) 因为水印信息在嵌入前做过调制处理，因此在水印提取出来后，应当进行相应 地做解调处理，如解扩操作、置乱恢复操作、水印解码恢复操作等，以得到实 际嵌入的水印信息。 ( 3 ) 水印攻击。对于一个完整的水印系统方案，需要加入水印攻击单元， 以评价水印系统的性能。所进行的攻击主要是鲁棒性攻击，即含水印作品在到 达检测器之前可能经历的常规信号处理操作。对于图像载体来说，鲁棒性攻击 是对图像操作的一些集合，包括缩放、平移、旋转、裁剪、像素交换、重采样 和几何攻击等。对于视频载体，除了常见的帧内图像攻击外，还包括帧间攻击 和压缩编码攻击。 中山大学硕士学位论文 2 1 2 特点及要求 数字水印技术是数字媒体版权保护的重要技术手段。数字水印技术是一种 数字编码技术，它利用信号处理的方法，在数字化的多媒体数据中嵌入水印信 息，在需要版权验证的时候能够提取出水印或者证明水印存在。为了更好的实 现数字媒体的真伪验证、安全存储、保密传输等目的，数字媒体中嵌入的水印 一般具有如下特性 8 1 ： ( i ) 鲁棒性。鲁棒性是指水印载体经过一系列常规信号处理后依然能够把水 印检测出来的能力。水印目的本身在于为数字媒体提供有效的版权保护，在实 际应用中，数字媒体经常会受到恶意与非恶意的攻击与修改，因此必须保证水 印在攻击后依然存在。图像的常规操作有空间滤波、有损压缩、打印和复印以 及几何变形等等：视频的常规操作有重新压缩编码、尺寸变换、帧交换、帧删 除等攻击。 ( 2 ) 逼真度。水印系统的逼真度是指数字化媒体在水印嵌入前后感官上的相 似程度。一般来讲，水印嵌入后数字媒体质量会有所损耗，为保证其正常使用， 含水印的数字媒体要从视觉、听觉上接近于原始作品。评价水印系统性能的基 本要求就是保证水印嵌入后数字化媒体的质量。对于图像和视频，一般选择峰 值信噪比( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ：p s n r ) 作为水印嵌入后质量变化的度量。 ( 3 ) 数据容量。数据容量即嵌入水印的容量，是指单位时间或一幅作品 中能够嵌入水印的比特数。对于图像，数据容量是指能够嵌入在该图像的比特 数。对于音频，数据容量是指一秒钟音频所能嵌入的比特数。对于视频，数据 容量是指一帧中嵌入的比特数，或者指每一秒内嵌入的比特数。实际水印系统 中嵌入的水印可以是公司l o g o 。也可以是二进制代码等，能够有效反映数字媒 体版权所属的信息。 ( 4 ) 盲检测与非盲检测性。盲检测是指在水印检测时候不需要原始拷贝作 为参考，而非盲检测则需要提供原始拷贝作为参考。非盲检测需要原始数字媒 体数据，不便于随身携带，同时有再次拷贝复制而侵权的风险，因此盲检测水 印算法在实际研究和应用中比较普遍。 6 鲁棒性视频水印研究 ( 5 ) 安全性。安全性是指水印能够抵抗恶意攻击的能力。嵌入的水印在统 计上是不可检测的，非授权用户无法检测和破坏水印。对于强行改变水印载体 来消除和破坏水印的操作，水印应该一直能够保存下来，直到载体已严重失真 而丧失使用价值。恶意攻击是指意在破坏水印功能的行为，可以归纳为三类： 非授权去除、非授权嵌入和非授权检测等弘j 。 并不是每一个水印系统都必须最大限度满足以上所有要求，因为很多水印 特性要求本身是存在矛盾的比如数据容量、逼真度和鲁棒性三者之间的关系： 为了提高水印系统的逼真度，要减少水印的嵌入量：为了提高的水印的鲁棒性， 就要加大嵌入量，三者相互制约。因此，一个设计良好的水印系统是根据具体 应用在诸多参数间折中的最优化方案【1 2 l 。 2 1 3 分类及应用 随着数字水印的发展，对水印算法可以进行如下分类： 按照特性划分，可以分为鲁棒性水印、脆弱性水印和半脆弱性水印。鲁棒 性水印主要用于版权保护，脆弱性水印主要用于真伪鉴别，而半脆弱性水印则 同时提供版权保护和内容认证【8 1 。 按照嵌入载体划分，可以分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印 以及用于三维网格模型的网格水印等。本文主要讨论视频水印。 按照检测过程划分，可以分为盲水印和明文水印。盲水印检测只需要提供 密钥，不需要原始数据参与，而明文水印在检测过程中需要原始数据。目前数 字水印大多研究盲水印算法。 按照嵌入内容划分，可以分为有意义水印和无意义水印。前者水印本身是 某个图像( 如商标) 或者音视频片段的编码，后者只对应于一个序列号。有意 义的水印在受到攻击遭到破坏后，依然可以观察辨识水印的存在。对于无意义 水印，受到攻击后出现误码单元，只能通过统计决策确定信号中水印的存在。 按照水印的嵌入域划分，可以分为空间域水印和变换域水印。前者直接在 信号的空间层面上嵌入水印信息具有较大的水印信息嵌入量，但鲁棒性较差： 中山大学硕士学位论文 后者对原始信号做某种变换处理，然后变换域嵌入水印，变换域水印能较好的 利用人类视觉系统的特性，鲁棒性较好，因而受到人们越来越多的重视。 由于水印的多样性，很多不同的场合都会用到数字水印技术。随着数字水 印的发展，它的应用前景也越来越广泛。数字水印主要有如下几种应用领域【8 1 ： 版权保护：这是数字水印技术的主要应用领域。数字水印技术把数字产 品的版权信息嵌入到作品中，当该作品涉及版权纠纷的时候，作品拥有 者可以提取水印信息到仲裁机构证实自己的所有权。 数字指纹：为了避免数字产品的非法复制和肆意传播，可以在分发的数 字产品中嵌入数字指纹( 数字指纹是指用户i d 或序列号) 唯一标识这 份拷贝。如果发现非法拷贝，可以提取数字指纹，追溯非法拷贝的来源。 内容真伪鉴别：为了验证数字内容的真实性，通常把原始图像分为多个 独立块，在每一块中加入不同的水印标志，通过比较独立图像块中的水 印标志在攻击前后的变化判断数据是否被篡改，并确定篡改位置。 广播监控：近年来很多公司把数字水印技术用于广播主动监视。把水印 信息嵌入到广播信号中，通过设备实时监测，跟踪记录节目的详细播放 情况。这样，广告客户通过查询记录，就可以知道有无被电视台欺骗。 拷贝控制：在拷贝控制中人们致力于防止他人对受版权保护的内容进 行非法拷贝。在录制设备中加入水印检测器，一旦在输入端检测到“禁 止拷贝”的水印，就立即终止拷贝操作。 由于本文主要研究是视频水印算法，下面将对视频水印的做一些简单介绍。 2 2 数字视频水印技术 视频水印研究是当前数字水印研究中的热点和难点，随着大量消费类数字 视频消费产品的推出，基于水印的数字产品版权保护技术的市场需求更加迫切。 虽然，数字水印技术近几年得到迅速的发展，但是主要集中于静止图像的水印 技术研究。在视频水印方面，由于视频序列固有的一些特点，如帧内和帧间过 多的数据冗余、运动区域与非运动区域的分布不平衡等，包括时间域掩蔽效应 鲁棒性视频水印研究 等内在精确的人眼视觉模型尚未建立，使得视频水印技术相对滞后【引。同时现有 的视频编码标准和针对视频的特殊攻击也给视频水印提出了新的要求。 2 2 1 特点与要求 视频是连续图像序列的集合，其相邻帧间存在极大的相似性和局部的变化 性，数据冗余比较大，为了节约视频数据的存储空间和便于传输，视频大都以 压缩格式存在。可见视频水印除了具有一般数字水印的特征外，还有一些特殊 的要求 1 3 j ： ( 1 ) 实时性处理。要求视频水印的嵌入和提取应该具有较低的复杂度，能 够实现实时的嵌入和检测水印，保证视频播放的流畅性和平滑性。 ( 2 ) 随机检测性。可以在视频的任何位置、以较短的时间检测出水印，而 不是必须在视频开始位置按照播放顺序一步步检测水印。 ( 3 ) 与视频编码标准相结合。视频数据量大，在存储、传输中通常先对其 进行视频编码压缩处理，如果在视频码流中嵌入水印，就需要和视频编码标准 结合。如果在原始视频中嵌入水印，水印嵌入本身是利用视频的冗余携带信息 而视频压缩编码的目的则是去除冗余以便压缩，如果不考虑视频压缩编码标准 而盲目嵌入水印，那么嵌入的水印信息很有可能在编码过程中丢失。 2 2 2 视频水印嵌入 通过分析现有的数字视频编解码系统，可以按照水印技术与数字视频编码 系统结合的不同方式对水印进行分类，如图2 2 所示，视频水印包括基于原始视 频( u n c o m p r e s s e dv i d e o ) 的方法和基于压缩视频( c o m p r e s s e dv i d e o ) 的方法。 基于原始视频的水印算法是对未经编码的视频数据直接进行处理，在某种变换 域嵌入水印，称之为前置式视频水印算法。基于压缩视频的水印算法与某种视 频压缩编码标准结合，在压缩视频中嵌入水印，包括内置式视频水印算法和后 置式视频水印算法【8 l 。其中，在视频压缩编码过程中，与编码器直接结合嵌入水 印的算法为内置式视频水印算法，而在视频编码得到的压缩码流中嵌入水印的 算法为后置式视频水印算法。下面将对这三种情况做详细介绍。 o 中山大学硕士学位论文 圈器回啼 原始视频序列 位置i 位置2位置3 位置3位置2 位置l 重构视频序列 j叫 原始税颓 压缩说须 水印嵌入 水印嵌入 k i 压缩视频 原始视频 水印检测 水印检测 图2 2 视频水印不同嵌入及检测位置示意图 前置式视频水印，如位置i 所示：原始视频经过某种变换处理，将水印嵌 入到相应的变换空间上，形成含水印信息的原始视频码流，然后根据需要直接 送终端播放或进行视频压缩编码形成含水印的压缩码流。在检测或提取的时候， 原始视频码流经变换处理后提取水印。这种方案可以在视频每一帧嵌入水印， 它由不同的水印嵌入算法所支配，时空域水印算法和频域算法都可以用在这里。 该方案主要针对原始视频，对于已压缩编码的视频流，须经过再解码、嵌入水 印和重新编码等操作而得到压缩视频流，操作是比较复杂的。 内置式视频水印如位置2 所示：水印信息随着视频的压缩编码，嵌入到 压缩的视频码流中。这种方案与视频压缩编码器结合，在视频的编码阶段选择 合适的语法元素嵌入水印，例如把水印嵌入到编码阶段的量化d c t 系数中，在 运动向量或m p e g 4 脸部运动参数中嵌入水印。嵌入位置的多样性使得设计出 的水印能够抵抗多种攻击，同时结合人类视觉系统进行调整，在保证主观视觉 质量的同时提高水印抗攻击能力。随着最新视频编码标准，如h 2 6 4 、m p e g 4 的出现，需要设计针对这些编码标准的实用性水印方案。 后置式视频水印，如位置3 所示：水印信息直接嵌入到压缩码流中。因为 压缩码流中没有足够的数据冗余，压缩视频序列的码率约束限制了水印的嵌入 容量。一种常见的后置式水印方案是，对压缩码流，经过一个部分解码、嵌入 水印和部分编码的过程，把水印直接嵌入到压缩码流中。但由于水印的嵌入会 对运动补偿环路造成不良的影响，从而降低视频质量。 i o 鲁棒性视频水印研究 2 2 3 视频水印研究状况分析 近年来，国内外有关视频水印的研究日益增加。根据上一小节的描述，我 们分别按照前置式、内置式和后置式视频水印算法的讨论一些国内外研究状况。 ( 1 ) 前置式视频水印算法 前置式视频水印算法，即在原始视频中嵌入水印，按照嵌入域进行划分， 可以分为空间域和变换域嵌入水印。空间域水印是指直接在原始视频帧内嵌入 水印，一般是把水印嵌入到亮度分量上，有时也嵌入到颜色分量上。变换域水 印是指在原始视频的某个变换域进行水印的嵌入和提取，常用的变换域包括 d c t ，d f t ，d 、n 等。 h a r t u n g 等【1 4 】基于扩频通信的思想提出了在原始视频中嵌入水印的算法。水 印嵌入时候，按照空间上从左到右，从上到下，以及时间上的先后顺序，把视 频信号视作一维信号；水印信号经过扩频、调制，得到一个伪随机序列，采用 加性嵌入的方法把随机序列加到一维视频信号中，即可得到嵌入水印的视频信 号。 a l p e r 等【1 5 l 对视频序列首先在空间上进行二维d c t 变换，然后在时间上进 行一维d f t 变换，利用人眼视觉系统模型确定时间上对比度阈值结合亮度掩 模、空间掩模和对比度掩模把水印信息嵌入到变换系数上，该嵌入方案避免了 水印视频的失真，在抵抗常见信号处理方面，提供了良好的鲁棒性。 l i m 掣1 6 1 提出了基于3 d d c t ( t h r e ed i m e n s i o nd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 变换和帧内立方相关( i n t r a c u b i cc o r r e l a t i o n ) 结合的视频水印算法。该算法把 视频分成无重叠的帧立方体。每一个帧立方体做3 d d c t 变换，随机选择频域 变换系数得到大小相等的两个集合。根据水印信息的不同，一个集合做加性操 作，另一个做减性操作，从而嵌入水印。在终端通过比较两个系数集合均值的 大小提取水印信息。 l i 等【1 7 1 利用聚类的方法对视频场景进行分割，得到同一个场景的视频帧片 段。对每一组视频片段作3 d d w t 变换，在高频和低频变换系数上，利用加性 嵌入规则把水印信息嵌入到三维变换系数中。该方案利用了扩频技术分散水印 ll 中山大学硕士学位论文 信息以增强鲁棒性。在水印检测端，利用极大似然估计，在原始视频的参与下， 来检测出水印信息。 w a n g 等提出基于独立向量分析( i n d e p e n d e n tc o m p o n e n t a n a i y s i s ：i c a ) 和小波变换的结合水印嵌入方案。视频序列首先聚类得到一系列视频片段，将 水印嵌入到视频片段3 d d w t 变换的独立分量上。为了提高水印的鲁棒性，独 立分量用二维维纳滤波进行了平滑处理。 ( 2 ) 内置式视频水印算法 内置式视频水印算法是和视频压缩编码标准结合在一起的，就m p e g 编码 标准而言，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) ，以及相应编解码的边信息，内置式算法往往利用编码过程中产生 的语法元素，把水印嵌入到压缩码流中。 s i m i t o p o u l o s 掣9 1 提出了一种在m p e g 压缩域嵌入水印的算法，在视觉分 析的基础上进行块分类，自适应的选择i 帧亮度分量d c t 域的量化交流( a c ) 系数嵌入水印，水印系数是伪随机序列，利用加性嵌入的方法，结合分类标志、 嵌入标志把水印嵌入到量化参数上。 p i v a 等【2 0 1 利用m p e g - 4 编码特点，首先分离出物体，把代表物体的数据进 行小波变换，在细节子带系数l h 、h l 和h h 上嵌入水印信息，最后经过反变 换，把水印信息写入m p e g - 4 压缩码流中。水印信息实际上是嵌入到视频序列 中的物体中，即便视频序列经过一些变换处理，水印依然存在于物体当中。 d a i 等【2 1j 提出了一种新的m p e g 2 视频水印方案，通过微小的改动把水印嵌 入到运动向量中。在该方案中，水印嵌入到最大绝对值运动向量的运动残差中， 经过量化、编码写入压缩码流中，对视频质量影响很小，并可以推广应用到原 始视频和压缩视频码流中。 z h a n g 等【2 2 】提出了一种鲁棒性的h 2 6 4 视频水印技术方案，该方案对嵌入的 字符图像分类、做编码预处理，有效的减少了实际嵌入的水印数量，最后利用 扩频技术把水印信息嵌入到i 帧d c t 变换的中频系数上，该方法能够有效抵抗 常见的信号处理攻击。 鲁棒性视频水印研究 ( 3 ) 后置式视频水印算法 后置式嵌入方案与内置式嵌入相同，都是在编码元素中嵌入水印，唯一的 不同是需要对压缩码流做部分解码处理，以得到相应的编码元素用以嵌入水印 信息。 w a n g 掣2 3 】在m p e g 2 编码过程中，提出一组基于d c t 变换，分别针对裁 剪、尺度转换( d o w n s c a l i n g ) 和帧丢失等操作的鲁棒性视频水印算法：抵抗裁 剪水印算法，压缩视频流部分解码得到i 帧y 分量的二维8 8 宏块的d c t 系 数，依水平方向划分为8 个ix8 的一维d c t 系数组，每一个系数组用基于量 化的方法嵌入lb i t 水印：抵抗尺度转换水印算法通过部分解码得到y 分量的 d c t 系数，重构每一帧图像的d c t 系数，视频序列每三帧( f n - i f 。和f n + 1 ) 作为一组，预测得到k ，利用f ：和f 。低频系数的相对关系，把水印嵌入m p e g 一2 压缩码流中：抵抗帧丢失水印算法，同样的水印嵌入到视频片段的所有帧中， 即便部分帧丢失，水印依然能恢复出来。 h a r t u n g 等【2 4 】提出利用扩频的思想在m p e g 2 码流中嵌入水印的算法。 m p e g 2 码流通过部分解码得到i 帧8 8 块的d c t 系数。水印信号经过扩频调 制处理，做8 的d c t 变换，并将d c t 系数叠加到解码得到的d c t 系数上。 该方案修改d c t 系数，帧内的微小变化会在时间、空间上扩散开来，因此需要 添置偏移补偿信号来补偿前一帧的水印信号。 l u 掣2 5 1 提出针对m p e g 2 视频流的水印算法。该算法通过对m p e g 2 部分 视频解码，得到可变长编码码字，每个码字表示为化f j ，其中，值是经量化后不 为零的d c t 系数，值表示该，值前面连续零值的个数。水印信息嵌入到i 帧解 码得到，值上。 综上所述，前置式水印方案把水印直接嵌入到原始视频