（计算机应用技术专业论文）mpeg2视频数字水印技术研究与实现.pdf

中文摘要 计算机技术的迅猛发展使得人们创作、使用数字多媒体作品变得越来 越容易，并由于互联网技术的发展又极大的推动了数字多媒体作品的广泛 传播，一幅好的数字多媒体作品可以在一夜之闻传遍全球。然两，与此周 时，也就给我们提出了一个新的课题：数字多媒体作品的版权保护问题? 因为好事者可以任意获取、复制、传播数字多媒体作品。 为了有效的保护数字作品的知识产权、版权，人们提出了许多行之有 效的方法，两数字水印技术便是其中之一。数字水印技术就是往多媒体数 据中添加某些数字信息而不影响原数据视听效果的过程。最初，它被用于 数字媒体的版权保护和真伪鉴别等方面，而随着这门技术的不断发展，又 被用于网络信息的秘密通信以及数据标识隐含等方面。 嵌入多媒体数据中的信息不易被除去，只能由专用的软件力能检测其 中的信息。目前，数字水印技术的研究已经取得了实质性的进展，特别是 图像数字水印技术已经有可用的产品。 本文着重分析了视频数字水印技术的特点和目前所采用的主要技术 手段，针对m p e g 2 视频的特点，提出了“基于双密技术及网格划分的数 字水印嵌入方案”，实现了在原始未压缩视频数据或压缩视频内嵌入、提 取水印信息，本文分析了基于d c t 变换的图像视频水印算法，认为色度 d c 系数是鲁棒性非常好的参数，因而选择色度d c 系数作为水印信息载 体。并根据帧图编码的特征，本文采用i 帧图的色度d c 系数作为水印信 息的载体。同时，可采用可变的步长选择部分系数，保证了水印的隐形性； 在嵌入水印时，本文采用水印信息“网格划分”、各子块独立嵌入视频的 方案，由于水印信息子块是相对独立的嵌入视频中的每一相对独立的图组 当中，即使某一图组受到定破坏，也能够恢复水印信息，使水印的健壮 性得到提高；此外，为了提高水印信息的安全性，在嵌入水印信息时，根 据用户输入的i d 号和密码，利用本文构造的混沌系统产生的混沌序列对 水印信息进行调制，并且采用非对称密码技术r s a 对用户i d 进行加密， 并嵌入到媒体中。同时，对每一水印信息比特的嵌入位置也采用了伪随机 序列进行调整，这样，未授权用- 户不能提取水印信患，也难以擦除其中的 水印信息，因为嵌入的位置是未知的。 相关试验表明，本文所采用的方案充分保证了水印信息的隐形性、健 壮性和安全性，同时，嵌入的水印信息量较大。 关键词视频数字水印混沌系统m p e g 2 视频双密技术 a b s t r a c t t h ea d v a n c i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g ym a k e sp e o p l em o r ea n dm o r ee a s yt o c r e a t ea n du s ed i g i t a lm e d i aw o r k s ，w h a t sm o r e ，t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t p r o m o t e st h ew i d e s p r e a do fd i g i t a lm e d i aw o r k s ，o n ee x c e l l e n tw o r k sw o u l d b es p r e a da l lo v e rt h ew o r l da l m o s to n el i g h t h o w e v e r t h ec o p y r i g h to ft h e d i g i t a lm e d i aw o r k si ss e r i o u s l yd a m a g e d ，b e c a u s eo n ec a ne a s i l ya c c e s s ， d u p l i c a t ea n ds p r e a dt h ew o r k sa tr a n d o m ，a sar e s u l tt h ei n t e r e s t so ft h e o w n e ra r eh e a v i l yd a m a g e d t oe f f e c t i v e l yp r o t e c tt h ec o p y r i g h to fw o r k s ，m a n ym e t h o d sa r e p r o d u c e d ， d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi s oneo ft h o s em e t h o d s d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi st ob e e m b e ds o m ed i g i t a ll a b e l so rs i g n a t u r e si n t oh o s tm u l t i m e d i ad a t ai ns u c ha w a yt h a ti t c a u s e sn on o t i c e a b l ep e r c e p t u a ld i s t o r t i o nt ot h eo r i g i n a ld a t a i t h a si m p o r t a n tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nc o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i g i t a lm e d i a l ， s e c r e tc o m n m n i c a t i o na n dh i d d e na n n o t a t i o no fh o s td a t a i na d d i t i o n ，t h e w a t e r m a r kc a r ln o te a s i l yb er e m o v e d ，o n l ys p e c i a ls o f t w a r ec a l le x t r a c ti t a t p r e s e n t ，t h e r eh a v em a n yr e s u l t si nt h er e s e a r c ha b o u td i g i t a lw a t e r m a r k i n g ， t h e r ee v e nh a v eu s a b l ep r o d u c t so fi m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e ro fv i d e od i g i t a lw a t e r m a r k i n ga n dt h ec u r r e n t t e c h n i c a lm e t h o da r ed i s c u s s e d ，t h e no n ew a ya s d i g i t a l w a t e r m a r k i n g e m b e d d i n gs c h e m eb a s e do ng r i dd i v i s i o na n dt w ok i n d so fe n c r y p t i n g ”i s p r o d u c e d ，b yt h i sw a y , e m b e d d i n ga n de x t r a c t i n gw a t e r m a r ki nc o m p r e s s e d v i d e od o m a i na r ec a r r i e do u t i nt h i sp a p e r , c h r o m ad cc o e f f i c i e n t sa r e s e l e c t e da st h ec a r r i e rd a t ab e c a u s ec h r o m ad cc o e m c i e n t sa r er o b u s t a n d a c c o r d i n gt ot h ec h i n a c t o ro ff r a m ec o d i n g ，w ec h o s ec h r o m ad co fi - f r a m e t oc a r r yw a t e r m a r k i n gd a t a a l s o ，a l t e r a b l es t e p sa r eu s e dt os e l e c to n ep a r to f t h e c o e f f i c i e n t s ，s o t h ew a t e m a a r ki s i m p e r c e p t i b l e ；b e f o r e w a t e r m a r k e m b e d d i n g ，t h ew a t e r m a r k i sd i v i d e di n t o m a n yp a r t s ，e v e r yp a r t i s i n d i v i d u a l l ye m b e d d e di n t oo n eg o p o f t h ev i d e o ，e v e ni fag o pi sd e s t r o y e d ， t h ew a t e r m a r kc a nb ee x t r a c t e d c o r r e c t l y , t h i s m e t h o d s p r o m o t e s t h e r o b u s t n e s so ft h ew a t e r m a r k ；i na d d i t i o n ，i no r d e rt op r o m o t et h es e c u r i t yo f t h e w a t e r m a r k ，t h e u s e r si da n d p a s s w o r d a r eu s e dt o g e n e r a t e c h a o s i l i s e q u e n c eb yt h ec h a o ss y s t e mw h i c hi sc r e a t e di nt h i sp a p e r , l a t e r , w a t e r m a r k i sm i x e db yt h ec h a o ss e q u e n c e a n dt h eu s e r si di se n c r y p t e dw i t hr s a ， t h e ni se m b e d d e di n t ot h em u l t i m e d i aw i t hw a t e r m a r kd a t a a l s o ，t h e e m b e d d i n gp o s i t i o no ft h ew a t e r m a r kb i ti sm o d i f i e db yo n ec h a o ss e q u e n c e ， s o ，u n a u t h o r i z e dp e r s o nc a nn o te x t r a c to rr e m o v et h ew a t e r m a r k ，s i n c et h e e m b e d d i n gp o s i t i o ni su n k n o w n ， e x p e r i m e n t sm a k ei t c l e a rt h a tt h es c h e m ea d o p t e di n t h i sp a p e rf u l l y s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o ri m p e r c e p t i b i l i t y , r o b u s t n e s sa n ds e c u r i t y k e yw o r d s ：v i d e od i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，c h a o ss y s t e m ，m p e g 2 v i d e o d o u b l e c i p h e r v ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：彩和询日期：矿缉4 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名；当至垒边导师签名：望逝 日期：沙猡5 年月日 电子科技大学硕士学位论文 1 1 数字水印技术简介 第一章引言 信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利，同时也显著提高 了信息表达的效率和准确度。特别是随着计算机网络通信技术的快速发 展，数据的交换和传输变成了相对简单而快速的过程。特别是互联网 ( i n t e r n e t ) 的飞速发展，使得人们获取这些数字作品变得越来越容易，然 而，从另一方面来说，恶意窃取、篡改、散布多媒体作品也非常容易，致 使作者的版权保护( c o p y r i 出tp r o t e c t i o n ) 受到严重的挑战：在信息安全 ( i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ) 方面，给好事者窃取、篡改信息带来了可能，特 别是涉及重大商业、军事、经济机密的情报，在网络传输时尤其会引起各 方面的注意。为了保证信息的安全性不会受到破坏，加密解密技术被用 于信息安全。采用密码技术开发出来的加解密系统，能够对要传输的信 息进行加密使之变成密文，然后在网络上传输。该加密系统可以较好的保 证信息的安全性，然而，经过加密系统加密后的信息变成了杂乱无章的密 文，会引进公网上拦截者的注意并激发他们破解机密资料的热情。计算机 技术的飞速发展为他们提供了工具 常规密码的安全性受到了极大威胁 使得密码破译能力越来越强，因此， 仅通过增加密钥的长度，来增强加 解密系统的机密等级已经不再是唯一可行的方法。而且，旦密文被解密， 机密信息完全公开，会带来不可估量的损失。 正是在安全级别要求越来越高，而常规的技术又不能满足需求的前提 下，国际上有一些机构、专家、学者开始着手新技术的研究工作，其中数 字水印技术得到了飞速发展，取得了实质性的成果。 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是往多媒体数据( 如图像、声音、 视频信号等) 中添加某些数字信息( 水印) 而不影响原数据的视听效果， 并且这些数字信息通过专用程序可以部分或全部从混合数据中恢复出来， 达到信息隐藏的目的。所谓信息隐藏，就是将要保密的信息隐藏于普通的 非机密的媒体当中传输，接收方在接收时从中取出保密信息。承载保密信 息的媒体可以是任何一种数字多媒体，比如图像、音频、视频、文本等等。 其首要目标是隐藏的技术要好，即要使加入隐藏信息的目标媒体产生最小 1 电子科技大学硕士学位论文 的可见性降质，使人无法通过感观觉察出隐藏的数据；而更重要的是绝对 不能让机密资料曝光，宁可让保密信息被破坏，也不能让保密信息落入他 人之手，这在信息对抗当中尤其重要。当然，最理想的情况是仅被授权者 可以提取全部的信息，而未经授权者根本无法获取其中的信息。 同传统的加密技术相比，信息隐藏的目的不在于限制资料的正常存 取，而在于保护隐藏数据不被他人获取和非法重视。另外，信息隐藏必须 考虑隐藏的信息在经历各种环境、操作之后而免遭破坏的能力。比如，在 图像为保密信息载体的传递过程中，保密信息若是在非法拦截者破解的过 程中消失，则保密信息可以说是安全的，倘若保密信息是在正常的处理过 程中消失，则保密信息的传递算是失败的、无效的，必须重新传递。一般 的多媒体形式的文件，其信息量都非常大，为了节省传递时间，在传递之 前都会将传递的信息资料进行压缩处理。另外，信息隐藏还必须考虑诸如 数据压缩这种非恶意操作造成的威胁，使保密信息对正常的有损压缩技术 具有一定的免疫能力。这种免疫力的关键是要使隐藏资料的信息不易被有 损压缩破坏，也不易被通常的信号变换操作破坏，即使受到一定的破坏还 是可以全部恢复出来。通常情况下，采用添加冗余信息是增加免疫能力的 不错的选择。然而，这样会降低载体隐藏信息的信息量。这个矛盾不可能 同时得到解决，通常只能根据需求的不同有所侧重，采取某种折衷。 数字水印技术利用了密码学、信号处理等相关理论和技术，其实质是 向媒体数据按照某种方式对一定量的数据做微量修改来达到隐藏信息的 目的。这种修改必须以不影响原来媒体数据的正常使用为前提，而且，通 过这种方式添加的信息必须能够在需要时可以正常恢复。数字水印必须满 足以下基本特征：视觉不可见、统计不可见、能够抵抗有损数据压缩、不 能被攻击者删除、能够抵抗有意、无意的攻击，比如图像处理中的剪切、 滤波等。 这些特性可以如下表示： 不可感知性 多媒体信息加入水印后并不改变其感知效果，水印在通常的感知条件 下不被感觉，这是数字水印最基本的特点，即多媒体信息嵌入水印后，数 字信息发生的变动和失真应低于可感知的门限。如图像加入水印后，人们 感觉不到图像在视觉上有任何变化，即使通过自然光或其他外光源照射也 察觉不出与原图像有何差异。 鲁棒性 指多媒体中的水印信息能够抵抗应用过程中的各种破坏，如数字信号 一2 一 电子科技大学硕士学位论文 处理技术，包括噪声、滤波和有损压缩等。 安全性 数字水印系统使用一个或多个密钥来确保安全，防止修改和擦除水 印。信息被隐藏在多媒体内容中，并不因文件格式转换而丢失，且未经授 权者不能检测出水印。 自相似性 数字水印在原图像经过较大的破坏后，仍能从原数据中恢复出隐藏的 水印，而且在恢复过程中不需原图像，这需要水印算法本身具有自相似性。 也可以认为是水印信息分布在载体数据的很多样本中，利用其中的小部分 数据就可以恢复出水印。 数字水印的分类有多种，主要按照以下方式分类： 按作用划分 数字水印可分为“鲁棒水印”和“脆弱水印”。“鲁棒水印”，顾名思 义，是指添加的水印信息具有足够的鲁棒性，能够抵抗各种有意、无意的 攻击行为甚至是联合攻击行为，在经过攻击之后还能够全部或者部分恢复 添加的水印信息；“脆弱水印”刚刚相反，一旦受到攻击，水印信息便消 失。这两种水印技术都有较好的应用：“脆弱水印”可以用于内容的完整 性验证，比如用于新闻和法庭的数码照片，可以在上面添加水印信息f 如 拍摄时间、照片产生时间) ，在照片出版后或者提交法庭时通过检测其中 的水印信息来保证照片没有被篡改过；“鲁棒水印”可以用于版权保护， 在数字作品中嵌入指纹来证明版权，可以用于防止非法拷贝，可以用来传 输机要信息等。值得一提的是，“脆弱水印”并不是不能抵抗任何攻击， 它主要是用来防止恶意的篡改，对一些非恶意的正常操作还是具有足够的 健壮性。 按水印隐藏的位置或水印嵌入方式划分 数字水印可以分为“空域数字水印”和“频域数字水印”。早期的数 字水印的研究主要是针对“空域数字水印”，就是将数字水印按照某种算 法直接添加到图像的空域上，其中最为典型的是最低有效位算法( l s b ) ， 这种方法易于实现，能够添加较多的信息，但是难以抵抗攻击；“频域数 字水印”是指通过正交变换将原数据从空域变换到频域，在频域数据上添 加水印信息，之后再将添加水印信息后的频域数据进行逆变换，得到可以 正常使用的媒体数据。这种方法较好的应用了信号处理的相关技术，可 以充分利用信号的频域特性来嵌入水印信息，实践证明，“频域数字水印” 能够更好的满足数字水印的特性。 电子科技大学硕士学位论文 按检测方式划分 数字水印可以分为“明水印”和“盲水印”。“明水印”指的是检测水 印信息时需要原始数据作为比较，这种方式能够提高水印检测的正确率， 但是有时却不能证实作品的版权问题，因为原始数据的正确性都可能得不 到保证。另外，大数据量在网络传输时不可能采用需要原始数据的检测方 式，而只能采用检测时不需要原始数据的“盲水印”。本文采用的就是“盲 水印”。 按水印的载体划分 数字水印可以分为“图像水印”、“音频水印”、“视频水印”、“文本水 印”、“三维网格数据水印”等等。本文所做的工作就是“视频水印”。 就研究对象而言，数字水印主要包含以下几个方面：算法设计、鲁棒 性与攻击方法研究、版权证明和水印唯一性的解决方案等。很多水印算法 事实上非常类似，只是在水印的设计、水印的嵌入以及检测方法上有不同 之处。嵌入信息对水印本身而言通常不太重要。在水印算法的设计过程中 鲁棒性问题是需要考虑的一个极为重要的因素。另外，版权证明和水印唯 一性的研究也开始受到研究人员的重视。水印能为受到版权保护的信息产 品的归属提供完全和可靠的唯一证据。 另外，数字水印在检测时有两种方案，一种是检测待检测数据，根据 门限制判定有无水印信息：另一种是从载体当中提取出具体的水印信息。 为了给攻击者增加水印去除的难度，往往采用了密码学中的加密体系 来加强，在水印嵌入和提取过程中采用一秘密钥，甚至几种密钥的联合使 用。水印嵌入和提取的一般方法如图1 1 所示。 电子科技大学硕士学位论文 水印w 寻 多媒体信息c ， 0 ， 使得从厂。( x ) 出发的点序是k 周期的，即满足，“。( x ) = f 7 ( 工) 则称点x 是最终以k 为周期的。 渐进k 周期，设p 是映射，的k 周期点，称点x 是渐进k 周期的， 假如 i m f 8 ( x ) = p 成立。所有趋向于p 的渐进k 周期点组成的集合， 称为p 的稳定集。 最终周期点与周期点的区别是，前者的动态过程要经过一个暂时的过 渡过程后才进入周期性运动，这个过渡过程称为暂态过程。而渐进周期点 显然包括了最终周期点，非最终周期的渐进周期点经过充分长时间过渡过 程后，已经充分接近了周期运动。 如果一个动力系统在其状态空间范围，所有的点或者几乎所有的点都 是前面所述的那种不动点、周期点、最终周期点或渐进周期点的话，那么 这个动力系统演化过程将是可以预测的然而，确实有许多动力系统不是这 种情况，它们存在彻底的非周期点，并且这些点组成的集合是不可数的， 因而在状态空间内是不可忽略的。 3 、l o g i s t i c 映射 l o g i s t i c 映射是一类非常简单却被广泛研究的动力系统，定义如下： 薯+ 1 = t x , ( 1 一)( 3 - l o ) 式中，v t ，0 1 。当然常数不能取得太大，一般应满足0 茎4 。 通过简单的变换，该映射有下面两种等价形式： 五+ l = 1 一五# ，丑【o ，2 ， 一1 ，1 】( 3 1 1 ) 或者 + 1 = 丑一# ，五【o ，2 ，卜丑，五】( 3 1 2 ) 显然，( 3 - 1 0 ) 定义了在区间【0 ，1 】( 即状态空间) 上的自映射，常量 是映射的参数，不同参数将产生不同的演化行为。相关试验表明，对于 卢= o 5 时，葺将趋于零；对于卢= 1 2 时，趋于某一固定值；对于= 2 0 时， 固定不变；对于= 3 2 3 6 1 、3 4 9 8 6 1 和3 5 5 4 6 时，一分别趋于在两个值、 四个值和八个值之间交替循环；对于= 4 0 ，而= 0 5 时，薯很快变成零； 对于= 4 0 ，= 0 4 时，呈现出几乎随机的变化，这种情形导致了过程 的完全不可预测性。 电子科技大学硕士学位论文 事实上，当“= 4 时，令y = 2 x - l ，则式( 3 1 0 ) 就转化为等价的式的 形式( 这时五= 2 ) 即为 】= l 一2 拜，只卜1 ，1 】( 3 - 1 3 ) 它最先由u l a m 和v o nn e u m a n n n 研究过，故称为u l a m v o n n e u m a n n 映射。作变换y = c o s z ，则时( 3 1 3 ) 成为 c o s z t ：l = 一c o s 2 z ,( 3 - 1 4 ) 式( 3 - 1 4 ) 可以等价的写成 z t 。l = ( 2 k + 】) 万2 五 其中，k 为任意整数。根据( 3 - 1 5 ) 可写出其解为 刁= ( 2 毛+ 1 ) x 2 。z o 此处，疋是一个与t 和k 有关的整数。将( 3 - 1 6 ) 解为 ( 3 - 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) 代入原变换式得到 只= 一c o s ( 2 a r c c o s y 0 )( 3 - 1 7 ) 它与整数k 无关。我们知道，如果a r c c 0 8 _ y o 为无理数，则 毋= 2 。a r c c o s y o ( m o d 2 ，r ) ( 3 - 18 ) 是一个典型伪随机数，面对几乎所有的y o ，a c c 0 8 = y o 为无理数。换言 之，a r c c o s 尝在区间【- l ，1 上是无理数的概率为h 从而式( 3 - 1 7 ) 给出了 一种伪随机运动。 应该注意到，虽然它是由确定性方程( 3 - 1 3 ) 给出的运动，但是其运 动产生的序列点集k ) 的分布呈随机分布性质。 由式( 3 1 8 ) 产生的点集舰) 的概率分布是区间【0 ，2 万】上的均匀分布， 其密度函数为p ( o ) = z 。，而m 的分布密度函数e ( y ) 可以根据下式确定， p ( y ) a y ：p ( o ) d o ，注意到，反函数日：a r e c 。s ( 一y ) 的双值性，则须在辈前 添加因子2 ，固有 尸( y ) 2 瓦12 万d o5 刁刁1 ， 电子科技大学硕士学位论文 这就是序列h 所具有的分布密度函数。 上述随机性的运动称为混沌运动。 3 3 2 混沌系统 1 、混沌系统的定义 混沌系统目前没有严格的数学定义，我们可以如下描述， 设s 为r 中的一个集合，映射厂：s s 如果具备一下三个必备条件： ( 1 ) 厂是对初始条件敏感依赖的； ( 2 ) 厂是拓扑传递的； ( 3 ) ，的周期点在s 中稠密。 我们说，动力系统在s 上是混沌的，该系统为混沌系统。在前面所讲 的l o g i s t i c 映射中，= 4 0 是对初始条件敏感依赖的，是典型的混沌映射， 与其动力形态相同的还有v o nn c u m a n n 映射和帐篷映射等。 2 、l y a p u n o v 指数 前面我们给出的是混沌系统的定性描述，如何给出混沌系统的定量描 述，即是说如何判定一个动力系统是否为混沌系统。通常，我们用l y a p u n o v 指数来作为定量判据。 考虑一个最简单的常微分方程： i d , t = 口x0 ( 3 1 9 )j 2 口xu ” 其解为：x = x n e “。 现讨论参数口对该系统稳定性的影响： 当a 0 ，则在初始时刻相邻的两条轨道，在下一时刻就要按指数速率p “ 分离。 当a o ，为正的李雅普诺夫指数，表明运动轨道在每个局部都不稳定， 相邻轨道指数分离，可作为混沌行为的判据。 ( 2 ) o ，为负的李雅普诺夫指数，表明轨道在局部也是稳定的，对应 周期运动。相邻轨道距离指数消失。可作为有序行为判据。 ( 3 ) 由负变正，表明运动向混沌过渡，其中九= o 就将诱发阵发混沌行 为。 3 、混沌系统的构造 构造混沌系统的方法很多，本文采用常用的l o g i s t i c 映射。如式( 3 - 1 0 ) 定义，有相关研究表明，当掣= 1 + 8 时，l o g i s t i c 映射将发生3 周期分枝， 这是一种切分枝。如果从分接近1 + 百时，对任意初值都能够产生较 好的混沌效果。 一3 l 一 电子科技大学硕士学位论文 另一类简单的映射是以阶数为参数的c h e b y s h e v 映射，n 阶c h e b y s h e v 映射定义如下 吒，l = c o s ( ( a r c e o s x d )( 3 - 2 5 ) 式中，坼( - 1 ，1 ) ，通过简单的变换，l o g i s t i c 映射同样可以在( - 1 ，1 ) 定 义，形式如下 + l = 1 一触； ( 3 2 6 ) 式中：五( 0 ，2 ) ，在丑= 2 的满映射条件下，l o g i s t i c 映射和c h e b y s h e v 欧射是拓扑共轭的，它们可被视为动力状态相同的系统，其生成序列的概 率分布函数p d f ( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 相同，即 肿) = 舻卜r ”娄“1 ( 3 - 2 7 ) 通过p ( x ) ，可以很容易地得到l o g i s t i c 映射产生的混沌序列的统计特性。 性质1 对任意初值产生的混沌序列，其均值为 = 牌乏n - i 耳= 。矽( x ) 出= o ( 3 2 8 ) 性质2 独立选取2 个初始值x o 、y 。，则产生序列的互相关函数为 c o r ( x o ，y o ) = 熙( 乏( x i - - 覃) ( * 一夕) ) = f lf 1 尸( x ) p ( y ) ( x - - 习( y y ) d x d y = j ( 一y o ) 以上特性表明，由于混沌动力系统具有确定性， 噪声，该系统具有以下优点： ( 1 ) 只需混沌映射参数和初始条件就可方便生成， 整个序列； f 3 2 9 ) 其统计特性等同于白 不必浪费空间来存储 ( 2 ) 利用初始条件可获得数量极多的混沌序列，在一般情况下，很难从 一段有限长度推断混沌序列的初始条件，从安全角度考虑，这是非常重要 的： ( 3 ) 具有白噪声的统计特性，可以用于需要噪声调制的众多应用场合。 本文主要利用前两个特性。选取且= 3 8 2 6 4 ，试验表明，该混沌系统 产生的混沌系统完全满足以上三个特性。 电子科技大学硕士学位论文 3 4 加密技术 加密学有着悠久而灿烂的历史。关于完整的加密学史，k a h n 的著作 ( 1 9 6 7 ) 仍得一读。对于加密学现状的全面了解，参见( k a u f m a n 等1 9 9 5 ； s c h n e i e r1 9 9 6 ；以及s t i n s o n1 9 9 5 ) 。 数据加密的基本过程就是对原来是明文的数据按某种算法进行处理， 使其成为一段不可读的代码，通常称为“密文”，使其只能在输入相应的 密钥之后才能显示出本来的内容。 现在的加密技术通常分为两大类：“对称式”和“非对称式”。 对称式加密就是加密和解密使用同一个密钥，通常称为“s e s s i o nk e y ”， 这种加密技术现在被广泛采用。如现在广泛采用的d e s ( d a t ae n e r y p t i o n s t a n d a r d ) 加密标准就是一种典型的“对称式”加密法，它的s e s s i o nk e y 长度为5 6 b i t s 。 非对称式加密就是加密和解密所使用的不是同一个密钥，通常有两个 密钥，称为“公钥”和“私钥”，它们两个必须配对使用，否则不能打开 加密数据。这里的“公钥”是指可以对外公布的，“私钥”则不能，只能 由持有人一个人知道。它的优越性就在这里，因为对称式的加密方法如果 是在网络上传输密文就很难把密钥告诉对方，不管用什么方法都有可能被 窃取。而非对称式的加密方法有两个密钥，且其中的“公钥”是可以公开 的，也就不怕别人知道，收件人解密时只要用自己的私钥即可，这就很好 的避免了密钥传输的安全性问题。 非对称式加密法，也被广泛应用。如现在广泛采用的r s a ( r i v e s t ， s h a m i r ，a d l e m a n ) 。此方法基于数论原理。下面我们简要地介绍如何运用 这种方法。 1 选择两个质数，p 和曰( 典型地应大于1 0 ”o ) 。 2 计算r l = p x q 和z = 仞一1 ) ( q - 1 ) 。 3 选择一个与：互为质数的数d 。 4 找出e ，使得e d = ，m o d z 。 有了这些预先计算出的参数，即可准备开始加密。把明文( 看作一个 比特串) 划分成块，使各段明文信息p 落在区间0 p ”。把明文分成k 比特的块即可满足这一要求，其中，k 为满足2 。 ”的最大整数。 对信息p 加密，计算c = ，( m o dn ) 。解密c 要计算p = 一( m o d ”) 。可 以证明，对于在指定范围内的所有p ，加密函数和解密函数互为反函数。 电子科技大学硕士学位论文 实行加密需要e 和”，实施解密需要d 和拧。因此，公开密钥由( e ，弗) 构 成，私有密钥由( d ，h ) 构成。 此算法的安全性建立在难于对大数提取因子的基础上。如果破译者能 够对公开的n 作因子分解，那么就能找出p 和4 并多中得出= 。如果知道 了z 和e ，就能用欧几里德算法求出d 。幸运的是，3 0 0 多年来，虽然数学 家们已对大数因式分解的问题作了大量的研究，但并没有取得什么进展。 所有己知的证据都表明，这是一个极其困难的问题。 电子科技大学硕士学位论文 第四章基于m p e 9 2 视频数字水印的实现 根据前面的分析可知，视频数字水印必须从隐形性、安全性、健壮性 等方面考虑。针对压缩视频，还要充分考虑水印嵌入的信息量。本文采用 “基于网格划分的水印嵌入方案”，针对m p e 9 2 视频嵌入水印信息，m p e 9 2 是d v d 的工业标准，被工业界广泛应用。事实上，该方案也同样对m p e 9 4 视频使用。 4 1 方案研究 综合前面第二章的分析，本文采用“水印嵌入方案二”，在d c t 量化 系数中嵌入水印信息。在m p e g 视频编码过程中，编码器对亮度、色度 信号分别编码( 前面已有介绍) ，因此d c t 量化系数就分为亮度d c t 系 数和色度d c t 系数，之前有文献把亮度d c t 系数作为水印信号的载体， 虽然d c t 亮度系数较多，理论上可以承载更多的水印信息，但是对视觉 效果影响较大【1 。”。本文选取色度系数，而且只选取色度d c 系数。色度 d c 系数是鲁棒性非常好的信号载体，相关文献对此做了讨论 1 9 】。 在鲁棒性方面，如果水印信息直接扩展到全部视频色度d c 系数当中， 则鲁棒性不够好，因此，我们只选择i 帧图的d c 系数进行水印信息的嵌 入，如前面所述：i 帧图采用帧内编码，只用本身的信息进行编码；p 帧 图利用过去的参考( i 、p ) 进行运动补偿的预测编码；b 帧图利用过去和 将来的参考进行双向运动补偿的预测编码。因此i 帧图的信息较独立，最 适合嵌入水印信息。当然，在水印信息较多而视频数据较少时，也可以在 p 帧图的帧内编码部分的d c 系数中嵌入水印信息，这可达到嵌入大量的 水印信息的目的。在本文中，我只采用i 帧图的d c 系数进行水印的嵌入。 在安全方面，有很多方法来保证。相关文献提出采用“非对称”方案， 即嵌入水印的密码与提取水印的密码分开1 2 ”。本文采用两种密码方案，既 采用“非对称”加密( r s a ) 方寨，对用户i d 进行加解密，又采用单密 方案并通过混沌序列来对水印数据进行调制嵌入和提取。即本文采用“关 联数字水印技术”，该方法的主要思想是产生两个伪随机序列s 和p 。随 机序列s 用来调制水印信息，使得水印信息为随机水印序列：随机序列p 3 5 电子科技大学硕士学位论文 用来调整水印嵌入的位置，使得水印嵌入的位置不固定、不可猜测。随机 序列的产生由单映射函数根据用户i d 、密码产生，同时序列s 和序列p 相互关联，只有两个序列都完全正确的情况下才能提取出水印信息。这主 要是出于如下考虑：如果只对水印信息用随机序列s 调制，可以保证水印 信息不能被未经授权者正常提取。但是，攻击者完全可能按照某种选取载 体数据的方式( 比如，选取中低频交换系数) 对相应数据做轻微的干扰， 这种干扰不影响视频数据的正常使用，但是可以使水印信息受到严重的干 扰，甚至完全破坏。用随机序列p 对嵌入的位置调整后，攻击者难以发现 水印信息嵌入的位置，也不可能对所有变换数据做干扰，因为很容易破坏 原始的视频数据。随机序列的产生可由混沌系统产生1 2 2 1 。 4 2 水印嵌入过程 水印的嵌入有两种情况：第一种情况是，当我们得到的是一个m p e g l 或m p e g 2 的视频文件时，必须先解码，再加码，并在加码的过程中嵌入 水印信息。第二种情况是，当我们面对是未加码的原始视频8 8 块数据 时，直接进行加码，并在加码的过程中嵌入水印信息。在下面我们只考虑 第二种情况。水印嵌入到i 帧图的编码基本流程图如图4 - 1 。 有损压缩 水印 无损压缩 图4 一l 】帧图编码的基本流程图 首先，必须根据经验对视频数据的大小及水印信息的大小作一个估计， 看能否把水印完全嵌入到视频数据中。再由用户提供的i d 号和私人密码， 通过一个单向映射产生一个种子数，用该种子数由混沌系统产生混沌序 列，再产生伪随机序列p 和s 。用随机序列s 对水印信息进行变换，用随 机序列p 对水印嵌入的位置进行调整。第三步，对视频编码，在编码过程 中进行水印信息的嵌入。其过程如图4 2 所示： 电子科技大学硕士学位论文 4 2 1 特征集的选取 图4 - 2 水印嵌入流程图 首先对原始视频8 8 块数据作为离散余弦正交变换( f d c t ) 的输入， 然后把它分解成6 4 个正交基信号，每个正交基信号对应于6 4 个独立二维 ( 2 d ) 空间频率中的一个，这些空间频率是由输入信号的频谱组成。f d c t 的输出是6 4 个基信号的幅值，或称d c t 系数，对应u = 0 ，v = 0 的系数， 称做直流分量，即d c 系数，其余6 3 个系数称做a c 系数，即交流系数。 有亮度块和色度块之分，亮度块产生亮度d c 系数和a c 系数，色度块产 生色度d c 系数和a c 系数。然后，对d c 系数和a c 进行量化( 此过程 是失真的) ，我们选举量化后的色度d c 系数作为水印信息嵌入的载体， 假设该数据集为玑现在从中提取特征集y ，将水印信息按照某种方式嵌 入到该特征数据集当中。然后，由于m p e g 2 视频编码标准为了尽量压缩 数据，采用了类似j p e g 压缩编码的方式对d c t 系数进游程编码。 那么提取的特征集矿是数据集u 的一个子集。其数学描述如下： 电子科技大学硕士学位论文 v = f ( u ，s ) ( 4 1 ) 这里的厂函数为从u 中选取操作。s 为选取步长，即每隔一定间隔选 取数据。如前所述，色度d c 系数的修改对视频视觉影响较大，采用一定 的步长选取可以增加水印的隐形性，同时也在一定程度上增加水印信息的 安全性。显然，s 越大，水印隐形性和安全性越好，同时水印信息量也相 应减少。本文对s 不同取值都做了相关试验，其结果见试验部分。 另外，由于本文选用的水印是二值图像，必须在每一图像组当中嵌入 图像大小信息，以便于正确的恢复图像。 4 2 2 随机序列的产生 数字水印必须满足稳健性和安全性要求，以此防止破坏水印信息或者 未受权者非法获取水印信息。如果只采用随机序列s 对水印信息进行交 换，可以防止攻击者对水印信息的猜测。但是攻击者可能攻击水印信息， 在选定的特征集v 内做一定的干扰，使得合法用户也不能提取其中的水印 信息。因此，对水印信息的嵌入位置不能以某种方式嵌入固定的位置，本 文采用后面文献的方法产生随机序列p 对水印嵌入位置调整旧j 。 数字水印必须具有足够的稳健性和安全性才能有效的保护数字作品。 相关文献提出了保保护数字作品版权的方案，提出建立数字水印认证中 心。但是对版权实行有效保护不能过分依赖第三方水印认证中心。因为， 随着各种数据的剧增，第三方机构的各种数据越来越多，各种问题将会出 现，在实际应用中困难会越来越大。因此，第三方认证机构只应该用来证 明情况的合理性，而不能用来担保某件事情的必然性。 由前面讨论知，为了保证水印序列和位置序列都不能被破坏，就有必 要使得两者都具有较强的随机性。在设计产生随机序列的算法时，需考虑 如下因素： i ) 不能分析猜测。分析猜测往往根据输入与输出的规律分布，从水印 序列和位置序列反猜输入数据的范围区间，缩小搜索的空间以较快的 猜测成功。这可以通过增加输入至输出的敏感性来克服，即选择可行 算法使得输入数据的微小变化都会引起输出序列的大范围