（计算机软件与理论专业论文）数字视频水印技术研究.pdf

摘要随着多媒体技术的飞速发展，数字多媒体信息的应用得到了很大普及，越来越多的人享受到了数字多媒体信息给人们带来的便利。然而凡事有利也有三分弊，通过网络和其他渠道便利地获得了数字媒体信息后，篡改者却可以运用一些先进的处理软件，对获得的数字产品进行各种各样的篡改，从而使得数字产品的产权不能得到有效地保护。保障数字多媒体信息的安全是信息时代一个十分重要的课题，多媒体信息应用越广，其安全工作也就越来越重要。数字视频水印技术是通过将水印技术运用于数字视频产品中，对数字视频产品进行加密，从而起到保护数字视频产品版权的作用。但是目前数字视频编码格式又各有差异，针对于视频的人眼视觉模式也没有很好的建立起来，这就使得视频水印技术发展很难满足人们对其的需求。尽可能多地研究出更多更好的数字视频水印技术十分地迫切。为此本文对数字视频水印技术进行了研究，并从以下三个方面进行了相关的研究工作：( 1 ) 首先对h 2 6 4 视频编码中与水印嵌入相关的关键技术进行了研究，接着从数字视频水印目前的研究现况、以后的发展趋势、嵌入视频水印遇到的困难、水印方案具体应该考虑的问题以及完成视频水印后的整个水印系统的性能评测等进行了分析。( 2 ) 总结和分析了前人关于数字视频水印技术的一些研究成果，并在此基础上对一些算法进行了一些改进，提出了一种新的双水印算法。这种双水印算法综合考虑了h 2 6 4 视频编码的格式特点，通过修改视频信息i 帧的d c t 的中高频系数来嵌入鲁棒水印进行版权保护，另外修改p 帧的运动矢量预测差值，进而嵌入脆弱水印以进行内容认证。( 3 ) 随着多水印技术的运用，水印与水印之间共存后的相互影响问题就越来越突出了，本文对数字视频双水印技术中一个水印的嵌入可能会给另外一个水印的嵌入带来的影响进行了分析。关键词：数字水印，视频水印，h 2 6 4a b s t r a c ti nt h ew a k eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h eu s eo fd i g i t a lm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ni sw i d e s p r e a d e d ，m o r ea n dm o r ep e o p l ee n j o yt h ec o n v e n i e n c e b u te v e r y t h i n gh a sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，t h et a m p e rt h r o u g ht h en e t w o r ka n do t h e rm e t h o dc o u l df a c i l i t a t ea c c e s st ot h ed i g i t a lm e d i ai n f o r m a t i o n ，a n dt h e nt h e yc o u l db ea l t e r e dt h ed i g i t a lm e d i ai n f o r m a t i o nb yu s es o m ea d v a n c e dp r o c e s s i n gs o f t w a r e t h ep r o p e rr i g h t so fd i g i t a lp r o d u c t sc a nn o tb ee f f e c t i v e l yp r o t e c t e d p r o t e c t i o no fd i g i t a lm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns e c u r i t yb e c o m e sav e r yi m p o r t a n tt o p i ci nt h ei n f o r m a t i o na g e m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o na p p l i c a t i o n sm o r ew i d e l y , i t ss e c u r i t yw o r ki si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t h o u g he m b e d d i n gw a t e r m a r k i n gi n t od i g i t a lv i d e op r o d u c t s ，c o u l de n c r y p t i n gt h ed i g i t a lv i d e op r o d u c t ，a n dh e l p i n gp r o t e c tt h ec o p y r i g h to ft h ed i g i t a lv i d e op r o d u c t s ，i ti sc a l l e dd i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y o w i n gt oo n ek i n d so ft h ev i d e oe n c o d i n gf o r m a t si sq u i t ed i f f e r e n tf r o ma n o t h e ra n dt h eh u m a nv i s u a ls y s t e mf o rv i d e om o d e l sa r en o te s t a b l i s h e dw e l l ，v i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yc o u l d n tm e e tt h en e e d so fp e o p l e a sm u c ha sp o s s i b l et op r e s e n tm o r ea n db e t t e rd i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi si nu r g e n td e m a n d i nt h i sp a p e r , s o m ed i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ns t u d i e da n dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r kc a r r i e do u ti nt h r e ea r e a s ：( 1 ) i nt h i sp a p e r , t h ev i d e oc o d i n gt e c h n o l o g yr e l a t et ot h ew a t e r m a r ke m b e d d e dh a v eb e e na n a l y s i s e d a n dt h e na n a l y s i st h er e s e a r c hs t a t u s ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ev i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed i f f i c u l t i e se n c o u n t e r e di ne m b e d d i n gv i d e ow a t e r m a r k s ，t h ep r o b l e mh o wt oe m b e dw a t e r m a r ka n dt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fv i d e ow a t e r m a r k i n gs y s t e m ( 2 ) t h ec u r r e n tm a i n s t r e a md i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi ss u m m a r i z e da n da n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，an u m b e ro fa l g o r i t h m sm a d es o m ei m p r o v e m e n t s ，a n dp r o p o s e dad i g i t a lv i d e od o u b l ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y d i g i t a lv i d e od o u b l ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yu t i l i z a t i o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh 2 6 4v i d e oc o d i n g ，e m b e dt h er o b u s tw a t e r m a r k i n gi nt h eif l a m eb ym o d i f y i n gt h em i d h i g hf r e q u e n c yd c tc o e f f i c i e n tf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o n ，e m b e dt h ef r a g i l ew a t e r m a r ki nt h em o t i o nv e c t o ro ft h ep - f l a m et ot h ei n t e g r i t yo fc e r t if i c a t i o n ( 3 ) w i t ht h eu s eo fm u l t i p l ew a t e r m a r k i n g ，t h ei n t e r a c t i o no fm u l t i p l ew a t e r m a r k i n gc o e x i s ti n c r e a s i n g l yh i g h l i g h t e d ，a n di nt h i sp a p e r ，w ea n a l y z et h ep r o b l e m ：aw a t e r m a r ke m b e d d i n gm a ya f f e c ta n o t h e rw a t e r m a r ke m b e d d i n g k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，v i d e ow a t e r m a r k i n g ，h 2 6 4湖南师范大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：豢遣晕二口，口年易月6 日湖南师范大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本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和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密留。( 请在以上相应方框内打“ )作者签名：祭断日期洲j - 碑易月占日导师签名： 函q 芝日期：动，口年易月7 日数字视频水印技术研究1 1 研究背景第一章绪论随着多媒体技术的飞速发展，数字多媒体信息的应用得到了很大普及，越来越多的人享受到了数字多媒体信息给人们带来的便利。然而凡事有利也有三分弊，通过网络和其他渠道便利地获得了数字媒体信息后，篡改者却可以运用一些先进的处理软件，对获得的数字产品对进行各种各样的篡改，从而使得数字产品的产权不能得到有效地保护。保障多媒体信息安全的其中一种重要手段就是数字水印。数字水印是通过在原始数字产品中嵌入秘密信息( 即水印) 实现版权保护和真实性、完整性认证的。保障信息安全的实现形式很早就开始了，例如我国的古代藏头诗和古希腊的隐写术，但真正标志着数字水印这一领域的开始足v a ns c h y n d e l 在1 9 9 4 年发表的题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k i n g 的论文【l 】，其后与数字水印相关的国际学术会议信息隐藏学术研讨会连续举办了多届，许多专家学者也发表了一系列高质量的数字水印论文。我国也对信息安全领域非常重视，先后已经举办了9 届全国信息隐藏学术研讨会，使得越来越多学者投入到了这个领域中来。数字视频水印技术是将水印技术运用于数字视频产品中，从而对硕士毕业论文数字视频信息进行加密以便保护数字视频产品的版权。随着目前数字视频产品等多媒体信息的大量使用，市场上也迫切需要对数字视频产品进行加密保护。然而由于水印嵌入时必须考虑到如何更好地与视频编码结合起来，而视频编码又因为不断的发展而会发生变化，新发展的一些视频编码关键技术可能会限制水印的嵌入技术的使用，正是基于这些原因，使得在数字视频产品中要嵌入合适的水印难度比较大；而另一方面针对于视频的更加精确的人眼视觉模式还没有完全地建立起来，没有一个很好的标准在视频中找一个较好的区域进行水印的嵌入，因此在数字视频产品中嵌入水印的方法选择上受到了较大的限制 2 1 。也正因为还有很多技术上的工作没有得到很好的解决，而数字视频水印技术又将应用于越来越多的地方，这就给研究工作带来许多的机遇，同时也更是一种挑战。1 2 数字水印技术数字水印技术是随着信息技术的发展而迫切要求产生的一门新兴应用技术，这种技术包含了多学科的交叉运用，不但涉及到数学理论、图像处理、密码学的基本理论和思想，还可能会用到信息论、编码理论等知识【3 】。数字水印技术是信息隐藏技术发展过来的一个分支。它的基本思想是将一些秘密的信息隐藏在数字图像、音频和视频等数字产品中并不为人眼耳朵所感知【4 1 ，从而使得图谋不轨之人不能够对数字产品进行修改，保护了数字产品的版权；即使在某些情况下数字产品在流通中被修改了，也能够被检测出来，实现对数字产品的数字视频水印技术研究真实性、完整性认证。1 2 1 数字水印系统的基本原理数字水印可以是嵌入到数字产品中的一段有含义的文字，也可以是反映某些特征的一个标识，还可以是一个没有任何意义的随机序列等，它通过事先定义好的原始信息在密钥的控制下通过水印生成算法生成 5 1 。形成水印后，就可以运用合适的嵌入算法在数字产品进行水印的嵌入，最后得到包含有数字水印的数字产品了。这就是数字水印生成的大体流程。数字水印生成后，并不影响原数字产品的使用和传播，但在有些隋况下，需要将水印从数字产品中提取出来进行认证。这时就要利用水印的检测和提取算法对含有水印的数字产品进行水印检测提取。如果算法设计得好，经过水印的检测和提取算法提取的水印与原嵌入水印的相似度很高，甚至基本相同【6 l 【8 1 。数字水印的生成和提取检测构成了数字水印系统的基本原理，可以用图1 1 和图1 2 来表示：图1 1 数字水印的生成硕士毕业论文图l - 2 数字水印的提取和检测1 2 2 数字水印的基本特性由于数字水印应用十分的广泛，数字水印的种类有很多，根据不同的方法划分就会有不同的种类。根据嵌入数字产品的水印是否可见一般可以分为可见水印和不可见水印。根据水印的生成是否依赖于原始数字产品一般可以分为自适应水印和非自适应水印。根据嵌入水印的抗攻击能力可以分为鲁棒水印、脆弱水印和半脆弱水印。根据水印检测时是否需要原始数字产品可以分为盲检测水印和检测水印两种。根据水印嵌入的原始数字产品不同可以分为数字图像水印、数字音频水印、数字视频水印、文档水印等【2 】o数字水印作为一种信息隐藏技术，不但要求能够实现保护版权、进行真实性完整性认证等目的，还必须要求数字水印算法能与数字产品完美的融合，在水印嵌入后不能影响到数字产品本身的质量，以保证含有数字水印的数字产品能够正常的使用存储和传输。这就对数字水印提出了一些特别的要求，也就使数字水印具有一些不同于其它信息技术的特性。( 1 ) 隐藏性隐藏性是指在经过水印嵌入算法将水印嵌入到数字产品中后，包含水印的数字产品与原始数字产品相比，产品质量不会有数字视频水印技术研究明显的下降，人眼无法从感官上判断出包含水印的数字产品与原始数字产品的不刚9 1 。除了特别情况使用的可见水i ；l l j , b ，一般常用的不可见数字水印要求嵌入后的水印是不能被人眼主观的看到和发现，不然水印的设计就是失败的。( 2 ) 免疫性免疫性 1 1 是指对于已经嵌入了水印的数字产品在经过各种处理操作( 例如有损压缩、几何变形等) 和攻击操作( 例如篡改等)后仍然能够通过检测提取算法提取出水印的一种能力。对于要进行版权保护的数字产品来讲，这是一个非常重要也是必须要保证的一个特性，不然进行的水印嵌入就达不到所要求的版权保护的目的。但免疫性并不是数字水印技术必不可少的一个特性，因为在进行某些情况下，例如进行完整性认证时，反倒要求数字水印不是免疫的，一旦含有数字水印的数字产品受到任何攻击时水印将会被破坏，在水印提取时就会发现到水印的改变，从而得知数字产品的不完整。( 3 ) 不可检测性在设计水印时应该对水印利用密钥进行加密处理，对数字产品进行水印嵌入时，设计的嵌入算法也应该使得含有水印的数字产品与原始数字产品具有一致的一些特性，让水印和数字产品很好地融合，即使得数字产品在传输过程即使被恶意地拦截，并知道了水印的嵌入算法后，也无法将水印正确的检测和提取出来。( 4 ) 安全性硕士毕业论文对于进行版权保护的鲁棒数字水印来说，设计的水印嵌入算法应该能够承受较强的攻击能力，即使在一些情况下遭到各种人为的恶意攻击也能够使得水印不被破坏 1 0 】。保证了水印的安全，也就保障了数字产品版权的安全。另外水印的不同用途会使水印具有一些不同的特性，例如在数字视频水印中，还要求在嵌入水印时，考虑到水印与视频在时间和空间上的同步关系，要能够进行实时的编解码。1 3 数字视频水印的研究现状随着信息技术的快速发展，使得数字多媒体信息得到了广泛地运用，越来越多的人能够享受到数字多媒体信息给人们带来的便利之外，保障数字多媒体信息的安全也就成为越来越重要的工作。数字水印技术是将水印技术运用于数字多媒体信息中，能够对数字多媒体信息的版权进行保护和对数字多媒体信息的内容进行完整性、真实性认证。其中数字视频水印技术是数字水印技术的一个重要方向，简单来说就是将数字水印技术应用于视频数字产品中。当然要设计和实现一个合适的数字视频水印算法要综合考虑各种因素，难度比较大。这是因为目前针对视频的更为精确的人眼视觉模式没有完全建立起来，在不牺牲视频质量的情况下，嵌入一个鲁棒性较好的水印比较困难。另外视频序列会遭到比图像水印更多的的攻击( 如帧重组等) ，设计水印时要考虑到水印能够抵抗这些的攻击。同时视频水印算法要考虑到水印与编码的良好结合，在嵌入水印时必数字视频水印技术研究须要考虑到实时或接近实时的要求，考虑到抵抗几何失真和随机掉帧等问题，让水印和视频保持空间和时间上的同步关系，不然设计出来的水印可能就达不到目鲥1 1 h 13 1 。针对目前的紧迫形势和视频水印算法的独特要求，许多数字视频水印算法被提了出来。z h uw e n w u 等1 4 1 提出了一种基于小波域的多分辨视频水印算法，这种算法先是利用了小波变换进行多分辨率分解视频图像帧，然后利用空间域频率域掩盖效应以及时间域特性在不同分辨信号中动态地嵌入水印信息。基于小波域的多分辨视频水印算法是将水印信息直接嵌入到原始视频流中一种典型水印嵌入方式。将水印信息直接嵌入到原始视频流算法的嵌入方法很多，基于空间域时间域频率域的大多数算法都可以应用到此方法中。但是这一类的数字视频水印算法在视频编码过程中的量化处理后会造成部分水印信息的丢失。g a n gq i u ，p i n am a r z i l i a n o ，a n t h o n y t s h o 等【1 5 1 提出了一种基于h 2 6 4 的混合数字视频水印方法，这种算法将鲁棒水印嵌入到d c t 域中、同时将脆弱水印嵌入到运动向量中，实现了h 2 6 4 视频产品的版权保护和内容的完整性认证。这种在d c t 域中嵌入水印的混合数字视频水印算法较好地溶到了h 2 6 4 的视频编码系统中，通过利用视频编解码过程中的各种信息，较好地保证了嵌入水印的鲁棒性。g e r r i tc l a n g e l a a ra n dr e g i n a l dl l a g e n d i j k 等 1 6 1 提出了一种利用v l c 编码进行水印嵌入的视频水印算法。这种算法利用视频编码的v l c 码表构造特点，在编码的调整码流a c 系数中的v l c 编码的最低有效位嵌入水印，水印不经过编码和解码，不会对视频图像的质量硕士毕业论文产生较大的影响。但是这种算法实现的难度比较大，成本很高。1 4 本文的研究内容本课题对h 2 6 4 视频编码中与水印嵌入的相关关键技术进行了研究，接着从数字视频水印目前的研究现况、以后的发展趋势、嵌入视频水印应该考虑的问题以及完成视频水印后的整个水印系统的性能评测等进行了分析。总结和分析了前人关于数字视频水印技术的一些研究成果，并在此基础上对一些算法进行了一些改进，提出了一种新的双水印算法。这种双水印算法综合考虑了h 2 6 4 视频编码的格式特点，通过修改视频信息i 帧的d c t 的中高频系数来嵌入鲁棒水印进行版权保护，另外修改p 帧的运动矢量预测差值，进而嵌入水印以进行内容认证。接着对数字视频双水印技术中一个水印的嵌入可能会给另外一个水印的嵌入带来的影响进行分析。1 5 论文的组织结构本文一共分为5 章，具体的内容如下：第一章绪论，主要对课题的研究背景，研究现状进行了概述和分析，并对数字水印技术的进行了介绍。第二章讲述的是与本课题研究的视频水印相关的h 2 6 4 视频编码标准中的一些关键技术，包括h 2 6 4 的编解码框架、与水印嵌入有关的关键技术等。第三章总结了数字视频水印常用的生成技术、嵌入技术、数字视数字视频水印技术研究频水印的分类等，同时分析了嵌入视频水印时遇到的困难、数字视频水印方案应该考虑的问题以及其性能评测。第四章总结和分析了前人关于数字视频水印技术的一些研究成果，并在此基础上对一些算法进行了一些改进，提出了一种新的双水印算法。这种双水印算法综合考虑了h 2 6 4 视频编码的格式特点，通过修改视频信息i 帧的d c t 的中高频系数来嵌入鲁棒水印进行版权保护，另外修改p 帧的运动矢量预测差值，进而嵌入脆弱水印以进行内容认证。最后对数字视频双水印技术中一个水印的嵌入可能会给另外一个水印的嵌入带来的影响进行了分析。第五章总结了本文所做的主要工作，同时对下一步要做的研究工作进行了展望。数字视频水印技术研究第二章h 2 6 4 视频编码技术2 1 视频编码技术基础视频信息是很重要的一种多媒体信息，一段视频信息可能包含语言信息、图像信息、文本等，所以相比之下，视频信息所携带的信息量是非常大的，要使视频信息能够方便地在有限带宽的网络下进行传播，在有限的网站空间里播放效果优秀的视频信息，就要对视频信息进行压缩处理。对视频信息进行压缩编码一般可以分为无损、有损和混合编码三种方式【1 7 1 。视频的无损压缩编码方法就是说经过无损压缩编码的视频信息可以通过一些方式没有偏差的恢复过来。对视频进行无损压缩编码常用的编码方法有霍夫曼编码，另外算术编码和行程编码等也属于视频无损压缩编码【1 8 】。其中霍夫曼编码是可以说是一种最佳的无损压缩编码方法，它的基本原理是让编码器对编码过程输入的信息符号可能会出现的概率进行统计，输出码字概率大的信息符号在编码过程使用得更加频繁，分配码字较短的二进制码，输出码字概率小的信息符号在编码过程中相对来说使用得很少，就分配码字较长的二进制码，通过这种霍夫曼编码以较少的空间存储了更多的信息，从而达到了压缩编码的目的。与无损压缩编码不同，视频的有损压缩编码方法是一种不可逆硕士毕业论文的，即对视频进行有损压缩后无法再完全恢复到原始信息的那种状态和质量，它利用了人体视觉系统对图像中的一些成分不是很敏感的特性，从而通过某些算法损失那些不是很敏感的视频信息来达到压缩的目的。有损压缩编码方法虽然损失了视频图像中的部分信息，但压缩后的视频获得了较大的压缩比，节约了存储空间和传输宽带，方便了视频信息的传播，这种小的损失带来日常生活的更大便利是非常值得的。有损压缩编码最常用的编码方法是变换编码，另外预测编码也经常得到了使用。变换编码不同于无损压缩编码直接对空间图像信号编码，而是先对空域图像信号进行变换，让这些空域图像信号映射到另一个正交矢量空间即变换域中，也就是说将图像像素值转变成了一组非相关的系数，接着再对这些系数进行量化和编码，去除冗余信息，从而来达到压缩编码的目的。变换编码技术应用很广种类很多，傅立叶变换、离散余弦变换( 即d c t 变换) 、小波变换等等都属于变换编码。预测编码则试图从图像数据的空间和时间相关特性寻找规律，通过相邻像素或相邻图像块像素值的特点来预测当前要编码的像素或图像块的值。常用的预测编码方法有帧间预测、运动估计等。2 2h 2 6 4 视频编码技术随着各种基于网络的视频信息在网页中的应用，人们希望能够获得较小的容量但拥有高清的视频图像质量，鉴于这样的原因，j v t( j o i n tv i d e ot e a m ) 在以往视频编码技术的基础上制定了最新的视频编码国际标准一h 2 6 4 视频编码技术。相比较以前的编码标准，h 2 6 4数字视频水印技术研究采用了很多新的技术，例如去除帧内冗余信息的多种新的帧内预测方法、更加精确的4 4 整数变换技术等。通过采用这些新技术之后，可能在某种程序上增加了计算复杂度增加了处理时间，但是却大大提高了压缩比，提高了实际应用价值，相比较而言，h 2 6 4 编码技术比以往的一些编码标准提高了约一半的的比特率，真正让视频信息在高比特率的情况下也拥有了显示效果十分优秀的图像质量。2 2 1h 2 6 4 视频编码主要的技术特征( 1 ) h 2 6 4 编解码结构功能框架h 2 6 4 视频编码算法在概念层次上可以包含视频的编码层( v c l ，v i d e oc o d i n gl a y e r ) 和网络的提取层( n a l ，n e t w o r ka b s t r a c t i o nl a y e r ) 两层。其中v c l 主要用来负责如何更好的将高效的视频内容表示出来，基于这样的原因，v c l 采用了以往比较成功的编码方案如基于d c t 变换的残差编码等，还优化了运动补偿算法等。n a l 主要负责按照网络所要求的方式对数据进行处理，以便根据不同特性的网络要求对码流进行不同格式的数据封装【1 7 】。由视频编码层和网络提取层所组成的h 2 6 4 编解码结构功能框图可以用图2 1 来表示：硕士毕业论文图2 1h 2 6 4 编解码结构功能框图( 2 ) 4 4 整数变换技术h 2 6 4 视频编码为了将视频图像中的变换块划分得更加细小也更为精确，对残差数据的变换编码采用了比以往更为精确的4 x4 整数变换【1 9 】。相比以前编码中采用的8 8 变换技术，4 4 整数变换技术不管是从性能上还是从视频的质量上都有了很大的改进。( 3 ) 多种帧内预测h 2 6 4 视频编码采用了多种帧内预测，如4 4 亮度块有9 种可选帧内预测模式，1 6 1 6 亮度块和8 8 色度块也都有4 种；另外h 2 6 4 视频编码能够对编码宏块进行不同模式的帧内预测和并对预测误差的信号进行d c t 变换，从而避免了帧内编码造成的码率不平稳现象。( 4 ) 多模式高精度帧间预测在h 2 6 4 视频编码中进行的帧间预测是利用视频信息中的时间相关性通过相关算法来去除了时间冗余数据的一种方式。宏块是进行预测的基本单元，而在进行帧间预测时对宏块的划分又可以分为1 61 4数字视频水印技术研究1 6 、1 6 8 、8 1 6 、8 8 、8 4 、4 8 、4 4 共七种不同的模式【2 0 1 ，这种帧间预测是多模式高精度的，在具体编解码时极大地提高了运动估计的精确程度。( 5 ) 统一的熵编码h 2 6 4 视频编码一般采用的是统一可变长编码进行熵编码，同时也提供了一种性能更为优秀的方法一基于内容自适应的二进制算术编码器的熵编码方式，但这种方法的复杂度远高于第一种方法，运用不是很广。2 2 2h 2 6 4 视频编解码框架h 2 6 4 视频编码是有损压缩编码方式，采用的是变换和预测的混合编码方式，h 2 6 4 视频编码虽然也采用了以往视频编码中的许多技术，但对每个功能模块的实现细节进行了优化，更加实用。另外h 2 6 4视频编码只提供了一种建议并没实现具体的编解码算法，但定义了编码后的视频比特流的句法以及该比特流的解码方法。h 2 6 4 建议的编码器的具体功能框架可用如图2 - 2 来表示：图2 - 2 编码器功能框架图硕士毕业论文从图2 - 2 可以看出码流在整个h 2 6 4 的编码器中要经过的几个具体流程。其中如果编码器采用的是帧间预测编码方式，那么在预测过程中可以先提取当前片或当前宏块中已经编码过的参考帧，接着对所得的参考帧进行运动补偿得到帧间预测的预测值。得到当前宏块的预测值后并不能直接使用，还要再减去当前宏块的值后得到一个预测残差块见。为了去除帧内空间信息的一些冗余信息，可以将残差块b进行块变换、量化等一系列的处理，处理后产生了一组量化后的变换系数x ，这个变换系数x 再经过重排序熵编码等处理后与解码所需的一些头信息按h 2 5 4 建议所要求的方式进行组合，形成压缩后的码流，最后的码流就可以供网络提取层使用te 2 1 1 。h 2 6 4 建议解码器的具体功能框架可用如图2 - 3 来表示：图2 3 祥码器功能框架图解码过程有点类似于编码过程的逆处理，同样也是以帧间预测为例，首先解码器要从网络提取层接收到码流，码流在去除一些头信息后经过熵解码重排序后会得到一个变换系数，这个变换系数在编码时为了消除一些空间冗余信息而进行变换量化处理产生的，解码过程就要对其进行反量化、反变换处理，反量化反变换处理后就得到了块的残差数据d 。；接着将残差d7 。与从解码该比特流时产生的预测块进行相加操作，将完成操作后的值再经去块滤波器滤波，最后就得到1 数字视频水印技术研究了解码所得的最终图像2 1 1 。2 2 3h 2 6 4 视频编码中的关键技术( 1 ) 4 4 亮度块帧内预测模式与以往的视频编码一样，h 2 6 4 视频编码在i 帧也采用了帧内预测编码模式，编解码都不必采用其他参考帧。与此同时，h 2 6 4 在帧内预测编码模式中进行了优化，通过相邻像素的相关性去除了一些空间信息的冗余，达到了比以前编码更好的压缩比。在h 2 6 4 视频编码中，不同的编码块有多种不同的帧内预测模式，如同是亮度块，4 4 编码块和1 6 1 6 编码块就分别有9 种和4 种可选帧内预测模式。对于h 2 6 4 视频编码在什么样的情况下选择怎样的预测类型很重要。4 4 预测模式由于相对而言更为精确一般可以用于含有较多空域细节信息的宏块，而1 6 1 6 的预测模式无法做到那么精确只能用于较平坦的区域。4 4 预测模式是h 2 6 4 视频编码采用的新技术，图2 4 表示了4 4 亮度预测模式以及用于预测的邻近像素标号，其中小写字母a p 和大写字母a q 分别表示当前正在编码的亮度块像素和已经编码并重建后的可以作为预测的像素。在4 4 亮度预测模式中，当m p 等左下块像素没有在图像中时就用l 像素的值来代替，当m , - p 等左下块像素不在当前编码片时，也可以用l 来代替；同样的情况，e h 像素可以用d 来代替。4 4 亮度块就是通过这样的方式来进行预测的。硕士毕业论文efg h图2 44 4 亮度编码块以及用于预测的邻近像素标号4 4 亮度编码块从模式0 到模式8 共有9 种可选帧内预测模式，其中模式2 为d c 预测模式，在d c 预测中的预测值计算可以描述为：如果左边的i 、j 、k 、l 像素和上边的a 、b 、c 、d 像素都在图像帧内，那么每个像素的预测值一般可以定义为a 、b 、c 、d 、i 、j 、k 、l 这8 个像素值的均值；如果左边像素在图像帧内而上边像素不在图像帧内，则每个像素的预测值可以定义为像素i 、j 、k 、l 这4 个像素值的平均值；如果上边像素在图像帧内而左边像素不在图像帧内，则每个像素的预测值可以定义为像素a 、b 、c 、d 这4 个像素值的均值；如果上边和左边的像素都不在图像帧内，则每个像素的预测值可以定义为一个恒值1 2 8 。qijklmnop数字视频水印技术研宄心房一。r 75图254 4 亮度预测的8 个不同方向图2 - 5 表示的是4 4 亮度其余8 种预测模式的8 个预测方向。这8 种模式的每个像素的预测值就可以通过这8 个方向和图3 - 4 对应起来计算得到。例如在模式0 ( 垂直预测) 中，如果上边的a 、b 、c 、d 在图像帧内，则c 、g 、k 、0 像素的预测值为c ，a 、e 、i 、m 像素预测值为7 q ”i 。4 4 亮度的这9 种预测模式可以用图2 - 6 来表示。呼洱早霉皿阿正日正囝珂呼亚日亚亚i l | li +i同l l 闭吲r曰i | | i 时一曰”l l )剀+ + +匹卜一划而而而丽阿商希衙币同阿洞币聊驴滕一黔紧鼢严彩。硕士毕业论文图2 - 64 x4 亮度的9 种预测模式( 2 ) 多模式高精度运动估计在以往的视频编码中帧间预测一般采用的是基于块的运动补偿技术，h 2 6 4 标准也采用了这种技术。这种技术从一个或多个先前编码的图像帧中产生一个预测模型，从而去除了图像的时间相关性。另外在h 2 6 4 标准的帧间预测中增加了一些新的特性：支持多模式运动补偿和更加精确的1 4 像素运动矢量精度。其中在多模式运动补偿技术中，一个宏块可以被划分成多个不同尺寸的子块，子块还可以划分为更小的子块，而且每个子块都可以有单独的运动矢量。2 3 本章小结本章首先对视频编码技术进行了简要的介绍，接着研究了与本文相关的h 2 6 4 视频编码标准的编解码框架，h 2 6 4 视频编码中的4 4 亮度块帧内预测模式，多模式高精度运动估计等关键技术，为根据视频编码特性进行水印的嵌入奠定了基础。数字视频水印技术研究第三章数字视频水印技术3 1 数字视频水印技术简介在我们日常生活中，随着信息技术的快速发展，数字视频产品得到了大量的使用，人们不但可以从网络中快速地获得各种视频信息，还可以将数字视频信息置于网页中以便随时观看。随着各种视频产品信息渗透到我们生活中的每个角落，相应的数字视频产品的版权保护就显得十分的重要。数字视频水印技术是通过在数字视频内容中嵌入数字水印，使得数字视频产品得到版权的保护和进行内容的真实性、完整性认证。一个数字视频水印系统首先应该对原始信息利用密钥控制并经过水印生成算法生成一个合理的加密水印。接着针对具体的视频编码结构，在视频中适当区域的适当位置设计一个合理的水印嵌入算法进行水印的嵌入。最后对己嵌水印的数字视频产品按照水印检测和提取算法进行水印的检测和提取 2 3 】 2 5 1 。下面就视频水印中常用的生成、嵌入、检测和提取技术分别进行阐述。3 1 1 数字视频水印的生成技术数字视频水印处理首先要选择好合适的原始水印信息并利用密钥并经过水印生成算法生成一个合理的加密水印。由于水印的生成关系到以后整个水印系统的优劣，因此在设计水印时要考虑到：一个好2 l硕士毕业论文的数字视频水印算法生成的水印应该具有不可预测的随机性，保证让恶意者即使得到含水印的视频信息和水印嵌入算法也无法获取水印。因此生成水印的原始序列也应该尽量选择是随机序列的【2 6 】 【2 7 1 。其中用得比较多的构成水印的随机序列有：高斯白噪声序列；具有一些周期性和规律性的伪随机序列；二值图像、声音等等。这些随机序列具有很强的不可预测性，是作为水印的很好的原材料。但这并不意味就可以直接拿过来用了。为了适应于具体嵌入载体的水印嵌入算法，还要对这些随机序列进行一些变换。例如要将一个二维图像嵌入到一维的数字信号中，必须对二维图像要先进行降维处理转变成一维序列再进行嵌入【2 8 1 。数字视频水印生成技术通过选择合适的原始水印，然后在密钥的控制下将原始水印信息通过水印生成算法生成合适的待嵌入水印信号。图3 1 表示的是视频水印生成过程。原始信息m原始视频序列x待嵌入视频的水印信号w罾铡k图3 - 1 视频水印生成结构图3 1 2 数字视频水印的嵌入提取技术生成好了视频水印后，就可以考虑对视频水印进行嵌入了，主要的水印嵌入算法有时间空问域水印嵌入算法、变换域水印嵌入算法、压缩域水印嵌入算法。其中时空域嵌入算法是将生成好了的水印信息数字视频水印技术研究嵌入到视频信息的时间域或空间域中。这类算法对攻击的时间或空间位置具有很好的定位能力，多用于内容认证或篡改提示，脆弱水印和半脆弱水印算法就属于时间空间域压缩算法。变换域算法是通过一定的算法修改视频信息中的变换域系数来实现水印的嵌入。这类算法很好地与视频标准结合起来，实现方法简单，鲁棒性很好。离散余弦变换、离散小波变换、离散傅立叶变换等都属于变换域算法。压缩域算法是在视频编码之后解码之前的视频压缩码流中嵌入水印信息。这类算法不用完全解码和重新编码过程，多用于数字电视广播和视频点播技术中，m p e g 压缩算法就是属于压缩域算法【2 9 】【3 l 】。3 2 数字视频水印的分类数字视频水印技术作为数字水印技术的一个重要的研究方向，可以按照数字水印的分类进行相应的划分，但由于数字视频的一些独特性，也可以进行一些其他的划分。( 1 ) 根据水印嵌入到具体数字视频编码系统的不同位置可以将数字视频水印技术分为前置视频水印技术、内置视频水印技术和后置视频水印技术 3 2 】。其中前置视频水印技术是在未经过编码的视频数据里直接运用水印嵌入算法进行水印的嵌入，嵌入水印后的数字视频产品再经过压缩进行存储和传输。前置视频水印技术是基于原始视频序列的，整个水印的嵌入过程是发生在视频编码之前，各种时空域水印算法和频域水印算法都可以运用其中，但要考虑的是问题是嵌入水印后的视频要硕士毕业论文能够经得起有损压缩，不然嵌入的水印可能就会在视频编码压缩时发生改变和丢失【3 3 1 。前置视频水印算法的结构图如图3 2 所示：图3 2 前置视频水叩算法的结构图数字视频水印技术还可以将水印算法和具体的视频压缩标准相结合，然后在压缩视频中嵌入水印，这就叫做内置视频水印算法。内置视频水印算法是在视频编码结构中嵌入水印，整个水印的嵌入是发生在视频编码过程中的。内置视频水印算法可以很好地和压缩编码结合成一个整体，而且实现方法也比较简单，具有较强的鲁棒性，但是具体编码标准算法却也限制了内置视频水印算法的选择。内置视频水印算法的结构图如图3 3 所示：图3 3 内置视频水即算法的结构图数字视频水印技术若是在视频编码得到的位流中嵌入水印，水印嵌入过程是发生视频编码之后，这就是后置视频水印算法。后置视频水印算法不经过编码和解码的过程，只要在保证能够嵌入水印的情况下，绝对不会对视频质量产生影响，但是视频编码中压缩视频的位流中本身比较小，并没有足够的数据冗余，水印嵌入的容量有限，要真正实现这样的水印算法成本可能比较高，这就限制了更多水印算法的，4数字视频水印技术研究运用。后置视频水印算法的结构图如图3 4 ：图3 4 后置视频水印算法的结构图( 2 ) 根据水印嵌入域可以分为时空域数字视频水印技术和变换域数字视频水印技术。时空域数字视频水印技术主要是利用了时空域的特性，用待嵌入的水印信息替换原始视频信号中的一些冗余部分。变换域数字视频水印技术则是将水印嵌入到原始视频信号中的某个变换域( 如d c t 域和变换域) 上。3 3 数字视频水印遇到的困难及水印方案应考虑的问题一个合适的数字视频水印方案能够很好地对数字视频产品进行版权保护和内容认证。但将数字水印嵌入到视频信息中并不是一件容易的事，会遇到很多的困难：首先水印嵌入时必须考虑到如何更好地与视频编码结合起来，而视频编码又因为不断的发展而会发生变化，新发展的一些视频编码关键技术可能会限制水印的嵌入技术的使用，正是基于这些原因，使得在数字视频产品中要嵌入合适的水印难度比较大；而另一方面针对于视频的更加精确的人眼视觉模式还没有完全地建立起来，没有一个很好的标准在视频中寻找一个较好的区域进行水印的嵌入，因此在数字视频产品中嵌入水印的方法选择上受到了较大的限制。2 5硕士毕业论文此外，数字视频水印技术作为一种不同于静止图像水印的数字水印技术，由于视频序列本身的一些特性，在水印的嵌入和提取时都应该有着不同于图像水印技术的考虑。数字视频水印方案具体应考虑的问题有：( 1 ) 水印嵌入和提取时应该考虑的实时性问题数字视频水印技术在水印的嵌入和提取中必须保证是实时完成的，不能因为水印的嵌入和提取过程中的不实时处理而影响视频图像的质量。实时性是一种数字水印算法能否应用于视频编码中的关键。为了保证水印嵌入和提取是实时或接近实时的，就有必要要求水印嵌入和提取算法尽量具有低复杂度 3 4 1 。当然不同应用要求会有不同的考虑，会有不同的侧重点。如果数字视频水印产品会有多个接收端来提取水印，应该将水印的提取处理过程设计得相对比较低。相反，如果在多个接收者要嵌入水印进行身份标识或认证，水印提取只发生在一些标识冲突的情况下，就可以考虑将水印嵌入处理过程的复杂度设计得比较低，而水印提取处理过程的复杂度相对设计得高一点。( 2 ) 水印的安全问题一般水印信息嵌入到高质量的数字视频产品后的应该是不可见的，但这并不是说嵌入的水印信息就是安全的。数字视频水印应该能够承受各种几何