（信号与信息处理专业论文）基于mpeg4的视频数字水印鲁棒性研究.pdf

study on the robustness of video digital watermarking based on mpeg-4 a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by hai ajing supervisor: associate-prof. zhu binglian major: signal and information processing college of communication engineering of chongqing university, chongqing, china april 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 基于网络的信息交换为多媒体数字作品的使用和传播提供了便利的途径，然 而由于数字作品极易被非法复制和篡改，使得数字作品的信息安全和版权保护成 为迫切需要解决的问题。数字水印技术作为一种新的解决版权保护问题的有效途 径，近年来已成为信息安全领域的研究热点。数字水印技术是在不影响数字作品 使用质量的前提下，在图像、音频、视频或软件等数字作品中嵌入不可见的秘密 信息来达到对数字作品的保护。随着 mpeg-4 视频标准应用越来越广泛，必须要 有如数字水印这样的技术来保护 mpeg-4 视频数据的版权。鲁棒性是数字水印的 一个重要特性，如何提高水印算法的鲁棒性是数字水印技术的关键问题之一。 本文详细介绍了视频水印技术的研究现状以及视频水印技术的特征、基本模 型和评价标准，并对 mpeg-4 视频压缩技术相关理论知识做了介绍。针对图像和 视频水印的鲁棒性进行了深入的研究，在此基础上提出提高水印算法鲁棒性的改 进措施。最后，对基于量化的水印算法的安全性进行分析，提出增强安全性的措 施。本文主要研究工作包括： 系统地总结了影响数字水印鲁棒性的若干因素。在研究、分析多种鲁棒数 字水印算法的基础上，归纳了提高数字水印鲁棒性的一般化的策略； 针对现有的基于卷积码和 dct 系数量化的数字水印算法的不足，提出通 过计算交流系数平方和的方法判断图像块的纹理复杂度，对量化步长作自适应调 整，从而避免了增加量化步长带来的方块效应；同时合理划分卷积码软判决译码 的量化区间，提高了卷积码维特比译码的正确率。实验结果表明改进算法在保证 水印不可见性的前提下，提高了原水印算法的鲁棒性； 结合 mpeg-4 标准提出了一种基于卷积码和 dct 系数量化的自适应视频 水印算法。实验结果表明，算法既提高了水印的鲁棒性，又保证了水印的不可见 性和安全性，同时还能很好的满足实时性的要求； 分析了基于量化的水印算法的安全漏洞，提出通过保持嵌入水印后图像平 均亮度不变的措施来抵御这种安全性攻击。实验结果表明改进方法可以增强水印 算法的安全性，并且对其鲁棒性基本无影响。 关键词：关键词：鲁棒性，视频水印，mpeg-4，安全性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract information exchange based on network supplies convenient approaches for the usage and spread of digital multimedia products. digital products can be replicated and tampered illegitimately easily, so information security and copyright protection of the digital multimedia products become an urgent problem to be solved. as a new and effective approach to solve the problem of copyright protection, digital watermarking technology has emerged to be an active and flourishing research topic in the field of information security recently. digital watermarking technology protects the digital products by embedding unperceivable and secret information into the digital products such as image, audio, video or software, which has no effect upon the using of the digital products. as mpeg-4 video standard is applied more and more widely, it must have the copyright protection technology such as digital watermarking to protect the copyright of mpeg-4 video data. robustness is an important property of digital watermarking. how to improve the robustness of watermarking algorithm is one of the key problems of the digital watermarking technology. the research status, speciality, basic model and evaluation criterion of video watermarking technology are introduced in detail. and the basic principles about mpeg-4 video compression technique are also introduced. the measures about improving the robustness of watermarking algorithms are proposed based on researching on the robustness of image and video watermarking thoroughly. finally, it proposes the measures about improving the security by analyzing the security of the watermarking algorithm based on quantization. the main research work of this thesis includes four aspects as follows: the factors of influencing the robustness of digital watermarking are summarized in this thesis. the general strategies to improving the robustness of digital watermark are generalized by researching and analyzing many robust digital watermarking algorithms. there are some inadequacies in the current digital watermarking algorithm based on convolution code and dct coefficients quantization. the method which can judge the texture complexity of image blocks by calculating the quadratic sum of alternating current coefficients is proposed. then the quantization step is adjusted adaptively to avoiding the block effect by enlarging the quantization step. and the 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii quantization interval of the soft-decision decoding of convolution code is divided more rationally to improve the accuracy of viterbi decoding. the experimental results show that the improved algorithm can improve the robustness of original watermarking algorithm and guarantee the invisibility of watermark. one adaptive video watermarking algorithm based on convolution code and dct coefficients quantization is proposed in this thesis. and the algorithm is suitable for mpeg-4 video standard. the experimental results show that the algorithm can improve the robustness of the watermark with invisibility and security. in addition, the real-time processing demand is also satisfied. in this thesis, the loophole of security in the watermarking algorithm based on quantization is analyzed, and this security attack can be resisted by maintaining the mean intensity of the watermarked image. the experiment results show that the improved algorithm can enhance the security of the watermarking algorithm and affect the robustness little. keywords：robustness, video watermark, mpeg-4, security 重庆大学硕士学位论文 目录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪论绪论 . 1 1.1 课题研究背景和意义课题研究背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 3 1.3 本文主要内容及章节安排本文主要内容及章节安排 . 6 2 视频数字水印技术及视频数字水印技术及 mpeg-4 编码技术编码技术 . 8 2.1 视频数字水印技术视频数字水印技术 . 8 2.1.1 视频水印的基本特征 . 8 2.1.2 视频水印模型 . 9 2.1.3 视频水印评价标准 . 9 2.2 mpeg-4 视频编码技术视频编码技术 . 11 2.2.1 mpeg-4 编码核心思想 . 12 2.2.2 mpeg-4 视频格式 . 12 2.2.3 mpeg-4 视频编码原理 . 12 2.2.4 mpeg-4 关键算法 . 13 2.3 本章小结本章小结 . 14 3 数字水印的鲁棒性数字水印的鲁棒性 . 15 3.1 影响数字水影响数字水印鲁棒性的因素印鲁棒性的因素 . 15 3.2 提高水印鲁棒性的通用方法提高水印鲁棒性的通用方法 . 16 3.2.1 冗余嵌入 . 17 3.2.2 水印信号置乱 . 17 3.2.3 选择嵌入系数 . 17 3.2.4 自适应嵌入 . 18 3.2.5 扩频编码 . 19 3.2.6 纠错编码 . 20 3.2.7 检测器失真补偿 . 20 3.2.8 嵌入器失真预补偿 . 20 3.3 本章小结本章小结 . 21 4 基于卷积码和基于卷积码和 dct 系数的图系数的图像水印算法改进像水印算法改进 . 22 4.1 水印信号预处理水印信号预处理 . 22 重庆大学硕士学位论文 目录 v 4.1.1 置乱变换 . 22 4.1.2 卷积编码 . 24 4.1.3 交织技术 . 26 4.2 水印嵌入算法水印嵌入算法 . 26 4.3 水印提取算法水印提取算法 . 28 4.4 仿真实验结果及分析仿真实验结果及分析 . 29 4.4.1 隐蔽性实验 . 29 4.4.2 鲁棒性攻击实验 . 30 4.4.3 软判决改进效果对比实验 . 34 4.4.4 卷积码纠突发错误性能仿真 . 35 4.5 本章小结本章小结 . 36 5 基于卷积码和基于卷积码和 dct 系系数的自适应鲁棒视频水印算法数的自适应鲁棒视频水印算法 . 37 5.1 设计思想设计思想 . 37 5.2 水印嵌入算法水印嵌入算法 . 38 5.3 水印提取算法水印提取算法 . 40 5.4 仿真实验与结果仿真实验与结果 . 41 5.4.1 自适应嵌入的必要性 . 41 5.4.2 水印的不可见性 . 42 5.4.3 水印鲁棒性分析 . 44 5.4.4 水印的实时性分析 . 46 5.4.5 快速检测性 . 46 5.4.6 安全性分析 . 46 5.5 本章小结本章小结 . 46 6 基于量化的数字水印算法安全性分析基于量化的数字水印算法安全性分析 . 47 6.1 安全性定义安全性定义 . 47 6.2 安全性攻击的分类安全性攻击的分类 . 47 6.2.1 非授权去除 . 47 6.2.2 非授权嵌入 . 48 6.2.3 非授权检测 . 48 6.3 基于量化的水印算法安全性改进基于量化的水印算法安全性改进 . 49 6.3.1 量化算法安全漏洞分析 . 49 6.3.2 算法安全性改进 . 49 6.3.3 实验结果及分析 . 50 6.4 本章小结本章小结 . 53 重庆大学硕士学位论文 目录 vi 7 总结与展望总结与展望 . 54 7.1 本文工作总结本文工作总结 . 54 7.2 后续工作展望后续工作展望 . 54 致致 谢谢 . 55 参考文献参考文献 . 56 附附 录录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文作者在攻读硕士学位期间发表的论文 . 60 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 数字水印技术是当前多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术，是随着 多媒体版权保护问题的出现而蓬勃发展的，应用于开放性网络上的多媒体信息隐 藏技术。该技术是通过在原始数据中嵌入被称为水印(watermarking)的秘密信息来 证实该数据的所有权。 1.1 课题研究背景和意义 在数字技术和因特网充分发展的今天，越来越多的多媒体产品以数字形式经 过网络发布，数字产品可以低成本、大规模的拷贝和传播，这在最大限度地拓宽 合法用户利益的同时，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。数字媒体原创者的版权和经济利益如 何得到保护，数字媒体是否安全、可信，以及由此引发的信息安全、版权纷争等 问题已成为日益严重的社会问题，数字作品的版权保护已成为各国政府、法律界、 艺术界和计算机科学家亟待解决的难题。 传统的加密方法对多媒体内容的保护是通过限制对多媒体信息的获取来完 成，一旦解密，这些多媒体信息就不再受到保护。随着计算机计算速度的飞速发 展以及通过网络连接分摊计算复杂度达到并行计算能力的破解技术的日益成熟， 即使是 des(data encryption standard)、rsa(rsa 是以该算法发明者 ron rivest， adi shamir 和 leonard adleman 的名字命名)这些加密系统， 其安全性都受到强大的 挑战。作为传统密码学的有益补充，一种新的解决数字产品版权的有效手段 数字水印（digital watermark）技术应运而生。 数字水印技术是通过在数字图像、音频、文档、图书、视频等数字产品中嵌 入秘密信息，来证实该数据的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时 通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护 和数字多媒体防伪的有效手段1。其中的秘密信息可以是版权标志、用户序列号或 者是产品相关信息。它一般需要经过适当变换后再嵌入到数字产品中，我们称变 换后的秘密信息为数字水印。这种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，可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作 而保存下来。水印技术与其他版权保护技术（如条形码）的区别在于两个重要方 面：首先，水印是不可感知的，即嵌入水印不会影响载体媒体的视（听）觉质量； 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。正是这两个特性使得水印在当前版权应用中的价值无法估计。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 数字水印技术是一门新兴的学科交叉的应用技术2， 它涉及了不同学科领域的 思想和理论，如信号处理、视频图像理论、编码理论、信息论、模式识别、密码 学、计算机科学、小波理论、概率论和随机过程、对策论、算法设计等，还包括 生物学、公共策略和法律。它为解决版权保护和认证、来源认证、篡改认证、网 上发行、用户跟踪等一系列问题提供了一条崭新的技术方向，在数字产品的知识 产权保护、隐蔽标识、篡改提示、隐蔽通信和防伪等方面具有十分看好的应用前 景。由于这一新生事物中蕴涵着巨大的商机，国际上工业界、学术界和军方对其 都极其重视并大力支持。 “鲁棒性”是数字水印技术区别于信息伪装的重要性质， 是数字水印技术研究的 核心问题之一。它要求数字水印能在多种有意或无意的信号处理过程后产生一定 失真的情况下，仍能保持其完整性和鉴别的准确性。鲁棒性和透明性是数字水印 系统的两个最重要的特性，且是一对矛盾的特性，在算法设计时常常需要折衷考 虑这两方面特性的要求。但水印信息量一般较小，因此常把鲁棒性作为评价数字 水印算法的关键指标。鲁棒性直接关系到水印技术在各种领域中应用的稳定性和 可靠性，因此有必要对影响鲁棒性的因素、实现鲁棒性的策略等进行深入的研究。 视频数字水印技术顾名思义就是加载在数字视频上的水印，其目的主要是对 视频作品进行版权保护，从而确保版权所有者的合法权益。视频水印研究是当前 数字水印技术研究方向中的一个热点和难点，热点在于大量消费类数字视频产品 的推出，如 vcd、dvd 和网络多媒体数据，使得以数字水印为关键技术的数字产 品知识产权管理和保护技术的市场需求更加迫切。难点是虽然数字水印技术近年 来得到了长足发展，但是主要集中于静止图像水印技术，这得益于多年来众多学 者在视觉空间掩盖效应领域的研究成果。然而在视频水印研究方面，由于包括时 间域掩蔽效应等特性在内的更为精确的人眼视觉模型尚未建立，使得视频水印技 术相对于图像水印技术发展滞后。同时视频测试平台与静止图像测试平台相比， 较难搭建，这进一步阻碍了视频水印技术的发展。 视频水印技术拥有和其他水印技术不同的一些鲁棒性要求与问题2。如对 mpeg-2、mpeg-4 等有损压缩编码算法的鲁棒性是对数字水印技术的基本要求。 针对信号变换的鲁棒性是视频水印技术具体应用中的一个基本要求，也是一个很 难解决的问题。 含水印视频图像在平常的生产流水线中就会受到以下“攻击”： 重采 样、 ad/da 转换、 采样率转换、 帧比例变换、 帧速率变换 （24hz25hz30hz） 、 运动补偿噪声降低以及色彩空间转换等等。上面这些视频转换攻击有可能沿着含 水印视频序列的时间轴产生作用，因此视频水印还存在特殊的时间同步问题。抵 抗几何攻击是水印技术所面临的最大挑战之一。对许多算法来说，一旦失去了含 水印视频序列空间上的同步关系，就很难提取出水印信息。这些几何变换包括帧 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 裁剪、缩放、旋转、平移、扭曲等。因此，提出鲁棒视频水印算法是技术上的一 大挑战，国内外越来越多的学者逐渐投入到视频水印的研究当中。 目前 mpeg-4 多媒体编解码标准的发展势头越来越猛，并正在被广泛的应用 在 internet 上。但关于 mpeg-4 视频水印技术的文献数量有限，特别是针对视频数 字水印鲁棒性进行分析研究的不是很多。这是因为视频水印技术还处于起步阶段， 远远没有达到像静态图像水印那样的成熟程度。另一方面，从 mpeg-4 视频本身 来讲，视频标准的复杂性和所面临的各种可能的攻击方式都给水印的研究与开发 带来了新的技术难度。 因此， 无论是在学术上还是在实用价值上， 研究适合 mpeg-4 压缩标准的视频数字水印算法的鲁棒性，都是具有重要意义的。 1.2 国内外研究现状 van schyndel 在 icip94 会议上发表的题为“a digital watermark”的文章，是第 一篇在主流学术会议上发表的关于数字水印的文章3， 其中阐明了一些关于水印的 重要概念。它被认为是一篇具有历史价值的文献，标志着数字水印这一领域的开 始。国际上已于 1996 年至 2007 年连续召开了九界信息隐藏学术研讨会4（ihw, information hiding workshop） 。spie 从 1999 年开始也开设了关于多媒体内容安全 和水印的专题讨论会。 国际数字水印专题讨论会 （iwdw, international workshop on digital watermarking）从 2002 年至今已举办了六届。这些国际性水印讨论会，与 会者越来越多，会议涉及的水印研究范围也越来越广。另外，ieee 等国际权威期 刊相继出版了关于多媒体信息隐藏、 数字水印的专辑， 重要的国际会议如 icassp、 icip 等也都分别设立了数字水印的专题。 数字水印技术同时也受到了学术机构和各大公司的广泛关注。麻省理工学院 媒体实验室、nec 研究所、purdue 大学以及 ibm 研究所等都投入相当的人力和财 力积极地参与了数字水印技术的研究。一些组织开始考虑把水印技术引进他们的 标准。拷贝保护技术工作组（cptwg）尝试使用水印系统来保护 dvd 视频。安 全数字音乐促进会（sdmi）将水印做成了他们的音乐保护系统的核心技术。欧盟 赞助的“欢呼（viva）”和“护身符”（talisman）两个计划对用于广播监控的水印进 行了测试。国际标准化组织（iso）则对水印技术应用于高级 mpeg 标准设计很感 兴趣。同时数字水印的成果也开始商业化，verance 企业采用 sdmi 第一阶段的技 术，其产品被诸如 liquid audio 等国际互联网音乐发行人使用。图像水印方面， digimarc 公司把水印的嵌入和检测器与 adobe 公司的 photoshop 捆绑在一起5。 国内在数字水印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。国内许多高校和研究机构也都开始了这个领域的研究，如中山大学、 哈尔滨工业大学、北京邮电大学、中科院自动化所、清华大学、山东大学、北京 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 电子技术应用研究所等。为了加强国内科研人员之间的学术交流，于 1999 年开始 每年召开一届信息隐藏技术研讨会（cihw） ，目前已连续举办了七界。国家 863 计划智能计算机专家组会同中科院自动化所模式识别国家重点实验室和北京邮电 大学信息安全中心于 2000 年在北京召开了专门的“数字水印技术学术研讨会”。国 内期刊杂志上相关文章的数量也开始迅速增加。我国的一些重要项目，包括国家 自然科学基金和“863 计划”、“973 项目”等都有对这方面研究的资金支持。现在国 内已经出现一些开发水印产品的公司6，其中有代表性的有：上海的阿须数码技术 有限公司，该公司专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬 件开发；北京华旗数码影像技术研究院，该研究院研发的新一代图像、文本数字 水印技术成功地应用于新华社图片版权保护系统和新华社的文稿版权保护系统。 这些水印公司的创办表明数字水印技术在国内已经走上了实用化和商业化的道 路。 鲁棒性是数字水印算法的关键指标，目前的水印算法中实现鲁棒性通常采用 的策略有冗余嵌入、置乱变换、扩频技术、纠错编码等，但针对鲁棒性的系统分 析参考文献较少，还有待进一步研究。目前已有的视频数字水印算法根据水印嵌 入的位置不同，主要分为以下三类： 在原始视频中嵌入水印 早期的视频水印技术主要采用最低有效位算法，未利用人眼的视觉特性且未 考虑后续压缩对水印的影响，故嵌入的水印很脆弱。随着 i.j.cox 等7将扩频思想 引入数字水印技术之后，研究人员用伪随机码对原始水印信息进行扩展处理，同 时结合人眼视觉特性方面的研究成果，对该类方法进行了一定的改进，提出了一 些新的鲁棒性较强的算法811。直接在原始像素值上进行水印的嵌入和提取，主要 目的是为了降低水印处理的复杂度，然而，随着处理器速度的