（电路与系统专业论文）基于ucl的视频数字水印嵌入技术研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 视频资源的物理属性决定其在互联网中占据着巨大的存储空间和传输带 宽，特别是w e b 2 0 技术的诞生，让视频资源弥漫在网络的每个角落。针对 格式未统一或标签缺省的进行语义搜索，变得异常艰难。随着视频资源与同 俱增，这种现象将愈发严重。论文构建了基于u c l ( u n i f o r mc o n t e n tl o c a t e r ， u c l ) 的视频语义模型，利用视频数字水印技术实现语义信息和载体信号的一 体传输和存储。针对视频语义信息的属性和u c l 语义模型的特点，提出了基 于场景分割的双重语义水印算法。 通过d c t 变换计算视频序列相邻帧间，在空间和时间上的相似性，实现 场景的分割与选择。结合局部纹理复杂度、背景亮度和场景复杂度，针对同 一场景中非i 帧图像，采用基于d c t 变换域的原始视频水印方案嵌入相同的 内容语义信息。在j m l 0 2 参考模型的基础上，利用场景分割算法对j m i o 2 中最佳参考帧的选择算法进行移植与优化。针对同一场景的i 帧图像，采用 基于压缩域的d c t 变换系数携带相同的控制语义信息或物理属性信息。 论文的算法在j m l 0 2 参考模型的基础上利用v s 2 0 0 8 开发环境完成了代 码实现，包括：视频序列的编解码、水印信息的嵌入和模拟视频水印的各种 攻击，然后由m a t l a b r 2 0 1 0 b 对原始视频序列和含水印的视频序列进行数据统 计，最后根据数字水印的性能指标对算法进行性能评估。实验表明，由于同 一场景嵌入相同的水印信息，使算法的鲁棒性得以显著提高，在确保鲁棒性 的前提下，基于原始域的视频水印算法实现了大量语义信息的传输，在确保 水印容量的前提下，基于压缩域的视频水印算法进一步提高了算法的鲁棒性。 关键词：视频数字水印场景分割双重语义水印d c t 系数 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ev i d e oa t t r i b u t e ，i tn e e d s t h el a r g e s t o r a g e a n d w i d e t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t ho nt h ei n t e r n e t e s p e c i a l l y , w i t h t h ed e v e l o p m e n to f w e b 2 0t e c h n i q u e ，t h ev i d e or e s o u r c e sa r eb e i n gd i s t r i b u t e di ne v e r yc o r n e ro f t h en e t w o r ka n di tb e c o m e sm o r ed i f f i c u l tt os e a r c hv i d e or e s o u r c e sw i t h o u t u n i f o r mf o r m a t t h i sp h e n o m e n o nw i l lb ee v e nw o r s ea sv i d e o r e s o u r c e sl n c r e a s e t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sam o d e lo fv i d e os e m a n t i cb a s e do nu c l ，w h i c h m a k e sf u l lu s eo fv i d e od i g i t a lw a t e r m a r k i n gt oc o m b i n es e m a n t i ci n f o r m a t i o n a n dv i d e 0r e s o u r c e s o nt h eb a s i so ft h ei n d e x e di n f o r m a t i o no f v i d e or e s o u r c e s ， t h ew o r ki sm a i n l yf o c u s e do nc r e a t i n gad u a ls e m a t i ca l g o r i t h mo f v i d e od i g i t a l w a t e r m a r k i n gb a s e do ns c e n es e g m e n t a t i o n o r i g i n a lv i d e os e q u e n c e s i ss e g m e n t e di n t om a n ys c e n e sb yt h es i m i l a r i t i e s o fa d ja c e n tf l a m e si nb o t hs p a t i a la n dt e m p o r a ld o m a i n s ，a n d t h e nt h et a r g e t s c e n ei ss e l e c t e db yt e x t u r ec o m p l i c a t i o n ，b a c k g r o u n db r i g h t n e s s a n ds c e n e c o m p l e x i t v f o rpf l a m e so fv i d e os c e n e ，t h es a m ei n f o r m a t i o ni s e m b e d d e db y a no r ig i n a lv i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m eb a s e do nd c td o m a i n t h e n ，t h eb e s t r e f e r e n c ef l a m es e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nj m l 0 2i sp o r t e da n do p t i m i z e db y s c e n es e g m e n t a t i o n f o rif l a m e so fo n ev i d e os c e n e ，t h es a m ei n t b r m a t i o n 1 s e m b e d d e di n t od c tc o e f f i c i e n t sb ya c o m p r e s s i o nd o m a i nv i d e ow a t e r m a r k i n g s c h e m e d e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h i sa l g o r i t h mb a e s dj m l 0 2i si m p l e m e n t e di n v s 2 0 0 8a n dp e r f o r m a n c e ss u c ha si m p e r c e p t i b i l i t y ，s e c u r i t y , a n dt h er o b u s t n e s s i se v a l u a t e di nm a t l a b r 2 0 1 0 b s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to nt h ep r e m i s eo f t h e r o b u s t n e s s ，o r i g i n a lv i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m eb a s e do nd c t d o m a i nh a sab l g w a t e r m a r kc a p a c i t y ；o nt h ep r e m i s eo fw a t e r m a r kc a p a c i t y ，t h ec o m p r e s s l o n d o m a i nv i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m eh a sab e t t e rr o b u s t n e s s i t a l s oh a sg o o d i m p e r c e p t i b i l i t ya n dh i g hs 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 ；s c e n es e g m e n t a t i o n ；d u a ls e m a n t i c w a t e r m a r k i n g ；d c tc o e f f i c i e n t s 一 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1课题研究背景 随着因特网的日益普及和视频压缩技术的飞速发展，广播网、互连网、 电信网等新兴的网络服务供应商，和机顶盒、计算机、手机等多媒体终端， 极大地拓展了数字产品的传输及应用范围。然而，多媒体作品内容的易复制、 易分发、难控制、难管理等特性，使信息网络快速、随意、批量、无损的传 播数字产品的现象普遍存在。对多媒体作品的版权、内容的安全性和用户终 端的查询与管理都是一个极大的挑战。 为了解决多媒体作品的版权问题，最初采用密码技术对多媒体作品内容 进行加密传输，但加密只能在传输过程中保护数字产品的安全，终端的解密 使内容彻底的暴露而失去保护。上世纪九十年代出现的数字水印技术，一定 程度上弥补了信息密码学方案的不足，它开拓了一种新的思路以解决数字产 品版权的保护。数字水印技术将产品本体作为传输载体，以携带版权或秘密 信息，如版权所有者身份认证信息、内容真实完整性的鉴别信息等。水印信 息以内嵌的方式与数字产品实现一体传输与存储，因此在众多无意或恶意攻 击下，水印信息仍然可以无损的实现重构。 近年来由于信息的非物质特性n ，总量正变得越来越庞大。而网络信息 中，视频信息占用空问最多，在传输、处理、存储中占有更庞大资源1 ，其 冗余性也给网络带来巨大的负担。尤其是近年来高清数字电视的急速发展， 此时视频数字水印技术责无旁贷的承担起产品版权保护和内容管理的重任。 近期，视频数字水印技术研究的进展出现一定的滞后，主要是由于现有的视 频编码标准一定程度上约束了水印算法的设计，以及针对水印特有的攻击( 如 帧重组、帧插入和帧删减等) 增加了水印算法的复杂度。然而，视频数字水印 在实际应用中常有实时性的需求，相对静止的图像水印，视频数字水印又要 满足更低计算复杂度的要求。 1 2国内外研究现状 数据隐藏技术诞生于9 0 年代初期，但其分支视频数字水印技术的相关研 究就比较晚。从k m a t s u i t ，】等人提出视频隐写术的概念到19 9 6 年f r a n k h a r t u n g i n 】等人在视频原始域和压缩域中根据扩频原理嵌入版权信息，已提出 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 了多种水印方案。目前视频数字水印技术及其相关研究已经取得了一定的成 果，但相对静止图像的水印技术，严格而未统一的视频编码标准和极低计算 复杂度的性能需求，使视频水印技术的相关工作及其成果显得相对比较薄弱。 鉴于视频数字水印广泛的应用前景和在经济、技术上的重要性，全球众 多政府机构和研究部门对此技术的研究都给予支持，其中不乏像美国财政部、 美国版权工作组和欧洲广播联盟等政府部门，也有像美国海陆空军研究实验 室、美国洛斯阿莫思国家实验室和德国国家信息技术研究中心等国际著名研 究中心，像普渡大学、南加利福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、 飞利浦、微软和朗讯贝尔实验室等全球知名研究机构也对此展开了深入研究。 早期的视频水印技术主用于d v d 版权保护和v o d ( v i d e oo nd e m a n d ，v o d ) 视频点播系统的管理，它因广阔的应用前景而倍受青睐。全球著名科研机构 的学者对此高度重视，如普林斯顿n e c 研究机构的i n g e m a rj c o x 嵋“，德国 爱立信研究小组的f r a n kh a r t u n g 【一1 ，i b mt j 研究中心的林清泳伸，t e x a sa & m u n i v e r s i t y 的d e e p ak u n d u r ，美国p u r d u eu n i v e r s i t y 的r a y m o n db w o l f g a n g t 川，还有m i t ，i n t e l 公司等许多学者和科研工作人员都在这一领域 取得了不错的成果。由i b m ，h i t a c h i ，n e c ，p i o n e e r 和s o n y 五家公司组成 的g a l a x y 团体己经在d v d 产权保护问题上达成协议，制定了一个安全标准。 国内也有诸多研究机构和大学正在从事着信息隐藏和数字水印的相关研 究，目前主要有中科院计算机所和自动化所、哈尔滨工业大学、中山大学 - 、天津大学，和中国科学技术大学等研究院和高校。但针对视频数字水印 技术的相关研究仍处于初步阶段，在深度和广度上还远远不够，更未有成熟 的技术或产品问世。目前国内外只是针对视频产品版权保护展开一系列研究， 对视频内容管理方面多年来形成一片默认的禁区。自从国际电联( i t u t ) 和i s o 于2 0 0 3 年联合推出了最新视频编码技术h 2 6 4 ，就再次旋起视频数字 水印的研究狂潮。他志在于整个视频应用领域，如低码率的无线应用、标清 或高清广播电视应用、i n t e r n e t 视频流应用，高清d v d 视频流的传输应用等， 但最大亮点无疑是更高的数据压缩比。在同等图像质量的前提下，h 2 6 4 的 数据压缩比是h 2 6 3 的3 倍，是m p e g 4 的2 5 倍。近年来视频数字水印的 应用范围主要是包括内容认证、广播监视、数字指纹、拷贝控制、隐蔽通信 等，但在基于视频语义计算的内容管理方面，目前的研究相对较少。 数字水印在视频内容的管理方面，实现起来极其复杂。如e t s i 等3 0 0 多家工业组织，制定了使用e p g ( e l e c t r o n i cp r o g r a m m eg u i d e ) 1 来进行数字视 频广播栏目管理的国际标准，为数字视频创建一组特有的t a b l e ，供管理人员 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 填充节目的信息，并使用独立的t s 流进行传输。特别是w e b 2 0 技术的成熟 发展，将用户从被动的网页浏览者变成主动的网页制造者，使视频数据的来 源变得不可测，视频的基本属性更难以挖掘，造成无功流传输等一系列难题。 文献1 5 提出了分布式视频数据w e b 服务集成方法，文献1 4 用m p e g 7 规范 结合x m l 标准来描述“走遍美国”视频中的各个对象的语义，但实用性不 高，文献1 6 针对体育视频提出了基于感知和有限状态的方式，建立体育语义 内容分析模型，文献1 7 针对w e b 新闻，采用自动语音识别( a u t o m a t i cs p e e c h r e c o g n i t i o n ，a s r ) 技术来增强语义描述的准确度。类似的研究还有根据语义 的分层性( 及知识本体的分类特性) 进行语义分层描述，如文献1 8 采用多层 方式建立的开放式视频管理框架，与e p g 方式有相同之处，就是视频数据 和语义数据进行单独传输和存储。 综上，数字视频内容管理的难题主要包括以下三个方面：一是无内容语 义描述集导致内容重复冗余度高，二是无传输控制语义集导致视频传播管控 难度加大，三是无安全语义集造成源端回溯不可信，消费许可认证变差。文 献1 9 提出一种适用于广播安全监视的视频数字水印方案，由版权标识和生成 的散列值形成水印信息，以确保视频资源的安全性和水印信息的鲁棒性，但 输出端只检查水印的存在与否，完成视频片段认证，在无法获得水印原始信 息的条件下，就难以达到对视频内容的智能管理。同时，由于视频资源在网 上仍然使用统一资源定位符( u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ，u r l ) 标识其引用， 导致同一内容因无强制语义计算而得以重复发布。因此，针对以上诸多问题， 论文充分利用u c l 标引技术和视频数字水印技术，实现视频语义信息以水印 的形式与视频数据流一体传输与存储。这样在任意时间和地点都可以快速恢 复出完整的语义信息，以方便终端进行视频资源的智能管理。 1 3课题来源 论文来源于国家自然科学基金：新一代广播网的语义计算与内容管理机 制研究( 项目编号：6 0 9 0 2 0 2 1 ) ，国家自然科学基金重点项目：非对称广域覆 盖信息共享网络理论与关键技术( 项目编号：6 0 9 3 2 0 0 5 ) 1 4课题目的及其意义 目前互联网的绝对自由化，出现了信息资源“供大于求”的现象，特别 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 是w e b 2 0 技术的诞生让网络资源弥漫在每个角落，针对格式未统一或标签 缺省的语义搜索，变的异常艰难，造成这种混乱局面的主要原因就是无标签 ( i d e n t i t y ，i d ) 的目标信息迷失在浩瀚的信息海洋，无法准确定位。然而，视频 资源的物理属性决定其在互联网中占据着巨大的存储空间和传输带宽，且视 频语义的挖掘要明显难于其他网络资源，使其困境显的异常突出。因此，数 字视频在源端完成内容标引是内容管理的前提，也是后期实现内容识别、管 理、以及版权保护的重要保障。 论文前期针对中国大陆地区i n t e r n e t 的物理特征，如网络节点的拓扑结 构、主流网站( 如百度、新浪、腾讯) 的搜索半径等，展开测量心“。实验表 明最短路径的路由策略加剧了无标签网络资源的定位难度，由于每个网络资 源以群体的形式聚集于网站，而众多网站以路由节点的形式遍布在全国各地， 甚至部分网站又有多个服务器以独立路由节点的形式分布在不同区域，从而 使针对无i d 的网络资源进行识别、搜索、管理，变的异常艰难。因此，论 文提出的基于u c l 的视频语义模型在视频资源管理中发挥着重要作用。 课题组针对u c l 技术展开了近十年的研究| 2 ”，并对网络资源的语义理 解与计算取得了一定的成果。论文采用语义标引技术、语义理解技术和视频 数字水印技术在数据流中嵌入语义信息，即基于u c l 的视频数字水印嵌入技 术，实现视频语义信息与视频数据流一体传输与存储，方便终端通过语义计 算进行智能管理。与此同时，三网融合针对用户终端双向个性化互动中亟待 解决的广播视频内容分级管理问题，可采用语义标引技术和智能计算的原则 来实现播送许可、传输许可和播放许可等应用。 1 5 论文主要研究内容和结构 论文从视频语义角度出发，针对数字视频流的特点和可管可控的性能需 求，拟构建易于管理的视频内容u c l 语义标引模型和视频数字水印嵌入系 统。充分结合视频内容的语义理解和低能高效的视频数字水印嵌入技术，使 视频数据流实现真正的可观、可控和可信。主要研究内容包括两部分： f 1 ) 视频数据的u c l 语义标引模型 研究视频语义在u c l 模型下的组成及结构。因为不同的应用有不同的语 义要求，如针对视频检索，有根据节目提出的语义要求，有根据栏目提出的 语义要求；针对网络可控，有对发布者、接收者、节目分级等方面的语义要 求。这些多样的语义需求，就要求相对普适韵语义活动模型，以实现内容识 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 别、选择、以及业务监管的功能。 ( 2 ) 视频语义信息的嵌入研究 研究内容( 1 ) 构建的语义活动模型针对特定视频格式进行标引，即u c l 标引。论文采用视频数字水印技术在整个视频序列中按场景进行不同语义信 息的嵌入，而不是像数字版权加密保护技术( d i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ，d r m ) 只针对视频头文件进行加密。针对特定视频格式需研究对应的水印嵌入技术， 确保语义安全性和视频数据的一体传输，同时需要研究特定视频编码格式下 水印嵌入点的选择，充分考虑视频数字水印的不可见性、鲁棒性、时效性等 需求。根据目前主流视频编码，论文选择基于h 2 6 4 的视频数据进行研究。 根据研究内容可将论文分为五个章节，每个章节的主要内容如下： 第一章绪论部分主要分析课题研究的背景和意义，并概述了视频内容管 理的研究现状、研究重点及论文的可行性和必要性。绪论中还介绍了课题的 来源，并总结了论文的主要内容。 第二章分析视频数字水印技术的特征及应用背景，回顾了视频数字水印 的发展历史，并介绍了h 2 6 4 视频编码标准的基本理论和编解码框架。重点 讨论视频数字水印的典型算法和h 2 6 4 的编码技术。 第三章介绍视频数字水印系统的基本框架，针对框架的流程深入研究视 频数字水印相关技术，如u c l 语义标引、扩频处理、a r n o l d 变换等视频序 列预处理技术和视频编解码中整数d c t 变换、量化、熵编码等关键技术。 第四章作为论文研究的主要部分，根据原始域和压缩域视频数字水印的 优缺点，提出了基于场景分割的双重语义水印算法。重点在于场景分割与选 择算法和水印嵌入算法的设计，针对双重语义的水印信息，采用相同的嵌入 方法在不同的嵌入点( 原始域与压缩域) 完成水印信息的嵌入和提取。 第五章作为论文的编码实现和算法仿真部分，首先分析了j m l 0 2 参考 模型的核心编码流程，并在此基础上利用v s 2 0 0 8 开发环境完成了最佳参考 帧选择算法的移植与优化，主要是完成视频序列的编解码、水印信息的嵌入 和模拟视频水印的各种攻击等相关工作；然后针对视频数字水印的性能指标， 如：不可见性、鲁棒性、实时性等，由m a t l a b r 2 0 1 0 b 完成对原始视频序列和 含有水印的视频序列数据特征的统计与性能评估。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2 视频数字水印技术相关理论 2 1 世纪以来，i n t e r n e t 网络技术和数字多媒体技术的飞速发展给人们的 工作和日常生活带来巨大便利，其中视频数字媒体技术将文字、图片和声音 通过时间序列融合为一体，形成内容丰富的动态图像，在网络信息的传输与 存储上发挥着无可替代的作用。然而，由于视频数字信息方便编辑与集成、 不失真的重复拷贝、长距离的无损传输等众多优势，在巨大的市场需求下催 生了大量的视频垃圾信息。原著视频版权的侵犯、内容的安全威胁、管理的 异常艰难等极具挑战性的问题促使视频数字水印应运而生。 视频数字水印是一种镶嵌在视频媒体信号中的数字信息，作为载体的原 始媒体在不影响其安全性( 可使用或修复后可使用) 的前提下具有较高的可 修复性和可识别性。它充分利用媒体信号和水印信息一体传输与存储的优势， 在版权保护、密文通信、内容安全认证、内容管理和语义计算等方面发挥着 重要作用。迫切的市场需求使它成为近期学术研究的热点，同时，繁琐且复 杂的技术问题也使它成为一个难点。近期关于图像水印技术的研究得到空前 发展，这得益于成熟的视觉空间掩蔽效应等相关成果与技术，然而，针对视 频数字水印技术的研究却不经如人意。大量消费类数字音视频产品的问世， 如高清d v d 、流媒体，以及大量视频媒体在网络和可移动设备上的广泛应用， 似乎再次旋起视频数字水印相关研究的又一个热潮。 2 1视频数字水印技术 2 1 1视频水印基本原理 视频数字水印技术作为一种新的信息管理技术，与传统的密文隐藏技术 不同。后者是对原始数据加密，加密之后数据无法正常使用，解密之后数据 又不受保护。而前者将水印信息与载体信号紧密的结合起来，能隐藏密文信 息的“存在”，一旦数字水印被嵌入载体，将一直保持着存在，即使载体信号 中的部分数据遭受攻击或篡改，水印信息仍能实现正常重构。 一个完整的数字水印系统主要由三部分组成：水印生成、水印嵌入和水 印的提取或者检测。其中，水印嵌入是利用密钥水印嵌入算法将水印信息嵌 入到原始载体信号，得到含水印的载体信号；水印检测或提取则根据相应的 密钥从载体信号中检测或恢复出水印信息。如图2 1 香农通信模型下盲水印 检测的通用水印系统。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 输入 信号 噪声 输出 信号 水印密钥载体信号水印密钥 图2 1基于通信模型的通用水印系统( f r o m 证明) f i g 2 1 g e n e r a if r a m e w o r ko fd i g i t a ia u d i ow a r e r m a r k in g 图2 - 1 中输入信号掰为水印信号，c o 为载体信号，如原始视频信号， 水印编码器根据水印密钥将水印信息m 编码得到加密水印信号w a ，通过载 体信号c o 进行传输，形成含有水印的数据流c w 。信号在传输信道中受到主 动或被动的噪声n 干扰，形成含噪声的数据流c w n 。在本模型中产生干扰噪 声和传输信道并非一定是通信信道，也可能是媒体文件迁移、转换、编辑、 压缩解压缩等处理过程带来的噪音。图右半部分是水印检测器，水印解码器 判断密钥水印是否存在，通过水印是否存在来决定输出信息m n 。该系统通 常只输出水印存在与否，不进行水印信息的提取输出，主要应用于版权保护。 因此，一个完整的视频数字水印不仅具备鲁棒性、安全性、确定性等，还要 面临不可见性、实时性、盲检测性、随机检测性等更严格的要求。 2 1 2视频水印的特征 视频是由一组相互独立的数字图像按一定的时间序列聚集而成，因此视 频水印同时具有图像数字水印与视频媒体的特征。 ( 1 ) 安全性 水印安全性是指含水印的载体遭恶意攻击或截获时，即使得到具体水印 嵌入算法，也无法恢复出原始水印信息。为了防止不法分子利用已有算法对 水印信息进行攻击，就要使用密钥对水印的嵌入和提取进行加密和解密操作。 通常水印嵌入算法与加密方法结合，如a r n o l d 置换，利用密钥自适应的选择 嵌入点，这是密码学中著名的k e r c h o f f 准则。 ( 2 ) 鲁棒性 水印鲁棒性指当嵌入水印后的载体遭受外界主动或非主动攻击后恢复原 始水印的能力。非主动攻击主要包括噪声攻击、无意的信号处理和几何变换； 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 主动攻击通常指s t i r m a r k 、马赛克攻击、统计平均、重嵌入水印，以及帧增 删、帧平均、帧重组和共谋攻击。 ( 3 ) 确定性 确定性指能够为载体信号的版权归属问题提供完全、可靠、准确的证明， 进而保护原始数字媒体文件的版权。受到保护的数字媒体文件应具有可靠且 唯一能确定其真伪或归属的证据，该证据具有法律约束力，可作为呈堂证供。 ( 4 ) 不可见性 不可见性指水印信息嵌入载体后不影响原始载体信号的使用价值，即人 眼主观上不能感知出原始载体信号的变化。除特殊的可见水印外，如电视台 标等，数字水印一般都是不可见的。不可见性既保护了数字媒体文件的合法 权益，又不易引起攻击者的注意，进一步降低水印信息受到攻击的几率。 ( 5 ) 实时性 通常情况下，针对静止图像的水印嵌入或提取，消耗几秒甚至更长的时 间都是可以接受的，但对于运动视频图像，解码端的帧率必须保证一定阈值 ( 通常为2 5 帧每秒) 才不会影响视频质量。因此，视频水印嵌入或提取算法的 时间复杂度不能太高，以确保视频编解码的实时性。 ( 6 ) 盲检测性 需要原始宿主信息的协助才能完成水印的检测，称为非盲检测技术。原 则上水印检测是不能使用原始宿主信息，那样会大大增加运算的复杂度，使 水印算法无法满足实时需求，另外原始宿主信息数据量较大，进行物理存储 需要占用大量的存储空间。 ( 7 ) 随机检测性 随机检测性指较短时间内，在含水印的载体信号的任意位置可检测出水 印信息。用户不可能按视频播放顺序从开始位置一步步地检测出水印，且含 水印的载体信号在传输中极有可能遭受帧删除、帧重组等主动攻击，因此视 频数字水印技术要确保在视频的任何位置能够检测到完整的水印信息。 ( 8 ) 视频编码的兼容性 对于视频的压缩码流，视频数字水印的设计必须结合编码标准，对于基 于原始域的视频水印嵌入算法也要充分考虑编码标准，否则水印信息极有可 能在编码过程中丢失。 ( 9 ) 水印容量 水印容量是指隐藏在载体信号中的比特数。针对不同的应用，水印系统 对水印的容量要求也有所异同。例如鲁棒性水印需要在充分保证鲁棒性、不 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 可见性的前提下，尽量增大水印容量，而对于密文隐藏则在满足不可见性的 前提下需要尽可能的增大嵌入容量。 2 1 。3 视频水印的应用 近年来，数字媒体技术以及i n t e r n e t 的速猛发展给人类带来巨大的信息 便利，同时也面临着版权侵犯的严重危机，例如无线电广播、电视、d v d 等 媒体技术的产生和i n t e m e t 的传播能力，已经使各国法律界、商界、艺术界、 政府部门以及学家对版权维护感到苦恼。近十年，视频数字水印技术不光着 眼在版权保护，其不可感知性、安全性、健壮性等特征也是近年来研究的热 点，甚至部分技术在某些领域已经得以应用或推广。总的来说，视频数字水 印的主要应用如表2 1 所示n 0 1 表2 1视频水印应用及目的 t a b 2 1t h ea p p l i c a t i o no fv i d e ow a t e r m a r k i n g 应用嵌入目的 版权保护 广播监控 内容认证 数字指纹 拷贝控制 隐藏通信 内容定位 原始作者或单位身份标识 商业广告的内容跟踪 版权信息的权威认证 数字多媒体路径记录 控制数字产品的拷贝次数 通过密码进行信息隐藏 多媒体搜索、管理、语义计算 ( 1 ) 版权保护 视频版权保护是指在作品中嵌入一些特定的标志信息，如图像，在作品 受到恶意攻击后仍然可以恢复出原始的标志信息，用来证明作品的归属权。 传统上的版权显性标记很容易被恶意剔除和复制，且会降低原始作品的质量。 利用数字水印技术作为鉴别作品的工具，可以将数字视频作品本体作为载体， 以携带根据私有密钥产生的水印信息。如果遇到非法复制或版权纠纷，可从 侵权作品中提取水印信息作为法律依据，实现自身权益的保护。 ( 2 ) 广播监视 广播监视是指对无线广播、电视台播放的节目进行监管，判断是否有侵 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 权或未履行义务的行为发生。人为监视是技术含量最低的早期广播监视方法， 该方法代价高且极易出错。目前，技术较成熟的被动监视系统是由软件对接 收信号与原始作品进行相似计算，以识别播放的歌曲、广告或电视，但媒体 信息量巨大，且对庞大的数据库进行搜索同样是一个难题，另外，信号在传 输中的畸变进一步加剧了数据库中媒体信息的定位难道。因此，急需像数字 水印技术这样的主动智能监视系统以克服以上诸多难题。 ( 3 ) 内容认证 当数字作品用于新闻、医学、法庭和商业用途时，常常需要对其内容的 真假和完整性进行鉴别。目前有很多图像视频编辑软件可以轻易地对作品进 行篡改并不易察觉，对社会造成恶劣的影响。利用视频数字水印技术进行内 容认证，认证信息跟载体信号的一体传输简化了验证处理过程，如数字视频 作品中的脆弱水印可检测出作品是否被篡改或篡改的具体位置。 ( 4 ) 数字指纹 为避免未经授权的非法复制，数字作品的所有者可在其发行的拷贝中嵌 入不同的水印，用于监视或追踪数字产品的非法复制，通常称之为“数字指 纹”。例如：在视频点播( v o i d ) 和即付即看( p p v ) 等实时视频流的应用中，可 以将用户的身份i d 作为数字指纹嵌入到原始视频作品中，用于跟踪用户是 否有超越其许可权限的行为。数字指纹的应用也需要很强的鲁棒性，不仅能 抵抗一些常见的非主动攻击，还要能防御恶意攻击。 ( 5 ) 拷贝控制 拷贝控制的目的在于防止他人非法制造有版权内容的副本。最早和最强 防止非法副本的方法是加密，加密作品在使用前必须解密，一旦解密，作品 的所有保护功能都将为之丧失。在数字作品的发行体系中，人们希望有一种 高效的拷贝保护机制。如：在作品中嵌入水印信息来标识授权的拷贝数，每 拷贝一份，进行拷贝的硬件会修改水印的内容，授权的拷贝数也相应减一， 直到为零即权限终止，从而保护制造商的合法利益。 ( 6 ) 隐蔽通信 视频水印同样用于军事保密和商业保密，属于信息隐藏的范畴。迄今为 止，学术界在这方面的研究一直未能突破“文件加密”的思维模式，然而， 经过加密成混乱无序的文件往往更容易引起攻击者的注意。多媒体数字技术 的广泛应用，使在公共网络环境下进行保密通信有了新思路，可以利用数字 化声像技术相对于人的听觉、视觉冗余，进行各种时( 空) 域和变换域来隐藏 信息，实现隐蔽通信。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 7 ) 统一内容定位( u c l ) 随着视频资源的日益增多和网络多元化服务质量的不断提高，由此带来 的复杂性增加了资源管理难度，究其原因是忽略了视频资源的内容语义管理， 导致了信息孤岛的产生。统一内容定位技术( u c l ) 是通过将u c l 标引的资 源以数字水印的形式嵌入到原始载体实现一体传输，提高了基于内容的视频 检索的速度和精度。 2 2 视频水印典型算法 从k m a t s u i 等人提出视频隐写术、f h a r t u n g 等人1 采用扩频原理在数 字视频中嵌入版权信息至今，视频水印技术已经逐渐趋于成熟。在众多的视 频水印算法中，从不同的角度出发分类方式也不同。按照水印信息有无意义， 可分为无意义水印信息和有意义水印信息；按水印嵌入域有空域和变换域之 分；按水印嵌入和检测是否采用相同密钥，可分为私钥水印和公钥水印；按 水印检测时是否需要辅助信息，可分为非盲水印、半盲水印及盲水印；按水 印本身属性，又有可见水印、不可见水印、鲁棒水印和脆弱水印之分；而常 见的分类标准则是根据水印嵌入点进行分类“，可分为前置嵌入、内置嵌入 和后置嵌入。通过简化，也可将视频数字水印分为：基于原始域视频水印方 案和基于压缩域视频水印方案，如图2 2 所示。 匣净甲匣 入 原始域 水印嵌入 内置嵌入后置嵌入 t ， 压缩域 水印嵌入 前亏# 前内警前前 卒丰 l 一一 压缩域 水印提取 图2 - 2视频水印嵌入和提取方案 原始域 水印提前 重构视频序列 其中，虚线箭头表示基于压缩域的水印嵌入方案，既可以通过压缩编码 器嵌入水印，也可以直接嵌入到压缩码流中。前者充分结合视频压缩编码算 隐汉 |一i哩jf 图ti戤t 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 法，所以，此类算法对水印信息的嵌入能够进行实时动态的调控。同时视频 压缩编码的过程中，特征数据也可以用来进行水印信息的嵌入，如运动矢量。 另外，该算法拥有很多可选的水印嵌入点，如d c t 系数、运动矢量和v l c 压缩码流等。后者对已经编码的视频信号不需要完全解码和重编码，所以它 能满足在视频压缩编码中无法完成的应用需求，如视频点播系统中的用户追 踪。另外，此类算法针对视频压缩码流进行的处理，对视频压缩编码系统的 影响很小。但针对视频压缩码流的水印技术必须充分考虑视频编码的码流格 式、传输条件等因素，这些因素同样增加了算法的设计难度。 2 2 1基于原始域的水印方案 基于原始域的视频水印方案无需顾虑压缩格式，将水印信息直接嵌入到 原始视频序列中，形成含水印的视频数据流，再利用视频编码器生成含水印 的压缩码流。此类视频水印嵌入技术与静止图像的水印技术类似，根据视频 载体信号携带水印的数据域不同，可分为基于时空域的原始视频水印算法和 基于变换域的原始视频水印算法。 ( 1 ) 时空域水印算法 基于时空域的原始视频水印直接在原始视频信号中进行水印嵌入。算法 比较简单，且可以借鉴成熟的静止图像时空域水印技术，但其不可见性和鲁 棒性较差。 图2 - 3i - i & g 扩频水印嵌入算法 fig 2 3 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 早期，s c h y n d e l n 2 1 和m o b a s s e r in 州利用l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 思想将水 印信息嵌到视频图像像素的最低有效位上，但算法在经过过滤和压缩的攻击 后水印信息损坏较严重。随后，文献7 中h a r t u n g 和g i r o d 等将扩频通信的 思想引入到视频数字水印技术，提出了经典的原始域视频数字水印算法，即 h & g 算法，如图2 3 所示，将视频信号按照图像空间的左右上下以及时间的 先后顺序扫描成一维数字信号，采用扩展频谱的方法在载体信号中嵌入一个 加性水印。水印检测时，将重构图像经过高通滤波器得到含水印的载体信号， 计算载体信号与水印嵌入时的伪随机序列之间的相关值，以决定水印信息值。 此算法引进了扩频思想，因此具有更强的鲁棒性，另外，该算法在空间域充 分利用人眼视觉掩蔽效应，在不可感知的前提下具有更可靠的抗压缩能力。 随后，学者将扩频技术和伪随机码技术引入视频数字水印技术，提出了一些 鲁棒性较强的算法一”。 ( 2 ) 基于变换域的原始视频水印算法 基于变换域的原始视频水印方案指在原始视频序列的d f t 、d c t 、d w t 变换域进行水印的嵌入和提取。 a p i v a 等m ，提出基于d c t 的水印嵌入算法。算法采用伪随机序列作为水 印信息，针对子块d c t 变换后的中频系数，采用乘性方法进行水印的嵌入， 通过i d c