（信号与信息处理专业论文）h264avc视频完整性认证关键技术研究.pdf

摘要 近年来，数字信号处理技术和宽带网络设施的飞速发展，使得数字内容的制造和分发越 来越便利。曾经只有专业水准才能完成的数字图像视频的编辑工作，如今可以借助很多便宜 甚至免费的软、硬件轻松完成。这种便利无疑为大多数内容用户带来方便和实惠，但也会产 生一系列问题。首先，在不影响合法用户享受数字多媒体的前提下，对诸如数字音乐，电影 和书籍等多媒体内容进行版权保护，成为了一项新的课题，亟待研究。其次是内容认证方面， 由于多媒体数据的易编辑特性，使得人们对它的真实性产生质疑，特别是当这些数据用作呈 堂证供的时候。此外。为了保护公民财产安全，很多公共场合都安装监控摄像机。为了方便 存储和传输，越来越多的监控摄像机采用数字格式存储视频。监控系统的视觉数据无疑是很 重要的，并且他们的真实性需要得到保证，这样数字视频才能够无可置疑地作为可靠和有效 的证据使用。因此，编码传输过程中鲁棒、高效的视频认证及篡改修复机制的研究成为信息 安全领域的热点问题。 针对上述诸多问题，本课题重点在h 2 6 4 a v c 编码标准的基础上，结合视频序列的时间 特性与编码特性，设计高效、鲁棒，水印容量可调的认证算法，对h 2 6 4 编解码过程中的码长、 码率等指标的影响降低到最小，同时进行篡改检测、定位机制与篡改恢复机制的研究，形成 一套完善的视频认证系统。主要研究成果包括： l 、基于残差块量化分层系数模型与“十字区域”运动矢量相结合的h 2 6 4 鲁棒水印算法。 视觉质量是水印算法性能最直观的衡量标准，为了提高算法的视觉质量，通常需要对图 像进行复杂度分析。在压缩编码传输过程中的视频水印算法，比图像水印算法增加了时间维 度的信息，即大量的帧间信息。简单的图像复杂度分析不再适用于视频水印算法。本课题着 力针对亮度、纹理、空间信息综合考虑的视频复杂度分析，通过调制帧内目标宏块的残差量 化分层系数与帧问宏块l 卜字区域”的运动矢量来共同完成标识信息的嵌入，有效缓解视频质量 与水印算法鲁棒性之间的矛盾。 2 、基于零系数备用空间与帧间预测模式相结合的h 2 6 4 容量多级提升的信息隐藏算法。 水印容量是衡量水印算法性能的另一重要标准，扩大水印容量对于传统的水印算法而言， 势必会使视频质量下降，如何在水印容量与视频质量之间进行取舍是水印算法的关键问题。 本课题将这方面作深入研究，帧内编码部分利用d c t 交换、量化后残差块的若干零系数构造 备用空间用来存储标识水印信息；在帧间编码部分利用h 2 6 4 帧间可交长码( v l c ) 的无差值 补偿特性，引入信息变长分组概念，在帧间预测模式部分隐藏标识水印信息，本文将帧内帧 间两部分相结合设计一种安全的水印容量可多级提升的视频信息隐藏算法，有效改善视频质 量与水印容量之间的矛盾。 3 、基于数字水印技术的h 2 6 4 主动目标识别算法。 智能视频监控系统包括运动目标分割、目标识别以及目标跟踪等环节的研究。其中目标 识别主要是在运动目标分割、提取的基础上，对每个目标( 监控范围内有多个目标) 提取其 自身的不变特征，做出标记，以绘制出各目标的运动轨迹，是智能视频监控的主要内容。本 文提出基于水印的主动目标识别概念，在h 2 6 4 标准上，当前帧中进行运动目标检测并分割， 在重构帧的运动目标中嵌入不同的水印，重构图像将在下一帧用于预测，这样水印信息被传 递到下一帧，在下一帧与中通过提取参考帧运动目标预测值中的水印信息即可有效地实现目 标识别，随后继续在下一帧的重构帧中嵌入水印，循环处理，直至完成整段视频的运动目标 识别 4 、h 2 6 4 视频完整性认证系统及篡改恢复机制研究。 视频完整性认证系统应当包括认证码的提取、标识信息的嵌入，篡改检测及定位几个过 程，视频序列比图像信息更复杂，不能简单的采用图像h a s h 值提取的方法提取视频认证码 本课题提出空间能量波动分析方法，针对不同特征的视频帧，有针对性的采用改进的s q 与 v q 量化方法，有效提取出视频认证码。并结合改进的前文中h 2 6 4 鲁棒水印算法与h 2 6 4 大 容量信息隐藏算法，构成h 2 6 4 视频完整性认证系统，并进行篡改修复策略的研究，在一定程 度上修复篡改操作 关键词：h 2 6 4 a v c 编码标准视频认证多媒体鲁棒水印信息隐藏主动目标识别 篡改恢复 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n db r o a d b a n dn e t w o r ki n 丘雒们l c _ t l l 托h a v e d e v e l o p e dr a p i d l y , w h i c hm a k e st h em a n u f a c t u r ea n dd i s t r i b u t i o no fd i g i t a lc o n t e n tm o r ea n dm o l e c o n v e n i e n t i nt h ep a s to n l yt h ep r o f e s s i o n a l sc o u l de d i tt h em u l t i m e d i af i l e s ，t h ew o r kt h a tc 锄b e a c c o m p l i s h e de a s i l yb ys o m ec h e a po re 、，明f r e es o f t w a r ea n dh a r d w a r en o w a d a y s t h ec h a n g eo f s i t u a t i o nb r i n g sc o n v e n i e n c ea n db e n e f i t st om o s to ft h ec o n t e n tu s e r su n d o u b t e d l y , h o w e v e r , s o m e p o t e n t i a lp r o b l e m sc o m ei n t ob e i n g f i r s to fa l l ，an e wi s s u ei st oe x e r t ：h o wt oc a r r yo u tc o p y r i g h t p r o t e c t i o nf o rd i g i t a lm u l t i m e d i ac o n t e n t s ( c 舀d i g i t a lm u s i c ，m o v i e sa n db o o k s ) w i t h o u ta f f e c t i n g l e g i t i m a t eu s e r s n o r m a lo p e r a t i o n ? s e c o n d l y , c o n c e r n i n g t h ec o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n ，t h ea u t h e n t i c i t y o fm u l t i m e d i ad a t aw i l lb eq u e s t i o n e dd u et oi t se a s i l ye d i t i n gf e a t u r e 。e s p e c i a l l yw h e nt h o s ed a t aa 他 u s e da 5s w o r ne v i d e n c ei nc o u r t i na d d i t i o n , m a n ys u r v e i l l a n c ec r m e r a sa r ei n s t a l l e di np u b l i c p l a c e st op r o t e c tt h ec i v i lp r o p e r t y i no r d e rt of a c i l i t a t es t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o n , d i g i t a lv i d e o f o r m a ti sa p p l i e di nm o r ea n dm o r es u r v e i l l a n c ec a m e r a s v i s u a ld a t ao fg u a r a n t e e da u t h e n t i c i t yi n s u r v e i l l a n c es y s t e m , w i t hw h i c hd i g i t a lv i d e oc a nb es e r v e d 勰r e l i a b l ea n dv a l i de v i d e n c e 。w h i c hi s v e r yi m p o r t a n t t h e r e f o r e , r e s e a r c ho nr o b u s tc o d i n gt r a n s m i s s i o n , e f f i c i e n tv i d e oa u t h e n t i c a t i o na n d t a m p e r 玎目刚e fm e c h a n i s mb e c o m e sah o ti s s u ei nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o ns e c u r i t y i nr e s p o n s et op r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rb a s e do nt h eh 2 6 4 a v cc o d i n gs t a n d a r d , m a i n l yf o c u so nd e s i g n i n ga l le f f i c i e n t , r o b u s ta n da d j u s t a b l ew a t e r m a r kc a p a c i t ya u t h e n t i c a t i o n a l g o r i t h mo nt h ec o m b i n a t i o no ft i m ea n dc o d i n gc h a r a c t e r so fv i d e os e q u e n c e s 1 1 h ea l g o r i t h m m i n i m i z e st h ei n f l u e n c eo nt h ep a r a m e t e ri n d i c a t o r ss u c ha sb i t - l e n g t ha n db i t - r a t ei nt h eh 2 6 4 c o d i n gp r o c e s s a tt h es a m et i m e ，r e s e a r c h e so nt h et a m p e rd e t e c t i o nm e c h a n i s ma n dt a m p e r r e c o v e r ym e c h a n i s mf o r mas e to fv i d e oa u t h e n t i c a t i o ns y s t e m t h em a i na c h i e v e m e n t sa r el i s t e da s f o l l o w s f i r s to fa l l ，an o v e lr o b u s tw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d , b a s e d0 nt h eq u a n t i z e dl a y e r e d c o e f f i c i e n t so f t h er e s i d u a lm a c r o b l o c ka n dt h em o t i o nv e c t o r si nt h e “c r o s s i n gr e g i o n v i s u a l q u a l i t y i st h em o s ti n t u i t i v es t a n d a r dm e a s u r e m e n to fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m p e r f o r m a n c e i no r d e rt oi m p r o v et h ev i s u a lq u a l i t yo fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，i m a g ec o m p l e x i t y a n a l y s i s i s a l w a y sn e c e s s a r y c o m p a r e d 喇t t it h ei m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，v i d e o w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi nt h ec o d i n ga n dt r a n s m i s s i o ni n c l u d e st h ei n f o r m a t i o no ft i m ed i m e n s i o n , n a m e l yal a r g en u m b e ro fi n t e r - f r a m ei n f o r m a t i o n s i m p l ea n a l y s i so fi m a g ec o m p l e x i t yn ol o n g e r a p p l i e st ov i d e ow a t e r m a r k i n g 1 1 h es t u d ye m p h a s i z e so nt h ev i d e oc o m p l e x i t ya n a l y s i sc o m p o s e do f b d g h m e s s ，t e x t u r e ，s p a t i a li n f o r m a t i o n , a n de m b e d d i n gw a t e r m a r k i n gb ym o d u l a t i n gt h eq u a n t i z e d l a y e r e dc o e f f i c i e n t so fi n t r ar e s i d u a lm a c r o b l o c ka n dm o i l v e c t o r si nt h e c r o s s i n gr e g i o n o ft h e i n t e r - f r a m em a c r o b l o c k t h ea l g o r i t h me f f e c t i v e l ya l l e v i a t e st h ec o n f l i c tb e t w e e nv i d e oq u a l i t ya n d r o b u s t n e s so f v i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s e c o n d l y , t h eh 2 6 4v i d e oi n f o r m a t i o nh i d i n ga l g o r i t h mw i t ha d j u s t a b l ew a t e r m a r k i n gc a p a c i t y i sp r o p o s e d ，b a s e do ns p a r es p a c ef o r m e db yz e r o v a l u ed c tc o e f f i c i e n t sa n di n t e rp r e d i c t i o nm o d e ， w a t e r m a r k i n gc a p a c i t y i sa n o t h e rs t a n d a r dm e a s u r e m e n to fw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m p e r f o r m a n c e t ot h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m , e x p a n d i n gt h eq u a n t i t yo fw a t e r m a r ke m b e d d e dw i l l d e g r a d et h ev i s u a lq u a l i t y t h u st h ek e yi s s u eo fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h ml i e si nt h et r a d e - o f f b e l 阳胤w a t e r m a r kc a p a c i t ya n dv i d e oq u a l i t y t h ef u r t h e rr e s e a r c hl a u n c h e si nt h i sa 吼d u r i n gt h e i n t r a - f i a m ec o d i n g , q u a n t i z e dz e r o - v a l u ed c tc o e f f i c i e n t so fr e s i d u a lm a r c o b l o c ka r eu t i l i z e dt o f o r mas p a r es p a c e , i n f o r m a t i o nh i d i n gi sa c h i e v e db ym o d i f y i n go n ez e r o - v a l u ed c tc o e f f i c i e n t so f s p a r es p a c e i nt h ec o u r s eo fi n t e r - p r e d i c t i o n , w ei n t r o d u c et h ec o n c e p to fi n f o r m a t i o nv a r i a b l e l e n g t hg r o u pa n da c h i e v ei n f o r m a t i o nh i d i n gb yu s i n gn od i f f e r e n c ec 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 t h eh 2 6 4i n t e r - f r a m ev a r i a b l el e n g t hc o d i n g t h e s et w o u n ；c sa 陀c o m p o s e dt of o r mh 2 6 4v i d e o i n f o r m a t i o nh i d i n ga l g o r i t h mw i t l la d j u s t a b l ew a t e r m a r k i n gc a p a c i t y , i m p r o v i n gt h ec o n f l i c tb e t w e e n w a t e r m a r k i n gc a p a c i t ya n dv i s u a lq u a l i t yo f v i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m t h i r d l y , h 2 6 4a c t i v eo b j e c tr e c o g n i t i o ni sp r o p o s e db a s e do nd i g i t a lw a t e r m a r k i n g , i n t e l l i g e n tv i d e os u r v e i l ，l a n c es y s t e mi n c l u d e st h es t u d yo nm o v i n go b j e c ts e g m e n t a t i o n , o b j e c t r e c o g n i t i o n , o b j e c tt r a c k i n ga n ds oo n a m o n gt h e s e ，b a s e do nt h er e s u l t so fo b j e c ts e g m e n t a t i o n , o b j e c tr e c o g n i t i o ni st h em a i nc o n t e n to fi n t e l l i g e n tv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m , w h i c he x t r a c t st h e i n v a r i a n tf e a t u r e so fe a c ho b j e c t , m a k i n gam a r kt od r a we a c ho n e st r a j e c t o r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ep r o p o s e dt h ec o n c e p to fa c t i v eo b j e c tr e c o g n i t i o nb a s e do nd i 西t a lw a t e r m a r k i n g o nt h eh 2 6 4 c o d i n gs t a n d a r d , w ed e t e c tt h em o v i n go b j e c t sa n ds e g m e n tt h e m t h e nw ee m b e dd i f f e r e n t w a t e r m a r k si nd i f f e r e n to b j e c t si nt h er e c o n s u u c t e df t a m e ，w h i c hi su s e da st h er e f e r e n c ef r a m ef o r p r e d i c t i o ni nn e x tf r a m e , t h u s ，t h ew a t e r m a r k sa r ew a n s m i t t e dt ot h en e x tf l a l n e o b j e c tr e c o g n i t i o n i sr e a l i z e db ye x t r a c t i n gt h ew a t e r m a r k sf r o mt h eo b j e c t si nt h er e f e r e n c ef l a m eo ft h en e x tf r a m e , a n de m b e d d i n gt h ew a t e r m a r k si no b j e c t si nt h er e c o n s t r u c t e di m a g eo ft h en e x tf r a m e ，d o i n gt h i s p r o c e s sc i r c u l a r l yu n t i lc o m p l e t i n gt h ew h o l em o v i n go b j e c ti d e n t i f i c a t i o n f i n a l l y , h 2 6 4 1 a v cv i d e oi n t e g r i t ya u t h e n t i c a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e da n dt h er e s e a r c h o i l t a m p e rr e c o v e r ym e c h a n i s mi sc a r r i e d v i d e oi n t e 鲥t ya u t h e n t i c a t i o ns y s t e mi n c l u d e st h ep r o c e s s e so fa u t h e n t i c a t i o nc o d ee x t r a c t i o n , i d e n t i f i c a t i o ni n f o r m a t i o ne m b e d d i n g , t a m p e rd e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o n v i d e oi sm o r ec o m p l i c a t e d t h a ni m a g e ，s ot h a tt h ei m a g eh a s he x t r a c t i o nm e t h o di sn o ts u i t a b l et oe x w d dv i d e oa u t h e n t i c a t i o n c o d e t h ea n a l y s i sm e t h o do fs p a t i a le r l e r g yf l u c t u a t i o ni sp r o p o s e d , a i m i n gt oi m p r o v et h es qo r v qq u a n t i t a t i v em e t h o d st oe x t r a c tt h ev i d e oa u t h e n t i c a t i o nc o d e se f f e c t i v e l yf r o mv i d e of r a m e s w i t hd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i e s t h e nw ec o n s t i t u t eh 2 6 4v i d e oi n t e g r i t ya u t h e n t i c a t i o ns y s t e mw h i c h c o n s i s t so fi m p r o v e dr o b u s tw a t l e r m a r k i n ga l g o r i t h ma n di n f o r m a t i o nh i d i n ga l g o r i t h mw i t hl a r g e c a p a c i t ya f o r e m e n t i o n e d a tl a s t , t h er e s e a r c hc a r r i e do nt a m p e rr e c o v e r ym e c h a n i s m t or e c o v e rt h e t a m p e ra r e ai na o 盯t a i nd e g r e e k e y w o r d s ：h 2 6 4 1 a v cc o d i n gs t a n d a r d ：v i d e oa u t h e n t i c a t i o n ：m u l t i m e d i aw a t e r m a r k i n g ； i n f o r m a t i o nh i d i n g ：a c t i v eo b j e c tr e c o g n i t i o n ：t a m p e rr e c o v e r y 致谢 时光荏苒，岁月如梭，值此论文完成之际，谨向我的导师蒋建国教授致以最诚挚的谢意。 我从本科毕业设计、硕士阶段研究到攻读博士学位，七年来一直得到蒋老师的亲切关怀和悉 心指导。本文从选题、实验设计到整个论文的撰写以及最终定稿，每个环节都凝聚了蒋老师 极大的心血难忘蒋老师在实验室例会上精彩点评的场景、难忘每次讨论和修改论文过程中 蒋老师耐心细致的教导。令我折服的同时也让我感动不已。蒋老师渊博的学识、敏锐的学术 眼光、严谨求实的治学态度、勤勉的工作作风和乐观热情的为人都使我受益匪浅。很幸运能 够师从蒋老师，一直完成硕士和博士的学业，蒋老师的谆谆教导已经成为这些年来我最宝贵 的人生获益，在我今后工作和生活中，都会时刻将铭记在心! 感谢计算机与信息学院信号与信息处理研究所所长齐荚彬教授。在实验室就读接近七年 的时问里，我一直得到齐老师无私的帮助、支持和教诲。在本课题研究过程中，齐老师为我 提供了许多极有价值的意见和建议。使我专业知识和科研能力得到极大提高。他宽广无私的 个人胸怀、严谨求实的治学态度都使我受益良多 感谢计算机与信息学院曹航老师在日常学习和生活上对我的关怀与照顾。让我在攻读博 士学位期间有机会参与学生工作，更好的锻炼我的组织、沟通与协调能力，使我的综合素质 得到很大的提升曹老师在日常的生活与工作中，以认真负责、乐观积极的态度，潜移默化 的影响着我，更是在不断的工作、学习过程中铸就了亦师亦友的宝贵情谊 感谢实验室洪日昌老师、吴从中老师、夏娜老师、詹曙老师、李小红老师、张国富老师 和苏兆品老师以及刘红海老师、田敬北老师、赵烨老师、叶长明、郝世杰、郭艳蓉等博士同 学、师弟师妹，感谢大家为我营造和谐健康的科学研究氛围，并在我的求学之路上给予我鼓 励和支持。 深深地感谢我的父母! 一直以来。竭尽所能地为我提供生活上的全面保障以及精神上的 无尽支持。是他们无私的关爱，使我能够不断克服前进道路上的重重困难，一步一步向前进 步；是他们默默的关心，让我一直能够充满动力：是他们一如既往的支持，让我能够顺利完 成学业。 我还要特别感谢我的先生卫祥，感谢他对我学术研究始终如一的理解和支持，在我迷茫 和无助的时候，耐心的与我沟通、听我倾诉。使我在艰辛的求学之路上屡屡见到曙光，频频 获得灵感，正是有他的支持、理解与鼓励，伴随我最终顺利完成博士学业 感谢在百忙之中抽出时间评阅本论文的各位专家、学者。感谢你们对我的工作提出宝贵 的意见和建议使我从中受益匪浅 最后仅以此文与所有关心、支持和帮助我的亲人、老师和朋友们共勉! 作者：宣曼 2 0 1 1 年0 9 月3 0 日 插图清单 图1 1 数字水印系统的基本框架2 图1 2 视频水印算法的常见加载位置6 图1 3 基于数字水印技术的多媒体认证系统9 图1 4h 2 6 4 编码器功能组成：。1 1 图1 5h 2 6 4 解码器功能组成1 2 图1 6h 2 6 4 各档次间的关联1 3 图1 7h 2 6 4 ，a 、，c 基本编码框图1 4 图1 8 宏块及子宏块分割1 5 图1 9h 2 6 4 的三种整数变换矩阵1 6 图1 1 0 扫描顺序：( a ) 之字形扫描，( b ) 场扫描1 6 图1 1 1h 2 6 秕a v c 的分层结构1 7 图2 1 原始图像帧的4 个宏块及其像素纹理直方图2 2 图2 21 6 个d c t 系数的排列顺序及能量子带示意图。2 4 图2 31 6 个互不重叠的子块排列2 6 图2 44 4 子块中1 6 个d c t 系数2 6 图2 - 5 中频a c 子带2 6 图2 6“十字比较法”嵌入方案及嵌入位置示图2 8 图2 7 从a m i n 到a m a x 之间分为4 个部分2 9 图2 8 采用半重叠的水印嵌入。2 9 图2 9f o r e m a n q c i f 对应视频帧：( a ) 原始视频帧，( b ) 嵌入水印的视频帧和( c ) 水印图像3 0 图2 1 0 不同压缩比的r p e g 压缩对视频水印算法的影响：( a ) 不同压缩比的j p e g 压缩与n c 值，( b ) 重构水印。3 l 图2 1 1 噪声密度对对视频水印算法的影响：( a ) 噪声密度与n c 值，( b ) 重构水印3 l 图2 1 2 帧数对视频水印算法的影响：( a ) 帧数与n c 值，( b ) 重构水印3 2 图3 14 x 4 子块的z i g z a g 扫描规则3 5 图3 2 量化后的4 x 4 子块d c t 系数3 5 图3 3 二值水印序列分组。3 5 图3 4 针对图3 2 所示子块d c t 系数的两种情况下的水印嵌入结果3 6 图3 5j l 朋z = 1 4 时，水印嵌入结果：( a ) 原始子块：( b ) 嵌入水印后的子块。3 6 图3 61 u r z = 0 时。水印嵌入结果：( a ) 原始子块：( b ) 嵌入水印后的子块3 7 图3 7 帧间的7 种预测模式3 9 图3 8 视频帧的帧间预测模式选择结果。3 9 图3 9 信息隐藏算法具体流程 图3 1 0 人眼主观视觉质量对比：( a ) 原始视频；( b ) 信息隐藏后视频4 2 图3 1 l 本文算法与k a p o t a s 算法 1 0 9 的性能比较：( a ) p s n r 变化；( b ) 比特率变化4 3 图4 - l背景减法的算法流程图4 6 图4 2 帧差分检测的基本流程图4 7 图4 3 运动检测流程图5 3 图4 - 4 主动目标识别的算法流程图5 5 图4 5 第1 3 5 帧目标检测结果：( a ) 原始视频帧，( b ) 目标检测初步结果，( c ) 滤波后结果，( d ) 膨胀后结果5 7 图4 - 6 目标分割结果：( a ) 第4 0 帧图像，( b ) 第1 1 0 帧图像，( c ) 第1 7 8 帧图像( d ) 第1 7 9 帧图像， ( e ) 第1 8 0 帧图像( d 第2 6 0 帧图像。 图4 - 7 视频帧目标含有水印的位置：( a ) 第2 0 帧图像，( b ) 第8 8 帧图像，( c ) 第1 7 8 帧图像， ( d ) 第1 7 9 帧图像5 9 图4 8 目标识别结果：( a ) 第4 0 帧图像，第1 1 0 帧图像，( c ) 第1 7 8 帧图像( d ) 第1 7 9 帧图像， ( c ) 第1 8 0 帧图像第2 6 0 帧图像6 0 图5 1 篡改范例“ 图5 - 2s q 降维案例：( a ) 原始图像； 降维图像；( c ) 均值图像6 5 图5 3 视频帧中块与子块的结构。6 5 图5 - 4 对图像应用v q ：( a ) 标记九l 大的块，( b ) 重构的降低样本的图像6 7 图5 5 认证码生产过程。6 7 图5 6 水印数据生成范例。6 8 图5 7 认证过程的流程图6 9 图5 8 不匹配度量的简单范例7 l 图5 9 原始视频帧。7 3 图5 1 0 对应原始视频帧的受攻击帧7 3 图5 11 使用4 x 4 子块篡改检测7 4 图5 1 2 鲁棒水印提取结果：( a ) 原始标识水印( b ) 检测到篡改后提取出的标识水印7 4 图5 1 3 篡改修复的视频帧结果 7 5 表格清单 表2 1 四个实验宏块的图像复杂度计算结果2 4 表3 1 水印嵌入后原始子块所有可能的新状态，以及提取水印并恢复内容的相关情况3 8 表3 2 改进的e x p - g o l o m b 的码字结构及块类型映射规则4 0 表3 3 对多组序列测试的实验结果4 3 表4 1 编码器主要配置参数5 6 表4 2 对h a l l y u v 序列测试的实验结果。 第一章绪论 第_ 章绪论 1 1 引言 信息的完整性认证是一种多媒体标识信息提取、在载体文件中嵌入标识信息、检测标识 信息进行身份验证，检测信息篡改行为，同时验证信息完整性、真实性的技术，是信息安全 研究领域的关键问题。 基于鲁棒水印及脆弱水印技术的理论方法对该问题进行深入的理论研究，提出鲁棒、高 效、全面的认证算法，为实际应用系统的研制开发提供理论指导和方法依据，这是本课题的 研究目的。 1 2 研究背景 当前社会，随着信息化时代的到来，多媒体信息的数字化发展为信息的存储提高了极大 的便利。计算机网络通信技术特别是互联网的蓬勃发展，促使数据交换与传输成为一个简单 快捷的过程。借助于计算机、打印机、扫描仪等电子设备，人们可以方便、迅速地将信息传 达到世界各地，在互联网上发布自己的作品，传递重要信息，进行各种学术交流和电子商务 活动。 但随之而来的负面影响也是十分明显的，通过网络传输的数据文件或作品一旦被有恶意 的个人或团体截获，那么这些有版权的数字内容便有可能在未得到作品所有者许可的情况下， 被拷贝和传播。这种由于多媒体文件能够被现有编辑处理软件随意篡改的情况，使得使用者 难以辨别视频内容的真伪，进而使版权所有者蒙受巨大的经济损失，从而降低了视频资源的 实际使用价值。而且对于一些具有特殊意义的信息，如政府机要、司法诉讼等文件的恶意篡 改，甚至可能造成社会秩序的混乱。因此如何在开放的网络环境中对数字视频内容进行有效 认证，并实施可靠的版权保护 p 徊g h tp r o t e c t i o n ) 1 1 4 】和信息安全( i n f 0 肺鲥o ns e c u r i t y ) 即】手 段，成为当前信息安全领域一个亟待解决的问题。 1 3 水印技术 2 0 世纪9 0 年代以前，密码技术一直被认为是信息安全领域中的主要手段并得到广泛的应 用网。它通过密钥隐藏信息内容，在网络传递过程中，使得非法攻击者无法从密文中直接获取 有效的机密信息，以此达到信息安全的目的。但加密算法存在一些弊端，首先加密后的多媒 体信息往往更容易引起攻击者的好奇和注意，被截获的风险无形之中增加了；其次加密数据 在一经解密，安全性就完全不受保护了因此，随着互联网技术的发展庞大的网络数据为 2 合肥工业大学博士论文 信息安全领域带来新的挑战，仅仅依靠传统的密码技术已经很难满足网络时代对信息安全的 要求。 数字水印i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术作为一种新颖的数字多媒体版权保护技术，可以很好 地弥补加密技术的不足水印技术是一种在开放的网络环境下对多媒体文件的来源及完整性 实施有效地版权保护和认证的新技术。它将包含特殊身份信息的标识信息，利用特殊处理方 法以一种不易察觉的方式隐藏在文本、图象、音频、视频等数字内容中，并由此确定版权所 有者、认证媒体来源、识别合法用户或作为鉴定盗版、侵权源的证据水印技术基本要求为 处理结果不影响原始多媒