（计算机应用技术专业论文）基于运动矢量相角抖动调制视频水印算法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 信息隐藏技术是信息安全领域的后起之秀，它可以弥补信息加密技术的不足 如果先把重要信息加密，再将其隐藏，将是保证信息安全的更有效的方法。数字视 频水印技术在保护视频产品版权方面起着越来越重要的作用，但是它还存在很多没 有解决好的技术问题，还有必要对视频水印技术进行研究。 运动矢量是视频预测编码的重要信息，它可以作为视频水印的嵌入位置。基于 运动矢量的视频水印具有水印容量有限、嵌入水印后视频质量高、算法简单的特点。 在基于运动矢量的视频水印技术中，通常采用内置式、后置式嵌入策略和相对应的 内置式、前置式提取策略。依据水印嵌入位置和嵌入规则的不同，基于运动矢量的 视频水印算法可分为六类。 抖动调制是一种基于量化的鲁棒水印嵌入方法，对视频信息中运动矢量的相角 进行抖动调制，可以嵌入鲁棒数字视频水印。调制运动矢量相角时，先将【o ，2 石) 角 度区间划分为两个不同的角度区间集，这两个角度区间集分别表示信息“o ”和“1 ”， 任何一个运动矢量的相角必然属于这两个角度区间集中的某个子区间。依据抖动调 制的思想和水印位信息，对运动矢量的相角进行适当抖动调制，使得运动矢量相角 所属集合表示的信息与水印位信息一致，从而在运动矢量中嵌入水印信息。对运动 矢量的相角进行抖动调制时，使用最佳匹配点搜索策略以降低对视频质量的影响。 实验证明基于运动矢量相角抖动调制嵌入视频水印的算法是有效的，算法对帧删除、 帧插入、剪裁、旋转等水印攻击具有鲁棒性。 关键词：视频水印，运动矢量，抖动调制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nh i d i n gt e e l m o l o g yi sn 删b u tb o o m i n gi nt h ef i c l do fi n f o r m a t i o n s e c u r i t y , w h i e l a nn l a k cu pt h es l a o r t a g co ft h ei n f o r m a t i o na a e r y p t i o t c e l m o l o g y i t sa l l a o r ce f f e c t i v em e t h o dt os a f e l yp r o t e c tt l a ci n f o r m a t i o ni ft h ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni s e n c r y p t e da n dl a i d d c n d i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n gh a se f f e e to nt h ee o p y i i g h tp r o t e c t i o n o ft h ev i d e op r o d u c tm o l ca n dm o r c b u tt l a c r ca l r cm a n yt e e l m i c a lp r o b l c m st l l a th a v en o t b e e ns o l v e d i t s 埘幻晦s a r yt or e s c a r e l ao i lt h ec t i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n g ，1 n h cm o t i o nv e c t o ri sak i n do fv e r yi m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni nv i d e o p r e a i e t i o nc o d i n g , a n di t sr e g a r d e d 弱ap o s i t i o nw h e t ct h ev i d e ow a t e r m a r kc a nb ce m b e d d e d 皿c c a p a b i l i t yo ft h ev i d e ow a t e r m a r kb a s e do nt h em o t i o nv e c t o ri sl i m i t e d t h cv i d e oq u a l i t y i sh i g ha f t e rt h ew a t e r m a r kh a sb e e ne m b e a d c d , a n dt h ee m b e d d i n ga l g o r i t h mi ss i m p l e i n n e re m b e d d i n ga n db a c ke m b e d d i n ga r ct w ot y p c so ft l a cv i d e ow a t e r m a r ke m b e d d e d m e t h o d s i n n e rc x t r a e t i n ga n dp r e - c x t r a e t i n g 批t w ot y p e so ft l a cv i d e ow a t e r m a r k e x t r a c t e d a e e o r d i , gt ot h ev i d e ow a t e r m a r ke m b e d d e dp o s i t i o na n dr u l e s ，t h e r ea r cs i x t y p e so f t h ev i d e ow a t e r m a r ke m b e d d e da l g o r i t h m d i t h e r e dm o d u l a t i o ni sar o b u s tw a t e r m a r ke m b e d d e dm e t h o db a s e do i lt h e q u a n t i z a t i o n n c , t i g i t a lv i d e ow a t e r m a r kc a n b ce m b e d d e dr o b u s t l yi ft h ep h a s ea g l co f t h em o t i o nv c c l o ri nt l a ev i d e oi n f o r m a t i o ni sd i t h e r e dm o d u l a t e d w h e nm o d u l a t i n gt h e p h a s ea n g l eo ft h em o t i o nv e c t o r , t h ep h a s ea n g l es e c t i o nf r o m0 t o2 a i ri sd i v i d e di n t o t w od i f f e r e n ta n g l es e c t i o ns c t r o n es e td e n o t e si n f o r m a t i o n “0 ”a n dt h eo t h e ro n c d e n o t e si n f o r m a t i o n “1 ”1 m ep h a s ea n g l eo ft h em o t i o nv e c t o rm u s tb e1 3 m e m b e ro ft h e s u b s e tt h a tb e l o n g st oo n co ft h es e t s a c c o r d i n gt ot h ed i t h e r e dm o d u l a t i o na n d w a t e r m a r kb i t s ，t h ep h a s ea n g l eo ft h em o t i o nv e c t o ri sm o d u l a t e d p r o p e r l y i ti sf o r c e dt o b eam e m b e ro fo n cs u b s e t a n dt h ed e n o t i n gi n f o r m a t i o ni ss a l n ew i t ht l a ew a t e r m a r kb i t s ot h ev i d e ow a t e r m a r ki se m b e d d e di nt h em o t i o nv c c l o r w h e nt h ep h a s ea n g l eo ft l a e m o t i o nv e c t o ri sm o d u l a t e d t h em o s te f f i c i e n tm a t e l a i n gm e t h o di su s e di no r d e rt or e d u c e t h ee f f e c t s0 1 1t h ev i d e o q u a l i t y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mo fv i d e o w a t e r m a r k i n gb a s e d0 1 1t h ed i t h e r e dm o d u l a t e dp h a s ea g l co fm o t i o nv c 咖fi sc f f c e t i v c t h ea l g o f i t l m ai sr o b u s tt ow a t c r m a r l ka t t a c ks , e l aa sd c l c t e df l i l m c ：i n r t c df l a m l ：, c u t f r a m ea n dr o t a t e df r a m c k e y w o r d s ：v i d e ow a t e r m a r k ，m o t i o nv e c t o r , d i t h e r e dm o d u l a t i o n 独创性声明 场0 1 7 , 1 0 5 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研冤工作及取得 的研究成果。尽我所知，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：j 擎辱易 日期： 融年f 汨 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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：嚼毙 日期：矿拆，7 月 日 指导教师签名 蓥缝砥 日期：”彳年r 月岁日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 信息安全与信息隐藏 1 绪论 信息安全是指所有涉及信息的安全性、完整性、可用性、真实性和可控性的相 关理论和技术，它是- - f 3 涉及计算机科学、网络技术、通信技术、密码技术、应用 数学、数论、信息论等多种学科的边缘性综合学科。信息安全技术主要研究计算机 系统和通信网络内信息的保护方法以实现系统内信息的安全、保密、真实和完整i 。 信息安全的两个主要的研究方向是信息加密和信息隐藏，信息加密是依靠加密的方 法，将传递的明文转换为密文；信息隐藏是将重要信息进行隐藏，减少引起注意的 可斛2 】。信息隐藏技术和信息加密技术提供了解决信息安全问题的有效方法。近年来， 信息安全作为国际学术界关于多媒体版权保护的前沿研究领域，一直都是国际上的 重点研究课题，具有重要的学术意义、深刻的研究内容和广泛的应用领域。 人们对于信息加密技术的研究已经经历了长久的过程，并且渐渐形成了一套完 整而有效的体系。而对于信息隐藏技术，虽然它产生的历史十分久远，但是却一直 没有形成有自己特点的研究体系。 公钥系统为信息加密提供了一种公认的有效的实现方法，但事实上，仅仅依靠 公钥系统的加密手段，并不足以保护互联两上信息的安全，这是因为：传统的加密 技术往往会把一段有意义的信息( 明文) 转换成看起来没有意义的东西( 密文) ， 这势必会引起那些对此感兴趣甚至是具有恶意的人的怀疑，激发他们的破译热情， 一旦加密的数据被接收并解密，其保护作用也随之消失。随着计算机软硬件技术的 迅速发展以及基于网络的具有并行计算能力的破解技术的日渐成熟，单靠通过增加 密钥长度以增强保密系统的可靠性的做法已经受到人们的质疑。因为密码技术存在 着如下三大缺点【1 】： ( 1 ) 它明确地提示了攻击者哪些是重要信息，容易引起攻击者的注意，并有 被破解的可能。 ( 2 ) 一旦加密文件被破解，其内容就完全透明了。 ( 3 ) 攻击者可以在破译失败的情况下将信息破坏，使得即使是合法的接收者 也无法阅读信息内容。 信息隐藏技术研究的目的，则是把重要信息存放于其它有意义的信息中，这样 不仅隐藏了信息的内容，而且隐藏了信息的存在，具有很大的迷惑性，减少了引起 注意的可能性。在互联网上，由于每时每刻交互的信息量十分庞大，因此这种方法 华中科技大学硕士学位论文 可以使怀有恶意的人需要花费十分巨大的投入来寻找所想要的重要信息的位置，从 而大大提高了非法获取此类信息所需要付出的代价。 信息隐藏有时也称数据隐藏，从广义上看，信息隐藏是指将保密信息隐藏于另 一非法保密载体中，以不引起检查者的注意。信息隐藏有信息不可见、信息的存在 性隐蔽、信息的接收方和发送方的隐蔽和传输的信道隐蔽等多种含义。广义的信息 隐藏技术包括隐写术、数字水印、数字指纹、隐蔽信道、阙下信道、低截获概率通 信和匿名通信等；从狭义上看。信息隐藏是将某一机密信息秘密隐藏于另一公开的 信息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息狭义的信息隐藏技术通常指隐 写术和数字水印。信息隐藏涉及密码学、图像处理、模式识别、数字和计算机科学 等领域，在计算机、通信、保密等领域有着重要的应用。 信息加密技术和信息隐藏技术并不是相互矛盾、相互竞争的技术，而是互补的。 显然，如果能够将两种方法综合使用，先把重要信息加密，再将其隐藏，将是保证 信息安全豹更好的办法。此外，解决信息安全闽题。并不能仅仅依赖于技术和算法 等措施，还需要依赖于法制和道德观念的建设。 1 2 课题背景 信息数字化时代和网络时代的到来对版权保护提出了新的挑战。随着计算机网 络的普及应用和多媒体技术的成熟发展，各种形式的多媒体数字作品( 包括数字图 像、数字视频、数字音频等) 可以在网络上方便快捷地传输，多媒体信息的交流已 达到了前所未有的广度和深度。人们在感受网络的便捷和多媒体产品的丰富多彩的 同时，也遇到令他们苦恼的事：一方面，市场迫切需求大量多媒体产品，人们期望 可以利用网络传输方便快捷、多媒体信息易于复制等特点直观地获得自己所需要的 数字产品信息；另一方面，人们希望自己辛辛苦苦创作的数字产品不被非法拷贝、 篡改和侵权，让自己数字产品的版权受到有效的保护，这就不可避免地产生了数字 媒体信息安全、知识产权保护和认证等问题，其中最重要的便是版权保护问题。因 此如何既充分利用因特网的便利，又能有效地保护知识产权的问题，己越来越受到 人们的重视。其中，信息隐藏技术是学者们提出的用于解决版权保护问题的重要技 术手段。 信息能够隐藏在多媒体数据中是因为；一是多媒体信息本身存在很大的冗余。 二是人类视觉系统和人类听觉系统本身对某些信息都有一定的掩蔽效应。 信息隐藏技术必须考虑正常的信息操作所造成的影响，也就是说，要使机密信 息对正常的数据操作具有免疫力，因此信息隐藏技术具有透明性、鲁棒性、不可检 2 华中科技大学硕士学位论文 测性、合适嵌入强度等要求。 信息隐藏的一个重要分支是数字视频水印。数字视频水印是向数字视频作品中 加入不易察觉的商标、序列码、图像等可代表作者身份的数字版权标记。人们的许 多视频创作和成果都以数字视频形式存储和发布，数字视频作品极易被非法拷贝、 仿造和篡改，使得很多版权所有者不愿利用网络公开其作品，从而阻碍其自身发展。 目前数字视频作品的版权保护不仅仅是立法问题，也是一个很重要的技术问题。 密码技术由于本身的缺陷，还不足以撑起数字产品版权保护的大旗。数字水印 技术能够弥补密码技术的不足，近年来已经广泛地应用于数字产品的交易跟踪、真 伪鉴别、拷贝控制和版权保护。数字水印技术中的数字视频水印技术是保护数字视 频产品的重要手段，也是当前数字水印技术研究中的一个热点和难点，热点在于： 大量消费类视频产品的推出，使得以视频水印技术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；难点在于：虽然数字水印技术近几年得到迅速发展， 但主要集中于静止图像水印技术的研究，而视频水印技术的研究则相对滞后，在设 计视频水印方案时需要考虑帧间运动信息、编码与解码阶段的计算复杂度和沿时间 轴破坏同步关系等很多因素，还有很多技术上的难题没有解决 视频序列是由一系列连续和等时空距离的静止图像构成，因而视频水印与图像 水印的设计原理非常相近，视频水印技术与静止图像水印技术在应用模式和设计方 案上也具有类似性，将图像水印的基本原理应用于视频序列是水印算法的自然推广， 但视频水印的设计与静止图像水印的设计有着很大的差别： ( 1 ) 视频为水印信息的嵌入提供了更大的可用载体信号空间，对人眼视觉特 性的利用范围进一步扩大，为设计更具鲁棒性的视频水印提供了可能。对于静止 图像，其信号空间非常有限。这使得很多研究人员通过隐性或显性的人类视觉模型， 确定水印的可见性尺度，使嵌入的水印尽可能鲁棒。 ( 2 ) 视频的编码和解码系统为水印嵌入和提取算法的实现提出了实时性、恒 定码率等约束条件，制约了视频水印算法设计的灵活性。由于视频的数据量极大， 在视频水印技术中，如果进行简单的运算处理，则不能较好的利用人眼视觉系统特 性嵌入鲁棒水印；如果进行复杂的运算处理，则不能满足实时处理的要求。与静止 图像相比，视频水印技术更为重要的是降低算法复杂度，在某些情况下甚至不能像 静止图像那样充分利用人类视觉系统模型。- ( 3 ) 视频序列有过多的冗余数据，必须经过有损压缩编码才能进行存储或传 输，因而嵌入在视频中的水印信息必须能够适应或者抵抗视频有损压缩编码处理。 ( 4 ) 视频序列中运动区域与非运动区域分布不平衡以及更为精确的人眼视觉 3 华中科技大学硕士学位论文 模型尚未完全建立等给视频水印算法的设计带来许多困难，现有的标准视频编码格 式也匪碍了视频水印技术的引入。 ( 5 ) 视频序列作为一系列静止图像的集合，会遭受针对视频特性而产生的新 攻击模式，如帧平均、帧删除、帧插入、帧重组、帧速率变换等，从而对视频水印 的鲁棒性构成威胁。 ( 6 ) 抵抗几何失真和随机掉帧等是视频水印技术需要解决的难题，因为一旦 失去空问和时间上的同步关系。水印信息就很难被提取出来。 目前视频水印方案较少。但随着多媒体和i 目络技术的发展，计算机处理视频 的能力不断提高，相关领域研究成果的丰富，视频水印技术将会得到迅速的发展和 应用，成为保护信息安全和知识产权的重要手段，视频水印技术也会沿着以下方向 发展： ( 1 ) 基于视频内容或基于视频对象属性随着视频压缩标准的发展，视频水 印技术格壶第一代发展到第二代，第一代视频承露方案中水露与内容无关，大帮是 基于将水印能量扩展到帧中所有像素这一思想，侧重于讨论计算量和水印强度；第 二代视频水印方案中水印与视频内容相结合，水印能量没有分布在所有像素点上， 而是分布在视频的部分内容，如分布在视频场景或者视频对象上，强调水印的同步 性，因为同步可以抵抗与帧相关的攻击，这种思想是与视频压缩标准( 如m p e g 4 ) 紧密相联的。具有明显的优点。可以说，基于视频内容或基于视频对象属性将是视 频水印主要的发展方向。 ( z ) 适用于网上视频流传输。网络流媒体的出现拓展了视频水印的应用范围， 网络是视频流系统的一个重要组成部分，但是目前网络也存在许多局限性，包括带 宽有限、缺乏q o s 控制、异构性及随时间变化等特性，网络传输信息的丢失或出错 都将可能损坏嵌入的水印，从而降低水印的健壮性，因此研究能够适用于网上视频 流传输的视频流水印技术也显得日益迫切。 ( 3 ) 多重鲁棒和多功能。当前在某一视频产品中仅仅嵌入一种水印已经不能 满足人们的要求，在很多情况下人们需要的是多重鲁棒或多功能视频水印。多重鲁 棒水印在同一视频产品中利用相同或不同的算法嵌入多个水印以提高水印的抗攻击 能力；多功能水印在同一视频产品中嵌入不同性质的水印以达到不同的目的，例如 在同一个视频产品中同时嵌入一个瑰弱承窜霸一个鲁棒水印，脆弱永印屉于篡改提 示，鲁棒水印用于版权保护多重鲁棒和多功能特性是视频水印今后发展的一个方 向。 ( 4 )自适应水印。视频水印的自适应有两层含义：一是指视频水印生成的自 d 华中科技大学硕士学位论文 适应，即利用原始载体的部分或全部信息来生成水印，这样对含水印载体做部分修 改并不会对整个水印产生影响，因而自适应生成的水印具有抑制各种攻击的能力； 二是指水印嵌入的自适应，即水印嵌入时其嵌入强度、嵌入位置、嵌入信息量随着 图像载体数据各部分特性的不同而自适应改变，从而在不可见性和鲁棒性之间取得 最佳折中。自适应视频水印也是今后发展的一个方向。 ( 5 ) 抗几何攻击。目前存在盼大多数视频水印算法对几何攻击的鲁棒性都比 较差，剪裁、缩放、旋转、平移、弯曲、扭曲、尺度变换、行列删除等几何攻击会 改变空间位置的同步关系，从而导致水印检测失败。视频水印要能够抵抗几何攻击， 这是视频水印系统必须要解决好的问题，也是今后发展的方向 ( 6 ) 具有检错和纠错功能。高效率的数据压缩性能和低失真的视频压缩效果 是各种视频编码技术和编码标准所追求的目标，但高效的视频压缩编码意味着去除 了视频图像大量的空间相关性和时间相关性，使得编码端输出比特流的冗余信息很 少，因而也造成了视频码流对传输中产生的差错( 误码) 非常敏感。误码的出现是 不可预测的，实际的视频传输网络也根本没有办法保证不出现误码。现在已有汉明 码、b c h 码、r s 码、t u r b o 码和卷积码等具有检错或纠错功能的编码应用于数字水 印。如果视频水印系统既能够嵌入水印，同时又能够检测和纠正接收端视频码流中 的误码，那么该水印系统将具有更强的生命力，其应用前景也将更加广阔。 目前，视频水印技术的研究进展比较缓慢，其研究工作在许多方面还面临着难 题，从而阻碍了该技术走向实际应用。这些难题主要是：视频的原始码流数据量较 大，其存储和传输需要经过压缩，水印系统不能选择原始视频数据作为水印嵌入位 置；水印系统在重建视频图像时存在失真，且视频的视觉失真难以控制；实时处理 对水印嵌入容量、嵌入和检测算法的复杂度有限制，水印信息的嵌入和提取不能影 响视频的编码和解码速度；视频水印的攻击种类较多，在设计水印的嵌入和检溯算 法时要考虑更多的因素，需要设计出能抵抗不同类型攻击的水印系统；码率控制既 调整编码比特流满足某种给定的带宽条件，又可以改善视频编码质量，是直接影响 图像输出码率稳定性和图像质量的重要因素，因而水印系统必须要考虑水印嵌入后 的码率控制问题。 ， 因此，在视频水印技术的研究中，还有很多技术问题有待进一步深入研究，视 颏水印技术所涉及的理论领域也有待进行一步拓展，提出一种鲁棒视频水印方案是 技术和理论上的一大挑战。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题主要研究工作 虽然视频水印处理技术作为视频数据的一种版权保护方法正在受到越来越多的 重视，但是目前该项技术尚未得到充分的研究，还有很多技术问题没有得到很好的 解决，这也给研究工作带来了机遇和挑战，国内外的不少学者积极投身于视频水印 的研究工作，他们提出了不少有关视频水印嵌入、检测和提取的理论，为视频水印 的研究奠定了良好的基础。 本课题提出了一种基于运动矢量相角抖动调制的视频水印算法，主要涉及以下 几个方面的工作： 研究视频水印系统的技术要求、分类和关键技术，重点分析了视频水印的典型 嵌入算法。 基于运动矢量的视频水印技术，涉及运动矢量的基本概念、在运动矢量中嵌入 视频水印的可行性、基于运动矢量的视频水印系统的基本框架和水印模型，重点探 讨了基于运动矢量的视频水印典型算法。 借鉴量化索引调制方法中的抖动调制思想，提出一种基于运动矢量相角抖动调 制的鲁棒视频水印算法，编程序实现了该算法并进行了算法分析。 1 4 论文的组织结构 本论文结构的组织如下： 第一章是绪论部分介绍了信息安全和信息隐藏、本论文的研究背景和主要研 究工作。 第二章研究了基于运动矢量的数字视频水印技术。主要涉及视频数字水印系统 的技术要求、水印分类、关键技术、发展方向、典型嵌入算法和基于运动矢量的视 频水印嵌入的可行性、基本框架、水印模型。 第三章提出一种基于运动矢量相角抖动调制的视频水印算法。借鉴抖动调制的 基本思想，对视频编解码信息中的运动矢量的相角进行抖动调制，根据水印位来调 制运动矢量相角的量化区间，从而嵌入水印。 第四章编程实现了算法，对实验结果进行了分析，并进行了水印攻击实验。 第五章是论文的总结部分。总结论文所傲的主要工作和尚未完成的工作，展望 今后的研究工作。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 典型的数字视频水印技术分析 2 1数字视频水印系统的技术要求 与静止图像水印技术相比，视频水印技术在应用中有一些独特的技术要求。 ( 1 ) 安全性：在大多数应用中，比如版权保护，要确保嵌入信息的保密性。 通常称这种问题及其他相关的闯题为。水印安全”。这类保密性水印要求水印嵌入 和提取过程中用到密钥。密钥所在的密码系统应满足：公开加密和解密算法不影响 系统安全性；安全性基于密钥的使用；密钥在一个大密钥空间内选择，且在此空间 中进行穷尽搜索不可行【1 1 。根据k e r c h o f f 准则，如果不知道水印密钥，即使知道水 印嵌入和提取算法，也不能够检测、修改或者删除水印。 ( 2 ) 可靠性：视频水印系统的水印检测应该具有高的可靠性，即水印检测时， 虚警错误( 指水印检测器检测一件没有水印的作品，结果报告发现水印) 和漏检错 误( 指水印检测器检测一件已经嵌入水印的作品，结果报告没有发现水印) 尽可能 少，虚警概率( 指在未嵌入水印的情况下错误检测到水印的概率) 和漏检概率( 指 在已成功嵌入水印的情况下错误认为不存在水印的概率) 尽可能低。特别是在版权 保护系统中将检测结果提供给法庭作为证据时，要求虚警概率很低，否则会降低证 据的说服力。 ( 3 ) 鲁棒性：鲁棒性是数字水印的重要特征之一。数字视频水印的鲁棒性是 指数字水印应该能够承受各种不同的物理和几何失真，包括各种有意的或无意的攻 击和处理，在不明显降低视频质量的情况下很难将其去除。视频水印技术具有和其 他水印技术不同的一些鲁棒性要求：是对有损压缩编码算法的鲁棒性，这是对数 字视频水印技术的基本要求。二是针对信号变换的鲁棒性，这是视频水印技术应用 中的一个基本要求，也是一个很难解决的问题。三是针对几何变换( 攻击) 的鲁棒 性，这是目前视频水印技术所面临的最大挑战之一。 ( 4 ) 不可感知性( 或称水印的透明性) ：视频水印信息必须具有“透明品质”， 也就是说嵌入在视频数据中的数字水印在视觉上应该是不可见或不可察觉，不能因 为嵌入水印而降低视频质量，从而破坏或降低视频数据的商业价值。当然，需要嵌 入可见水印的情况除外。 ( 5 ) 盲检测性或盲提取性：视频水印系统在检测或提取时不需要原始视频信 号。虽然原始视频信号有利于检测或提取视频水印信息，但是它也容易暴露给恶意 攻击者，而且在某些应用中，人们并不能获得原始视频信号，即使能获碍原始视频 7 华中科技大学硕士学位论文 信号，由于其数据量巨大，要保存和使用始视频信号几乎是不可能的，也是不现实 的。因此除极少数水印方案外，目前主要采用盲检测和盲提取视频水印技术。 ( 6 ) 实时处理性：不同的应用场合对视频水印的嵌入和提取有不同的要求， 审计追踪要求水印提取复杂度较低，为不同接收者嵌入身份标识时要求水印提取复 杂度可以较高，而水印嵌入的复杂度较低。总体而言，视频水印的嵌入和提取应该 具有低复杂度，水印信息的嵌入和提取必须实时完成，不能影响视频的编码和解码 速度，避免放慢产品和监测过程的速度。 ( 7 ) 随机检测性：对于视频水印系统，应该可以在视频的任何一个位置短时 间内检测出水印。如果一个水印方案能够进行实时处理，但只能从视频的开始位置 按播放顺序一步步检测水印，则该方案不具有随机检测性，也经不起视频水印的攻 击和信号的处理；如果跳转到视频的任何一个位置，都能在很短时间内检测出水印， 则该水印方案具有随机检测性。它比实时性要求更高更重要。 ( 8 ) 与视频编码标准相结合：视频的数据量极大，在存储和传输过程中通常 先要对其进行压缩。由于水印嵌入是利用视频的冗余数据来携带水印信息，而视频 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 目地在原始视频码流中嵌入水印，则嵌入的水印很可能在编码过程中完全丢失；如 果是在压缩视频中嵌入水印，很显然也必须与视频的压缩编码标准相结合。 ( 9 ) 能处理新的攻击形式和处理手段：对于视频数据，除了面临针对静止图 像的水印攻击外，还面临一些特殊的信号处理和攻击形式，必须保证水印方案对这 些处理和攻击的鲁棒性。对视频信号的任何处理和攻击，只要没有将视频数据破坏 到失去使用价值的地步，都不应该破坏所嵌入的水印。针对视频信号的各种攻击和 处理手段有： 无意的处理和攻击，包括采用各种压缩编码标准对视频进行编码；在m 俗c 、 p a l 、s e c a 和通常的电影标准格式之间转换时所带来的帧速率、显示分辨率和屏幕 宽高比的改变；帧删除、帧插入、帧重组等视频编辑处理；数模和模数转换中给视 频可能带来的低通滤波、噪声、对比度轻微改变以及轻微的几何失真等。 有意的攻击，针对视频水印的攻击通常有简单攻击、检测失效攻击、混淆攻 击和删除攻击，针对静态图像的攻击一般来说对单个视频帧仍然有效，针对视频的 连续帧通常还有统计平均攻击和统计共谋攻击。因此必须考虑视频信号可能面临的 各种攻击和处理，在此基础上实现一个较好的水印方案。 ( 1 0 ) 水印信息的容量：水印信息容量可用“水印颗粒度”来描述，水印颗粒 度是指嵌入一个“单元”水印信息需要多少原始数据。“单元”是水印嵌入的最小 8 华中科技大学硕士学位论文 片断( w a t e r m a r km i n i m u ms e g m e n t ，w m s ) ，也就是说一个单元( 即一个w m s ) 定 义了组连续的帧图像来嵌入完整的水印信创1 1 。大尺寸的w m s 是不可取的，因为 水印应该可以从视频序列的- 4 , 部分中提取出来，否则当从含水印的w m s 中截取 一定数量的帧图像时，水印信息就不能检测或提取出来。小尺寸的w m s 也不可取， 如果一个w m s 尺寸太小，就没有足够空间来嵌入完整的水印信息。 2 2 数字视频水印的分类 对于数字视频水印，可作如下分类： ( 1 ) 按水印技术与视频编码系统结合方式的不同分类：包括原始视频水印和 压缩视频水印。原始视频水印是对未经编码的视频数据进行处理，直接在原始视频 数据中嵌入的水印。压缩视频水印则与某种视频压缩标准( 如常见的m p e g - x 及 h 2 6 x ) 相结合，在压缩视频中嵌入的水印。 ( 2 ) 按嵌入域分类：主要分为时空域水印及变换域( 频率域) 水印。时空域 水印主要是用待嵌入的信息替换载体信息中的冗余部分，只有知道隐藏信息嵌入的 位置才能提取水印信息。变换域水印是在宿主信号的某个变换域中嵌入水印信息， 其优点在于：嵌入的信号能量可以分布到空域的所有像素上；可以更方便地将人的 感知系统的某些掩盖特性结合到水印嵌入过程中；与大多数国际视频编码标准兼容， 可直接实现压缩域内的算法，提高效率。 ( 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( 或称为 私钥水印) ，否则称为非对称水印( 或称为公钥水印) 。 ( 4 ) 按检测时是否需要原始宿主信号分类：分为盲水印( 检测和提取水印时 不需要原宿主信号) 和非盲水印( 检测和提取水印时需要原宿主信号) 。由于视频 的数据量非常大，视频水印一般都采用盲水印。 ( 5 ) 按水印特性分类：分为鲁棒水印和脆弱水印两类，脆弱水印又分为易碎 水印和半易碎水印。鲁棒水印能够经受常见的各种有意或无意的水印攻击和信号处 理，主要用于视频作品的版权保护。易碎水印则对任何视频变换或信号处理都比较 敏感，半易碎水印则对某些特定的视频处理方法具有鲁棒性而对其他处理不具备鲁 棒性，脆弱水印主要用于纂改提示或真伪鉴别。 ( 6 ) 按水印的可见性分类：分为可见水印和不可见水印。人们主要研究的是 不可见水印，在特定场合可能需要嵌入可见水印。 ( 7 ) 按水印能否反向求出分类：分为可逆水印和非可逆水印。c r a v e r 掣3 】提出 利用单向函数和从图像内容构造水印的非可逆水印生成方法。非可逆水印对基于估 9 华中科技大学硕士学位论文 计的水印攻击具有很强的鲁棒性。 以上是常见的分类方法，视频水印还可按水印是否采用自适应技术、能否进行 错误校验、能否定位受攻击的位置、是否多重水印等进行分类，因此有学者提出自 适应视频水印【4 胴、检错纠错视频水印、多重鲁棒视频水印 6 1 、多功能视频水印、生 成多分辨率水印n 1 8 9 埘的视频水印、嵌入互补水印1 1 1 1 2 1 3 】的视频水印、在检测端完 全还原原始视频图像的视频水印和基于混沌、分形、神经网络、遗传算法等的非线 性视频水印。 2 3 数字视频水印的典型嵌入算法分析 视频数字水印的嵌入算法很多，可以分为以下两大类：在原始视频中嵌入水印 和在压缩视频流中嵌入水印i t 4 。 2 3 1 原始视频水印嵌入算法 原始视频水印是直接对未压缩的视频数据进行处理，与视频编码格式无关。因 此可以分为两种情况1 1 5 1 ： ( 1 ) 可以直接获得原始视频流数据。此时，可以直接在原始的视频流中完成 水印的嵌入或提取，处理比较简单。 ( 2 ) 只能得到编码的视频流数据。此时需要首先对编码视频迸行解码，然后 再嵌入或提取水印。在进行水印处理之后，如果有必要再重新压缩，其处理相对复 杂。如果存在一些特殊的要求，比如要求嵌入水印前后的编码码流的长度保持不变， 则处理更为复杂。 在原始视频中嵌入水印，按嵌入域划分，可以分为在空域嵌入水印和在变换域 ( 频域) 嵌入水印。 。 空间域水印直接在原始视频数据中嵌入水印，嵌入的水印信号一般是添加在亮 度分量或色度分量上，其算法的优点是方法简单、复杂度低，但是原始视频数据量 很大，在编码器中要经过压缩编码以尽量除去冗余信息，因此很多水印信息经过视 频压缩编码后可能会丢失，影响水印的鲁棒性，同时水印的不可感知性也较差。 f l a m i n g 等【1 q 借鉴扩频通信的基本思想，提出在原始视频中嵌入水印的算法。水 印嵌入时。按照空间上的从左到右、从上到下以及时间上的先后顺序，将视频信号 看作一维信号，水印信号经过扩展、放大和调制，得到一个拟随机序列，采用普通 的加法将该随机序列加到一维视频信号中，即可得到嵌入了水印的视频信号。水印 检测时，计算拟随机序列和嵌入了水印的视频信号之间的相关值，正的相关值表示 1 0 华中科技大学硕士学位论文 嵌入了信号+ 1 ，负的相关值表示嵌入了信号- 1 。 1 a n c i a i 等【l 刀提出了一种利用人类视觉特性的空闻域视频水印算法。水印嵌入时 先根据人类视觉特性确定掩码结构；然后使用纠错码，以提高水印提取和检测的可 靠性；再插入同步方式，以有效地抵抗某些攻击性。水印只嵌入在每帧图像空间域 的亮度部分水印提取时，先对压缩视频解压缩，再对每帧图像滤波，突出嵌入水 印的频率( 主要是高频) ，接着基于帧内自相关以及帧与同步之间的相关性计算进 行几何攻击反变换；然后，计算峰值之间的距离( 如果帧被剪切或缩放) 。一旦恢 复了这些攻击，就得到了水印化的帧，计算它和水印的扩频序列之问的相关性的值， e c c ( 纠错码) 解码器利用这些值就可以得到嵌入的水印。 变换域水印是在原始视频的某个变换域中进行水印的嵌入和提取，常用的变换 域包括离散傅里叶变换( d f t ) 、离散余弦变换( d c t ) 、小波变换域( d w t ) 、 离散哈达玛变换( d h t ) 等。在变换域嵌入水印，可以综合利用人类视觉特性、视 频序列匿有的时间和空间特性、频域变换和通信领域的最新技术来提高水印的鲁棒 性，因此在变换域嵌入水印一直是人们研究的热点。变换域水印对视频有3 种处理 方法： ( 1 ) 将视频流看成一个三维信号，其中两维在空间上，一维在时间上，对其 进行三维变换，然后进行水印处理。 ( 2 ) 将视频流看成静态图像的序列，在单帧图像上嵌入水印，或者利用序列 图像之间的关系嵌入水印。 ( 3 ) 将视频按块进行频域变换，由于视频编码标准中同样也是按块进行频域 变换( 多为d c r ) ，因此，这种方法大多是与视频编码器相结合进行。 s h a h 掣”i 提出了一种实时视频数字水印算法。该算法是在哈达玛变换域嵌入水 印，并集成到原始图像电路，直接在摄像机的视频信道执行水印的嵌入。水印是由 密钥产生的具有单位方差和零均值的随机实数序列，水印嵌入在彩色帧的绿色分量， 因为压缩后绿色分量水印的鲁棒性最好。哈达玛变换是正交变换，对二维哈达玛变 换，正变换和逆变换只相差一个比例系数n 2 ，这种特性使得哈达玛正向变换和反向 变换可以使用相同的硬件设备。算法先把视频帧分为8 x 8 的块，对每个块执行哈达 玛变换，按z i g - z a g 方式选取中频系数嵌入水印，然后执行哈达玛逆变换。 s h c n 等嗍提出了一种利用几帧连续图像直流部分之同的关系来隐藏数据的算 法。由于改变直流部分会引起较大的失真，该算法不是在视频序列中的每一帧都隐 藏数据，而只是在某些帧中嵌人数字水印信息。首先用密钥k 选择嵌入对，用来决 定两个嵌入对的距离，一个嵌入对包括两个连续的宿主帧，嵌入对必须有足够的数 1 1 华中科技大学硕士学位论文 量以保证嵌入强度。为了增加嵌入水印的强度，水印要经过扩频和调制。嵌入强度 也可以由用户选择，由k 随机产生的嵌入对之问的距离不能超过嵌入强度的最大距 离。选定嵌入对以后，在一个嵌入对里的两个宿主帧被分成8 x 8 的块，并对每个块 进行d c r 变换，每一个变换块的直流部分被提取出来作为在宿主视频中嵌入水印信 息的基础。利用一个宿主帧的块的直流部分和另一宿主帧的对应块的直流部分之间 的关系嵌入一个水印位的算法为：若d c a d c b 时，则嵌入“0 ”；若d c a d c 。， 则嵌入“l ”。该算法中攻击者不容易发现包含水印的所有帧。 d e g u i l l a u m e 等1 2 0 1 在视频序列的三维d f t 域中嵌入水印。由于在整个视频序列 上进行三维d f f 耗费巨大，所以首先将视频序列划分为连续的、非重叠的、长度固 定的帧序列，水印嵌入或提取分别在每个序列上重复进行，每个序列中嵌入相同的 信息。水印嵌入时，将水印信号编码成扩频信号，对帧序列进行三维d f t ，然后选 择d f t 系数的中频部分来嵌入水印。 s w a n s o n 等【2 l 疑出的采用三维小波交换的水印方案也是将视颏序列看成三维信 号，并将视频序列按场景划分，这样水印处理就能够考虑时域冗余。视频序列中视 觉上类似的区域，即来自同一个场景的帧，必须嵌入一个一致的水印。水印嵌入时， 利用基于人类视觉系统的掩蔽模型来保证嵌入到每个视频帧的水印是不可感知的和 鲁棒的。嵌入时先对视频序列一个场景中的量个帧进行三维小波变换，将变换系数 分为8 x 8 的块暑f f ，对每一块丑f l ，通过其d c r 变换得到频率掩蔽矩阵，进而得到 水印矩阵形f j ，根据空间域掩蔽矩阵s f f ，在该块中添加水印矿f j ，所有块添加水印 之后，进行逆变换则得到添加了水印的信号。 p i v a 等阎利用了m p e g - 4 基于内容编码的特点，提出了一种在m p e g - 4 原始视 频流的每个视频对象( v 0 ) 经d w t 变换的系数上嵌入不同水印的算法。水印在嵌 入前要乘上噪声敏感函数产生的权系数，使嵌入的水印强度达到最优，水印嵌入时， 首先从视频帧提取视频对象，得到不同的图像，在每个图像嵌入不同的水印。图像 要经过4 层小波分解，得到小波子带卵( 0 一l l ，删，i l l ，h h ，一0 1 , 2 ，3 ) 水印 是伪随机二进制序列，嵌入到第0 层的3 个细节子带，、俨和，尹，实验证明这 三个子带提供了鲁棒性和不可见性之间最好的折衷。 l i e 等提出了一种基于d w t 的视频水印算法，把水印信息位嵌入到没有压缩 的视频序列。该算法把水印看作通信问题，采用数字通信的一些技术( 如纠错编码 e c c 、3 d 交错技术、同步技术) 以减少误码率。水印嵌入前对水印信号用二迸制随 机序列进行调制，并用b c h 码进行编码以降低检测误差。水印嵌入时先对每帧图像 华中科技大学硕士学位论文 的1 7 分量进行3 层小波分解，得到1 0 个子带，对，低频子带系数使用3 d 交错技术 以提高水印信号的鲁棒性，再将经过b c h 编码的水印信号嵌入到经过3 d 交错处理 的比。子带系数上。嵌入水印时，用代表二进制“1 ”或“o ”的数据位代替d w t 系 数的一些最低有效位 2 3 2 压缩视频水印嵌入算法 由于视频的数据量非常大，在原始视频中嵌入和提取水印不容易满足实时性的 要求，国内外不少学者研究了压缩视频水印算法。在压缩视频流中嵌入水印，按嵌 入位置可以划分为在离散余弦变换( d 玎) 系数中