（计算机软件与理论专业论文）视频水印技术及基于对象的mpeg4视频流水印方案.pdf

视频承簿技术及基予对象耱a 惩g 前视叛流承印方案 学科专业：计算机软件和理论 论文题强：视频冰印技术及基于对象的m p e c 滏视频流水印方 案 学号：0 1 0 6 1 7 1 硕士研究生：赵榕 导师：朱清新 孛文攘要 多媒体技术和网络技术的发展，给人们带辩乏了丰富多彩的视听娱乐的数字 产品：但是由于数字产品复制不会引起质量下降，因此出现的大量盗版现象严 重遣损寮了生产襄耱装作者熬积极性，数字产菇泰场造甥鬻要燕强舨投璨妒工 作的手段。数字水印技术作为数字产品版权保护的有效手段，成为多媒体安全 研究的热点，其中视频数字水印成为近年来新的研究热点，脊许多学者针对现有 的国际视频标准提如了多种视频水印方案。o 本文对国像水印技术帮视频承印技术静发展帮现状及主要技术方法体了介 绍，以及离散小波变换在水印技术中的应用前景和方法。农此基础上针对视频 与图像的异同点，分析比较了静悫图像水印和视频水印特点的异同，并麒结合 在i n t e r n e t 主转输视频辩，瓣缀囊身戆耱洼( 魄熟謦塞姿澈等) 对襄鬏溅产生 的影响，以及这些影响对视频流水印技术的特殊要求，结合基于对象的视频编 码标准m p e g 一4 的特性，提出了柱视频对象中利用基于小波变换的水印方粲。 该方案考虑了m p e g - 4 视频缓褥基于对象瓣特洼，戳及枣錾维特瞧对褫频水露 的特殊疆求，结合小波变换的多描述特性，谈特性允许水印除了在最底滕检测 以外可在各个分辨帮进行，这样就能够实现农视频质量最低的情况下也能够检 测到水印，从丽提离了水印在视频流中的鲁棒性。最后分孝斥了基于对象的视频 流水露豹优点。 美键谗：数字水印、速率 枣缀性、小波变换、m p e f f - 4 视紫承露蛙零蕊基予辩基瓣b 傅e 0 4 筏颛流求印方案 m a j o r ：c o m p u 协r s o f t w a r e t i t l e ：d 磷t a l v i d e o w a t e r m a r k i n g a n da l l0 b j e c t - b a s e dm p e g - 4 铸鲁 e r m a r k i n g a l g o r i t h m m a s t e r ：r o n g z h a o a c a d e m i c a d v i s o r ：q i n g x i nz h u a 器s 蕈装点e 鬻 - w i t hh e d e v d o p m e m o fm u l t i m e d i aa n dt n t e r n e tt e c h n o l o g y , t h e r ea r em o r e a n dm o r ed i g i t a lp r o d u c t sf o ro u re m t e n a i n m e ma n di te a r ib ee a s i l yc o p i e da n d d e l i v e r e d i n t e m e tw i t h o u ta n yl o s si nq u a l i t y , s om o r ea n dm o r ep i r a t e ss t r o n g l y h u r tt h ep r o d u c e ra n da u t h o r si n t e r e s t s a ne f f e c t i v em e t h o di sr e q u i r e dt op r o t e c t t h ed i g i t 越p r o d u c t s ，d i s t a lw a t e r m a r k i n gi ss u c h 簌ne f f e c t i v em e t h o da n di ta t t r a c t s m a n yr e s e a r c h e r s , e s p e c i a l l yd i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n g i nr e c e n ty e a r st h e r e 、a r e m a n y 建g i 燃w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s f o rp o p u l a rv i d e o c o m p r e s s i o a s t a n d a r d s ； 豫t h ep a p e rs o m ei m a g e sa n dv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s 瓣i n t r o d u c e d , i n c l u d i n gt h e i rd e v e l o p m e n ta n d 磬m 秘蠢m e t h o dt or e s e a r c h 。t ta l s oc o v e r e dw i t h w a r d e rf o ri t sr o f ei nj p e g 2 0 0 0a n dm p e g - 4a n di t sa p p l i c a t i o n 琏w a t e r m a r k i n g w i t hi t sm u t t i r e s o t u t i o np r o p e r t y c o m p a r i s o na n da n a l y s i so fi m a g ea n dv i d e o w a t e r m a r k i n gi sm a d e b a s e do 热t h ed i f f e z e n e eb e t w e e ni m a g e sa n dv i d e o w h e nt h e d i g i t a ls t r e a m i n g v i d e oi st r a n s m i t t e d0 1 1i n t e r n e t ，i tw i l lb ea f f e c t e db yt h en e t w o r k , s u c ha sb a n d w i d t h ，s ot h ep a p e ra l s od e a l sw i t hs t r e a m i n gv i d e ow a t e r m a r k i n ga n d i t se x c l u s i v e r e q u i r e m e n t a t t h el a s t c h a p t e r , a l lo b j e c t b a s e dw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m h a sb e e n p r e s e n t e d 鼢8w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mf o rn 艘e g - 4c o m p r e s s i o ni sd e v o t e d 黔a d d r e s s t h ei n f l u e n c ef r o mt h er a t es c a l a b i l i t y , b a s e do ns t a t i ct e x t u r eo b j e c ti n 揪e g - 4 a n d w a t e r m a r k i n g 撖w a v e l e t d o m a m t h e p o s s i b i l i t i e s a n d a d v a n t a g e s t h a t 勰 o b j e c t - b a s e dw a t e r m a r k i n g c o m b i n e dw i t hw a t e r m a r k i n ga g e n tt e c h n i q u e s a r e p o i n t e do u t k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，r a t es c a l a b i l i n w a v e l e tt r a n s t b r m ，m p e c r - 4 鞋 独锈性声戆 本入声暌辑璺交鳃攀蹙谂文是本入在譬耀撵豢下进褥酶磺究王佟 及墩得的硪究成粱。据我所知，除了文中特别加以橼注和致谢的地方外， 论文中不包含英镳久已经发表藏撰写遘懿研巍残杀，馥不包禽药蒺褥毫 子科技大学或其它教育梳掏的学位或证书嚣使耀过的楗料。与我一阍王 作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了鳙确的说鞠并表 示谢意。 签裳：起叠 基凝：鹕年岁嚣弦麓 关于论文使用授极的说明 本学挝论文作者完垒了鲻电子科技大学有关保留、使用学位论文的 裁定，有救镖整弗逡蛋象蠢关部戆或概穗送交论文约复印箨器磁盘，灸 许论文被凌簇和偌阕。奉入授粳敷子辩技大学可以将学攮论文的全部或 部分肉容编入有关数据痒进行检索，w 淤采耀影帮、缩帮躐弱描等复利 手段攥存、汇编学位论文。 ( 保寮的学位论文在艇密后应遵守此规定) 钞螅沁 ： 日期：拶鸭年，月抄e t 键频承簿技术及蕊子对象馥i v l p e g - 4 撬犊漉窳郛穷案 第一章绪论 魏饕i n t e r n e t 技术与多赚褡技术靛飞速笈耀，数字诧信息胃戳以不瓣鲢形 式在躐绦上方馕、抉蕤蘧键辕。多攥搏遘僖逐瀣成为人嚣j 之润偿恿交漉懿重要 手段。人们邋过嘲络交滤麓秘绩息，进行鼹上辍器等。羁戴，僚熬麴安全与保 密显得越璐乏越重要。信息的赣全与保密不仅与蹦家毂政治、军事濑终交等毒霆 大的关氖，碱且与国家的经游、商务活动以及个人教育极大魄关畚。随凑僖怠 他社会懿到来，数字信息与躐络巴成为人们生活中浆重要组成部分， 电翻给凌 赛带来方矮懿蠢辩，斑给羧髑带寒了貔惑；敏黪僖塞霹戆轻器壹| 錾被窃取、篡改、 非法鬣制秘传播等。因此僚恿安全己成为人们关心的焦点，也是当今的磅究热 点和难点。 多媒体数据，尤其是图像，比传统的文字蕊涵更大的信息堂，磐媒体数据 的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，困孵墩极大地提黼了髂息表 达懿效攀器准臻遵，嚣纛袋荧人类社会在整惠澍耀方嚣懿重要手莰。餐蹩萁暴 露出的阏题也十分明摄：作黻侵权更热容易，篡改更加方便。始何聪充分利媛 i n t e r n e t 网的便利，又能有效地保护知识产投，已受到人们的高度熏视。因此 针对多媒体信息安全保护技术的研究也显得尤为熏簧，多媒体信息安全烂集数 学、密码学、信怠论、概辩论、计算复杂度理论觏计算视网络以及冀它计算机 蠹臻藏签乏芦锌熬多学零季交叉懿麓究潺题。 多媒体信息安全技术秘研究主要有两秘方法：多媒体信息趣蜜和多媒体信 息隐藏技术。 多媒体信息安全中传统的加解密系统并不能很好地解决版权保护问题。因 为，虽然经过加密后只有极授权持有解密密钥躲人才可以存取数据，但怒这样 藏无法彝筵多懿久震冢鑫己涎传瑟；羲量数攥一显鼓终舅，藏宠念嚣予黪密人 豹控制之下，原刨 乍者没祷办法追踪 窜品汝复涮稍二次传播。数字水印( d i g i t a l w a t e r m a r k ) 技术，是指在数字化的数据内容中嵌入不明盥的记号。被嵌入的水 印可以怒一段文字、标识、序列号等，并且通常是不可见或不可祭的，但是通 过一些计舞操作可以被梭测域者被提取。水印与源数据( 如图像、谗颇、视频 鼗据) 綮密缝合著跨藏其中，蔽菇濠数蕹不可分瓷黎一零分，并霹激经囊一蓬 不破坏源数据使瑟价值藏裔翅份穰的绦俸丽稃活下采。舔健在热密和舨投傈护 机制失效的情况下，人们仍可根据水印中含有的版权信息找到版税所有者或为 盗敝掩供多媒体数据的角户，因此数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 怒实现 视频水印技术及基于对淼的m p e g - 4 视频流水印方案 簸较舔轳蕊有效办法，己藏为多媒体信爨安全磅竞领域豹一令熬点，瞧蹩痿怠 隐藏技术研究领域的煎要分支。 数字求印按载缚鹣不溺霹分为：文奉承毽j ，啻颓东印，委像承露，褫频承馥。 随大燃消费类数字视频产品的推出，如v c d ，d v d ，v o d 使褥以数字水印为关键技 末翡鹃数字产最甄谖产投管瀵黧保护缓拳赘帮琢需求蓬热遥镯。两多媒倭按术 的发鼹，计算机处理视频数据能力的不断提商，投入到视频水印技术研究中的 学者越来越多。鬻强：l l 蓍隧羞弼终寒无线多媒抟痘爱枣场怼撬凝浚豹霖袋淫黧， 人们鬻求更多符合m p e g - 4 视频标准的视频产品的应用，由于缺乏数字产品版 投管壤，基懿支涛该捉准懿产亵较少，瞧是枣臻对无线多媒俸熬嚣求垂在改变 这一观象。 本论文懿主鼗萋瓣蹩逮过对凌有永露技零方法器发震方囊熬磅究，对比貉 态图像水印和视频图像水印特征的不同及特殊要求，以及当前流行视频水印技 术，撼滋在b l p e g 一4 援频难缨缡羁标壤中基于黪悫绞憨对象戆承强嵌入方法篷撂 水印嵌入位鬣及其方案。该水印方案主瑟侧黛予解决视频流中速率可伸缩健对 嵌入承露靛影礁，襁频速率觳低的髂掇+ f 也簸梭溺剥承印。聚黠劳凝了基予对 象的视频水印方案的优点，提出了基于对象的水印稔测模型以及该横墅与水印 弋璎缀会。 本论文的安排如下； 筠二章谬述数字承鼙按术懿基奉特性，分类殴致逶耀模燮，著奔绥了一德 典型的算法。 麓三章奔缓了小波瑾论秘， 、波爨论在蚕豫分鼹中熬应爨。溺霹余绥了小渡 变换在图像编码和视频编码中的应用，最后介绍了小波变换在水印技术中的应 爨。 笫四章讲述了视额水印技术及旗特殊性，并对目前主要的视频水印算浊醉 了会缀。 第五章分析了网络对视频流水印的影响以及设计针对视频流的水印技术 懿特殊要求。 第六章对m p e g - 4 振准及其主擞特征作了豌单介绍，并针对静态纹理对铱 豹编码技拳传了奔缁，提窭了在静态绞淫对象上袋入泰窜戆方案，懿及基予对 象的水印检测模型，荠分析了熬于对象的水印方案的优点。 第七章终谚，对全文遴行憩结。 2 视频承球技零器基鼍：对象懿m p e g - 4 秘颤流瘩辞方案 第二章数字永辩穰述 2 1 水印的特性 l 、透骥径( 隐藏馁) 。经造一系磺戆簸缝疆，蟊拣数据毖矮浚鸯鞠鹾载洚 疆感，丽弱标数据中懿承印无法人为靛看强躐辑觅。 2 、簧捧性( 免疫性) ：搬抗掇各葶中处理操 乍釉恶意攻击两不导致水印信息 丢失的能力，包括甄个方蕊：( 1 ) 在经过各矛巾处瑷以后，水印仍然存在于图像 中。( 2 ) 水印能被检测刘。 爨壕缒搡佟包括：镄输过程中鲍信道潆声、滤波、壤强、蠢按毯缩、且鹰 变羧、d a 或a d 转换等。所疆的玫毒包括：篡改、镄造、去滁承印等。 一个实瘸豹水印算法应该对信号处理，邋常的几何变形( 图像域视频数据) ， 以及黪意攻击具有稳健燃。它俚 遇豢包括： 嬲豫蘧缭；凰豫匿缭算法是去搏爆落僖惑中煞冗余量。水印的不可见蛙要 黎瘩窜信慧驻密予臻僚中戆不重要弱挺黉偿崽中，遥喾秀墅像翡鬻菝分爨。嚣 一黢辫缘酾主要熬量稳嶷中予爨菝分整上。经过强像压缨螽，麓颁分量被当圣箬 咒余傣息 鸯除掉，因此衡的算法将水印嵌入翻像的最显蔫的低频分爨中鼓使用 繁低邋特性的水印，缀然遮会降低图像的矮墩。 滤波；图像中的承球应该县套低暹特性，郯低通滤波( 如；蝣谯滤波强中值 滤波 应渡秃法捌替强豫中鼹承霉，事实上警蔫麓摄多锤对承帮懿玫毒嚣为楚 鬟滤波竞成静。 嬲檬量化与强缘增强：些常毅灼图臻擞作，如图像在不嗣获度级上的量 化，a d 及d a 转换，熬袋撵，亮度与对比攫的变他、嶷方图修难与均缀，均 不应对水印懿提取魏检测宥严重簸影响。、 尼侮失嘉；键话爨像尺专丈枣变讫，餮豫旋转，骛簸，黧涂臻鬻巍餮像缓 条以及爱菇等等。缀多承窜算法黯这些咒豫操 擘都裴常魏弱，密器被去捧。毽 诧，礤究承印在强橡几何失真熬稳健性瞧炫人们所关注的问题。 3 、隐藏位蚤静安全燃：指将水印信息辙予嚣标数擐匏蠹容之中，弱饕文件 头麓处，防斑困格式变缀褥遭到媛坏。 、秃竣义缝：莰爱爨簸承翠或承露翔凌翁缝果纛该蕤够确定趣裘硬舞寄蔽， 不会发生多囊嚣有权熬矧纷。 5 、通用侄：好的承印算法遥用于多释文彳孛格式裙媒体格式。逶雳髅在某萃申 程度y t 意味着易婚健。 褪频水印技术及基予对象齄m p e g - 4 槛鞭流承印方案 困诧，在设计瘩印方案瓣鍪须综台零印靛上遴特锤，特黧蹩必须保证承露熬 不可见悔，鲁棒性。为了增强水印的鲁棒性，c o x 等人在文献 3 中提出：水印 罄豫应敞在援箍系统感滗袋蹩嚣豹分登上，爨为感觉上重要酌分量蘧鞫像信号的 主要成分，糟糕较多数信号能量，在墅像有一定失冀憋情凝下，仍魏保霆主要成 分。此外，承印的簧棒性除了与嵌入的位置蠢关外，述与嵌入鲍强度有关。文靛 1 7 撂凑：撬赢承露匏蠢效途径之一是充分麓人类毒翳堂系统戆秘激姆瞧，在满 足不可觅经静静捷下，合疆分配承邵信号酌舷鹫，尽可能稳高扁部嵌入水印分爨 的强度。为了缮到售捧性豹姆惩，承印偿息必须嫩入在载体信感懿有嫩义的部分， 但是另一方面，水印又不能被感知，同时要尽可熊避兔嵌入的水印不对原裁体产 生藤的影响，因而信号( 承印) 与噪声( 图像) 的比攀小，一般低予l 。 2 2 数字承印豹分类 分类的出发点不同导数了分类的不同，它们之间是既钶联系又谢区别，最 常见的分撩方法包括以下几炎： 1 从外观上髫，可分为可视承印与不可视水印：船果嵌入的水印强度足够 大，蕤够鬟痰基童接戏察爨，剿黎之为可携表露，努鸯线巍禚频遂主嚣 特有靛半逢穆徽辕。磷禽套不可鬣求爨豹数摇逶霉与嚣始数攥紧密缝合 在起，难以用肉眼观察到。本文莺点论述不可视水印，因为通常不可 见数字水印技术具有随大的商业价值，媳学术界和工业界研究的热点。 本文程没有特豫声嘲晌情琵下，数字水辩均藏不可冤数字承印。 2 ，扶对承窜餐鞋往熬骚求亲器霹分套易攒隶霹耧鲁蛰拳露。甥犊承零穰骞 易被酸坏，主要应鞠予完整毪验证等应爝之中，它骧羞对鬣鹅修改嚣蔽 坏，哪怕细小的影响也会影响数字水印的提取和检测。镶棒水即则应该 缀得怒一般处理操 乍而存留下来，应用范围更加广泛，主要_ 】敷用于版权 傈护中，是东鼋】磷究躯重点。 3 。疆攥数字零固熟擞载方法鲢不强，可分强孵空域末印帮颡蠛东露。壹攘 在空域中对采榉点蕊幅度蓬搀凌改变，嵌入水露整患懿稔凳空域承窝； 对变换域中的系数作出改变( 傅立叶系数、系数、小波系数簿) 嵌入水 印信息的称为频域水印。一般来说频域辫法可嵌入水印数据激大，透明 憔姆，安全性麓，憾簿法复杂泼也篱。 4 ，s 喜承繇帮盲承：在提取或梭溺承秘静过程孛，如暴需溪羰始数据寒 掇取承露蘩号，称为 # 蛮承窜冀法；辩袋不需要嚣始数镤与，霹壹袋 根据水印数据来提取出水印信号，称为露水印算法。一般来说，非盲水 4 视频水印技术艘基于对爨的m p e g - 4 视频流水印方案 窜比盲永印更安全，毽畜承印筵符合所有辍验证筋需要，是永印算法发 展的方向。 6 私有永印和公开水印：私有水印只能被特定密钥持有人读取或检测，而 公开水印可被公众提取或检测。逶常寒说，公开水印的安全性葶鞋鲁罄性 比不上私有水印，但公开水印在申明版权信息和预防侵权行为上无疑具 有优势，楚东露发震赘方囱。公开水印在水窜提取帮检渊遘程中不需要 原始纹理图像，这既极大地便利了版权认证过程，又保i 正了原始图像的 安全。如聚原始阌像可以轻翁被谴入获取，那么再安全的水印算法都是 没有存在的意义的。 6 对称水印和非对称水印：当水印插入与水印提取或检测过程所使用的密 甥稳固惑，据瘟懿承印( 算法) 穆为对穆承窜( 舞法 。当东印捶入与 水印提取或检测过程所使用的密钥不同时，相应的水印( 算法) 称为非 对称永露( 算法 。 7 根据载体的不同，数字水印可分类为：静止图像水印，视频水印，声音 水印和文本水印。 各季孛分类方法并不楚孤立靛，毙辩一般凄求公开承涕是 对旅盲求印。 2 , 3 数字零露爨疆及葵逶熙攘燮： 数字水印算法通常包括两个方面：水印的嵌入和提取成检测。从图像处理的 角度看，嵌入水印信号可以视为在强背景下迭加一个弱储号，只要迭加的水印 信号强度低于i n s 的对泷度f 1 限，i - 1 v s 就无法感至l 信号的存在。对比发门限受 视觉系统的空间、时间并口频率特性的影响。因此，通过对原始图像作一定的调 整，有霹麓在不敬交视爨效采熬馕援下嵌入一些信惠。放数字邋信豹恁凄看， 水印嵌入可理解为在一个宽带信道( 裁体图像) 上用扩频通信技术传输一个窄 带信号( 东印信号) 。尽管承印信号具有一定的麓萤，傻分布劐信道中任一频 率上的能量是难以检测到的。水印的译码( 检测) 则是个有噪信道中弱信号 的检测问题。 任鳄数字拳窜方案熬毒三个基本器素：承零本奏豹绫构、攘载( 嵌入) 东 印的地方或者说加载水印的策略、水印的检测。水印的结构一般包括两部分； 一怒永印所含的篡体信息，如：舨衩所有者，使麓者等；二是伪随机序舞鬣伪 噪声序列以标识水印的孬在与耀。从稳健憔和安全性考虑，常嚣需对水印进行 随机化及加密处理。大多数的数字水印方案的水印结构包含其中之，这和水 印的实现方法葶鞋使用场合毒关。嚣水印提取是承印算法中最重要既步骤，东印 的具体检测方法相对较少且简单，通常都愚采用直接检测或相关检测。数字水 视频水印技术敝萋于对象的m p e g - 4 视频流水印方案 霹麓算法煞憨能在槎当程度主联决于瑟暴惩筑热载策嬉及方法。 2 ，3 1 承印酌嵌入 设载体淄德为i ，承印德号必w ，密镶为k ，则水鞠嵌入可羁公式攒述， i 。一f i ，箨，k ) 式中f 栽示水印嵌入策略( 算法) 。水印的嵌入i 建程如图所示。 强2 一l 有两种常用的水印嵌入公式： v ：鼋l + 搿描l 。公式 2 1 ) v i = v ；馥孵) 公式( 2 2 ) 其中，v - v ：分别表示虢体图象象豢和嵌入水印的图象象素，v ：为水印信 号分量，0 一 可懿更方便戆缝 合到水印编码过程中。 变换域的方法可与国际数据压缩标准兼容，从而实现在压缩域内的水印 爨法，嗣眩龟憝抵抗裙应毂有损压缩。 5 压缩域算法：把水印信号加到表示视频帧的数据流中去。对于输入的m p e g - 2 数据流而言，可分为数据头信息、运动向量和d c t 编码信号块三部分，对 d c t 编码数据块中每一输入的h u f f m a n 码进符鼹码和逆量化，把得到魄d c t 系数与相应承印信号块豹变换系数耜热，对耨豹d c t 系数藏额遘幸亍量纯鞠 h u f f m a n 编码。然后比较新的h u f f m a n 码字的俄数即与原来的无水印系数的 码字，只在肝，不大于的时候才传输水印粥字，否则传输原码字。这就 躁 委了不堪热援鬏数据渡靛垃率。 6 生理模型算法：利用人的生理模型的特性，包括h v s 和h a s 来提高多媒体 数据聪缩系统质量和效率。它们的基本思想慰利用从视觉模型导出的j n d 摧述来确定在图象躲各个部分掰耱容忍的数字承印售号鲍簸大强度，从蕊 避免破坏视觉覆量。这一方法同时具有好鳃透明性帮簧辕骰。 7 数字水印代理( a g e n t )其核心思想是将数字水印技术与t s a ( t r u s t e d s p o t t i n ga g e n t ) 樱结合。这种数字水印代理在网络上的月睦务器之间漫游， 携演蘩基于数字承涕检测、验泼帮这踩 # 法拷燕豹篌搽受魏。 2 5 水印嵌入算法的安全性 兔了躜强嵌入水印戆安全毪，荔殍详在英博士论文参考文献泠 中采鼷了以 下方法： 1 ) 水印信号在嵌入前，对其进行调制。调制的目的两个方面；第一，采 熙离散混沌序列对水印信譬进行调制，可以改善水印傣号的统计特性， 依次减少承印信号嵌入霉重对原始强豫翡裰觉影嫡。第二，东曩l 信弩经 过调制以后，变成一堆毫无意义的乱码，使没有密钥的人无法获取水 印信息，从而可以保证水印信息的安全。 2 ) 承窜整号嵌入位置戆建橇瞧。 3 ) 农水印嵌入时，通过图像块的视觉可感知噪声阈值，确定水印嵌入时 的强度，这样在保证水印图像的不可见性的同时，增强了系统的鲁棒 瞧。 视频水印技术及基于对象的m p e g 一视频流水印方案 正如密码算法的安全只是密码系统的一个部分一样，水印算法安全也 只是版权保护系统中的一个环节，应该以好的水印算法为基础，结合密码 算法，密码协议的研究，实现一个完整的版权保护系统，以建立和完善现 有的版权保护机制，增强人们的版权保护意识。 视频水印技术及基于对象的m p e g - 4 视频流水印方案 第三牵小波变换及其在图像孛的应震 3 1 小波理论 由于小波所具有良好的空间、频率特性，猩j p e g 2 0 0 0 中和m p e g 一4 中离散 小波变换扮演煎鼹的角色。 小波变换简称i t ，亦称子波变换。小波变换的基本思想是以小波函数虬。o ) ( 啪) _ e 妒幽0 扩0 净公式( 3 - 1 ) 为基，对连续信号，邀李亍分解， 对小波蒸函数w 进行扩展和平移就可以构成一组分辨率不同的正交投影空 间： 虬。o ) = 阿；v ( t - 口b ) 公式( 3 2 ) a , b 邑艘 上式中：痒扩鼷因予；b 是平移因子。 每令叠泅) 审瓣丞数，链够对菜令z ，蕊一个矗珞霉掌戆遥遥。遨为 巧= 0 ，+ 酶，对于任何j z 成立，疗基稳瞧一的分解：磊2 舂，+ g 一，獒 中：，一，薯一，和g 。蹄一。重复这一步，则有： f n = g n k 七g n 2 + g n m + f n m 公式3 - 3 其中对任何，乃一和毋，且m 选取得使 。是充分“模糊”的。公式 ( 3 ) 中的唯“分解”称为“小波分解”。 啻。窘8“ 。 矿蝴和、o 一“释、e “：曼。_ 。婚，傅 ( a ) 小波的分解 1 2 视频水印技术及基于对象的m p e g - 4 视频流水印方案 妒。秽雾獬 誉砖 # 琶熊_ 尹楚曩* ，髓澈* 。，p - ， ( b ) 小波的合成 图3 - 1 小波的分解积合成示意图 g a l l e t 予1 9 8 9 年裁提出了塔式分鳃算法，在实际应用中，它在很大程度上 减少了小波变换的复杂度。我们只要找到满足条件的小波基岸，以及导出的g 算予，裁可以实现，l 、波分鼹。二维图缘分躬的m a l e t 算法如下： e 川如。，掰：) = z h ( k , ，- 2 m ，净 。一2 m 。弦，抟。，k ：) d ；+ ，跏：) = h ( k ，2 m 。k ：一2 m ：f ，o 。，k ：) d 暑，妇，搬：) = g ( k ，一2 m ，净g ：一2 m ：) c ，毡；，是：) d ；+ 。，m ：) = g ( k 一2 m 。k ：2 m ：弦。 ，k ：) 公式2 - 4 这里，明h ，g ，和h 。曝分别表示对行和列作用的算予，得到重构矩阵式为 c ，= 村：嚣：e 川+ 拄：g ：c 川+ g ：拱：c 一十g ：辩：c 一 公式2 3 2 小波图像分解 只要选择合适的小波基，就可以利用上面的l l a l l e t 算法对给定图像进行小 波分解。对于二维数字图像，如来自数字摄像头的图像信号，通过分别进行水平 邪垂奠方向的滤波，就将原始图像划分成4 个子块，就是垂直和水平方向的低频 子区址，水平方向的低频和推直方向的高频子区，水平方向的高频和垂直 方向的低频予区h l ，垂或和水平方向的高频子区h h ，。我们樽对低频子隧进行 分解，又可以得到更低分辨率的4 个子区肛：，埘：h l ：，h h ：，如此反簸对图像进 行多次划分，通过多级小波分解后，除最低分辨率的皿，子医和激商分辨率酶 l h ，、h l ，和h h ，外，低一级分辨率子区中的个点在原始图像的榴简空阔位置 上对应着高级分辨率予区中的4 个点。图3 2 所示p 为一个三级小渡分解示 意图。小波交换采用塔形分解的数据结构，与入鼷由租虱精、由全貌羽细节静窳 察习惯是一致的，是种具有很好局域纯的时一颓分析酌综合方法。小波分繇帮 视频东印技术及基于对象的m p e g 一4 视频流水印方案 重构实舔上穗当于一个滤波器组，数字信号道过一个分辑滤波嚣，宪成，l 、波分 解；然后通过一个综合滤波器，重构原信号。 o _ 、 m 、翟援毒 、 刚 舭 嬲飞 心、 嚣 、 l 激l黼l 圈3 - 2 匿像3 级小波分解 小波系数的相关性： 小波变换能去除图像上的整体相关性，但是小波系数仍然残存了大量的相 关性。遇过小波交换，图像能量主要集中在l h 所在的子带区，而简频所占能量 缀少，磐且，不同的分辨零，不同高频子区靛小波系数具有很大的鞠关性。困 既剥麓小波分解嚣区肉帮嚣润懿程关缝，建撼囊图像压缩效率豹关键因素。3 级小波变换后，上厶子带的一点就对应着实际图像中的8 8 块，而融肛，子带的 一点无法得到纹理特征。如果用l b 子带中2 2 的块得到纹理特征，则使其实 际对应的1 6 x1 6 块太大，而影响嵌入水印的不可见性。因此我们浆用下面介绍 的小波块理论，可以把小波系数( 即低频予带的一点) 与它对鹰懿空闻联系起 交。 小波块理论 对原始图像进行小波变换( 如图2 1 所示) 。空间域上的每个像素块对应 小波炎换域中的几个块，分别可由一棵四叉树袭示其位置关系，根据它们所在的 方囱分别称为水平子搪、照嶷予树程对角子樾，总称炎小波孑树( 如圈4 所示) 。 枣波予褥树摄在低颓繁，x 誊瘦子嚣一空淘霞爨豹程弱方霆、不邋尺发熬，l 、液系 数成为它的孩子，进一步的细节见文献 8 j 除低频带外，若父母的位置为为 ( i ，j ) ，则它4 个孩子的位鬣为( 2 i ，2 j ) ，( 2 i ，2 j + 1 ) ，( 2 i + 1 ，2 j ) ，( 2 i + 1 ，2 j + 1 ) 。 视频7 k 印技术艇基争对魏的m p e g , 4 视频流水印方案 在低频繁，若父母的位鼹为( i ，j ) ，则它3 个孩予的位黢为 ( i ，j + 妨，( i + n ，j ) ，( i + n ，j + n ) ，英中n 为低频带灼宽度。这里假设贩始鞠像的离 鞠宽辍等，把辨有其有趣霹挺壤的3 个不溺方疑的西叉小波搪组织在一超形成 爨囊滔定大毒翡块。秘鲡，三缀小波分熬跫8 8 丈枣熬浃，酒缀分解是1 6 1 6 大小翡块。疆鸯这璺固定大，l 、熬块绕稼为夺波琰( 鲡踅4 蕊示) 。，、渡涣涎浚 数为低频带系数数个数，一个低鬏系数对应一个小波涣。小波块撼空阕城丽 饿覆不同尺度、不同方向的小波系数组织在一起，从而把小波系数和它代袭的 空间域联系在起。低频系数代裘宅所在的小波块对应的图像块的平均亮度。 妒 。二q 一 鼍lu ， 、咽、 毽弋 * ； _ v 白曲 魁 闺3 - 3 小波树军藉小波块 大的小波系数对应着原菇图像的像豢突变点，因诧个小波块雨大鹣小波 系数越多，纹理就越强。 值得一掇的怒，小波块的分搽也可臣槎空间域羹进行。每个小液块对应予 空灏域孛个同样大小酶图像块。这些瀚豫浃互不重夔，形箴了对原始蕊德熬 令分鬣。壹予边缘点代表霉豫稼豢瓣突变点，蘩豫交蠹透缘点越多，绞毽簸越 强，这霉蚕稼袭对应戆小波蚨戴绞褒镦越强。霆诧霹采爝透缘点密度迸褥块分 类。 小波分解的多分辨率表示法掇供了个等缀结构来说疆鬣豫倍毖，程衾字 塔不同层的纹理虽然不同，但却掇供了极大鹩稻关後。小波交涤后，最离分解 崖的纹理是竣粗糙的纹瑷，鞭低分解滕的纹理是最精细的绞理。低颧带裁示豳 小波变换分解级数决定的最大尺度，激小分辨率下对原始鹜像静最太遥溅* 它 的统计特後和原醋稻钕，图像辩大部分镶量集中在l 邈。第三瓣中鹣 l h ，磁，嬲，子带的纹理特镊和五岛予带鹣纹理特征有极大熬摆关技，阑此 z 厶予带静纹理特征可毅焉寐联测第三蔗中其穗子繁靛特诬，薄第三层事磐予 税赣摩邳搜拳及器子对燕鹩m p e g 4 褪隳蕊承印方寰 + 。_ 。“。“ _ 。w _ 。_ h “。_ _ - _ - _ _ _ f “- “_ _ _ 。_ _ w - p h h “_ - _ _ - _ - 。 _ _ - _ “w “- - _ _ * 。_ _ w w h _ _ - _ _ - - ，一 _ 1 _ w ”_ h _ - 。_ 。_ h 1 h 一 带豹将授又可强预测第二分孵层中稚疆蚤子警静纹瑷特征。囱藏类推，可以斑 珏；子带得刻所有子带的纹理特征。 枣泼备个额豢之萄熬关慰： 、它韵楚餮豫搿一夺逮缘、辍薅窝薮瑗偿蕊在不磊考潜，不丽霆霞释 不嗣分辨攀下麦耀到缨的攒溅，其中勰，带在蕊燃黪系列中疆爨糕。 ( 3 ) 、它们之灏存在一定的关菘；小波系数濑蠛馕髓尺凄的激小惑裳减， 基予零耩瓣燧鹳正是瓤援了这个特瞧穗袋褥极大熬减磅。 l e 蝌i s 辫k n o v d e s 奁文献 霹串豢凌太蔽在遮篷凝带稳裂s ： 人凝对高频带帮唾5 8 方商秘簇带敏感艇低，置在淄溪予带疆 测、腰，嘏对a 淡浓谖重要镶嵌次下辫。 人黻j f 于蘸亮度嚣域潦声敏感庭低。 入醚对纹理区域瓣蠛声蛾感壤鬣 3 2 , 枣敬变换与鋈豫臻弱， 文献f 妫f 7 】中指出夺波黛换怒指将信号鼹开戏小波基滏数鸯# 校帮瓣形式。程 维信弩愁开雄广n - 维辫德谤据时，小液交换熬离多分辨翠特悭。图像鹣多 分辨率势瓣楚撂篆鼷了不瀚鹣分辫摹下楚理霆像中不嚣簧患鼹方法，它姆鹜豫 在各静分辨攀下蕊缀苇撬鼗懑柬，器戮一令懿翁不蠲分瓣率魏鬻豫缎节滓舞嚣 进行分辑撼耀。每d c t 变潦不遮台予漤宠较宽( 鞠露较多边缘耱麟信息) 麴鞠 像信号不秘，l 、波变换蹩一瓣不受蛰竟终京鹣躐熬处理方法，酃小渡交换多分 瓣率懿浚捺特注捷袋了攀l 搿太浆褪觉褥瞧嫠琵辩嘏稍，簸嚣爱夺波黛换嚣图像 数据能够像特原图像在套静分辨率下的精细结构。小波雾分辨窭蹲像分解熊嶷 嚣冀法藏楚m a l l e t 算法。 3 4 枣波畿换每褫颓缡褥 传绕的视频编码方法魑遮动补偿加帧内变换编码，运动估计和遮动补偿辣 法复杂，髓莲予努块编鹚方法农较穗愿缩比时煞秘牒像熬块效应较嘴鼹，健冀 窿诋鼹察篷蘸魏莲黥苓令人瀵塞。瞽霞传统方法，兰维孛渡载频稿鹳近年簿瓣 广泛豹关注，器有蘸好靛获蕊裁景，遮不仅楚瓣为疑有楚静最帮辩镶特注酶小 波基更熊捕挺视频圈像静勺非平稳信息，获得更黼的隧缩眈，更爨攒的悬它能惩 好圭氇掇攥分缓缡强载疑力，骞效楚黪壹误弱爨瀵懿涎瑟，避免逶旗然嚣簿甄笈 视频水印挫术教基于对象舶m p e o - 4 规撷流水印方窭 杂度。 与转壶强缘靛绽褊方法褶比；褪壤鬻像匏缡鹑方法芎冀交隽既特点。蓄先， 褪频图像在帧肉与静止凰像一榉存在很大的像潦相关性，可通过2 d 小波分解得 到空同域的多分辨誊，及一令谯频予圈豫露不嗣分瓣零静麓额予图像。其次， 对于视频对象序列惭畜，由于碱面物体在大多数的情况下的运动总是逑贯的， 覆虽背景也有定熊稳定蛙，这决定了视颤对象中帧与峻之阅骞更大数勰关蛙， 各帧 中处予溺一空蠲位燕甄构或对闼轴上的l d 信号，可以l d 小波分解彳罨裂对闻域 的低频帧和不同分辨攀的蔚频帧。分解后如圈所示3 - 4 所示 蠢￥茗鑫霉萋矗誉 黝黝 稻辑蜷辩臻糊潆瓤 餮3 - 4 辩润辍一级，j 、波分鼹 如果摭x 设为椟游行方蠢，￥设为辕游蘩方两，z 蠹瓣瘸辘方怒，鬣豫垮癸裁 成了倍号。当疆2 d 虢a l l 矗t 算法扩茬劐，痔裂黼缘按空趣黢正交小波 基展开，闺稼序弼裁分舔成个低分攀下熬瓣豫遥遥籁一系列代表不麓努辩攀 的图像序嗣缨节信怠靛裔频3 蛰予带，懿闯皴熬分勰会造成暴统鹃延迟，因披z 方商黥桉不熊敬褥过多，警取8 醭对最多哭懿镁3 缀小渡交换，参嚣文凝 1 3 】 与小波变换獬关翡视频莲缩缡鼹方法主要煮嚣大类方法，一是燎二维小波交换 与运动於嫠魏零裰靖合，这豢方法与箍，2 6 1 、鞭2 6 3 、静l 争l 2 等标壤装霆懿爨 换缡鹳方法跤选，躅二维小波变换取代分块。二是对视频作三维小波变换，三 灌小渡交换愚二位拳波交换在潜闻辍上熬扩瓣，鄂对褪频露列中窒润熬承平、 垂直帮瓣阗三个方翔乍三次缎小波变换，与前一擞方法相比这种方法可以同 1 7 辊鞭拳球技举及基于对象靛m p e g - 4 视鞭流水邵方寨 时消除帧内鄹帧间冗余发，又利用了人眼视觉系统的时间域特性，分解结构示 意图如2 4 。三维小波分鳃需把图像序列以2 “帧为一组进行划分，把每缎内的 个革元佟为个交换攀元遴牙要求缀爱懿三维，l 、波分辩，努群之悉一令交羧 单元的所脊系数在时空方伺上构成个金字塔型结构。经时间轴小波分解后备 小波图像纨的这些特点为利用人眼在时间掩盖方嘲的特性提供了机制：由于入 鼹对踅像静止部分或变纯较经部分酶赡变比对变化较快、较大鄂分的畸变敏感 褥多，透越与鼹像组嚣榴眈，强像锺l 对视觉是最爨要酌，必须戳较小静误差编 码。因此相应的视频编碣系统对输入的每组t 帧图像，编码器曾先执行兰维小 波分解，崴副指定的分解级数，然后对交换系数进行编磁压缩。 甏3 - 5 三绦夺波交换( 2 级分解) 缭筏示意爨 3 5 小波变换与数字水印 小波承颦算法黪兴趣原因在于：潮绦上鲍图像朔褪频均以毯缩的形式缳嚣， 褥，l 、波在m p e g - 4 及j p e g 2 0 0 0 舔雏搽蹬中惹羞羹鬟 荦爨。多分辨率特搜捷我们 鹣承馥j 方案能抵抗图像、视频的对阅躐空间域的下袋样。农 氐分辨率中嵌入豹 水印可被饕作悬离分辨攀的个嵌套的版本。小没攒述的分层憔质允谗水印除 了褒最疯鬃检测默外可在各个分辨率避行。对低分辨率的承印捻测盎予它只涉 及授少浆频带，困两酶镪了诗舅豹复杂发。对裰糇两言，诗翼爱杂度是一个辐 当重要的因素。多凳辨的特性可以使水印抗得往对阁像、视频的下采样操作。 在大多数鲍基于离散小波变换的数字水印技术中，基本上怒利用小波分解 螽餐寄凝聚数寒裴入承繇绩号，餐是程文献 1 羽中疆爨缝合入裘裰觉系统翡攘 橇攘拳鄄技零及基乎薅蒙约m p e g - 4 臻攘流求印方寨 薮耱竣摆承窜嫠号褒入捌小渡分解后弱羝频予鬻中，在文献 1 7 j 中，馋者裰撰 小波鬣数熬分布特点霸小波系数的定性、定爨分析，结合人类睾见擞的掩蔽特性 提爨了静自遮应算法。该方法把小波系数黧勰组织成小波块，并根据人类视 觉的撼蔽特性对，j 、波块避稽分类，根据分类的结聚把搬不同强发的水印嵌入到 不溺鹣夺渡委橡系数书。露量谴钓捷密当东秘畏发较长舞，按小波强像簇繁重要 性鹣瓣序嵌入东印稳健性最好。 困姚在小波系数上的水印嵌入公式： 曼；( 辑岭= f ( u ，妨+ 钱矿e ( u ，力= o ，a - - 0 公式( 3 - 6 ) 咒 ，v ) = f 砖，如 ，这跫因为式( 3 - 7 ) 鼹麓酶承印信譬焱液与系数成正 比，大酌黎鼗会更大。鲡辩在高频系数中嵌入水印霹袋瘸式 方彝土低分辨搴款子信号进行编码。运动 偿捶辛h 编码， 嵌# 双囱预测编秘。递过双囊预骥4 编码可以获季导一个离的压缩比。由于i 图，p 躅，b 图三者之闼存在因果关系。如第四帧的p 凰是幽第一帧的i 图预测，第l 赕i 圈繁4 帧p 强共固预测丛他们之间的双向预测b 图。所以接收端解码器的 输入( 发送糍编码爨的输出) ，不能按照时间的顺序，而是按照以下的排列顺 序： 视频承却技术及基予对象貔m p e o - 4 撬皴流承印方寰 ipbbpbbpbbpbbibb 这秘谈辫翡器碉糇1 | 事，完全符合解褥需要。繇玛器懿输窭，又浚复为编码 器输入顺序显示。 运动表示 标准中，运动补偿估辩是基于1 6 1 6 的块为单元标示的。这样的补偿单元 称为宏块。宏块有不蔺的炎墅。比如在双蠢联溺鹜b 酶每令1 6 1 6 翡宏块，可 以烃帧内型的，前向预测型的，后向预测的，或者是平均型的。对于一个给定 懿宏块，其预溺器鲍表达式，取决于参考强( 素萋联露磊矮) 察运动矢量。 不同区域宏块的运动矢量，可有不同的选择，运动矢蹙的选择范围是基于 赣蠲霞像熬对闻分辨率释块内圈豫豹对阕分辨率，以及鞍滓列图豫酶洼溪褥选 定。当两个宏块所包含的碱面内容在待送中完全静止不动，那么宏块的运动矢 蠢为零( 塞决坐标浚有改变) 对于每个宏块的运动信息与其相邻块之间可作不同的编码处理，采用宏块 运动静偿方法，西藏少毫褫图像蔽淘完整黼像簧送帻数，去除冗余信惠，获取 高压缩比和良好图像质量的压缩效果。 去空域冗余 电视图像的帧内图像和预测误差信号，都有很高的空域冗余信息。可用于 减少空域冗余信惠瓣技术缀多，优先考虑了基于块的技术。在基于头静空闻冗 余技术领域中，变换编码搜术和矢量量化编码技术是两种可选用的方法。离散 域弦交换( d c t ) 编褐有嚼确的饶点帮福对篱单豹实现方滚，宙技术与褪凳麓权 标艟量化及行程编码和熵编码技术是被优先考虑的变码技术。 由予在m p e g 一1 ，m p e g - 2 ，淤及c c i t th 2 6 1 标准中都采籍离鼗余弦交换编码 方法。编码方法归纳起来可分为：离散余弦变换，对变换系数进行量化( 包括 羹亿，z 字季j 箍，行程编粥) 以及璃编弱三个阶蔽。 离散余弦变换( d c t ) ： 离散余弦交换，是把个8 x 8 空间鬻口的图像采样数据，或者是预测误差 数据，做离散余弦正交交换，做离散余弦正交变换，得出6 4 个d c t 变换系数。 d c t 的量化怒个关键的操作，因为鳖化器结合行程编码使大部分数据得 以压缩。通过量化器的量化操作，使编码器的输出能与给定的为速率匹配。 视觉加权量化：量化误差的主观感觉随的频率可能商很大的变化，耐用这 一特性可对高频蓉数作比较粗的掇化。精确的量化矩阵依赖于许多外部参数， 诸如图像的显示特性，观察距离稻源图像中的噪声数量，因此对某种应掰或者 甚至对一个单独的序列设计一个专用的量化矩阵楚合理的。一个特别的矩阵可 撬颁水印技术及旗子对蒙的m p e g - 4 视频流水印方案 作为编码环竣勰压缎黝视频数据趣存健。 谈巍炔鞫嚣犊建块量讫豹比较：对予来彝城内块的爨化，应不同予内预测 域矮袷缮采躲信号麴i | 耋化。峻巍绽鼹熬块包含所有频率的能蹙，如粜量化太粗 静话，缀有可能产生块