（计算机应用技术专业论文）视频水印技术在多媒体课件中的研究与应用.pdf

湖北工业大学硕士学位论文摘要数字视频水印技术是目前信息安全领域研究的一个新方向，是一种可以在开放的网络环境下保护数字作品的版权、认证来源及完整性的新技术。创作者的创作信息和个人标志通过数字水印技术以人所不可感知的形式嵌入在数字产品中，从表面上人们无法感知水印，只有专用的软件才可以检测出隐藏的水印。视频水印技术作为版权保护和信息安全保护的重要手段，目前正被广泛的研究和应用。它通过在原始数据中嵌入数字水印来证实该数据的所有权或完整性，以此来抵制对数字视频作品的盗版或篡改等。本文主要研究了对多媒体课件的版权保护和信息安全保护的数字视频水印技术。针对目前视频水印算法效率较低和鲁棒性较差的问题，分别给出了针对多媒体课件中的视频流进行版权保护和对屏幕流进行信息安全保护的视频水印算法，并利用给出的算法设计出了相应的水印系统。实验证明，改进后的算法可明显提高视频水印的鲁棒性，可以有效的保护多媒体课件的版权和信息安全。针对这一研究课题，本文首先阐述了本课题研究的背景、目的和意义、国内外研究现状及存在的问题；讨论了视频水印技术的基本特征、分类等问题，介绍了m p e g 4 的关键技术，归纳了基于m p e g 4 的视频水印技术和视频水印的性能要求，介绍了基于d c t 域的视频水印技术的数学理论；分析了多媒体课件中视频流的特点，针对其版权保护，介绍了传统的版权保护方案的框架及缺点，分析和研究了目前对视频流版权保护的视频水印算法及其不足之处，给出了一种基于d c i 系数和m p e g 4 压缩标准的视频水印算法。介绍了多媒体课件中屏幕流的特点，分析和研究了目前针对屏幕流的安全性保护的视频水印算法及其不足，给出了一种基于时间模板的水印处理算法；最后利用给出的两种视频水印算法设计并实现了一个水印保护系统。实验证明此系统具有较好的稳定性和鲁棒性，能够满足对多媒体课件等视频产品的版权保护和信息安全保护。数字视频水印技术还有许多问题需要进一步的研究与解决，设计出鲁棒性更强的水印来保护视频作品的版权和信息安全，是今后一个长期研究的方向。关键词：视频水印，版权保护，d c t ，鲁棒性湖北工业大学硕士学位论文a bs t r a c ta san e wd i r e c t i o ni nt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc a np r o t e c tc o p y r i g h to ft h ev i d e os e c u r i t yf i e l d ，d i g i t a lv i d e ow a t e r m a r kw o r k sa n di t sa u t h e n t i c a t i o ns o u r c ea n di n t e g r i t y e m b e d d e di nt h ep r o d u c t s ，t h ea u t h o r sp e r s o n a lc o p y r i g h ti n f o r m a t i o nc a n tb ef o u n db yn a k e de y e sb u to n l yt h es p e c i a l i z e ds o f t w a r e t h ev i d e ow a t e r m a r kt e c h n o l o g yh a sb e i n gs t u d i e da n da p p l i e dw i d l ya sav e r yi m p o r t a n tm e a n so fc o p y r i g h tp r o t e c t i o n i te n s u r e st h eo w n e r s h i pa n di n t e g r i t yb yw a y so fi m p l a n t i n gd i g i t a lw a t e r m a r ki n t oo r i g i n a ld a t a ，p r e v e n t i n gt h ed i g i t a lv i d e ow o r k sf r o mb e i n gp i r a t e do rd i s t o r t e d ，e t c t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h em u l t i m e d i ac o u r s e w a r ec o p y r i g h tp r o t e c t i o na n di n f o r m a t i o ns e c u r i t yo ft h ed i g i t a lv i d e ow a t e r m a r kt e c h n o l o g y i nv i e wo ft h ec u r r e n tp o o re f f i c i c e n c ya n dr o b u s t n e s so fv i d e ow a t e r m a r ka l g o r i t h m ，t h et h e s i sp r e s e n t sc o r r e s p o n d i n gw a y st oi m p r o v et h ev i d e ow a t e r m a r ka l g o r i t h mf o rv i d e os t r e a m sc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n ds c r e e ns t r e a m si n f o r m a t i o ns e c u r i t y , a n di ta l s od e s i g n st h es y s t e mo fc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n di n f o r m a t i o ns e c u r i t yo fm u l t i m e d i ac o u r e s e w a r ei nt e a c h i n g r e s e a r c h e ss h o wt h a ti ti m p r o v e sr o b u s t n e s sn o t i c e a b l ya n de n s u r e st h es e c u r i t yo fc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n di n f o r m a t i o ns e c u r i t yo fm u l t i m e d i ac o u r s e w a r ee f f e c t i v e l y n et h e s i sf i r s ti l l u s t r a t e st h eb a c k g r o u n d ，p u r p o s ea n dm e a n i n go ft h ev i d e ow a t e r m a r kt e c h n o l o g ya n di t sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc u r r e n ts i t u a t i o na n di t se x i s t i n gp r o b l e m s ；t h et h e s i st h e np r e s e n t sab r i e fo u t l i n ea b o u tt h ef e a t u r e sa n dc a t a l o g u eo fd i g i t a lv i d e ow a t e r m a r kt e c h n o l o g y , g i v e sad e t a i l e de x p l a n a t i o na n da n a l y s i so fv i d e ow a t e r m a r kt e c h n o l o g yb a s e do nm p e g 4 ，a n dp r o v i d e sac a r e f u la n a l y s i so ft h ea b l i l i t y ，r e q u i r e m e n to fi ta n di t sb a s i cf e a t u r e s ；a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sa l s og i v e sai n t r o d u c t i o na b o u tv i d e ow a t e r m a r kb a s e do nd c t ，t h ef e a t u r e so fv i d e os t r e a ma n dt h ef r a m ea n dd e f a u l t so ft r a d i t i o n a lc o p y r i g h tp r o t e c t i o n ，l a t e r , t h et h e s i sp r o v i d e sa na n a l y s i sa n dr e s e a r c h e sa b o u tt h es h o r t c o m i n go ft h ev i d e os t r e a ma n dp r o v i d e san e wv i d e ow a t e r m a r ka l g o r i t h m i cb a s e do nd c ta n dm p e g 4b e f o r ei tp r o v i d e san e wv i d e ow a t e r m a r ka l g o r i t h m i cb a s e do nt h et i m em o d u l u s f i n a l l y , t h et h e s i sd e s i g n sas y s t e mf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n di n f o r m a t i o ns e c u r i t y ，w h i c hi sp r o v e dt ob es t a b l ea n dr o b u s ti ne x p e r i m e n t s t h e r ea r es t i l lp r o b l e m sa b o u tt h ed i g i t a lv i d e ow a t e r m a r kt e c h n o l o g yt ob er e s o l v e d i t sal o n gw a yt od e s i g nm o r ee f f e c t i v ea n dr o b u s tw a t e r m a r kf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n di n f o r m a t i o ns e c u r i t y k e y w o r d s ：v i d e ow a t e r m a r k ，c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ，d c t ，r o b u s t n e s s溯彬j 棠火謦学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：荔洋彳：等日期：矽明年乡月多一日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，即：学校有权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。本人授权湖北工业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。糊黼张斜碍懒聒1 父选日期：矿昭年乡月多口日日期：脯s 月考。日湖北工业大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 本课题研究的背景、目的和意义近十多年来，随着多媒体技术的迅猛发展，人们可以方便地利用数字设备制作、处理和存储图像、语音、文本和视频等信息媒体。与此同时，数字网络通信正在飞速发展，使得信息的发布和传输实现了”数字化”和”网络化”。在模拟时代，人们把磁带作为记录设备，盗版拷贝通常要比原始拷贝的质量低，而盗版拷贝的二次拷贝的质量更糟糕。而在数字时代，歌曲或电影的数字拷贝过程完全不损失作品质量。自从1 9 9 3 年1 1 月i n t e r n e t 上出现了m a r ca n d r e s s e n 的m o s a i c 网页浏览器i ，i n t e m e t 对用户变得友好起来，很快人们便开始乐于从i n t e r n e t 上下载图片、音乐和视频。对数字媒体而言，i n t e r a c t 成了最出色的分发系统，因为它不但便宜，而且不需要仓库存储，又能实时发送。因此，数字媒体很容易借助i n t e r n e t 或c d r o m 被复制、处理、传播和公开。这样就引发出数字产品的版权保护问题和数字信息传输的安全问题。如何在网络环境中实施有效的版权保护( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) 和信息安全( i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ) 保护手段，已经引起了国际学术界、企业界以及政府有关部门的广泛关注。其中，如何防止数字产品( 如多媒体课件、电子出版物、音频、视频、动画、图像产品等) 被侵权、盗版和随意篡改，已经成为世界各国迫切需要解决的问题。密码学被广泛定义为“对信息进行保密的技术和科学，是版权保护的重要手段。它通过密钥保证数字作品的安全，控制访问权限。在发送作品之前先对内容进行加密，仅将密钥给予合法的用户。然而，这种方法只能保护传输中的内容，并不能控制用户如何处理解密后的内容，密钥一旦被破解，版权保护系统和安全系统随之崩溃。随着计算机性能的大幅度提高，各种加密体制的安全性都受到了极大的威胁。因此，传统的密码学方法已经不能满足版权保护和信息安全的要求，迫切需要一种新的方法对其进行补充。在数字视频领域，为了弥补密码技术的缺陷，人们开始寻求数字水印技术来对加密技术进行补充，因为它在数字视频产品中嵌入的信息不会被常规处理操作去除。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。人们可设计某种水印，它能湖北工业大学硕士学位论文在解密、再加密、压缩、数模转化以及文件格式变化等操作下保持完好。数字视频水印技术主要用于拷贝控制和版权保护。在拷贝控制应用中，视频水印技术可通过软件或硬件指出当前的拷贝行为是被禁止的。而在版权保护应用中，视频水印可用来标识版权所有者，保证版权税的合理支付，另外，视频水印还可以用来防止视频被攻击和篡改，能有效的保护视频的信息安全。近年来，信息技术与因特网的迅猛发展为多媒体信息的存取和交换提供了极大的便利，但同时数字化技术精确、廉价、大规模的复制功能和因特网全球传播的能力，为版权保护带来了极大冲击，数字作品( 如电子书籍、电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画、软件、多媒体课件) 侵权更加容易，篡改更加方便。如何打击盗版、保护数字产品的版权已经受到了极大的重视，甚至已经成为急需解决的核心问题之一。因此，在教育教学领域，对多媒体课件的版权保护和信息安全保护问题也迫切需要解决。针对在多媒体教学中教师使用的多媒体课件，包括教师讲课的视频流和与视频流同步的屏幕流都很容易被拷贝和修改，而且攻击者可以做到与原作基本相同，所以原创者不得不采用一些损害作品质量的办法来加上版权标志，这种明显可见的标志很容易被篡改。教师讲课的视频流是由一系列连续的、等时间间隔的静止图像组成，涉及到讲课教师本人的肖像权和个人著作版权问题，容易受到侵权者对教师讲课时的视频图像恶意的攻击，例如通过视频压缩、帧平均或帧剪切后使视频图像变得模糊不清，或经过a d 或d a 转换后将视频图像完全破坏后嵌入其他人的图像，从而严重损害原著者的肖像权和版权。屏幕流是一系列静止图像的简单组合，受到的主要攻击是篡改问题，例如攻击者能通过图像压缩、滤波等处理后使屏幕流图像发生改变，造成屏幕流与视频流的不同步，甚至改变图像原有的内容，使多媒体课件不能满足教学需要。所以，针对多媒体课件的版权保护和信息安全问题，急需设计安全实用的视频水印算法和水印方案来有效的解决多媒体课件中视频流的版权保护问题和屏幕流的安全性问题。本论文基于对目前各种视频水印算法的研究和分析，针对多媒体课件中视频流的版权保护，给出了一种基于m p e g 4 乜1 的d c t 系数水印算法，能有效地解决视频流的版权保护问题，此算法将水印信息直接嵌入到运动矢量上，能根据水印信号和视频数据的特点，自适应调整水印的嵌入方案，尽可能少的改变原视频数据，使嵌入水印后的图像质量损失达到最小。水印的提取使用盲检法，无需原视频图像。另一方面，对于屏幕流的信息安全保护，给出了一种基于时间模板的数字水印处理算法，此种算法是一种具有很强鲁棒性的水印算法，能比较有效的防止各种攻击，在很大程度上保护了多媒体课件中的屏幕流的防篡改。最后基于针对多2湖北工业大学硕士学位论文媒体课件中视频流版权保护的基于d c t 系数的水印算法和针对多媒体课件中屏幕流信息安全保护的基于时间模板的数字水印处理算法，设计出了相应的用于多媒体课件版权保护和信息安全保护的数字水印系统。本论文对目前流行的针对视频版权保护和信息安全保护的水印算法进行了研究和分析，在一定程度上改进了一些数字水印算法的不足，有很强的理论研究价值，另一方面，设计出的数字水印系统能对多媒体课件等数字视频产品进行有效的版权保护和信息安全保护，具有很强的实际意义。随着数字视频水印技术的日趋成熟，基于数字视频水印技术的版权认证系统，将在电子商务、视频点播、远程教学和远程培训等w w w 业务中发挥越来越大的作用。1 2 国内外研究现状视频水印研究是当前数字水印技术研究方向中的一个热点和难点，热点在于大量消费类数字视频产品的推出，如v c d ，d v d 和网络多媒体数据，使得以数字水印为关键技术的数字产品知识产权管理和保护技术的市场需求更加迫切。难点是虽然数字水印技术近几年得到长足发展，但方向主要是集中于静止图像的水印技术，这得益于多年来众多学者在视觉空间掩盖效应领域的研究成果。然而视频水印的特殊攻击形式( 如帧重组，帧间组合等) 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。对视频作品的版权保护和信息安全理论研究，目前一个主要方向是对视频水印鲁棒性的研究。为了提高视频水印的鲁棒性，1 9 9 5 年c o x 等人【3 】提出一种基于扩频通信的思想，将水印嵌入视频图像感知上最重要的频域因子中的水印方案。通过离散余弦变化技术向视频图像中添加标记，以提高水印对视频图像处理的稳健性。c o x 方案己经成为数字水印技术中一个比较经典的方案，但水印的提取过程需要原始图像的参与，即它不是盲水印方案。1 9 9 6 年，p i t a s 提出一种盲水印方案 4 1 。该方案将灰度图像i 的像素集划分成随机选择的两个具有相同像素集个数的子集合a 和b ，将一个小的正数k 加到子集合a 中的每一个像素值上，生成嵌入水印的视频图像。该算法是盲水印算法的一个代表，但该算法是一种空域算法。随后，v o y a t z i s 等【5 】将混沌的方法引入到数字水印算法中，使得算法的稳健性进一步提高，但是该算法仍然局限于空间域；k u n d u r 等【6 】提出了一种基于离散小波变化( d w t ) 的水印算法，通过修改d w t 系数而嵌入水印，并且提出了使用易损水印( f r a g i l ew a t e r m a r k ) 对视频图像所经受的处理进行估计，进而更有效地对水印3湖北工业大学硕士学位论文进行检测。除了理论研究以外，在实际应用方面，数字水印技术也取得了很大进展。许多数字水印方面的专利已经被申请。在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了许多数字水印方面的专利。同时，一些商业化的数字水印系统己经出现，如p h o t o s h o p 中就加入了数字水印功能。数字水印的应用研究成为了国内外公司和学术界的焦点。大部分的工作致力于寻求同时满足保真度、鲁棒性和经济约束的平衡点。目前出现了大量不同变换域的实验结果，如频域变换有d c t ，h 可，d w ta n df o u f i e r - m e l l i n ，还有大量的算法在m p e g 和j p e g编码中进行，因为这可以节省昂贵的水印解码负荷，有利于大批量的应用，如d v d拷贝控制应用等。目前己有不少公司研究利用数字水印技术对数字产品进行版权保护的系统，如n e c 和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，两家公司将在数字化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。根据该协议，n e c 和i b m 将对原先各自开发的先进的电子水印技术加以合并，以形成最终统一的技术标准。1 9 9 6 年，美国电影协会( m p 从) 、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口1 。c p t w g 在过去的几年中己经成功地研制出d v d 防拷贝系统的主要部分，这包括己在应用中的3 种比较可取的管理技术。即内容加扰系统( c s s ) 、模拟信号防护系统( a p s ) 和拷贝管理系统( c g m s ) 呻1 。我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用，1 9 9 9 年1 2 月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会。2 0 0 0 年1 月，由国家“8 6 3 ”智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家自然科学基金委员会、国家信息安全测评认证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。从这次会议反应的情况上看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路m 。另一方面，我国对信息安全产业的健康发展也非常的重视，在2 0 0 3 年的科4湖北工业大学硕士学位论文技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中，明确指出了对于“数字产品产权保护( 基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术) 和“个性化产品( 证件) 的防伪( 基于水印、编码、或挑战应答等技术) 等多项防盗版和防伪技术予以重点支持。现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2 0 0 2 年在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司，公司名称为上海阿须数码技术有限公司，该公司现从事数字证件、数字印章、p d f 文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究，现在这家公司已申请了一项国际和三项国家数字水印技术专利。但是数字水印在国内的应用还处于初级阶段，且在国内核心刊物上发表的论文也非常少，但是电子出版物的版权保护、电子商务的发展以及网上银行、网上购物以及电子货币等业务的发展，迫切需要开展信息隐藏与数字水印技术的研究。虽然现有的数字视频水印算法已经可以抵抗剪切、平移、旋转、滤波、仿射等一种或者几种攻击，部分水印嵌入方法还实现了初步应用，但是能够同时抵抗多种攻击的水印算法还没有产生，水印算法被局限在图像处理的几种变换中。综合数字视频水印算法设计和算法攻击的研究现状和发展趋势，还需要继续研究具有更加良好的实时性、鲁棒性和安全性的视频水印算法。另外，还应该从实际应用的角度出发，将数字水印技术标准化和工业化，制订相关的法律。该领域还有许多待深入的研究课题，我认为以下几方面的问题尤为值得关注：( 1 ) 建立完善的视频水印理论体系。视频水印技术及其攻击分析的研究依赖于水印技术整体理论框架的建立，虽然目前的水印理论已经借鉴了通信理论、信息论、密码学、对策论等，但仍未建立起完善的水印理论体系。由于缺乏系统的理论，视频水印技术的研究和应用受到极大的制约。( 2 ) 建立更加完善和符合实际的水印评估标准。该标准应包括水印隐藏分析和攻击测试两个方面，目前广泛使用的水印测试软件都没有涉及隐藏分析，仅仅注重了移除水印和阻止水印正确检测等方面的问题。( 3 ) 研究安全的专用水印算法。目前的水印研究还处于初级实验室阶段，现在开发安全通用的水印系统是不现实的，必须根据具体的应用环境，预见可能遭受的攻击方式，并针对这些特定的攻击研究专用的、可靠的水印方案。( 4 ) 开发实用的视频水印应用实例。( 5 ) 结合智能技术，开发水印自动追踪版权标志的系统，为数字水印最终实现网络应用打下基础。此外，还应在理论上证明水印嵌入算法本身所具有的抗攻击性能，在技术上5湖北工业大学硕士学位论文对遭受攻击的水印信息进行修复，以及分析现有水印技术的缺陷，研究新的水印攻击方法。十分广阔的应用前景让数字水印技术迅速发展，其研究方向也从最初的文本水印和图像水印发展到如今的视频水印，从最初的简单应用到现在形成水印认证系统。水印技术进入了高速发展时期，从理论到应用发展越来越快，领域也越来越广。虽然数字水印技术的研究已经取得了很大的进展，但目前的研究成果很难满足实际的需要。这主要是因为伴随着数字水印技术的发展，针对水印的攻击方案也越来越多、越来越先进，到目前业界还没有研究出一个真正能够抗击各种水印攻击的水印方案。如何在水印的不可感知性、鲁棒性等方面达到较完美的结合，开发出更有实用价值的水印系统，是所有从事数字水印技术研究的机构和个人需要继续研究和探索的主要课题。1 3 内容安排全文共分六章：第一章主要介绍了本课题研究的背景、目的和意义，还介绍了国内外研究现状及论文的创新点。第二章主要介绍了数字视频水印的基本特征和分类、m p e g 4 视频的关键技术及基于m p e g 4 的视频水印技术，并分析了视频水印的性能要求，最后介绍了d c t 的数学理论基础和基于d c t 域的视频水印技术。第三章主要分析了多媒体课件中视频流的特点及针对其版权保护的传统方法、缺点，介绍了用于版权保护的视频水印的基本特征，在总结己有的针对视频水印算法缺陷的基础上，给出了一种基于d c t 系数的m p e g 4 压缩视频水印算法。第四章分析了多媒体课件中屏幕流的特点及常见的针对屏幕流的攻击形式和目前保护屏幕流的安全所遇到的挑战，总结了己有的针对屏幕流信息安全保护的视频水印算法的不足，给出了一种基于时间模板的视频水印处理算法。第五章运用m a t l a b 与v i s u a lc + + 开发工具，综合运用针对多媒体课件视频流的基于d c t 系数的视频水印算法和针对多媒体课件屏幕流信息安全保护的基于时间模板的视频水印算法，设计并实现了对多媒体课件等视频作品的版权保护和信息安全保护的数字水印系统。第六章对全文进行了总结，并对数字视频水印的前景进行了展望。6湖北工业大学硕士学位论文1 4 论文的创新点本文的创新点有：( 1 ) 给出了一种基于d c t 系数的用于多媒体课件视频流版权保护的视频水印算法。深入探讨了数字视频媒体的特性及其对一般数字视频水印系统的要求；分析了实时m p e g 视频水印系统的要求；对已有实时视频水印算法进行了分析，总结了它们的不足之处，在此基础上提出了我们的水印算法的设计目标及其实现方法；对它们进行比较，发现基于d c t 的视频水印算法更适合视频流版权保护，因为基于d c t 的视频水印算法能同时从空间和频率两个方面定位图像的变化，并能粗略地估计视频图像操作的属性；分析了基于视频图像认证系统的要求；给出了一种基于d c t 系数的水印算法，该算法可以有效的减少失真，保证视频质量。( 2 ) 给出了一种基于时间模板的用于保护多媒体课件屏幕流信息安全的视频水印算法。分析了一些经典的针对屏幕流安全性的水印算法，总结出各类视频水印算法的优缺点。目前存在的大多数视频水印算法对于攻击的鲁棒性都比较差，为了满足水印算法的实时性要求和稳健性要求，我们选择在压缩域的量化系数域中嵌入水印信号的方法；对不同帧的特性进行了深入探讨，决定只在i 帧中嵌入水印信号，目的是为了进一步提高水印的稳健性，最后给出了一种基于时间模板的视频水印算法，该算法能在很大程度上提高视频水印的鲁棒性，能有效的保护屏幕流的信息安全。( 3 ) 设计并实现了针对多媒体课件版权保护和信息安全保护的数字水印系统。运用m a t l a b 与目前最强大的编程工具v i s uc+，综合应用针对多媒体课件al视频流版权保护的基于d c t 系数的视频水印算法和针对屏幕流信息安全保护的基于时间模板的视频水印算法，设计并实现了用于对多媒体课件视频流的版权保护和对屏幕流的信息安全保护的数字水印系统。7湖北工业大学硕士学位论文第2 章视频水印技术与m p e g 4 编码技术2 1 视频水印技术的基本特征对于静止图像，水印的主要应用在于说明作品的所有者，给出版权标识。而数字视频的情况有所不同，一部影视作品或多媒体课件的版权所有者是无须质疑的，视频作品的每个拷贝中都应该用一个唯一性的水印，防止非法拷贝。视频序列是由一系列连续和等时空距离的静止图像构成，因而视频水印的一般问题与基于图像的水印原理非常相近。是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。但是，这样说法只是部分正确的，虽然有很多文献声称他们的图像水印算法可以应用于视频序列，甚至有些文章还在题目上有视频的字样，但是两者还是有着重要的差别n0 j ，其一体现在信号的空间大小上，对于图像，信号的空间非常有限。这驱使很多研究人员应用隐性或显性的人类视觉模型，以确定水印的可见性尺度，且使嵌入的水印尽可能的鲁棒，而对于视频序列，信号空间十分巨大。另一方面视频水印有实时或近似实时的要求。因此是否使用显性的人类视觉模型就不太重要了，计算的复杂性以及有效性则被提到了较为重要的地位。由于视频序列的信号空间极其巨大，视频信号总是以压缩形式被存储起来的，非压缩的水印算法通常不适合于这种场合。因此我们需要基于压缩域的视频水印算法h 铂。另外，还需要考虑的问题是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、和帧交换等，这些操作对于普通的播放频率为2 5 - 一3 0 h z 的视频信号( 如电视节目) ，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。所以一个好的水印算法，应该能够抵御这种攻击。视频水印首先应该具有数字水印的一般特征：( 1 ) 安全性。如果不知道水印密钥，哪怕知道水印嵌入和提取算法，也不能够检测、修改或者删除水印，这是密码学中著名的k e r c h o f f 原则。( 2 ) 可靠性。水印检测应该是可靠的，误肯定( f a l s ep o s i t i v e ，在不存在水印的情况下错误检测到水印) 和误否定( f a l s en e g a t i v e ，在存在水印的情况下错误认为不存在水印) 率尽可能低。( 3 ) 不可觉察性( i m p e r c e p t i b l e ) 。嵌入在视频数据中的数字水印应该不可8湖北工业大学硕士学位论文见或不可察觉，当然需要嵌入可见水印的情况除外。( 4 ) 鲁棒性( r o b u s t ) 。在不明显降低视频质量的条件下( 还有商业价值的情况下) 水印很难除去。一个数字水印应该能够承受各种不同的物理和几何失真，包括各种有意的( 如s t i r m a r k ，马赛克攻击或统计平均攻击) 或无意的( 如压缩、滤波、模数数模转换、扫描、各种几何变换等等) 攻击。对于视频水印而言，还有一些特殊的要求，如：( 1 ) 盲检测( b l i n dd e t e c t i o n ) 。水印检测时不需要原始视频，保存所有的原始视频几乎是不可能的。( 2 ) 实时性( r e a l t i m e ) 。水印的嵌入和提取必须不影响视频的编码和解码速度。( 3 ) 与视频编码标准相结合。如果是在压缩视频中嵌入水印，很显然与视频的压缩编码标准相结合；如果是在原始视频中嵌入水印，由于嵌入是利用视频的冗余数据来携带信息，而视频压缩编码则需要除去视频中的冗余数据，如果不考虑视频压缩编码标准而盲目地嵌入水印，则嵌入的水印很可能在编码过程中就完全丢失了。2 2 视频水印技术的分类对于视频水印技术，可作如下分类：( 1 ) 按载体类型分类。包括基于原始视频方法和基于压缩视频方法和基于原始视频的水印算法，是对未经编码的视频流数据直接进行处理，在原始视频中嵌入水印。基于压缩视频的水印算法，则与某种视频压缩标准，如常见的m p e g l ，m p e g 2或m p e g 4 相结合，在编码视频数据中嵌入水印。( 2 ) 按嵌入域分类。主要可分为空域( 或时域) 方法及变换域( 频率域) 方法，空域替换方法是用待嵌入的信息替换载体信息的冗余部分。一种简单的替换方法就是用待嵌入消息位替换载体中的一些最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) ，只有知道隐藏信息嵌入的位置才能提取信息。变换域方法是在宿主信号的某个变换域，如d e t 或小波域中嵌入信息。变换域的优点在于，在变换域中嵌入的信号能量可以分布到空域的所有像素上，在变换域中，人的感知系统的某些掩盖特性可以更方便地结合到编码过程中，变换域方法可与视频压缩标准等兼容。( 3 ) 按密钥分类。若嵌入和提取采用相同密钥，则称其为对称水印( s y m m e t r i cw a t e r m a r k ) ，否则成为非对称水印( a s y m m e t r i cw a t e r m a r k ) ，也称为公钥水印( p u b li ck e yw a t e r m a r k ) 。9湖北工业大学硕士学位论文( 4 ) 按检测时是否需要原始宿主信号分类。分为盲水印方案和非盲水印方案。一般来说，视频水印方案在检测时应该不需要原始的宿主信号。( 5 ) 按水印特性分类。分为鲁棒水印和脆弱水印两类，鲁棒水印能够经受各种有意或无意的攻击，脆弱水印则对于信号的改动比较敏感，主要可用于纂改提示。( 6 ) 按水印的可见性分类。分为可见水印和不可见水印，一般研究的是不可见水印。2 3m p e g 4 视频的关键技术m p e g 4 是由运动图像专家组m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 建议的i s o i e c 标准n 副，于1 9 9 9 年初正式成为国际标准。它是一个适用于低传输速率应用的方案。与m p e g l 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。m p e g 4 标准主要应用于视像电话( v i d e op h o n e ) ，视像电子邮件( v i d e o e m a i l ) 和电子新闻( e l e c t r o n i cn e w s ) 等n 钔，其传输速率要：求较低，在4 8 - - 一6 4 k b s 之间，分辨率为1 7 6 1 4 4 。其利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。2 3 1m p e g 支持的特性基于m p e g 的目标所制定的m p e g 标准很好的支持了许多特性，m p e g 算法允许用许多方法去观看数字存储体上的电视图像，有许多观看方法与我们家庭用的录像机相似，但与录像机相比，m p e g 算法支持的功能却强大的多。对m p e g 电视图像，可以正向顺序播放，也可以反向顺序播放。正向顺序播放时可以以正常的速度播放、慢放和快放；反向顺序播放时，同样可以用正常的速度播放、慢放和快放。m p e g 算法支持的特性主要有：( 1 ) 随机存取。这是算法支持的最基本的特性，随机存取需要对数字存储媒体上任何一幅压缩图像都能在有限的时间里进行解压缩，这是实现交互特性必不可少的特性，这也意味着存在可随机存取的单元，即某段信息的编码的结果仅与该段自身的信息有关。在质量不下降的前提下，随机存取时间大约可达0 5 秒。( 2 ) 快速搜索。快速搜索的速度取决于使用的存储媒体的特性。使用目录或其他一些办法，可以快速搜索到压缩图像数据位流中的任一存取点，以获得正向或反向运行的功能。这个功能也是随机存取特性所要求的。( 3 ) 逆向播放。交互式的应用有时需要视频信号能够逆向重播，但并非所有l o湖北工业大学硕士学位论文的应用都需要在逆向重播时保持完好的画面质量。( 4 ) 编辑功能。m p e g 算法支持有限的编辑功能，m p e g 标准定义的图像不都是一幅幅独立的静态图像，这与模拟电视和电影不同，所以m p e g 的编辑功能有限，要有较强大的编辑功能就要有更多的独立的编码图像。但是独立编码图像多了后，压缩率就降低，它们是一对矛盾。( 5 ) 编码与译码延时。m p e g 标准考虑到了在可视电话等方面的应用，这类应用需要使整个系统的延迟不大于1 5 0 m s ，这样可以实现“面对面”的通信特性。对于像多媒体c d - r o m 一类产品，允许的延迟时间可长达1 s ，这是交互应用中允许的时间。m p e g 采用的算法考虑了c d r o m 应用中需要的延迟时间，因此在图像的质量和延迟时间范围之内作了折中。( 6 ) 视听同步。视频信号应该准确的与相关的音频信号相同步，如果音频信号与视频信号，分别有两个稍有差别的时钟产生，那么应该提供一个机制，使这两个信号能够持久的同步。( 7 ) 容错性。大多数数字存储媒介和通信都是会产生错误的，所以应该有一个合适的信道编码方案自适应于多种应用，并且要求这种编码方案对残存的未被校正的误差有强的鲁棒性，这样即使在有误差的情况下，也能避免编码失效n 引。2 3 2m p e g 4 视频的特性m p e g 4 标准除了包含b l p e g 系统所具有的特性外，其还包含有一系列的工具，它们通过支持几类功能描述来实现应用。在m p e g 4 标准中，这些最重要的特性包含在以下三个集合中：( 1 ) 压缩效率。在m p e g l 和m p e g 2 标准中就已经引入了压缩效率的原理，并且在数字电视和d v d 中得到应用。与现有的标准相比，在可比拟速率上，m p e g 4 标准将提供更好的主观视觉质量的图像，今后的编码效率和多分辨率数据流编码将使基于m p e g 4 标准的应用得到很好的发展。( 2 ) 基于内容的交互。对视频对象进行编码和表示可以实现基于视频内容的应用，这是m p e g 4 标准最大的特点，基于对象的有效表示、对象操作、数据流编辑和基于对象的可分级性可以实现进一步的内容交互。( 3 ) 通用的存取。m p e g 4 具有很强的容错性能，这使得它可以广泛应用在媒体中，例如有线网和无线网。另外，基于对象的时域和空域可分级性允许用户决定在自己需要的时候使用稀少的资源。这些资源可以使用带宽，也可以是预算能力或能耗。湖北工业大学硕士学位论文2 3 3 基于帧的编码技术“在m p e g 中将图像分为3 种类型：( 1 ) i 图像( i n t r a p i c t r u e s ，帧内图像) 。i 图像是利用图像自身的相关性压缩，采用基于d c t 的编码技术，编码时不参考其他任何画面而独立编码。i 图像为编码序列提供了预测基准点，解码过程可以始于这些点，i 画面的压缩比不高。( 2 ) p 图像( p r e d i c t e dp i c t u r e s ，预测图像) 。p 图像是参考过去的帧内图像或过去预测的图像用运动补偿预测技术进行编码，这些预测图像通常作为进一步预测的参考，预测图像的编码效率较高。( 3 ) b 图像( b i d i r e c t i o n a lp r e d i c t i o n ，差补图或双向预测图像) 。b 图像在预测时，即可使用前一个图像作参照，也可使用下一个图像作为参照或同时使用前后两个图像做为参照图像( 双向预测) ，它的压缩程度是最高的，永远不被用作预测的参考图像。图像内的编码单元是宏块，在每个图像内，宏块按顺序编码，从左到右且从上到下，每个宏块由六个8 8 大小的块组成，包括4 个亮度块，1 个c r 色度块和1 个c b 色度块，编码的过程如下：第一步，为给定的宏块选择编码方式，这依赖于图像类型，局部区域中运动补偿的有效性和块中的信号特性；第二步，根据编码方式的不同，使用过去的参考图像或将来参考图像来估计运算运动补偿预测值，从当前宏块中的实际数据中减去这个预测值，得到帧间预测误差信号；第三步，把误差信号分成8 8 块( 每个宏块中4 个亮度块和2 个色度块) ，并对每个块完成离散余弦变换( o c t ) ，对经过o c t 变换后的d c t 系数进行量化，对两维块按“z 形顺序进行扫描，以形成一维量化系数串：第四步，对每个宏块的附加信息和量化系数进行编码，量化系数数据最后进行变长编码。2 4m p e g 4 视频水印技术关于m p e g 4 视频水印技术，国外出现的文献并不是很多，国内的文献更少，论文的总体质量也不高。主要原因是视频水印技术还处于刚刚起步阶段，远远没有达到像静态图像水印那样的成熟程度，针对静态图像水印的几乎所有的图像处理方法都己经作了深入研究。从这方面来说，己有的视