（模式识别与智能系统专业论文）视频数字水印技术研究.pdf

摘要 摘要 多媒体技术和计算机技术的发展，使得人们创作、使用多媒体数字产品变得 越来越容易，互联网技术的发展极大的推动了多媒体信息的广泛传播。然而，由 于数字产品复制不会引起质量下降，非法用户可以容易的获取、复制、传播数字 多媒体产品，这极大的损害了版权所有者的经济利益。多媒体信息安全成为一个 非常重要的现实问题。数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) ，在不影响原始数据正 常使用的情况下嵌入版权信息，并且该信息不易被除去，只能由专用的水印提取 算法才能检测其中的信息。因此，数字水印技术作为数字产品版权保护的有效手 段，成为多媒体信息安全研究的重点，其中视频数字水印更是当前研究的热点。 本文对视频水印技术的发展和现状以及主要技术方法作了介绍，分析了数据 加密和数字水印技术在版权保护中的优缺点：加密技术只能保证数据资料在加密 状态下的安全性，若数据资料一旦被解密，可以任意复制、篡改；水印技术无法 阻止多媒体信息复制与传播，但可证明数字作品的版权，追踪非法侵权源头；结 合m p e g 4 多媒体数据压缩标准，针对m p e g - - 4 视频提出了一种基于图像加密和 数字水印的版权保护方案- - c p e w ( c o p y r i g h tp r o t e c t i o nb a s e do ne n c r y p t i o na n d w a t e r m a r k i n g ) 。 该方案充分考虑了数据加密和数字水印技术在版权保护中的优缺点，m p e g - 4 视频编码系统结构特性，d c t 变换被m p e g 广泛采用的优点，将加密技术的多媒 体信息传输安全和数字水印技术的版权侵权追踪两者优势结合，在频域对视频图 像进行有选择的加密，保证了视频数据网络传输安全性；利用扩频数字水印在帧 内编码图像中嵌入版权信息，确保了视频数据的版权。 实验结果表明，该方案的加密算法有效保护了视频的传输安全性；数字水印 算法对于m p e g 压缩、加噪以及滤波操作具有一定的鲁棒性。该方案在网络视频 传输中具有广泛的应用价值。 关键词：多媒体信息安全数字水印数据加密版权保护m p e g - 4 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i aa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , p e o p l ec r e a t ea n d i k e ed i g i t a lm e d i ap r o d u c tm o r ee a s i l y , a n dt h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tp r o m o t e st h e 、i d e s p r e a do fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n h o w e v e r , b e c a u s et h ed i g i t a lp r o d u c t sc a l lb e c o p i e dw i t l l o l na n yd e g r a d a t i o ni nq u a l i t y , i l l e g a lu s e r sc a ne a s i l ya c c e s s d u p l i c a t ea n d s p r e a dt h e m , w h i c hh e a v i l yd a m a g e dt h ee o p y r i g h to w n e r se c o n o m i ci n t e r e s t s o s e c u r i t yo fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n ti s s u e d i g i t a lw a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g yc a l le m b e dc o p y r i g h ti n f o r m a t i o ni n t oo r i g i n a ld a t aw i t h o u ta n ye f f e c t so n 哪o ft h ed a t a , a n dt h ew a t e r m a r kc a n tb er e m o v e d o n l ys p e c i a le x t r a c t i n ga l g o r i t h m 锄e x t r a c ti t s od i g i t a lw a t e r m a r k i n ga sa ne f f e c t i v em e t h o do fc o p y r i g h tp r o t e c t i o n b e c o m e sa l le x c i t i n gr e s e a r c hf i e l d ，e s p e c i a l l yh o tt h ev i d e od i g i t a lw a t e r m a r k i n g i nt h i s p a p e r , v i d e nw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s a r e i n t r o d u c e d , i n c l u d i n gt h e i r d e v e l o p m e n ta n dg e n e r a lm e t h o d t h er e l a t i v em e r i t so fd a t ae n c r y p t i o na n dd i g i t a l w a t e r m a r k i n gi ne o p y r i g h tp r o t e c t i o ni sa n a l y z e d ：e n e r y p t i o no n l ys e c u r et h ed a t ai n e n c r y p t e ds t a t e ，o n c ed e c i p h e r e d ，t h ed a t ac a n b ec o p i e da n dt a m p e r e dr a n d o m l y ；d i g i t a l w a t e r m a r k i n gg a nn o ts t o pt h ed u p l i c a t i n ga n dt r a n s m i t t i n g ，b u ti tc a nt r a c et h ei l l e g a l m e r s ；c o m b i n e dt h em p e g - 4m u l t i m e d i ad a t ac o m p r e s s i o ns t a n d a r d ，t h i sp a p e r 脚s e sa n 印p r o a c hf o rp r o t e c t i n gt h ec o p y r i g h to fm p e g - 4v i d e o - c p e w ( c o p y r i g h t p r o t e c t i o nb a s e do ne n c r y p t i o na n dw a t e r m a r k i n g ) ，w h i c hb a s e so nt h ee n e r y p f i o n a l g o r i t h ma n dd i g i t a lw a t e r m a i k i n g c o n s i d e r i n gt h er e l a t i v em e r i t so fd a t ae n c r y p t i o na n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n gi n c o p y r i g h tp r o t e c t i o n , t h e c h a r a c t e r i s t i co fm p e g - 4c o d e c ，t h em e r i t so fd c t t r a n s f o r m , c o m b i n e dw i t ht h em e r i t so f e n e r y p t i o na n dw a t e r m a r k i n g , t h i sa p p r o a c ho n l y e n c r y p t s8 0 m ep a r t so ft h ep i c t u r ed a t ai nf r e q u e n c yd o m a i nt oe n s u r et h es e c u r i t yo f v i d e ot r a n s m i s s i o n ，a n de m b e d st h ec o p y r i g h ti n f o r m a t i o nu s i n gs p r e a ds p e c t r u m w a t e r m a r k i n gi ni n t r a - c o d e df r a m e st op r o t e c tt h ec o p y r i g h to fm p e g v i d e o e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h ee n c r y p t i o na l g o r i t h mo fc p e ws e c u r e dt h e v i d e o e f f e c t i v e l y m l ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m o fc p e wi sr o b u s tf o rm p e g c o m p r e s s i o n , n o i s i n g ，f i l t e r i n g t h i sa p p r o a c hh a sa b r o a da p p l i c a t i o nv a l u ei nn e t w o r k v i d c ot r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns e c u r i t yd i g i t a lw a t e r m a r k i n g d a t ae n c r y p f i o n c o p y r i g h tp r o t e c t i o nm p e g - 4 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究： 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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剥本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名 一蓬绍篷 只期：二占、，驴 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 盘丝簦一 窒塑 f | 期：型! z 塑 礼强：硎f 。o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着网络技术与多媒体技术的飞速发展，数字化信息以图像、音频、视频及 三维计算机图形的形式在网络上方便、快捷的传输。同时，数据压缩技术的发展， 使得我们可以很方便的使用多媒体产品。并且，国际组织i s o ，i t u 2 制定了一 系列图像、视频压缩编码标准，包括j p e g 系列、m p e g 系列、h 2 6 x 系列，这使 得多媒体产品的传输变得非常方便，多媒体通信逐渐成为信息交流的重要手段 媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提 高了信息表达的效率和准确性。随着i n t e m e t 的臼益普及，多媒体信息的交流已达 到了前所未有的深度和广度。人们如今可以通过i n t e r n e t 发布自己的作品、重要信 息和进行网络贸易等，但是随之出现的问题也十分严重；作品侵权更加容易，篡 改也更加方便。 因此，如何既能充分利用互联网的便利，又能有效地保护知识产权，是当前 面临的一个重要问题。这使得一门新兴的交叉学科信息隐藏学正式诞生。数 字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 作为信息隐藏技术领域的重要分支，作为隐蔽 通信和知识产权保护等的重要手段，正得到广泛的研究与应用。视频数字水印技 术更是当前数字水印技术研究中的一个热点。 1 2 1 背景 1 2 视频数字水印技术的由来 多媒体信息通过互联网络传播、分发而进行交流，已经达到了前所未有的深 度和广度，数字媒体的获取、交换和传输变的非常简单。多媒体数据，尤其是视 频，比传统的文字、图像蕴涵更大的信息量，多媒体数据的数字化为多媒体信息 的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性，因而 成为人类社会在信息利用方面的重要手段。任何人都可以方便地接入互联网，其 中不乏一些具有恶意的活动。确保网上信息活动正常进行，保障用户的隐私、产 权和财产安全，这是网络信息安全亟待解决的问题。 另一方面，信息时代的到来，数字化媒体具有强大的可移植性、高效性、快 捷性及精确性。网络的进一步发展与完善，使得系统间的互联变得非常容易，极 大地方便了信息交换与资源共享，这种迅捷的信息传播与简易的操作正改变着人 视频数字水印技术研究 们传统的工作与生活方式，但同时也带来了许多负面的影响，诸如多媒体信息的 版权侵犯，信息篡改等，开放性给知识产权保护及敏感信息的保密工作带来了极 大的困难与挑战。因此，多媒体信息安全是网络信息安全的重要组成部分，已成 为当前网络发展与应用中必须要解决的问题之一。 多媒体信息安全中传统的加密方法是防止信息窃取的重要手段p i 。加密技术主 要是将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式进行传递，使得在 网络传递过程中的非法拦截者无法从中截取机密信息以达到保密的目的。 然而遗憾的是，加密技术在解决版权保护问题中存在一定缺陷。因为，虽然 经过加密后只有被授权持有解密密钥的用户才可以存取数据，但是这样就无法向 更多的人展示自己的作品；而且数据一旦被破解，就完全置于解密人的控制之下， 原创作者没有办法追踪作品的复制和二次传播。同时，随着c p u 计算速度的飞速 发展以及通过网络连接分摊计算复杂度达到平行计算( p a r a l l e lc o m p u t i n g ) 能力的 破解技术的日益成熟，即使是d e s 、r s a 等这些无虞的加密系统，其安全性都受 到了强大的挑战一j 。 另外，对于网络中广泛存在的图像、音频、视频等多媒体产品，尤其是视频， 由于其数据量非常巨大，对其用密码技术加密显然是不现实的。 1 2 2 视频数字水印技术 为了解决数字媒体的信息安全问题，人们迫切的需要一种对密码学进行补充 的技术，它应该可以在加密内容被解密后仍能继续保护内容。这时，新型有效的 数字媒体保护技术数字水印应运而生。数字水印利用人类听觉系统( h a s ) 和人类视觉系统( h v s ) 的特点，在图像、音频、视频等数字化内容中嵌入不明 显的记号，被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等，通常肉眼很难分辨 嵌入水印后数据和原始数据的区别，而通过专门的检验步骤又能提取出所嵌入的 信息。水印与源数据紧密结合并隐藏在其中，成为不可分离的一部分，并可以经 历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。数字水印的目的不 在于限制或控制数据的获取，而是可提取的嵌入在数字信息中，用来确认所有权 和跟踪侵权行为【3 ，5 】。因此，即使在加密和版权保护机制失效的情况下，人们仍可 根据水印中含有的版权信息找到版权所有者或为盗版提供多媒体数据的用户。 早期的数字水印技术研究主要集中于对静止图像水印算法的设计之上，各式 各样新颖高效的水印算法层出不穷。近年来，随着m p e g 多媒体数据压缩编码国 际标准的建立和完善，网络上充斥着大量的数字视频产品，视频产品的版权保护 问题日益突出。视频数字水印技术研究成为当前数字水印技术研究方向中的一个 热点。 第一章绪论 1 3 视频数字水印技术的应用 随着人们对于数字内容的版权保护意识的不断增强，同时由于其蕴涵着巨大 的潜在商业价值，数字水印技术在过去的十几年里发展迅速。自从1 9 9 8 年h a r t u n g 掣6 1 提出针对视频的经典水印算法以来，视频数字水印技术的研究已经成为了数字 水印技术研究的热点。视频数字水印技术有着广泛的应用，目前的应用已远远超 出了版权保护的范围。 版权保护 数字水印技术最早是应用于版权保护的。在多媒体发行体系中，希望存在这 样的一种拷贝保护机制，即它不允许未授权的媒体拷贝。在开放系统中很难实现 拷贝控制，然而在封闭或私有系统中，拷贝保护是可行的。在这样的系统中，可 用水印来说明数据的拷贝状况。算法完成嵌入水印并能识别版权所有者的功能。 如果发现非法版本，版权所有者能够通过嵌入的水印提供版权信息并向仲裁机构 提起诉讼。 通常，版权所有者希望被保护的只是视频中的一部分内容。由于视频的商业 价值往往集中在少数的视频对象中，比如脸部活动参数中。而且，未来的视频格 式，如m p e g - 4 ，更加注重区分视频中的不同对象。所以，将来的研究重点是针对 视频对象的数字水印 7 1 。对视频对象加水印主要是为了防止未授权再使用。但是视 频对象很有可能会遭受一些视频编辑操作，比如说尺度缩放、旋转、移位和剪切。 因此，必须很好地考虑水印抵抗这些操作的恢复能力。 拷贝控制 1 9 9 6 年底，v c d 和d v d 播放器出现在市场上，为消费者提供了高品质的视 频图像，受到人们广泛的欢迎。然而数字视频的优势却受到盗版影碟的挑战。相 对于传统的家用录像系统( v h s ) 而言，由于数字视频数据可以没有任何降质的 完全复制，这使得版权所有者以及一些影音工作室更加关注这样一个问题，即在 引进任何具有数字视频录像功能的设备之前应该研究一定级别的拷贝控制机制。 拷贝保护技术工作组( c p t w g ，c o p yp r o t e c t i o nt e c h n i c a lw o r k i n gg r o u p ) 随之得 以创建，着重于d v d 拷贝保护问题的研究。虽然还没有形成标准，但是定义了一 个系统，可以成为未来d v d 拷贝保护的规范哺】。 广播监视 对于某些有价值的视频产品，视频的版权所有者要求，每当其作品被广播时， 都能得到相应的版权税。为了防止知识产权侵权事件的发生，有必要建立一个广 播监视系统，来检测所有的广播通道。 4 视频数字水印技术研究 传统的广播监视是由人工完成，该方法代价高，而且也并不十分可靠。因此， 需要寻求一种自动广播监视的方法。第一种方法是被动监视，由电脑模拟观察者， 监视广播并比较已有的数据库和收到的信号。这样的系统有两个主要的缺点：第 一，依赖于收到的信号和数据库的对比，在实际操作中具有一定难度的。第二， 参考数据库非常巨大，存储和管理费用相当的高。第二种方法是主动监视，主要 思路是将数据和计算机可识别的标识信息( i di n f o r m a t i o n ) 一起传输，标识信息 将直接解码并翻译，这种方法实现更加简单。最先的实现方法是将标识信息加在 广播信号的分离区域，比如模拟n t s c p a l 视频信号的垂直消隐间隙( v b i ，v e r t i c a l b l a n k i n gi n t e r v a l ) 。数字水印技术正是将标识信息隐藏到其他数据中，虽然比在视 频流未使用的部分中存储信息要复杂，但数字水印被认为是实现主动监视的一种 鲁棒的方法。 数字指纹 数字电视的发展，使视频流的传播变得越来越广泛：手提摄像机的普及，偷 录电影内容并在网络上迅速传播使得电影厂商蒙受巨大损失。数字水印可以对此 提供一种有效的解决方案，对每份视频嵌入不同的水印( 数字指纹) ，一旦发现未 经授权的拷贝，可以根据恢复的指纹来追踪其来源。 视频鉴定 在某些特殊场合，诸如当视频内容作为法庭证据时，要求其必须是真实的、 未经篡改的。然而，由于视频编辑软件的强大功能，视频内容很容易被篡改，视 频内容的可靠性降低。视频鉴定技术正是应用于鉴定视频内容的真实性，防止伪 造的产生。对数据鉴定最早的研究是使用密码学，它是提供完全认证的方法。该 方法的主要缺点是默认数据没有被更改，被验证的数据必须与原始数据完全一样。 但是这个约束条件太苛刻了，用户可能允许存在视频轻微改动( 比如无线信道带 来的噪声干扰等) 后的一些小的失真。这种方法通常被称为内容认证。而数字水 印可用作进行视频内容完整性的验证。利用视频水印技术，嵌入易损水印来鉴定 有效性，可以让数字视频作为证据成为可能。 增强视频编码 视频水印与视频编码是两种矛盾的技术。一个完美的视频编码应该可以去除 任何冗余信息，然而这时数字水印将不复存在，然而可以将数字水印技术看作改 进视频压缩算法的辅助手段来研究。另外，数字水印可以作为源编码后错误校正 信息的可选方案之一，并且不会导致任何额外花销【6 l 。视频编码过程可以分为两步： 在源编码( s o u r c ec o d i n g ) 阶段，去除所有的冗余，在保证视觉质量的前提下得 第一章绪论 到最好的压缩效果；然后进行信道编码，增加冗余信息来进行纠错编码。信道编 码是必需的，因为在传输过程中，比如无线信道传输，常常会产生传输错误。数 字水印可以作为一种比较有效的方法，在源编码以后进行错误校i e t 9 1 。实验证明， 数字水印技术比传统的错误校正机制更方便易用，并且性能更优越”0 1 。 1 4 1 主要研究工作 1 4 论文主要工作和章节安排 随着视频技术的发展，数字水印技术研究的重心由静态图像转移到视频之上， 对于数字视频的版权保护和完整性认证无疑是未来数字水印技术最主要的研究方 向。同时，随着m p e g 系列多媒体数据压缩编码国际标准的制定与推广，尤其是 m p e g - 4 标准【l l 】增强的压缩效率和应用弹性，在低比特率条件下表现出的优于 e g _ 1 2 的性能，以及高级简洁框架的推广应用，使得m p e g - - 4 视频在互联网上 越来越普遍，因此，对m p e g 4 视频的版权保护是当前视频数字技术研究的热点。 本文主要针对现在数字水印的热门研究方向视频数字水印技术，结合 m p e g 4 视频编解码标准，对视频数字水印的算法进行了研究和探讨，对m p e g - - 4 视频版权保护进行了有益的尝试和探索。 本论文的研究工作可以分为以下几个阶段： 1 熟悉数字水印技术的相关知识，对视频水印技术的发展、应用和现有的视 频水印算法进行了总结和仿真实验，熟悉其算法原理，获得总体上的认识。 2 学习m p e g 系列多媒体数据压缩编码国际标准，尤其是m p e g - 4 编解码体 系，寻找在m p e g - - 4 视频中进行水印嵌入的策略。 3 对数据加密及数字水印技术和m p e g - 4 多媒体数据压缩编码的联系进行了 深入分析，在此基础上将图像频域加密算法和扩频数字水印算法相结合， 提出了一种m p e g 4 视频版权保护方案，并进行了算法仿真和结果分析。 本文的主要贡献： 1 设计了一种基于数据加密和数字水印的视频版权保护方案。该方案充分考 虑了在视频版权保护中传统的数据加密算法和数字水印技术各自存在的优点和缺 点，m p e g 视频编码结构的特点，以及在m p e g 编码标准中采用的d c t 变换的优 点，将数据加密和数字水印两者优势结合，在频域对图像进行有选择的加密，保 证视频传输安全性；同时，利用扩频水印技术嵌入版权保护信息，确保了视频的 版权。实验结果表明，该方案中的水印算法对于m p e g 压缩、加噪以及滤波操作 具有一定的鲁棒性，该方案在网络视频传输中具有广泛的应用价值。 6 视频数字水印技术研究 2 对视频数字水印算法从理论上进行了深入的分析，对典型算法进行了仿真， 通过对大量视频数字水印算法的分析比较，并结合多媒体领域中的其他技术，指 出了视频数字水印领域值得进一步研究的课题以及视频数字水印发展的方向。 1 4 2 论文章节安排 全文的结构安排如下： 第一章为绪论，介绍了视频数字水印提出的背景、研究现状、应用，指出本 文的主要工作与内容安排。 第二章对视频数字水印技术进行较为全面的介绍，包括视频数字水印的要求、 分类、嵌入策略，以及对现有的视频数字水印算法的总结。 第三章着重介绍了m p e g - 4 视频编解码系统结构，包括基于内容的编解码技 术、形状编码技术、纹理编码技术和运动补偿技术等。 第四章详细分析了在视频版权保护中传统的数据加密算法和数字水印技术各 自存在的优点和缺点，m p e g 视频编码结构的特点，以及在m p e g 编码标准中采 用的d c t 变换的优点，在此基础上，设计了一种基于加密和水印的m p e g - 4 版权 保护方案- - c p e w ，给出了详细的算法设计过程及实现策略，并进行了实验仿真， 给出了实验结果，最后对算法进行了攻击测试和性能评估。 第五章对视频数字水印技术的发展方向与趋势进行展望，并总结全文。 第二章视频数字水印技术 第二章视频数字水印技术 7 数字水印是近几年发展起来的信息安全技术，即在宿主信号中不可感知的嵌 入数据( 文字、图像、序列号等) ，水印的存在要以不破坏原始数据的欣赏价值、 使用价值为原则。视频数字水印是加载在视频媒体上的数字水印，目的是保护视 频产品和节目制作者的合法利益，视频数字水印从实现算法上来说同静止图像数 字水印并无太大的差别，主要的不同是对数字水印算法的实时性的要求比较高， 而且应能处理连续帧序列。 2 1 背景 随着大量消费类数字视频产品在市场上的推出，比如v c d 、d v d 、视频会议、 视频点播、教育和娱乐内容的转发等应用引发了视频流及在数据网上实时视频传 输技术的发展。但是，人们在获得数字化带来的好处的同时，也面临着数字化带 给人们的严峻挑战，其突出表现是在数字世界中的侵权，数据经任意次复制几乎 不损失保真度，盗版变得极为容易，从而使知识产权遭受严重侵害。所有者可能 花费了大量的时间和精力生产获得数字内容，他们希望对内容的所有存取应是授 权许可的，非授权复制应较难以实现( 拷贝保护) ，并且能检测和跟踪任何非法的 拷贝。内容所有者和生产者也面临这样的威胁：i n t e r n e t 使大规模地盗版变得容易， 用户可以用n a p s t e r 等对文件共享软件分发未经授权的拷贝。因此数字视频市场对 以数字水印为重要组成部分的数字版权保护技术的需求迫切，使得视频水印技术 成为当前水印技术中的研究热点。 同时视频水印技术也是当前水印技术研究中的难点。数字水印技术按照宿主 信号可分为文本水印、图像水印、音频水印和视频水印，这些技术具有不少的共 同之处，但是由于宿主本质上的差异，因而具有各自的特征。对于视频水印来说， 难点是由于虽然数字水印技术近几年得到长足发展，但方向主要是集中于静止图 像的水印技术，这得益于多年来众多学者在视觉空间掩盖效应领域的研究成果。 然而在视频水印的研究方面，由于包括时间域掩蔽效应等特性在内的更为精确的 入眼视觉模型尚未完全建立，使褥视频承印技术相对于图像水印技术发展滞后， 同时现有的标准视频编码格式又造成了水印技术引入上的局限性。而另一方面， 由于一些针对视频水印的特殊攻击形式( 如帧重组，帧间组合等等) 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【i2 1 。 从1 9 9 4 年第一篇数字水印论文出现以来，世界各国的很多大学、研究机构以 及公司的研究人员对数字水印技术做了深入细致的研究，针对于文本、图像、音 频以及视频数据提出了一系列优秀的算法方案。目前，基于视频信号的水印方案 视频数字水印技术研究 较少，但是随着多媒体和网络技术的发展，计算机处理视频的能力不断提高，对 视频水印的研究热情不断提高，越来越多的学者投入到视频水印的研究中来。随 着相关领域的研究成果的丰富，如：压缩编码技术，扩频通信技术，密码学，对 人类视觉生理 山理模型的研究及各种先进的信号处理技术，视频水印技术会得到 迅速的发展和应用，成为保证信息安全和知识产权的重要手段。 2 2 数字水印的特点 不同的应用场合，对数字水印的要求也不尽相同，一般认为数字水印应具有 如下特点： 不可见性：不可见性包含两方面的意思，一个指视觉上的不可见性( 对听 觉也是同样的要求) ，即因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，最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上模一样，这是绝 大多数水印算法所应达到的要求；另一方面水印用统计方法也是不能恢复的，如 对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品即使采用统计方法也无法提取水印 或确定水印的存在。 鲁棒性：数字水印必须难以( 最好是不可能) 被去除，并且能够承受大量 的、不同的物理和几何失真，包括有意的或无意的。如果只知道部分数字水印信 息，那么试图去除或破坏数字水印应导致严重的降质而不可用。数字水印应在下 列情况下具有鲁棒性：第一，一般的信号处理下的鲁棒性，即有数字水印的数据 即使经过了一些常用的信号处理，数字水印仍应能被检测到，包括a d 、d a 转 换、重采样、重量化、滤波、平滑、有损压缩等常用的信号处理方法；第二，一 般的几何交换( 仅对图像和视频而言) 下的鲁棒性，包括旋转、平移、缩放及分 割等操作。 隐藏位置的安全性：指将水印信息藏于目标数据的内容之中，而非文件头 等处，防止因格式变换而遭到破坏。 无歧义性：恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表明所有权， 不会发生多重所有权的纠纷。 通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种程 度上意味着易用性。 因此，在设计水印方案时必须综合水印的上述特征，特别是必须保证水印的 不可见性、鲁棒性。为了增强水印的鲁棒性，c o x 等人在文献 1 3 】中提出：水印 图像应放在视觉系统感觉最重要的分量上，因为感觉上重要的分量是图像信号的 主要成分，携带较多的信号能量，在图像有一定失真的情况下，仍能保留主要成 分。此外，水印的鲁棒性除与嵌入的位置有关外，还与嵌入的强度有关。文献 1 4 第二章视频数字水印技术 9 指出：提高水印的有效途径之一是充分利用人类视觉系统的视觉特性，在满足不 可见性的前提下，合理分配水印信号的能量，尽可能提高局部嵌入水印分量的强 度。为了得到鲁棒性的特征，水印信息必须嵌入在载体信息的有意义的部分，但 是另一方面，水印又不能被感知，同时要尽可能避免嵌入的水印对原载体产生质 的影响，因而信号( 水印) 与噪声( 图像) 的比率小，一般低于l 。 2 3 视频数字水印技术的特殊性 早期提出的视频数字水印技术仅是把静态图像水印技术扩展到视频中每一个 独立的帧而已。当不考虑特定的视频特性时，图像水印中的许多概念，如扩频、 不可逆性、信号的适应性、视觉模型、攻击等都可用于视频数字水印技术，并且 有大量的文章都提出和讨论了水印技术的各种设计和嵌入，检测和攻击方法。 2 3 1 影响水印的视频特征 除了具有一般数字水印技术所具有的特征以外，由于数字视频不仅仅是一个 在规则间隔时间内显示的图像序列，可能影响水印技术的一些视频特征包括： 连续帧之间具有很大的空间相关性。多数情况下，连续的视频帧不是相互独 立的，相反具有较大的相似性。由于帧之间存在大量的数据冗余和以及帧内 冗余，视频水印很容易遭受盗版攻击，包括帧平均、帧丢失、帧交换、静态 分析等等。 在所有帧中嵌入相同的水印可能会不安全，因为攻击者可能会掌握大量有关 水印结构的知识去估计和删除水印。 嵌入水印一定不能显著地增加带水印视频流的数据率，特别是在带宽资源非 常有限的场合。 一些应用如：现场对内容进行水印标记，嵌入复制控制信息和嵌入指纹进行 内容跟踪等都要求嵌入实时水印。 其它的一些应用如检测版权保护信息和假冒视频产品的认证，也要求实时水 印检测。 2 3 2 视频水印的特殊要求 由于视频的上述特殊性质，它对视频水印方案的设计还有如下一些特殊的要 求【1 2 1 ： 实时处理性 水印嵌入和提取应具有低复杂度。然而不同的应用有不同的要求。如果水印 1 0 视频数字水印技术研究 用于审计追踪，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进行，因此为了考虑 水印上所有可能的攻击，水印提取可能比较复杂，而水印嵌入在这种情况下复杂 度应该低。 随机检测性 可以在视频的任何位置，短时间内检测出水印。随即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 序一步一步检测出水印，则不具有随机检测性。如果跳转到视频的任何一个位置， 也能够检测出水印，则具有随机检测性。 与视频编码标准相结合 视频数据由于其数据量极大，在存储、传播中通常要对其进行压缩，现在最 常用的视频压缩编码标准是m p e g 一1 ，m p e g 一2 和m p e g - 4 。如果在压缩视频中嵌 入水印，很显然要与视频的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，而视频压缩编码标准则需要去 除视频中的冗余数据，如果不考虑视频压缩编码标准而盲目地嵌入水印，则嵌入 的水印很可能在编码过程中就完全丢失了。 盲检测 使用原始宿主信息，更有利于检测和提取水印信息。但是，检测用到的原始 宿主信息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，也因为数据量巨大，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，目前主要研究的视频水印技术是盲视频水印技术。 更强的鲁棒性 对于视频数据还存在特有的处理和攻击方法，必须保证视频水印方案对这些 攻击和处理的鲁棒性。对视频的任何处理，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。 针对视频的攻击和处理有： 无意的攻击 采用各种压缩编码标准如m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g 4 等对视频进行编码， 在n t s c ，p a l ，s e c a m 和通常的电影标准格式之间转换所带来的帧速率和显示 分辨率的改变，以及屏幕高宽比的改变、帧删除、帧插入、帧重组等视频编辑处 第二章视频数字水印技术 理、a d 、d a 转换，如录制在模拟录像带时，在帧转换中可能给视频带来的影响， 包括低通滤波，添加噪声，对比度的几何改变以及几何失真等。 有意攻击 h a r t t m g 等1 1 5 】将水印攻击分为四类：简单攻击，检测失效攻击，混淆攻击和移 去水印攻击。在视频上的攻击也基本属于这四类组成。对于单个视频帧，基于静 态图像的攻击一般来说仍然有效。对于连续的帧，有统计平均和统计共谋攻击。 平均攻击是针对局部连续的帧求平均，以消除水印。这种攻击对于在各帧中嵌入 随机的，水印独立的方案比较有效。在共谋攻击中，从单个的帧中估计出水印， 并在不同的场景中求平均以取得较好的精确度，接着从每帧中减去估计的水印。 这种攻击对于在所有帧中嵌入相同的水印方案有效。因此必须考虑视频的各种可 能的攻击处理，来实现较好的水印。 2 3 3 视频水印与图像水印的差异 从上面介绍可以看出视频数字水印与静止图像数字水印技术的差异： 可用信号空间不同。对于静止图像，空间非常有限，这就促使许多研究者利 用h v s 模型，使水印到达可视门限而不影晌图像质量。而对视频水印来说， 信号空问非常大，但视频水印经常有实时或接近实时的限制，与静止图像水印 相比，降低复杂度的要求更重要。在某些情况下，甚至不能如静止图像那样充 分使用基于h v s 的模型。一个好的视频水印的要求：必须考虑帧间信息，以 能抵抗帧平均，帧剪切等攻击，可以把水印信息分布在连续的几幅帧中，而且 应该能从一个短序列中恢复全部信息。 对于静止图像，水印的主要应用在于说明作品的所有者，给出版权标识。而 数字视频的情况有所不同，一部影视作品的版权所有者是无需质疑的，视频作 品的每个拷贝中都应该用一个唯一的水印，防止非法拷贝。 复杂度：在某些应用中，水印嵌入和检测的复杂度是不对称的。水印嵌入应 当复杂，以抵抗各种可能的攻击，而水印提取和检测基于实时应用应当简单。 压缩域处理：视频数据可以通过压缩的形式存储。如在v o d 服务器上，基于 复杂度要求，更易将水印加入压缩后的视频码流中，如果解码后加入水印再进 行编码，计算量将相当大。 码率恒定：加入水印不应增加视频流码率。因此，当前的图像水印算法还不 能很好地保护视频数据。如果在视频的每一帧中嵌入固定的图像水印则容易引 起维持统计和视觉可见性的问题。 视频数字水印技术研究 2 4 视频数字水印技术分类 对于视频数字水印技术可作如下分类： 按嵌入域分类，主要可分为空域( 时域) 方法及变换域( 频率域) 方法。 空域替换法是用待嵌入的信息替换载体信息的冗余部分，一种简单的方法就是 l s b d 6 ) 方法。变换域方法就是在宿主的某个变换域，如小波域中嵌入信息，除了 静止图像上变换域中嵌入水印的优点外，还能很好地与视频压缩标准兼容。 按载体的数据域分类，包括基于原始视频方法和基于压缩视频方法。基于 原始视频的水印算法，是对未经编码的视频流数据进行处理，在原始视频中嵌入 水印。基于压缩视频的水印算法，则与某种视频压缩标准如常见的m p e g - i ， m p e g - 2 ，m p e g 一4 相结合，在编码视频中嵌入水印。 在压缩视频中嵌入和提取水印，既可以在视频编解码器中进行，也可以作为 单独的模块，直接在编码视频流上进行。前者需要修改视频编解码过程，在编码 器中加入水印嵌入和提取功能，适用于可以直接介入视频编码过程的情况。例如： 采用自己的编码器，对摄像头捕获的原始视频流进行编码。后者不需要修改视频 编码器，但是需要对编码视频流进行分析，在压缩码流中找出需要嵌入水印的数 据并完成水印的嵌入，适用于不能直接介入视频编码的过程，而只能得到视频流 的情况：在第三方制作的视频流中嵌入版权信息。 在压缩域内的水印嵌入( 直接在压缩比特流中插入水印) 优势在于水印嵌入 程序可以处理压缩的视频流，它与未压缩的视频流相比具有较低的数据率。水印 嵌入以后也不必再进行重新压缩，这对于实时水印嵌入技术来说是非常重要的。 为了在压缩域中嵌入水印，水印嵌入程序必须分析视频流以识别水印嵌入所需的 合适的结构，并修改压缩流以嵌入水印。采用块运动补偿视频压缩技术进行压缩 处理过的水印流，部分原因是大多数现代视频压缩标准( 包括h 2 6 1 ，h 2 6 3 + ， m p e g - 1 ，m p e g - 2 ，以及部分m p e g _ 4 ) 均采用块运动补偿技术以充分利用视频中 的时间和空闻冗余信息。这些压缩技术的共同特征包括：离散余弦变换，以块和 宏块为单位进行编码以及运动矢量。当然，一些图像采用帧内编码( 不使用时间 预测编码) ，而一些图片则使用一个预先解码的图片作为预测器进行编码。 从技术特性来看，这两种方法还可作进一步的细分： 基于原始视频水印方法：按嵌入城分，一些方法直接在原始视频数据中嵌 入水印，如h a r t u a n g 6 , 1 0 , ”】和k a l k e r t s j ，称为空域法。另一些方法先对原始视频数 据进行某种变换，如d c t 变换，小波变换，或傅立叶变换，然后在变换域中嵌入 水印，称为频域法。 基于压缩视频水印方法：按嵌入位置分，一些在变换系数上嵌入水印，这 些方法主要是借鉴了图像的频域水印技术：另一些方法在运动向量中嵌入水印。 第二章视频数字水印技术 频域水印有三种处理方法： 第一种方法，将视频流看作一个三维信号，其中两维在空间上，一维在时间 上，对其进行3 维变换，然后进行水印处理。 第二种方法，将视频流看成是静态图像的序列，采用图像水印技术进行处理， 因此有很多文献声称它们的算法适合视频序列。 第三种方法，按块进行频域变换，由于视频编码标准中也是按块进行频域变 换，因此这种方法大都是和视频编码器相结合进行，属于压缩视频水印。 2 。5 视频数字水印嵌入策略 从上一节介绍的视频数字水印算法分类可以看出，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健壮性有不同的影响。 压缩 码流 水印嵌入水印嵌入水印嵌入水印提取水印提取水印提取 方案一方案二方案三方案三方案二方案一 图2 1 视频数字水印嵌入策略 总结现有的视频数字水印嵌入策略如图2 1 所示。 第一类方案：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，然后进行视频编码。 优点是：可利用现有的数字水印算法，而不影响编解码器的正常使用。 缺点是：嵌入水印后可能会增加视频的码流，而且水印提取也必须将压缩视 频流还原为视频图像流，大大增加了水印算法的时间复杂度。 第二类方案：将水印算法引入到视频编码器中。这一算