（计算机软件与理论专业论文）基于svd的时域同步视频数字水印算法研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 基于s v d 的时域同步视频数字水印算法研究 摘要 随着计算机技术的飞速发展，数字视频产品在日常生活和商用上的应用也越 来越广泛。大容量存储技术与网络技术的发展在方便数字视频的复制传播的同 时，也为侵权者肆意更改并大量非法传播获取的视频数据提供了便利。这些都极 大的损害了视频产品版权持有者的合法权益。因此，如何保护视频产品的版权成 为亟待解决的问题。很多商业应用( 如视频广告) 要求能对数字视频的使用进行 监控，这也需要用到视频的数字水印技术。数字视频水印技术通过在视频数据中 嵌入隐藏的水印信息，能很好的实现数字视频产品的版权保护与使用监控，近年 来受到广泛关注和研究。 当前数字水印算法中，基于三维变换域的算法具有不错鲁棒性，但存在计算 量大的问题。当前主要研究并应用的是基于二维变换域的算法，但这一种算法又 需解决帧间水印的时域同步问题。本文主要研究二维变换域上时域同步的视频数 字水印算法。 矩阵奇异值分解( s v d , s i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n ) 后的奇异值( s v , s i n g e d , _ , v a l u e ) 具有很好的几何不变性。本文首先研究了一种基于奇异值分解的数字盲 水印算法。嵌入水印时，先对视频图像分块，再将每块进行奇异值分解，分解后 将适当位置的奇异值在相邻奇异值的大小范围内进行微调以嵌入水印。由于调整 后奇异值排列顺序不变，检测过程不需原始视频数据和原奇异值排列顺序，该算 法为盲检测水印算法，且具有不错的不可见性 由于基于s v d 水印算法的水印信息并无帧间关联，不能抵抗时域同步攻击。 为改善这一不足，本文引入一个视频水印同步模型并加以改进，继而提出基于 s v d 的时域同步视频水印算法( t s s v d , t e m p o r a ls y n c h r o n o u sv i d e ow a t e m m t t k i n g b a s e do 1s v d ) 。该算法嵌入的水印含有帧间相关特征，能很好的抵抗帧插入的 时域同步攻击。然而，利用原有模型嵌入的水印在遭受帧删除和帧交换攻击后检 测率并不理想。在分析原有模型的视频特征提取算法特点后，本文对该时域同步 模型加以改进，加入重检测模块。改善后算法具有很好的抗帧删除攻击能力。 本文对t s s v d 算法进行了抗几何攻击与抗时域同步攻击的性能测试实验。 实验表明算法具有不错的不可见性，并能很好的抵抗诸如旋转、放大、平移、压 缩编码等几何攻击和帧插入、帧删除、帧交换等时域同步攻击。 关键字：视频水印，数字水印，奇异值分解，时域同步 华东师范大学硕士学位论文 基于s v d 的时域同步视频数字水印算法研究 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，d 孕t a lv i d e o s em o t ea n d m o r ew i d e l yu s e di np e o p l e sl i f ea n dt h eb u s i n e s sa p p l i c a d o n s a n dt h ed e v e l o p m e n to f h u g ec a p a c i t ya c c e s st e c h n o l o g ya n dt h en e t w o r kf a c i l i t a t et h ec o p ya n ds h a r eo f 喇 v i d e o sg r e a d y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep i z a t e sc a na l s ow a n t o n l ym o d i f yt h ed 培乜lv i d e o s m e yg o ta n ds h a r eo u ti l l e g a l l y t h i sg r e a t l yi n f t a c t st h ec o p y r i g h to ft h ev i d e oo w n e r s m a n yb u s i n e s sa p p l i c a t i o n s ( f o re x a m p l e , t h ev i d e oa d v e r t i s e m e n 0r e q u i r et h em o n i t o r o ft h ed i g i t a lv i d e o d 缚t a lv i d e ow a t e r m a r k i n gc a nw e l lp r o t e c tt h ev i d e o sc o p y 矗g h t a n dm o n i t o rt h ev i d e ou s i n g , w i t he m b e d d i n gt h eh i d d e nw a t e r m a r ki n f o r m a t i o nt ot h e d i g i t a lv i d e od a t a t h ed i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o n c e r n e d i nt h ea l g o r i t h mc u r r e n tr e s e a r c h e do fd i g i 乜av i d e ow a t e r m a r k i n g , t h ea l g o r i t h m b a s e d0 1 1t h r e e d i m e n s i o n a lt r a n s f o r mi sr o b u s t , b u ti th a sap r o b l e mo fn e e d i n gl a r g e a n a 0 1 = l n to fc o m p u t a t i o n n o wt h em o s tc o n c e r n e da l g o r i t h mi st h ea l g o r i t h mb a s e do l l t w o d i m e n s i o n a lt r a n s f o r m , b u tt h i ss h o u l d b ec o n s i d e r e da b o u tt h e t e m p o r a l s y n c h x o n i z a f i o no ft h ew a t e r m a r kb e t w e e nt h ei n t e r - f 士a m e s t h i sp a p e rs t u d i e so nt h e t e m p o r a ls y n c h r o n o u sd i 酬v i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h e t w o d i l n e n s i o h a lt r a n s f o r m t h em a t r i x ss i n g m 甜v a l u ch a sg o o dg e o m e t r yi n v a t i a n c ea f t e rt h es i n g u h rv a l u e d e c o m p o s i t i o n f i t s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e s o nab l i n d 喇w a m r m a t k i n ga l g o r i t h n a w h i c hi sb a s e d0 1 1t h es 证g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n i nt h ew a t e r m a r ke m b e d d i n g , d i v i d e t h ev i d e oi t n a g e si n t om a n yb l o c k s ，a n dt h e n d e c o m p o s ee a c hp i e c eo fb l o c kw i t h s i n g a 丑rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，l a s a ye m b e dt h ew a t e r m a r ki n t ot h es i n g u h tv a l u ew i t h f i n e - t u n i n gt h es u i t a b l es i n g , 血v a l u ew i t h i nt h er a g eb e t w e e nt h ea d j a c e n ts i n g u h t v a l u e s b e c a u s et h eo r d e r s o ft h es i i l g u l a tv a l u e sn o tc h a n g ea f t e ra d j u s t m e n t , t h e d e t e c t i n gp r o c e s sd o e sn o tr e q u i r et h eo d g _ i i l a lv i d e od a t aa n dt h eo d g i l l a lo r d e r so ft h e s i n g t v a l u e s s o , t h i sa l g o r i t l _ 1 f ni sab l i n dd e t e c t i n ga g o r i t h m ，a n dt h ew a t e r m a r ki s w e l li n v i s i b l e t h ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do ns v dc a n tr e s i s t a n tt h et e m p o r a la t t a c k s b e c a u s et h e r ei sn oc o r r e l a t e di n f o r m a t i o nb e t w e e nf r a m e s t oi m p r o v et h i ss h o r t a g e ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e dav i d e ow a t e r 蛐gf x a m e w o r kf o rt e m p o r a ls y n c h r o n i z a t i o na n d i m p r o v e si t , a n dt h e np r o p o s e dat e m p o r a ls y n c h r o n o u sv i d e ow a t e r m a r k i n gb a s e d0 1 1 s v df r s - s v o ) t h ee m b e d d e dw a t c e m a z kc o n t a i n i n gi n t e r - f r a m er e l a t e dc h a c t e r i s t c s , a n di sr e s i s t a n c et om o s to ft h et e m p o r a ls y n c h r o n i z a t i o na t t a c k ss u c hi t sf r a m ei n s e r t i o n 华东师范大学硕士学位论文 基于s v d 的时域同步视频数字水印算法研究 a t t a c k b u t , t h eo 矗g i n a lf r a m e w o r kc a n tw e l lr e s i s ta g a i n s tt h ea t t a c k so ff r a m ed r o pa n d f r a m et r a n s p o s i t i o n a f t e ra n 却i 1 1 9t h eo r i g i n a lf r a r n e w o r k sv i d e of e a t u r ee x a c t i o n ，t h i s p a p e ri m p r o v e st h ef r a m e w o r kb ya d d i n gar e s y n c h z o n i z a t i o nm o d u l e t h ei m p r o v e d f r a m e w o r kh a sb e t t e ra b i l i 巧o fr e s i s t i n ga g a i n s tt h ef r a m ed r o pa t t a c k i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t sw e r em k e nt ot e s tt h et s s v da l g o r i t h m r o b u s t n e s s a g a i n s tg e o m e t r i ca t t a c k sa n dt e m p o r a ls y n c h r o n o u sa t t a c k s e x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h e a l g o d f l ah a sag o o di n v i s i b i l i t ya n d t c s i s t a n c et om o s tg e o m e t r ya t t a c k s ，s u c ha sr o t a t i o n ， s l x m lr e s c a l i n g , s h i f t i n g , a n dm p e gc o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t sa l s os h o wt h a tt h e a l g o r i t h mh a s 4g o o dr o b u s m e s sa g a i n s tt e m p o r a ls y n c h r o n i z a d o na t t a c k s , s u c h f t a m e i n s e r t i o na t t a c k ，f r a m ed r o pa t t a c k , f r a m et r a n s p o s i t i o na t t a c k k e y w o r d s ：v i d e ow a t e t m m k i n g , d i g i t a lw a t e r m a r k i n g , s i n 班nv a l u ed e c o m p o s i t i o n , t e m p o r a ls y n c h r o n o u s i i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个 人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 参乳f 划 o r i g i n a l i t yn o t i c e i np r e s e n t i n gt h i st h e s i si np a r t i a lf u l f i l l m e t l to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h em a s t e r s d e g r e ea te a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y , 1w m ：r a n tt h a tt h i st h e s i si so 咖a 1a n da n yo f t h et e c h n i q u e sp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v eb e e n f i g u r e d o u tb ym e a n yo ft h e r e f e r e n c e st ot h e 叩y d g h t ，t r a d e m a x k , p a t e n t , s t a t u t o r yd 庐t ，“p r o p r i e t yd g h to f o t h e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l ya c k n o w l e d g e da n di n c l u d e di nt h er e f e r e n c e ss e c t i o na tt h e e n do ft h i st b e s i s s i g n a t u r e ： c o p y r i g h tn o t i c e d a t e ： ih e r e i na g r e et h a tt h el i b r a r yo fe c n us h a l lm a k ei t sc o p i e sf r e 由a v a i l a b l ef o r i n s p e c t i o n i 1 t t h e ra g r e et h a te x t e n s i v ec o p y j n go ft h et h e s i si sa l l o w a b l eo n l yf o x s c h o l a r l yp u r p o s e s ，i np a r d c u h t ，s t o r i n gt h ec o n t e n to ft h i st h e s i si n t or e l e v a n td a t a b a s e s ， w e l la sc o m p i l i n ga n dp u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to ft h i st h e s 政c o n s i s t e n tw i t h ”f a i ru s e ”a s p r e s c r i b e di nt h ec o p y r i g h tl a w o ft h e p e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a s i g n a t u r e ： d a t e ： 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 视频数字水印的研究背景 近年来信息技术和计算机网络的飞速发展，使得数字产品的存储、复制、获 得和传播变得越来越容易。越来越多的产品以数字形式经由网络发布。数字产品 可以低成本、大规模的拷贝和传播，其便捷性受到了广泛的赞誉，同时也显著地 提高了信息表达的效率和准确度。人们不但可以通过互联网和c d r o m 方便快 捷地获得数据，也可以毫无限制地编辑、拷贝和传播获得的产品，这在最大限度 地拓宽合法用户利益范围的同时，也使出于不同目的的盗版和侵权行为有可乘之 机，这使数字产品的版权制度受到了前所未有的冲击。数字产品原创者的版权和 经济利益如何得到保护，产品是否安全、可信，以及由此引发的信息安全、版权 纷争等问题己成为日益严重的现实问题。如何有效的保护数字产品的版权，减少 巨额的经济损失，已经受到了国际学术界、企业界、政府相关部门的广泛关注。 为保护数字产品，主要技术有传统的加密技术、数字签名技术和数字水印技 术。数字水印技术与传统信息保护技术既有密切联系又有些区别【1 。图1 1 表示 数字水印技术与其他信息保护技术的关系。 图1 1 数字水印技术与其他信息保护技术关系 数字签名( d 婷u ls i g n a 呲e ) 【2 】【3 】技术可以验证数字产品的真实可靠性a 但 数字签名需要在原始作品中加入大量的签名，对于数字图像、音频、视频等多媒 体的应用不方便也不实际。 数字水印技术通过在原始数据中嵌入秘密信息，可用来证实数据的所有权。 这种被嵌入的信息称之为水印( w a t e r m a r k ) ，它可以是一段文字、序列号或者标 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 识等。水印通常是不可见或不可擦除的，它与原始数据紧密结合并隐藏其中，可 经受一些有意或无意的攻击而保存下来，这些攻击通常为不破坏原数据使用价值 的操作。水印技术与传统加密技术的区别在于：首先，水印是不可感知的，嵌入 水印不会影响载体数据的使用质量；其次，水印与其嵌入的作品密不可分，当作 品被显示或转化为其他文件格式时水印不会被消除。 随着数字视频技术的发展，大量消费类数码视听产品开始广泛应用于实际生 活。网络传播的便捷又使数字视频的侵权问题愈加严重，数字视频产品知识产权 的管理和保护成为急待解决的问题。随之，视频数字水印技术也有了很大发展。 1 2 视频数字水印发展概述 1 9 9 6 年，美国电影协会( m p a a ) 、消费电子产品制造商协会( c e m a ) 和部 分计算机厂商联合成立了国际版权保护技术工作组( c p t w g ) 来研究防止数字 视频，特别是d v d 产品私自复制的技术问题。c p t w g 在过去的几年中已经成 功地研制出d v d 防拷贝系统的主要部分，这包括己在应用中的3 种比较可取的 管理技术，即内容加扰系统( c s s ) 、模拟信号防护系统( a p s ) 和拷贝管理系统 ( c g m s ) 。 目前己有不少公司研究利用数字水印技术对数字产品进行版权保护的系统。 如n e c 、i b m 携手开发电影画面数字水印技术。n e c 和i b m 已经达成协议，两 家公司将在数字化水印技术方面展开密切合作，为保护d v d 数字化内容的版权、 防止非法拷贝而联合研发、制定数字化水印标准。该标准很有可能成为第一个真 正实用的d v d 防盗版标准。一些公司也开发出来自己的数字视频水印系统，如 希腊蛳h a r e 公司已推出的数字视频水印软件v i d e om a r k ；美国的m e d i a s e c 公 司开发了s y s c o p 视频版权保护软件；微软亚洲科学院也在研究视频水印技术方 面有一定的成果等。 国内在信息隐藏方面的研究起步稍晚，但已引起了信息安全领域研究人员的 普遍关注，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 0 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，来自国家自然科学基金委员会、国家信息安全测评认证中心、中国科 学院、北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、上海交通大学、中国科技大学、 北京大学等单位的专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了 各自的研究成果。 2 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 - 1 视频数字水印分类 视频数字水印的分类方法很多，可以从多个角度对数字水印进行分类。 1 ) 按照水印的特性，可分为鲁棒性水印( r o b u s tw z t e r m z r k i n g ) 和脆弱性水 印( f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) 。鲁棒性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。脆弱性水印主要用于真实性和完整 性的保护。它要求水印必须对信号的改动很敏感，人们可根据水印的状态判断数 据是否被篡改过。 2 ) 按照水印的检测过程，可以分为非盲水印和盲水印。非盲水印在水印的 提取过程中，需要原始数据的参与。这类水印的鲁棒性较强，但其受到存储成本 的限制，并且检测不方便，因此应用也受到很大限制。盲水印在水印的提取过程 中，只需要密钥，不需要原始数据的参与。盲水印也是研究较多的水印算法。 3 ) 按照嵌入水印的内容，可以分为无意义水印和有意义水印。无意义水印， 指的是水印本身是一个没有任何特别意义的伪随机序列或一个序列号码，提取出 水印后一般通过统计决策来决定媒体中是否含有水印。本文中抗时间攻击水印就 属于这类水印信息。有意义水印本身是数字图像、数字音频片段或符号。这类水 印的优势在于，提取过后，除了统计决策方法外，还可以通过视觉或听觉来直观 判断媒体中是否含有水印。 4 ) 按照水印是否可感知，分为可感知水印和不可感知水印。通常意义上的 水印是不可感知的，但在某些场合，需要的却是可感知的水印。比如在发布d e m o 版视频产品时，可以在视频中嵌入可见的水印，这种水印不能被抹去。 5 ) 按照水印的算法来划分，水印算法大致可以分为空域算法，变换域算法 和压缩域算法。空域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而变换域数字 水印则是在d c t 变换域、小波变换域上、s v d 变换域上叠加水印。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。 应该说，只要构成一种信号变换，就能在其变换空间隐藏水印。 视频数字水印算法分类的角度也体现了数字水印在各个领域的用途和考虑 点。设计一个好的视频数字水印在不同应用场合需综合考虑以上因素。 1 2 2 视频数字水印的应用领域 视频水印技术有着广泛的应用，目前的应用已经远远超出了版权保护的范 围。下面这些为视频数字水印比较常见的用途： 3 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 ) 广播监控：电视台每天都会播放广告，而广告商希望知道自己所购买的 广告是否在正确时段进行了播放。为了实现广播监控，可雇佣监控人员对所播出 的内容直接进行监控和监听，但这种方法不但花费昂贵而且容易出错。又或者可 以将识别信息置于广播信息之外的区域用动态监控系统进行监控，但这种方法兼 容性较差。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【4 】。 2 ) 版权识别：文本的版权声明识别具有一些局限。在拷贝时这些声明很容 易被有意或无意的去除。数字水印与其嵌入的作品不可分离，且不可见，故水印 比文本声明更利于所有者识别。如果视频作品的用户拥有水印检测器，他们就能 够识别出含水印作品的所有者，在受到作品受到轻微改动时，水印依然能够被检 测到。 3 ) 版权验证；人们可以用水印来保护版权，而且可以通过检测器的限制， 使所有权验证达到一定安全级别。攻击者如果没有检测器，清除水印是相当困难 的。然而，攻击者也可以使用自己的水印系统，使数字视频产品里具有攻击者的 水印。因此，人们还可以通过所嵌入的水印信息证明一部视频是由另一部视频得 到的这个事实。这种系统能够间接证明有争议的视频更有可能为版权所有者所有 而不是攻击者所有，因为版权所有者拥有创作出含水印的载体数据。 4 ) 版权追踪：利用水印可以记录作品的某个拷贝所经历的一个或多个交易。 例如，水印可以记录作品的每个合法销售和发行拷贝的接收者。作品的所有者或 创作者可在不同的拷贝中加入不同的水印。如果作品被滥用( 透露给新闻界或非 法传播) ，所有者可以找出那个应该负责的人。d i v x 公司实现了一个把水印用于 交易跟踪的实例。他们在出售的一款增强版d v d 播放器中，采用了数字水印技 术防止盗版磁盘每个d i v x 播放器都会在它播放的视频中嵌入独一无二的水印。 如果有人录制那段视频并开始出售，那么d i v x 公司就可得到一份副本并通过解 密水印而跟踪到敌手( 或是敌手的d i v x 播放器) 。另外一个例子是在分发的电影 原始底片中嵌入水印。在制片过程中，每天的摄影结果都要分发给大量的制片人 员，如果有原始底片泄漏给了出版社，制片组能够通过嵌入在其中的水印快速的 查明泄漏者。 5 ) 数据内容认证：确认数据的真实性，完整性，提示被篡改情况。一个典 型的应用是可信赖的数码相机。新闻工作者用数码相机拍摄图像在新闻报道中使 用，然而新闻机构无法确定这一图像是真的还是编辑捏造的。一种解决方法就是 使用数字水印，用于认证对象内容是否被修改的应用中，希望一旦对象内容改变 了，被提取出的水印也应相应变化，这种水印是脆弱水印( f r a g i l e w a t e r m a r k i n g ) 。 认证水印在数码相机拍摄时即被嵌入到图像中，新闻机构出版时就可以通过检测 图像中的水印来确定图像拍摄后是否被修改了。另一个典型的应用是在多媒体内 4 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 容被装载到数字图书馆中时对它嵌入认证水印。以后通过检测水印可以看出多媒 体内容有没有被修改或替换。 6 ) 拷贝控制：前面所述的水印应用都只能在非法行为发生之后起作用。然 而，在拷贝控制的应用中，最好能够制止对受版权保护的内容进行非法拷贝，但 同时要保证人们能够对其中的内容进行欣赏。这时就可以通过水印来提供拷贝控 制的方法。水印嵌于内容本身中，可以在内容的每个形式中都存在，同内容一起 播放。每个录制设备只要都装有一个水印检测器，当设备输入端检测到“禁止拷 贝”的水印时设备就会禁止拷贝。 1 2 3 数字视频水印标准化 数字水印作为一项关系司法认证的技术，其标准化工作十分重要。国际上对 于水印标准的制定活动表现得非常积极，i b m ，n e c 等信息产业巨头也一直参 与有关版权保护水印技术标准的制定工作。 1 9 9 8 年，美国版权保护技术组织( c p t w g - c o p yp r o t e c t i o nt e c h n i c a l w o r k i n g g r o u p ) 成立了专门的小组d h s g ，考虑制定版权保护水印的技术标准，并提出 了一些基本的要求。在来自各大公司的7 份技术方案中，d h s g 确定了其中三个 作为候选标准。这三个方案是：1 ) 、i b m 和n e c 共同制定的技术方案；2 ) 、 m a c r o v i s o n 。d i g i m a r c 和p h i h p s 联合制定的方案；3 ) 、h i t a c h i ，p i o n e e r 和s o n y 共 同制定的方案。尽管至今还没有形成数字水印的最终技术标准，但d h s g 已经 明确了用于版权保护的数字水印必须满足的一些基本条件。另外，设在伦敦的国 际摄影行业联盟( i f p i ) 和数字视昕委员会( d a v i c ) 也开始了数字水印标准的 制定。 由欧洲委员会资助的几个国际研究项目也致力于实用水印技术研究。其中 t a l i s m a n 的目标是欧盟成员国的服务提供者提供一个标准版权保护机制，以 保护数字化产品，防止大规模商业盗版和非法拷贝。t a l i s m a n 的预期产品是 通过标记和水印方法得到一个视频序列保护系统。o c t a l i s 的主要目标是建立 一个全球范围的解决方法，通过它能公平地进行数据存取控制和进行有效的版权 保护，并能在大规模实验系统，如i n t e r a c t 和e b u ( 欧洲广播联盟) 网络上证明 其有效性。 m p e g 工作组也开始考虑利用数字水印进行信息版权保护，并在1 9 9 9 年1 2 月第5 1 届大会上成立了a h g ( a dh o cg r o u p ) 特设小组，专门负责数字水印技 术在m p e g 中的标准化工作。当前a h g 小组的主要工作内容是在知识产权保护 范畴之外，讨论并总结水印技术的多媒体应用及操作环境，评估这些应用对标准 化的需求以及评估在m p e g 范围内对标准化的需求。 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 论文研究目的和研究内容 为很好的保护视频产品的版权，嵌入的水印信息必须不影响原视频的使用， 并且在遭受可能的各种攻击后能同样有效的检测出来。数字水印算法性能主要从 不可见性、鲁棒性、水印实时检测性等方面衡量。由于现今编码标准的视频以图 像帧存储的特点，视频水印除了遭受一般的空间域上攻击外，还可能遭受其他一 些如帧插入、帧删除、帧交换等时域上的同步攻击。所以，相对其他数字水印算 法，视频的数字水印算法还需要具有抗时域同步攻击的能力。 现在已有很多视频数字水印算法。表1 2 为这些算法的简单分类。 算法 空间域算法三维交换域算法二维变换域算法压缩域算法 性能 算法复杂度 低高 一般 低 嵌入信息量多多多少 不可见性差好好好 几何鲁棒性 差 好好 好 时域同步性能差好差差 表1 2 水印算法分类 基于空间域的算法如较早的最低有效位( l s b ，l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) 算法， 在最低有效位嵌入水印比特信息。这种算法计算简单，但由于不可见性和鲁棒性 较差现在已很少使用。 压缩域嵌入算法直接在编码压缩后的比特流中嵌入水印信息。由于没有编解 码的过程，算法的计算复杂度低较小，但压缩比特率的限制嵌入水印数据量一般 较少。 在三维时空变换域上的算法有不错的鲁棒性和时域同步能力，但这些算法一 般存在运算时间复杂度高的问题，并且不能和现有编解码技术有效的结合，不适 合实时的视频水印应用场合。 二维变换域上的算法能和当前编码方式较好的结合起来，是视频数字水印研 究的热点。这些算法比起三维变换域上的算法时间复杂度要低，并且算法的鲁棒 性不错，但由于帧间水印相互独立，较容易受到时域上的同步攻击。 ( 当前主要视频水印算法的具体比较在2 4 小节有详细阐述。) 基于奇异值分解的视频水印技术也是二维变换域上算法的一种。这种算法具 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 有良好的抗几何攻击能力，但没有考虑时域同步攻击问题。针对这一不足，本文 引入一个视频水印时域同步模型并对该模型加以改进，继而提出基于奇异值分解 的时域同步视频水印算法。 本文主要研究内容有： 1 ) 、总结了数字水印技术的通用模型。 2 ) 、研究奇异值分解( s v d ) 在视频数字水印中的应用。提出新颖的视频盲 水印算法，利用小范围内微调奇异值的方法嵌入水印。 3 ) 、分析研究已有的视频水印时域同步模型，指出该模型在遭受帧删除、帧 交换等时域同步攻击时检测率不足的原因。通过研究视频特征提取的特点，改进 该模型，以更好的抵抗帧删除攻击。 4 ) 、结合奇异值分解和已改进的时域同步模型，提出基于s v d 的时域同步 视频数字水印技术。 5 ) 、进行实验，验证t s s v d 算法的不可见性、抗几何攻击性能、时域同步 攻击性能。 1 4 论文组织结构 本文的组织结构： 第一章、第二章 主要研究当前视频数字水印技术的应用背景和相关问题。总结视频水印技术 原理，水印信号的产生、相关算法以及针对视频数字水印的主要攻击方法。 第三章、基于b l o c k - s v d 抗几何攻击的视频水印算法 主要研究奇异值分解在视频数字水印中的应用和抗几何攻击的能力。 第四章、t s - s v d 视频水印算法 介绍已有时域同步模型并分析其特点。 改进时域同步模型，并结合b l o c k s v d 提出同步性能更好的t s s v d 视频数 字水印算法。实验验证算法的抗时域同步攻击性能。 第六章、总结与展望 总结本文研究成果并展望进一步的研究工作。 7 华东师范大学硕士学位论文第二章视频数字水印技术 第二章视频数字水印技术 2 1 数字水印基本原理 数字水印技术就是将一些版权信息通过一定的算法嵌入到被保护的多媒体 载体( 如静止图像、视频、音频等) 中，在需要进行版权证明的时候，从媒体中 提取出水印进行验证的技术。数字水印过程一般可大致分为两部分：数字水印的 嵌入和数字水印的提取检测。数字水印嵌入原理如图2 1 所示。 图2 1 数字水印嵌入原理不意图 在数字水印的嵌入过程中，设j 为需要保护的原始数据，矿为水印信号( 水 印可以是序列形式，也可以是图像形式) ，琏为嵌入密钥，其嵌入算法为上乙，那 么嵌入水印后的数据l ，可表示如下： l = 瓦( ，w ，k e ) 当然也可先对水印进行预处理，来增加水印的可靠性、安全性。若预处理后 的水印为矿，则妒= f ( i ，) ，其中f 为水印预处理函数。那么嵌入水印后的数 据l ，为l = 邑( ，矿，j ) 。作为水印的所有者，我们不希望水印被其他人知道， 或者是很容易的猜测出来，所以函数f 通常是不可逆的。 数字水印的提取检测原理如图2 2 ： 华东师范大学硕士学位论文 第二章视频数字水印技术 图2 2 数字水印检测原理示意图 如果将提取检测函数定义为解码函数d ，那么输出结果可以是一个判定水印 存在与否的0 1 判决，也可以是包含各种信息的数据流，如文本、图像等。 或者是 跏c 喊剐，= ：；，嚣在 w = d ( l ，i ，k d ) 其中，一7 为提取出来的水印j 岛为提取检测密钥，提取密钥有可能和嵌入 密钥毽相同。函数s i m 为相似检测函数，万为判决阈值。一般采用相似性系数 n c ( n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n ) 来衡量相似性，其定义如下： n c ( w , w1 = m - in - 1 w ( i ，j ) w ( 毛力 对于二值水印，也可用下面的公式来衡量相似性： ， x o r w ( i ) ，谚( i ) 】 s i m ( w , w 1 = 1 一生一 ， ( 公式2 1 ) 其中t 表示水印序列的长度。 还有一种水印信息本身为一张数字图像或者一段数字音频或者符号，这称为 有意义水印。除t - - i p a ：0 j 用上面的统计决策外，还可以通过视觉或听觉来直观判 定水印是否存在。 华东师范大学硕士学位论文 第二章视频数字水印技术 2 2 数字水印基本特征 数字水印的性能好坏通常由不可见性、鲁棒性以及水印信息容量几个主要特 性来进行衡量，但这些特性往往不能够同时满足，因此常常针对数字水印的不同 实际应用，对这几个特性有不同的侧重点要求。 不可见性( 透明性、隐蔽性) ：要求嵌入的水印对载体作品的质量没有影响， 不易被人察觉或感知到。特别在h d t v 和d v d 的视频中，由于载体作品的质量 非常高，对水印的不可见性要求更高。通常我们用下面的指标来衡量水印的不可 见性：公式2 1 峰值信噪比p s n r ( p e a ks i g n a l - t o - n o i s er a t i o ) ： p s n r = l o n 9 1 0 _ 弋百雨二一( 公式2 2 ) 志萎娶砸，力州五力 2 其中，p 为图像灰度级别，一般为2 5 5 。j 似是原始图像的像素值，l 似 是嵌入水印后图像的像素值，m ，n 分别是图像的行数与列数。由于峰值信噪比 计算起来比较简单，而且是以嵌入前后水印相对比较而不是绝对值，一般的数字 水印算法都以p s n r 来衡量水印的不可见性。 掩膜峰值信噪比m p s n r ( m a s k e d p e a ks 咖a 1t on o i s er a t i o ) 【5 】。 m p s n r 是综合考虑了多种因素对图像的影响，结合了人类视觉特性而形成 的度量方法。 d 2 m p s n r = 1 0 l 0 9 1 0 蠢 其中，一l u t = 斋丽篓篓三沂c ，c w 卜工c w ，三叩c x ，= 二三 由于图像等信息的最终接受者是人，而p s n r 并没有与人类视觉系统的感知 特性结合，所以不能完全真实的反映图像的视觉质量，甚至在一定情况下还会给 评测带来误导。而m p s n r 则充分考虑到人类视觉系统的敏感度对比特性和掩膜 现象，因此能够更好的反映人类的视觉感受。 另外，为了能够达到更好的隐蔽性，避免一些特殊性的攻击( 如共谋攻击) ， 水印一般还有统计不可见性的要求，也就是说，要求嵌入的水印不改变载体本身 的统计特性，如图像、音频、视频帧的均值、方差等。对于视频水印的统计不可 1 0 华东师范大学硕士学位论文第二章视频数字水印技术 见性又有特别的要求，即水印嵌入对视频中每两帧之间的相关性没有影响。 水印信息容量：信息容量是指在单位时间或一幅作品中能嵌入水印的比特 数。对一幅图像而言，信息容量就是嵌入在图像中的比特数。对视频来说，信息 容量既可用每一帧中嵌入的比特数来衡量，也可用每一秒内嵌入的比特数来衡 量。 鲁棒性( 稳健性) ：所谓鲁棒性是指在经历各种无意或有意的信号处理过程 或者攻击后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的攻击过程包括 信道噪声、滤波、d a 与a d 转换，重采样、剪切、位移、尺度变化等几何攻 击、有损压缩编码等，还有时域上的同步攻击、共谋攻击等。 水印的不可见