（计算机应用技术专业论文）基于遗传算法和离散小波变换的视频水印研究.pdf

一j】1 穗劳巧，、 声明尸明 m i i l l l l l l l l li 1 1i q 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 t l l l l l l l l l y 17 8 5 3 7 5 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于遗传算法和离散小波变换的视频 水印研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：超丝釜： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盔篮 日期：鲨z 垒：兰 导师躲趣血 k 卜k l r p rr l 一一i 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着网络和多媒体技术的发展，视频产品的交流达到前所未有的深度和广度。 视频产品被广泛复制但其质量不会下降，这就出现了非法侵权及盗版问题。数字视 频水印就是在不影响视频质量的前提下，嵌入一些隐蔽的信息，从而达到版权保护 的目的。本文在变换域视频水印基础上，提出了基于遗传算法和离散小波变换视频 水印算法。在实现过程中，一方面对原始视频帧进行离散小波变换，对变换后的图 像进行分块标记；另一方面对待嵌入的水印信息进行置乱，并使用遗传算法将其嵌 入中频区域。通过实验表明，本文提出的算法在面对丢帧、帧平均等攻击时具有很 好的鲁棒性，并且该方法具有较强的适应性。 关键字：视频水印，遗传算法，离散小波变换，图像置乱 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , t h ee x c h a n g eo f d i g i t a l v i d e op r o d u c t sh a sr e a c h e du n p r e c e d e n t e dd e p t ha n de x t e n t d i g i t a lv i d e o p r o d u c t s c a nb ew i d e l y c o p i e d w i t h o u tt h ed e c l i n eo fq u a l i t y , w h i c hc a u s et h e i n f r i n g e m e n to fc o p y r i g h ta n dp i r a c yp r o b l e m s d i g i t a lv i d e ow a t e r m a r kc a ne m b e d s o m eh i d d e ni n f o r m a t i o nt op r o t e c tt h ec o p y r i g h tw i t h o u ta f f e c t i n gv i d e oq u a l i t y an e w v 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 n g e n e t i ca l g o r i t h ma n dd i s c r e t e w a v e l e t t r a n s f o r mi nt r a n s f o r md o m a i ni sp r o p o s e di nt h i sa r t i c l e i nt h ep r o c e s so fr e a l i z a t i o n ， o nt h eo n eh a n d ，m a k ed i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mt ot h eo r i g i n a lv i d e of r a m e sa n dm a r k t h et r a n s f o r m e di m a g eb l o c k o nt h eo t h e rh a n d ，s c r a m b l et h ee m b e d d e dw a t e r m a r ka n d u s eg e n e t i ca l g o r i t h mt oe m b e di ti n t ot h em i d f r e q u e n c yo fv i d e of r a m e e x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sag o o dr o b u s t n e s st od e a lw i t ht h ea t t a c k ss u c ha s d r o p p e df r a m e s ，f r a m ea v e r a g e ，a n dh a ss t r o n ga d a p t a b i l i t y l ia i h u a ( c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n o l o g y ) +directed b yp r o f z h a n gl i ji n g k e yw o r d s ：v i d e ow a t e r m a r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ， i m a g es c r a m b l i n g l k 一 1 1 华北电力大学硕士学位论文目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章引言1 1 1 视频水印的研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 视频水印的应用二3 1 4 本文主要工作及内容安排4 第二章视频水印的基本理论5 2 1 数字水印的基本框架5 2 1 1 水印的生成5 2 1 2 水印的嵌入5 2 1 3 水印的检测和提取6 2 2 视频水印模型6 2 3 数字视频水印的特征7 2 4 视频水印分类9 2 5 典型的视频水印算法1 0 2 5 1 空间域算法1 0 2 5 2 变换域算法1 0 2 5 3 压缩域算法1 1 2 6 视频编码标准1 2 2 6 1m p e g 标准1 2 2 6 2h 2 6 x 标准1 5 2 6 3a v s 标准1 6 2 7 针对视频水印的攻击方法及对策1 6 2 8 小结1 9 第三章基于遗传算法和离散小波变换的视频水印算法：2 0 3 1 算法的设计目标2 0 3 2 算法的总体方案2 0 3 3 算法的设计可行性分析2 1 3 4 小波变换算法2 2 3 4 1 小波分析2 2 3 4 2 连续小波变换2 3 3 4 3 离散小波变换2 4 一 l l p 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 4 多分辨率分析2 5 3 5 水印的选择和预处理2 7 3 6 嵌入区域的自适应选择2 9 3 7 遗传算法3 0 3 7 1 遗传算法基本思想3 0 3 7 2 遗传算法的特点3 1 3 7 3 遗传算法的基本操作3 2 3 8 嵌入算法的设计和实现3 2 3 8 1 小波分解设计3 2 3 8 2 遗传算法编码和解码设计3 4 3 8 3 遗传算法参数设计3 4 3 8 4 遗传算法适应度函数设计3 5 3 8 5 嵌入过程实现3 6 3 9 提取和检测算法设计和实现：3 8 3 1 0 小结4 0 第四章实验结果与分析4 1 4 1 水印性能测评4 l 4 2 仿真实验结果4 2 4 2 1 不可见性4 3 4 2 1 噪声攻击：4 3 4 2 2 帧丢失4 4 4 2 3 帧平均和统计分析4 5 4 2 4 帧内剪裁4 7 4 2 5 伪随机性检测4 8 4 3 小结4 8 第五章结论与展望4 9 5 1 本文工作总结4 9 5 2 未来工作展望。5 0 参考文献5 2 致谢5 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况5 7 -一1 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 视频水印的研究背景和意义 在网络已经成为人们生活必不可少一部分的今天，多媒体技术也随着发展起 来，不管是多媒体产品的存贮形式还是推广方法都变得多样起来，这使得不管是制 造商、销售商还是用户都可以方便地利用数字设备制作、处理和存储数字媒体产品。 伴随着网络和多媒体技术的发展，多媒体的交流达到前所未有的深度和广度，人们 通过因特网发布自己的多媒体作品( 包括音频、视频、动画、图像等) 、传递重要信 息以及进行网络贸易，越来越多的多媒体产品( 如v c d 、d v d 产品) 在网络上发 布和传播起来更加广泛起来。但是人们在享受网络带给生活便利的同时，却面临着 另一个问题就是产品的非法侵权、盗版以及恶意篡改，那么如何保护自己的知识产 权不受到侵害，如何有效地解决数字产品的安全问题也成为了国际学术界关注和研 究的热门课题。 数字水印技术是解决版权保护问题的有效手段，纸张中的水印技术早在几百年 前就得到了广泛应用，一直到今天很多发展中国家( 比如说我们国家) 仍然发行带 有水印的纸币来防止伪造。随着网络的普及，数字水印技术作为在开放的网络环境 下知识产权保护的新型技术，能够做到明确版权所有者、识别产品购买者或者提供 关于数字内容的其他附加信息，并将这些信息以肉眼不可见的形式嵌入在数字图像 中，用于确认产品所有权、跟踪产品的流通和使用。视频水印和这种静止的图像水 印从实现算法上来讲并没有本质的区别，许多图像水印的算法可以直接应用到视频 水印技术中去，但是视频水印也有一些不同于静止图像水印的自身特性，这也给视 频水印的研究带来了一定的难度。 目前，对于静止图像的研究方案已经达到了前所未有的高度和深度，但是基于 视频的水印方案较少。随着多媒体和网络技术的发展，计算机处理视频的能力不断 提高，视频产品版权保护的重要性不断增强，将有越来越多的学者投入到视频水印 的研究中来。随着相关领域如：压缩编码技术、扩频通信技术、密码学、人类视觉 生理心理模型和各种先进的信号处理技术的成熟发展，使视频水印技术得到迅速 的发展和应用，也使其成为保证信息安全和知识产权的重要手段。尽管目前国内外 数字水印技术的研究者正在努力建立一个相对完善的、能够提供普遍指导意义的理 论基础，但就目前状况而言，这项工作还远远没有达到令人满意的地步。无论是在 国内还是在国外，视频水印技术的理论研究都还都处于一个相对发展的初级阶段， 技术发展还不成熟，仍然还有很多问题有待于解决。因此，从上面不难看出，不论 从理论角度还是从应用角度来看，视频水印技术的研究不仅具有重要的学术意义， i卜lr 华北电力大学硕士学位论文 还有极其重要的经济意义。 1 2 国内外研究现状 数字水印的发展始于九十年代初期，在1 9 9 3 年t i r k e l 1 】等人首先提出了“数字 水印 这一术语，自此人们开始了对数字水印的研究。全球支持或开展此项水印技 术研究的政府机构和研究部门很多，包括美国财政部、美国洛斯阿莫思国家实验室、 美国版权工作组、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本n t t 信息与 通信系统研究中心、麻省理工学院、南加利福尼亚大学、普渡大学、剑桥大学、瑞 士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室、c a 公司等机构；同时- i b m 、 日立、n e c 、p i o n e e r 和s o n y 五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。 在1 9 9 6 年5 月，第一届国际信息隐藏学术研讨会( i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n g w o r k s h o p ) 在英国剑桥牛顿研究所召开，这标志着信息隐藏学的诞生。信息隐藏学 术研讨会至今已举办了四届，1 9 9 8 年和1 9 9 9 年在美国波特兰和德国德雷斯顿分别 召开了第二届和第三届信息隐藏国际研讨会。此外，s p i e 和i e e e 的一些重要国际 会议也开辟了相关的专题，这些专题研讨会的召开极大地促进了各研究团体在这一 领域内的交流与合作，也吸引了越来越多的人投身于信息隐藏技术的研究。 随着理论研究的不断深入，相关的软件也在不断出现和推广，并且涌现出了很 多从事数字水印应用的公司。有的公司将它们的水印嵌入软件和水印攻击软件发布 在互联网上，提供下载或者使用服务，从而为人们进行研究提供了极大的方便。在 实际应用方面，以麻省理工学院为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印 方面的专利。 国内在信息隐藏方面的研究起步稍晚，但已经有相当一批有实力的研究机构投 入到这一领域的研究中来。在1 9 9 9 年1 2 月，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，会议决定 研讨会每年召开一次，以促进国内信息隐藏技术的研究工作。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，来自清华大学、中国科学院等十几家单位的专家和学者共同讨论 了数字水印的技术，并且报告了各自的研究成果【2 , 3 , 4 】。目前国内学术界有一批有实 力的科研机构已在国内学术界投入到这一领域的研究中来。 变换域视频水印算法是近年来国内外研究的热点，人们提出了很多变换域水印 算法。霍菲菲【5 】等人提出了将基于二值运算的数字视频水印嵌入在三维小波变换域 内，这样时延低，适合视频流的在线水印嵌入和提取。刘连山【6 】等人利用离散余弦 变换直流系数稳定的特点，提出了一种通过调整视频图像的分块d c t 直流系数来 隐藏水印的方法。这种方法具有一定的鲁棒性，但是其算法复杂，且会对视频解码 2 1 1 j 靠 卜 华北电力大学硕士学位论文 系统中的运动补偿环路造成不良影响。谢斌【7 】等人提出了采用差分能量水印算法对 视频数字作品进行了数字水印的嵌入、检测和提取研究。这种算法计算简单、速度 快、易于实现。s h i e hcs 【8 】等人提出在变换域使用遗传算法选择嵌入水印的方法可 以使水印的鲁棒性增强。s w a n s o n 9 】提出了一个基于时序小波变换和频率掩蔽特性 相结合的水印技术，该算法即能较好地满足视频水印的随机检测性要求，但嵌入水 印时要求大量的缓冲空间并且计算复杂度高。 变换域中使用小波变换也成为人们研究的热点，在把小波变换应用于视频编码 方面人们已经做了大量的研究工作。将这些方法进行归纳，大致可以分为如下三类： 第一类是将二维小波变换推广为三维小波变换d o - 1 3 1 ；第二类方法利用小波域内的多 分辨率运动补偿技术( m r m c ) 1 4 - t 6 1 来减少时域冗余；第三类方法仍在时域内进行运 动补偿【1 7 , 1 8 】，但是针对小波变换编码的特点采用了改进的运动补偿，即重叠块运动 补偿( o b m c ) ，以减少运动补偿后预测误差信号中的块效应，提高编码效率。基于 小波变换的视频压缩算法己达到基于d c t 变换的视频压缩算法的最好技术指标， 而且主观上更胜一筹。 1 3 视频水印的应用 视频水印处理技术潜在的应用领域非常广阔。它最初只是为了版权保护，但是 随着视频水印技术的发展，它的应用领域也在不断地扩大。 拷贝控制( c o p y c o n t r 0 1 ) ：随着d v d 以及d v d 播放器的出现，高质量视频信 号带给人们更清晰的画面，因此d v d 技术得到了广泛的应用。然而，非法拷贝也 随之出现，与传统的录像系统不同的是，d v d 能够得到完整的拷贝，拷贝控制既 能制止对已经进行版权保护的视频产品内容进行非法的拷贝，又不影响人们对视频 产品的画面质量要求。水印嵌入在视频产品中，同视频内容一起播放，每个录制设 备只要装有一个水印检测器，当设备输入端检测到“禁止拷贝”水印的命令时，设 备就会禁止拷贝。 广播监控( b r o a d c a s tm o n i t o r i n g ) ：广告商为了宣传产品，在电台播放自己购买 的广告。广告商想确定广告是否在正确的时段进行播放，可能会雇佣一定的监控人 员对播放内容进行监控，这样不仅加大了广告支出的费用，而且也容易出错。使用 视频水印技术就可以解决这一个问题，水印技术可以对识别信息进行编码，并且将 自身嵌入在内容之中，无需依靠广播信号的某些特殊片段，就能够完全兼容于所安 装的模拟或者数字的广播基础设备【1 9 】。 指纹( f i n g e r p r i n t i n g ) ：指纹是指通过水印的嵌入，将消费者拷贝设备的标识或 者消费者的标识与被拷贝的内容联系在一起。这里的标识就相当于指纹。日的是一 旦有违规的消费者( t r a i t o r ) 将具有版权的内容在网上进行非法发布时，我们可以通 ，-l 华北电力大学硕士学位论文 过验证该指纹识别出该违规者，以便在法庭上指控他。 视频认证( v i d e oa u t h e n t i c a t i o n ) ：目前出现了很多视频编辑和处理软件，这样 视频的内容就很容易被修改，利用视频水印进行内容认证和完整性校验的性质来检 测视频内容是否被修改了。 版权保护( c o p y r i g h t p r o t e c t i o n ) 版权保护是视频水印的一个基本用途，视频 所有者为了证明视频内容的归属权，在视频产品中嵌入一定的信号( 秘密信息) ， 然后公布视频产品进行传播。如果在传播过程中，该产品被盗版了或者出现版权纠 纷事件，这样所有者可以从盗版产品中提取自己嵌入的信号，来证明视频产品的所 有权。 1 4 本文主要工作及内容安排 视频水印技术是一个比较前沿的科研项目，本文是通过对国内外主要视频算法 的研究，提出了一种基于遗传算法和离散小波变换的视频水印嵌入和提取算法。本 文的主要结构如下： 第一章，介绍了视频水印技术的研究背景、研究意义、国内外的研究现状以及 视频水印的应用领域，同时也提出了本论文的内容安排。 第二章，系统地介绍了视频水印的相关知识，其中包括水印的嵌入过程、视频 水印系统模型、视频水印的典型算法、常见水印的编码标准以及视频水印的攻击和 对策等。 第三章，给出了本论文中视频水印算法的总体设计思想，分析了算法的可行性， 并描述了算法的实现，包括水印图像的选择及预处理、遗传算法、小波变换算法、 水印的嵌入算法设计及实现和水印的提取算法设计及实现。 第四章，为了验证本文的算法，在本章对视频水印进行了几种常见攻击，如添 加噪声、丢帧、帧平均和统计分析等，然后对实验结果进行对比分析。 第五章，对论文所做的工作进行总结，同时给出了本文算法的创新点以及展望 下一步的工作。 4 - i 华北电力大学硕士学位论文 第二章视频水印的基本理论 数字水印技术是信息隐藏学的一个分支，也是解决多媒体数据版权保护问题的 有效手段之一，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。 视频水印技术是信息隐藏技术的分支，它的基本思想是在视频产品( 如v c d 、d v d ) 中嵌入一些秘密的信息，以便保护视频产品的版权、证明视频产品的真实可靠性、 跟踪盗版行为或者为视频产品提供一些附加的信息。 2 1 数字水印的基本框架 数字水印的方案应该包括三部分：数字水印的生成、数字水印的嵌入和数字水 印的检测或提取。数字水印技术也可以看做是对水印载体的分析、对嵌入信息的预 处理、对信息嵌入点的选择以及对嵌入方式的设计这几个相关的技术环节进行合理 优化，寻求满足水印多个性质( 不可感知性、安全性、鲁棒性) 条件约束下的一个 最优化的设计问题，本节主要是对数字水印技术的每一部分内容的介绍。 2 1 1 水印的生成 数字水印信号可以分成有意义水印和无意义水印，无意义水印是指嵌入原始图 像中的信息是一些随机序列，没有任何特殊意义。有意义水印是指嵌入原始图像中 的水印信号具有一定的意义，它可以是一段有意义的文字、图像、声音或者视频等。 对于有意义的水印信号，绝大多数算法并不是直接嵌入到原始图像中去，而是对其 进行转化为二值( o 和1 或者1 和1 ) 的序列。转换方法也是多种多样的，比如说 直接使用水印信号在计算机中的存储形式( 即数字信号的二进制形式) ，但这种方法 的保密性较差，如果攻击者从水印的载体数据中获得了水印数据，就可以直接获得 水印内容。后来发展了一些新的算法如图像置乱、混沌序列等生成新的水印信号来 嵌入原始载体中，这些算法有效地解决了水印的保密性问题。 水印信号一般定义为： w = m 七) 1 w t o ) 公式( 2 1 ) 上式中o 代表域值，可以为一维序列( 音频) 、二维序列( 静止图像) 、三维序 列( 视频图像) 或者更高维数。 2 1 2 水印的嵌入 水印的嵌入就是把水印信号h 尼) 嵌入到原始图像x o = ( 后) ) 中去，水印的嵌入 过程如图2 1 所示。在水印的嵌入过程中，存在两种常见的嵌入规则，表示如下： 加法准则：x ( k ) = x o ( k ) + a w ( k ) 5 公式( 2 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 乘法准则：缸妨= “( k ) l x , ( k ) - - 而+ 毗毛，0 i 册 公式( 2 3 ) 其中口为嵌入因子。加法规则不仅适用于时空域，还适用于变换域；乘法规则 一般适用于变换域嵌入技术，在时空域中使用该算法较少，因为乘法准则在时空域 中( 不管低频区域还是高频区域) 应用引起改动较大。 密钥 水印 密钥 图2 - 1 数字水印嵌入过程 2 1 3 水印的检测和提取 载体 数字水印的检测和提取是数字水印系统的关键部分之一数字水印的检测就是 根据检测密钥并且通过一定的检测算法来判断载体数据中是否含有水印。而数字水 印的提取过程可以看作是水印嵌入的逆过程，是根据提取密钥采用一定的提取算法 从载体数据中提取出水印。图2 2 表示出了数字水印的提取和检测过程。 | 原始图像 原始水印 l j上 协图像h 棚检产法i - 是否含有水印 或提取水印 l 密钥 图2 - 2 水印检测提取过程 其中虚框部分表示在提取或检测水印信号时，原始图像可以参与也可以不参 与。对于水印检测算法，在检测时最好不需要原始作品的参与。 2 2 视频水印模型 ” 一般数字水印的提取和嵌入过程也符合视频水印的嵌入和提取，但是作为视频 6 - j ； ， 舾 i i 华北电力大学硕士学位论文 水印又与编码相结合，产生了自己独特的模型。 水印嵌入水印嵌入 方案一方案二 压缩码流 水印嵌入 方案三 水印提取水印提取 方案三方案二 水印提取 方案一 图2 3 视频水印模型 目前水印嵌入和提取方案可以分为图上三种： 方案一：这种方法将水印直接嵌入到原始视频流中，其优点是：水印嵌入的方 法比较多，原则上数字图像水印方案均可以应用于此，比如说时空域水印算法和频 域算法都可以用在这里。这种方法的缺点是：嵌入水印势必会增加视频码流的数据 比特率；由于原始视频流要经过编码器进行编码，在编码时水印会受到比如m p e g 的有损压缩等，也可能会丢失水印；加入了水印，经过编码后会降低视频质量；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，这样势必会造成 水印嵌入的实时性降低。 方案二：这种方法是将水印嵌入在编码过程中，与原始视频流形成一个整体。 因为该方案f 2 0 】一般是通过调制d c t 变换或量化之后的系数完成水印嵌入过程，所 以这种方案的优点是：水印可以仅嵌入在d c t 系数中，这样不会增加视频流的数 据比特率；比较容易设计出抵抗多种攻击的水印。这种方法的缺点是：嵌入过程引 入到视频编码器中，水印信息嵌入到编码流中，经编解码过程后可能会对视频信号 质量产生不良影响。内置式嵌入方案是将嵌入过程引入到视频编码器中，与之结合 而形成整体，这一方案增加了引入水印算法的局限性。 方案三：如果编码器和解码器使用编码标准m p e g 2 ，那么我们将水印直接嵌 入到m p e g 2 压缩比特流中。此类方案的显著优点是没有解码和再编码的过程，因 而不会造成视频质量的下降，同时计算复杂度低。这种方法的缺点是：由于压缩比 特率的限制而限定了嵌入水印容量的大小，同时可能会引起帧图像运动偏移，必然 对运动补偿环路造成负面效应，所以该类算法具有一定的复杂度。 2 3 数字视频水印的特征 视频水印是数字水印的一种，所以首先应当具有水印如下的一般特征： 安全性：在大多数的应用场合中，比如说版权保护，都需要确保所嵌入信息的 保密性，这也就是所谓的水印的安全性。， 。 7 华北电力大学硕士学位论文 可靠性：水印的检测需要具有可靠性，这就涉及到两个概念：虚警概率( f a l s c p o s i t i v ep r o b a b i l i t y ) 和漏检概率( f a l s en e g a t i v ep r o b a b i l i t y ) 。虚警概率是指在未嵌 入水印的情况下错误检测到水印的概率漏检概率是指在嵌入水印的情况下错误认 为不存在水印的概率。水印的可靠性高，则需要虚警概率和漏检概率低。 鲁棒性：视频在传播的过程中必定会受到各种有意或者无意的攻击，这些攻击 包括剪切、压缩、帧删除、帧重组等。视频信号在嵌入水印后，受到攻击后可能会 从外观上引起视频画面的质量下降。一个好的数字水印方案必须考虑到其水印的鲁 棒性。 不可感知性：嵌入水印的视频( 可见水印除外) 应当在视觉上不影响视频的质 量，不能被人的眼睛感知到，不能破坏视频的使用价值和商业价值。 数字视频水印除了具备静止图像水印的基本特性以外，还具备一些独特的技术 要求，下面介绍视频水印的特性： 盲检测性：如果在检测水印时需要原始视频的参与，则称为非盲检测水印技术， 否则称为盲检测水印技术使用非盲检测技术，需要用到原始的视频信号，这样更 有利于水印的检测和提取，但是原始的视频信号更加容易暴露给攻击者，受到恶意 的攻击在有些情况下，人们并不能获得原始信号，即使获得了原始视频，因为视 频信号的数据量比较大，无法实现水印算法的实时性要求。所以，除了特殊要求， 目前人们较多的采用盲检测方案。 ，实时性：视频是由一系列连续的、等时间间隔的图像组成。而视频水印和静止 的图像水印的重要区别之一就是视频水印在多数情况下有实时性的要求。如果要做 到实时性，这就需要计算的复杂度低，复杂度越低水印的可使用性才会越强。但是 对于不同的场合有不同的要求，比如说对于应用在审计跟踪的场合，每个接收端都 需要提取水印，这就要求计算的复杂度低；如果水印只是用于证明版权时，为了考 虑其可能受到各种攻击，计算就需要高的复杂度 伪随机性：伪随机性是指在视频的任何位置，在短时间内可以检测出水印的存 在，它比实时性的要求更高，伪随机性是视频水印的重要特性之一。如果一个水印 方案能够进行实时性处理，但是只能从视频的开始位置按照播放顺序检测水印，。那 么该水印方案不具有伪随机性；如果跳到任何位置都可以在很短的时间内检测出水 印，那么该水印方案具有伪随机性。 m 3 与视频编码标准相结笞i 蛐：视频由于其数据量极大，在存储或传输过程中通 常要先对其进行压缩，现在最常用的视频数据压缩编码标准是m p e g 2 和m p e g 4 。 如果在压缩视频码流中嵌入水印，很显然应该与视频的压缩编码标准相结合；如果 在原始视频数据中嵌入水印，由于水印嵌入是利用视频的冗余数据来携带信息，视 华北电力大学硕士学位论文 频压缩编码的目的是为了去除视频中的冗余数据，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。 2 4 视频水印分类。 对于数字视频水印技术来说，分类的方法很多，分类的依据不同，导致了分类 的方法不同，可以做如下分类： 按照水印技术与数字视频编码系统结合方式进行分类，可以分成基于原始视频 的水印和基于压缩视频的水印。基于原始视频的水印是指对未经过编码的视频数据 直接进行处理，在原始视频数据中直接嵌入水印。基于压缩的视频水印是指嵌入过 程和某种压缩标准如m p e g 相结合，在压缩视频中嵌入水印。 按照水印的可见性进行分类，可以分成可见水印和不可见水印。可见水印就是 我们用眼可以看到的水印，它适合用于标识版权，防止或者阻止非法使用受版权保 护的高质量视频。人们现在主要研究不可见水印，这种水印在使用中不易被察觉， 不影响视频的使用，但是在发生版权纠纷时，仍可起到确认视频所有者的作用，因 此不可见水印的商用价值比较高。 按照嵌入域进行分类，可以分成时空域水印和变换域水印( 也称为频域水印) 。 时空域数字水印是直接在信号空间上将其中载体的冗余部分用水印信息代替。其中 的一种简单方法就是用待嵌入的信息替换载体中的最低有效位( l s b ) ，这种方法比 较简单，但是鲁棒性不高，而且允许嵌入的内容比较少。而变换域数字水印则是在 d c t 变换域、小波变换域 2 2 1 或s v d 变换域上叠加水印。这种方法的优点是嵌入的 信号能量可以分布到空域的所有像素上，也可以将人类视觉系统的某些掩蔽性结合 到水印的嵌入过程中。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的 隐藏位置也不再局限于以上几种变换域的方法。 按照水印的抗攻击能力进行分类，可以分为鲁棒性水印和脆弱性水印。鲁棒性 水印是指水印对各种常见的变换和处理都具有一定的抗击能力，这种水印主要用在 数字作品中以标识版权信息如作者、作品序号等，目的是作为法庭起诉非法盗版者 的证据。它要求嵌入的水印能够经受各种无意的编辑处理甚至恶意攻击。脆弱性水 印对任何变换和处理都非常敏感，主要用于真实性和完整性的保护，人们可根据水 印的状态判断数据是否被篡改过。 按照嵌入水印的内容进行分类，可以分为无意义水印和有意义水印。无意义水 印是指嵌入的水印本身是没有任何特殊的意义的一个伪随机序列或者是一个序列 号，这种水印一般应用于检测是否含有水印。而有意义水印是指嵌入的水印可以是 有特殊含义的符号和图像等，通过提取这类水印可以判断出载体是否受到了攻击。 按照密钥进行分类，分为对称视频水印系统和非对称视频水印系统。如果在嵌 o 华北电力大学硕士学位论文 入和提取过程中采用相同的密钥，则称为对称视频水印系统，否则称为非对称视频 水印系统。 视频水印算法的分类也体现出了视频水印的应用范围和角度，要设计一个好的 视频水印系统，则需要综合考虑应用场合、嵌入区域及嵌入内容等多种因素。 2 5 典型的视频水印算法 近年来，人们提出7 i l 曼多种视频水印算法，各有其特点和长处。很多图像的水 印算法可以直接移植到视频水印算法中，但是根据视频水印本身的特点，很多文献 将视频水印算法归结为：空间域算法、变换域算法和压缩域算法。每种算法都有自 己的优缺点，可以根据视频水印的应用场合来选择不同的水印算法。 2 5 1 空间域算法 空间域水印算法是指直接在原始视频数据中嵌入水印的一种算法。嵌入的水印 信号一般是添加在原始载体的亮度分量上，有时也有一部分被加入到颜色分量中， 有时全部加入到颜色分量中。其具有方法简单、复杂度低以及容易实现等优点，但 是在鲁棒性和不可感知性方面的性能较差。该类算法包括文本水印算法、l s b 算法 和p a t c h w o r k 算法等。 文本水印算法主要是通过轻微改变字符间距，即通过增加行间距、删除字符特 征如底纹线等方法来嵌入水印，此外还可以采用在符号级或语义级中加入水印，例 如，可以用l a r g e 替换文本中的b i g 。该类方法的水印可以抵抗一些文档操作，如照 像复制和扫描复制，但水印也很容易被破坏。 1 9 9 4 年，t i r k e l 2 3 】等人首先提出了在空间域嵌入水印的l s b 算法。该算法用水 印位替换图像像素位中最不重要的位( l s b ，l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) ，由于只是在 不重要的比特位进行调整，对原图像的视觉效果影响较小。随后t i r k e l 改进了水印 的形式，将1 1 1 序列的伪随机信号以编码形式的水印信息嵌入到灰度图像的最低有效 位。这种方法最大的缺陷就是对信号处理和恶意攻击的鲁棒性很差，对含水印图像 进行简单的滤波、加噪等处理后，就无法进行水印的正确提取。 随后b e n d e r l 2 4 】等人在1 9 9 6 提出了p a t c h w o r k 算法。该算法是基于统计检测理 论，首先随机选择n 对像素点( x ，y ) ，然后将每个像素点的亮度值x 加l ，每个像 素点的亮度值y 减1 ，这样整个图像的平均亮度仍然保持不变。p a t c h w o r k 算法嵌入 的水印码率低，对一些攻击( 表达攻击) 的抵抗力较弱。 2 5 2 变换域算法 变换域算法是在载体图像的变换域中进行嵌入水印的算法，是目前研究最多的 l o 华北电力大学硕士学位论文 算法。根据采取的变换方式不同可以分为基于离散余弦变换( d c t ) 、离散傅立叶变 换( d f t ) 、离散小波变换( d w t ) 、奇异值分解( s v d ) 、分形及神经网络等算法。变 换域嵌入水印，可以综合利用人类视觉特性、视频序列固有的时间及空间特性、频 域变换和通信领域的最新技术，来提高水印的鲁棒性【2 5 1 。 在文献中【2 6 1 提到了根据d c t 系数的大小关系，采用交换法嵌入水印信息，在 d c t 系数中嵌入水印。这样对原始视频效果的影响比较小，而且作者在文中使用了 标识码，这样遇到攻击时或者帧丢失时，只影响连续的前后两个视频帧，对其他帧 没有影响。文献【2 7 】中根据场景相同嵌入的水印相同，场景不同嵌入水印不同的原则， 将水印嵌入原始载体经过小波变换后的中频区域。不少文献将两种或者多种方法综 合运用，以达到更好的效果。 将这些变换域算法归纳起来也可以看做是以下三种方法； 第一种方法：视频是由一系列等时间间隔的帧连续播放组成的，因此可以将视 频视为一个三维的信号，把时间轴作为一维，视频帧看作为两维的图像，这样分别 对时间维( 一维) 和图像维( 二维) 进行变换。这种方法能利用视频中有一定数据 冗余的特点，将二维转换成三维空间，从而嵌入水印，也可以忽略视频帧间同步问 题，将复杂问题简单化。但由于需进行三维变换，计算复杂度高。 第二种方法：，前面讲过很多静止图像的算法可以直接移植到视频水印中来，所 以第二种方法也就是将视频水印直接转换成图像水印。这样来水印的嵌入算法比 较多，但是需视频帧间的时域同步问题。 第三种方法：将按块进行频域变换，然后将水印嵌入频域系数中。如d c t 域 变换算法把满足正态分布的伪随机序列嵌入到有限个幅度较高的d c t 系数上，这 种方法的缺点是恢复水印必须有原始图像的参与，不满足盲水印检测。 2 5 3 压缩域算法 在压缩域中嵌入水印，就是将水印直接嵌入到编码压缩后的比特流中。这种算 法前面也提到过，其优点是没有解码和再编码的过程，不会造成视频质量的下降， 同时计算复杂度较低。其缺点是由于压缩比特率的限制而限定了嵌入水印数据量的 大小，嵌入水印的强度受视频解码误差的约束，嵌入策略受相应视频压缩算法和编 码标准的限制。 压缩域算法和编码相结合，也是现存文献中研究的一个热点。在文献【2 9 1 中针对 h 2 6 4 a v c 编码标准，提出一种可抵抗共谋攻击的压缩域鲁棒数字水印算法。文中 的算法对n o o r k a m i 等算法进行改进，通过d c 系数的相关改变量产生密钥从而确 定水印的嵌入位置，改变每个宏块的一个4 x 4 块的非零量化系数嵌入水印。该算法 在保证视频的视觉质量的前提下，很大程度上提高了水印的嵌入量，而且水印的安 1 1 华北电力大学硕士学位论文 全性也因为水印嵌入位置的随机性大大增强。文献【2 9 】结合视频帧格式由c i f 到 q c i f 的变换设计了一个压缩域的视频盲水印算法，水印被嵌入到c i f 格式的视频 流中，既可以从c i f 视频中提取也可以从q c i f 视频中提取，这种算法对m p e g 重 编码以及c i f 到q c i f 的视频格式变换具有鲁棒性，而且整个嵌入提取过程都基于 d c t 域，所以具有较低的计算复杂度。 在进行视频压缩编码过程中嵌入水印，主要考虑的问题是在嵌入信息以后，如 何控制码率变化和运动漂移。因为隐藏信息通常作为噪声嵌入视频数据中，这可能 会导致视频码率发生变化，对于具有恒定码率的视频，这是不允许的。而且，经过 压缩编码以后的视频，已经去除了帧间和帧内的部分相关性，信息嵌入可能会导致 p 帧和b 帧的运动发生漂移，影响视频质量。所以在压缩域嵌入水印应该权衡视频 码率和嵌入信息量的大小问题。 2 6 视频编码标准 在多媒体信息处理中，最基本的需求是能动态实时地处理声音、动画、视频信 号。如果不能对视频数据进行压缩处理，图像的数据则会很大，实时性根本就不能 达到。例如，一幅具有中等分辨率( 6 4 0 * 4 8 0 ) 的彩色数字视频图像的数据量约为 7 3 7 m b i t s 帧，若帧速率为2 5 帧秒，则视频信号的传送速率大约为1 8 5 2 5 m b i t s s ， 一分钟的视频则需要占用1 1 1 1 5 m 以上的硬盘空间。不难看出视频的数据量庞大， 这样难以寻求庞大的存储设备存储这些数据，而且计算机也难以实时地从存储器将 这些数据传送到中央处理器，因此，视频数据压缩技术也就成了开发多媒体系统中 视频处理的关键技术。随着视频编码技术的广泛应用和迅速发展，更多的视频编码 技术和标准展现在我们面前，下面介绍现存的几种视频压缩编码标准。 2 6 1m p e g 标准 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p o r t sg r o u p ) 即运动图像专家组，成立于1 9 8 8 年是专 门为数字视音频制定压缩标准的专家组。m p e g 标准的视频压缩编码技术主要利用 有损压缩技术来减少运动图像中的冗余信息，比如使用运动补偿的帧间压缩编码技 术减小时间冗余度，利用d c t 技术以减小图像的空间冗余度，利用熵编码在信息 表示方面减小统计冗余度，综合运用这几种技术从而达到了高压缩比的目的。m p e g 压缩标准是针对运动图像而设计的，其基本方法是：在单位时间内采集并保存第一 帧信息，但是只存储其余帧相对第一帧发生变化的部分，从而达到压缩的目的。 m p e g 组织根据不同的目标和应用，制定的各个标准有m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 、 m p e g 7 和m p e g 2 1 标准。 1 m p e g 1 标准 。 ， m p e g 1 制定于1 9 9 2 年，是m p e g 组织制定的第个视频和音频的有损压缩标 1 2 华北电力大学硕士学位论文 准，它是为工业级标准而设计，可适用于不同带宽的设备( 主要是v c d 系列的产品) 。 m p e g 1 带宽最多能达到为1 5 m b s ，其中1 1 m b