（信号与信息处理专业论文）基于非负矩阵分解的视频水印方法研究.pdf

视频水印作为一种能够有效保护视频产品版权和防止视频产品被恶意篡改的 方法已受到越来越多的关注，目前大多数视频水印可以抵抗各种常规信号处理， 但对几何攻击鲁棒性差，特别是强剪切攻击，嵌入的水印信息直接被大量裁剪， 如何在残余视频中恢复提取完整水印，一直是困扰水印研究者的难题。同时，研 究及实验分析表明，现有的半脆弱水印方法在保证脆弱性的同时鲁棒性不足，本 文在对非负矩阵分解( n o n n e g a t i v em a t r i xf a c t o r i z a t i o n ，n m f ) 深入分析和研究的 基础上，提出了以下基于非负矩阵分解的视频水印方法。 ( 一) 一种基于n m f s c p b m ( n o n n e g a t i v em a t r i xf a c t o r i z a t i o nw i t hs p a r s e n e s s c o n s t r a i n t so np a r t so f t h eb a s i sm a t r i x ) 的抵抗强剪切攻击视频水印方法。将加密水 印嵌入在宿主视频n m f s c p b m 分解的基矩阵大系数中，同时用n m f s c p b m 方 法提取视频运动特征，利用该特征系数大小自适应控制水印嵌入强度。水印检测 端，只要残余视频中包含有视频最小剩余子块数，就可以通过对残余视频最小剩 余子块的非负矩阵进行n m f s c p b m 分解，以恢复出完整基矩阵，进而提取出完 整水印。实验表明，本方法抵抗各种规则剪切强度平均值达到9 5 9 7 ，各种不规 则剪切强度平均值达到9 4 2 5 ，各种情况下的水印正确提取比特数均可达到 1 0 0 ，提取水印不受剪切位置和类型限制，与同类方法相比，抵抗强剪切攻击能 力获得了较大程度提升。 ( 二) 一种基于n m f c m n ( n o n - n e g a t i v em a t r i xf a c t o r i z a t i o nw i t hc o e f f i c i e m m a t r i xn o r m a l i z a t i o n ) 的视频水印构架，能够同时实现版权管理和内容完整性认证 的双重功能。首先对宿主视频进行n m f c m n 分解，提取帧问能量差分系数，构 造零水印；其次将构造的零水印嵌入在系数矩阵最低有效位中，形成脆弱水印。 实验结果表明，所构造零水印不但能够抵抗加噪、滤波等常规视频处理攻击，对 于旋转、缩放、平移、裁剪等强几何攻击及各种联合攻击，如缩放加旋转、旋转 加平移、裁剪加旋转等表现出强的鲁棒性，可在不导致视频任何失真的情况下起 到版权保护作用；所嵌入的脆弱水印对各种篡改敏感，能够准确判断内容的完整 性。与同类方法相比，鲁棒性及脆弱性均获得了较大程度提升。 关键词：视频水印几何攻击剪切攻击非负矩阵分解稀疏约束 煳 a b s t r a c t a b s t r ac t a so n em e t h o df o rp r o t e c t i n gt h ec o p y r i g h to fv i d e op r o d u c t se f f e c t i v e l ya n d p r e v e n t i n gt h ev i d e op r o d u c t sf r o mb e i n gt a m p e r e dw i t h ，t h ev i d e ow a t e r m a r kh a s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s m o s to ft h ep r e s e n tv i d e ow a t e r m a r kt e c h n o l o g i e s c a nr e s i s tv a r i o u sa n dc o n v e n t i o n a ls i g n a lp r o c e s s i n ga t t a c k s ，h o w e v e r ，t h e ya r el e s s r o b u s tt og e o m e t r i ca t t a c k s ，e s p e c i a l l yt os t r o n gc r o p p i n ga t t a c k sw h e r et h ee m b e d d e d w a t e r m a r ki s c r o p p e de n o r m o u s l y s oh o wt o e x t r a c t a n dr e c o v e rt h ec o m p l e t e w a t e r m a r ki nt h er e s i d u a lv i d e oh a sa l w a y sb e e nt r o u b l i n gr e s e a r c h e r s a tt h es a m et i m e ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n da n a l y s i ss h o w st h mt h ee x i s t i n gs e m i - f r a g i l ew a t e r m a r k h a sg o o df r a g i l i t yb u tp o o rr o b u s t n e s s ，o nt h eb a s i so fd e e pa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n n m f , t h i sp a p e rp r o p o s et h ef o l l o w i n gv i d e ow a t e r m a r k i n gm e t h o d sb a s e do nn m e f i r s t l y , av i d e ow a t e r m a r k i n gm e t h o dr e s i s t a n tt os t r o n gc r o p p i n ga r a c k sb a s e do n t h en o n n e g a t i v em a t r i xf a c t o r i z a t i o nw i t hs p a r s e n e s sc o n s t r a i n t so np a r t so ft h eb a s i s m a t r i x ( n m f s c p b m ) i sp r o p o s e d t h ee n c r y p t e dw a t e r m a r ki se m b e d d e di n t ot h eb i g c o e f f i c i e n t so ft h eb a s i sm a t r i xt h a tt h eh o s tv i d e oi sd e c o m p o s e di n t ob yn m f s c p b m a tt h es a m et i m et h ew a t e r m a r ke m b e d d i n gs t r e n g t hi sa d a p t i v e l ya d j u s t e db yt h ev i d e o m o t i o nf e a t u r ec o e f f i c i e n t se x t r a c t e db yt h en m f s c p b mm e t h o d i nw a t e r m a r k d e t e c t i o n ，a sl o n ga st h er e s i d u a lv i d e oc o n t a i n st h en u m b e r so fl e a s tr e m a i n i n g s u b b l o c k s ，t h ec o m p l e t e b a s i sm a t r i xc a nb e c o m p l e t e l y r e c o v e r e d t h r o u g h d e c o m p o s i t i o no ft h en o n n e g a t i v e m a t r i xo ft h el e a s tr e m a i n i n gs u b b l o c k si nt h e r e s i d u a lv i d e ob yn m f s c p b m ，a n dt h e nt h ec o m p l e t ew a t e r m a r kc a nb ee x t r a c t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ea v e r a g ei n t e n s i t yr e s i s t a n tt ot h ev a r i o u sr e g u l a r c r o p p i n go ft h i sm e t h o di su pt o9 5 9 7 a n dt h a tt h ea v e r a g ei n t e n s i t yr e s i s t a n tt ot h e v a r i o u si r r e g u l a rc r o p p i n go ft h i ss c h e m ei su pt o9 4 2 5 t h eb i tc o r r e c tr a t e ( b c r ) v a l u e so ft h ee x t r a c t e dw a t e r m a r ka l ea l w a y s10 0 u n d e ra l lo ft h ea b o v es i t u a t i o n s i t i sp r o v e dt h a tt h ew a t e r m a r ke x t r a c t i o ni sn o tl i m i t e db yt h ec r o p p i n gp o s i t i o na n dt y p e i nt h i ss c h e m e c o m p a r e d 诵t l lo t h e rs i m i l a rm e t h o d s ，t h ep e r f o r m a n c eo fr e s i s t i n g s t r o n gc r o p p i n gi si m p r o v e dg r e a t l y s e c o n d l y , av i d e ow a t e r m a r k i n g s t r u c t u r eb a s e do n n o n n e g a t i v e m a t r i x f a c t o r i z a t i o n 、析t l lc o e f f i c i e n tm a t r i xn o r m a l i z a t i o n ( n m f c m n ) m e t h o di sp r o p o s e d c o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dc o n t e n ti n t e g r i t ya u t h e n t i c a t i o nc a nb ea c h i e v e da tt h es a m e a b s t r a c t t i m e t h eh o s tv i d e oi sd e c o m p o s e db yn m f c m na n dt h ei n t e r f r a m ee n e r g yd i f f e r e n c e c o e f f i c i e n ti se x t r a c t e dt oc o n s t r u c tt h ez e r o w a t e r m a r k t h ef r a g i l ew a t e r m a r ki s f o r m e db ye m b e d d i n gt h ez e r o w a t e r m a r ki n t ot h el e a s t s i g n i f i c a n tb i t s o ft h e c o e f f i c i e n tm a t r i x t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ez e r o w a t e r m a r ki sr o b u s tn o t o n l yt og e n e r a lv i d e op r o c e s s i n ga t t a c k s ，s u c ha sf i l t e r i n g ，a d d i n gn o i s ee t c ，b u ta l s ot o s t r o n gg e o m e t r i ca t t a c k s ，s u c ha sr o t a t i o n ，s c a l i n g ，t r a n s l a t i o n ，c r o p p i n g ，a sw e l la s c o m b i n e da t t a c k s ，s u c ha ss c a l i n ga n dr o t a t i o n ，r o t a t i o na n dt r a n s l a t i o n ，c r o p p i n ga n d r o t a t i o ne t c ，a n dt h a tc o p y r i g h tp r o t e c t i o nc a nb ea c h i e v e dw i t h o u tc a u s i n ga n yv i d e o d i s t o r t i o n t h ee m b e d d e df r a g i l ew a t e r m a r ki ss e n s i t i v et ot a m p e rw i t h ，a n dc a ni d e n t i f y t h ei n t e g r i t yo ft h ev i d e oc o n t e n ta c c u r a t e l y c o m p a r e dw i t ho t h e rs i m i l a rm e t h o d s ，t h e r o b u s t n e s sa n df r a g i l i t ya lea l li m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ： v i d e ow a t e r m a r k i n gg e o m e t r i ca t t a c k s c r o p p i n ga t t a c k n o n n e g a t i v em a t r i xf a e t o r i z a t i o ns p a r s e n e s sc o n s t r a i n t s 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机和网络的飞速发展，图像、音频和视频等数字多媒体产品可以在 不破坏本身质量的情况下很方便的进行传播，极大地丰富了人们的生活。但也正 是由于数字产品可以被无失真地复制、可通过信息网络高效传输等优点，使得许 多数字产品在未获得许可的情况下被随意地下载和拷贝，甚至以非法的手段谋取 利益，严重地侵犯了作者及版权所有者的合法权益。因此，如何实施有效的数字 产品版权保护和内容完整性认证，成为迫在眉睫的重要问题。为了更好的解决数 字产品的版权保护和内容完整性认证问题，提出了“数字水印( d i g i t a l w a t e r m a r k i n g ) 叫”的概念。视频水印作为数字水印研究的一个重要分支是水印技 术研究的热点和难点。本章主要介绍了论文的研究背景、研究现状以及应用领域， 最后给出本文的章节安排。 1 1 视频水印的研究背景 近年来，随着计算机技术、互联网技术和多媒体技术的迅速发展，信息媒体 的数字化为信息的存取、传播提供了极大的便利性，同时也显著提高了信息表达 的效率和准确性，人们从i n t e m e t 上获得数字图像、数字音频和数字视频等多媒体 作品变得越来越容易。然而，人们在享受和使用这些便利服务的同时，还面临着 一个不可能回避的服务安全问题，例如，作品侵权更加容易，篡改更加方便，使 得一些具有特殊意义的作品，如司法诉讼、政府机要等，都有可能遭到恶意的攻 击和篡改伪造。因此，如何利用科技发展带来的便利，同时实施有效的数字作品 的版权保护己成为各国政府、法律界、艺术界和计算机科学家亟待解决的难题1 4 i 。 数字水印技术是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支，是指在数字化的数 据内容中嵌入不明显的版权信息，被嵌入的信息可以是一段文字、数字、标识、 图像标志等等，以起到版权保护、数据文件的真伪鉴别和产品标识等作用，通常 所嵌入的信息是不可见或不可察的，并且不影响作品的使用价值和观赏价值，但 是通过一些计算操作可以被检测或者被提取，因此，目前正广泛应用于视频、音 频等其它数字媒体。而视频水印作为数字水印技术的一个重要分支，伴随着大量 数字音视频消费产品( 如v c d 、d v d ) 的推出，特别是数字高清电视的迅猛发展， 使得数字视频产品版权保护的市场需求变的更为迫切。 视频水印1 6 j ，顾名思义，主要是针对视频载体实施版权保护，由于视频数据本 2 基于非负矩阵分解的视频水印方法研究 身具有不同于静止图像的固有特点，因此，在视频水印的研究中存在许多图像水 印无法解决的问题，如大量的数据冗余、运动区域与非运动区域分布不均衡、帧 删除、帧移位、帧内、帧间的各种攻击、时间轴的同步问题等；同时由于视频数 据量非常庞大，在存储、传输中通常要先对其进行压缩编码，去除冗余数据，如 果不考虑视频压缩编码标准而盲目地嵌入水印，则有可能将水印嵌入于冗余数据 中，则在编码过程中由于去除冗余数据会丢失大部分水印信息，所以，视频编解 码标准的引入也给视频水印的发展带来了一些限制。因此，提出满足视频要求的 水印算法成为目前视频水印研究中的一个热点和难点1 7 j 。非负矩阵分解作为一种 有效的数据降维和特征提取方法自提出以来便受到广泛的关注，己成功应用于模 式识别、计算机视觉和图像工程等多个领域。本论文主要研究基于非负矩阵分解 的数字视频水印方法，将非负矩阵分解和数字视频水印技术相结合，为数字视频 水印带来更好的性能，是一项非常有意义的工作。 1 2 国内外研究现状 数字水印的发展始于2 0 世纪9 0 年代初期，1 9 9 3 年a z t i r k e l 等p j 正式提出了 水印( w a t e r m a r k ) - - 词，标志着数字水印技术作为一门正式学科的诞生。1 9 9 5 年前 后，人们对数字水印的研究兴趣猛增，第一届信息隐藏学术讨论会( i n f o r m a t i o n h i d i n gw o r k s h o p ，i h w ) 于1 9 9 6 年在英国剑桥牛顿研究所召开，会议把数字水印作 为它的主要议题之一，至今该研讨会已举办了1 1 届。摄影光学工程师学会从1 9 9 9 年开始每年举办专门的“多媒体内容的安全和水印”讨论会。i e e e 的t r a n s a c t i o n 及许多国际重要期刊都安排了数字水印的专刊，这些都为数字视频水印的发展和 商用化起到了巨大的推动作用。与此同时，一些学者开始考虑和研究不同标准和 不同方法的视频水印技术。 国外方面，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极地参与或投资支持该 方面的研究。如美国的麻省理工学院、p u r d u e 大学、英国的c e o r a g em a s o n 大学、 美国的i b m 研究所、美国洛斯阿莫斯国家实验室、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、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔 实验室等l lo 】都在进行该方面的研究工作。随着理论研究的深入，很多从事信息隐 藏技术研究的公司或团体纷纷推出相关的软件。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开发统一标准的基于数字水 印技术的d v d 影碟防盗版技术。 国内方面，已有不少机构及大学正在从事信息隐藏和数字水印方面的研究工 作。目前已经召开了九届全国信息隐藏学术会议，为从事视频数字水印方法研究 的相关人员提供了成果展示和技术交流的平台，充分反映了我国对这一领域研究 第一章绪论 3 的重视程度。国家“8 6 3 计划”、 9 7 3 ”项目、国家自然科学基金项目和各种省部级 基金项目等都对数字水印的研究给予了项目资金上的全力支持。2 0 0 0 年国家8 6 3 计划智能计算机专家组、中科院自动化研究所等成功举办了数字水印研讨会。而 且，国内已经出现了一些关于数字水印产品的公司，2 0 0 3 年成都宇飞信息有限公 司研究开发出国内第一个印刷数字水印技术软件。总的来说，我国在数字水印方 面的研究还达不到商用化的程度，研究成果大多局限在基础理论研究和应用技术 开发阶段，还不能完全适应目前商业化的迫切需求，随着国内信息化程度的提高， 我们有充分的理由相信，数字水印技术将会拥有广阔的前景和巨大的商用价值。 1 3 论文的研究内容与章节安排 本文主要研究了基于非负矩阵分解的视频水印方法。全文章节安排如下： 第一章简要介绍了本课题的研究背景，研究现状以及本文的章节安排。 第二章主要介绍了视频水印与非负矩阵分解的基本理论，为研究和设计基于 非负矩阵分解的视频水印方法提供了理论基础。 第三章提出了一种基于n m f s c p b m ( n o n n e g m i v em a t r i xf a c t o r i z a t i o nw i t h s p a r s e n e s sc o n s t r a i n t so np a r t so ft h eb a s i sm a t r i x ) 的抵抗强剪切攻击视频水印方 法。将加密水印嵌入在宿主视频n m f s c p b m 分解的基矩阵大系数中，同时用 n m f s c p b m 方法提取视频运动特征，利用该特征系数大小自适应控制水印嵌入强 度。水印检测端，通过残余视频最小剩余子块的非负矩阵进行n m f s c p b m 分解， 以恢复出完整基矩阵，进而提取出完整水印。实验分别对本方法进行了各种规则 剪切和不规则剪切攻击，结果表明，对于各种大强度规则剪切攻击，如行剪切、 列剪切、边缘剪切和中心剪切，本方法在各种情况下的水印正确提取比特数均可 达到1 0 0 ；对于各种大强度不规则剪切攻击，各种情况下的水印正确提取比特数 均可达到1 0 0 ，并且提取水印不受剪切位置和类型限制，与同类方法相比，抵抗 强剪切攻击能力获得了较大程度提升。 第四章提出了一种基于n m f c m n ( n o n n e g m i v em a t r i xf a c t o r i z a t i o nw i t h c o e f f i c i e n tm a t r i xn o r m a l i z a t i o n ) 的视频水印构架，能够同时实现版权管理和内容完 整性认证的双重功能。首先对宿主视频进行n m f c m n 分解，根据系数矩阵提取 视频帧间能量差分系数，构造零水印，用于版权保护：并将构造的零水印进行加 密处理，嵌入于系数矩阵最低有效位中，形成脆弱水印，用于内容完整性认证。 理论分析和实验证明，本构架所构造零水印不但能够抵抗加噪、滤波等常规视频 处理攻击，对于旋转、缩放、平移、裁剪、等强几何攻击及各种联合攻击，如缩 放加旋转、旋转加平移、裁剪加旋转等，表现强的鲁棒性，可在不导致视频任何 失真的情况下起到版权保护的作用；所嵌入的脆弱水印对各种微小强度的篡改攻 4 基于非负矩阵分解的视频水印方法研究 击敏感，如旋转l 度、行或列剪切1 、平移1 像素等，均能够准确判断视频内容 的完整性。 第五章对论文工作进行了总结，并对未来研究方向进行了展望。 第二章视频水印与非负矩阵分解基本理论 第二章视频水印与非负矩阵分解基本理论 2 1 引言 本章首先介绍视频水印的基本理论，包括视频水印的模型和技术要求、常见 视频水印攻击方式、视频水印算法以及评价标准等，然后介绍了非负矩阵分解的 定义、特点、实现方式和非负矩阵分解方法改进与发展。作为后续研究的理论基 础，只有充分掌握了这些基础理论知识，才能将非负矩阵分解和视频水印有机结 合在一起，提出更好的视频水印方法，改善现有视频水印方法的性能。 2 2 视频水印基本理论 2 2 1 视频水印的模型和技术要求 一般一个完整的数字视频水印系统包含水印嵌入、水印提取和视频编解码三 大部分。其中，水印嵌入部分至少包含两个输入：一个是版权信息，它通过适当 的变换转换为待嵌入的水印信息；另一个是要在其中嵌入水印的原始视频序列。 视频编解码部分主要为视频在压缩编码和解码过程中所采用的压缩和解压缩标 准，如m p e g 、h 2 6 4 等。水印提取部分的主要功能是提取出所嵌入的水印，并判 断是否和原始水印一致。视频水印嵌入和提取原理基本框架如图2 1 所示。 童7 0 f鲁。钉1 扳权信息 裙一蠹；_ 水印信息 j 前置水ll 内置水 i 目j 嵌入ff 印嵌入 政权信息 裙奄享丁 原始视频序列 礞 前置水 印提取 r i 内置水 1 日j 提取 i 一 后置水 印提取 i 一 图2 1 视频水印嵌入和提取原理基本框架 其中，前置式水印嵌入方案直接将水印嵌入于原始视频序列中，然后进行视频编 码，前置式水印嵌入方案的主要缺点是经过编码后可能会丢失水印信息，与前置 式水印提取相对应，内置式水印嵌入和提取均是在视频编解码器中进行，该方案 6基于非负矩阵分解的视频水印方法研究 一般是在d c t 变换系数上嵌入水印，并根据人的视觉特性进行水印嵌入强度控制， 在获得较好的视觉质量的同时具备较强的抗攻击能力。后置式水印嵌入方案直接 将水印嵌入于压缩视频流中，最大的优点在于不需要重编码，对视频信号的影响 较小，鲁棒性较高，但是视频编码系统对视频压缩率的限制将影响水印嵌入量。 视频水印作为一种信息隐藏技术，不仅要求所嵌入的水印能够抵抗各种有意 或无意的攻击，还必须要求不影响视频本身的质量，保证含有水印的视频信号能 够正常的使用。所以数字视频水印的技术要求主要包括以下几点。 ( 1 ) 鲁棒性。鲁棒性是指嵌入到视频中的水印能够抵抗各种攻击的能力，即 嵌入水印后的视频在经过处理后，水印仍能够有效地提取出来。在实际应用中， 视频不但会受到加噪、滤波等常规攻击和剪切、平移、缩放等几何攻击，还可能 会受到帧删除、帧重组等视频特有攻击，各种压缩编码标准也会对水印产生影响。 一个好的视频水印算法应能够有效地抵抗各种攻击，在视频经过处理后，根据相 应的算法仍能够检测到水印，实现版权保护。 ( 2 ) 实时性。为了不影响视频的正常播放，视频水印方法在多数情况下有实 时性的要求，视频水印的嵌入和提取算法应该具有较低的复杂度，这也是视频水 印与静止图像水印之间的重要区别。当然，不同的应用对于实时性也具有不同的 要求，如果用于在线传输等，则要求具有较高的实时性：如果只是在出现版权冲 突时才进行水印提取，此时为了考虑所有可能的攻击，一般水印嵌入提取算法复 杂度都比较高，实时性要求并不高。 ( 3 ) 盲检测性。盲检测是指在水印检测提取时不需要原始视频，否则为非盲 检测。由于视频数据量非常庞大，如果采用非盲检测技术，检测时需要原始视频 数据做参考是不现实的，同时也会影响到算法效率，降低算法的实时性，并且将 原始视频载体暴露给恶意攻击者，增加危险性。 ( 4 ) 透明性。透明性是指水印嵌入后对视频在视觉上的影响程度。一般来说， 视频在嵌入水印后质量会有所下降，为了不影响视频的商用价值，含水印的视频 要尽可能的接近原始视频，通常根据水印嵌入前后视频帧的峰值信噪l l ( p e a k s i g n a lt on o i s er a t i o ，p s n r ) 的增加来进行评估。 ( 5 ) 码速率恒定性。码速率恒定性是指水印嵌入后对视频编码速率的影响程 度，通常与视频编码标准紧密结合，从编码效率方面反映水印算法的优劣程度。 一般情况下，一个好的视频水印算法要求具有良好的码速率恒定性，含水印视频 的码速率要尽可能接近原始视频。 ( 6 ) 与视频编解码标准相结合。视频由于数据量庞大，在存储、传输中通常 要先对视频进行压缩编码，常用的压缩标准有m p e g 、h 2 6 4 和a 、，s 等。在压缩 码流中嵌入水印，就要与压缩编码标准紧密联系在一起，如果不考虑视频压缩而 在原始视频中直接嵌入水印，会使嵌入的水印信息在编码过程中完全或部分丢失。 第二章视频水印与非负矩阵分解基本理论 2 2 2 常见的视频水印攻击方式 视频是由一系列连续和等时间间隔的静止图像构成的序列。因此，视频水印 的原理与图像水印非常相近。但是，视频区别于图像的一个显著特点在于视频是 沿时间轴运动的等间隔图像序列，相对于图像来说，视频不但具有空间相关性， 而且具有时间相关性，存在许多区别于图像的特有攻击方式。视频水印常常遭受 各种视频处理攻击，包括加噪、滤波等常规攻击，几何攻击以及帧删除、帧移位、 帧插入和帧平均等视频特有攻击。 ( 1 ) 常规攻击。常规视频处理攻击包括椒盐加噪、高斯加噪、均值滤波、维 纳滤波、 图2 2 视频帧遭受全局几何攻击示意图 ( 2 ) 几何攻击。几何攻击通过改变视频帧像素的空间位置，使得像素值不再 位于期望的位置，所有视频遭受的几何攻击都是将视频序列看作是具有一定时序 性的图像序列的组合，对视频的每一帧进行相同的几何变换。常见的几何攻击有 全局几何攻击和局部几何攻击。全局几何攻击是针对整个图像的攻击，包括旋转、 缩放、平移等，如图2 2 所示，可统一归结为仿射变换，数学定义如式( 2 1 ) ： ：北 + ( ； = e 澎二爿 式( 2 1 ) 其中，x 、y 为像素原始坐标，x 和y 为攻击后像素坐标。 局部几何攻击是对图像的局部进行几何变换，如图2 3 所示，主要为各种规则 剪切和不规则剪切攻击，规则剪切包括行剪切、列剪切、边缘剪切和中心剪切。 bi ： 口 ( c ) 列剪切4 0 ( d ) 中心剪切3 0 ( f ) 不规则剪切5 8 图2 3 视频帧遭受局部几何攻击示意图 基于非负矩阵分解的视频水印方法研究 ( 3 ) 视频水印特有攻击。视频不同于图像，存在大量的冗余信息，视频不但 具有空间相关性，而且具有时间相关性，因此，视频中还存在帧删除、帧平均、 帧插入和帧移位等特有攻击。帧删除指延时间轴删除视频的某些帧，并且这些帧 的删除不会对人眼视觉效果造成很大影响，是视频水印的一种特有的攻击方式， 帧删除攻击示意图如图2 。4 所示。 图2 4 视频帧删除攻击示意图 帧交换就是把视频中的某些帧进行交换。帧交换攻击并不会影响视频的视觉 效果，并且帧交换的数量越多，对于水印的影响越大，对p s n r 值的影响也较大， 视频帧速率越高，人眼视觉感知越不明显的，帧交换攻击示意图如图2 5 所示。 踱i j ： 1234567 图2 5 视频帧交换攻击示意图 帧插入指在相邻的视频帧之间插入一个或多个视频帧，插入的帧数越多，对 视频水印的影响就越大，帧插入攻击示意图如图2 6 所示。 喊： l234567 i _ 帧插入攻击 j 帧号： 123 4 a 567 图2 6 视频帧插入攻击示意图 击叹 7 除 删6 帧 -_，3 2 了帧 7 击叹 6 换交 3 帧 - _ i 452 门帧 第二章视频水印与非负矩阵分解基本理论9 帧平均攻击类似于帧交换攻击，是视频水印特有的攻击方式，帧平均指用目 标帧的相邻视频帧的均值来代替目标帧，数学定义如式( 2 2 ) ，其中，厂为目标帧， k 为参与平均的视频帧数，且k 取值越大，对目标帧的影响越大，对视频水印的攻 击越强，视觉质量下降越明显。 f = ( ，i + + 厂1 + 厂+ 石+ + f k ) ( 2 k + 1 ) 式( 2 - 2 ) 2 2 3 常见的视频水印方法 目前常见的鲁棒性视频水印方法主要利用d c t 、d f t 、d w t 等各种变换所具 有的旋转、平移、缩放不变特性，在变换域嵌入水印。a l t e r 等【l l 】将水印嵌入于视 频沿时间轴所分8 x 8 亮度子块d c t 和d f t 变换系数对中，并通过计算人眼的时 域对比度阈值，自适应调整水印嵌入强度，消除了闪变效应，属于前置式视频水 印，能够有效抵抗加噪、滤波和视频编解码等各种攻击。r e y e s 等l l2 j 提出了一种基 于d w t 变换的视频水印算法，首先对视频进行镜头分割，接着将二值水印嵌入于 随机选择子块的d w t 变换系数中，该方法对帧删除、帧平均、帧插入等视频特有 攻击具有鲁棒性。s a t y e n 掣1 3 j 提出了一种基于m p e g 2 编码标准的视频水印算法， 将二值图像作为水印信息，通过修改子块的中频d c t 系数将水印嵌入于压缩域视 频流中，利用d c t 系数估计纹理特征并结合人眼视觉局部掩蔽模型以调整水印嵌 入强度，能够有效抵抗旋转、缩放、帧平均和滤波等多种视频处理攻击。a d n a n 等1 1 4 j 提出了一种基于m p e g 4 编码标准的压缩域视频水印算法，通过修改d c t 系 数将空域扩频水印直接嵌入于m p e g 4 压缩域比特流中，并同步嵌入标示几何攻 击的模板，能够有效抵抗剪切、旋转和缩放等较小强度几何攻击。 目前抵抗几何攻击的视频水印方法有两种策略可以选择，第一种是预防性的， 即寻找对几何攻击不敏感的特征，作为水印的嵌入位置；第二种是治疗性的，即 通过嵌入一个能够得到视频遭受几何攻击参数的辅助信息，对遭受攻击的视频进 行恢复，重新同步水印。基于这两种思路，目前已有的抗几何攻击视频水印方法 大致可分为三类：穷举搜索法、辅助信息法和几何不变量法l j5 1 。 穷举搜索法 1 5 , 1 6 1 是在定义各种失真参数可能值和搜索分辨率范围后，检查参 数的每一种组合以代表水印可能遭受的假定失真。穷举法存在两方面的问题：计 算次数随搜索空间的增大而增加，可引起较大计算开销；单一水印检测器的多重 应用，可引起较高虚警率。众所周知，只要知道对载体实施的几何变化，通过逆 变换就可能重同步并检测出水印，如果在隐藏水印的同时，嵌入一个能够指示几 何变化的辅助信息，这就是辅助信息法i l7 。需要指出的是，如果辅助信息检测失 效，将直接导致水印检测失败；共同的辅助信息使得该类水印易遭受共谋攻击： 辅助信息将直接降低合成载体视觉质量并影响水印嵌入容量。 l o基于非负矩阵分解的视频水印方法研究 几何不变量法【1 5 , 1 8 - 2 0 】的基本思想是从原始载体中找到具有几何不变性的特征 隐藏水印，由于几何不变性，这些特征量在合成载体遭受攻击时并没有发生改变， 使得隐藏其中的水印得以保存，该类方法不需要确定并恢复几何攻击，但如何挖 掘载体中适合的鲁棒特征、提取和应用这些特征是研究的重点，如何抵抗大面积 剪切等高强度几何攻击是研究的难点。o r u a n a i d hj 等【l8 】提出了一种基于 f o u r i e r m e l l i n 变换的水印方法，首先将图像转换到旋转、尺度变换和平移不变域， 在不变域嵌入水印，该方法要对图像先后进行f o u r i e r 变换和m e l l i n 变换，同时由 于受l o g p o l a r 映射分辨率的影响，图像恢复时产生大的失真。n i u 等【l9 j 提出了一 种抗几何攻击的视频水印方法，利用视频沿时问轴具有几何不变性的特点，通过 修改视频帧纹理复杂或运动剧烈区域像素值，选择在视频帧相同位置嵌入水印， 由于水印嵌入位置受纹理复杂及运动剧烈程度限制，可嵌入信息量少，鲁棒性受 宿主载体个性影响大。同鸣等1 2 0 j 提出了一种基于低维流形的抵抗几何攻击视频双 水印方法，首先挖掘了一种几何形变不变量视频低维流形，然后从不同视频镜头 提取不同低维流形，实时生成零水印及动态水印，为了兼顾鲁棒性和透明性，将 水印嵌入在大能量a v s 预测残差d c t 中频系数上，该方法可以有效抵抗中心裁剪、 不规则裁剪、行裁剪、旋转、缩放、平移等大强度几何攻击及联合攻击，如旋转 加边角裁剪、中心裁剪加旋转等，对于常规信号处理及多种视频水印攻击也具有 强鲁棒性。 近年来，半脆弱视频水印技术的研究取得了一定的进展，陆续提出了诸如基 于鲁棒水印原理、基于视觉掩模、基于量化系数等多种半脆弱视频水印算法。其 中，基于内容特征的半脆弱视频水印技术已开始引起人们注意，该类半脆弱水印 技术是通过抽取视频特征，如纹理特征、运动特征等生成水印信息并进行嵌入， 认证时根据特征的相似性来判定视频是否被恶意篡改，同时根据相异特征位置判 定篡改发生位置，基于内容特征的半脆弱视频水印方案不仅可以有效认证恶意篡 改，而且能够容忍一定的常见信号处理操作，同时还具有系统安全等特点。c a m p i s i 等1 2 l j 在视频序歹u d c t 变换的中频子带嵌入扩频脆弱水印，通过检测水印提取的误 码率，来检测传输过程中是否发生了恶意篡改，以此来评价多媒体通信的质量， 事实上，水印嵌入在中频子带脆弱性有限。r a z i b 掣2 2 j 提取视频的h a s h 值生成动态 水印，使用通用比特流语法描述( g e n e r i cb i t s t r e a ms y n t a xd e s c r i p t i o n ，g b s d ) 规则 选择感兴趣的视频帧宏块条头部嵌入脆弱水印，通过比较提取水印与视频h a s h 值 的相似性来认证数据的完整性，具有较好的实时性，但可嵌入水印位数受到限制， 篡改的检测能力有限。c h e n 等1 2 3 j 提出了一种基于脆弱水印的无线视频通信错误检 测方法，该方法在编码过程中将水印嵌入在d c t 量化系数中，解码时通过验证提 取水印的完整性，实现了传输过程中错误的检测和定位。k u n d u r 2 4 】提出了一种基 于阈值选择的多层h a r r d x 波域半脆弱水印算法，该方法首先对图像进行l 级小波变 第二章视频水印与非负矩阵分解基本理论 1 1 换，利用密钥选择需嵌入水印的小波系数，将选择的小波系数用预定的量化步长 进行奇偶性量化处理，并与水印信息比较，若不等，则利用量化步长调整小波系 数，水印提取时首先将含水印图像进行l 级小波变换，对相应位置的小波系数进行 量化处理，判断量化系数的奇偶性，提取水印，该方法能够在不同分辨率的条件 下进行图像内容完整性认证。h e 等1 2 5 1 提出了一种针对m p e g 4 标准的半脆弱视频水 印算法，该算法首先从视频帧图像的前景和背景中分别提取特征生成水印信息， 然后嵌入于视频前景中，其中，视频前景采用了一种基于区域形状的描述符号 ( a n g u l a rr a d i a lt r a n s f o r m a t i o n ，a r t ) 作为特征，该特征对缩放、旋转、平移等具 有不变性，最后将a r t 系数量化并用纠错码编码，再将奇偶校验位和码字的哈希 值相连接生成基于内容的水印，嵌入d f t 域，认证时只需将从含水印合成视频中计 算的哈希值和从提取的水印中得到的哈希值逐位比较即可。然而，理论分析和实 验结果表明1 2 引，现有的基于内容的视频半脆弱水印，不同程度存在以下不足：( 1 ) 未能真正抽取能够反映视频重要特征的信息；( 2 ) 水印嵌入时，未能充分考虑人 眼的动态视觉掩蔽特性；( 3 ) 篡改的检测、定位及恢复能力不足；( 4 ) 半脆弱水 印鲁棒性有待提高等。 2 2 4 视频水印的评价标准 性能评价主要针对水印系统的不可感知性和鲁棒性两个方面，本文介绍了几 种常用的性能参考指标，对水印系统的性能进行合理的分析和评估1 2 7 1 ： ( 1 ) 主观评价。主观评价是依据人眼对嵌入水印的视频信号进行评价，通常， 一个好的水印嵌入算法要求水印是不可见的，即加入水印后的视频应与原始视频 没有明显的差别。表2 1 给出了基于i t u rr e c 5 0 0 图像质量主观等级评判。主观 评价由于受到观察者个体和观测环境的影响较大，具有一定的不准确性，因此在 实际的评价过程中需要采用定性定量评价标准进行描述。 表2 1 l t u rr e c 5 0 0 主观图像质量等级评价表 ( 2 ) 比特增加率( b i ti n c r e a s e dr a t e ，b i r ) 。比特增加率是指含水印视频码流 与不含水印视频码流相比增量的比特量，反映嵌入水印后对视频压缩比的影响， 如式( 2 3 ) 。其中，w a t e r m a r k e d 一歙表示含水印码流的码率，o r i g i n a l b r 表示原 始视频码流的码率。一个好的视频水印系统应该使b i r 尽量降低。 1 2 基于非负矩阵分解的视频水印方法研究 b i r = 鲨型氅o m 譬m 芈a l 掣l o o 式( 2 3 ) 廿 ( 3 )