（通信与信息系统专业论文）基于mpeg2的鲁棒视频水印方案.pdf

摘要 基于m p e 6 - 2 的鲁棒视频水印方案 专业：通信与信息系统 姓名：李煌 导师：刘红梅副教授黄继武教授 摘要 视频水印在多媒体保护领域中得到了越来越广泛的应用，如节目版权保护、 防盗版拷贝和追踪非法传播等。由于视频数据量庞大，在传输及存储之前需要进 行压缩，因此研究基于压缩标准的视频水印具有重要的使用价值。本论文主要研 究基于m p e g 2 的视频水印。 目前，大部分基于运动矢量的水印算法都不能有效抵抗视频传播过程中的再 压缩操作，为解决该问题，通过对已有算法的分析和实验，本文提出了一种基于 m p e g - 2 的能够抵抗再压缩攻击的鲁棒水印方案。论文的主要工作包括： 1 提出针对m p e g 一2 视频中p 帧的鲁棒水印算法。该算法将p 帧编码过程中 用到的运动矢量作为水印嵌入载体，通过修改宏块内容改变运动矢量值，从而嵌 入水印信息。为了提高水印对抗再压缩的稳健性，本文依据m p e g - 2 编码器选择 最佳预测宏块的规则，提出修改宏块内容的算法，使得再压缩时运动矢量值保持 不变，从而有效抵抗再压缩攻击。实验结果表明，该算法使水印具有较强的鲁棒 性，并且对视频质量的影响小。 2 提出针对m p e g - 2 视频中b 帧的鲁棒水印算法。该算法将b 帧编码过程中 用到的运动矢量作为水印嵌入载体。b 帧编码中，预测方式有三种，编码过程比 p 帧单一的预测方式更为复杂。在p 帧水印算法的基础上，论文根据b 帧的编码 特点，选取预测方式对应的宏块进行水印嵌入，并提出了相应的宏块内容修改法 则。由于视频编码过程中b 帧的帧数最多，在b 帧中嵌入水印，大大增加了水印 信息的嵌入容量。实验结果表明，该算法也具有较强的鲁棒性。 摘要 3 实现了基于m p e g - 2 的鲁棒水印系统。结合本文提出的上述两个水印算法， 在v c 6 0 平台下实现了基于m p e g 一2 的鲁棒水印系统。该系统具有良好的稳健性 和实时性，可用于保护m p e 6 2 视频的版权。 关键词：视频水印，m p e g 2 标准，运动矢量 a b s t r a c t ar o b u s tv i d e o w a t e r m a r k i n g f o rm p e g - 2 m a j o r ： n a m e ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m l ih u a n g s u p e r v i s o r s ： a s s o c i a t ep r o f l i uh o n g m e i ，p r o f h u a n gj i w u a b s t r a c t v i d e ow a t e r m a r k i n gh a sb e e np l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h e s e c u r i t yd o m a i no fm u l t i m e d i ap r o t e c t i o n ，s u c ha st h ep r o t e c t i o n o fp r o g r a m c o p y r i g h t ，t h ep r e v e n t i o no fp i r a c y , a n di l l e g a lp r o p a g a t i o nt r a c i n g ，e t c f o rt h el a r g e a m o u n to fo r i g i n a lv i d e od a t a ，av i d e os h o u l db ec o m p r e s s e db e f o r et r a n s m i s s i o no r s t o r a g e s oi ti so fg r e a tv a l u et or e s e a r c ho nc o m p r e s s i o n - b a s e dv i d e ow a t e r m a r k t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e sv i d e ow a t e r m a r kb a s e do nm p e g 一2c o m p r e s s i o ns t a n d a r d m o s tv i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m e sw h i c hb a s e do nm o t i o nv e c t o rc a n tw o r k w e l lw h e nt h ev i d e oi sr e c o m p r e s s e d i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h et h e s i s a n a l y z e ss o m ee x i t i n gv i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m e sf i r s t l y t h e ni tp r o p o s e sar o b u s t v i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m e ，w h i c hr e s i s t sr e c o m p r e s s i o na t t a c ke f f e c t i v e l y t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 ar o b u s tw a t e r m a r ka l g o r i t h mf o rpf l a m ei nm p e g 一2v i d e oi sp r o p o s e d i no r d e rt oe m b e dt h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o n ，t h ea l g o r i t h mc h o o s e s m o t i o nv e c t o ra se m b e d d i n gc a r r i e r , a n da d j u s t st h ev a l u eo fm o t i o nv e c t o r b ym o d i f y i n gt h ec o m e mo fm a c r ob l o c k b a s e do nt h er o l eo fm p e g - 2 e n c o d e rc h o o s i n gb e s tp r e d i c t e db l o c k , t h i st h e s i sp r o p o s e sam o d i f i c a t i o n a l g o r i t h mf o rm a c r ob l o c kt oe n h a n c er o b u s t n e s so fw a t e r m a r ka g a i n s t r e c o m p r e s s i o n d u r i n gt h ep r o c e s so fr e c o m p r e s s i o n ，t h ev a l u eo fm o t i o n v e c t o rk e e p st h es a m e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es c h e m e i m p r o v e sr o b u s t n e s so fw a t e r m a r k , a n dh a sl i t t l ei n f l u e n c eo i lv i d e oq u a l i t y i i i 2 ar o b u s tw a t e r m a r ka l g o r i t h mf o rbf r a m ei nm p e g 一2v i d e oi sp r o p o s e d t h ea l g o r i t h ma l s oc h o o s e sm o t i o nv e c t o ra se m b e d d i n gc a r d e r , w h i c hi s u s e di ni n t e r - f r a m ee n c o d i n gp r o c e s s i nbf r a m ee n c o d i n gp r o c e s s ，t h e r e a r et h r e ek i n d so fp r e d i c t i o nm o d e s t h ep r o c e s si nbf r a m ei sm o r e c o m p l e xt h a nt h a ti npf r a m e ，b e c a u s et h e r ei so n l yo n ep r e d i c t i o nm o d ei n pf r a m e b ye x t e n d i n gt h ea l g o r i t h mf o rpf r a m ea c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fbf r a m e ，t h es c h e m ep r o p o s e sa n o t h e rm o d i f i c a t i o n a l g o r i t h mf o rb f r a m et oe m b e dw a t e r m a r k b e c a u s et h ep o p u l a t i o no fb f r a m ei st h el a r g e s ti nc o d i n gp r o c e s s ，e m b e d d i n gw a t e r m a r ki nbf r a m e c a ne n h a n c ec a p a b i l i t yg r e a t l yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e w a t e r m a r ki nbf r a m ea l s oh a ss t r o n gr o b u s t n e s s 3 t oi m p l e m e n tar o b u s tv i d e ow a t e r m a r k i n gs y s t e mb a s e do nm p e g - 2 c o m b i n i n gt w ow a t e r m a r ka l g o r i t h m sp r o p o s e da b o v e ，ar o b u s tw a t e r m a r k s y s t e mi sa c h i e v e do nv c 6 0p l a t f o r m t h es y s t e ms h o w sg o o dr o b u s t n e s s a n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，a n dc a nb e u s e dt o p r o t e c tc o p y r i g h to f m p e g 2v i d e o k e yw o r d s ：v i d e ow a t e r m a r k ，m p e g - 2 ，m o t i o nv e c t o r i v 图表 图表 图2 一l 数字水印系统模型5 图2 2 视频水印系统模型l o 图2 3 水印嵌入过程示意图。l2 图2 4 嵌入帧的选取示意图。1 4 图2 5d e w 算法流程示意图1 4 图3 一lm p e g 一2 句法层次结构1 7 图3 2 图像中一般宏块条的结构安排1 8 图3 3i 、p 、b 类型图像关系1 9 图3 4 宏块编码过程2 0 图3 5p 帧编码示意图2 l 图3 - 6b 帧编码示意图2 2 图3 7m p e g 一2 编码器结构示意图2 2 图3 8m p e g 一2 视频图像数据的简化解码过程2 3 图3 9 运动估计过程示意图2 4 图4 一l 情景应用示意图。2 7 图4 2 运动估计过程2 9 图4 3 编码过程修改位置示意图3 0 图4 4 水印嵌入系统框架图3l 图4 5 宏块修改前后示意图3l 图4 - 6 水印信息嵌入流程示意图3 3 图4 - 7 水印嵌入位置示意图。3 4 图4 8 次佳预测块与最佳预测块位置关系3 6 图4 - 9c 、s 和b 三者几何关系示意图3 7 图4 一l oa 位于肜的左侧3 7 图4 一l l 以位于彤的右侧。3 8 图4 一1 2 抗压缩鲁棒性能4 0 图4 一1 3b 帧嵌入流程图4 l 图4 - 1 4b 帧编码流程图4 2 图4 - 1 5b 帧中宏块关系图4 3 图4 - 1 6b 帧修改示意图4 4 图4 1 7 抗压缩鲁棒性能4 5 图5 - i 水印信息的嵌入与提取4 7 图5 2 水印嵌入过程界面图。4 8 图5 3 水印的不可见性。4 9 图5 _ 4 水印的不可见性。5 0 图5 5 抗压缩攻击鲁棒性。5 2 图5 6 抗旋转攻击鲁棒性5 2 图5 7 抗亮度增加攻击鲁棒性5 3 图5 8 抗亮度下降攻击鲁棒性。5 3 图5 9 抗高斯噪声攻击鲁棒性。5 3 v i 图表 图5 一1 0 抗高斯滤波攻击鲁棒性5 4 图5 一n 与不进行宏块修改的水印算法比较5 4 图5 一1 2 抗压缩攻击鲁棒性5 5 图5 1 3 抗旋转攻击鲁棒性5 5 图5 一1 4 抗亮度增加攻击鲁棒性5 6 图5 一1 5 抗高斯噪声攻击鲁棒性5 6 图5 一1 6 抗高斯滤波攻击鲁棒性5 6 表4 - 1 表5 - i 表5 - 2 表5 - 3 进行再压缩攻击后，水印信息的保持比例2 8 实验序列视频信息4 8 扩频6 0 比特对p s n r 值的影响4 9 扩频1 7 0 比特对p s n r 值的影响。5 0 v l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：巷煌 日期：加秒年j , q3 0 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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拷贝并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：巷煌 导师签名：训孑z 南 日期：加年歹月夕。日日期：力口年岁月夕d 日 第一章绪论 第一章绪论 随着数字电视技术的迅速发展，如何运用水印技术对m p e g 一2 格式的数字电 视节目等多媒体进行保护已经成为了信息安全领域的研究热点，这正是本文的主 要研究内容。本章介绍了论文的选题背景和研究意义，并简单概括了论文的主要 工作和结构安排 1 1 选题背景和研究意义 近十几年来，随着多媒体技术和网络技术的迅猛发展，数字图像、音频和视 频等多媒体正逐渐渗透到人们的r 常生活中，成为人们获取信息最重要的载体。 由于网络功能的强大以及数字媒体信息的特点，人们获取多媒体信息的途径及其 方便。在这样的环境下，媒体信息安全、防盗版、版权认证和追踪非法传播等问 题日益受到人们的关注。如何有效保护多媒体安全已成为信息安全领域的研究热 点。数字水印技术应运而生，它能够解决上述存在的问题。数字水印技术是利用 人类视觉、听觉系统的特点，在多媒体文件中嵌入不明显的信息，使得从视觉听 觉上很难分辨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 够将嵌入在文件中的水印信息提取出来的一种技术l 。由于数字水印具有鲁棒 性、安全性和隐蔽性等特点，能有效地保护多媒体信息安全，因此该技术在信息 安全领域得到了广泛应用。 当前，我国正大力发展数字电视产业。由于数字电视在电视信号的处理、传 输、发射和接受的过程中都采用数字信号，技术完善，而且在数据服务、交互业 务上都具有无可比拟的优势，逐渐成为电视发展的主流，高清数字电视节目也逐 步进入千家万户。因为高清节目视频的信息量远远大于模拟电视的信息量，不能 像模拟电视图像那样直接传输，必须经过数字压缩编码工序，把视频压缩为比特 流后才能进行传输。目前视频压缩国际标准有m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g - 4 、 h 2 6 1 和h 2 6 4 等，我国以及欧美等国家选用了m p e g 2 作为高清数字电视的视 频压缩标准；基于m p e g - 2 标准的产品如有线电视的解码器( 机顶盒) 已经占领 了广播电视领域大部分的份额，形成了一定的市场定势。由此可见，m p e g 2 是 中山大学硕士学位论文 广播电视领域的主流格式，并将在相当长一段时期内存续。目前，许多m p e g 2 视频水印算法将编码过程中的运动矢量信息作为嵌入载体进行版权信息等的嵌 入。但是当视频文件被编码器再次压缩编码之后，运动矢量被重新选择计算，隐 藏在上面的水印信息很容易就丢失了，使得水印失去了保护作用。所以研究基于 m p e g 2 的鲁棒视频水印有着重要的现实意义和应用价值。 1 2 本文的主要工作 本文在分析了目前针对m p e g 2 视频格式水印方案的基础上，提出了一种全 新的鲁棒水印嵌入算法，能有效抵抗再压缩编码攻击。并通过对官方m p e g 2 编解码器进行修改，在v c 6 0 平台下完成了水印的嵌入提取系统。本文的主要 工作概括如下： 1 分析了当前数字水印的研究现状，并主要对m p e g 2 视频标准和编解码器 进行分析。本文主要是研究基于m p e g 2 视频格式的鲁棒水印，对m p e g 2 视 频编码标准进行了研究，深入分析整个编码解码的过程，为后续的研究工作奠定 基础。 2 在分析当前存在的视频水印算法后，提出针对m p e g 2 视频中p 帧的鲁 棒水印算法。由于编码器每次对视频进行编码的时候，都会根据一定的准则重新 进行最佳预测块的选择，因此很多将水印嵌入到运动矢量上的算法所具有的鲁棒 性都不强，很容易因为再次压缩而丢失水印信息。本文结合编码器的特点，提出 了一种针对p 帧的新的水印嵌入算法。该算法选取p 帧编码过程中的运动矢量作 为水印嵌入载体，通过对当前编码宏块的内容进行修改，使编码器再次编码的时 候选择到目标的最佳预测宏块，从而到达修改运动矢量值的目的。实验结果证明， 该算法使水印具有较强的鲁棒性，并且对视频质量的影响小。 3 提出针对m p e g 2 视频中b 帧的鲁棒水印算法。b 帧编码中，预测方式 有三种，编码过程比p 帧单一的预测方式更为复杂。在p 帧水印算法的基础上， 论文根据b 帧的编码特点，选取预测方式对应的宏块进行水印嵌入，并且也提 出了相应的修改法则。由于视频编码过程中b 帧的帧数最多，成功实现对b 帧 的嵌入，大大增加了水印信息的嵌入容量，提高了算法的嵌入效率。 4 实现了基于m p e g 2 的鲁棒水印系统。运用本文提出的水印算法，在v c 6 0 2 第一章绪论 平台下实现了水印的嵌入与提取系统。实验结果表明，该系统的水印算法能够有 效抵抗再压缩攻击，使水印信息能在传输压缩过程中继续保持。 1 3 本文的结构安排 本文主要研究基于m p e g - 2 的鲁棒视频水印，全文共分为六章，各章内容安 排如下： 第一章为绪论，阐述本文的选题背景和研究意义、主要的工作及结构内容安 排。 第二章对数字视频水印技术进行介绍，包括水印技术的特点、框架等等，并 主要介绍了视频水印中的经典算法，为本文的研究奠定基础。 第三章主要是对视频压缩标准m p e g 2 进行分析，结合本文提出的水印方案 所需的技术进行详细介绍。介绍了帧间编码的过程、运动估计过程等，并分析了 在m p e g 2 运动矢量上嵌入水印的研究现状。 第四章提出了基于m p e g 2 的鲁棒视频水印方案。该方案主要分两部分进行 介绍，分别是针对p 帧的水印算法和针对b 帧的水印算法。通过对目前算法中存 在的问题提出了有效的解决方法，使得该方案的水印能有效抵抗再压缩攻击。 第五章主要是结合实验数据对算法性能进行分析。在v c 6 0 平台下设计实现 了对m p e g 2 视频的水印嵌入系统。并通过实验数据说明该方案的优越性，能满 足实际应用需求。 第六章总结了本文研究的主要工作、存在的不足以及未来的研究建议。 中山大学硕士学位论文 第二章视频水印技术概述 数字水印技术作为一种新兴的多媒体信息安全技术，得到越来越多学者的关 注，研究范围也从刚开始的图像水印向音频水印、视频水印等方向扩展。本章叙 述了数字水印技术的相关内容，并着重介绍视频水印技术的特点及其应用。 2 1 数字水印技术 2 1 1 数字水印技术的特点 数字水印技术是指利用信号处理，密码学等相关理论知识和技术，按照某种 特定的方式将一定量的媒体数据进行修改来达到隐藏特定信息的技术，当然这种 修改的前提是不影响媒体数据的正常使用。而信息的提取只有通过特定的步骤检 测才能正常恢复【5 】【4 】。 依据水印的应用目的和技术要求，一般的数字水印必须满足以下几点基本要 求【2 】【3 】： 1 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 鲁棒性是指水印经过各种操作之后，水印系统仍能检测到水印的能力。这里 的操作包括常规操作，如空间滤波，噪声干扰和有损压缩等，也包括了非常规操 作即恶意攻击，如剪切、帧删除和共谋攻击等。根据用途的不同，要求水印具有 不同的鲁棒性，以抵抗上述不同攻击。 2 不可见性( i n v i s i b i l i t y ) 嵌入水印数据的媒体与原来相比，应当没有明显的质量下降，不影响原有数 据的正常使用，这样才能保证水印信息不被发现。同时也要满足不容易通过统计 学的方法即可以寻找出水印位置的要求。 3 安全性( s e c u r i t y ) 数字水印信息应是安全的，难以被篡改或伪造，具有较强的抵抗攻击能力， 能承受一定程度的人为攻击。主要攻击包括对水印进行未经授权的删除、嵌入、 检测和修改。 4 第二章视频水印技术概述 2 1 2 数字水印系统的框架 一般来说，一个完整的数字水印系统包括主要三部分【4 】，水印的生成、水印 的嵌入和水印的提取检测。结构如图2 1 所示： ： 密钥多媒体 信息 图2 - 1 数字水印系统模型 1 水印生成 水印信号的生成通常是基于伪随机序列发生器或混沌系统等，在密钥的控制 下，由原始信息( 如版权信息等) 或者媒体相关信息等生成嵌入水印。 2 水印嵌入 水印嵌入过程就是按照一定的嵌入规则将水印添加到原始的多媒体信息上， 从而生成水印产品。整个嵌入过程可以用公式2 - 1 描述： e = e ( x o ，) ( 2 - 1 ) 其中e ( ) 为嵌入函数，x o = x o ( 七) ) 为原始数据，形= 以七) ) 为水印信息， e = 以。，) 则是嵌入水印后的数据。 3 水印提取 水印提取是指从嵌入水印的数据中提取出水印信号，提取的准则必需依据水 印嵌入算法进行设计，必须知道水印的嵌入方法和位置才能提取出嵌入的信息。 5 中山大学硕士学位论文 提取过程中可以需要原始文件的参与，也可不需要原始文件的参与，主要决定于 嵌入算法。由于文件在网络发布和传输时使用原文件进行检测比较困难，目前大 部分水印算法都不需要原始文件的参与。 2 1 3 数字水印的分类 从不同角度，可以将数字水印分成以下几类【4 】： 1 ) 按嵌入载体类型分类：水印可以分为视频水印、音频水印、图像水印、 文本水印等等。随着数字多媒体技术的不断发展，将会有更多类型的数字媒体出 现，伴随而来的也将出现相应的数字水印技术。 2 ) 按水印嵌入域位置进行分类：可分为空域( 时域) 水印和变换域水印。空 域水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而变换域水印则是在原始数据的变换 域上隐藏水印，包括在d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 域，d f t ( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 域和小波域上等等。空域上的水印算法实现简单，但水印性能稍差； 而变换域上算法计算量稍大，但算法能更好的满足数字水印的特性。 3 ) 按水印检测过程进行分类：按检测过程不同可以将水印分为非盲水印， 半盲水印和盲水印。非盲水印在检测过程中需要用到原始数据和原始水印的参 与，检测不太方便；半盲水印则不需要原始数据的参与，但需要用到原始水印协 助进行检测才能完成；盲水印的检测则只需要用到密钥即可。由于盲水印应用上 更便利，目前大部分研究主要集中在是盲水印方面。 4 ) 按水印特性分类：分为脆弱水印和鲁棒水印两大类。脆弱水印则主要用 于作品完整性保护，它对于信号的改动很敏感，可以通过水印信息来判断原始数 据是否被操作过；鲁棒水印主要用在数字作品中标识版权信息等，它要求嵌入的 水印能够经受住各种正常的编辑操作。 5 ) 按水印内容划分，可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义 水印是指水印本身有特定的意义，如一个图标或者音视频的编码片段；无意义 水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或 其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有 水印。 6 第二章视频水印技术概述 2 2 视频水印技术 视频水印是指加载在数字视频上的水印，其目的主要是对数字视频作品进行 版权保护，从而确保版权所有者的合法权益。但相对于图像水印技术来说，视频 水印技术仍然相对滞后，一方面是因为水印算法必须跟嵌入载体的视频编码格式 相结合，这样造成了一定的局限性；另一方面是因为人眼视觉模型尚未完全建立 起来，水印嵌入模型也受到了限制。但是随着多媒体和网络技术的发展，越来越 多的研究人员投入到视频技术的研究，视频水印技术也得到了越来越广泛应用。 2 2 1 视频水印特征 由于视频是由一系列的图像所构成的，所以技术实施上，很多基于图像的水 印技术也可以使用到视频水印技术中。但是，视频数据远远大于图像数据，可供 选择嵌入的位置、容量也远大于图像；视频帧之间也具有较高的相关性。同时， 视频文件往往是以压缩的形式进行保存，这样就存在一个动态编解码的过程。因 此，视频水印的要求跟图像水印具有一定的不同，它的特征概括如下【5 】： 1 水印算法与视频标准相结合。由于视频文件数据量大，在进行存储传输之 前都需要进行压缩处理。这样，水印在嵌入的时候就必须考虑媒体对应的压缩标 准，否则盲目嵌入水印将使水印信息在编码存储过程中丢失。嵌入于视频编码过 程时，要考虑编码规则来嵌入水印；当嵌入于视频码流中时，需考虑码流格式等 世 号宇o 2 实时性要求更高。在静止图像中，水印的嵌入跟提取消耗几秒的时间是可 以接受的，但是视频是一帧帧图像的连续播放，通常的播放帧率为2 5 帧秒，因 此要求视频水印算法能达到较高的实时性要求。水印的嵌入和提取算法都应该具 有低复杂度，使得计算机能快速处理，避免影响了视频的正常播放。 3 能够进行随机检测。要求检测算法可以对视频的任何位置、在短时间内检 测出水印，而无须从文件头开始播放来进行检测。 4 鲁棒性能要求。水印应当能够抵抗更多有意或无意的视频攻击，这些攻击 包括压缩编码、信号叠加、数模转换、压缩等。由于视频跟图像之间的区别，使 得视频水印还得能抵抗一些专门针对视频文件的攻击，如帧速率转换、帧插入和 帧重组和帧删除等。 7 中山大学硕：t 学位论文 5 水印的不可见性方面。视频比静止图像多了时间维度，因此对不可见性的 要求从静止的扩展到了动态的；除了需要确保每一帧中的水印不可见之外，还要 满足当视频连续播放时的不可见，如不出现明显的闪烁感。 6 盲检测要求。水印的提取应做到无须原始视频数据的参与，这样能提高算 法的适用性，满足实际运用需求。若在检测提取水印时使用到原始视频，将大大 增加运算量，影响实时性；同时，视频数据量较为庞大，接收端难以获取到原始 视频数据再进行检测。 7 确保视频速率恒定。水印嵌入之后，不能增加视频比特流的速率，必须服 从传输信道规定的带宽限制。如果因为嵌入水印信息而引起码率的变化，可能破 坏音视频的同步，引起失真。 2 2 2 视频水印的应用领域 目前，视频水印技术主要应用于以下领域1 6 1 ： 1 防止非法复制：在视频复制播放的硬件中应用水印技术进行身份验证， 当设备工作的时候，通过检测视频上是否具有水印信息从而决定该文件应不应播 放。水印信息可以分为几种权限，“次数限制拷贝”，“禁止拷贝等，这样就可 以拒绝非法拷贝媒体的流行和使用。同样，对于广播、电视节目、网上视频等多 媒体服务的访问也可以采用这样的形式，对身份认证进行权限控制。 2 视频内容认证：该功能主要用于保护视频作品的完整性。内容认证一般 使用脆弱性水印或半脆弱性水印，水印信息与视频本身相关。当作品受到攻击的 时候，水印信息将发生变化，所以可以通过检测水印状态来判断作品是否遭受过 攻击。 3 版权保护：版权保护功能是水印信息的最基本应用。作者将版权信息通 过密钥产生水印信息，嵌入到视频中去，然后再将水印作品发布出去。当有人进 行侵权或者盗版时，版权所有者可以通过从非法传播的作品中提取出视频水印， 证实作品的归属权，从而保护了版权所有者的权益。 4 数字指纹：数字指纹是指针对不同的拷贝嵌入不同的水印信息，用于分 辨出不同的用户身份。当出现未经授权的操作时，可以通过水印信息判断出用户 8 第二章视频水印技术概述 的身份。数字指纹典型的应用例子是视频点播系统，将用户的i d 作为数字指纹 嵌入到视频中，用以跟踪用户是否有超越其许可权限的行为。 5 保密通信：把需传递的秘密信息嵌入到视频载体中，由于嵌入信息后视 觉上并未出现明显改变，人眼难以察觉。只有指定接收方知道提取密钥以及提取 算法才能从中提取出水印信息，从而实现信息的安全传输。 2 2 3 视频水印的模型 文献f 4 】【8 1 提出的水印框图概括描述了当前一般水印系统的组成和大体流程， 该模型将水印信息定义为数字信号， d w = w ( 七) i 以后) n ，k w ) d 其中，w 表示维数为d 的水印信息域， 止图像和视频序列的不同水印信息。 n = - 1 ，1 ) ) 。 ( 2 - 2 ) d 取值为1 ，2 ，3 ，分别对应表示音频、静 水印信息可以是二值序列( n = o ，1 ) 或 水印基本框架可以定义为六元体( 尸，形，k ，g ，e ，d ) ，其中：尸代表所要保护的 数字媒体尸的集合；w 代表所有可能水印信号形的集合。k 是水印密钥的集合。 g 表示利用密钥k 和待嵌入的水印x 共同生成的水印算法，即 g ：p xk 专形，w = g ( p ，k )( 2 - 3 ) e 表示将水印形嵌入数字产品忍中的嵌入算法，即 e ：p x w 专p ，只= e ( e o ，k ) ( 2 - 4 ) 这里，b 代表原始的多媒体产品，己代表嵌入水印后得到的多媒体产品。d 代 表水印检测算法，即 d ：p xk - - 4 o ，1 ) ，- 撩鬈嚣， 协5 ， 这里，风和日。代表二值假设，分别表示水印的有无。 视频主要以两种方式存在：原始视频和压缩编码后特定格式的视频。根据水 印嵌入时机的不同，可以将水印算法分为三种【2 】：前置视频水印、内置视频水印 9 中山大学硕士学位论文 和后置视频水印。前置视频水印是对原始视频数据直接进行处理，在原始视频上 加入水印信息。另外两种水印是指在视频水印算法跟某种视频标准相结合，在压 缩域中嵌入水印。如果在编码过程中嵌入水印，称为内置视频水印；在压缩码流 中嵌入水印则称为后置视频水印。如图2 2 所示【5 l ： 原始视频 数据 原始视频 数据 内置水印 ( a ) 水印嵌入过程 压缩视频 码流 压缩视频 码流 ( b ) 水印提取过程 图2 - 2 视频水印系统模型 由示意图可以看出，前置水印直接作用在原始视频数据上。优点是：水印的 嵌入算法比较多，很多图像水印方案可移植到视频中，嵌入水印的视频码流不会 对编码器有任何影响。但是该方法的缺点也很明显：直接对原始数据进行操作， 计算量较大，容易降低视频质量；由于嵌入了水印之后还必须经过编码器进行压 缩，水印信息容易丢失。进行水印提取时必须将码流解码出来之后再对原始视频 进行提取，大大增加了算法的复杂度。 对于内置水印，嵌入过程是在视频的压缩编码过程进行的。通常将水印嵌入 到编码阶段的量化系数或者运动矢量上，其优点是嵌入水印信息能很好的跟视频 相结合，不会增加视频流的数据比特率，可设计出抵抗多种攻击的水印。缺点是 必须结合编码器来进行水印算法的选择，必须对编码器进行修改。由于本文的水 印主要用于抵抗再压缩攻击，故选择了该水印类型进行研究。 对于后置水印而言，将水印信息嵌入到视频压缩码流中，最大的优点是不需 1 0 第二章视频水印技术概述 要经过编解码过程，对于视频的信号影响最小，且具有很高的实时性。但是由于 受到了压缩比特率的限制，嵌入容量受到限制，而且水印的嵌入可能会对视频解 码系统中的运动补偿回路造成影响。 2 3 视频水印研究现状 由2 2 3 节的内容可以知道，水印嵌入主要在于原始数据和压缩域上。接下 来主要分析当前视频水印的研究现状，介绍较为经典的水印算法。 2 3 1 原始视频水印方案 根据水印嵌入和提取之前是否对视频文件进行某种变换操作，可以将前置水 印分为空域水印和频域水t 9 j 。空域水印是直接对原始视频进行操作，而后者则 需要对原始视频数据进行某种变换，如d c t ，d f t 或d w t 等操作，然后在变 换域中进行水印的嵌入和提取。 1 空域水印 空域水印是指直接在原始视频数据中嵌入水印。其优点是算法简单、复杂度 低，可以借鉴许多在图像水印上的算法。缺点是在鲁棒性和不可感知性方面的性 能较差。空域水印的代表算法有： 1 ) t o k a r 等】借鉴于直接扩频通信技术的思想在原始水印中嵌入信息。水 印信息扩频长度跟视频帧数一样，每一帧中都嵌入相同的水印信息，这样可以抵 抗恶意攻击后同步遭受破坏的问题。对水印信息进行扩频后，再利用随机序列产 生伪噪声信号叠加调制。然后根据嵌入视频帧的纹理特点和鲁棒性要求，确定嵌 入强度系数。该算法能增强水印的鲁棒性能，但是由于计算量大不能满足实时性 要求。 2 ) a l p e rk o z 等1 4 5 】提出根据人眼视觉系统( h v s ：h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 的 特点，对时间维度信息建立时间对比阈值，并结合文献【4 q 中提到的空间维度信息 判断等条件，用于决定水印的嵌入强度，使得水印信息对视频质量的影响最小。 将整个视频序列转化到三维坐标系中，通过随机序列选择嵌入宏块，然后将扩频 调制好的水印信息嵌入到宏块中。 中山人学硕士学位论文 3 ) l a n c i n i 等【4 3 1 提出一种在空域中嵌入鲁棒水印的算法。算法中通过构建亮 度掩蔽，纹理信息掩蔽和空间维度信息掩蔽对视频帧信息进行过滤提取，得到原 始图像的过滤信息图。水印信息进行误差校正编码之后嵌入到该过滤信息图中， 如图2 3 所示的嵌入过程。嵌入载体为每一帧中的亮度系数，同时为了解决信息 提取的同步问题，通过嵌入标识符合来进行定位。该算法能抵抗普通的几何攻击 如剪切，大小调整等攻击，由于亮度信息的特点使得水印能抵抗m p e g 压缩攻 击。 v s 图2 - 3 水印嵌入过程示意图 空域算法都直接在原始像素上进行水印的嵌入提取操作，主要优点是水印处 理的复杂度低，处理效率高，其他空域算法见文献 1 0 - 1 5 】中的经典算法。但随着 计算机处理能力的不断提高，运算能力大幅度提升，频域水印方法已经成为最常 见的方法。 2 频域水印 频域水印即先对原始视频数据进行某种变换( 如d c t 变换、小波变换和d f t 变换) ，然后在变换域中嵌入水印。频域水印的代表算法有： 1 ) l va n q i a n g 等【4 0 】提出了在三维d w t 域中，利用误差矫正编码和基于人 眼视觉系统h v s 特点来嵌入水印信息。水印嵌入前进行a r n o l d 变换，然后再进 行t u r b o 编码预处理。对于视频则首先依据h v s 进行分割，然后变换到三维d w t 1 2 第二章视频水印技术概述 域中将水印信息嵌入到d w t 系数中。该算法能抵抗共谋攻击、时间同步攻击和 压缩攻击。 2 ) d e g u i l l a r m e 等【1 7 1 提出的一种在视频序列的三维d f t 域中嵌入水印的算 法。通过将视频序列划分为帧序列，这样可以降低计算量了提高效率，然后水印 的嵌入或提取分别在每个序列上重复进行。先将水印信息进行扩频处理，再对帧 序列做d f t 变换，选择d f t 中的中频系数来嵌入水印。该算法能抵抗噪声攻击， 简单过滤和m p e g 压缩处理等。 3 ) s hl i u 等【4 1 1 提出了基于相邻宏块问亮度值具有强相关性的性质来嵌入水 印，嵌入载体是i 帧和p 帧中的d c t 系数。对水印信息先利用密钥进行置乱处 理，再选取两个相邻宏块的a c 系数进行水印信息嵌入。算法通过采用重复嵌入 和最优恢复策略来确保水印提取的同步性。该算法具有较好的鲁棒性能，能抵抗 多次的再压缩攻击。 还有如文献【1 6 1 8 】 1 9 【2 0 】等经典算法，频域水印综合利用人类视觉特性、 视频序列时空特性，频域变换和数字通信等技术，提高了水印的不可感知性和鲁 棒性。 2 3 2 压缩域视频水印方案 压缩域水印的实现，关键问题在于水印载体的选择。结合本文的研究方向， 主要介绍基于m p e g 2 的视频水印方案，几种经典算法如下： 1h a r t u n g 和g i r o d 掣2 1 】提出了利用扩频( s p r e a ds p e c t r u m ) 的思想在m p e g 一2 压缩视频中嵌入水印的算法。算法中将载体信号看成传输信道，水印则看出在该 信道上传输的信息。首先，将水印信号s 1 进行扩频处理得到新序列s 2 ，然后用 幅度调节因子对水印信息进行自适应幅度调整，再进行8 * 8 的d c t 变换，并将 变换后的系数线性叠加到原8 * 8 d c t 系数上。再进行量化、编码操作，水印便成 功嵌入到视频中了。 2y w a n g 和a p e a r r n a i n l 4 2 1 提出了一种可以抵抗视频尺度缩放攻击的盲水 印方案。首先是将视频序列分成三帧一个小组，如图2