（信号与信息处理专业论文）视频流水印技术研究.pdf

唣 建 f 摘要 | i i i iiil it ii ri l lii i i iii y 18 8 9 3 2 3 数字水印技术是国际学术界一个新兴的科学研究领域，是信息安全的一个重要分 支，并且与信息隐藏等技术有着密切的联系。水印技术是指在数字产品( 如图像、音频、 视频) 嵌入版权信息来确定版权的归属或跟踪侵权行为。当前的数字产品被复制后仍然 可以保持相当高的保真度，因此盗版产品大幅度增长，知识产权也遭受到严重侵害，而 视频流水印技术作为一种视频版权保护的方法正在逐步受到重视，所以，目前视频流水 印技术具有较高的学术研究价值和广泛的实用价值。本文着重从以下几方面进行了深入 研究和探讨。 ( 1 ) 通过对h 2 6 4 a v c 视频编码格式的新特性分析，提出了在d c t 交流系数中嵌入 的视频流水印算法。采用了二维a r n o l d 图像置乱方法对欲嵌入的水印图像进行预处理， 得到了不规则的嵌入图像，使攻击者获得原始水印图像时有了一定的难度，增加了水印 的鲁棒性。在水印嵌入时，分析了视频帧亮度和纹理特性，将生成的水印信息嵌入到量 化后的交流系数中，提高了水印的不可感知性，并且水印的提取和检测也不再需要原始 视频流。实验仿真结果验证了该算法可以有效的抵抗旋转等基本几何攻击，安全性能比 较好，并且对于噪声以及有损压缩等具有很好的鲁棒性。 ( 2 ) 针对3 g 视频编码标准的特性视频流水印技术的实时性问题，提出了一种基于色 度块d c 系数的视频流水印的鲁棒性算法。该方法首先利用a r n o l d 变换对水印图像进行 预处理，通过计算视频序列i 帧的亮度确定欲嵌入帧，然后计算色度块的均值和方差， 把置乱后的水印信息嵌入到色度块的量化d c 系数中，该水印算法具有盲检测性。由于 根据人眼视觉特性考虑亮度因素，因此水印具有很好的不可见性。水印的预处理和嵌入 位置的选择在一定程度上都增强了水印的鲁棒性，水印在嵌入过程中，不需要在对视频 进行解码和再编码，因此满足实时性的要求。 ( 3 ) 视频流媒体的出现进一步扩大了视频流水印技术的应用范围，但是水印技术在流 媒体中的应用受到带宽等因素的影响。因此针对适用于网络传输的视频流提出了一种水 印技术，将水印信息分别嵌入到基本层和增强层码流中。在带宽较低的情况下，可以从 基本层提取出水印信息确认视频流内容的完整性，而在带宽充足的情况下，则可以从增 强层提取水印信息，因此当视频流一层遭到破坏时可以从另一层将水印信息提取出来， 对版权进行保护。文中采用了位平面编码技术，通过线性扫描的方法从位平面块的最高 位平面到最低有效位平面进行编码，编码过程中选择嵌入水印的目标位平面块，然后通 过修改特定系数把水印信息嵌入到8 x 8 位平面块中，这种算法不仅具有很好的不可见性 和鲁棒性，并且实现简单，可满足实时性要求，而且在嵌入水印后还可以减小嵌入水印 信息后视频流的大小。 关键词：视频流水印，m p e g 4 ，实时性，位平面编码，视频传输 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi sac u t t i n g e d g er e s e a r c hi nt h e i n t e r n a t i o n a la c a d e m i cc o m m u n i t y i ti sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fi n f o r m a t i o ns e c u r i t ya n di s c l o s e l yl i n k e d 、析t hi n f o r m a t i o nh i d i n ge t c b ye m b e d d i n gs e c r e ti n f o r m a t i o ni nt h ed i g i t a l p r o d u c t s ( s u c ha si m a g e s ，a u d i o ，v i d e o ) t op r o v ec o p y r i g h ti n f r i n g e m e n to rt r a c k i n g b e c a u s e t h ed i g i t a lp r o d u c tc o n t e n ti sa b l et om a i n t a i nal a r g en u m b e ro fr e p l i c a t e dh i g hf i d e l i t y , t h e p i r a t e db e c o m ev e r ye a s y , s ot h a tt h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi s s e r i o u sv i o l a t i o n s ，t h ev i d e o s t r e a mp r o c e s s i n go fv i d e od a t aa st h em e t h o do fc o p y r i g h tp r o t e c t i o ni sb e i n gt a k e ns e r i o u s l y t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nv i d e os t r e a m i n gw a t e r m a r k i n gi sv e r yv a l u a b l eb o t hi na c a d e m i c d e v e l o p m e n ta n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s t h ec o n c e p t si nt h i sd i s s e r t a t i o nk e e pa b r e a s to ft h e i n t e r n a t i o n a lv i d e os t r e a m i n gw a t e r m a r k i n gr e s e r c hp r o g r e s s t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i s d i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h en e wf e a t u r e so fh 2 6 4 a v cc o d i n gs t a n d a r d ，av i d e ow a t e r m a r k a l g o r i t h mb a s e do na cc o e f f i c i e n ti si n t r o d u c e d f i r s t l y , t oc a r r y i n go u tt w o - d i m e n s i o n a l a r n o l di m a g es c r a m b l i n gt oo b t a i nt h ei r r e g u l a re m b e d d e di m a g e s e v e ni ft h ea t t a c k e r s o b t a i nt h ew a t e r m a r k i n g ，i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i nt h eo r i g i n a lw a t e r m a r k r o b u s t n e s so ft h e a l g o r i t h mi si m p r o v e d t h e n ，e m b e d d e dt h ew a t e r m a r ki n t oa c c o e f f i c i e n tq u a n t i z e da c c o r d i n g t oa n a l y s i st h ev i d e of r a m ep i x e ll u m i n a n c ea n du n i f o r m i t yo ft e x t u r e t h ew a t e r m a r kh a s g o o di n v i s i b i l i t y t h ed e t e c t i o nd o e sn o tr e q u i r eo r i g i n a lv i d e os e q u e n c e ，s ot h i sa l g o r i t h mi s b l i n dd e t e c t i o n n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sw a t e r m a r ks c h e m ec a ne f f e c t i v e l y r e s i s tt h er o t a t i o na n do t h e rb a s i cg e o m e t r i ca t t a c k m o r e o v e ri tc a nr e s i s tl o s s yc o m p r e s s i o n a n dn o i s e ，i tg e t sb e t t e rs e c u r i t ya n dr o b u s t n e s s ( 2 ) a i m i n g a tt h ep r o b l e m so ft h ef e a t u r e so f3 gv i d e oc o d i n gs t a n d a r da n dr e a l t i m e ，a r o b u s t n e s sv i d e ow a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do nd cc o e f f i c i e n t so fc h r o m ab l o c ki sp r e s e n t e d t h et w o - d i m e n s i o n a la r n o l di m a g es c r a m b l i n gi sd e s i g n e df i r s t l y , a c c o r d i n gt oc a l c u l a t i n g t h eb r i g h t n e s so ft h eif r a m ev i d e os e q u e n c et od e t e r m i n et h ee m b e d d e df r a m e ，t h e n c a l c u l a t i n gt h ea v e r a g ev a l u e a n dv a r i a n c eo fc h r o m ab l o c k ，e m b e d d e dt h es c r a m b l e d w a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni n t ot h eq u a n t i z e dd cc o e f f i c i e n t so fc h r o m ab l o c ks ot h i sa l g o r i t h m i sb l i n dd e t e c t i o n c o n s i d e rt h ei n t e n s i t yf a c t o r sa c c o r d i n gt ot h eh u m a nv i s u a ls y s t e m ，t h e w a t e r m a r kh a sg o o di n v i s i b i l i t y t h ep r e t r e a t m e n to ft h ew a t e r m a r ka n dt h ec h o i c eo f e m b e d d e dl o c a t i o ne n h a n c e dt h er o b u s t n e s si ns o m ee x t e n t i nt h ep r o c e s so fw a t e r m a r k e m b e d d i n g ，t h ev i d e od on o tn e e dt od e c o d ea n dr e e n c o d i n g ，s oi tm e e t st h er e q u i r e m e n t so f r e a l t i m e ( 3 ) t h ee m e r g e n c eo fv i d e os t r e a m i n ge x p a n dt h ea p p l i c a t i o n so ft h ev i d e os t r e a m i n g w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , b u tt h ea p p l i c a t i o n so fw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi ns t r e a m i n g m e d i aa r ei n f l u e n c e db yt h eb a n d w i d t h i nc o n n e c t i o nw i t ht h ev i d e os t r e a m i n gt oa p p l yt o n e t w o r kt r a n s m i s s i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e daw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , t h ew a t e r m a r ka r e e m b e d d e di n t ot h eb a s el a y e ra n de n h a n c e m e n tl a y e rb i t s t r e a m i nt h ec a s eo fl o wb a n d w i d t h ， w ec a ne x t r a c tt h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o nf r o mt h eb a s i cl a y e rt oc o n f i r mt h ei n t e g r i t yo ft h e v i d e os t r e a m i nt h ec a s eo fs u m c i e n tb a n d w i d t h w ec a ne x t r a c tt h ew a t e r m a r kf r o mt h e i i a b s t r a c t e n h a n c e m e n tl a y e r 1 1 l i sp a p e ru s eb i t - p l a n ed c tc o d i n gt e c h n i q u e s ，a n dt h e nu s i n gl i n e a r s c a n n i n gm e t h o de n c o d e df r o mt h eh i g h e s tb i t p l a n eb l o c kp l a n et ot h el e a s ts i g n i f i c a n tb i t p l a n e i nt h ee n c o d i n gp r o c e s s ，s e l e c tt h et a r g e te m b e d d e dw a t e r m a r kb i tp l a n eb l o c k , t h e nt h e w a t e r m a r ki se m b e d di n t ot h e 8 8 p l a n eb l o c kb ym o d i f y i n gt h es p e c i f i cc o e f f i c i e n t t h j s a l g o r i t h mn o to n l yh a sg o o di n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sa sw e l la se a s yr e a l i z e dw h i c hm e e t r e a l t i m e 。b u ta l s oc a nr e d u c et h es i z eo fb i ts t r e a m sa f t e re m b e d d i n gw a t e r m a r ki n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：v i d e os t r e a m i n gw a t e r m a r k i n g ，m p e g - 4 ，r e a lt i m e ，b i t - p l a n eb l o c k ，v i d e o t r a n s m i s s i o n i l l i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 数字视频流水印研究的目的和意义1 1 2 数字视频水印技术一1 1 3 数字视频流水印的特性2 1 4 数字视频流水印的研究进展和现状3 1 5 论文的主要工作和论文安排6 1 5 1 本文主要工作6 1 5 2 论文结构安排6 第二章视频流水印的技术研究9 2 1 视频水印的典型算法9 2 1 1 基于非压缩域视频水印算法9 2 1 2 基于压缩域视频水印算法1 0 2 2 视频流水印技术存在的问题1 1 2 3 视频流水印的性能评价指标1 2 2 4 纹理特性分析1 4 2 5 图像置乱技术15 2 5 1a r n o l d 置舌l 一1 5 2 5 2 仿真实验及结果分析1 6 2 6 第三代移动通信系统( 3 g ) 1 7 2 6 13 g 网络特点1 7 2 6 23 g 中的多媒体业务1 7 2 7 视频的相关编码技术18 2 7 1h 2 6 4 a v c 关键技术18 2 7 2m p e g 4 关键技术2 1 2 8 位平面编码技术2 3 第三章纹理特性的d c t 域视频流水印算法2 5 3 1 引言2 5 3 2 嵌入位置的选择与分析2 5 3 3 视频流水印算法设计k 。2 6 3 3 1 水印信息的预处理2 6 3 3 2 水印信号的嵌入2 7 3 3 3 水印信号的提取和检测2 8 3 4 仿真实验与讨论2 8 目录 3 4 1 水印的不可见性分析2 9 3 4 2 水印的鲁棒性分析2 9 3 4 3 水印算法的性能分析3 1 3 5 本章小节3 2 第四章3 g 视频的水印算法3 3 4 1 引言3 3 4 23 g 视频水印算法的总体设计架构3 3 4 33 g 视频水印算法3 5 4 3 1 水印信号的预处理3 5 4 3 23 g 视频流水印算法的实现过程3 6 4 4 仿真实验细节及讨论3 7 4 4 13 g 视频流水印算法的不可见性及鲁棒性测试3 8 4 4 23 g 视频流水印算法的重压缩鲁棒性3 9 4 4 33 g 视频流水印算法的实时性测试4 0 4 5 本章小结4 2 第五章适于网络传输视频的水印算法4 3 5 1 引言4 3 5 2 网络传输中水印的算法研究4 4 5 2 1 水印算法原理分析4 4 5 2 2 水印信号的预处理4 5 5 2 3 水印嵌入和提取算法分析4 5 5 3 实验结果及分析4 7 5 3 1 水印算法的鲁棒性分析4 7 5 3 2 水印算法的安全性和实时性分析。4 8 5 3 3 水印嵌入后视频的减少5 0 5 3 4 水印算法的不可见性分析。5 l 5 4 本章小结5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 研究总结5 3 6 2 研究展望5 4 致谢5 5 参考文献5 7 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文6 1 l i 第一章绪论 第一章绪论 数字化信息时代的到来对整个社会的科学、技术、经济以及文化带来了巨大的机遇， 但是，也使数字多媒体信息的存储、复制和传播相当的便捷，数字多媒体信息( 音频、 视频、图像等) 的修改、拷贝和编辑也变得非常容易，数字多媒体版权问题和经济利益 也将会受到严重的影响，因此，数字流媒体的可信度所引起的信息安全问题、盗版以及 版权纷争等问题在当前的信息全球化时代已经变成了严重的社会问题，在这种情况下， 信息共享与传输的安全性就越来越重要了【l 捌。而如何应用数字水印技术对数字产品进 行保护已经成为多媒体信息的一个研究热点，这也正是本文研究的重点。 1 1 数字视频流水印研究的目的和意义 多媒体视频在信号的处理、传输、发送和接收已经全面实现数字化，这个技术在给 用户带来高清视频的同时，也给数字视频流的版权保护带来了新的问题。数字视频流版 权的保护问题已经成为当前迫切需要解决的问题之一【3 4 1 。传统的多媒体视频，已经可 以在数据传输环节对视频进行保护，但是数据被用户合法解码并播放后，仍然存在非法 复制的可能。因此，有必要在传统数字多媒体的基础上引入新的版权保护技术，以更好 地保护数字视频流的版权。数字多媒体水印技术是以信号处理为基础的，通常是根据一 定的算法将不可见的版权信息嵌入到数字产品中，它不仅包括图像处理，密码学以及数 学等多种理论的交叉运用，还可能涉及到编码，信息论等学科【5 】。该技术通过利用人类 听觉、视觉系统的特点，在图像、音频、视频等数字化内容中嵌入版权保护信息，使得 嵌入后数据和原始数据几乎没有任何改变，除非通过专门的检验过程才能提取出所嵌入 的信息。虽然通过该方法不能限制或控制数据的复制和篡改，但是可以通过提取嵌入的 个人版权信息来确认数字产品的所有权和跟踪侵权行为【6 】。 然而，随着手机3 g 时代的到来和m p 4 等技术的发展，移动多媒体技术应用越来越多， 因此视频流水印算法不但需要满足不可见性、盲检测性、鲁棒性、安全性等基本性能， 还要满足实时性。同时，对于某些特殊攻击的防护也成为视频水印技术不断创新的动力。 因此，视频流水印技术具有很高的科学研究价值。由于目前视频流在网络上广泛传播， 为了便于在一定带宽上的传输，通常都是以压缩形式存在的。国际上通用的标准有 m p e g l ，m p e g 一2 ，m p e g 3 和m p e g 4 以及h 2 6 1 ，h 2 6 2 ，h 2 6 3 和h 2 6 4 等，但是现 在压缩效果最好的主要有m p e g 4 和h 2 6 4 视频压缩标准，并且现在已经广泛的应用于市 场，这两种编码标准的关键技术在第二章我们将做详细的介绍。因此，结合视频压缩编 码标准对视频流水印技术研究具有重要的研究价值。 1 2 数字视频水印技术 数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i c a l i t y ) 【7 】是一种特殊的版权保护方式， 它采用数字内嵌的方法将代表版权的信息嵌入到数字图像、文本、音频、视频等数字产 品内容中来确定产品的归属权，保证数字产品内容的所有权认证，并且可以有效的进行 江南大学硕士学位论文 跟踪。同时随着网络技术和多媒体技术的迅速发展，不但使电子信息传输的准确性得到 了明显的提高，且传输过程中多媒体视频流也有着很高的清晰度，但是由于信息技术的 高速发展使其复制变得相当容易，视频流可以被任意的篡改和伪造，因此，视频水印研 究是当前科学技术研究方向中的一个重点。但是，视频流数据与图像不同，即使在压缩 的状态下也有很大的数据量，冗余性非常大，且运动区域与非运动区域的分布也不平衡， 传统的的图像水印处理方法已经不能单纯的被使用在视频水印中，技术上有很多迫切需 要解决的问题，因此，视频流水印技术又是当前数字水印研究的一个难点。目前，视频 水印系统【8 - 9 】都是由一个嵌入系统( 如图1 1 所示) 和提取系统组成( 如图1 2 所示) 。 图l - 1 水印信号嵌入模型 f i g 1 - 1w a t e r m a r ks i g n a li n c o r p o r a t i o nm o d e l 同时，如果从通信角度分析，可以看作在一个宽带信号上叠加一个窄带信号。而从 信号处理方面分析，我们也可以将视频水印的嵌入看做是在在一个强背景的视频上叠加 一个微弱信号，为了增强水印的安全性，在水印嵌入的过程中我们可以通过加入控制位 置等密钥。 ? ：- 一：? ? i 原始视频数据j ； 图1 2 水印信号提取模型 f i g 1 - 2w a t e r m a r ks i g n a le x t r a c t i o nm o d e l 1 3 数字视频流水印的特性 水印的种类非常多，主要有可见水印和不可见水印，自适应水印和非自适应水印， 鲁棒水印、脆弱水印和半脆弱水印，盲检测水印和检测水印等。 数字水印【l o 1 1 1 是一种独特的信息隐藏技术，它不但可以对视频流版权进行保护，还 可以对其进行完整性认证，将水印信息嵌入到数字产品中，不但不会引起产品质量问题， 还能保证其正常的存储和传输。视频序列与静止图像之间存在着一定的承接性，一些图 像水印的算法虽然可以引入到视频流水印中，但是他们之间存在本质的差别，对于视频 水印而言，信号空间非常大，水印数据可以分散到连续的多帧图像上，单帧图像可嵌入 的水印信息容量也就变得不那么重要。同时，由于视频信号通常以压缩形式存储，存在 2 第一章绪论 一个编解码的过程，因此，算法的实时性和鲁棒性变得非常重要。但是，视频流不同于 图像，它是由连续的视频帧构成的，所以容易受到帧删除，帧交换，帧丢失等恶意攻击。 尽管这些恶意攻击对视频质量的影响不大，但却能够破坏水印信息。因此，这使得视频 流水印技术除了应该具有图像水印所具有的安全性、可靠性、鲁棒性、不可感知性等一 般特点外，还具有许多独特的要求。概括如下【1 2 】： ( 1 ) 盲检测要求。视频的信息量比较大，所以给视频水印信息的嵌入提供了较大的 载体空间，而由于人言特性的范围从空域扩展到了时域，所以提供了更多的水印算法选 择方案。同时，水印的提取不能用到原始视频，要实现水印的盲检测。 ( 2 ) 视频流水印算法要满足实时处理的要求。视频流是连续播放的，多数应用都要 求视频水印实时性或接近实时性。一般有两种情况，一种是水印嵌入和提取都是实时的 强实时，另一种是只需要嵌入或提取时满足实时性的弱实时。 ( 3 ) 更强的鲁棒性。视频是由一系列相关图像构成的，所以会出现帧插入、帧删除、 帧重组、帧编辑等问题，同时，由于视频数据量太大，需要经过压缩后才能存储或传输， 因此视频水印系统要经过有损压缩编解码过程，所以嵌入的水印信息要具有一定的抵抗 攻击或者适应有损压缩编码处理的能力。 ( 4 ) 要与视频编码标准相结合。视频数据由于数据量相当大，在存储、传播时要先 进行压缩，而在压缩视频流中嵌入水印，必须要与视频编码标准相结合，所以视频压缩 编码标准在一定程度上影响水印算法的设计，视频流水印算法应该以具体实际应用系统 为基础，与之相结合。 ( 5 ) 视频速率的恒定性。水印嵌入后要保证视频流不会发生失真，而且要音视频同 步，所以水印嵌入后不能增加水印的比特率。同时，视频流的传输会受到信道带宽的限 制，水印嵌入时还需要考虑带宽问题。 1 4 数字视频流水印的研究进展和现状 数字水印技术最早是在1 9 9 0 年被提出来的，但是直至i j l 9 9 3 年才给出了明确的定义， 相关论文在当年进行了发表，之后随着数字信息技术的迅速发展，数字水印技术逐渐扩 展到图像、音频及视频领域，大批的学者开始研究视频水印技术，h a r t u n g 等人【1 3 】在1 9 9 6 年提出将扩频水印嵌入到原始视频和压缩视频中，为视频水印技术的发展建立理论基 础。 视频流水印技术随着其基本理论不断深入的研究得到了迅速的发展。但是受视频流 水印的空间特性，实时性能等多种因素的影响，其发展相比图像水印而言比较滞后。但 考虑其重要的学术价值和广阔的应用前景，国内外多家研究机构都进行了视频流水印技 术的研究。由于十分精确的人眼视觉模式没有完全的建立起来，在保证视频质量的前提 前，嵌入一个鲁棒性较强的水印相当困难，同时，视频流还会遭受各种各样的攻击，例 如帧删除，帧重组，几何攻击等等，在水印嵌入时还需要能够很好的抵抗攻击能力，而 且还要与水印的编码进行结合，确保水印信息和视频流在时间和空间上同步，以保证水 印的实时性，因此，要设计一个比较完备的视频流水印算法需要考虑各种因素，相当不 3 江南大学硕士学位论文 【1 4 - i s 。o e v l e e s c n o u w e r l l q 提出了一种无损水印算法，他通过m o d u l o 2 5 6 避免像 素的溢出和下溢来保证无损机制，对压缩有很好的鲁棒性，但是容易引起视频质量的下 降，椒盐噪声尤其明显。t o nk a l k e r 教授针对广播监控设计了j a w s ( j u s ta n o t i l g r w a t e r m a r k i n gs y s t e m ) 水印方案【1 7 】，该方案在视频传输过程有很好的鲁棒性，且不可感 知性较好，同时满足视频传输的实时性。但是，该水印方法对恶意攻击的抵抗能力比较 弱。文献【1 8 】在传统的差分能量水印( d e w ) 算法基础上进行了改进，通过在嵌入过程 中引入能量分布公式进行水印嵌入，该水印算法增强了水印的有效性和稳健性，并且码 率变化和视频失真都很小，但是其计算量相对较大，实时性能有待于加强。文献1 1 9 j 针对 水印的嵌入容量和视频质量提出了一种运动估计和预测误差直方图修改算法，该算法根 据相邻帧的内容联系，将视频帧采用运动估计获得的预测误差生成直方图，通过扩展直 方图峰值点的预测误差来嵌入水印信息，但是该方案计算复杂度高，同时，鲁棒性能需 要进一步提高。文献【2 0 l 提出了一种变长位平面分解的视频水印算法，该算法是针对鲁棒 性和不可见性提出的，根据位平面在重构水印图像时的权值不同将不同的位平面嵌入在 不同的d c t 中低频系数中，有较好的鲁棒性和不可见性，但是该水印算法的嵌入容量相 对较小，并且对恶意丢帧的抵抗能力较弱。文献【2 l 】提出了一种采用v l c 编码进行水印嵌 入的视频水印算法。该算法充分考虑了v l c 的特点，通过调整码流a c 系数中v l c 的最 低有效位进行水印嵌入，由于不需要编解码过程，因此对视频序列的质量影响较小，但 该算法实现的难度比较大，成本也相当高。 国际上，学术界经常开展数字视频水印的研讨会，例如国际信息隐藏学术研讨会、 多媒体内容安全与水印研讨会以及国际数字水印研讨会等。而研究水印技术的机构也在 逐年递增，目前有麻省理工学院、普渡大学、朗讯贝尔实验室、i b m 研究中心、n e c 美 国研究所以及欧洲广播联盟和美国财政部也都在视频流水印技术上投入了当量的资金 和精力。并且在一些重要国际期刊和杂志上也有许多关于视频流水印技术的文献和专 题，关于水印技术的专著也已经大量出版。同时，法国n e wt a m p 针对电视节目的版权 保护问题研发了一种水印算法【2 2 1 ，该水印在节目视频中嵌入一个不可见标示，该水印标 示具有自适应性，可以根据鲁棒性和不可见性进行调整，并且对编码转换，压缩及编辑 等攻击方式有很好的抵抗性能。p l l i l i p s 研制的w a t e r c a s t 视频水印产品1 2 3 】，可以对视频节 目内容进行全方位的保护。此外，日本、韩国等国家对数字水印的研究也投入了大量的 精力，其技术水平也非常先进，例j t l n h k 的科学实验室将版权归属、制作日期等多种信 息嵌入到视频数据中。 在国内，数字视频流水印技术的研究也是一个热点，各个高校和研究所也都开展了 视频流水印技术的研究，国家自然科学基金，9 7 3 项目等对视频流水印的研究提供了很 大的支持。比较有代表性的是哈尔滨工业大学的孙圣和，陆哲明及牛夏牧等，中山大学 的刘红梅，北京邮电大学的杨义先和钮心忻等，他们在国内较早的投入水印的研究并取 得了较好的研究成果。尽管水印技术在国内处于初级阶段，但是水印在国内也已经不仅 仅停留在理论研究方面，而是也走上了实用商业化方向，为国内信息安全提供了安全有 效的保障。 4 第一章绪论 近年来，数字视频流已经成为科学研究的一个热点问题，由于在实际应用中相邻视 频帧之间的高度相关性使其冗余性非常大，因此多数视频流信息都需要进行高效压缩后 进行传输，所以对水印算法的研究也要与视频的压缩编码标准紧密结合。国内外的研究 人员在压缩视频水印方面的研究也已经做了大量的工作，目前m p e g 一4 和h 2 6 4 视频压缩 编码标准已经被广泛的应用在网络等多媒体上，但是其标准的复杂度给水印的研究带来 了一定的难度，使得针对此标准的视频流水印算法还比较单一。由于目前数字视频流水 印的研究目标主要集中在鲁棒性，不可感知性等特性上，很多水印算法具有很高的计算 复杂度，实时性方面明显欠缺，这对于视频的传输造成了一定的困扰，在当今网络高速 发展时代，对于实时性问题的解决是势在必然的。 总之，数字水印技术在电视版权保护，视频点播，视频监播，插播控制，媒体资产 管理，视、音频同步的自动校正等方面都得到了广泛的应用，数字视频流水印技术在国 内外学术界已经成为热点研究课题。目前对水印技术的研究主要集中在水印技术理论的 研究，其中，主要针对密码学方法，通信理论以及信息论方法等方面的研究，使其能够 灵活运用到水印技术中，还有对水印技术新算法的研究、数字水印技术实际应用的研究， 以及对水印技术标准的研究等。然而，随着近几年数字水印技术的发展，水印设计方案 已经在实际应用中得到了体现，目前存在的主要有以下几个方面： ( 1 ) 数据标识与数据通信 很多数据标示比数字数据本身的重要性更大，因此，如果将其直接标注在视频文件 上会很不安全，但是没有数据标示往往又不能使用，因此我们可以利用数字水印技术将 其隐藏在原始文件中，只有知道其算法才能获取，而且此方法已经被国外许多图像数据 库使用。同时，在数据通信中，随着对各种密文的研究，攻击者已经可以对密文进行破 译，例如军事、商业机密等，采用传统的机密方法已经很难保证其安全性了，因此，需 要水印技术提供一个新的思路，将水印信息嵌入到视频中，不会增加原文件的价值，也 不会影响原文件的通信质量，使攻击者难以获取信息。 ( 2 ) 多媒体应用 数字水印在多媒体信息领域的应用，为数字水印扩展了新的应用范围，也给多媒体 信息安全提供保障，近年来出现错误检测、数字图像重建算法和图像数据库的检索机制 等都是基于数字水印技术产生的。 ( 3 ) 视、音频同步的自动校正。 视频流在播放时必定会联系着音频，因此视、音频的不同步会导致视频的质量。我 们在处理视频流失，可以将其分开处理，根据信号通过和传输链路的不同，从音频信号 中提取一个基准码作为水印信息嵌入到视频流中，然后进行传输，提取出的音频基准与 原信号基准对比从而得到一个误差量，可以用其来控制音频延时电路，实现视、音频同 步的自动校正。 ( 4 ) 其他方面应用 目前网页篡改的自动侦测机制仍然是网络安全技术的缺口之一，而数字水印技术使 得系统可定时检测嵌入在网页中的水印信息。数字水印技术对各种票据提供不可见的认 5 垩塑奎兰堡主兰竺笙奎 一 论文的内容结构安排如下： 第一章主要阐述了课题的研究背景和目的，介绍了数字视频流水印技术的发展现 况，从而明确本文的研究方向。 第二章对数字视频流水印技术的基本理论和进行了分析和概括，介绍了视频的主要 编码格式，并重点分析了3 g 视频流水印的关键技术。 第三章研究了视频流水印的嵌入方法，利用视频的纹理特性的分析来进行水印的嵌 入的研究。 第四章研究了3 g 视频流水印算法，利用通过计算视频i 帧的亮度选择欲嵌入帧， 6 第一章绪论 把水印信息嵌入到色度块中。 第五章研究了适于网络传输的视频流水印算法，分别在基本层和增强层进行水印的 嵌入和提取。 第六章对全文进行总结，并对未来的研究进行了展望。 7 江南大学硕士学位论文 8 第二章视频流水印的技术研究 第二章视频流水印的技术研究 视频序列可以认为是一系列连续静止图像序列，虽然在设计方法上有类似之处，但 是研究重点却不同，特别是在视频编码新特性出现的今天，视频水印算法的研究也更偏 向于与视频编码相结合，本章重点研究普通视频流水印的基本理论及基于3 g 视频流水印 的关键技术。 2 1 视频水印的典型算法 目前，视频水印算法按水印嵌入和提取位置不同一般分为三类，即视频编码之前， 编码过程中和编码后三类，如图2 1 所示。根据其分类方法，本节介绍一些典型的视频 流水印算法。一般由于嵌入水印的数据域不同把视频流水印算法分为两种，一种是基于 非压缩域视频水印算法，另一种是基于压缩域视频水印算法。 嵌入方案一 嵌入方案二 嵌入方案三 原始视频流 1 r r 视频编码器 1r 一医编m 溶 j 信道 原始砚频侃 t 视频解码器 ji ji - l a , 习u 闩t ，m jl 提取方案一提取方案二提取方案三 图2 - 1 视频水印嵌入和提取方法 f i g 2 一l v i d e ow a t e r m a r k i n ge m b e d d i n ga n d e x t r a c t i o nm e t h o d 2 1 1 基于非压缩域视频水印算法 非压缩域视频水印算法即在原始视频流中嵌入水印信息( 如图2 1 方案一) ，水印