（计算机软件与理论专业论文）基于mpeg4的同步视频水印算法研究.pdf

哈尔滨理t 大学_ 亡学硕：上学位论文 基于m p e g 4 0 , j 同步视频水印算法研究 摘要 随着计算机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版权和纂改。数字水印技术作为多媒体版权保护的 重要手段得到了越来越广泛的研究和应用。同步攻击是水印盲检测的一大挑 战，如果嵌入水印的视频帧同步性被破坏，就会导致水印提取失败本文主 要结合m p e g 4 视频压缩标准对视频水印同步技术进行了研究。 本文首先结合国内外研究问题的背景，指出数字水印技术对于科研及工 业生产的重要意义，并且对水印技术的研究现状及发展趋势进行了分析和总 结；然后综述了与视频水印和m p e g 4 技术相关的一些基础理论知识，针 对视频水印技术进行了深入系统地研究。 本文针对m p e g 4 视频技术给出三种水印算法： 1 基于运动矢量统计的m p e g 4 视频水印算法。该算法基于运动矢量 离散分布的特点，将b v o p 中的运动矢量按幅值范围划分区域，并将水印按 位重复嵌入到相应的区域。由于水印信息重复，离散的嵌入到视频流当中， 所以部分视频帧的改变不会影响到水印的正确提取。 2 基于w a t s o n 视觉模型的m p e g 4 视频水印算法。该算法将水印嵌入在 到视觉敏感性最强的i v o p 中的d c t 亮度分量中，并应用扩频技术对水印进 行域编码；应用w a t s o n 视觉模型对水印嵌入量进行控制，以保证在视觉不失 真的情况下，最大强度的嵌入水印信息。 3 基于d c t 和运动矢量相结合的视频水印算法。对第三章给出的算法 进行了改进，为提高水印的嵌入量，将水印分组嵌入到不同的视频分组的运 动矢量当中，并为各组水印设置同步码信息并将其嵌入到相应视频组的i v o p 祯的d c t 系数中。此外，为提高水印的纠错编码能力，对水印信息预先 进行了g o l a y 编码。 关键词视频水印：运动图像专家组；运动矢量；同步攻击；视觉模型 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 = _ e _ | e _ 目e ! ! ! ! = 目自e 自e | e = = = = ! = = ! = g = = = = = = = ! = = = ! = ! , , - - - - - - x：,&- - l = | r e s e a r c ho i lv i d e ow a t e r m a r k a | g o r i t h mf o r s y n c h r o n i z a t i o nb a s e do nm p e g - 4 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m 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 e h a v ee 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 i 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 a tt h es a m et i m e ，i ta l s o b r i n g sas e v e r ep r o b l e m t h ep 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 r t e f f e c t i v e i m p l e m e n ti nc 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 r m 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 gh a sb e c o m ea l la c t i v ea n db r o a dr e s e a r c ht o p i c s y n c h r o n i z a t i o na t t a c ki so n eo ft h ec h a l l e n g e sf o rb l i n dw a t e r m a r kd e t e c t i o n i f t h ed e t e c t o r si n p u ti sw a t e r m a r k e db u ts y n c h r o n i z a t i o nf a i l s ，t h e nt h ee m b e d d e d w a t e r m a r kw i l ln o tb ed e t e c t e d t h i s p a p e rm a i n l yd o e ss o m er e s e a r c ho n w a t e r m a r k s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , c o m b i n i n gw i t hm p e g - 4v i d e o c o m p r e s s i o ns t a n d a r d t h r e ew a t e r m a r ka l g o r i t h m sa r ep u tf o r w a r di nt h i st h e s i sf o rm p e g 4 v i d e o ： f i r s t l y ，m p e g - 4v i d e ow a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do ns t a t i s t i c so fm o t i o n v e c t o r s t a k i n gi n t o a c c o u n tt h em o t i o nv e c t o rd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f d i s c r e t e ，w ed i v i d e g r o u p sb y t h ea m p l i t u d eo fm o t i o nv e c t o r s ，a n de m b e d w a t e r m a r ki n t ot h ec o r r e s p o n dg r o u p sb i t w i s e a st h ew a t e r m a r ki se m b e d d e d r e p e t i t i v e l ya n dd i s c r e t e l y , p a r to ft h ev i d e of r a m ec h a n g e sw i l ln o ta f f e c tt h e c o r r e c tw a t e r m a r ke x t r a c t i o n s e c o n d l y ，m p e g 一4v i d e ow a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do nw a t s o nv i d e o m o d e l i nt h i sm e t h o d ，w a t e r m a r ki sc o d e dw i t ht h e t e c h n o l o g y o fs p r e a d s p e c t r u ma n de m b e d d e di n t o t h e s t r o n g e s ts e n s i t i v i t y a r e ao fv i s u a l ，d c t l u m i n a n c ec o m p o n e n t f o rb e t t e rv i s u a le f f e c ta n de m b e d d e dw a t e r m a r k i n f o r m a t i o nb ym a x i m u mi n t e n s i t y ，w a t e r m a r kc a p a c i t yi sc o n t r o lb yw a t s o n 1 1 哈尔滨理下大学工学硕 ：学位论文 v i d e om o d e l 。 t h i r d l y , v i d e ow a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do nd c ta n dm o t i o nv e c t o r c o m b i n e d i ti m p r o v e st h ea l g o r i t h mi nt h et h i r dc h a p t e r f o re n l a r g i n gt h e w a t e r m a r kc a p a c i t y , w ed i v i d et h ew a t e r m a r ka n dv i d e oi n t og r o u p sa n de m b e d t h ew a t e r m a r ki n t ot h e c o r r e s p o n d i n g v i d e o g r o u p s o t h e r w i s e ，i t c r e a t e s s y n c h r o n i z a t i o nc o d ef o re a c hg r o u pw a t e r m a r ka n di m b e d st h e mi n t od c t c o e f f i c i e n to ft h ec o r r e s p o n d i n gv i d e og r o u p s ，a n df o ri m p r o v i n ga b i l i t yo fe r r o r c o d i n g ，w a t e r m a r ki se n c o d e db yg o l a yc o d ef i r s t k e y w o r d sv i d e ow a t e r m a r k ，m p e g - 4 ，m o t i o nv e c t o r , s y n c h r o n i z a t i o na t t a c k ， v i d e om o d e l i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于m p e g 4 的同步视频水印 算法研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：如z 峻 日期： 2 d 。丫年弓月幻日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基予m p e g _ 4 的同步视频水印算法研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密 口，一 在年解密后适用授权书。 不保密函。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：。榀搬 日期： 硼7 年弓月幻白 新躲簪磊匕嗍瑚丫月阳日 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 信息媒体的数字化及计算机网络的发展为信息的存取提供了快速、高效和 方便的途径，信息的传播和获取，从来没有像今天这样快捷和方便。人们可以 借助扫描仪、数字相机和调制解调器等电子设备将数字信息传送到世界的各个 角落，因而使电子图书馆、在线服务和电子商务等先进的多媒体服务有了十分 广阔的前景。然而，新的技术必然会带来一些新的问题，特别是信息安全方面 的问题。数字媒体，尤其是数字化的图像、音乐、视频等等，很容易被非法复 制或者在传输过程中遭受第三方的蓄意篡改。如何既能充分利用网络的便利 性，又能有效地保护数字图像等数字媒体的版权和信息的安全存储、传输等， 已成为人们迫切需要解决的问题j 1 。 传统的加密技术是防止窃取信息的重要手段，但是这种方法应用于数字媒 体中有三个缺点： 1 数字媒体一旦被解密，就不再受保护了，使用者可以对解密后的图像 进行任何形式的使用和电子传播。 2 人们在网上发布数字媒体文件，除了一部分需要保密外，大多数是以 交流或传播为目的的，仅仅为了版权保护，都将其转化为一般人都读不懂的密 文，将严重影响人们利用网络的效率。 3 密文形式的数字媒体很容易引起攻击者的注意而受到恶意的攻击。为 了解决这一迫切需要解决的数字媒体安全问题，人们急切需要! 种对密码学进 行补充的技术，它应该可以在加密内容被解密后仍能继续保护内容。这时，新 型有效的数字媒体保护技术一数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 产生了。它利用人类 听觉、视觉系统的冗余性，在图像、音频、视频等数字化内容中嵌入不明显的 记号，使肉眼很难分辨得出嵌入水印后数据和原始数据的区别，而通过专门的 检验步骤又能提取出所嵌入的信息。水印与原数据紧密结合并隐藏在其中，成 为不可分离的一部分。数字水印的目的不限制或控制数据的获取，而是通过从 数字媒体中提取数字水印，从而确认数字媒体的所有权和跟踪侵权行为1 。“数 字水印”的概念最初是由c a r o n n i 于1 9 9 3 年提出来的，并应用于图像，引 起了电子出版界、学术界的极大兴趣，同时被广泛应用于视频、音频等其他数 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 字媒体。由于它在版权保护、真伪鉴别、秘密通信和隐含标注等领域有着广泛 的应用前景，因此日益成为一个非常重要的研究领域1 。数字水印技术的研究 最初主要集中在基于图像的水印技术方面。近几年来，基于视频的数字水印技 术研究成为了数字水印技术研究的一个热点，主要原因是随着大量数字视频产品 如v c d 、d v d 的出现，对视频数字产品版权保护的市场需求日益迫切。基于 视频的数字水印技术主要可以分为两类：一类是基于原始视频的数字水印技 术；另一类是基于压缩视频的数字水印技术。因为视频数据一般都比较大，我 们存储时或者在网上进行交流传播时都是以压缩数据格式进行的，这从而也致 使基于压缩视频的数字水印技术研究成为了视频水印研究的一个重点。 1 2 国内外研究现状及分析 数字水印技术作为一个重要分支自9 4 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此方面的研究。b e n d e r 等提出了一种针对打印、扫 描应用的p a t c h w o r k 法。这种方法不是像通常的方法把水印隐藏在图像数据 中，而是隐藏在图像数据的统计特性中。该算法首先通过密钥产生两个随机数 据序列，分别按图像的尺寸进行缩放，成为随机点坐标序列，然后将根据水印 其中一个坐标序列对应的像素亮度值降低，同时升高另一个坐标序列所对应的 像素亮度。h o n g d i n g e r 在2 0 0 2 年申请的专利中，利用加性的扩频水印嵌 入认证信息。该方案的无损机制通过数模算法( m o d u l oa r i t h m e t i c ) 来保证侣1 。 f r i d r i c h 提出了一种适用于数字相机的半鲁棒性认证算法，该算法从原始图 像的每个8 x 8 图像块提取具有一定鲁棒性的m 位二进制信息，将提取的二进 制信息和数字相机的i d 以及该图像块的序号一起经扩频处理后嵌入在该图像 块的d c t 中频系数上。图像认证时，从被测图像中提取二进制信息经同样的 扩频处理后，与提取的水印信息作相关运算，并对运算结果选取适当的门限来 进行认证检测。该算法对恶意的图像篡改以及常见的图像处理操作都具有较好 的鲁棒性。d e 正e s c h o u w e r 提出了种基于p a t c h w o r k 原理的无损 水印算法，能获得对j p e g 压缩的一定鲁棒性阳1 。该算法通过m o d u l o 2 5 6 加来 避免像素的溢出和下溢情况，从而保证无损机制，但是它的视觉质量不够好椒 盐噪声明显。飞利浦研究院t o nk a l k e r 教授等鉴于广播监控的特点，提出 了所谓的j a w s ( j u s ta n o t h e rw a t e r m a r k i n gs y s t e m ) 水印方案 1 。该算法具有不 可见、对广播传输链中的正常操作具有鲁棒性、误报警率低、高速传输中有较 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 大负载率以及低复杂度和能实时检测的特点。另外，荷兰d e l f t 理工大学的 g l a n g e l a a r 提出利用d c t 系数舍弃来构造水印的差分能量水印算法阳1 ， 是目前典型的压缩域视频水印算法之一。该方法初始为静止图像水印设计，后 来应用到m p e g 视频水印的i 帧。这种方法基于在压缩数据流中有选择性的丢 弃d c t 高频系数。该算法首先将视频帧的8 x 8 大小的像素块伪随机置乱，这 个操作形成算法的密钥，并且该操作对于像素块的统计特性是空域随机的，因 此可以去除相邻块的相关性吼川。针对运动矢量水印鲁棒性改善，欧洲电信的 y a n nb o d o 和j e a n l u c 提出了一种基于分层结构的运动矢量水印1 。算 法利用穷举搜索匹配算法和分层结构的运动分析将水印信息扩展到多个层次的 运动矢量上，从而提高了水印的鲁棒性。l a n g e l a a r 等人利用l s b 算法的 思想，在m p e g 码流的v l c 码字中嵌入水印。m p e g 视频码流基本由连续的 可变长编码流( v l c ) 组成。因为m p e g 标准使用具有相同游程长度、相同v l c 尺寸仅相差一个量化级别的v l c 码字，该算法能通过相似l c 码字之间的替 换来达到二元水印比特的嵌入n 2 ”1 。 数字水印所具有的研究意义和实际中的应用价值使人们对它的关注和研究 也空前高涨，计算机、通信和信号处理等各领域内的专家学者都纷纷参与到数 字水印的研究中来。国际上已先后于1 9 9 7 年在英国、1 9 9 8 年在波兰、1 9 9 9 年 在德国、2 0 0 1 年在美国、2 0 0 2 年在荷兰、2 0 0 4 年在加拿大、2 0 0 5 年在西班 牙、2 0 0 6 年在美国召开了八届信息隐藏学术会议( i h w ，i n f o r m a t i o nh i d i n g w o r k s h o p ) ，第九届会议于2 0 0 7 年在法国召开。s p 正从1 9 9 9 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。从2 0 0 2 年到2 0 0 4 年国际数字水印 专题讨论会( i w d w ，i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po nd i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 在韩国连续 三年召开了三届，第四届、第五届、第六届分别于2 0 0 5 年、2 0 0 6 、2 0 0 7 年在 意大利、韩国、中国召开。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。美国的d i g i m a r cc o r p o r a t i o n 推出了第一个商 用数字水印软件，后来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 一图像处理软件中。它作为世界上最早的水印产品开发公司，产品包 括p i c t u r e m a r e 、r e a d m a r e 、b a t c h m a r ep r o 、d i g i m a r ew a t e r m a r k i n gs d k 、 m a r ec e n t r e 、m a r es p i d e r 等，应用的范围涉及多媒体版权保护、认证和电子商 务等领域。英国的s i g n u mt e c h n o l o g i e s 公司从1 9 9 7 年就开始开发s u r e s i g n 系 列水印产品，s i g n u m 水印产品包括水印嵌入软件s u r e s i g nf i n g e r p r i n t s 系列和 免费的水印检测软件s u r e s i g nf i n g e p r i n td e t e c t i o n 系列。另外，还有很多公 司，如美国的k o r e ac o m p a n y 、法国的n e x t a m p 、韩国的m a r k a n yi n c 、新加 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 坡的d a t a m a r kt e c h n o l o g i e sp t el t d 等都有自己有特点的技术和产品。在广阔 的应用前景的吸引下，全球各大著名i t 公司如m i c r o s o f t 、i b m 、n e c 、p h i l i p 等都设立了自己的数字水印研发机构，并不断加强研发力量，各自拥有了很多 水印方面的专利，在这个崭新的领域中赢得先机n 屯1 5 。 随着技术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已 逐步从技术跟踪转向深入系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研 究，其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和n7 埔1 、牛夏牧n 引、陆哲明n 们 等，天津大学的张春田、苏育挺啪1 等，他们是国内较早投入水印技术研究且取 得较好成绩的科研单位。我国于1 9 9 9 年1 2 月n 日，由北京电子技术应用研 究所组织，召开了第一届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ，全国信息隐藏研讨会 ( c i h w ) 是我国信息安全领域中信息隐藏及数字水印技术的专业学术交流活 动，至今已成功举办了六届，它已成为国内最具代表性的信息隐藏学术交流活 动，很大程度地推进了国内水印技术的研究与发展。而且，第七届全国信息隐 藏学术研讨会( c i h w 2 0 0 7 ) 于2 0 0 7 年1 1 月由中国电子学会和北京电子技术应 用研究所主办，在南京理工大学召开。c i h w 2 0 0 7 将聚集国内众多从事多媒体 信息安全技术研究的专家学者和权威人士，就多媒体信息安全技术及数字版权 保护技术等领域的最新研究成果展开研讨，将特邀信息安全领域的著名专家学 者做专题报告，并拟邀请相关的外籍专家做特邀报告，同时，本次会议还将特 邀信息安全领域知名企业参展。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中，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。 现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由 中科院自动化研究所的刘瑞帧、谭铁牛等人于2 0 0 2 年在上海创办了的一家专 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的公司 上海阿须数码技术有限公司，公司现从事数字证件、数字印章、p d f 文本、分 块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究，现在这家公司已 申请了一项国际和三项国家数字水印技术专利。虽然数字水印在国内的应用还 处于初级阶段，但水印公司的创办使得数字水印技术在国内不仅仅只停留在理 论研究的层面上，而是从此走上了实用化和商业化的道路，这样会更加推动国 内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安全产业提供有效的、安全的保障。 随着大量消费类数字视频产品在市场上推出，比如d v d ，v c d ，视频会 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 议，视频点播，教育和娱乐内容的转发等应用引发了视频流及在数据网上实时 视频传输技术的产生发展。但是，人们在获得数字化带来的这些好处的同时， 也面临着数字化带给人们的严峻挑战，其突出表现是在数字世界中侵权，数据 经任意次复制几乎不损失保真度，盗版变得极为容易，从而使知识产权遭受严 重侵害。市场对以数字水印为重要组成部分的数字版权保护技术的需求迫切， 使得视频水印技术成为当前水印技术中的研究热点。吸引国内学者纷纷投入视 频水印的研究。 哈尔滨工业大学的牛夏牧教授等人提出了一种具有几何变换鲁棒性的动态 图像水印技术们一个时间轴上的模板嵌入到动态图像序列中的每个水印最小段 ( w a t e r m a r km i n i m u ms e g m c n t ) l 勾。利用预先嵌入的时间轴模板，可以恢复受几 何仿射攻击后的含水印动态图像帧，仿真试验结果表明本文提出的动态图像水 印技术，经仿射变换攻击后仍是鲁棒的。山东大学向辉博士提出了一种d c t 域的自适应视频水印算法叫，根据帧分类、运动分类和视频内容将视频数据分 类，并根据分类的结果在不同的区域嵌入不同强度的水印，从而提高了视频数 字水印的鲁棒性。实验结果表明嵌入水印后视频重建帧水印具有良好的透明 性，算法对于m p c 9 2 压缩、多重m p e 9 2 压缩、帧提取、多重m p e 9 2 压缩与加 噪声、裁剪等混合攻击具有较好的鲁棒性。一种帧间差分能量水印方法陇1 ，在 标准的m p e 9 2 视频编码流中根据帧间相关性在预测残差中嵌入水印。这种算 法把水印信号融入视频数据中，作为视频数据一部分的水印数据能随着视频数 据的变化而做相同的变化。直接对压缩后地视频数据流进行操作，将经过置乱 的水印信息嵌入到运动矢量的标志位上，与视频压缩标准有很好的兼容性。浙 江大学的朱仲杰博士等人根据运动矢量的特征值，提出了一种运动矢量水印算 法乜3 1 。水印算法简单、快速，能满足视频编码的实时性要求，与现有的视频压 缩标准有很好的兼容性。水印提取方法具备盲检功能，且无需原图像，水印嵌 入不影响i 帧的图像质量，且容量大。但是该算法本质上还是建立在运动矢量 的奇偶关系之上的，没有考虑鲁棒性因素，运动矢量水印是本文研究工作的重 点。就目前该类算法研究现状来看大多数算法具有实时性、大容量、视觉质量 等特点，却几乎没有考虑鲁棒性担4 2 5 驯，少数文献针对鲁棒性做了工作，但是 在视觉质量和实时性方面大打折扣。 目前，基于m p e 9 4 视频的水印方案较少，而且现有方案存在很多缺陷幢7 1 。 但是随着多媒体和网络技术的发展，计算机处理视频的能力不断提高，对视频 水印的研究热情不断提高，有越来越多的学者投入到m p e 9 4 视频水印的研究 中来。随着相关领域的研究成果的丰富，如：压缩编码技术，扩频通信技术， 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 密码学，对人类视觉生理心理模型的研究及各种先进的信号处理技术，视频 水印技术会得到迅速的发展和应用心邑捌，成为保证信息安全和知识产权的重要 手段。 1 3 本文的主要工作与结构安排 本文研究的目的为：根据不同的应用背景，在国内外数字水印算法研究发 展的现状基础上，结合数字水印应用研究的最新动态，提出性能更优越的新的 或改进的数字水印算法和方案。 文章的主要创新点在于：在视频水印嵌入算法中，基于运动矢量统计原理， 将水印嵌入在b v o p 帧的运动矢量中，对同步攻击具有很好的鲁棒性；将扩频 技术与w a t s o n 视觉模型相结合，将水印嵌入在i - v o p 帧的d c t 亮度分量中， 增强了水印的鲁棒性；利用g o l a y 码对水印进行预处理，将水印与视频分别进 行分段处理，并依据运动矢量统计原理进行水印嵌入，算法具备很好的同步攻 击能力的同时增强了水印的嵌入容量和纠错能力。所做具体工作如下： 1 研究了运动矢量的基本特性及相关的视频水印技术。在基于视频数据 特性分类的基础上，提出了一种基于运动矢量统计的视频水印算法。依据运动 矢量的幅值信息，进行区域划分，然后依次将水印按位嵌入到相应的区域当 中。最后，进行仿真实验，对水印不可见性，常见同步攻击的鲁棒性进行了全 面的分析，并与现有算法性能进行了对比。 2 研究了w a t s o n 视觉模型及视频图像i - v o p 帧d c t 域的基本特性。给 出了一种基于w a t s o n 视觉模型的水印嵌入技术，将水印嵌入在鲁棒性较强的 区域，d c t 亮度分量的中低频系数中。应用w a t s o n 视觉模型保证视频在不失 真的情况下，最大限度的嵌入水印，并应用m 序列，对水印进行扩频处理， 最后用仿真实验对算法性能进行了全面分析。 3 研究了常见的同步攻击算法以及纠错技术。给出了一种改进的基于运 动矢量统计的同步视频水印算法。将水印应用纠错编码技术进行编码，使水印 具备了较强的纠错编码能力，并将其分段的嵌入到视频不同的分组中，增大了 水印的嵌入量。对每段水印设定同步码，以保证每段水印按序正确的提取，并 将同步码按照第四章中提出的方法进行嵌入。最后用仿真实验对算法性能进行 了全面分析。 全文内容安排和结构是这样的： 第2 章节介绍了m p e g 4 视频的压缩标准，相关原理。并介绍了视频水印 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 的基本特征，技术分类，水印信号的设计与产生的常用方法，最后介绍了视频 水印常见的攻击。 第3 章节的工作重点是对运动矢量技术的研究，提出了基于运动矢量统计 的m p e g 4 视频水印算法，并与张啪1 ，邹口的方法进行比较，通过大量仿真实 验证明该算法对于常见的同步攻击具有很好的鲁棒性。 第4 章节的工作重点是w a t s o n 视觉模型技术的研究，提出了基于w a t s o n 视觉模型鲁棒水印技术，并与d c t 色度分量的嵌入法进行了性能比较。实验 结果证明，本文所提算法具有较好的水印鲁棒性和不可见性。 第5 章节的工作重点是在前两章的基础上，对水印算法进行了改进优化， 引入分段嵌入技术与g o l a y 纠错编码技术，提出了一种基于运动矢量自适应水 印嵌入技术，并与张，戴b 2 1 的方法进行对比，通过大量实验证明，该算法在保 证水印容量的前提下，对同步攻击等具备很好的鲁棒性。 结论与展望部分对全文做出了总结，随后又指出了论文的创新部分和值得 进一步深入研究的内容。 哈尔滨理工大学- 学硕士学位论文 第2 章m p e g 4 压缩标准及视频水印技术 随着多媒体技术的发展，作为数字权限管理的水印技术在视频领域的应用 成为关注热点，由于数字产品目前大多以压缩形式存储和传输，压缩域视频水 印技术引起广泛关注。m p e g 、s d m i 等国际标准组织都将数字水印技术列入 制定的规范中，用以对视频、音频等媒体内容进行权限保护和管理。 2 1m p e g 一4 视频压缩标准 m p e g 4 引入了a v 对象( a u d i o v i s u a lo b j e c t ) ，a v 对象的编码有基于内容 的可伸缩性特点，使更多的交互操作成为可能。基于内容的可伸缩性包括基于 内容的空间可伸缩性和基于内容的时间可伸缩性两方面。此外，基于内容的可 伸缩性还可以比较灵活的支持在不同带宽的网络上进行多媒体通信。a v 对象 可以组成a v 场景，高效地编码、组织、存储和传输a v 对象是m p e g 4 标准 的基本内容随训。 同时，m p e g - 4 标准的编码是面向对象的，即使在低带宽时，也可以利用 码率分配方法，对于用户感兴趣的对象可以多分配一些比特率，对于用户不感 兴趣的对象可以少分一些比特率蚓，这样视频图像的主观质量就可以得到保 证。本章着重于视频水印的研究。那么就应该了解视频对象的概念及构成情 况。 2 1 1 视频编解码系统结构 对于静止图像，m p e g 4 采用零树小波算法( z e r o t r e ew a v e l e ta l g o r i t h m ) 以 提高压缩比，同时还提供多达1 1 级的空间分辨率和质量可伸缩性。对于运动 视频对象的编码，m p e g 4 采用了图2 1 所示的编码框图，以支持基于对象的 编码n l 矧。编码器主要有两部分组成：一部分是形状编码，另一部分是传统的 运动和纹理编码。 解码过程是从编码位流中恢复视频对象，如图2 2 所示。视频解码包括形 状运动纹理解码、静态纹理解码、网格解码和人脸解码等几个过程。解码 后，将这些对象发送给合成器，由它来集成各种视频对象。我们都知道 m p e g 4 视频编码是基于v o p ( v i d e oo b j e c tp l a n e ) 进行的。图2 3 是m p e g 4 中的v o p 的解码过程框图，说明如何从编码位流中恢复一个v o p 。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 图2 - 1m p e g - 4 视频编码 f i g 2 - 1v i d e oc o d i n go nm p e g - 4 图2 - 2m p e g - 4 视频解码 f i g 2 - 2v i d e od e c o d i n g o nm p e g - 4 多 叫运动信息解码犁重掣o p 卜_ 视频流 路 分 解 叫纹理信息解码j 图2 - 3 简化的解码过程 f i g 2 - 3r e d u c e dd e c o m p o s i t i o n 解码器主要由形状解码器、运动解码器和纹理解码器三部分组成。 9 堕玺堡矍三查：三耋窒圭竺堡竺兰 1 形状编码在m p e g - 4 标准中，为了支持基于对象的编码，引入了形状 编码模块。编码的形状信息有两类：二进制形状信g ( b i n a r ys h a p ei n f o r m a t i o n ) 和灰度形状信息( s h a p ei n f o r m a t i o n ) 。图2 - 4 给出了这两类形状信息的表示方 法。v o p 被一个“边框”( b o u n d i n gb o x ) 框住边框长、宽均为1 6 的整数 倍，同时保证边框最小。这其实就是一个边框矩阵，取值为0 2 5 s ( 或0 、1 ) ， 编码就变为对这个矩阵的编码。 图2 _ 4 v o p 的形状编码 f i g2 4 s h a p ec o d i n go n v o p 二进制形状信息最常用的表示就是这样一个与视频对象平面边界大小一致 的矩阵。矩阵元素的取值为0 或1 ，取值的选定依赖于像素是否在该视频对象 内。二值形状信息的编码采用基于运动补偿块的技术，可以是无损的或有损的 编码。灰度形状信息用0 - 2 5 5 之间的数值来表示v o p 的透视程度，其中0 表 示完全透视( 相当于二值形状信息中的o ) ，2 5 5 表示完全不透视( 相当于二值形 状信息中的1 1 。灰度形状信息是二进制形状信息的扩展，它可以用来表示透视 的物体，并降低混迭现象的概率。扶度形状信息的编码采用基于块的运动补偿 d c t 方法f 与纹理编码相似) ，属于有损编码。目前的标准中采用矩阵的形式来 表示二值或灰度形状信息，称之为位圈。实验表明，位图表示法具有较高的编 码效率和较低的运算复杂度。 2 纹理编码一个视频平面的纹理信息可以表示为亮度成分y 和两个色度 成分c r 、c b 。在帧内情况下，纹理信息直接包含有亮度和色度成分，在运动 补偿情况下，纹理信息表示经过运动补偿后的参差。m p e g - 4 纹理编码依次包 括d c r 变换、量化、系数预测、系数扫描和变长编码。纹理编码的对象可以 是帧内编码模式的1 - v o p ，也可以是帧间编码模式的b v o p 或p v o p 运动补 偿后的预测误差。编码方法基本上采用基于8 8 像素块的d c t 方法。图2 5 给出了纹理编码的表示方法。在帧内编码模式中，对于完全位于v o p 内的像 喑尔滨理工大学工学硕士学位论文 素块，采用经典的d c t 方法；对于完全位于v o p 之外的像素块则不进行编 码；对于部分在v o p 内、部分在v o p 外的像素块，则首先采用图像填充技术 来获取v o p 之外的像素值，之后再进行d c t 编码( 这是为了增加块内数据的 空域相关性，从而利于d c f 变换和量化，去除块内空域冗余) 。帧内编码模式 中还将对d c t 变换的d c 及a c 因子进行有效预测。在帧问编码模式中，为 了对b v o p 和p v o p 运动补偿后的预测误差进行编码，可将那些位于v o p 活跃区域之外的像素值设为1 2 8 。此外，还可采用s a d c t ( s h a p c - a d a p t l v e d c l l 方法对v o p 内的像素进行编码，该方法可在相同码率下获得较高的编码 质量，但运算的复杂程度稍高。变换之后的d c f 因子还需经过量化( 采用单一 量化因子或量化矩阵1 、扫描及变长编码，这些过程与原有的标准基本相同。 图2 - 5 v o p 纹理编码 f i g 2 - 5 v b i , , o d i “g o f v o p 3 运动估计和补偿类似于前几种视频编码标准，m p e g 一4 采用运动估计 和补偿技术来去除图像信息中的时问冗余成分1 。m p e g 一4 视频编码是基于 v o p 进行的，v o p 的编码有3 种模式：即帧( i n t r a f r a m e ) 编码模式( i - v 0 p ) ， 帧i 日1 ( i n t e r - f r a m e ) 预测编码模式( p v o p ) 和帧间双向( b i d i r e c t i o n a l l y ) 预测编码模 式v o p ) 。 在m p e g 4 中运动估计和补偿可以基于1 6 1 6 像素宏块，也可以基于 8 x 8 像素块。为了能适应任意形状的v o p ，m p e g - 4 引入了图像填充( i m a g e p a d d i n g ) 技术和多边形匹配( p o l y 9 0 nm a t c h i n g ) 技术。对标准宏块的运动估计和 补偿，可采用传统的基于块的运动估计和补偿技术。而对位于v o p 边界的轮 廓宏块，则要采用图像填充技术，即用一定的灰度值填充轮廓宏块中位于边界 以外的像素。然后用“多边形”匹配技术进行运动估计和补偿。 图像填充技术利用了v o p 内部的像素值来外推v o p 外的像素值，以此获 一 k糕 渐 愀 耋量 一 一 哈尔滨理工大学工学硕- i 二学位论文 得运动估计的参考值。“多边形 定义了轮廓宏块中位于v o p 以内的部分，而 把位于v o p 以外的像素排除在外。运动估计只对多边形定义的属于v o p 活动 区域的像素进行。对于各个帧的v o p 预测仍然可以采用m p e g 或h 2 6 1 3 定 义的前向预测( p v o p ) 或双向预钡j j ( b v o p ) ，内插技术也可以应用于v o p 序列。 “多边形”匹配技术则将v o p 的轮廓宏块的活跃部分包含在多边形之内，以 此来增加运动估计的有效性。 2 1 2 基于m p e g 4 视频水印的嵌入和提取 基于m p e g - 4 视频水印的嵌入和提取方案图，如图2 - 6 所示。 嵌入方案一嵌入方案二提取方案三提取方案二提取方案一 图2 - 6m p e g - 4 视频水印的嵌入和提取方案 f i g 2 - 6m p e g - 4v i d e ow a t e r m a r ke m b e d d i n ga n de x t r a c t i n gs c h e m e 方案一：水印直接嵌入在原始视频流中。 优点：水印嵌入的方法比较多，原则上数字水印方案均可应用于此； 缺点：( 1 ) 会增加视频码流的数据比特率； ( 2 ) 经m p e g 4 有损压缩后会丢失水印； ( 3 ) 会降低视频质量； ( 4 ) 对于已压缩的视频，需先进行解码，然后嵌入水印，再重新编码。 方案二：水印嵌入在编码阶段的离散余弦变化( d o t ) 的直流系数( d c ) 中( 量化 后、预测前) 【| 1 1 优点：( 1 ) 水印仅嵌入在d c t 系数中，不会增加视频流的数据比特数； ( 2 ) 容易设计出抗多种攻击的水印； ( 3 ) 可通过自适应机制依据人的视觉特性进行调制，在得到较好的主观 视觉质量的同时得到较强的抗攻击能力。 缺点：对于已经压缩的视频，有一个部分解码、嵌入、在编码的过程。 方案三：水印直接嵌入在m p e g - - 4 压缩比特流中m 1 。 哈尔滨理1 ：大学工学硕上学位论文 优点：不需要完全解码和再编码的过程，对整个视频信号的影响较小。 缺点：( 1 ) 视频系统对视频压缩码率的约束将限制水印的嵌入量； ( 2 ) 水印的嵌入可能造成对视频解码系统中运动补偿环路的不良影响： ( 3 ) 该类算法设计具有一定的复杂度。 2 2 视频水印基础 2 2 1 视频水印的基本特征 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在某些要求