（计算机应用技术专业论文）基于mpeg2的视频内容认证水印技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着互联网络和计算机技术的迅速发展，人类进入了以数字信息为特征的信 息社会。信息时代在给数字多媒体创作和传播提供诸多方便的同时，也带来了一 个严峻的问题盗版和篡改。数字水印技术是对多媒体版权进行保护和完整认 证的有效工具之一，近年来成为研究热点。本文主要结合m p e g 一2 视频压缩标准， 对视频内容认证水印技术进行了研究。 本文首先对当前主要的视频认证技术进行了初步的探讨和分析，并对数字视 频水印技术进行了介绍。然后从视频内容认证的特点出发，对基于能量差的视频 空域特征提取算法进行了改进，并提出了一种基于m p e g 一2 标准的视频内容认证 水印方案。该方案能对视频空域和时域篡改进行检测定位，在达到对视频内容认 证目的的同时，还较好地满足了视频水印系统实时性、恒定码率、盲检测和不可 感知等要求。 本文的主要工作包括： 1 对现有视频内容认证水印算法进行了介绍和分析，并从认证对象、认证方 式和认证方法三个方面对视频认证技术进行了较为深入地讨论，分析和比较了现有 典型的用于图像认证的脆弱和半脆弱水印算法，为本文的进一步研究提供了思路。 2 通过改变能量块的组合方式，改进了基于能量差的视频空域内容特征提取 算法，提高了对篡改区域的检测能力，并设计了新的视频空域篡改定位算法。该算 法也可扩展应用于静止图像的内容认证。 3 提出了一种基于m p e g 2 标准的视频内容认证水印方案。该方案不仅能对 视频空域进行认证，而且也充分考虑了视频对象的时间维特性。根据视频流结构生 成时域特征值，以单链表为基本数据结构设计了时域认证算法。在基于宏块的视频 水印算法的基础上，设计了视频水印嵌入算法。该算法结合认证的特性，对恒定码 率和级别越界处理作了改进。实验表明该认证水印方案能对视频对象时域和空域篡 改进行认证，同时满足视频水印不可感知、盲检测、恒定码率和实时性等要求。 关键词：数字水印视频水印多媒体认证m p e g 2 内容特征篡改定位 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y p e o p l eh a v e e n t e r e di n t ot h ed i g i t a li n f o r m a t i o ns o c i e t y w h i l ei n f o r m a t i o ne r as u p p l i e sm a n y c o n v e n i e n c e st oc r e a t ea n dt r a n s m i td i g i t a lm u l t i m e d i a , i ta l s ob r i n g sas e v e r ep r o b l e m p i r a c ya n dd i s t o r t i o no fd i g i t a lm u l t i m e d i a a sa ne f f e c t i v ei m p l e m e n t si nt h e c o p y r i g h tp r o t e c t i o na n di n t e g r i t ya u t h e n t i c a t i o nf o rm u l t i m e d i a , d i g i t a lw a t e r m a r k i n g t e c h n i q u e sh a sb e c o m ea na c t i v ea n df l o u r i n gr e s e a r c ht o p i c t h i sp a p e rm o s t l y c o m b i n e sw i t hm p e g - 2v i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d ，a n dm a k e ss o m er e s e a r c ho n v i d e oc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o nw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s t h ep a p e rf i r s t e x p l o r e s a n d a n a l y z e s t h e e x i s t i n g v i d e oa u t h e n t i c a t i o n t e c h n i q u e s ，a n da l s og i v e sag e n e r a li n t r o d u c t i o ni nd i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n g t e c h n i q u e s t h e nd e p a r t i n gf r o mt h ec h a r a c t e r i s t i co f v i d e oc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n ，i t i m p r o v e st h ev i d e os p a t i a l d o m a i nf e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do n d i f f e r e n t i a le n e r g y m o r e o v e r ，t h ep a p e rp r o p o s e sav i d e oc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n w a t e r m a r k i n gs c h e m eb a s e do nm p e g 一2 ，w h i c hc a nd e t e c ta n dl o c a l i z et h et e m p e r e d a r e a sa c c u r a t e l yi nb o t hs p a t i a l d o m a i na n dt e m p o r a l d o m a i no ft h ev i d e o w h i l et h e s c h e m ea c h i e v e st h eg o a lo fv i d e oc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n ，i ta l s of a i r l ym e e t st h e e s s e n t i a l l yt e c l m i c a lr e q u i r e m e n to fv i d e ow a t e r m a r k i n gs y s t e m ，s u c ha sr e a lt i m e p r o p e r t y 、i n v a r i a b l eb i tr a t e 、b l i n de x t r a c t i o na n di m p e r c e p t i b i l i t y t h em a i nw o r kc o v e r s l _ t h e e x i s t i n gv i d e o c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sa r e i n t r o d u c e da n da n a l y z e d ，a n dt h i st e c h n o l o g yi sa l s oq u i t ed e e p l yi n v e s t i g a t e df r o m t h eo b j e c t s 、f a s h i o n sa n dm e t h o d so f a u t h e n t i c a t i o n ，f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e ra n a l y z e s a n dc o m p a r e st h e t y p i c a lf r a g i l ew a t e r m a r k i n ga n ds e m i f r a g i l ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m su s e di ni m a g ea u t h e n t i c a t i o na tp r e s e n t ，w h i c he n l i g h t e n st h ef u i r t h e r r e s e a r c h e so f t h ep a p e r 2 t h r o u g ha l t e r i n gt h ec o m b i n a t i o nm o d eo fe n e r g yb l o c k s ，i ti m p r o v e st h e v i d e os p a t i a l d o m a i nc o n t e n tf e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h mb a s e do nd i f f e r e n t i a l e n e r g y ， w h i c he n h a n c e st h ec a p a b i l i t yo fe x a c td e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o no ft e m p e r e da r e a s ， a n dt h e nd e s i g n san o v e lv i d e os p a t i a l d o m a i nl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m t h em o d i f i e d a l g o r i t h mc a na l s ob ee x t e n d e dt oi m a g ea u t h e n t i c a t i o n 。 i i 江苏大学硕士学位论文 3 av i d e oc o u t c ma u t h e n t i c a t i o nw a t e r m a r k i n gs c h e m eb a s e do nm p e g 一2i s p r o p o s e d t h es c h e m ec a nn o to n l ya u t h e n t i c a t et h et a m p e r e da r e a si ns p a t i a l d o m m n ， b u ta l s ob ee x t e n d e dt ot e m p o r a l d o m a i n t h ep a p e rd e s i g n sat e m p o r a ld e t e c t i o n a l g o r i t h mt a k i n gl i n ka sab a s i cd a t as t r u c t u r e ，a f t e rf u l l yc o n s i d e r i n gt h et e m p o r a l d i m e n s i o np r o p e r t yo ft h ev i d e oo b j e c t , w h i c hg e n e r a t e st h et e m p o r a l - d o m a i nf e a t u r e v a l u e sb a s e do nt h es t r u c t u r eo f v i d e os t r e a m f u r t h e r m o r e ，o nt h eb a s eo f d c tb l o c k v i d e ow a t e r m a r k i n ga j g o r i t r n , t h ep a p e rd e s i g n san o v e l v i d e ow a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m ，w h i c hc o m b i n e sw i 也t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea u t h e n t i c a t i o na n di m p r o v e s t h ei n v a r i a b l eb i tr a t ea n dt h et r a n s a c t i o no fl e v e lo v e rb o u n di nt h ee m b e d d i n g p r o c e s s e x p e r i m e n td e m o n s t r a t e st h a tt h es c h e m ed e a l sw e l lw i t ht h ea u t h e n t i c a t i o n a n dl o c a l i z a t i o no fv i d e oo b j e c tt a m p e r e da r e ab o t hi ns p a t i a l d o m a i na n di n t e m p o r a l d o m a i n ，a n da l s om e e t st h er e q m r e m e u to fv i d e ow a t e r m a r k i n g ，s u c ha s i m p e r c e p t i b i l i t y ，b l i n dd e t e c t i o n ，i n v a r i a b l eb i tr a t ea n dr e a lt i m ep r o p e r t y k e y w 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 、m u l t i m e d i a a u t h e n t i c a t i o n 、m p e g 一2 、c o n t e n tf e a t u r e 、t e m p e rl o c a l i z a t i o n 1 i i 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， 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密日。 学位论文作者签名：赫乞 矿睁r 月c 日 艚：么雹 矽口年广月巧目 独创性、声明 场0 1 3 9 1 2 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。除文中已注明引用的内容以外，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。 学位论文作者虢窑1 2 口莹 日期：支卯善 年j 月。2 宁日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 信息媒体数字化为信息存取提供了极大的便利性，同时也提高了信息表达的 效率和准确性。特别是随着计算机网络通讯技术的发展，数据交换和传输变成了 一个相对简单的过程，人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以 方便、迅速地将数字信息传输到所期望的地方。因其数字化的本质，数字多媒体 信息在存取、编辑、传输等方面变得更加方便的同时，也由于其易于修改的特性， 使得多媒体信息变得不安全。一些具有特殊意义的信息，如涉及司法诉讼、政府 机要等重要信息，如果遭到恶意攻击、擅自篡改，会导致严重的后果。医院的电 子图像，如x 光片、核磁共振片等，如被有意或无意的改动将使患者的健康和 生命受到威胁。还有如电子商务，一个消费者从i n t e m e t 上购买了多媒体产品， 他需要知道这个产品是否来自于合法的生产厂家，并且想确切知道这个产品的内 容有没有被篡改等。因此，对数字多媒体信息认证技术进行研究至关重要。 基于密码系统的认证技术数字签名技术，是通过一个单向函数对要传送 的报文进行处理，得到用以认证报文来源并核实报文是否发生变化的信息流。数 字签名的作用是使消息接收者能够验证在传送过程中的消息没有被修改，防止入 侵者使用假消息代替合法消息。电子商务中，传送的文件可通过数字签名证明当 事人身份与数据真实性，解决否认、伪造、篡改及冒充等问题。但随着多媒体技 术的发展，需传递的信息由单纯的字符报文数据发展为包括声音、图像、视频等 各种多媒体信息，针对这些多媒体信息，运用传统的数字签名技术来进行信息认 证就显现出缺陷和不足。 为了保护多媒体信息的版权和认证其内容的真实性，近年来，国际上提出了 一种新的有效的数字产品版权保护和数据维护技术多媒体数字水印技术。数 字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，与钞票水印类似，这是一种 将特制的不可见标志，利用数字内嵌方法隐藏在数字图象、声音、文档、图书、 视频等数字产品中，用以证明原创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非 法侵权的证据，同时通过对水印的探测和分析保证数字信息的完整性和可靠性。 与数字签名技术相比，首先，数字水印技术的优点在于不需要传递附加信息。数 江苏大学硕士学位论文 字签名技术必须将数字签名和原始数据一起传送，而数字水印技术则将认证信息 隐藏于原始数据之中，因此这些关键数据很难被第三方发现或替换。其次，数字 签名系统仅将媒体数据作为单纯的数据流对待，这种认证方式仅仅对数字多媒体 的二进制流进行认证而并非内容，属于对多媒体信息的完全级认证。实际应用中， 大多数多媒体数据都是以压缩的形式储存并传输，为满足广播、储存和传播等多 种需求，一些数字视频可能需要改变比特率、转换编码等操作，这种对保持视频 内容的操作，数字签名的认证方法将不再适用。而数字水印技术不仅能对多媒体 内容进行认证，还能对篡改区域进行定位。 近年来随着大量消费类数字视频产品和数字视频点播系统以及实时视频会 议系统的推出，使得对以数字水印为重要组成部分的视频内容真伪鉴别技术市场 的需求更加迫切。本文结合m p e g 2 视频压缩标准，对视频内容认证水印技术进 行研究。 1 2 数字水印技术发展及研究现状 数字水印技术自九四年被提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地 位，发展较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资 支持这方面的研究。如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验 室、美国海陆空研究实验室、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、剑桥大学、 瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。 i b m 公司、日立公司、n e c 公司、p i o n e e r 电子公司和s o n y 公司等五家公司还 宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。 国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国 际会议( 例如i e e e ，s p i e 等) 及一些国际权威学术期刊( 例如s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相继出版了有关数字水印技术的专题。1 9 9 6 年5 月，国际第一届信息隐藏 学术讨论会“1 ( 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 gw o r k s h o p ，i h w ) 在英国剑桥牛顿 研究所召开，至今该研讨会已举办了七届。 在2 0 世纪9 0 年代末期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方面， 美国的d i g i m a r c 公司。1 率先推出了第一个商用数字水印软件，而后又以插件形式 将该软件集成到a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和c o r e l d r a w 图像处理软件中。 江苏大学硕士学位论文 a l p v i s i o n 公司0 1 推出的l a v e l l t 软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符， 这些字符标记可以作为原始文件出处的证明。欧洲电子产业界和有关大学协作开 发了采用数字水印技术来监视复制音像软件的监视系统，以防止数字广播业者的 不正当复制的行为。该开发计划名称为 t a l i s m a n ( t r a c i n ga u 血o r s r i g h t sb y l a b e l i n gi m a g es e r v i c ea n dm o n i t o r i n ga c c e s sn e t w o r k s ) ) ) ”3 。此开发计划作为欧 洲电子产业界等组织的欧共体项目于1 9 9 5 年9 月开始进行，1 9 9 8 年8 月结束， 法国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等在内的1 1 个通信与广播业者、 研究单位和大学参加。 随着信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也逐步从技 术跟踪转向深入系统研究。1 9 9 9 年1 2 月1 1 目由我国信息安全领域的何德权、 周仲义、蔡吉人等院士与有关研究单位联合发起了我国信息隐藏学术研讨会，并 每年召开一次学术会议，在我国信息隐藏学术研究领域迈出了共同探讨协作研究 的第一步。如今已经成功举办了五届，第六届全国信息隐藏学术研讨会 ( c i h w 2 0 0 6 ) 将于2 0 0 6 年8 月上旬在哈尔滨工业大学召开。2 0 0 0 年1 月由国 家8 6 3 计划智能计算机专家组组织在北京召开了“数字水印学术研讨会”。在 2 0 0 3 年的科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南申【5 1 ，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。 作为信息隐藏技术之一的数字水印技术，由于广泛的社会需求和飞速的技术 进步，为信息安全的研究提供了一条崭新的思路，成为多媒体信息安全研究领域 的一个热点问题，逐渐受到人们重视。其研究范围也从最初的文本水印和图像水 印发展到今天的视频水印，从最早将信息嵌入到空域发展到将信息嵌入到各种变 换域，从最简单的应用发展到认证水印系统等多个方面。 数字认证水印的概念在国外始于1 9 9 4 年，而真正引起各国研究学者的关注 则是在1 9 9 7 年。最初大多数研究均集中于图像认证水印技术的研究，近年来国 内外有关认证水印的研究成果不断出现，所研究的内容不断丰富，从早先的对图 像认证技术的研究发展到视频认证技术的研究等。而在实际应用中，大多数视频 信息都是以压缩的形式储存并传输，为满足广播、储存和传播等多种需求，一些 数字视频可能需要改变比特率，转换编码等操作，这些操作对视频内容不会产生 江苏大学硕士学位论文 影响。因此视频内容认证水印成了视频认证技术研究的一个重点。目前，视频内 容认证水印技术主要有基于视频图像内容特征的水印方案，嵌入的水印主要是对 视频图像的特征进行真伪鉴别，还有自嵌入水印方案即把视频图像本身作为水印 加入，这不仅可以鉴别内容，而且可以部分恢复被修改的区域。 基于视频内容特征的算法最早由l i nqy 和c h a n g 在文献 6 提出，他们发 现并从理论上证明了对j e p g 图像或m p e g 一1 2 视频，在经过重复压缩后，两个 d c t 系数之间的数值大小关系保持不变，这种不变关系可以作为内容特征，然 后将这些内容特征嵌入到最低有效位( l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n t b i t s ) q 3 。实验证明， 对于视频而言，d c t 系数之间的这种数值大小关系在对视频进行改变码率的视 频重编码后会产生很大的误码率，而且利用最低有效位的嵌入算法使得水印很脆 弱，检测效果不理想。p e n gy i n 和h o n gh e a t h e ry u 在文献 7 中结合l s b 完全 脆弱水印算法和基于扩频的视频鲁棒水印算法，并运用密码学中h a s h 函数设 计了m p e g 视频认证的半脆弱水印系统。该水印系统能够抵抗转码内容保持的 操作，局限性是根据特定的转码性设计相应的特征值，水印信息的生成计算复杂， 实时陛差。c r o s s ，d a n i e l 和m o b a s s e r i ，b i j a ng 在文献 8 中提出了一种自恢 复认证的视频水印算法。该算法利用修改v l c 参数法在视频压缩域中嵌入水印， 首先计算当前图像组( t o e , ) 所能承载的水印信息量，然后通过提取后一个图 像组( g o p , 。) 图像的主要特征值，最后按照计算出的g 0 只的承载信息量对生 成的水印信息进行压缩，使得水印信息能够全部嵌入。该算法能够对图像的一般 修改进行认证并进行恢复，但是不能抵制转码、加噪等内容保持类的操作。文献 9 利用m p e g 1 2 视频1 帧中d c t 低频系数能量之间的关系作为内容特征构造 水印信息位，利用差分能量算法( d e w ) “”嵌入水印信息。这种利用低频系数的 能量关系作为视频的内容特征比利用某两个d c t 系数之间的大小关系作为视频 的内容特征要鲁棒，而且在嵌入算法上，d e w 算法利用d c t 系数的高频能量关 系嵌入水印，这种算法对大部分视频合法操作鲁棒。但是，由于d e w 算法将视 频帧中的d c t 块置乱、重新排列后嵌入水印，所以对篡改的定位误差很大，而 且为了保证水印的鲁棒性，一般会选择1 6 到6 4 个d c t 块作为一个承载区域， 水印容量受到约束。 视频内容认证水印技术目前面临的主要挑战有：非恶意的视频处理过程，对 合谋攻击的适应能力以及实时性。由此可知，对合法操作鲁棒的视频水印技术、 4 江苏大学硕士学位论文 视频内容特征提取、篡改检测以及如何将这三者进行有机的结合设计出合理视频 内容认证方案，是视频内容认证水印的关键所在。 本文对现有的视频空域特征提取算法进行了分析和研究，并进行了改进。同 时结合视频压缩编码标准对视频时域特征提取进行了初步探索和研究，借鉴现有 认证水印方案，设计了一种新的有效的基于m p e g - 2 标准的视频内容认证水印方 案，该方案既能满足视频内容认证又能达到一定实时性的要求。 1 3 本文主要工作 本文在广泛阅读国内外视频数字水印、认证水印和多媒体认证技术相关文献 的基础上，比较和借鉴了现有的成功水印算法和认证方案，对相应的视频空域内 容特征算法进行改进，设计了空域篡改定位算法。提出了一种基于m p e g 一2 标准 的视频内容认证水印方案。该方案能对视频对象时域和空域进行认证，为视频信 息提供了完善的保护。本文的主要研究内容包括： 1 对视频水印技术和m p e g 2 标准的研究 视频水印技术是从静止图像水印技术发展而来的，由于数字视频是连续播放 的，相邻画面之间内容有高度的相关性，并且还存在动态编解码的过程，因此视 频水印与图像水印存在一定的差异。本文对视频水印框架模型、主要特征以及评 估标准等进行了综述，并对目前典型的原始视频和压缩视频水印算法进行了分析 和总结。视频水印的设计必须和视频编码系统紧密结合，才能设计出有效的、符 合实际的水印系统，因此本文还对m p e g 2 标准的关键技术进行了研究。 2 对视频认证技术的研究 视频认证技术实际上是对视频信息的完整性和内容真实性进行认证。本文在 视频认证对象、认证方式和认证方法等方面对视频认证技术进行了初步的研究。 对多媒体认证水印的一般原理和主要特征进行了总结，并对典型的图像脆弱和半 脆弱认证水印算法进行了分析，为视频内容认证水印的研究提供了借鉴和理论依 据。 3 视频内容认证水印技术的研究 本文在视频水印和视频认证技术研究的基础上，重点对视频内容认证水印的 若干关键技术视频内容特征提取、实时鲁棒和篡改检测进行了研究，并提出 了种基于m p e g 2 标准的视频内容认证水印方案。该方案对已有的视频空域特 江苏大学硕士学位论文 征提取算法作了改进，在此基础上设计了新的篡改检测定位算法。此外，结合视 频流结构的特点设计了新的时域认证算法。以基于宏块的视频水印算法为基础， 对视频水印嵌入的恒定码率和级别越界处理作了改进。实验表明本文所提出视频 内容认证水印方案既能满足视频内容认证又能满足视频水印系统的要求。 1 4 论文结构 论文共分五章，主要内容概要如下： 第一章介绍了本课题的研究背景，简单地介绍了数字水印技术发展及研究现 状，对目前国内外视频内容认证水印算法和方案进行了概述和分析。同时给出了 本文的主要研究内容和论文结构。 第二章对视频认证和视频水印技术进行了概述。首先对视频认证技术作了概 述，并给出了视频认证水印的基本原理、基本特征，分析了典型的图像脆弱和半 脆弱水印算法。在介绍视频水印技术之前，对m p e g 一2 标准进行了介绍。然后 详细介绍了视频水印的主要特征以及性能评估方法，最后对几种典型算法进行了 简单介绍。 第三章对已有的视频空域特征提取进行了分析，并指出其中的不足。对基于 能量差视频空域特征提取算法进行了改进，并设计了新的篡改检测定位算法。 第四章提出了一种基于m p e g 一2 标准的视频内容认证水印方案，该方案不仅 能对视频空域进行认证，还充分考虑了视频对象时间维特性，根据视频流结构生 成时域特征值，以单链表为基本数据结构设计了时域认证算法。以基于宏块的视 频水印算法为基础，对视频水印嵌入的恒定码率和级别越界处理作了改进，并通 过实验证明了此方案的可行性。 第五章对全文进行总结，并提出进一步需要开展的工作。 江苏大学硕士学位论文 第二章视频认证与视频水印技术 数字视频信息作为数字多媒体的主要形式之一，越来越受到人们的青睐，应 用范围也更加广泛。又由于其数字化本质，从而导致对数字视频的修改和篡改也 变得相当容易和普遍。视频认证就是对视频信息的完整性和内容的真实性进行认 证，视频认证水印技术以现有的视频水印技术为基础，近年来成为人们研究的重 点。本章对视频认证和视频水印技术进行概述，并介绍了m p e g 2 视频压缩标准 的关键技术，为基于m p e g - 2 标准的视频内容认证水印技术的研究提供理论基 础。 2 1 视频认证技术 视频认证技术是视频内容认证水印技术的基础，本文在阅读了国内外相关 文献 11 ，1 2 的基础上，对视频认证技术进行了总结。本节从视频认证对象、认 证方式以及认证方法三个方面对视频认证技术进行阐述。 2 1 1 原始数据与压缩数据 针对不同的媒体形式和应用，国际上通行各种媒体压缩标准，如w w w 中 的j p e g 格式，v c d 中的m p e g - 1 格式，h d t v 中的m p e g 2 格式和视频电 话中的h 2 6 1 和h 2 6 3 等都被广泛采用。多媒体( 视频) 认证的对象可以是原 始数据也可以是压缩数据。但在实际应用中，媒体数据通常以压缩形式存在，使 用原始格式的多媒体数据比较少。例如，扫描仪能产生临时原始图像，但还是以 压缩格式保存它们；采集图像和视频的数码相机只产生压缩文件而不产生任何原 始格式的数据，因此现有的视频认证方案无论是数字签名还是数字水印都是基于 压缩视频对象的。本文的视频内容认证水印技术的研究是基于m p e g 2 标准的压 缩视频对象。 2 1 2 完全认证与内容认证 根据实际应用的不同，数字多媒体信息认证可分为完全级认证和内容级认证 【1 2 。所谓完全级认证就是拒绝认证对象的任何改动，即使是一个比特的改动。该 认证机制主要应用于保护那些要求极其精密的数字媒体，如医学图像，法庭证据 江苏大学硕士学位论文 等。而内容级认证则是多媒体数据认证的主要目的，因为多媒体信息的意义在于 人类知觉的内容，而不是单纯的比特数据流。在某些应用中，不改变内容的比特 域操作被看作是可接受的，压缩处理就是一个例子。如今，大多数多媒体数据都 以压缩的形式储存并传输，为满足广播、储存和传播等多种需求，一些数字视频 可能需要转换编码格式。比方说，数字视频经常以预先设定的比特率压缩域储存， 而结果以不同的比特率分发到各客户端，转换编码操作改变了数字视频的某些像 素值而不是其内容，因此这种操作应该被接受的。 如果是作为电子商务产品的多媒体数据，那么，完全认证和内容认证两种方 法都可使用。只是，若采用完全认证方法，则会大大降低其产品的交易范围。况 且，如果我们对可能已被可接受的合法操作处理过的多媒体数据进行认证，则需 要使用内容认证方法进行认证。图2 1 ( b ) 显示了多媒体内容认证的优点，它描述 了多媒体数据从发送到接受的全过程。在完全认证中，必须在传输的每一过程中 验证数据，而且所有的中间过程都要可信。然而，对于内容认证，可以传输一 种鲁棒性数字签名，且只在最后一个过程中才验证其真实性。因此，内容认证不 需要在每一个过程中都验证数据，也不需要冒中间过程不可信这一风险，这样， 就扩大了多媒体数据的应用范围。本文所研究的认证技术就是对视频内容进行认 证，对中间过程的部分内容保持操作不会影响认证结果。 ( a ) 完全认证过程 ( b ) 内容认证过程 图2 1 完全认证与内容认证 2 1 3 数字签名与数字水印 数字多媒体信息的认证技术主要有数字签名和数字水印技术。数字签名“2 1 江苏大学硕士学位论文 是通过一个单向函数对要发送的报文进行处理而得到一个验证字串，它可以用来 认证报文的来源，并能核实这个报文是否发生过变化。数字签名的作用就是使消 息的接受者能够验证在传送的过程中，消息有没有被人修改过，假的消息不能替 换真正的消息。例如：电子商务系统，传送的电子合同，就可以通过数字签名技 术证明双方当事人的身份和真实性，杜绝任何的篡改、伪造和拒绝。对基于加密 的认证技术来说，其目的是保护通信信道和确保收到的信息是合法的。但随着多 媒体技术的发展，需要传递的是多媒体数据，由传统的单纯字符报文数据发展成 为多媒体比特流信息，数字签名技术己经逐渐显露出在信息认证过程中的缺陷和 不足： 1 一旦信息被解密并保存，其就失去了完整性保护，用户对解密的信息所 作的任何篡改，都会被认为是合法的； 2 多媒体数据具有冗余性大、数据量多等特点，传统的加密技术认证效率 相对较低； 3 将媒体数据作为单纯的数据流对待，认证的是整体数据信息的完整性， 不能进行篡改定位。 4 数字签名技术必须将数字签名与认证数据一同传递，占用了额外的传输 信道。 而认证水印技术针对多媒体认证，具有一定的有效性和灵活性。主要表现为 如下优点： 1 验证信息的完整性、信息来源的可靠性以及信息的真实性等； 2 利用多媒体数据的冗余特性，将认证信息的水印隐藏于多媒体数据里面， 不需要传递额外的附加信息，一来不用附加信道或增加带宽，二来隐藏了认证信 息的存在，不容易被第三方发现或替换； 3 可将多媒体信息的完整性信息嵌入该多媒体自身中，可实现多媒体信息 的自我认证； 4 可以定位被篡改的信息位置，可以对被篡改的信息进行修复等； 5 可以充分利用媒体数据的数据特征、物理意义、人的感知觉特性，还可 以分析出诸如媒体受损程度等的迸一步信息。 江苏大学硕士学位论文 2 2 认证水印技术 认证水印( a u t h e m i c a t i o nw a t e r m a r k i n g ) ；i | 是利用人类感观系统的冗余，在不 影响数字多媒体感官质量的前提下，将与多媒体内容相关或不相关的标志信息作 为水印直接嵌入多媒体对象中，当多媒体内容需认证时，可将水印提出，鉴定其 是否真实完整。本节将对认证水印的一般原理及其主要特征进行描述，并对用于 图像认证的典型脆弱和半脆弱水印算法进行总结和分析。 最初的视频认证水印技术是从图像认证水印发展而来的，对现有图像认证水 印算法的分析可为进一步研究提供了思路。 2 2 1 一般原理 认证水印的嵌入与一般鲁棒性水印嵌入在原理上是基本相同的，而且从数字 信号处理的角度可以看作是对原始多媒体信号的调制过程，但由于认证水印要检 测出篡改处，并加以定位，因此水印应先与原始多媒体对象的特征融合在一起， 然后才能嵌入到多媒体信息中。图2 2 与图2 3 分别给出了以视频为载体水印的嵌 入与视频完整性验证框图“。 图2 2 水印嵌入过程 图2 3 视频篡改检测过程 在认证水印的嵌入过程中，首先根据要进行真伪鉴别的层次，对原始视频进 行特征提取。为保证水印的定位功能与安全性，还需要将原始水印、提取出的特 江苏大学硕士学位论文 征及其密钥经嵌入运算获得实际嵌入内容，并以此取代原始多媒体对象特征，才 能得到嵌入水印后的多媒体信息。 水印提取时，首先对待检验的多媒体进行特征提取，然后根据相同的密钥， 通过水印提取运算来提取出水印。为了对篡改内容进行较好定位，还需要与原始 水印进行比较。 根据认证目的不同，一般把认证水印分为脆弱水印和半脆弱( 内容认证) 水 印两种“。本文主要对视频内容认证水印进行研究，由认证水印的一般原理可知， 视频内容特征值的提取、视频水印算法以及篡改检测和定位是视频内容认证水印 的关键技术，本文将在下面的章节对此进行详细阐述。 2 2 2 基本特征 认证水印作为数字水印的一种，除了具有水印的基本特征，如不可感知性、 水印的安全性、1 一定的鲁棒性外，还应能够可靠地检测篡改，并根据具体应用场 合的不同而具有不同的鲁棒性。不同的系统往往因具体应用环境的实际需要不同 而具有自己的特性【14 1 。 1 不易觉察性( p e r c e p t u a lt r a n s p a r e n c y ) 所有的数字水印技术都具有不易觉察性。这包括两个方面的含义：一是引入水 印信息后图像的主观质量不应改变；二是不能影响随后对图像的处理( 如特征提取) 。 脆弱水印的目的是保护图像内容的真实性，所以它比鲁棒性水印更注重嵌入水印对 原始数据在视觉或听觉上的影响程度，不能损坏原始数据真实性及使用价值。 2 篡改提示( d e t e c tt a m p e r i n g ) 当含有水印信息的数据受到篡改攻击时，脆弱水印系统应该能够及时、高可 靠性地发出篡改提示。在许多应用环境中还要求具体显示篡改发生的位置、内容 改动的程度，并能够分析出造成失真的原因等。 3 盲检测( d e t e c tw i t h o u to r i g i n a ld a t a ) 脆弱水印是用来保护多媒体内容真实性的，如果能知道原始信息，就不存在 真实性保护问题；另一方面，在一些实际应用中根本无法保存原始信息，如可信 赖的数码相机，在拍摄成像时就必须自动嵌入水印。 4 安全性( s e c u r i t y ) 江苏大学硕士学位论文 脆弱性水印应具备抗攻击的能力，不能被他人轻易伪造。嵌入信息后，必须 拥有某种程度的相关信息，才能提取原来嵌入的信息。一般来说，水印的嵌入和 提取算法要做到很保密并不容易，所以水印系统的安全性就必须建立在代表嵌入 位置的密钥上，利用密钥作为随机数发生器的种子产生一连串的随机数，再嵌入 算法来嵌入信息。提取信息时，也必须拥有相同的密钥才能取出正确信息。 5 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 水印检测系统应具备较小的差错率。由于水印检测结果直接关系到媒体信息 的真伪及其所具价值的大小，因此差错率是设计脆弱性水印算法时应考虑的关键 因素。 2 2 3 脆弱性水印算法 脆弱水印可用于对多媒体信息的完全认证，而随着脆弱性水印技术的不断发 展，则又先后出现了最低有效位( l s b ) 嵌入技术、c h e c k s u m 算法、公开密钥 算法、查找表等具有代表性的算法体系。 l s b 嵌入“。算法的设计思想是将信息直接嵌入到随机选择的图像像素点的 最低有效位。l s b 算法具有算法简单、嵌入信息量大和较好的不可见性等特点。 目前互联网上公开的图像信息隐藏软件大都采用这个方法。然而，嵌入信息的数 字图像的低位很容易因为图像处理而改变，攻击只须通过删除图像低位数据或者 进行简单的数学变换就可以将用l s b 方法嵌入的水印信息去除，该算法几乎没 有鲁棒性。 c h e c k s u m 算法“”是一种典型的完全脆弱性水印算法。该算法先计算每个像 素字节的最高7 位的c h e c k s u m 值。c h e c k s u m 值定义为一系列固定长度的二进 制位的模2 和。在该算法中，固定长度为8 个连续像素中的最高7 位的联台长度， 共5 6 位。在c h e c k s u m 值计算过程中，尺寸为m n 的整幅图像中，每个像素 都参与计算，但每个像素只计算次，最后结果为5 6 位数据。该算法随后在图 像中随机选取5 6 个像素存储c h e c k s u m 值，将每个像素的最低位变为与对应的 c h e c k s u m 比特位相同，即完成水印w 的嵌入。在水印提取时，只需计算图像的 c h e c k s u m 值，并与水印w 中的c h e c k s u m 值进行比较，便可知水印是否存在。 查找表法算法的典型代表是i b m 公司的m i n e v am y e u n g 和f r e dm i n t z e r 于 1 9 9 8 年提出的一种算法“。