（计算机系统结构专业论文）基于mpeg4的视频水印技术研究.pdf

摘要 目前，随着m p e g 4 视频标准应用日益广泛，必须有如数字水印这样的技术来 保护视频版权。但由于m p e g 4 视频标准的一些特殊性能，使得许多视频水印方 法失去了作用，所以研究与新的视频压缩标准相结合的水印算法已成为视频数字 水印领域的焦点。 在查阅大量资料的基础上，对视频水印方法进行比较分析，结合m p e g 4 标准 的特性，对现有的视频水印算法进行了改进，提出了抗帧攻击和自适应两种视频 水印算法： 1 将m p e g 4 视频编码中的运动矢量与离散余弦变换相结合，根据其不同的 特点，将水印图像小波变换后的低频系数嵌入到视频序列i 帧d c t 变换后的低频 系数中，而将水印图像小波变换后的中频系数嵌入到b 帧的运动矢量中。 2 结合m p e g 4 视频压缩原理以及人类视觉模型系统的特点，提出一种自适 应的视频水印算法。根据i 帧图像离散余弦变换( d c t ) 后的直流系数( d c ) 以 及中低频系数个数，设计自适应因子，对不同的图像块采用不同的嵌入强度，将 水印嵌入到d c t 变换后的低频系数中。 在理论研究基础上，实现基于m p e g - 4 的视频水印系统，进行了对比实验。结 果表明，文中所提出的算法在鲁棒性与不可感知性等方面较原算法都有不同程度 的提高。 关键词：视频数字水印m p e g 4 码流人类视觉系统模型 a b s t r a c t a tp r e s e n t , a sm p e g - 4v i d e os t a n d a r di sw i d e l yu s e d ，t h e r em u s tb eat e c h n o l o g y s u c ha sd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt o p r o t e c td a t ac o p y r i g h t h o w e v e r , m p e g - 4v i d e o s t a n d a r dh a ss o m es p e c i a lp r o p e r t i e sw h i c hm a k em a n yv i d e ow a t e r m a r k i n gm e t h o d s i n v a l i d a t e d ，s ot h er e s e a r c ho nt h ev i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw i t ht h en e wv i d e o c o m p r e s s i o ns t a n d a r dh a sb e c o m et h ef o c u so ft h ef i e l do fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g o nt h eb a s i so fag r e a td e a lo fi n f o r m a t i o no nv i d e ow a t e r m a r k i n gm e t h o da n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i t l lt h em p e g 一4s t a n d a r df e a t u r e s t w oa l g o r i t h m so fv i d e o w a t e r m a r k i n gb a s e do nm p e g - 4s t r e a m sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w ： 1 c o m b i n i n gt h ed c ta n d t h em v ，t h e l o w - f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t s o f w a t e r m a r k i n gi m a g ea f t e rd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f 0 1 t n ( d w t ) w e r ee m b e d d e di nt h e l o w - f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so fif r a m ea n dt h ei n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so ft h e w a t e r m a r k i n gi m a g ew e r ee m b e d d e di nm o t i o nv e c t o r so fb f r a m e s 2 b a s e do nm p e g - 4v i d e oc o m p r e s s i o np r i n c i p l ea n dt h eh u m a nv i s u a ls y s t e m m o d e l ，a na d a p t i v ev i d e ow 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 t h ea d a p t i v ef a c t o ri s d e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ed i r e c tc u r r e n tc o e f f i c i e n ta n dt h en u m b e ro fl o wa n d i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yc o e f f i c i e n t sa f t e rd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ( d c t ) o fif r a m e f o rd i f f e r e n ti m a g eb l o c k s ，t h ed i f f e r e n te m b e d d e ds t r e n g t hi su s e d t h ew a t e r m a r ki s e m b e d d e di n t ot h el o wf r e q u e n c yc o e f f i c i e n t s b a s e do nt h et h e o r yr e s e a r c h ，av i d e ow a t e r m a r k i n gs y s t e mb a s e do nm p e g - 4 s t r e a m sw a si m p l e m e n t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sm o r er o b u s t a n di n v i s i b l et h a nt h eo r i g i n a la l g o r i t h m k e y w 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 gm p e g - 4s t r e a m s h u m a nv i s u a ls y s t e m 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：过堑鲤 导师签名：噬 日期萨妨，乡 聃必啤 第一章绪论 第一章绪论 1 1 视频数字水印技术的提出 随着信息技术和计算机网络技术的飞速发展，数字多媒体信息的存储、复制 与传播变得非常方便。数字媒体信息极易被非法拷贝、篡改以及伪造。数字媒体 原创者的版权和经济利益如何得到保护，数字媒体是否安全、可信，由此引发的 信息安全问题、盗版问题和版权纷争问题己成为日益严重的社会问题。因此如何 既能充分地利用互联网的便利，又能有效地对多媒体内容进行版权保护己成为亟 待解决的问题。数字水印技术【1 1 ( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 是随着多媒体版权保护问题的 出现而发展的，是应用于开放性网络上的多媒体信息隐藏技术。它利用人类知觉 系统f 人类视觉系统h v s ：h u m a nv i s u a ls y s t e m 或人类听觉系统h a s ：h u m a na u d i o s y s t e m ) 的冗余，将与多媒体内容相关或不相关的一些标示信息直接嵌入到多媒体 内容当中，而不影响原内容的价值和使用，并且不被人的知觉系统觉察，以实现 标识、注释以及版权保护等目的。 近年来，随着大量消费类数字视频产品在市场上推出，比如d v d 、v c d 、视 频会议、视频点播( v o d ) 、教育和娱乐内容的转发应用已逐渐成为大众生活不 可或缺的一部分。但是，人们在获得数字化带来的便利的同时，也面临着数字化 带来给人们的严峻挑战，其突出表现是在数字世界中的侵权，数据可以经任意次 复制几乎不损失保真度，从而使盗版变得极为容易，并且知识产权遭到严重侵害。 所有者可能花费了大量的时间和精力来生产数字视频产品，他们希望对视频内容 的所有拷贝是授权许可的，非授权复制应较难实现( 称为：拷贝保护) ，并且能 够检测和跟踪非法拷贝。这就使得以视频数字水印为重要组成部分的数字视频产 权版权保护技术的应用研究更为迫切，也使得视频数字水印研究成为了数字水印 研究领域的焦点。 1 2 视频数字水印研究背景及现状 数字水印的概念最初是由c a r o n n i 于1 9 9 3 年提出来的，并应用于图像，引起 了电子出版界、学术界的极大兴趣，同时被广泛应用于视频、音频等其他数字媒 体。由于它在版权保护、真伪鉴别、秘密通信和隐含标注等领域有着广泛的应用 前景，因此日益成为一个非常重要的研究领域。数字水印技术的研究最初主要集 中在基于图像的水印技术方面。目前，基于图像的数字水印技术已经取得了不少 2 m p e g 4 视频水印技术研究 的研究成果。同时，各大公司也积极参与该技术的研究，推出一些实用的产品， 如v e r a n c e 企业采用第一阶段的s d m i ( s e c u r ed i g i t a lm u s i ci n i t i a t i v e ) 技术研制的水 印产品和d i g i m a r c 公司研制的与p h o t o s h o p 捆绑在一起的水印产品。 近几年来，随着视频产品的出现与广告应用，视频数字水印技术成为了数字 水印技术研究的一个热点和难点。热点在于大量消费类数字视频产品如v c d 、d v d 的出现，使得以数字水印为重要组成部分的数字产品版权保护的市场需求更为迫 切。而难点在于当前数字水印的研究主要集中在静态图像数字水印上，而在视频 水印方面，由于包括时间域隐蔽效应等特性在内的更为精确的人眼时间模型尚未 完全建立，使得视频水印技术相对于图像水印技术发展滞后；同时现有的标准视 频编解码格式又造成了水印技术引入上的局限性。另一方面，由于一些针对视频 水印攻击形式的出现，为视频水印提出了一些区别于静止图像水印的特殊要求。 到目前为止，视频数字水印领域已经取得了一定的理论成果，包括视频数字 水印的信息理论和测试基准，同时研究新的视频水印攻击方法以提高水印的抗攻 击能力。也有许多学者将视频数字水印技术与视频压缩标准m p e g 一2 、m p e g - 4 、 h 2 6 4 等相结合，提出了适应于视频压缩的视频数字水印算法。虽然视频数字水印 技术取得了许多的研究成果，但是仍有一些方面被研究者所忽略，大多数的视频 数字水印算法还是以图像数字水印为基准，进行一定的调整，并没有真正的与视 频以及视频压缩标准的特点相结合。 目前已有不少公司研究利用视频数字水印技术对视频产品进行版权保护，如： n e c 与i b m 携手开发电影画面数字水印技术。n e c 和i b m 已经达成协议，两家 公司在数字水印技术方面展开密切合作，为保护d v d 数字化内容的版权、防止非 法拷贝而联合研发、制定数字化水印标准。该标准很有可能成为第一个真正实用 的d v d 防盗版标准。1 9 9 6 年，美国电影协会( m p a a ) 、消费电子产品制造商协 会( c e m a ) 和部分计算机厂商联合成立了国际版权保护技术工作组( c p t w g ) 来研究防止数字视频，特别是d v d 产品私自复制的技术问题。 我国学术界也紧跟世界数字水印技术发展的脚步，一批有实力的科研机构相 继投入到这一领域的研究中来，比较有代表性的学者有哈尔滨工业大学的孙圣和、 牛夏牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮 心忻等，中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等。1 9 9 9 年1 2 月，我国第一 届信息隐藏学术研讨会召开，至2 0 0 7 年1 1 月全国信息隐藏学术研讨会已举行七 届届。2 0 0 1 年1 月，由国家“8 6 3 ”智能机专家组和中科院自动化研究所模式识 别国家重点实验室组织召开了数字水印技术研讨会。国家“8 6 3 计划 、“9 7 3 项目( 国家重点基础研究发展规划) 、国家自然科学基金等都对数字水印的研究 给予资金支持。我国在数字水印技术尤其是视频数字水印领域内的研究得到了长 足的进展，取得了较大的研究成果。 第一章绪论 1 3 1 论文选题意义 1 3 论文选题意义及结构安排 如何保证数字作品的真实性和完整性，如何保障作者的合法权益是一个有待 解决的问题。数字水印作为版权保护的新技术，引起了广大学者和商业集团的关 注。数字水印技术一方面弥补了密码技术的缺陷，因为它可以为解密后的数据提 供进一步的保护；另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名技术的缺陷，因为 它可以在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息。水印信息可以是版权信息、认 证信息或控制信息等，以此来确定数字作品的版权拥有者，认证多媒体作品的真 实性和完整性，并可以根据嵌入的控制信息来进行拷贝控制，达到保护版权的目 的。可以说，随着数字技术和网络的高速发展，数字水印技术在数字媒体的保护、 认证、发行、防伪和用户信息的标记等诸多方面有着广阔的应用前景，无论在信 息安全领域还是商业应用中都有着重大的意义，数字水印逐渐成为信息隐藏领域 里十分重要的研究方向。自1 9 9 3 年以来，视频水印技术已经引起了工业界的浓厚 兴趣，并且日益成为国际上非常活跃的研究领域。特别是随着新的视频压缩标准 的提出，如何将视频水印技术有效的与压缩标准相结合，引起了研究人员的广泛 关注。因此，对视频水印技术，尤其是压缩域视频水印技术的研究，不仅具有显 著的学术意义，而且具有长远的经济效益和社会效益。 1 3 2 论文的结构安排 本文旨在研究与m p e g 4 视频压缩格式相结合的视频数字水印方案。论文着 重分析了近年来基于m p e g 4 视频水印的主要技术和关键问题，通过对现有技术 方法和发展方向的研究，对比静态图像水印和视频水印特征的不同及特殊要求， 以及当前流行的视频水印技术，对已有算法进行改进，提出了两种基于m p e g - 4 码流的视频水印算法。 论文的结构安排如下： 第一章介绍了视频数字水印技术的产生背景和各个领域的研究现状，并介绍 了论文所做的工作。 第二章详细介绍了视频数字水印技术，包括视频数字水印系统的原理与模型， 水印信号的产生与设计，以及视频数字水印技术的相关要求。其中视频数字水印 系统的原理与模型部分介绍了水印的嵌入、提取以及检测的原理模型；水印信号 的产生与设计部分针对两类不同的水印信号无意义水印信号和有意义水印信 4 m p e g 4 视频水印技术研究 号，分别给出了相关的种类及产生方法；现有视频数字水印技术部分着重介绍了 现有的视频水印算法，由视频水印的特殊要求、视频水印方案以及已有视频水印 算法的比较得出了视频水印技术的难点以及设计时需要注意的问题。 第三章主要介绍m p e g 4 视频编码基于模型对象的第二代压缩编码技 术。本章从m p e g 4 视频编码标准入手，给出了详细的基于对象的m p e g 4 视频 编码框架以及与视频数字水印技术相关的m p e g 4 标准的一些核心技术。 第四章介绍抗帧攻击的m p e g 4 视频水印算法，根据m p e g 4 视频码流中各 种帧的特点以及图像小波变换后各个频域段所具有的特点，在对原有的视频水印 方法进行改进的基础上，提出了一种有效的抗帧攻击( 如帧删除，帧交换等) 的 视频水印算法。最后通过实验证明了该算法的有效性。 第五章介绍m p e g - 4 自适应视频水印算法，结合m p e g 4 视频压缩原理以及 人类视觉模型系统的特点，设计自适应因子，根据视频图像的不同特点嵌入不同 强度的水印。对比实验证明了该算法能够很好的与人类视觉系统相适应，在相同 的嵌入量下，极大程度地降低了水印对视频图像帧的影响。 第六章是论文的总结。对论文所做工作进行了总结，并对下一步工作进行了 展望。 第二章视频数字水印技术 第二章视频数字水印技术 2 1 视频数字水印系统的框架与原理 2 1 1 视频数字水印的特点 视频数字水印( v i d e od i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 顾名思义就是加载在数字视频上 的水印，其目的主要是对数字视频作品进行版权保护，从而确保版权所有者的合 法利益。视频数字水印研究是当前水印技术研究中的一个热点和难点。随着网络 多媒体的快速发展，数字视频产品( 如v c d ，d v d ，v o d 等) 变得越来越普 及，几乎渗透到每个家庭，使得以数字水印为重要组成部分的数字产品版权保护 技术的市场需求更加迫切。但是目前，对于数字水印技术研究的重点还主要集中 在静止图像上，先后提出了各种图像水印算法，使得图像水印技术日趋成熟。而 视频水印由于时间域掩蔽效应等特征在内的更为精确的人眼视觉模型尚未完全建 立，使其技术相对于图像水印技术发展滞后，同时现有的标准视频编码格式又造 成了水印技术引入上的局限性。另外，由于一些针对视频水印的特殊攻击形式( 如： 帧重组、帧删除、帧交换等) 的出现，为视频水印提出了一些区别于静止图像水 印的独特要求。由于视频实际上是一系列的图像序列形成的，所以视频水印从实 现算法来说与静止图像水印并无根本区别，许多图像水印的算法都可以直接移植 到视频水印中去。但是由于数字视频是连续播放的，相邻画面之间内容有高度的 相关性，并且还存在动态编解码的过程，因此视频水印和图像水印在某些要求上 有明显的不同。 首先，视频数字水印具有数字水印系统的一般要求： 1 ) 不可感知性( i n v i s i b i l i t y ) ：利用人类视觉系统或听觉系统属性，经过一 系列隐藏处理，目标数据必须没有明显的降质现象，而隐藏数据无法看 见和听见； 2 ) 鲁棒性( r o b u s t ) ：指抗拒各种处理和攻击操作而不会导致隐藏信息丢失 的功能。这些操作包括几何变换和信号处理等人为或者无意的攻击，例 如，传输过程中的信道噪声、滤波、有损压缩、剪切、尺度变化、拉伸、 挤压、d a 或a d 转换等； 3 ) 嵌入水印的载荷( p a y l o a d ) ：指隐藏在信息载体中的水印信息量。 除此之外，较图像水印而言，视频水印还应该有一些特殊的要求【5 ，6 】： 1 ) 随机检测：在视频的任何位置，检测系统都能在短时间内检测出水印。 6 m p e g 4 视频水印技术研究 2 ) 实时处理：视频水印的实时处理要求水印嵌入和提取应该具有低复杂度。 但是，对某些应用模式，水印的提取可能允许比较复杂，而水印嵌入复 杂度应该尽可能低。 3 ) 鲁棒性：必须保证视频水印方案对于各种可能的处理和攻击的鲁棒性。 4 1 盲水印方案：由于视频数据量较大，大多数的应用中检测和提取水印不 可能使用原始的宿主信号，尤其是在实时性要求较高的场合。 5 ) 与视频编码标准相结合：水印的鲁棒性要求水印嵌入往往与视频数据的 压缩编码标准相结合。视频水印嵌入后，不但不能增加视频编码比特流 的码率，还要保证视频在编码时的播放速率不变，以免影响图像与声音 同步。 2 1 2 视频数字水印系统的基本框架 视频数字水印系统同数字水印系统一样，包含嵌入器和检测器两大部分，可 以定义为九元体( m ，x ，w ，k ，g ，已，a t ，d ，e ) ，分别定义如下： 1 ) m 代表所有可能原始信息m 的集合； 2 ) x 代表所要保护的数字视频产品x 的集合； 3 ) w 代表所有可能水印信号w 的集合； 4 ) k 代表水印密钥k 的集合； 5 ) g 代表利用原始信息m ，密钥k 和原始数字视频产品x ( 原始数字视频产品不 一定参与水印生成过程) 共同生成水印的算法，即： g ：m x x k w ，w = g ( m ，x ，尼)( 2 - 1 ) 6 ) e 表示将水印w 嵌入数字视频产品x 中的嵌入算法，即： ：x xw x ，= 或( x ，( 2 2 ) 其中，x 代表原始视频，x ”代表水印产品。为提高安全性，可在嵌入算法中使 用嵌入密钥。 7 ) 丘表示对含水印产品x 的攻击算法，即： 4 ：x k 争x ，x = 彳f ( x w ，后t )( 2 - 3 ) 其中，后表示攻击者伪造的密钥，x 表示被攻击后的含水印产品。 8 ) d 表示水印检测算法，即： r “ d ：x k 一 o ，1 ) ，d ( 二，k ) = j1 ，如果：中存在w m ， ( 2 4 ) lo ，如果x 中不存在w ( h 。) 第二章视频数字水印技术7 h 。和h 。代表二值假设，分别表示水印的有无。 9 ) e 表示水印提取算法，即： aa e ：x k 专w ，w = t ( x ，k ) 图2 1 给出视频水印系统基本框架的详细示意图。 ( 2 - 5 ) 图2 1 视频数字水印处理系统基本框架忉 下面分别介绍水印的嵌入，提取以及检测的详细模型盯1 。 2 1 3 水印的嵌入 设载体视频序列为i ，水印信号为w ，密钥为k ，则水印嵌入可用公式描述， i = f ( i ，w ，k )( 2 - 6 ) 式中f 表示水印嵌入策略( 算法) 。水印的嵌入过程如图2 2 所示 m p e g 4 视频水印技术研究 图2 2 水印信号嵌入模型 有两种常用的水印嵌入公式： 加法公式： k 。= + a w i ( 2 - 7 ) 乘法公式： 哆。= v i o + a w i ) ( 2 - 8 ) 其中，k ，k + 分别表示载体视频序列和嵌入水印后的视频序列，为水印信 号分量，0 f k 。a 为强度因子。为了保证在不可见的前提下，尽可能提高嵌入 水印的强度，a 的选择必须考虑视频序列的性质和视觉系统的特性。 2 1 4 水印的提取 水印信号提取模型，如图2 2 所示，将水印信号从水印提取是水印算法中最 重要的步骤，其任务是从嵌入水印的数据中提取水印信号。在某些水印系统中， 水印可以被精确地抽取出来，这一过程称为水印提取。在水印提取算法中，有些 需要原始数据参与，有些不需要原始数据参与。如图2 3 所示，其中虚线框表示 原始数据是可选的。 图2 3 水印信号提取模型 在完整性确认应用中，必须能够精确地提取出插入的水印，并且通过水印的 第二章视频数字水印技术 9 完整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的变化，最好 还能够通过发生变化的水印的位置来确定原始数据被篡改的位置。 对于鲁棒水印，通常不可能精确地提取出嵌入的原始水印，因为一个应用如 果需要鲁棒水印，说明这个应用很可能遭受到各种恶意的攻击，水印数据历经这 些操作后，提取出的水印通常已经面目全非。这时我们需要一个水印检测过程， 如图2 4 所示。通常水印检测的第一步是水印的提取，然后是水印的判决。水印 的判决的常用方法是进行相关性检测。选择一个相关性判决标准，计算提取出的 水印与指定的水印的相关值，如果相关值足够高，则可以基本断定被检测数据含 有指定的水印。 2 1 5 水印的检测 水印检测的任务是判断某一数据内容中是否存在指定的水印信号。水印的具 体检测方法相对较少且简单，一般都是采用直接检测或相关检测，其中通常采用 相关检测的方法。若将这一过程定义为解码函数d ，那么输出的可以是一个判定 水印存在与否的o 1 决策，也可以是包含各种信息的数据流，如文本、图像等。 如果己知原始视频序列i 和有版权疑问的视频序列0 ，则有：w = d ( ，1 ) 或者 c ( w ，形，k ，耻 吕，龋在( 2 - 9 ) 其中形为提取出的水印，k 为密钥，函数c 为相关检测，6 为决策阂值。相 关检测的公式： w ( f ，) w ( i ，_ ) n c ( w ，w ) = 旦l - f 一 ( 2 1 0 ) w ( i ，j ) 2 i = 1j = l 把该值和阈值6 进行比较来决定水印是否相匹配，其中w 木为检测到的水印， w 为原始水印。这种形式的检测函数是创建有效水印框架的一种最简便方法。检 测器的输出结果可以在法庭上作为版权保护的潜在证据。那么这实际上要求水印 的检测过程和算法应该完全公开。对于假设检验的理论框架，可能的错误有如下 两类【1 3 】： 第一类错误：检测到水印但水印实际不存在，该类错误用虚警率( 误识率) p 盘 来衡量。 第二类错误：没有检测到水印而水印实际存在，用漏检率( 拒绝错误率) p r e i 表示。总错误率为：p 。，p f a + p ，。j ，且当p 他j 变小时检测性能变好。但是检测的可靠 性只与p f a 有关。 1 0 m p e g 4 视频水印技术研究 以上方法其实是一个概率论中的假设检验问题，水印检测的结果依赖于一个 阈值。当提高相关性检测的阈值时，虚检概率降低，漏检概率升高；当降低相关 性检测的阈值时，虚检概率升高，漏检概率降低。将漏警概率和虚警概率作为衡 量检测性能的指标口，5 ，7 1 ，在实际的水印应用中，更注重对虚检概率的控制。 一个安全的水印检测系统应该至少满足以下要求： 1 ) 水印系统具有较高的安全性，只有合法用户才能检测或提取水印； 2 ) 水印检测器具有较高的可靠性，它的漏警率和虚警率都应该足够小； 3 ) 很多水印系统在检测端是无法参考原始数据的，因此要求采用盲检测的 方法。 对于一个特定的水印检测算法，若给定水印检测器的误码率，应该能够确定 系统所需的水印能量及检测门限的大小。目前已经提出的水印算法，大多预先设 定水印序列的长度，并根据经验值来确定检测门限，因此，算法性能只能通过实 验进行检验。水印检测模型如图2 4 所示： 图2 4 水印信号检测模型 2 2 水印信号的产生与设计 2 2 1 无意义水印信号的设计和产生 1 使用伪随机实数序列作为水印 作为水印的伪随机实数序列，一般是均值为0 ，方差为1 ，即满足n ( 0 ，1 ) t 态 分布的伪随机实数序列。根据所有者的需求，给定一个“种子 作为伪噪声发生 第二章视频数字水印技术 器的输入，就可以产生具有高斯分布的自噪声信号。这个“种子 可以是产品的 序列号、生产日期，也可以是无任何意义的一个数字，但只能由所有者本人保管， 因为当序列发生器固定时，“种子 就是产生水印的密钥。在进行水印检测时， 需要以此密钥来产生与水印嵌入时相同的伪随机实数序列，用来确定待检测产品 中是否含有该水印。如果水印的密钥为攻击者所了解，他就有可能获得水印的信 息，继而对水印进行破坏。 2 使用伪随机二值序列作为水印 比较常见的伪随机二值序列是利用线性移位寄存器产生的m 序列，m 序列可 以直接作为水印信号，但更多的是利用它作为扩频序列对水印信号进行扩频调制。 除了m 序列外，还有一些二值序列，如l e g e n d r e 序列，也可以作为水印。 3 使用混沌序列产生水印信号 混沌现象是非线性动力系统中出现的确定性的、类似随机的过程。利用混沌 序列作为水印信号，具有易于生成、数量极多以及初始条件敏感的优势，将混沌 序列的初始值作为嵌入和检测提取信号的密钥，不仅简单而且实用。 2 2 2 有意义水印信号的预处理 有意义水印信号是代表一定意义的文本、声音、图像或者视频信号。使用有 意义水印的一个显著特点是在水印提取后，提取的水印非常直观，不需要再利用 原始的水印信号进行相关性计算，可以直接使用它对载体中是否含有水印进行判 别。有意义的水印信号在使用之前，一般先进行预处理，主要的预处理方法有以 下几种： 1 使用m 序列对水印进行扩频 扩频作为一种新型的通信方式，具有抗干扰、抗噪声、低功率谱密度、保密 性良好等优点。它利用伪随机序列对被传输信号进行频谱扩展，使之占有的信道 带宽远远超过其在一般意义下所必需的最小带宽。在接收端利用同一伪随机序列 对接受信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据。扩频技术中使用的伪随机序列 具有类似白噪声的性质，但又是周期的、有规律的，可以人为地产生和复制。伪 随机序列通常由二进制移位寄存器产生，而m 序列是最常用的性能优良的伪随机 序列。 2 对水印信号进行位分解 当使用静止图像作为水印信号时，可以对其进行位分解。文献【3 】提出一种灰 度图像的位分解的方法，他是对大小为m n 的8 b i t 、2 5 6 灰度级的图像，将其按 位分解为8 层位图，每次每个像素点对应的值只含有o 或1 。这种对水印信号进 行位分解的思想也可以用于其它灰度级图像和彩色图像。 m p e g 4 视频水印技术研究 3 利用图像的置乱对水印进行预处理 使用置乱技术对水印进行预处理，可以提高水印信息的安全性，增强水印抵 抗恶意攻击的能力。置乱技术即扰乱图像的组成部分，破坏图像的自相关性，使 得人眼无法从中提取有价值的信息，即使计算机用“穷举法”计算各种组合，也 要耗费大量的时间，这就在一定程度上保护了图像信息。置乱技术主要用于数字 图像的预处理和后处理，在这方面有许多有效的方法，如基于a r n o l d 变换、幻方、 h i l b e r t 曲线、c o n w a y 游戏、广义g r a y 码变换等方法。 4 利用上述几种方法的结合 有研究人员尝试将上述几种方法结合使用，以获得更加符合水印嵌入和提取 算法要求的水印信息。文献 5 】即结合传统加密技术、扩频通信技术与图像处理技 术，提出了一种新颖的图像水印方案。 2 3 现有视频数字水印技术 2 3 1 视频水印方案比较 视频水印算法在形成视频码流的不同时机嵌入水印对复杂度有不同的影响。 以m p e g 4 视频编解码过程为例，现有的视频数字水印技术大致可有以下三种方 案： 方案一：在原始视频流中直接嵌入水印。将水印信息直接插入到原始视频图 像中，形成含有水印的原始视频信息，然后进行视频编码。这种方案的优点是： 可利用现有的图像数字水印算法，而不影响编解码器的正常使用。缺点是：嵌入 水印后可能会增加视频码流的数据比特率，降低视频质量，经过m p e g - 4 压缩后， 水印会丢失。而且水印提取也必须将压缩视频流还原为视频图像流，大大增加了 水印算法的时间复杂度。 方案二：将使用算法引入到编码器中。该方案一般是通过调制变换或量化之 后的系数完成信息嵌入过程的，所以其优点是便于使用自适应机制将水印嵌入到 视频中，根据人的视觉特性进行调制，在得到较好的人类视觉质量特性的同时得 到较好的抗攻击能力。但是此方法要与具体的编解码器相结合，所以具有一定的 局限性。并且在编、解码后可能会对视频信号质量产生影响。 方案三：将水印直接嵌入到经过m p e g 4 标准压缩后的比特流中。最大的优 点是不需要完全编、解码的过程，因此造成的对视频信号的影响较小，这对于实 时水印嵌入技术来说是非常重要( 许多压缩方案的动作估计进程均要求高强度的 计算) 。但视频系统对视频压缩码率的约束将限制作为水印的嵌入信息量。同时可 第二章视频数字水印技术 能对运动补偿环路产生影响，为补偿这一影响所采取的措施明显的增加了该算法 的复杂度。为了在压缩域中嵌入水印，水印嵌入程序必须分析视频流以识别水印 嵌入所需的合适的结构，并修改压缩流以嵌入水印。 三种水印嵌入方案如图2 5 所示，图中的编码和解码均采用m p e g 一4 编解码 标准。 雾案堂入 娈案兰入 娈窭兰入娈案兰取娈案兰取娈矍兰取 图2 5 视频水印嵌入提取方案 2 3 2 现有视频水印算法比较 视频数字水印技术近几年得到了长足发展，自从1 9 9 8 年h a r t u n g 掣4 j 提出针 对视频的水印算法以来，很多新的视频水印算法方案被不断地提出。下面从视频 数字水印算的研究思路出发，对目前典型的视频数字水印算法分别进行了分析和 介绍。 1 由图像水印技术扩展的视频水印算法 h a r t u n g 等提出了一种借鉴扩频通信( s p r e a ds p e c t r u m ) 的基本思想，在未压缩 视频中嵌入加性水印的算法( h & g 算法) 【4 】。在水印嵌入过程中，按照空间上的从 左到右、从上到下以及时间上的先后顺序，将原始视频信号看作一维信号。要嵌 入的水印信号则经过扩展、放大和调制，得到一个伪随机序列，采用加性水印的 概念将该随机序列嵌到一维视频信号中，就得到了嵌入水印的视频信号。 b u s c h 等人将静态图像中的水印嵌入方法应用到未压缩视频序列的d c t 块 中，并在解压后提取水印信息【l 烈。因为包含形体边缘的块对由于水印信息嵌入而 引起的视觉质量下降特别明显，所以为了提高水印( 特别是在边缘部分) 的不可 感知性，水印方案对块的类型做了特别考虑，根据块的活动性对块进行选择性的 嵌入。 g l a n g e l a a r 等提出了差分能量水印( d e w ) 算法1 1 8 】，该算法初始为静态图像水 印设计，后来被应用到m p e g 视频中的i 帧。算法通过在压缩数据流中有选择性 1 4 m p e g 4 视频水印技术研究 的丢弃特定块的高频d c t 系数而达到嵌入水印信息的目的。 2 结合视频编码标准的视频水印算法 将已有的成熟图像水印技术直接应用到视频数据上十分简单方便，然而视频 序列不能简单地看作为静态图像序列，它们之间存在很多不同之处u 9 j ：首先它们 可获得的信号空间就完全不同，视频数据的嵌入空间比图像数据大的多；其次从 维度角度来看，视频数据多了一维时间参数，因此要考虑诸如同步等与时域有关 的问题；最后从压缩域角度看，虽然m p e g 视频编码的帧内编码过程与一般的图 像编码标准，如j p e g ，大体一致，但因为多了帧间编码过程，因此要达到较好的 性能，视频水印方案必须要同视频压缩编码技术紧密结合。 p a t t i i c kb a s 等针对m p e g 4 应用提出两种水印方案1 2 0 】。第一种方案在非压缩 域嵌入和检测水印。算法根据p c a ( p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ) 分析，使用对 象形状特征实现几何攻击后的掩码同步。一个伪随机序列s 经过变换后，以适应 对象的尺寸和位置，然后根据v o p ( v i d e oo b j e c tp l a n e ) 的亮度值加权，最后嵌 入到对象纹理中。算法在对象操作后能有效检测水印。第二种方案是基于视频对 象压缩域水印方案。该方案嵌入两种不同的信号，一个用于同步恢复，另一个用 于版权保护。两种信号都嵌入压缩域。形状信息经过i c a e ( 逆算术编码) ，产 生对象的二值掩码，用来计算对象的中心。纹理信息经过v l d ( 可变长编码) 和 反量化，嵌入同步模板和水印信息。 l i n n a r t z 等提出修改m p e g 编码过程，根据水印信息来选择编码视频帧图像 类型( p i c t u r et y p e ) 的算法【2 1 】。在m p e g 编码标准中，图像被分为i 帧就、b 帧 和p 帧三种类型，从一个i 帧开始，直到下一个不包括下一i 帧的一系列帧称为 一个图像组( g o p ) ，如果将每个g o p 的长度固定为1 2 ，并用b 帧表示比特l ， p 帧表示比特0 ，则每个g o p 和一个二元序列存在一个一一对应关系。每个g o p 可以携带近6 个比特信息，对于一些常见的应用是足够的。 很多学者对h & g 算法进行了改进，进一步结合了视频编码的标准，并提高了 性能。a r e n a 等人基于h & g 算法，提出了改进算法 2 2 】，只把水印信息嵌入到视频 中的i 帧而不修改p 帧和b 帧，这样既减小了算法复杂度，又对帧跳跃与帧删除 攻击有更好的鲁棒性。 刘峰、苏育挺等人就h & g 也提出了改进算法1 2 3 1 。通过对d c 系数的出来和引 入动态水印嵌入控制，在增加水印信息嵌入量的同时，有效的控制了水印信息嵌 入对视频重建序列图像的影响。z h a n g 等人对j o r d a n 算法进行修改，改进了嵌入 规则【2 4 1 ，选择幅值较大的运动矢量，同时根据运动矢量的相位角情况采取不同的 嵌入方法。戴侃斐等人提出了结合m p e g 编码规则，通过修改运动矢量标志位， 在压缩过程中选择了不同的补偿方式1 2 5 。魏正源等人提出一种基于视频序列空域 d c t 变换和时域d w t 变换方法【2 6 ，并且在水印图像嵌入前，对其做了基于混沌 第二章视频数字水印技术 理论的置乱，提高了水印的鲁棒性。 在自适应嵌入方面，朱仲杰等人提出一种基于自适应策略的视频水印算澍2 7 1 ， 算法对视频序列中的不同图片根据其特点采用不同的嵌入算法，设计算法较多， 实现较复杂；a g u n g 等人【2 8 1 提出以纹理、亮度和相邻帧变化为特征的视频水印嵌 入，但是它只通过简单地统计高低纹理场景以及变动较小场景的数目，并单独计 算亮度特征，来获得高( 低) 纹理特征，其水印嵌入采用统一的嵌入强度，与具 体子块特征无关。 2 3 3 视频水印技术的难点 根据上面的论述，可以得出视频水印嵌入具有以下难点： 1 抗攻击问题 视频数字水印不但可能会受到滤波、格式转换、图像剪切等图像攻击，还可能 会受到帧裁剪、帧重组、视频重编码等攻击。如果对未压缩视频嵌入水印，还必 须考虑视频压缩处理，当前的视频压缩主要是m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g 4 。视频 压缩会损失部分视频信息，同样，嵌入的水印信息也会在视频压缩编码的过程中 损失。因此，在对未压缩的视频中嵌入水印，必须对m p e g 编码具有鲁棒性。最 坏的情况是多种攻击的联合攻击，视频水印是盲检测的，很难抵御多种攻击的联 合攻击。 2 运算复杂度 复杂的图像水印算法不一定对视频算法适用。因为视频数据量大，而且有些 应用有实时性要求，嵌入、提取过程的时间不能太长。另一方面，视频编码很复 杂，如果水印算法考虑太多视频信号的特点，需要对视频全部解码，过程太复杂， 而且效果不一定好。 3 嵌入信息量 视频中嵌入的水印量受到限制。对2 3 3 节中水印嵌入方案一，由于视频压缩 过程中会产生信息损失，而嵌入水印往往用冗余的方式来提高水印的鲁棒性，所 以要选取那些对视频压缩有一定抵抗力的数据载体，因此限制了水印信息量；对 于方案二，m p e g 4 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，水印的嵌入必须选取不为零的d c t 系数进行嵌入，从而限制了嵌入的水 印信息量；对于方案三，压缩后的视频冗余性小，从而可嵌入的冗余信息相对就 小；并且视频压缩比特率的限制就限制了嵌入的水印信息量。 所以在水印算法设计时，应根据实际要求，综合考虑以上各种因素，在满足 实际要求的前提下，尽可能提高各方面的性能。 1 6m p e g 4 视频水印技术研究 2 4 本章小结 本章分析了视频数字水印系统的要求和组成，水印信号的生成以及视频数字 水印系统的一些特殊要求。对现有的一些视频数字水印算法进行分类比较，综合 对比了各种算法的优点以及不足，并对相应改进算法进行了分析。最后，针对现 有视频水印算法所存在的问题，分析得出了视频水印算法及技术在设计时存在的 难点。在进行视频水印算法设计时，要充分考虑到视频水印的特殊性以及可能遇 到的问题，有针对性的设计出复合要求的、鲁棒性、不可感知性以及水印嵌入量 均衡的视频水印算法。 第三章m p e g 4 编码标准 1 7 第三章m p e g - 4 编码标准 数字视频的数据量非常大，如果不经过压缩，数字图像传输所需的高传输速 率和数字图像存储所需的巨大容量将成为推广应用数字图像通信的最大的障碍， 这就是要进行视频压缩的根本原因。 m p e g 4 标准代表了基于模型对象的第二代压缩编码【r 7 】技术，与m p e g 1 和m p e g 2 相比，m p e g 4 更加注重多媒体系统的交互性和灵活性，主要应用于 视频电话( v i d e op h o n e ) ，视频电子邮件( v i d e oe m a i l ) 和电子新闻( e l e c t r o n i c