（计算机应用技术专业论文）基于光流场的数字视频水印技术研究.pdf

摘要 数字水印技术是知识产权保护和安全隐秘通信的重要手段之一。 视频水印是数字水印技术的重要分支，视频联合工作组( j v t ) 为实现视 频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性，提出了一个新的视 频压缩编码标准，称为h 2 6 4 标准，它不仅比h 2 6 3 和m p e g - 4 节约了 5 0 的码率，而且引入了面向i p 包的编码机制、有利于网络中的分组 传输、支持网络中视频的流媒体传输等新性能，使其对目前因特网多 媒体传输和移动网中宽带信息传输具有重要的意义，将有很好的应用 范围和前景。然而，其高压缩性能也带来了水印技术的诸多挑战。由 于h 2 6 4 是新标准，有关它的视频水印方兴未艾，因此研究抗h 2 6 4 标准压缩的视频水印技术具有重要的实际意义。 本文在介绍视频水印技术的发展现状及主要技术方法基础上，根 据压缩编码时的图层结构g o p ( g r o u po fp i c t u r e ) 的特征，提出一种 抗h 2 6 4 压缩的数字视频水印新法，它根据视频中g o p 结构的特点， 在压缩编码时指定g o p 结构的i 帧，再在i 帧中修改较大色度块d c 系 数来隐藏版权信息，实验结果表明在应对反复压缩、加载噪声、裁切、 帧删节、格式转换等多种攻击时表现出较强的鲁棒性。 在进一步探索水印抗h 2 6 4 压缩性能时，提出一种基于光流场 i o f ( i m a g eo p t i c a lf l o w ) 视频水印算法，它根据视频图像中各点的光 流速度，计算出该帧图片的总光流，再根据总光流的差值来选定视频 关键帧，在这些关键帧中利用d c t 分块变换来嵌入水印信息，实验表明 该算法能有效的对抗h 2 6 4 的三种压缩模式，保证了水印的鲁棒性和视 频高压缩比、高图像质量的多重要求。 以上方案都在m a t l a b7 o 环境下进行了仿真实验，文中相应章节给 出了仿真结果、相关图像、图表。文章最后，给出部分程序源代码。 关键词：光流，视频水印，h 2 6 4 压缩，d c t ，d c 系数 a bs t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g yi s o n eo ft h ei m p o r t a n tm e a n si n i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yp r o t e c t i o na n ds e c u r i t yc o v e r tc o m m u n i c a t i o n a n d d i g i t a l v i d e ow a t e r m a r ki si t s i m p o r t a n tb r a n c h ，t o a c h i e v e h i g h c o m p r e s s i o nr a t i o ，h i g hi m a g eq u a l i t ya n dg o o dn e t w o r ka d a p t a b i l i t y , j o i n t v i d e ot e a m ( j v t ) r a i s e san e wv i d e oc o m p r e s s i o nc o d i n gs t a n d a r d ，h 2 6 4 ， w h i c hs a v e sa b o u t5 0p e r c e n tm o r eb i tr a t e st h a nh 2 6 3a n dm p e g _ 4 ，a n d p o s s e s s e ss u c hn e wf e a t u r e sa st h ee n c o d i n gm e c h a n i s mf o ri pp a c k e t ，t h e f a v o ro ft h en e t w o r ks u b - t r a n s m i s s i o na n dt h es u p p o r to fs t r e a m i n gm e d i a t r a n s m i s s i o n ，s ot h a tt h e r ei sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ep r e s e n tb r o a d b a n d i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nt h em o b i l en e t w o r k ，a n dt h e r ew i l la l s ob ea v e r yg o o dr a n g eo fa p p l i c a t i o n sa n dag o o dp r o s p e c t h o w e v e r , i t sh i 曲 c o m p r e s s i o np r o p e r t y h a sb r o u g h tm a n yc h a l l e n g e st ot h ew a t e r m a r k t e c h n o l o g y a si ti san e ws t a n d a r d ，t h er e s e a r c ho nh 2 6 4i sj u s tu n f o l d i n g t h u st h es t u d yo fv i d e ow a t e r m a r kt e c h n o l o g yi nh 2 6 4s t a n d a r di so fa n i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a f t e r i n t r o d u c i n g t h e d e v e l o p i n g s t a t u so fv i d e ow a t e r m a r k t e c h n o l o g y a n di t s p r i n c i p l em e t h o d s ，t h i sp a p e r , b a s e d o nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fg o ps t r u c t u r e ，p r o p o s e san e wd i g i t a la n t i h 2 6 4 c o m p r e s s e dv i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，i nt h el i g h to ft h ef e a t u r e so f t h ev i d e o sg o ps t r u c t u r e ，t h ei - f r a m eo fg o pi sd e s i g n a t e dw h e nb e i n g e n c o d e d ，a n dt h ed cc o e f f i c i e n t so fl a r g e rc h r o m ab l o c ki nt h ef r a m ea r e r e v i s e dt oh i d ec o p y r i g h ti n f o r m a t i o n t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h i s a l g o r i t h mh a sas t r o n gr o b u s t n e s st om a n y a t t a c ks c h e m e s ，s u c ha sm u l t i p l e c o m p r e s s i o n s ，n o i s ea t t a c k s ，c u t s ，f r a m ed e l e t i o na n df o r m a tc o n v e r s i o n f o rf u r t h e re x p l o r et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew a t e r m a r kr e s i s th 2 6 4 c o m p r e s s i o n ，p r o p o s e sav i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do no p t i c a l f l o w ( i o f ) a c c o r d i n g t ot h eo p t i c a lf l o wr a t eo ft h ep o i n t si nv i d e oi m a g e s ， t h et o t a lo p t i c a lf l o wi nt h ef r a m ei sc a l c u l a t e d t h ek e yv i d e o sf r a m e sa r e s e l e c t e do t h eb a s i so ft h ed i s p e r s i o no ft h et o t a lo p t i c a lf l o w a n dw i t ht h e d c tb l o c kt r a n s f o r m ，t h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni se m b e d d e di nt h o s e f r a m e s t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l ya n t a g o n i z e 一 t h et h r e ec o m p r e s s i o nm o d e so fh 2 6 4a n de n s u r et h er o b u s t n e s so ft h e w a t e r m a r ka n dm u l t i p l er e q u i r e m e n t so ft h eh i g hi m a g eq u a l i t ya sw e l la s t h eh i g hc o m p r e s s i o nr a t i o s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r em a d eu n d e rt h ee n v i r o n m e n to ft h em a t l a b 7 o t h er e s u l t sa n dr e l a t e d i m a g e sa n dc h a r t s a r e g i v e n i nt h e c o r r e s p o n d i n gs e c t i o no ft h et h e s i s a n di nt h el a s tp a r to f t h et h e s i s ，s o m e s o u r c ec o d e sa r eg i v e n k e y w o r d s ：o p t i c a lf l o w ，v i d e ow a t e r m a r k i n g ，h 2 6 4c o m p r e s s i o n ， d c t ，d ec o e f f i c i e n t - i i i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：位堡l 日期：碑年月鲫 学位论文版权使用授权书 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 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，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、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：师签 飙尹必瑚 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 当今社会的发展已经呈现两个明显的特征：数字化和网络化。数字化是信息 的存储形式，其特点是信息存储量大、便于编辑和复制；网络化是信息的传输形 式，具有速度快、分布广的优点。过去1 0 多年，数字媒体信息的使用和分布呈 爆炸性的增长。随着网络通信的普及，许多传统视频产品都向数字化转变，并且 即将占据巨大市场份额，如数字影院、精品课程、网上教室、可视图书等等的大 力推行。在无线传输领域，随着移动网络由第二代到第三代的演变，移动用户将 能方便快速的访问因特网上数字视频产品，基于有线或无线网络的数字媒体内容 的应用即将是信息时代新的传统，特别是视频压缩编码和传输的发展，数字视频 在因特网上近年来呈指数级增加，由于免费的诱惑，网民最感兴趣的影视作品后 来居上，一跃成为视频用户的最大偏好。艾瑞市场咨询调查显示，2 0 0 8 年，视 频用户偏好内容排行榜上，电影和电视剧高居第一和第二位，在网络带宽不断提 高和视频压缩技术不断提升的背景下，网络视频毫无争议地成为了中国应用最广 泛的网络服务之一，真可谓时势造英雄。2 0 0 5 年起，国内一大批视频分享网站 如雨后春笋破土而出，经过几年多时间的洗礼，如今已发展成为土豆网、优酷网、 我乐网、酷溜网等几大网站瓜分天下的格局，不论有着怎样崇高的初衷，商家的 最终目的就是营利，视频分享网站也不例外。就在这追逐盈利的过程中，视频分 享网站开始出现版权侵犯问题，许许多多的商业网站为吸引更多的点击量，也为 拓展自身发展空间，除网友原创作品，网站很快出现了大量的无版权的影视作品， 且内容不断丰富，并颇具蔓延之势。国家广电总局的禁令对它也是毫无办法，因 为它可以处罚一些网站，但无法清查大批通过像“电驴、“q q ”等这些工具互相 分享视频的网民。于是，大批影视观众因视频分享网站流失，电影院内形影相吊， 这难免会影响投资方投入的回收，最终制约着整个产业的蓬勃发展。也就是说， 对数字视频产品的保护将越来越重要了。 作为在信息时代下进行数字产品版权保护的新技术，数字水印是近几年来国 际学术界兴起的一个研究热点，它可以确定版权所有者，识别购买者或者提供关 硕士学位论文 第一章绪论 于数字内容的其他附加信息，并将这些信息以人眼不可见的形式嵌入在多媒体信 息中。视频数字水印是其重要的分支，可理解为针对数字视频载体的主观和客观 的时间冗余和空间冗余加入信息，即不影响视频质量，又能达到用于版权保护 和内容完整性检验目的的数字水印技术。尽管人们都在努力发展和完善数字水印 技术，但水印技术仍然没有完全成熟，而且还有很多问题没有得到解决。比如说 上节所述的无版权网络视频泛滥现象，许多研究人员正在积极努力，进行各种信 号处理方法尝试。 与之同时，视频压缩技术却在快速的发展进程中，为了满足不同速率、不同 解析度以及不同传输( 存储) 场合的需求。获得比n 2 6 3 + + 好得多的压缩性能， 国际标准化组织( i s o ) 和国际电信联盟( i t u ) 共同提出了继m p e g 4 之后的新一 代数字视频压缩格式一h 2 6 4 标准，它不仅比h 2 6 3 和m p e 卜4 节约了5 0 的 码率，而且对网络传输具有了更好的支持功能。因其引入了面向i p 包的编码机 制、有利于网络中的分组传输、支持网络中视频的流媒体传输等新性能，使其对 目前因特网多媒体传输和移动网中宽带信息传输具有重要的意义，将有很好的应 用范围和前景。然而，其高效压缩性能也带来了水印技术的诸多挑战，通过对发 表的数字水印研究文献检索统计，发现数字视频水印的研究文献相对于数字图像 水印的研究文献要少得多，抗新视频压缩标准h 2 6 4 的研究文献更是凤毛麟角， 如果非压缩域水印算法能够与h 2 6 4 压缩标准相结合，水印的提出可以在非压缩 域和压缩域双重进行，将显著拓宽水印算法的应用领域。因此，这国际、国内大 的热点背景下，在理论研究和产品研发方兴未艾的情况下，选择抗h 2 6 4 压缩的 数字视频水印为方向展开研究具有较强的现实意义。 1 2 数字视频水印的国内外发展及研究现状 本章节将从国外和国内二个方面对数学视频水印研究现状进行介绍： 1 2 1 国外发展及研究现状 首次使用“数字水印技术是在1 9 5 4 年，m u z a k 公司的e m i lh e m b r o o k e 申 请了一项名称为“i d e n t i f i c a t i o no fs o u n da n dl i k es i g n a l s ”的专利乜1 。从 此，水印技术的研究日益拓展，应用也逐步深入。1 9 7 9 年，s z e p a n s k i 描述了一 种机械探测模式，它可以用在文件上起到防伪的效果。1 9 8 8 年，h o l t 等人阐述 了一种在音频信号中嵌入认证码的方法。但是，此时的数字水印只是作为一种版 权认证的工具，并没有形成一门科学。1 9 9 3 年a z t i r k e l 等所撰写的 2 硕士学位论文第一章绪论 “e l e c t r o n i cw a t e rm a r k 一文中首次使用了“w a t e rm a r k 这一术语口1 。这 一命名标志着数字水印技术作为一门正式学科的诞生。后来，这篇文章被整理为 “ad i g i t a lw a t e r m a r k 在1 9 9 4 年的i c l p 上发表。a z t i r k e l 提出了修改 图像最低有效位( l s b ) 平面的方法，即采用替换的方式，将水印位嵌入到载体 图像中的最不重要位。1 9 9 6 年，b e n d e r 等提出了一种针对打印、扫描应用的 p a t c h w o r k 法“1 。p a t c h w o r k 方法隐蔽性好，并且对j p e g 压缩、f i r 滤波以及图 像剪切操作具有一定的抵抗力，但是嵌入的信息量有限。 1 9 9 7 年，c o x 等提出了一种基于全局o c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 变换的数字图像水印算法瞄1 。它先对整个图像进行o c t ，然后将水印通过直接序 列扩频的方法嵌入到o c t 域中幅值最大的前1 0 0 0 个交流系数上。该算法的鲁棒 性比较好，但是水印检测时需要原始的载体图像。1 9 9 8 年，z e n g 等提出基于分 块o c t 的水印方法嘲，采用一个密钥随机地选择图像的一些子块，通过在频域的 中频部分改变一个三元组来嵌入二进制水印序列。之所以选择中频分量嵌入水印 时，是为了兼顾了水印不可见性和鲁棒性两个方面，并且根据人类视觉模型自适 应地进行水印嵌入。该算法不仅保持了良好的不可见性，而且对有损压缩和低通 滤波鲁棒性较好。b a r n i 等口1 、h s u 等陋1 、t a n g 等也在o c t 域做了很多有实际意 义的研究。d e e p ak u n d u r 等曲1 提出了基于小波变换的图像水印算法。它将图像和 要嵌入的水印信息分别进行小波分解，然后根据视觉特性进行数据融合。但是， 该方法在提取水印时需要载体图像。此后，在该方法的改进算法中通过对小波系 数进行特殊的量化以嵌入水印信息，从而具有盲检测性。为了克服水印对于几何 ( r s t ，r o t a t i o n ，s c a l e ，t r a n s l a t i o n ) 变换鲁棒性较弱的问题，0r u a n a i d h u u 等人提出了在水印算法中使用m e l l i n - f o u r i e r 变换，即利用坐标之间的变换来 实现r s t 不变的目的。该方法对几何变换具有很好的鲁棒性，但是计算量大。另 外，还利用分形、混沌、数学形态学、奇异值分解等嵌入水印，以及在压缩域嵌 入水印的方法。 上述的水印算法可以归纳为“第一代数字水印，到了1 9 9 9 年，k u t t e r 等n 羽 在“t o w a r d ss e c o n dg e n e r a t i o nw a t e r m a r k i n gs c h e m e ”一文中首次提出了“第 二代水印 的概念，并且提出具体例子来验证思想的正确性。第二代水印思想的 提出，突破了以往将水印嵌入到载体信号最不重要部分的思想桎梏，极大地推动 了水印研究的发展，从思路上为如何提高水印鲁棒性指出了方向，使数字水印的 研究进入了一个崭新的时代。数字图像是使用最广泛的水印载体，因此图像水印 硕士学位论文第一章绪论 的研究被誉为数字水印的“摇篮”。它蕴育了很多具有普遍意义的方法，为其他 载体形式的数字水印研究以及在实际中的应用奠定了坚实基础 数字水印所具有的研究意义和实际中的应用价值，使人们对它的关注和研究 也空前高涨，计算机、信号处理等各领域内的专家学者都纷纷参与到数字水印的 研究中来。国际上已先后于1 9 9 6 年在英国、1 9 9 8 年在波兰、1 9 9 9 年在德国、2 0 0 1 年在美国、2 0 0 2 年在荷兰、2 0 0 4 年在加拿大、2 0 0 5 年在西班牙、2 0 0 6 年在美国召 开t a 届信息隐藏学术会议n 3 1 ( i h w ，i n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ) ，第九届 会议也将于2 0 0 7 年在法国召开。s p i e 从1 9 9 9 年开始也开设了关于多媒体内容安全 和水印的专题讨论会。其中第三届国际信息隐藏学术研讨会，数字水印成为主旋 律，全部3 3 篇文章中有1 8 篇是关于数字水印的研究。从2 0 0 2 年至u 2 0 0 4 年国际数字 水印专题讨论会( i w d w ，i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po nd i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 在韩国连续三年召开了三届，第四届、第五届分别于2 0 0 5 年和2 0 0 6 年在意大利、 韩国召开，第六届也于2 0 0 7 年在我国召开。这些国际性水印讨论会，与会者越来 越多，会议涉及的水印研究范围也越来越广。另外，p r c e e d i n g so fi e e e 、i e e e t r a n s a c t i o n so ni m a g ep r o c e s s i n g 、i e e et r a n s a c t i o n s0 ns i g n a lp r o c e s s i n g 、 i e e et r a n s a c t i o n so ni n f o r m a t i o nt h e o r y 、i e e et r a n s a c t i o n so ni n f o r m a t i o n f o r e n s i c sa n ds e c u r i t y 等国际权威期刊都相继出版了关于多媒体信息隐藏、数 字水印专辑，重要的国际会议如i c a s s p 、i c i p 等也都分别设立了数字水印的专题。 在数字水印理论研究向前发展的同时，从事于数字水印系统开发和应用的公 司在全球各地相继出现。美国的d i g i m a r cc o r p o r a t i o n 推出了第一个商用数字 水印软件，后来又以插件形式将该软件集成到a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和 c o r e l d r a w 图像件中。英国的s i g n u mt e c h n o l o g i e s 公司从1 9 9 7 年就开始开发 s u r e s i g n 系列水印产品。瑞士的a l p v i s i o n 公司推出的l a v e l l t 年能够在任何 扫描的图片中隐藏若干字符，该公司的s a f e p a p e r 则是专为打印文档设计的安全 产品。另外，还有美国的k o r e ac o m p a n y 、法国的n e x t a m p 、韩国的m a r k a n yi n c 、 新加坡的d a t m a r kt e c h n o l o g i e sp t el t d 等都推出了各具特点的技术和产品。 在广阔的应用前景吸引下，全球著名的i t 企业如m i c r o s o f t 、i b m 、n e c 、p h i l i p 等都设立了自己的数字水印研发机构，并不断加强研发力量，各自拥有了很多水 印方面的专利，在这个崭新的领域中赢得先机。 此后音频水印、视频水印等各种载体的水印技术也随着图像水印技术的发展 而迅速发展。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内发展及研究现状 我国的数字水印的研究起步稍晚，但从一开始起就引起了信息安全领域研究 人员的普遍关注。近几年，主要以科研单位为主，国内也在开展视频水印方面的 研究。比较有代表性的单位有：信息安全国家重点实验室、哈尔滨工业大学计算 机网络与信息安全技术研究中心、中山大学信息安全技术研究所、中科院自动化 所的模式识别国家重点实验室、北京交通大学信息科学研究所和北京邮电大学信 息安全中心、天津大学图像信息中心、东北大学软件中心、清华大学、北方工业 大学等。为了加强国内科研人员之间的交流，何德全、周仲义、蔡吉人等三位院 士分别于1 9 9 9 年到2 0 0 7 年组织召开了六届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ，第八 届于0 8 年3 月在长沙湖南大学召开。 与这同时，国内，也已经出现了一些开发水印产品的公司，其中有代表性的 有：上海的阿须数码技术有限公司，该公司专门从事数字水印、多媒体网络安全、 防伪技术等软硬件开发，现已申请了一项国际和三项国家数字水印技术专利；北 京华旗数码影像技术研究院研发的新一代图像、文本数字水印技术成功地应用于 新华社图片版权保护系统和新华社的文稿保护系统。这些水印公司的创办标志着 数字水印技术在国内已经走上了实用化和商业化的道路。 此外，国内专业期刊上关于数字水印的学术文章从2 0 0 1 年开始迅速增加， 以“篇名”为检索项，分别以“图像水印 、“视频水印为检索词对“中国学术 期刊全文数据库 进行检索查询，分年度的论文篇数如表卜1 所示。 表1 - 1 中国学术期刊全文数据库查询结果 年份图像水印视频水印 2 0 0 0 年 1 5 ” 2 2 0 0 1 年 3 6 3 2 0 0 2 年 5 63 2 0 0 3 年1 0 01 2 2 0 0 4 年 1 1 71 9 2 0 0 5 年 1 7 5 2 l 2 0 0 6 年1 7 72 6 2 0 0 7 年 2 1 2 3 0 2 0 0 8 年 2 4 73 6 2 0 0 9 上半年 1 4 0 1 6 硕士学位论文 第一章绪论 文献检索统计表明，国内的数字水印技术主要是研究数字图像水印，对数字 视频水印研究相对较少，受关注的程度不及国外，研究的人员不多，研究的领域 不广，从理论和实际成果两方面来看，国内在数字视频水印方面的研究工作还处 于刚起步阶段。当然挑战和机遇同在，国家版协已明确表示：所有的知识产权保 护和安全认证问题不可能只依靠国外的力量，国际合作的同时，我们必须自主开 发。因此，无论从学术研究角度，还是从应用技术的角度，开展数字水印的研究 都将具有十分重要的意义。 1 3 主要研究内容 在学习调研典型非压缩域抗h 2 6 4 压缩的水印算法的基础上，寻找新的抗 h 2 6 4 压缩的视频水印方法，先提出一种根据视频压缩编码的g o p 结构的特性，通 过指定6 0 p 结构，再在i 帧中修改色度块系数来隐藏版权信息，实验结果表明在应 对反复压缩、加载噪声、裁切、帧删节、格式转换等多种攻击时表现出较强的鲁 棒性。在继续深入研究后，发现它在对抗h 2 6 4 的更高级别的压缩时出现提取缺 陷。在进行了分析后再提出一种基于图像光流场的视频水印算法，它根据视频图 像中各点的光流速度，选择视频载体帧，在这些载体帧中利用d c t 分块变换来嵌 入水印信息，实验表明该算法能有效的对抗h 2 6 4 的三种压缩模式。同时，实验 中对比了二种同类算法并进行了性能分析。 1 4 论文章节安排 本文分六个部分： 第一章绪论，介绍了选题的背景、数字水印的国内外研究现状以及主要研 究内容。 第二章数字视频水印概述，介绍了数字视频水印的基本概念、分类、特性、 难点及常见数字视频水印算法、检测标准与常见的检测方法。 第三章光流技术介绍，介绍光流技术的进展，光流算法的原理，及分类性， 重点介绍了本文相关的光流约束方程和算法。 第四章基于光流场的数字视频水印技术，提出一种基于i o f 和离散余弦变 换( d c t ) 的视频水印算法，它根据视频图像中各点的光流速度，计算出该帧图片 的总光流，再根据总光流的差值来选定视频关键帧后，利用d c t 分块变换来嵌入 水印信息。分章节论述了算法的原理、实现、试验结果，就几种常见的压缩模式 硕士学位论文 第一章绪论 和h 2 6 4 三种模式与其它算法进行了性能分析。 第五章一种抗h 2 6 4 压缩的数字视频水印新法，提出了一种在压缩时编码 时指定i 帧，再在i 帧中修改较大色度块d c 系数来隐藏版权信息的视频水印算 法提出了一种压缩域抗h 2 6 4 压缩的数字视频水印方法，同样分章节论述了算法 的总体设计方案及具体实现步骤，在基本的压缩攻击和常规攻击方法来分析试验 结果与性能。 最后，对论文工作进行了总结，就存在的问题进行了说明，就未来的努力方 向进行了展望。 硕士学位论文 第二章数学视频水印综述 2 1 引言 第二章数字视频水印综述 随着网络的快速发展，数字图像、音频、视频等多媒体产品在网络的应用日 益广泛，任意复制、修改、传播和损毁都将产生对数字产品知识产权的侵害。数 字水印作为一种新的技术在版权保护、盗版跟踪、拷贝保护、产品认证等方面发 挥着重要的作用。对数字产品采取数字水印处理技术已经成为近年来研究的热点 领域之一。 视频水印就是加载在数字视频上的数字水印，它是数学水印的重要分支之 一，数字视频水印的研究既是当前数字水印技术研究方向中的一个热点，也是一 个难点。理论中静止图像水印的相关技术，可以移植到视频水印中来，但由于视 频序列本身具有一些固有的特点，例如，数据量大，像素域冗余信息多、运动区 域与非运动区域分布的不平衡等，使得视频水印处理技术有了许多方面和角度的 发展，许多科技工作者在这些方面进行了大量的研究工作。本章从数学水印技术 开始，对视频水印技术进行简要概述。 2 2 水印系统的基本构成 一个完整的水印系统应包括水印的生成、嵌入和提取检测三部分。 2 2 1 水印的生成 水印信号的产生通常基于伪随机数发生器或混沌系统，产生的水印信号w 往 往需要进一步的变换以适应水印嵌入算法。为了分析方便，可以把算子g 分解为 算法r 和算法t 两个部分： g = t r 只j 置一i v , z ，x j 卜- w ( 2 - 1 ) 子算法r 输出原始水印w w ，该原始水印只由密钥k k 产生。当r 基于伪随机 数发生器时，密钥k 直接映射为伪随机数发生器的种子。当r 基于混沌系统时，密 钥集由许多初始条件的适当变换而产生。这两种方法所产生的密钥集足够大并且 满足密钥唯一性条件，而且由r 产生的水印是有效的水印。此外，r 是不可逆的。 子算法t 对原始水印进行修改以获得最后的依赖于产品的水印w 。t 应满足： 硕士学位论文 第二章数学视频水印综述 致形，x o ) - 致w ，j 0 ) 丝致矿，x )( 2 - 2 ) 这里x o 表示原始产品，而x w 表示嵌入水印的产品，并且x w = m ( x w ) ，x w c , o x w ， m 表示多媒体数据处理操作算法。在这里需要指出的是原始水印信号也可以预先 指定，而在嵌入水印前对该水印信号可以做适当的变换或者不变换，密钥可以在 水印嵌入过程中产生。 2 2 2 水印的嵌入 水印嵌入过程如图2 1 所示，图中虚框部分表示在嵌入水印信号时不是必须 的。 图2 1 水印嵌入框图 水印嵌入就是把水印信号w = w ( k ) ) 嵌入到原始产品x o = x o ( k ) ) 中，一般的水 印嵌入规则可描述为： x w ( k ) = x o ( k ) oh i ：p w ( d( 2 - 3 ) 其中。为某种叠加操作，也可能包括的截断操作或量化操作；h = h ( k ) 为水 印嵌入掩码。 嵌入水印较常用的方法有加法准则、乘法准则： 内= 内+ 口w 内( 加法准则) 内= 例口+ 口w f j i 渺( 乘法准则)( 2 - 4 ) 其中：x 既可以是原始视频信号的幅值( 时域) ，也可以是某种变换的系数值 ( 变换域) ；参数q 可随采样数据的不同而不同。 2 2 3 水印的提取与检测 水印的提取和检测可以作用于任何产品，提取和检测时可以需要原始产品的 参与，也可不需要原始产品的参与。若将水印技术用于产品的网络发布和传播时， 在检测使用原始产品则是个缺陷，因此当前大多数的水印提取、检测算法不需要 原始产品的参与。 ( 1 ) 水印的提取 在某些水印系统中，水印可以被精确地提取，这一过程被称为水印提取。例 硕士学位论文第二章数学视频水印综述 如在完整性确认应用中，必须能够精确地提取出嵌入的水印，并且通过水印的完 整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取的水印发生了部分变化，最好还能够 通过发生变化的水印位置来确定原始数据被篡改的位置。图2 2 是水印提取框图， 图2 - 2 水印提取框图 ( 2 ) 水印的检测 对于主要用于版权保护的稳健水印，因为它很可能遭受到各种恶意攻击，嵌 入水印的数据经历这些操作后，提取的水印通常已面目全非。这时，可采用水印 检测来判断水印的存在。图2 - 3 是水印检测框图，图中虚框部分表示在提取水印 信号时不是必须的。 i霎篡| i 密钥i嚣誓銮i 一- 广- - - 一- 一。r 。 i 图2 - 3 水印检测框图 水印检测的第一步是用算子g 产生水印，第二步是使用算子d 进行检测。 2 4 视频水印的模型 目前，视频水印的研究逐步受到了广泛的重视。通过分析现有的视频水印算 法，可以按其嵌入和( 或) 提取的过程( 如图2 4 ) ，划分为以下三种典型的方案： t l视频 l 编码器 l t 压缩码流 水印嵌入水印嵌入水印提取水印提取水印提取 方案二方案三方案三方案二方案一 图2 - 4 典型的视频水印的嵌入与提取方案图 硕士学位论文第二章数学视频水印综述 方案一：原始视频水印( r a w - v i d e ow a t e r m a r k i n g ) 方案。 此类方案将水印信息直接嵌入到原始图像码流中，形成含水印的原始视频信 息，然后进行各类视频编码，这类方案可以充分利用多种用于静止图像的数字水 印技术和策略，同时不影响现用的各类编解码的使用。但水印的信息的引入势必 导致整体码流信息的增加，而经过各类编解码处理以及水印信息再编码后，可能 会造成部分水印信息的丢失，因此此类方案优点是：水印嵌入的方法多，算法成 熟；有鲁棒性水印和脆弱性水印等；可用于多种应用领域。缺点是：通常会因为 水印信息的嵌入而增加视频码流的数据比特率；有损压缩后易于丢失水印信息； 通常会因为水印信息的嵌入显著降低视频的视觉质量；对于已压缩的视频，需要 先进行解码，然后嵌入水印后再重新编码，算法运算量大，效率低，防攻击能力 差。 方案二：视频编码水印方案( c o d i n gv i d e ow a t e r m a r k i n g ) 。 在视频编码的过程中嵌入水印，通常是通过结合人类视觉特性，修改编码阶 段的中获得的d c t 系数( 通常为量化后的d c t 系数) 或运动矢量。本方案因为是在 编码的过程中嵌入水印，适用于可以直接介入视频编码过程的情况，编写自己的 编解码器，因而其优点是：它不会增加最终的视频流数据比特率；有自适应的机 制：有较强的抗攻击能力。但是它的缺点也是显而易见的：别人要理解它的编码 工作原理，增加了引入水印算法的局限性；这种解码、再编码和嵌入的过程，是 有损的，同样会降低视频的视觉质量；可能在反复的过程中存在误差积界。 方案三：压缩域视频水印( c o m p r e s s e d d o m a i nv i d e ow a t e r m a r k i n g ) ， 又称为二进制码流视频水印( b i t s t r e a mw a t e r m a r k i n g ) 。它直接把水印信 息嵌入到各类压缩后的视频码流，适用于不能直接进入视频编码的过程的应用 中，通常利用修改视频流的语法元素。显然，此类方案的显著优点是：不再需要 完全解码和重新编码的过程，对视频信号和质量造成的影响小；不再需要完全解 码和重新编码的过程，提高了嵌入和提出的效率。此类方法的缺点是：视频进行 压缩编码后，可供水印嵌入的容量大幅度减少；可能对运动补偿的过程造成负作 用：对算法的条件要求高，必须熟悉视频流的语法。 硕士学位论文第二章数学视频水印综述 2 5 视频水印的特殊性和难点 2 5 1 特殊性 视频序列是由一系列连续和等时空距离的静止图像构成。因而将图像水印的 基本原理应用于视频序列是水印算法的一个自然推广。事实上，视频水印算法也 是从数字图像水印的研究发展起来的。但是，视频的相邻帧之间具有很强的相关 性，在进行水印算法的设计与研究时必须考虑到这一点。另外，视频的数据量大， 而在实时视频应用时，例如流媒体等，对视频水印的实时性有较高的要求。计算 的复杂度需要放在突出的位置来来考虑。此外，视频作为静止图像的序列这一事 实增加了一些额外的攻击方法，如帧平均、帧裁减、帧交换等，这些操作对于普 通的播放频率为2 5 - 3 0 h z 的视频信号，一般不会引起人们的注意，但却常常可以 破坏已经嵌入的水印。一个好的水印算法，应该能够抵御这种攻击。因此，视频 水印除了具备一般数字水印的基本性质，还有一些自已的特性n 4 。1 7 1 ： ( 一) 密钥的唯一性 即不同的密钥不应产生等同的水印。 ( 二) 盲检测性 即视频水印的提取或检测原则上不允许使用原始数据。 ( 三) 低虚警率 虚警是指当检测的视频实际上没有水印，而检测性却从中检测出水印。较低 的虚警率对于作为版权保护的数字水印系统非常重要。 ( 四) 检测的可靠性 水印检测出错的概率应小于某一合适门限值。这一特性描述了水印检测算法 必须具有一定的确信度。 ( 五) 实时性和随机检测性 实际应用中要求可以在视频的任何位置、在短时间内检测出水印。水印算法 应有较低的运算复杂度，以满足实时应用的要求。 ( 六) 隐蔽性 嵌入水印后的视频与原始视频相比，视觉上应感觉不到差别。嵌入水印后的 视频不应该包括人们可以感觉到的失真而造成原始视频质量下降，这是一个具有 主观性的属性，因而目前没有一个定量的标准来衡量。 ( 七) 鲁棒性 硕士学位论文第二章数学视频水印综述 所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保 持完整性或仍能被准确鉴别。嵌入水印后的视频经受对视频一些的处理，以及一 些蓄意的攻击譬如帧平均、帧裁减、帧交换后，应该还能得到嵌入的水印。 ( 八) 视频速率的恒定性 嵌入水印后不能明显改变视频流的码率，这是因为视频在传输时必须服从传 输信道的带宽限制，同时还有可能造成视频图像和声音的不同步，降低视频的质 量。视频码率的改变也易于被发现。 ( 九) 与视频编码标准相结合 由于视频数据量巨大，在存储、传播中通常先对其进行压缩编码，常用的视 频压缩标准有m p e g - 1 2 ，h 2 6 x 等。显然，如果水印算法能够与此类压缩标准相 结合，并在压缩域进行水印的嵌入与提取，将显著提高水印算法的嵌入和提取效 率。相反，如果水印直接嵌入原始视频当中，后续的编码过程易于将水印当成冗 余数据去除掉，从而受影响的不仅仅是算法效率，还包括水印的鲁棒性。 2 5 2 难点 由上述的视频水印的特殊性可见，视频水印与图像水印相比，尽管视频水印 的基本概念上有诸多的相似之处，但是视频水印对性能具有更高的要求，视频水 印在嵌入和提取将面临如下几点难点： 1 、运算复杂度 复杂的图像水印算法不一定对视频算法适用。因为视频数据量很大，而且有 些应用有实时性要求，所以水印的嵌入、提取过程时间不能太长。另一方面，视 频编解码过程比较复杂，如果水印算法考虑太多视频信号的特点而对视频全部解 码，过程太复杂，而且算法复杂度高不一定效果就好。 2 、嵌入的信息量 虽然相对于静止图像来说，视频中能用于嵌入水印的信息量要大得多，但考 虑到水印的稳健性和不可见性，实际嵌入的水印信息量要受到很多限制。对水印 嵌入方案一来说，由于要考虑视频压缩中的信息损失，嵌入水印往往用冗余嵌入 的方式来提高水印的鲁棒性，而且要选取那些对视频压缩有一定抵抗力的部分数 据做载体，因此限制了水印信息量：对方案二，m p e g 编码器要对d c t 系数进行量 化编码，d c t 系数经量化后部分为零，从而限制了嵌入的水印信息量；对于方案 三，视频压缩比特率的限制本身就限制了嵌入的水印信息量。 3 、抗攻击问题 1 3 硕士学位论文第二章数学视频水印综述 视频数字水印不但可能会遭受到滤波、格式转换、图像剪切等图像攻击，还 可能会到帧剪切、帧重组、视频重编码等视频特有的攻击方式的攻击。如果对未 压缩视频嵌入水印，还必须