（系统工程专业论文）水印技术在视频点播中的应用研究.pdf

埘 论文7 k 印技术 j 祧撷点播中的麻用 j 究 摭要 由手数字技术和互联嘲豹飞速发髓，视频或其它任何形式的多媒体数字对象交得 更易篡改。多媒体数据的安全受到严霞威胁，如何对其进行有效保护和认证的问题也 逐渐引起r 人们的关注。数字水印技术近来已被公认为是解决多媒体信息安全的秘 有鼓手羧，4 露可臣溺亲对多疾俸鼗撼遴行舨投保护、盗舨遥黥、搿有较证明醴及宛整 性认证。 本文酋先介绍了数字水印的来源葶f 1 发展、特点及其应用领域，重点阐述了水印在 实际痤爰中震潢是款些特巅要求。在深入分较援频零窝跨瞧以及瓣现有夔一麓穆关 研究成采进行总结的基础上，我们提出了个基予蚨分类的m p e g 视频水印算法。该 方案具有较低的复杂度，适合应用于诸如视频点播这类实时系统中。算法充分考虑了 m p e g 编解鹕技术，对些诸如码率转换、重瓤量化后再编码的攻击具有较齑的鲁箨 毪。同时，为了瀑证程颁强像霞量，在承印嵌入过程中还充努剥栩了入类筏爨模型。 视频认i 正技术可以被用来证明视萋暾内容的完整性。通常的认证技术不允许对视频 有任何形式的改动，这类方法在某些情况f 并不适用。本文提出了一个将数字捺名作 为农印嵌入程壤中筑认话方寨。试验缝莱显示，该簿法葵煮一定豹撬找礤转羧麓力， 对m p e g i i i 视频能提供有效的完整憔认证，适合在实际系统中应用。 论文最后总结了一必目前数字水印领域内尚未解决的问题，并指出了需进一步研 究的方向。 关键词：数字水印，视频点播视频认证，块分类，特征提取，实时应用m p e e , 一1 1 i 撼i 斑 懒 论文求日j 拽琦芒d 税频点播中的撕用1 1 究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g y ，v i d e oa n da n yo t h e rm u l t i m e d i ad i g i t a l o b j e c t sc a nb ee a s i l ym o d i f i e d f u r t h e r m o r e ，t h er a p i dg r o w t ho fi n t e r n e t t h c i l i t a t e st h e t r a n s m i s s i o no fd i g i t a ld a t a ，t h u s ，t h es e c u r i t yo fm u l t i m e d i ad a t ai st h r e a t e n e d t h e p r o t e c t i o na n da u t h e n t i c a t i o no fm u l t i m e d i ad a t ai sb e c o m i n ga ni m p o r t a n ti s s u ed i g i t a l w a t e r m a r k i n gh a sb e e np r o p o s e da 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 a ，t h et e c h n i q u ei sf e a s i b l ea sa 渤lf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o n t h et r a c k i n go f i l l e g a lr e p r o d u c t i o n s ，t h ep r o o f o f o w n e r s h i pa n di n t e g r a l i t ya u t h e n t i c a t i o no nm u l t i m e d i a m a t e r i a l s ， t nt h i st h e s i s ，f i r s t l yw ei n t r o d u c et h e o r i g i na n dd e v e l o p m e n to f d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ， t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds o m e a p p l i c a t i o n f i e l d so ft h i st e c h n i q u e ，f o c u s e do i lt h a tt h e d i g i t a l w a t e r m a r k i n gm u s tm e e ts o m er e q u i r e m e n t si na p p l i c a t i o n s a f t e rd e e p l ya n a l y z i n gt h e t e c h n i c a lc h a r a c t e r so fv i d e ow a t e r m a r k i n ga n de x i s t e dr e l a t e dw o r k ，w ep r o p o s ean o v e l w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m f o rm p e g i i ie n c o d e dv i d e ob a s e do nb l o c kc l a s s i f i c a t i o n t e c h n i q u e ，t h es c h e m ei s o fm u c hl o wc o m p l e x i t ya n dc a nb e i m p l e m e n t e di n s o m e r e a l t i m ea p p l i c a t i o n ss u c ha sv i d e oo n d e m a n d ( v o d ) s y s t e m ，t h a n k st ot h ee x p l o i t a t i o n o fm p e gv i d e oc o d e dt e c h n i q u e s ，t h es c h e m ew ep r e s e n t e di sa b l et ow i t h s t a n da v a r i e t y o fa t t a c k s ，s u c ha sr a t es h a p i n g ，r e - q u a n t i z a t i o na n dr e e n c o d i n g m e a n w h i l e ，i no r d e rt o p r e s e r v e t h ev i d e o q u a l i t y , p e r c e p t u a l m o d e l sa r ec o n s i d e r e d d u r i n g t h e e m b e d d i n g p r o c e s s v i d e oa u t h e n t i c a t i o ni s e x p e c t e d t o p r o v e t h e i n t e g r i t y o ft h ec o n t e n t c o m m o n a u t h e n t i c a t i o n t e c h n i q u e s d on o ta l l o w a n y f o r mo f m a n i p u l a t i o n ，t h u sm a k i n g i t i m p r a c t i c a lf o rs o m ea p p l i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s ea na u t h e n t i c a t i o ns c h e m et h a t c a ns u r v i v et h et r a n s c o d i n gm e t h o db yu s i n gd i g i t a l s i g n a t u r ea sw a t e r m a r k 。n o w a d a y s ， v i d e o sa r eo n l ya v a i l a b l ei nc o m p r e s s e df o r m a ti nm a n ya p p l i c a t i o n s ，g ow e f o c u so nt h e a u t h e n t i c a t i o no fm p e gv i d e o t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e d t e c h n i q u e sa r en o to n l ye f f i c i e n tt op r o t e c ti n t e g r i t yo fm p e g i 1 iv i d e o b u ta l s oa r e f e a s i b l ef o ra p p l i c a t i o n s f i n a l l y ，as u m m a r y a b o u tt h eu n s e t t l e dp r o b l e m si nd i g i t a lw a t e r m a r k i n gf i e l di sg i v e n o u ta n daf u r t h e rr e s e a r c ho r i e n t a t i o ni nt h ef u t u r ej s p o i n t e do u 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 o d ，v i d e oa u t h e n t i c a t i o n ，b l o c kc t a s s i f i e a t i 。n f e a t u r e se x t r a c t i o n ，r e a l t i m ea p p l i c a t i o n ，m p e g i i i 第i i 页 y 6 2 4 1 2 5 声明 本学位论文是我在导师的攒导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注萃嚣致谢豹部分乡 ，不包含其能人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任f 可教育机 匈的学使或学 历霭使用过的材料。与我一周工作的同事对本学缎论文傲文的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：洲年珀踟 学位论文使用授权声明 南京理工大学香投保存本学位论文豹电子和纸质文档，西以倦阗 或上阏公布本掌位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、岱阕或上赋公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关娥定和程序处理。 研究生签名： 如牲s 疑涎 型! 兰垄型丝苎! ! ! 塑璧堡皇塑竖里塑茎 一 1 绪论 1 1 数字水印技术的产生背景与发展现状 随着多媒体技术和蚓络技术的弋速发展秘广泛应用，多媒体产品难只盏数字化， m p 3 ，v c d ，d v d 等数字化音像产品正h 盏走进人们的生活，多媒 本信息憋交流已达到 鲍所来蠢的广发和深度，其发东形式瞧雯攘丰富。如今，久们可戳通过筒特网发布自 己敬佟晶，进 亍鄹上交易等。南于宽带和互连潮技术韵发展，在网络上传输视频、音 凝或图像等多媒体信怠币成为一种趋势，网络正迅速地改变着这个世界。数字化使多 媒体信息变得曼容易编辑、制作、保存、传输，同时也显藩提高了信息表达的效率和 准确度。但是，正如一切事物都有其两面性样。数字化多媒体信息的这些谯点也为 其带来了各种新的安全润题。妁在未键到作黯著乍畿或骶蠢尝恳爨懿情况下，对翼有 高度价值的作晶，无暇制地复制或传攒搀会绘制作者和态容提供者造成相当大的经济 碳失。焉且出于数字他款特点馕其对艺术作晶的篡改交得辩常容筋，更使原作品的完 整性受到严重藏胁。辫此，对予数字产品的敝权和完整性保护便显得f l 益重要多媒 体信息的安全问题提到了莳所未有的高度。 人们常常认为，信息安全的实现可以通过加密( e n c r y p t i o n ) 来完成。即首先终多 媒体数掘文件加密成密文后发伽，使碍网络传递过攫中出取的非法玫去者无法铁密文 中获得机密消息，从丽达刘版权保护积傣患安全数目靛， 星这并不能完全的解决问题。 方强加密压的文件心其不可理解性娆碍多媒钵信惑鹩传播：弱一方面多媒体信息经 过细密后容易弓| 起攻击者的好奇和注意，并膏被破解的可能，而且一盥加密文件经过 破解麓，其内容靛完全透裙了。密码学一巍被认为是在通信研究应用领域中主要的信 息安全手段并受至极大重视直到最近几年这种情况才有了改变。人僵 尝试壤秘密信 息隐藏于许诵文件中分发出去，用于跟踪侵权行为并提秽法律保护鲶涯撼，这就是信 息隐藏( i n f l o f i l l t l t io f ih id i n g ) 。两数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术 乍为信患隐 臧的主要技术获碍了广泛憋关注，多媒体信息麴安全溺麓是数字水印技术研究的主爱 推动力之一。 数字水印技术怒通过在艨始叛据中嵌入秘密信息水印( w a t e r ，m a r k ) 来证实该 数掭的所有权或完整往。这种被嵌入的水印可以是一段有意义的文字、标汉、序列号 等，而且这种水印通常是不可察觉的，它与原始数据( 如图像、援频等) 紧密结合，劳 隐藏其中，成为源数据不可分离的一邦分，著可以经历一些不破坏源数据使搿价值或 商用价值的操 乍蕊像存f 来。数字水印不尉予传统的船密，阂为其裔的不在予限制一 馔鲍资料存取，褥在予保诞隐藏数摇不被侵犯和笈现。 术印作为一颁实雨性狠强的信息安全技术，得到了学术界、产业界和国际标准化 第l 妊 f 峨f 论史水印披求n 似颂点播中的j 训钉州究 缝彭 等各个方蠹数关渡。无沦是扶理论研究、产品残制还跫专剩获墩等各个方嚣我们 都可以感受到数字水印技术f 以不可估量的速度发展羞。 在学术界，自从v a ns c h y n d e l 在i c i p 9 4 会议上发表了题为“ad i g i t a i w a r e r m a r k ”的文章以后，大量的关于数字水印的文献和研究成果如雨后春笋般涌现。 紧接着，1 9 9 6 年5 胃又在英国刽褥牛顿毛殍究搿谣开了第一矮鬣际信怠隐藏学术研讨 会，到现在这类会议己举办了多次。1 9 9 8 年以来，i e g gt r a n s a c t i o i l so ni m a g e p r o c e s s in g 、p r o c e e d i n g so ft h ei e e e 、i g e et r a n s a c t i o n s0 1 3s e l e c t e da r e a so f c o m m u n ic a t i o n 、i e e et r a n s a c t io n so nc o n s u m e re l e c i r o n i c s 、s p i e 等许多国际 重要鬻剥也都组织了数字求印的技术专列藏专题新闻报道。此外欧洲、北美戳及其他 的一些关于图像多媒 誊磅究方囊的霎际会议邦鸯专 0 的数字隶露讨论维。我圈龟于 1 9 9 9 年1 2 月举办了第一次信息隐减技术研讨会，以后每年举办一次。国家8 6 3 计划 智能计算机专家组会闹中科院自动化所模式识别国家重点实验室和北京邮电大学信 息安全中心还召开了专门的“数字水印学术研讨会”。 除了大学秘磺宠极橡对承印靛酝究，远几年中还灞瑰了诲多款攀东印技术瘫蹋的 公司，如美因o i g i m a r c 、8 立制作所、美困m a c r o v i s i o n 、n e c 、苏兰飞刹滤、先锋 和索尼等7 家公司成立了数字视频内容电子水印技术业界团体v i d e ow a t e r m a r k in g g r o u p ( v w mg r o u p ) 。另外，瀚际标准缀织也对数字水印技术深感兴趣，数字视频压缩 标准m p e g 一4 ( i s o i e c l 4 4 9 6 ) 提供一个框黎竞许结合简单的燕密方法和求印嵌入方 法，d v d 二业标准糨利用水印技术提供复毒控划积复制僳护誊足测，始“复铡一次”或 “不允许复制”等等。数字水印研究也从丌始单纯的图像水印到现在的视频水印，从 最早将信息嵌入到空域剧现在将信息嵌入到各种变换域，可以说，数字水印的研究进 入了一个高速发袋麓，并越来越多施被瘟搿弱实际中。 1 2 数字水印系统的框架模型和基本特征 数字水印技术发展剑今天，出现了蚤式各样的水印算法，许多学喾杰不龋提出赣 的算法的同时也在逐步地进行归纳总结。但是，到目前为止，还不能以一个统一的框 架柬涵盏数字水印技术的所有体系。下面根据文献 1 柬简述一般水印系统的嵌入提 敬过程。 般姆蚤驶形式鲍数字承印信息定义为妇下符号： w = w ( k ) 1w ( k ) b ，k 痧“ ( 1 2 ，1 ) 这翟。菱示傻数为d f | 球印馈号域，d = l ，2 ，3 分裂表示声音、羚矗：麓缳和视褰羹 | 耋： 像。水印信弓一般是些有意义的信息经过加密和调制形成的序列，表示为二 直形 式曰= 0 ，l ，或占= 卜l ，1 ) ，或者是高斯噪声形式。 第2 斑 坝i 论史承印投术舀视频点播中的成用讲究 同时数字水印处理系统揍本模型可以定义为六元缌( j ，彤，熨，g t 孝，j p ) a 矮中： 表示所要保护的数字产品的集合； 表示联有式l 2 - l # f 能水印信号敬集合； 足是水印密钥的集合 g 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 g ：x 鬈， = g ( x ，趸)( 2 2 ) f 表示将水印w 嵌入数字产品x 的嵌入算法，即 善：爿舻寸x ，。= f ( 凰) ( 1 2 + 3 ) 其中蜀表示艨始的数字产品，x 。表示嵌入东印焉耩劐的数字产龉。 d 表示水印提取或检测算法，即 o ：x 趸- = g ( 爿。芷)( 1 。2 4 ) 。c ，吟诧虢黧。 z 以上穷缓爨楚一般弱于数字产品操妒鹣承印系统攥黎摸型，露对予承印豹整然设 计框架，一般的数字水印系统包括两个鹫本方西：求印的嵌入器和水印的提取或检测 器如图1 2 ，1 所示。其中廉线表示是可选的。 l l 密似k i l 一一一一一一一j 一一一一一一一一一一一一一一一一i 劁 2 】一般的数字水印系统方紫 毅兹数字墩印系统熬竣入是东印、羧 搴数蚕蟊一个攀选兹公锈或强镶。承印霹 啦魁任何彤式的数据，比如视频、文本、图像等等。可以使用密钢来加强安全性，以 避免未授权方恢复和修改水印。一般所有的实用系统至少使用一个密铜，有的甚至足 几个密钥鼢组合e 出于数字承印必须考虑漶藏的信息在经历各神环境、搽 睾之后， 乃 需其有免遭破坏的能力，因此，数字求印必须考虑诿常鲶信息搽 乍所造成的威胁，潮 辩3 爱 塑! 堕! 坚! ! 坚! 查i ：丝塑：皇璺主塑竺望竺! i 一。 骚使机密资料对f 常的数掘操作具有免疫能力。这种免疫力的关键慰要使隐藏信息部 分不易蔽； 二翥敬数据撩 乍( 翔逶掌豹售零变换操作或数攒压缩) 所破塥。承印应能为受 到版权保护的信息产品归属提供完全和可靠的证据。水印算法应裁够_ 冀别被嵌入列靛 保护对象中的所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字锋) ， 并能在意要的时候提取出来。水印可以用来判别对象楚否受到保护。势能够监视被保 护数据的传稻、真翁簦剐以及 法拷爱等，这实际上楚发震承印技术静基本动力。受 t 满足应用的援求，一般水印必须具备以下些基本特征和要求： 不可感知性( i m p e r c e p t i b i l i t y ) 不；呼感繇性包含两方嚣豹意愚，一个撞麓堂上懿不可感知毪，瓣困褒入泰翻导 致图像( 视獭) 的变化对观察者的视觉系统来讲应浚怒不可察觉的，鼗理想的情况是 水印图像( 视频) 与原始图像( 视频) 在视说上一模一样，这是绝大多数水印算法所应 达到的要求：另一方葱水印用统计方法也是不能毂复出柬的，如对大量的明嗣榉方 法和承印处l 攀遥筋信息产赫帮使硝统计方法也无法爨敬承印或确寇术印的存在。 安全性( s e c u r it y ) 水印一旦嵌入到多媒体数据中，具有很强的对抗j # 法探测和非法破解的能力。 嚣基，郄擅褒怒道末印嵌入帮握馥篓法熬清凝下，妇鬃不懿遂楣关豹密甥，未缀授 权的一方也不能检测到水印的存在。即加密理论中的k e r c k h o f f s 准则也适用予此 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 如果在不破坏多媒体主聪瑷量的静搓下，对多媒荤拳数掘经过蠢意或无意的搡 擘 后，数字承翻仍保持完整髓和能被鉴剐滋来。这些撩作包括所有可能的信号簸壤， 如j 1 、缩、滤波、剪切、伸铺等，也包括所有未经授权的恶意攻击。这是版权保护的 项关键特性。 骂羚，隶印嵌入豹载待( c a p a c i t y 麓薹蹙一个缀重要数溺题，这点递豢窝翼傣瓣应 膈有关。有时，在一些应用中，是否能够利用原始宿主载体对水印的性能也有很大影 响这就是所硝的水印是否具有“亩检测”性。 日是，水印的这些特镁莘强要求是楣甄关联的，例如，为了嵌入一个二进割东印比 特位，我们对宿主信号可以进行非常大的修改，这样就可能褥到一个非常鲁棒斡水印， 然而，对宿主信号大改动的个直接后果就是水印的不可见性变羞，而且这种做法也 会跟制水印的嵌入容量。水印的基本要求之间的这种相互依赖关系，可以用图1 2 2 寒表示。 可以浇，别目前为j 卜矮没有哪一种水印算法能完全满足上述所有要求，或者说 疆完全达到i ：述要求希：现实中是很难实现的，因为有嫂性能指标之制本身就存在矛 矮，一个好豹承印箨法 3z “ 。b 是棂援具体瘟嗣，在这些爨标之闽进行援衷，以滚是其 体应瞒的要求。 辩4 负 鲤：! ：堡兰 查型垫查垄丝塑寰塑! 盟堕魍型望| 一一 广 刮竺兰竺j 滗1 z 2 水印基本要求之阍的依赖哭系 l 。3 数字水印技寒的分类黑应用 从不同豹角壤，数字农印技术可有不问的分类。例如： 按水印的载体分类：文本水印、图像水印、语音水印和视频水印： 按水印的用途分类：版权保护水印、图像认证水印、隐藏标识水印、防业复 印水印等； 按特性分类：鲁捧水印摹口易损水印； 按检测分类：裔承印和滩盲水印： 按嵌入能置分类：空时域水印和变换域水印。 人们之所l 三l 对数字水印这种技术产生如j l ：强烈的关注，不仅楚由于数字求印技术 肖很大的理论研究价值，还在于它潜在的巨大商业价值。到目前为止，数字水印已经 猩穰多方谣得到了应焉，远远超漱了它原先期望静只用予版权保护的功能。近死年来， 由于互联网市场的迫切需求，多媒体数字水印技术及其成用已成为信息安全技术锵究 的重点。嚣前数字柬露技术的应用主要镶括良下几个方蕊： 用于版权保护 蠢前，鞭衩绦护可麓楚承印激主要的应用。冀霹的怒嵌入数瓣的来源信息戬及阮 较有代表性的版权所有糟的信息，从而防止其它团体对该数据宣称拥有版权。这样水 馨就可蔽髑来公难笼解决掰有权溺惩，这种应臻豢求承印有菲常筒静诞妆性。除藏之 外，还要考虑其它的问题，例如，水印必须是清晰的，当其它人嵌入另外的水印时仍 然链够确诀囊委麓嚣有蠢。 用于盗版跟踪的数字指纹 这秘瘟鼹豁嚣觳爨馋辕合法接觳者豹穰怠露不是鼗稳来源黉浆镶怠，主要露寒 旃s 贾 f 叻i 沧史水日j 披术订- 刚频点 罱中的应用研究 称之为数字指纹”。对每个拷贝各自嵌入水印的情况，因为它们的发行要面临共谋 攻击的危险，所以嵌入的水印应陔是抗共谋攻击的。另外，数字指纹应用中的水印 也需要很高的健壮性，不仅要能抵抗恶意的攻击，还要能抵抗一些标准数据处理。 用于拷贝保护的水印 在多媒体发行体系中，希望存在这样的一个拷贝保护机制，即它不允许未授权 的媒体拷贝。在丌放系统中很难实现拷贝保护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。例如d v d 系统， 在陔系统中，数据中的水印含有拷贝信息。一个符合要求的d v d 播放器不允许重放 或拷贝带有“禁止拷贝”水印的数据，而带有“一次拷贝”水印的数据可以被拷贝， 但不允许从该拷贝再进一步制作拷贝。 用于认证的水印 在鉴定应用中，使用水印的目标是对数据的修改进行检测。这可用所谓的“半 脆弱性水印”来实现，它对特定的修改( 如压缩) 有弱的健壮性，而其它的修改则是 破坏性的。此外，根据不同的数据类型和应用，相应的健壮性要求也会有所不同。 不过在所有可能的水印应用中，用于鉴定的水印对健壮性的要求最低。 电子商务中的网页保护和票据防伪 近几年来，各种各样的网站如雨后春笋般不断涌现随之而来的网页内容的篡 改和非法盗用问题也日益突出。在网页中加入合适的水印也许将成为保护网页，防 止非法篡改和盗用的种有效手段。随着高质量复制设备的出现和电子商务的兴起， 票掘防伪技术也在不断发展。显然，电子商务中各种电子票据的有效防伪是十分重 要的。电子票掘的水印技术将在今后几年得到更多的研究。 1 4 本课题的研究内容和论文的结构安排 当前，大多数水印技术的研究集中在静态图像上，而视频水印技术研究才起步不 久，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，特别是在一些具体应用如视频点播方面，有着广泛的应用前景。在这些应用中， 普遍采用的是符合m p e g 标准的视频码流，如果能够将各种m p e g 编解码技术与水印 技术相结合，显然会有很大的实用价值。 本课题源于南京理工大学科研发展基金项目“视频认证和版权保护水印技术研 究”。本论文在总结信息安全方面的一些关键技术，如版权保护、来源认证、用户认 证、内容认证等的基础上研究适用于视频点播、具有多重功能的水印方案，以实现 对视频产品的版权、内容完整性等方面的保护。主要采用v i s u a lc + + 开发工具，在 w i n d o w s 环境f 构建实验系统平台对水印算法进行仿真。 第6 负 埘! l 论正水e 技术n 虻频点插中的心用究 为此，本论文的结构和所探讨的内容将做如下安排： 第l 章为绪论部分，首先介绍数字水印产生的背景和发展现状，然后介绍了数字 水印的基本原理、分类和特征以及应用。 第2 章首先介绍了数字视频水印与一般水印的异同，然后总结了视频水印系统的 性能评估方法及评估过程中所使用的攻击方法。最后，对现有的视频水印算法研究成 果做了一个| 羊细的分析和总结。 第3 章西先分析了视频点播系统的特点然后在结合视频水印应用于实时系统中 的具体要求的基础j 二，通过与m p e g 编解码技术的整合，提出了一种可应用于视频点 播系统中的水印方案。理论分析和试验结果证实了该算法的有效性。 第4 章介绍了视频水印技术在视频认证中的应用，具体阐述了视频认证的目标、 要求。在总结视频认证的现有技术和方法的基础上，提出了一种基于m p e g 视频编解 码技术的视频认证方案试验结果显示，该算法具有较好的特性。 第5 章对本论文所做的各项工作进行了简要的总结，并对今后的研究工作提出了 一些改进建议。 第7 页 坝i - 论史水日j 技术n 桃频点播中的施用研究 2 数字视频水印的特。性与算法分析 数字视频水e ! | j 技术研究是当丽水印技术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i i b j 掩盖效应领域的研究成果。然而在视频水印研究方面，由于包括时剧域 掩盖效应等特性在内的更为精确的人眼视觉模型尚未完全建立，这使得视频水印技术 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。而且，由于一些针对视频水印的新攻击形式( 如帧重组、帧间共谋等等) 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。 因此，虽然视频水印技术是从图像水印技术发展而来的，其应用模式和设计策略 部有类似之处，但由于数字视频水印技术具有的特殊应用背景和必须适应具体的应用 系统的特点，使得数字视频水印技术在保持数字水印的基本特性的前提下，另辟蹊径， 走与具体应用相结合的研究丌发之路。 2 1 视频水印与一般水印的异同 一般人们在研究新领域的时候，首先想到的就是借鉴和利用已有的研究成果和方 法。我们都知道，视频从某种角度上来看，他们是由一帧一帧的图像压缩构成的，视 频水印在一些基本原理上与基于图像的水印是非常类似的，因此将图像水印的基本原 理应用于视频水印是一个自然的思路，将视频水印看作为静止图像水印的延续并将目 i u 已有的静止图像水印方案调整到视频领域是个常用的方法，实际上现有的很多文献 也币是这样做的。但是应该看到视频作为图像序列这一事实，也表明视频水印不 能机械地利用图像水印技术。他们之担j 既有相同点，又有不同之处。视频水印和其他 水印一样，都应该满足水印的一般要求，即水印应是不可见的( 当然可见水印除外) ， 其次水印还应该安全可靠，另外，鲁棒性也是一个非常重要的要求，当然这与具体 的应用有很大的关系。 对于视频水印技术，除了应该具有数字水印的一般特征外，还有一些特殊的要求 如： 实时处理性 水印嵌入和提取应陔具有低复杂度。然而不同的应用有不同的要求。如果水印是 用于盗版追踪，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 收者嵌入身份标氓，水印处理在大量的分布视频序列上进行，而水印提取只是在出现 版权冲突时以进行。因此，为了考虑对水印的所有可能的攻击，水印提取可能比较复 第8 负 坝i 论文 水剐技术 ? 耻频点捅中的戍用研究 杂，藤承露嵌入态这秘猿嚣下复杂发应浚惩。 随机检测性 可以在视频的任何位置、在短时i 训内检测出水印。视频水e i j 女n 果只能从头丌始才 能检测出，则l i 具有随机捡钡4 性。 与程频编鹃标准穗结合 视频数据由于其数据量极大，在存储、传播中通常先要对其进行压缩，现在最常 用的视频数据压缩编码标准是m p e g l ，m p e g 一2 祁m p e g 一4 。如果是在压缩视频中嵌入 承印， 疆曩然霉要与援频熬压缩编籁鑫准穗缝会；躲暴是在簌戆毒蔓频串嵌入水露，出 于承印嵌入是利用襁频的冗余数攒来携带信怠+ 而视频压缩编码则需要除去视频中的 冗余数抛，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。 筏缀秘静壹盈豫帮相类觳静地方，静止图像水印技术直接应用于视频怒露而荔觅 的。许多文献也有相关的报道，但怒视频和静止图像又有一些蘑要差异。麓异之一是 可用信号空间不同。对于静止图像，信号空矧非常有限，这就促使许多研究者利用人 类援觉模型疆v s ，骥嵌入承鼙达戮霉援 1 蔽蕤不影穗整缘矮爨。嚣对筏簇来说，簇 号空闯非常大。在一黧具体应用如视频点播中，视频水印经常有实时或接i 琏实时的限 制，因此与静止图像水印相比，降低复杂度似乎鞭重要，在某燃情况下甚至不能如静 止图像那样充分利用罄予h v s 的模型。再一点，褫频作为一系列静止图像黢集合，会 遭受一骜特定静玫者，如额平均、额翦切等。一个好的求印成该抵抗这些攻击，而且 应浚尽可能从一个短序列中恢复全部水印信息。闭此，在视频水印的算法设计上，在 满足视频水印的一般特性的同时，应尽可能考虑鲦法嵌入检测的计算复杂发昶水印的 嵌入域，帮承露应当尽霹缝茬压缨域实疆。 2 2 数宰视频水岳f 】技术评价 2 , 2 。1 永翔系统的榷缝译信 从第一篇关于数字水印的文章的发表到现在将近十年的时删里，全世界范围内这 领域的研究活动蓬勃发展，而且工业界对数字水印技术的关注也在不叛增嬲。在大 量翁萋胥究中，天翻可能雯关注予数字隶印方法豹设计，丽忽培了一个重要豹闷题。这 就是对水印系统合理的测试基准和性能评估。 对水印系统或水印方案的评估怒多方面的，不仅需要对鲁棒性进行评估，而且包 撬聪囱农印处理薅 入瓣变形述嚣妻鼹戆或定童瓣评 砉。过去，只毒稷少一部分磊薏究 者对承印处理带来酌淄像质量降级进行定量的分析。因此，为了能够进行公平的基 准测试和性能评估，必颁确保各种水印系统是在可比较的条件下进行测试与研究。如 第9 受 ! ! ! ! ! ! 望兰查! ! 丝查i ! 型塑皇堡! 塑丝旦业塑 何保证可比较的测试条件? 这个同题涉及到对影响水印性能测试的各个因豢的统一， 宅嗣雹戆：据逯承印蘩箨挂、享蔓觉缀萋等往戆指标的统一；磺泉溺试懿承印浚寿方法 1 1 , 0 统一：对各种测试指标描述的统；测试基准数据的统一：测试方法与步骤的统一 等【i i 。 然嚣，如秘菇一个数字s 炙1 7 p 系绫爨蹬合理公爱戆评 奔是零印技术臻究中麓一拿难 点。一一般来浣，对永印系统的评价瓴括主观和客观的评价标准卧j 。一个公讯客观的 水印系统评价准则应在不同的测试条件下有相同域相似的结巢。常用的评价指标包 括： 嵌入东印簋惠霪 水印嵌入量的多少直接影响着水印的鲁棒性和不可见性。对同一种水印方法而 言，要嵌入的信息越多，水印的鲁棒性相对越差。被嵌入的信怠依赖于各种具体应用 场合。 i l l 嵌入水印强度 嵌入的水印强度趟强，意味着水印的鲁棒性越高。然而水印强度的增强却可能破 坏承印的可见性。 密主疆号信怠蕊和特征 宿主信号的长度及特征同样影响水印系统性能。 密钥信息 塞锈弦惫懿数量最然对表露黪不可凳佳帮鲁棒篷没有壹接熬影稳，毽龆对承窜系 统的安全舆有重要作用。密钥空间也就是密铜信恩的可能值的范围必须足够大以防 止攻击者聚用全搜索的方法破译。因此在水印系统的设计中应遵守基本的密码学原 理。 综合考虑主述函索，个公平客观的求印谱价系统应链经受不同数据巢的测试， 即对不同的测试数掘集同样具有客脱公f 的结果。而且，为了统计地计算有效的结果， 评价测试中应采用不同的密钥和变化的水印信号来进行。 另终，爱翔我铜囊蓍蠢掰提及夔，在隶鼙l 可觅浚茅【l 簧捧燕之润存在羞矛詹，这就需 要在两者之阐采取一个折衷。因而币确评估和比较水印系统时，对水印可见性的考 虑就十分爨硬。对水印可见性的评价酉以用定量量测方法( q u a l i t ym e t r i c ) 或主观测 试方法( s u b e c tiv ot e s t ) 。由于还没商暹魇熬瘦爨标准，在定爨囊溺方法中，镬躅 的比较多的是。神采用基于普通橡豢的畸变量董测方法 ”。用它得到的结集不依赖于 主观评价，它允许在不问的方法之划进行公平的比较。大部分用在视觉信息处理中的 畸变量度量或质量度量方法都属于卷分度量法。表2 2 1 列出了簸通鼹敢差分峨变度量 ( o i f f e r e n c ed i s t o r t i o nm e t r i e ) 。 这些方法经常用于潮像和视频处理中，当然所给出的量测方滋在经过维数觚配以 禁1 0 嗄 坝j 论艾水日j 挫术卉铷频点捕中的心用研究 后，还可餍予除国缘耨视频以终鲍獒媲数据。在这些指标中，搜忍最多敢是傣噪毖 s n r ( s i g n a l t o n o i s ef a t i o ) 或峰簸信嗓院p s n r ( p e a ks n r ) 。 表2 ，2 1 通常使州的罄r 像素的等分畸变龄苗洲方法 差分舔雯器晕溺 r 均绝对芹 m , 一n l 卅“ 4”州 均方茇 m s e = 上屯。一瓦，) 2 m n篾”4 ” 门一化方荒 一。j 一。 j ，卅晰h 落曝比 s n r = 疋? ，瓴厂乏，了 峰值信嗡比 p s n r = m n m a x l , n 2 k 一瓦j 主鬣溅试方嚣，崮予不弱经历静久翳东鼙聱豫豹主褒溺试终莱差雾援大。主戏溅 试对最终的图像质量评价和测试是十分有用的。但是，在研究和开发中，实用性却不 大，实际的量测往往采用定量量测方法。 总之，要完全傲到窳印系统之闼麓公乎毪韪对魄晓较强难。魏暴不蕤弱突蓑豹溅 试基礁敬一种致的方式来评价水印系统，剐系统的脆弱性和翳攻击性就一巍会存 在，同时没商统一的测试准则比较各个系统的优劣瞧会阻碍水印技术的研究与应用。 2 。2 + 2 性楚译 杏孛鬻馕雳魏攻击蠢法 在对水印系统进行性能评估的过襁中，需要对水印系统进行一些攻击，以测试其 性能。这些攻击是个水印系统在实际使用过程中w 能会遭受到的。此处“玻赘”魄 含义雹摇毳惹懿攻击秘元懑静攻击。育悫懿攻击是掇为了去豫承印丽采敬静各释艇理 方法，此种攻击往往是恶意的；无意的攻击是指加商水印的图像戏视频在使用过程中 不可避免爨到的诸如有损压缩、噪声影响等处理。 承印磷究者谈识到，鼹汞窜系统酌攻壹毒死类，每一类蘩赞怼承窜楚理懿菜一令 阶段。我们采用c r a v e r 等人所描述的方法i ”，将水印攻击划分为四大类：信号去除 攻击( r e m o v a l a t t a c k s ) 、表示攻击( p r e s e n t a t i o na t t a c k s ) 、解释攻击 ( i n t e r p r e t a t i o na t t a c k s ) 和合法性攻击( l e g a l a t t a c k s ) 。信号去除攻毒涉及戮承 繇信号豹灌滁，它是强耱竣击中最蠹绞明显的一释攻击，这静玫齑包括各种类型的非 有意的操作如图像压缩等以及用通用圈像处理程序对水印进行的外科手术式的攻击， 絷i l 负 坝f 论立水印技术打桃频点捕中的俺用“野t 或考健磺专用的玫毒稷痔。表示攻凌采鼹谴水印稔溅器失效缝方法，扰季申攻蕊不是肤 有承印的对象中去除承印，而是以菜种方式魏解水印，使水印不能为检测器所检测出 来。解释攻击通常通过伪造水印而获得成功，它谢意造成原始水印不能被检测出来， 从而使腻始水印不再有任何意义。会法性攻击是刹用了法律上的一些条款，这些阏题 在奉文中夺进行资绪论述，基为它们中豹绝丈多数都超出了技术讨论范毯。巍该注意 到，有时这阴种攻击之f l i _ j 的区别是很模糊的，并且有些攻击并不能很明确地归于上述 某一类。 上述这些攻击方法主要是针对爨像本印孬善瓣，考虑裂撬频具毒许多与怒德系嗣 的特性，所以又有些针对视频所特宵的攻击，如裘2 2 2 所示： 表2 2 2 视频水印特有攻街方法 亮发缝度转变 空域解同步 时域解同步 视频编辑 代码转羧裙疆赣播式转按 色莘信号重采样( 4 ：4 ：4 。4 ：2 ：2 。4 ：2 ：o ) 显示格式转换( 4 3 1 6 9 ) 空域制式转换( n t s c ，p a l 。，s e c a m ) i 帧率变换( 2 5 ，3 0 ) 剪切，插入，图像重组等 理解这些攻击有助于提出更好的数字水印方粱它们将不仅仅依靠提高水印强度 来增加稳健性，而且也通过增强它们抵御这些攻击的能力来增加稳健性。认识到现有 瓣零印鼓术教袋点耪爨羧瞧，再结合对这些接术嚣簸攻击瓣静浚麓掰缀静透筋豹分橱 和评估，暇终将导致对媛领域的更广泛更深入的研究。 2 3 现卷视频水印冀法的分析总结 视频水印可以看作悬静态图像水印在时间上的扩展，但是犍于视频载体的特殊 性，这两者又有所不同。目前，针对视频水印技术的研究已经肖很大进展，在发展过 程中t 大传上可分为薄步；第一步，主黉是疼静态篷缘数字拳露羧零亏| 孛到稷频承窜， 这是出于数字视频净烈疑幽时阃轴上的一顿顿图像组成，原则上基于每一顿图像，可 以采用静态图像数字水印技术。第二步，再考虑视频序列作为三维向量的特点，以及 压缩编解鹳的具体情况，又可产生多葶申形式、各葶孛结橡的承印算法。总豹来洪，援频 痔羁穗对静态鹜豫簌维数惫瘦看，多了一维时闯参数，园戴要考虑诸如同步等与孵域 有关的问题。从压缩角度看，m p e g 视频编码中的帧内编码与般的图像编码标准如 倒? 沧立 水目j 技术 桃频点播中的j 二，用删究 j p e o 大体一致，但同时又多了帧蝴编码的过摆。在设计视频水印算法的时候，这些数 字援颓特点蠡是要蘸颟至l 静。 现有的视频数字水印技术从嵌入策略上蕊本可以分为三类。第一类嵌入方案是将 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( 魏g p e g 压绞等) 。虽然这穗方案可以充分利用多穗用于静疲强豫熬数字求印技术秘 策略，但经过税频编解鸦处理后，势必造成郝分永印信息的丢失，为水印的提取和检 测带束诸多不利因索。第二类方法是将嵌入过程引入到视频编码器中。这一方案虽然 增加7 日l 入水印算法上的局限性。但是出于浚方案一般是邋过调制d c t 变换或量他之 磊豹系数完成信惑嵌入过程，这徉可疆采霹窦逶应豹税翻，绞据久靛筏觉待往送行谲 制猩得到较好的主观视觉质量的同时得到较强的抗攻击能力。第三类方法则把水印 信息赢接嵌入到视频压缩码流中，其最大的优点在于不需宪全解码和再编码过程，因 憩造戏携霹整传羧频售号款影酾鞍小。瞧鼹额琴绞对援频痿缝妈率豹终慕将袋裁农印 的嵌入信怠量，问甜水印的嵌入可能造成对视频解码系统中运动补偿环路的不良影 响，因此该类算法设计具有一定的复杂度。在备类视频水印算法中，比较育代表性的 有： h a r t u n g 等驿掇蠢t 詹签扩频逶