（电子科学与技术专业论文）基于混沌序列的数字视频水印算法研究.pdf

原创性声明 j：!|rlr l lr f l lr l l l r f r l li i r lf fu p y 1913 7 0 6 i i i l l l 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。论文主要是自己的研究所得，除了己注明的地 方外，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 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：塾垫嗍! 年月生日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段 保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交 学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提 供使用。 作者签名：二缝导师签名边篓兰星胡期：蛩二二月上日 中南大学硕士论文 摘要 摘要 数字多媒体技术和网络通信技术的迅猛发展，给人们带来巨大方 便的同时，数字多媒体的知识产权保护和信息安全的问题也日益突 出，数字视频水印是数字视频产品版权保护技术的研究热点。本文采 用理论研究和实验仿真相结合的方法，研究了基于混沌置乱的视频水 印算法。 提出一种基于t d e r c s 混沌系统的图像置乱算法，将其应用到 水印图像预处理。利用t d e r c s 系统产生的伪随机序列具有对初始 条件极端敏感性，优良的统计特性，又可再生的特点，将混沌序列运 用于图像置乱，仿真研究表明，该算法的置乱效果好，提高了水印安 全性。提出了一种基于分数阶f o u r i e r 变换和无子采样c o n t o u r l e t 变 换的原始视频域数字视频水印算法，运用图像混沌置乱算法对二值水 印图像进行加密，再通过f r f t 和n s c t 嵌入和提取水印图像，算法 的实验结果和性能分析表明，该算法安全性高、不可见性和鲁棒性好。 针对新一代视频压缩标准h 2 6 4 ，提出一种基于混沌置乱和运动矢量 域的压缩视频域视频水印方案。该算法在运动矢量域自适应嵌入水印 和提取经过混沌置乱的水印信息，再经过置乱逆变换恢复得到原水印 信息。混沌序列的伪随机性和初值敏感性为水印的安全性提供了保 证。实验结果表明，主客观视频质量都与原始视频序列相当，码率误 差小，算法同时具有较好的鲁棒性。 本文所研究的两个数字视频水印算法在不可见性和鲁棒性上具 有明显优势，同时将混沌图像置乱应用于水印预处理，使算法安全性 得到较大提高。 关键词：数字视频水印，混沌伪随机序列，混沌置乱，分数阶f o u r i e r 变换，无子采样c o n t o u r l e t 变换 - - 。1 。一 一一一。 。一 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb r i n g sg r e a tc o n v e n i e n c e sf o rp e o p l e ，b u ti t a l s ob r i n g st h ep r o b l e m so f d i g i t a lm u l t i m e d i ai n t e l l e c t u a lp r o t e c t i o na n d i n f o r m a t i o ns e c u r i t y d i g i t a lv i d e o w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yb e c o m e st h e h o tt o p i co ft h ep r o t e c t i o no f d i g i t a lv i d e op r o d u c t s i nt h i sp a p e r , v i d e o w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sb a s e do nc h a o t i cs c r a m b l i n gw e r ei n v e s t i g a t e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n s a ni m a g e s c r a m b l i n ga l g o r i t h m w a s p r o p o s e db a s e do nt h e t d - e r c sc h a o t i cs y s t e m ，a n di tw a sa p p l i e dt ot h ew a t e r m a r ki m a g e p r e p r o c e s s i n g s i n c e t h e p s e u d o - r a n d o ms e q u e n c e g e n e r a t e db y t d e r c ss y s t e mh a se x t r e m es e n s i t i v i t yt oi n i t i a l c o n d i t i o n s g o o d s t a t i s t i c a lp r o p e r t i e s ，a n dr e g e n e r a t i o n ，c h a o t i c s e q u e n c ew a su s e dt o i m a g es c r a m b l i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea l g o r i t h mh a s h i 曲s e c u r i t ya n dg o o ds c r a m b l i n ge f f e c t av i d e ow a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mb a s e do nf r a c t i o n a l o r d e rf o u r i e rt r a n s f o r i l la n ds u b s a m p l i n g c o n t o u r l e tt r a n s f o r mw a sd e s i g n e df o r 也eo r i g i n a lv i d e ow a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m f i r s t l y , c h a o t i cb i n a r yw a t e r m a r ki m a g ew a se n c r y p t e db y i m a g es c r a m b l i n ga l g o r i t h m t h e nt h ew a t e r m a r ki m a g ew a se m b e d d e d a n de x t r a c t e db yf r f ta n d n s c t e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ea l g o r i t h mh a sg o o ds a f e t y , i n v i s i b i l i t ya n d r o b u s t n e s s f o rn e x t - g e n e r a t i o nv i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r dh 2 6 4 ，a v i d e o w a t e r m a r k i n gs c h e m ew a sp u tf o r w a r db a s e do nc h a o t i cs c r a m b l i n g a n dm o t i o nv e c t o rf i e l d i ti sac o m p r e s s e dd o m a i nv i d e ow a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m i nt h em o t i o nv e c t o rf i e l d ，w a t e r m a r ki n f o r m a t i o na f t e rc h a o t i c s c r a m b l i n gw a se m b e d d e da n de x t r a c t e da d a p t i v e l y , a n dt h eo r i g i n a l w a t e r m a r ki n f o r m a t i o nw a sr e c o v e r e d b ys c r a m b l i n gi n v e r s i o n p s e u d o r a n d o ma n di n i t i a lv a l u es e n s i t i v i t yo fc h a o t i cs e q u e n c ep r o v i d e s ag u a r a n t e ef o rt h es e c u r i t yo ft i l e w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e s u b je c t i v ea n do b je c t i v ev i d e oq u a l i t i e sa r eb o t h e q u i v a l e n tw i t ht h eo r i g i n a lv i d e os e q u e n c e ，a n dt h ea l g o r i t h mh a sl o w e r e r r o rb i tr a t ea n db e t t e rr o b u s t n e s s i nac o n c l u s i o n ，i nt h i s p a p e r , t w od i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m sw e r ep r e s e n t e d b o t ho ft h e mh a v eo b v i o u sa d v a n t a g e so nt h e i n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s e s p e c i a l l y , c h a o ss c r a m b l i n gi s a p p l i e dt o w a t e r m a r k p r e p r o c e s s i n g ，a n dt h es e c u r i t yo ft h ea l g o r i t h m si si m p r o v e d g r e a t l y k e yw o r d s ：d i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n g ，c h a o t i c p s e u d o r a n d o m s e q u e n c e ，c h a o t i c s c r a m b l i n g ，f r a c t i o n a l o r d e rf o u r i e r t r a n s f o r m ， s u b - s a m p l i n gc o n t o u r l e tt r a n s f o r m m 中南大学硕士论文 术语缩略对照表 a b t a 、厂s c a 、厂l c c a b a c d c t d f r f t e m w f l 心t h v s l s b m c m 田m m v m 田e g n a l n c n s d b n s p n s c t p 帆 t d e r c s u v l c v l c v o d 术语缩略对照表 a d a p t i v eb l o c k s i z et r a n s f o r m a u d i ov i d e oc o d i n gs t a n d a r d c o n t e x t b a s e da d a p t i v e l r i a b l e l e n g t hc o d i n g c o n t e x t - b a s e da d a p t i v eb i n a r y a r i t h m e t i cc o d i n g d i s c r e t ec o s m et r a n s f o r m d i s c r e t ef r a c t i o n a lf o u r i e rt r a m f o l r l n e n e r g ym o d u l a t e dw a t e r m a r k i n g f r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o i r m h u m a nv i s u a ls y s t e m 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 u l t i p 础t r e l l i s c o d e dm o d u l a t i o n m o t i o nv e c t o r m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p n e t w o r ka b s t r a c t i o nl a y e r n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n n o n s u b s a m p l e dd i r e c t i o n a lf i l t e rb a n k n o n s u b s a m p l e dp y r a m i d n o n s u b s a m p l c dc o n t o u r l c tt r a n s f o r m p e a ks i g n a l t o - n o i s er a t i o t a n g e n td e l a ye l l i p s er e f l e c t i n g c a v i t ym a ps y s t e m u i l i v e r s a lv a r i a b l el e n g t hc o d i n g v a r i a b l el e n g t hc o d e v i d e oo nd e m a n d i v 自适应块变换 数字音视频编解码技术标准 基于上下文的自适应变长编 码 基于上下文的自适应算术编 码 离散余弦变换 离散分数阶傅里叶变换 能量调制水印 分数阶傅里叶变换 人类视觉系统 最低有效位 运动补偿 多路格子编码调制 运动矢量 运动图像专家组 网络抽象层 归一化相关系数 无子采样方向滤波器组 无子采样塔式结构 无子采样c o n t o u r l e t 变换 峰值信噪比 切延迟椭圆反射腔映射系统 统一变长编码 变长编码 视频点播 r 中南大学硕士论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究进展及现状。2 1 2 1 数字视频水印的研究现状2 1 2 2 典型的数字视频水印算法3 1 2 3 混沌在数字视频水印中的应用4 1 3 数字视频水印技术概述5 1 3 1 数字视频水印的性能要求与特征5 1 3 2 数字视频水印的分类5 1 3 3 数字视频水印技术的应用领域7 1 4 本文的主要工作及其内容安排7 第二章基于t d e r c s 混沌映射的图像置乱算法研究9 2 1t d e r c s 混沌动力学系统9 2 2 伪随机序列的产生与性能分析1 0 2 2 1 伪随机序列发生器：。1 0 2 2 2 混沌伪随机序列的性能分析1 0 2 。3 二值图像混沌置乱算法1 2 2 3 1 置乱算法原理1 3 2 3 2 基于t d e r c s 混沌映射的图像置乱算法设计1 3 2 3 3 实验结果与分析1 4 2 4 本章小结1 6 第三章基于f r f t 和n s c t 的数字视频水印算法1 7 3 1 分数阶f o u r i e r 变换( f r y t ) 1 7 3 1 1 分数阶f o u r i e r 变换的定义1 7 3 1 2 分数阶f o u r i e r 变换的性质1 8 3 1 3 分数阶f o u r i e r 变换在数字视频水印领域的应用1 9 3 2 无子采样c o n t o u r l c t 变换( n s c d 1 9 3 3 水印嵌入位置选择2 2 3 4 水印嵌入算法2 4 3 5 水印提取算法设计2 6 v 中南大学硕士论文目录 3 6 实验结果及其性能评价2 6 3 6 1 不可见性2 7 3 6 2 鲁棒性分析2 8 3 6 3 安全性分析3 3 3 7 本章小结3 3 第四章基于运动矢量的数字视频水印算法3 4 4 1 视频编解码标准h 2 “a v c 3 4 4 1 1h 2 6 4 a v c 编解码器3 4 4 3 水印嵌入算法3 6 4 4 水印提取算法3 7 4 5 实验结果与分析3 7 4 5 1 嵌入水印前后视频质量测试3 8 4 5 2 码率变化测试3 9 4 5 3 攻击测试4 0 4 5 4 安全性分析4 0 4 6 本章小结。4 1 第五章结论与展望4 2 5 1 结论4 2 5 2 展望4 2 参考文献4 4 致谢5 0 攻读学位期间主要的研究成果5 1 v i 中南大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，随着计算机多媒体技术的日新月异和网络通信技术的迅猛发展，多 媒体技术借助日益普及的高速信息网，实现了计算机的全球联网和信息资源共 享，广泛应用在咨询服务、图书、教育、通信、军事、金融、医疗等诸多行业， 正潜移默化地改变着我们的生活面貌。互联网技术的普遍应用，是进入信息社会 的标志，正是由于信息的存取传播变得极为方便，互联网上的数字媒体应用正在 呈爆炸式的增长，越来越多的知识产品以电子版的方式在网上传播，而一旦拥有 了数字媒体的原版，就可以进行无限制的任意编辑，修改，拷贝和散布，这样盗 版者就更容易非法破坏、篡改数字产品，而且产品拥有者却无法证明自己对该产 品的所有权，对产品厂家和用户的切身利益造成巨大的损害，数字多媒体的知识 产权保护和信息安全的问题日益突出，越来越引起人们的关注，数字产品不仅需 要法律上的保护，更需要技术上的保护。 数字产品的特点是极易无失真地复制和传播，修改，发表等，这就对数字产 品的保护提出了技术上和法律上的难题。当前以密码学为基础的信息加密技术都 是以将文件加密的形式来保护私密信息，该方法单纯地通过增加密钥长度来提高 安全性存在固有的缺陷，随着巨型计算机的计算能力不断增强，这种信息安全方 法越来越不安全了。同时多媒体数据就是数字化的声像数据，而从本质上讲就是 数字信号，因此不能不考虑其信号属性就直接采用传统的信号加密方法对其加 密，正因为这样，传统的密码学方法就已经不适合用于数字产品的版权保护了， 许多学者就开始运用信号处理的方法对多媒体数据进行加密，数字水印就是在这 一应用基础上从信息隐藏技术演化而来的。数字水印是嵌入在数字作品中的一个 版权信息，它可以给出作品的作者、所有者、发行者以及授权使用者等等版权信 息，一旦发生版权纠纷的问题，就可以利用水印的提取技术提取出这些信息，从 而达到保护版权，保护作品所有者权益的目的，数字水印就是利用了信息隐藏的 技术，利用产品存在的冗余度，将信息隐藏到数字多媒体产品中，以达到版权保 护目的。用于版权保护的数字水印应该具有不可觉察性、健壮性、唯一性等要求， 还要能够抵抗一些常规的数据处理和恶意攻击。 数字水印技术还有许多方面有待研究，目前只有少数企业组织发布了测试水 印算法的要求。近年来，涌现了很多关于数字图像水印的算法，数字图像水印技 术逐渐趋于成熟，所以研究人员将注意力转向另个富有挑战性的研究主题数 字视频水印。大部分的视频水印方案是在数字图像水印的基础上提出来的，直接 中南大学硕士论文 第一章绪论 用于原始视频或者压缩视频，然而，现在的图像视频水印并不能充分地保护视频 数据的版权。原始视频域可以对现有的图像水印算法进行改进以应用到视频水印 域，对于压缩视频，随着视频编码技术的不断进步，越来越好的编码标准诞生了， 例如最新的高效视频编码标准h 2 6 4 编码标准，h 2 6 4 视频编码具有高压缩效 率使得视频的冗余数据量大大减少，这就对数字水印的嵌入带来了较大的麻烦， 所以针对h 2 6 4 编解码标准的视频水印算法的研究还有很大的空间。 1 2 国内外研究进展及现状 1 2 1 数字视频水印的研究现状 1 9 9 4 年，t i r k e l 等人i l 】提出了数字水印的概念及其可能应用，并针对灰度图 像提出了两种图像最低有效位( l s b l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 的水印嵌入算法。1 9 9 7 年，c o x 等【2 j 提出了基于全局d c t ( d i s e r e t cc o s i n et r a n s f o r m ) 变换的图像数字水 印算法，该算法的鲁棒性非常好，但是检测时需要载体图像的参与，无法达到盲 检测。文献【3 】中算法的价值不仅在于将通信中直接序列扩频技术应用于水印嵌 入上，而且算法中指出：将数字水印嵌入载体图像的关键部分能够获得较强的鲁 棒性。 目前，对静止图像水印的研究比较多，而由于数字视频的时间空间三维特性， 视频水印相对于静态图像水印有其特殊性和复杂性0 1 。一般地，视频水印技术 可以划分为两类：完全借鉴静态数字图像水印技术【1 1 】和基于运动信息的水印技术 u 2 】。若将视频看成是一组连续的图像帧，静态图像水印技术可以应用到视频水 印系统中，但是视频还有空间冗余和时间冗余的特点，视频压缩时对独立帧视频 水印有很大的破坏性，所以针对视频水印应有特殊的方法【1 3 】，例如视频水印的 设计需要考虑视频中更多可用的信号空间以及针对视频的特殊攻击形式等等。而 目前压缩域视频水印主要针对m p e g - x 系列标准【1 7 】，基于新一代视频压缩标 准h 2 6 4 a v c 的数字视频水印研究也逐渐增多【l s - 2 0 ，a v s 是我国自行制定的并 具有自主知识产权的视频编码标准【2 1 1 。相比较而言，基于a v s 的数字视频水印 算法的研究较少。文献【2 2 】中通过修改d c t 系数来嵌入水印信息，由于消除误 差累计而增加了算法复杂度，就无法满足实时性要求，同时需较大的存储空间。 文献【2 3 】中针对m p e g - 4 压缩视频流，通过修改运动矢量来嵌入水印信息，算法 复杂度非常小，码率变化也较小，但水印容量很有限。文献【2 4 】在文献【2 3 算法 的基础上进行改进，改进点是在水印嵌入前要对运动矢量进行筛选。文献 2 5 】提 出了一种通过对运动矢量的奇偶性进行判断来嵌入水印信息的算法，算法复杂度 较低。文献【2 6 】和文献 2 7 】分别提出了h 2 6 4 压缩域的数字视频水印算法，水印 的嵌入位置都是选择为i 帧残差，鲁棒性较差。文献【2 8 2 9 】 3 0 分别提出了a v s 2 中南大学硕士论文第一章绪论 压缩域的数字视频水印算法，水印算法具有较好的不可见性，嵌入水印后的视频 质量没有明显的降低。 鲁棒性是数字水印的重要性能指标，鲁棒性就是数字水印抵抗攻击的能力， 攻击类型大致可以分为两类，一是信号处理类的攻击，另一个就是几何攻击。经 过这么多年的发展，鲁棒水印技术已经取得许多成果。然而对视频序列进行旋转、 平移、尺度变换等几何变换仍然会对水印的提取造成很大的困难。对于该问题， 涌现了许多算法，概括来说分为四类f 3 l 】：一是基于不变域的水印方案 3 2 , 3 3 1 ，水印 信息被嵌入到几何不变域3 4 - 3 8 ，就像f o u r i e r - m e l l i n 变换f 3 8 3 9 】一样，但是此类方 法对附带着裁剪的几何攻击的鲁棒性不强；二是利用模板或嵌一个周期水印模式 2 3 , 4 0 ，此类方法中容易移除用来恢复几何攻击的参数，一旦如此就无法正确提取 水印信息；三是穷举搜索方法，此类方法有其应用局限性，只有当几何攻击参数 较小的时候才有其应用价值；四是基于特征的方法团，4 1 1 ，基于特征的水印方法 4 1 - 4 3 】，也就是第二代水印算法 2 3 , 4 1 1 和局部数字水印，水印的嵌入位置是与图像内 容相关的，这与传统的水印算法中水印位置与像素位置相关是不同的，这么操作 的好处是可以不用同步，就提取出正确的水印信息。根据图像的特征将水印信息 嵌入到图像的不同局部区域，这就是局部数字水印，故而非常有希望解决几何攻 击【3 l 】。文献【4 1 】中提出了一种采用b a r k 码作为同步码的音频数字水印算法，该 算法在d c t 域嵌入水印信息，该算法对剪切攻击具有很强的鲁棒性，即使音频 被剪切掉7 0 仍然能够正确的提取水印信息。文献【4 2 使用区域特征来替代点特 征或线特征，通过分水岭变换来提取区域特征点，该方法能够抵抗一些常见的攻 击，同时水印容量得到提高，但是分水岭算法本身的计算复杂度过高，对其应用 有一定的限制。文献 4 3 】研究了三种不同类型的几何不变点对几何变换的鲁棒 性，采用这些特征点作为顶点形成了d e l a u n a y 棋盘格。水印被嵌入到棋盘格的 三角中。但是，文中选取的特种点对于缩放变换非常敏感1 3 引，故该算法对缩放 变换不是鲁棒的。 1 2 2 典型的数字视频水印算法 在实时传输系统中，视频水印应该需要更高的要求，如实时性，或者要求嵌 入时的高实时性，或者要求检测时的高实时性，通常情况下，压缩视频2 5 帧每 秒或者更快的速度播放，而如果水印算法满足不了实时性要求，就会使视频播放 不流畅。而对于像隐秘通信一类的应用，水印容量要求要很大，目前对大容量的 数字水印算法的研究大部分都是借鉴通信和信息理论中的成果，c o s t a 提出的典 型c o s t a 方案0 c s ) t 2 3 】阐述了数字水印嵌入的容量与载体无关的观点，水印容量 最大能够达到s h a n n o n 极限。但该方案实现有一个前提条件，那就是必需无限大 的码书，而在实际中是不可能的。因此为了能够取得i c s 的优良性能，许多学者 3 中南大学硕士论文 第一章绪论 提出了基于结构化的码书的次优方法，包括标量c o s t a 算法m 、基于检错码的方 法m 、抖动量化技术【4 5 1 、以及最近m t m 方法d 5 】。 数字视频水印算法根据部分解码的程度还可以分为三类：一类是位域【4 6 】、 一类是v l c 域【4 7 1 ，还有一类是系数域【4 8 , 4 9 , 5 0 , 4 6 】。文献 5 1 】由于需要改善预测引入 的误差积累等问题，就必须对其进行漂移补偿，然而这却带来另一个问题就是增 加了算法的复杂度。最近比较经典的一些实时数字视频水印算法是有选择地去掉 高频元组，这样就会造成两组宏块集之间的能量差【4 8 , 4 9 , 5 0 1 或数量差1 5 2 , 5 3 】，通过这 种方式来达到水印嵌入的目的。此类算法的计算复杂度低，但水印容量小且抗攻 击性能较差。凌贺飞提出了能量调制水印( e m w ) 算法【5 2 跚，通过修改d c t 块的 中低频系数来调制块能量。为了限制d c t 系数的修改量，文中利用w a t s o n 视频 感知模型得到其修改准则。该水印算法的水印嵌入容量大，算法复杂度较低，但 是区域能量的大小是由该区域内的少数d c t 系数所决定，故算法的鲁棒性就依 赖于这些系数，一旦攻击者能够采取某些方法攻击这些系数，就无法检测到正确 的水印信息。 1 2 3 混沌在数字视频水印中的应用 混沌的起源最早可追溯到1 9 世纪末2 0 世纪初，法国科学家庞加莱在研究太 阳、月球和地球相对运动时提出的三体问题就是混沌现象。自1 9 6 1 年美国气象 学家洛仑兹提出“蝴蝶效应”以来，混沌理论已经得到人们的广泛关注。混沌是一 种貌似无规则的运动，在确定性系统中出现的类似随机的复杂过程。当初值有微 小的变化，将引起系统后来的不可预测的改变，从物理上看运动似乎是随机的。 混沌运动具有不可预测性、伪随机性、遍历性、初值敏感性和确定性等特征。利 用不同初值经过简单的非线性迭代就可以产生数量众多、保密性好、非周期、不 相关、类随机而又确定可再生的混沌序列，其相关性与g a u s s i a n 序列相似。已 有混沌序列发生器主要是基于几类传统混沌系统来实现的，如：l o g i s t i c 映射， 改进型l o g i s t i c 映射，c h e b y s h e v 映射，等等。伪随机序列由于混沌系统具有对 初始条件和系统参数的极端敏感性，以及混沌序列长期演化结果的不可预测性， 这些特性使得混沌系统极具密码学价值【5 5 】，可以用作对视频水印信息的置乱 5 6 , 57 1 ，具有良好的置乱效果，同时由于混沌序列的初值敏感性，也使视频水印方 案具有良好的安全性。 总的来说，数字视频水印技术今年来发展很快，而相比较而言，国外学者的 研究成果较为丰富，并且也有推出一些商用软件了，例如希腊a l p h a - t e e 公司的 数字视频水印软件v i d e om a r k ；美国m e d i a s e c 公司的s y s c o p 视频版权保护软件； 微软亚洲科学院也取得一些成果；但是国内该方面的研究仍旧处于理论研究的阶 段，还没有达到商用的标准。例如中山大学黄继武等、天津大学张春田等、清华 4 中南大学硕士论文第一章绪论 大学的陈真勇等、以及西北工业大学的贾林等做了大量的研究工作。鉴于此，数 字视频水印技术还有很大的研究空间。 1 3 数字视频水印技术概述 1 3 1 数字视频水印的性能要求与特征 视频是由图像帧序列组成的，故视频与图像之间有很强的相似性，因此静止 图像水印技术可以在数字视频水印领域得到很好的应用。但它们之间又存在一些 差异，这就使数字视频水印除了应具有图像水印的一般特点( 如安全性、可靠性、 鲁棒性、不可感知性) 外，还必须具有下列独特要求。 ( 1 ) 盲检测。由于视频数据量极大，因此不可能在检测的过程中还要用到原 始视频，因为如果不是盲检测就会极大地增加传输负担。故需要实现数字视频水 印的盲检测。 ( 2 ) 算法复杂度低。视频水印有时会有实时或者接近实时的要求，因此相对 于静止图像水印，降低水印算法的复杂度要求更重要，必须提出简单易行的算法。 ( 3 ) 要与视频编码标准相结合。视频产品的数据量巨大，在传输过程中就必 须对其进行压缩编码，目前视频压缩编码标准主要有m p e g 2 、m p e g 4 和h 2 6 4 。 因此，对于需要压缩视频的应用场景中，水印的嵌入必须考虑相应的视频编码标 准。 “) 可用信号空间不同。对于静止图像，由于其信号空间有限就可以采用 h v s 模型，使水印算法的不可见性满足要求。但是对于视频，目前并没有精确 的f i v s 模型，就无法充分的利用h v s 模型。 基于以上差异，数字视频水印除具有难以觉察性和鲁棒性外，还有以下特征。 ( 1 ) 复杂度。不同的应用背景下，水印嵌入和检测的复杂度是不对等的。 ( 2 ) 压缩域处理。以压缩方式存储的视频产品，更适合将水印嵌入到压缩视 频流中。 ( 3 ) 恒定码率。加入水印后不应该对视频流码率有很大的改变。 1 3 2 数字视频水印的分类 对图像水印的分类方法原则上也可以推广到对视频水印的分类。按嵌入策 略，可把视频水印分为空间域和变换域两种；按水印特性，可分为鲁棒性水印、 脆弱性水印和半脆弱性水印；按嵌入位置，可分为未压缩域中嵌入、在视频编码 器中嵌入和视频码流中嵌入；按水印的嵌入与提取是否与视频的内容相关，可分 为与视频内容无关的第一代视频水印和基于内容的第二代视频水印方案；按视频 载体采用的压缩编码标准，可分为基于m p e g - 1 或m p e g 2 标准的视频水印、 中南大学硕士论文第一章绪论 基于m p e g - 4 标准的视频水印、基于h 2 6 4 标准的视频水印和基于其他压缩标准 的视频水印。 日裴芙 下 原始视频 水印嵌入 内置后置 嵌入嵌入 l y j 压缩视频 水印嵌入 压缩码流 前置内置后置 提取提取提取 l y j 土 压缩视频原始视频 水印提取水印提取 图1 - 1 数字视频水印嵌入和提取方案 但是通过分析现有的数字视频编解码系统，根据嵌入码流类型的不同可将视 频水印方案分为如图1 1 所示的三类。 ( 1 ) 基于原始视频的水印方案。 此类方案将水印信息直接嵌入到原始视频中，便得到含有水印的原始视频。 这一类方案可以完全利用现有的静态图像数字水印算法，但是一旦对视频进行压 缩编码，数字水印信息就会出现缺失的情况。这一类算法的优势是：可选择的嵌 入方法多( 理论上图像水印算法都可以使用) 、算法成熟，并且可用于多种目的。 不足之处是：水印在视频压缩后会缺失信息，导致无法正确地提取水印信息，增 加数据比特率，降低视频质量。 ( 2 ) 基于视频编码的水印方案。 如能可以直接进入视频编码过程中，就可以通过修改d c t 系数并结合h v s 模型来嵌入水印信息，水印的嵌入和提取过程都是在编解码器中进行的。此类方 案由于水印信息是嵌入到d c t 系数中，对视频流数据比特率没有影响，算法的 鲁棒性很强。不足之处是对视频质量的影响较大，同时现有的h v s 模型都不够 完善。 ( 3 ) 基于压缩视频的水印方案。 当出现无法直接进入视频编码过程但是可以得到已经编码的视频流的情况 时，就需要将水印直接嵌入到压缩码流中。该方案不需要完全解码和再编码过程， 水印嵌入和提取的效率很高。而由于水印的嵌入对视频压缩码率的增加不能太 大，这就导致水印的嵌入容量不能很大。这一类算法设计必须同时具有两个基本 条件：( 1 ) 水印的嵌入不能够影响视频码流的正常解码和显示；( 2 ) 嵌入水印的视 6 中南大学硕士论文第一章绪论 频码流必须满足原始码流的码率约束条件。 1 3 3 数字视频水印技术的应用领域 数字水印技术的发展使得其应用范围越来越大，从最初的版权保护已经扩展 到拷贝控制、广播监控、数字指纹等领域。 ( 1 ) 拷贝控制。在数字或模拟媒体中嵌入不同的水印标志用以区分原始产品 和拷贝产品，这样就可以防止非法拷贝，即达到保护版权的目的。 ( 2 ) 广播监控。数字广播体系中，无法做到完全监控广告商和运营商的行为， 所以数字广播媒体中嵌入水印的主动监控方式是切实可行的方案。 ( 3 ) 数字指纹。数字指纹对不同的数字产品拷贝嵌入不同的指纹信息，从而 达到抵制非法拷贝的情况，而经过提取指纹信息来达到跟踪的目的。 ( 4 ) 隐蔽通信。视频数据时空域巨大的冗余量表示可以利用来隐藏信息的空 间也很大。所以，完全能够在视频中嵌入隐秘信息，并且同加密保护相结合，实 现高可靠性的安全传输。 1 4 本文的主要工作及其内容安排 结合数字视频水印当前的国内外研究现状，针对现有算法中存在的问题，本 文做了如下工作：1 ) 提出了一种基于t d e r c s 混沌映射的图像置乱算法，在水 印嵌入前进行混沌置乱预处理，极大地增强了算法的安全性，该算法简单易行， 安全性高。2 ) 设计一种基于分数阶f o u r i e r 变换和无子采样c o n t o u r l e t 变换( n s c d 的视频水印算法，该算法属于原始视频域水印算法，水印的提取是盲提取，算法 具有较好的鲁棒性和安全性。3 ) 设计一种基于运动矢量域的数字水印算法，该 算法属于压缩域视频水印算法，针对最新视频压缩标准h - 2 6 4 标准，该算法有 较好的安全性和鲁棒性，同时对视频码率的影响很小。 论文分为五章，各章内容安排如下： 第一章绪论。概括地介绍了数字视频水印的研究进展以及现状；重点综述 了典型的数字视频水印算法以及混沌在数字视频水印中的应用；简要介绍了数字 视频水印的基础理论，主要是数字视频水印的性能要求与特征、分类和应用领域； 介绍了本文的主要内容和章节安排。 第二章基于t d - e r c s 混沌映射的图像置乱算法。在介绍t d e r c s 混沌系 统的基础上，阐述了伪随机序列的产生与性能分析；提出了一种基础t d e r c s 混沌映射的图像置乱算法，该算法具有简单易行、加密效果好和高安全性的特点。 第三章基于分数阶傅里叶变换和无子采样c o n t o u r l e t 变换( n s c d ，设计了 一种基于分数阶f o u r i e r 变换和无子采样c o n t o u r l e t 变换的视频水印算法。详细 研究了水印嵌入位置的选择，水印嵌入和提取的过程。最后对实验结果分析以及 7 中南大学硕士论文第一章绪论 算法性能进行评价。 第四章在研究h 2 6 4 视频编码标准的运动矢量理论的基础上，设计了一种 基于运动矢量域的数字视频水印算法，本章介绍了h 2 6 4 编解码架构以及主要技 术，详细阐述了算法的嵌入和提取过程，最后对实验测试数据进行分析并对算法 的性能进行评价。 第五章总结全文，指出论文工作中需要改进和优化的地方，提出下阶段的 工作展望。 中南大学硕士论文 第二章基于t d e r c s 混沌映射的图像置乱算法 第二章基于t d e r c s 混沌映射的图像置乱算法研究 利用混沌系统产生的伪随机序列具有对初始条件极端敏感性，优良的统计特 性，又可再生的特点，将混沌序列应用于图像置乱可以取得较高的安全性和较好 的置乱效果。因此，混沌序列应用于数字水印中是当前的研究热点。 2 1t d 。e r c s 混沌动力学系统 t d e r c s 系统是盛利元等提出的一类新的全域性离散混沌系统【5 8 】，具有零