（计算机应用技术专业论文）mpeg4视频水印技术的研究.pdf

摘要 随着计算机网络和多媒体技术的广泛应用，多媒体知识版权保护成为急迫解决的 问题。m p e g 4 作为一种新型的基于对象的压缩标准有着广泛的应用前景。基于 m p e g 4 的视频水印技术得到越来越广泛的研究与应用。 本文首先介绍了视频水印的概念、主要特征、分类及技术难点，分析了m p e g 一4 视频压缩标准的原理，研究了典型的m p e g 4 视频水印算法。在此基础上提出了一种 基于d c t 域的m p e g 4 视频水印技术的设计方法，详细给出了算法设计实现的过程及 仿真试验结果。该方法综合小波变换、混沌理论及扩频技术对水印图像进行预处理， 并根据图像纹理特征复杂情况选择水印的嵌入域，采用改进后的l s b 算法将水印信息 嵌入到部分解码的m p e g 4 视频i - v o p 的色度子块的d c t 直流系数( d c ) 中。 仿真及检测结果表明，该算法在不可见性、鲁棒性、实时性和安全性方面的性能 良好，满足水印的随机检测性。 关键词：m p e g - 4 ，离散余弦变换( o c t ) ，视频水印 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r ka n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y ， m u l t i m e d i ak n o w l e d g ec o p y r i g h tp r o t e c t i o nb e c o m e sa l l u r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e d m p e g - 4a san e w t y p eo fc o m p r e s s i o ns t a n d a r db a s e do no b j e c tc a nw i d e l yu s e d s o ，d i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y b a s e do nm p e g - 4h a sg o tm o r ea n dm o r ee x t e n s i v er e s e a r c h t h i s p a p e r i n t r o d u c e sv i d e o c o n c e p t ，m a i nc h a r a c t e r i s t i c ，c l a s s i f i c a t i o n a n d t e c h n o l o g i c a l d i f f i c u l t p o i n t o fv i d e ow a t e r m a r ka t f i r s t ，a n a l y z e s t h em p e g 一4 p r i n c i p l e ，s t u d i e st h em a i nv i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sb a s e do nm p e g 4 b a s e dw h i c h ，a m e t h o do fv i d e ow a t e r m a r k i n gw h i c hi sb a s e do nd c td o m a i ni nm p e g 4i sd e s i g n e d t h i s p a p e rp r o v i d e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nc o u r s eo fa l g o r i t h m ，a n dt e s tr e s u l t t h e a l g o r i t h mu s e sw a v e l e tt r a n s f o r m sc h a o st h e o r ya n ds p r e a df r e q u e n c yt e c h n o l o g yt od ot h e w a t e r m a r k i n gp r e t r e a t m e n t ，a n dc h o o s et h ew a t e r m a r k i n ge m b e d d e dd o m a i na c c o r d i n gt ot h e t e x t u r ec h a r a c t e r so fv i d e oi m a g e s t h ea l g o r i t h m ，w h i c hu s e sf o rr e f e r e n c eo ft h ei d e ao f l s ba l g o r i t h m ，e m b e d st h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni n t od c c o m p o n e n ti nd c td o m a i no f i v o p t h er e s u l t sw h i c ht h e p a p e rp r o g r a m st h ea l g o r i t h ma n dd o e st h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ew a t e r m a r kh a sg o o di n v i s i b i l i t y ，r o b u s t n e s s ，r e a lt i m ec a p a b i l i t y a n ds e c u r i t y ，a c c o r dw i t ht h er e q u i r e m e n to fr a n d o mt e s ta l s o k e yw o r d ：m p e g - 4 ，d i s c r e t es e n s i t i v i t yf u n c t i o n ( d c t ) ，v i d e ow a t e r m a r k i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，m p e g 4 视频水印技术的研究 是本人在指导教师的指导下，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。对本文的研究做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。 作者签名：二阜备l 年一月一日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：聋聋 年一月一日 指导导师签名： 年一月一日 第一章绪论 1 1 视频水印技术的研究背景及意义 随着信息技术和计算机网络的飞速发展，数字产品在电子商务中占据了巨大的份 额，人们可以足不出户从互联网上获得图像、音频、视频等数字作品。与此同时，利 用先进的多媒体处理软件，盗版者可以对原数字作品制作出完美的拷贝，甚至不留痕 迹地对作品做出各种各样的篡改，并通过网络发布。这就带来了一系列的问题：如何 保护原作者的产权；如何控制拷贝的数量；如何确认作品是否完整，内容是否真实有 效等等。因此，数字媒体的安全问题成为瓶颈问题，制约着数字化的进程，若得不 到解决，将可能导致书籍、音乐、电影、软件等电子出版业的不健康发展。那么，如 何既充分利用网络的便利，又能有效地保护知识产权，已成为数字世界中一个极其重 要和紧迫的议题。 密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一。它是基于香农信息论及密码 学理论的技术，现有的数字内容的保护多采用加密的方法来完成，进而达到信息安全 和版权保护的目的。但是，这种方法应用于数字媒体中有三个缺点n 1 ： 1 数字媒体一旦被解密，就不再受保护，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，严重影响人 们利用网络的效率。 3 密文形式的数字媒体极容易引起攻击者的注意，从而受到恶意的攻击。 因此，数字世界迫切需要一种对密码学进行补充的技术或是替代技术，它应该甚 至在加密内容被解密后仍能够继续保护内容。这样，人们提出了一个新兴的信息隐藏 的概念数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 。数字水印技术是目前信息安全技术领域 的一个新方向，是一种可以在开放的网络环境下保护版权、认证来源及完整性的新型 技术，创作者的创作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌 入到多媒体中，人们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或计算机软件才可以 检测出隐藏的数字水印。 数字水印应用于图像，引起了学术界、电子出版界的极大兴趣，同时也被广泛应 用于视频、音频等其他数字媒体。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3 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，随着大量数字视频 产品如v c d 、d v d 和网络多媒体的出现，对视频数字产品版权保护的市场需求日益迫切， 视频水印技术已经引起工业界的浓厚兴趣，并日益成为困际上非常活跃的研究领域。 因此，对视频水印技术的研究，不仅具有现实的学术意义，而且具有长远的经济效益 和社会效益。 1 2 视频水印技术的国内外研究现状 多媒体数据中嵌入数字水印，可以确立版权所有者、认证多媒体来源的真实性、 识别购买者、提供关于数字内容的附加信息以及跟踪侵权行为等。数字水印技术为实 现有效的信息版权保护提供了一条崭新的思路，成为多媒体信息安全研究领域的一个 热点问题1 。数字水印的发展始于九十年代初期，1 9 9 0 年t a n a k a 等怕1 将一些信息隐 藏在视听数据中并不被感知；1 9 9 3 年t i r k e l 等“1 正式提出了水印( w a t e r m a r k i n g ) 一词， v a ns c h y n d e l 在i c i p 9 4 会议上发表的题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k i n g ”的论文标志着这 一领域的开始。1 9 9 5 年前后，人们对数字水印的兴趣猛增。第一届国际学术会议信息 隐藏学术讨论会( i h w ) 1 于1 9 9 6 年召开，会议把数字水印作为它的主要议题之一。 国际光学工程师学会( s p i e ) 从1 9 9 9 年开始举办专门的“多媒体内容的安全与水印” 讨论会8 卜9 1 ，i e e e 也出版了关于数字水印的专题，一系列高质量的数字水印论文陆 续发表。 目前，世晃各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与并投资支持此方面的 研究。在美国，麻省理工学院媒体实验室( m i tm e d i al a b ) 、n e c 研究学院( n e c r e s e a r c hi n s t i t u t e ) 、p u r d u e 大学以及i b m 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。在欧洲，启动了一系列网络版权管理项目，如有名的 m p r i m a t u r e 项目，这些项目的开展给网络多媒体作品版权地保护提供了坚实的基 础。与此同时，一些组织开始考虑包含不同标准的水印技术。拷贝保护技术工作组 ( c p t w g ) n 们出于保护d v d 碟中视频的目的测试了水印系统。安全数字音乐主创组 ( s d m i ) n u 将水印做成他们的音乐保护系统的核心技术。欧盟赞助的“欢呼 ( v i v a ) n 2 1 和“护身符”( t a l i s m a n ) 3 1 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( 1 s o ) 贝j j 对该技术用于高级m p e g 标准设计的情况很感兴趣。同时数字水印的 成果也丌始商业化，v e r a n c e 企业采用s d m i 第一阶段的技术，其产品被诸如l i q u i d a u d i o 等国际互联网音乐发行人使用。图像水印方面，d i g i m a r c 公司把水印的嵌入和检 测器与a d o b e 公司的p h o t o s h o p 捆绑在一起1 。 我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构 投入到这一领域的研究中来。1 9 9 9 年底，北京电子技术应用研究所举办了第一届全国 信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ，至今已成功的举办了七届，第八届将于2 0 0 9 年3 月在 湖南大学召开，该会议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。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、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京 大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所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，众多的学术成果表明， 我国科研工作者在数字水印方面的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究 思路。同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常的重视，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n 5 1 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 化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2 0 0 2 年在上海创办了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， 该公司现从事数字证件、数字印章、p d f 文本、分块离散图象、视频、网络安全等多 方面数字水印技术的研究，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，但该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，从而更加推 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。 数字水印技术迅速发展，其研究方向也从最初的文本水印和图像水印发展到如今 的视频水印。目前，数字视频的水印技术在国际领域发展相对较快，也有一些骄人的 成果，如希腊的a l p h a t e 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 公司也有名叫s y s c o p 的视频版权保护软件；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。而国内仍然处于初步阶段，中山大学的黄继武等，天津大学的张春 田等，以及西北工业大学的贾林等在这方面也做了一定的研究。但目前的研究成果很 难满足实际的需要，这主要是因为伴随着数字水印技术的发展，针对水印的攻击方案 也越来越多、越来越先进，到目前业界还没有研究出一个真正能够抗击各种水印攻击 的视频水印方案。如何在水印的不可感知性、鲁棒性等方面达到较完美的结合，开发 出更有实用价值的视频水印系统，是所有从事数字水印技术研究的机构和个人需要继 续研究和探索的主要课题。 1 3 本文的主要内容 本文旨在深入理解视频数字水印技术的发展状况和现有国内外基本算法的基础 上，结合m p e g 4 视频压缩标准，提出一种基于m p e g 4 视频压缩格式的视频水印方 案，使视频水印的鲁棒性、不可感知性、安全性、实时性等得到改善，并进行实验仿 真加以检测。 具体的研究内容如下： 3 1 系统综述视频水印系统的主要特征、一般模型以及国内外的研究现状，深入分 析视频水印系统中的关键技术，并总结目前视频水印的研究难点。 2 深入研究m p e g 一4 视频压缩标准的原理，分析与m p e g 一4 压缩标准相结合的水 印技术新的性能要求，着重研究现有的m p e g 4 视频水印技术典型算法，并比较其特 点和不足。 3 通过对现存视频水印方案的研究，提出了一种基于d c t 域的m p e g 一4 视频水印 技术的设计方案。该方案综合小波变换、混沌理论及扩频技术对水印信息进行预处理， 考虑图像复杂纹理特征情况来选择水印的嵌入域，采用改进后的l s b 算法将水印信息 嵌入到部分解码的m p e g 4 视频i - v o p 的色度子块的d c t 直流系数( d c ) 中，在保证 水印不可见性的同时，减少了算法的复杂度，提高了水印的安全性和鲁棒性。 4 将设计方案进行了水印嵌入和提取的仿真实验，同时进行了客观的检测评估。 实验结果表明，运用该算法嵌入的水印在不可见性、鲁棒性、实时性和安全性方面的 性能良好，算法满足水印的随机检测性，达到了预期的结果。 1 4 本文的组织结构 本论文共分六章，具体结构如下： 第一章绪论，介绍了视频水印技术的研究背景、意义和国内外现状，并对本论文 的主要研究工作和论文组织结构进行了说明。 第二章介绍了视频水印的基本概念，归纳并总结了视频水印技术的主要特征、攻 击形式和技术分类，同时介绍了视频水印的模型，视频水印的特殊性和难点。 第三章介绍了m p e g 4 压缩标准的基础理论，包括m p e g 一4 编码的特性及原理， 并介绍了四种m p e g 4 的关键技术，然后通过对与m p e g 4 压缩标准相结合的水印技 术新的性能要求的分析，着重研究了现有的m p e g 4 视频水印技术典型算法。 第四章首先介绍了离散余弦变换、小波变换，在此基础上提出了一种基于d c t 域 的m p e g 4 视频水印设计方案，综合小波变换、混沌理论及扩频技术对水印信息进行 预处理，考虑图像复杂纹理特征情况来选择水印的嵌入域，采用改进后的l s b 算法将 水印信息嵌入到部分解码的m p e g 4 视频i - v o p 的色度子块的d c t 直流系数( d c ) 中， 并详细阐述了该设计方案的基本思想及设计步骤。 第五章将设计方案进行了水印嵌入和提取的仿真实验，同时进行了客观的检测评 估。实验结果表明，运用该算法嵌入的水印在不可见性、鲁棒性、实时性和安全性方 面的性能良好，同时，算法满足水印的随机检测性，达到了预期的结果。 第六章是对全文的工作进行了总结，并给出了对未来工作的展望。 4 第二章视频水印技术概述 视频水印，可理解为针对数字视频载体的主观和客观的时间冗余和空间冗余加入 信息，即不影响视频质量，又能达到用于版权保护和内容完整性检验目的的数字水印 技术。视频水印在一些基本的原理上与基于图像的水印是非常类似的。但视频作为图 像序列这一事实，也表明视频水印不能完全照搬图像水印技术。视频水印在嵌入量、 不可感知性和鲁棒性等方面的各种权衡要进行相应地调整。本章主要概述了视频水印 主要特征、技术分类、一般模型、攻击形式，分析了现有算法的特点和不足，总结出 视频水印的研究难点。 2 1 视频水印技术的主要应用领域 多媒体技术的飞速发展和i n t e r a c t 的普及带来了一系列政治、经济、军事和文化 问题，产生了许多新的研究热点，一些引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背 景。总的来说，视频水印技术有以下一些主要应用领域。 广播监测( b r o a d c a s tm o n i t o r i n g ) ：在数字广播节目的内容中，嵌入标记广播电台的 数字水印信息，通过监测系统的实时检测，判断节目内容的来源，便可有效地用于广 播监视，防止广播电台之间的大规模的侵权行为。在商业广告中嵌入水印，一个自动 监测系统能判断广告是否如合约履行，电视制品亦可受到广播监测系统的保护。 拷贝保护( c o p yp r o t e c t i o n ) ：在数字视频作品发行体系中，人们希望有一种拷贝保 护机制，即不允许未授权的媒体拷贝。在一个封闭或私有的系统中，数字视频需要特 殊的硬件来拷贝和观看使用，在视频作品中嵌入水印来标识允许的拷贝数，每拷贝一 份，进行拷贝的硬件会修改水印内容，将允许的拷贝数减一，以防止大规模的盗版。 视频鉴定( v i d e oi d e n t i f i c a t i o n ) ：目前许多视频编辑和处理软件可以轻易地修改数字 视频的内容，使得视频内容不再可靠。利用视频水印进行内容认证和完整性校验的目 的是检测视频内容的真实性，防止伪造的产生。 版权保护( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) ：目前，版权保护可能是水印最主要的应用，为了 表明对数字视频作品内容的所有权，数字视频作品所有者用加入代表版权信息的水印 嵌入原始载体对象中，并通过密钥控制其安全性，然后就可公开发布嵌入水印的数字 视频作品。当出现版权纠纷或盗版行为时，所有者可利用从盗版作品或水印作品中提 取水印信息作为依据，保护所有者的权益。 数字指纹( f i n g e r p r i n t ) ：为了避免未经授权的复制和分发数字视频，数字视频作品 的所有者可在其发行的每个拷贝中嵌入不同的水印( 数字指纹) 。如果发现了未经授权 的拷贝，则通过检索指纹来追踪其来源，从而知道破坏协议非法提供拷贝给第三方的 使用者。例如在即付即看( p p v ) 和视频点播( v o d ) 等实时视频流应用中，可以将用户 的l d 作为数宁指纹嵌入到视频中来跟踪用户是否有超越其许可权限的行为。 标题和注释( i n d e x i n g ) ：视频邮件的索引、注释可以水印的形式加入视频内容中； 作为电影或新闻的索引、作者及注释也可以水印形式加入，从而被搜索引擎搜索时使 用。 安全隐蔽通信( c o v e r tc o m m u n i c a t i o n ) ：视频水印同样可用于军事保密或商业保密， 其属于信息隐藏的范畴。发送者可以将秘密信息( 如软件、图像、数据、文本、音频、 视频) 嵌入到公开的视频中，只有指定的接收方才能根据事先约定的密钥和算法提取出 其中的信息，而其他人无法觉察到隐藏的水印，从而实现秘密信息的安全传输。 2 2 视频水印的主要特征 数字视频是由一系列连续的、等时间间隔的静止图像组成的6 1 ，相邻画面之间内 容具有高度的相关性；但视频作为静止图像的序列这一事实增加了一些额外的攻击方 法，如帧平均、帧裁减、和帧交换等，并且还存在动态编解码的过程。因此视频水印 在与图像水印有着很多相同特点的同时，它还有一些图像水印不具备的特征n 7 1 ，但总 的特征可以概括为： 1 安全性：水印被嵌入视频后非授权人不能将其修改删除。只要不知道确定的参 数即水印密钥，即便知道水印嵌入和提取算法，也不能够检测、修改或者删除水印， 这是密码学中著名的k e r c k h o f f s 原则。 2 鲁棒性：视频水印在经历多种无意或有意的攻击后，数字水印仍能保持完整或 仍能被准确鉴别。这些攻击包括信道噪声、滤波、数模与模数转换、二次采样、剪切、 位移、旋转、尺度变化以及有损压缩编码等；另外，视频水印还应能抵御各种有意的 破坏，包括水印密钥的攻击、视频同步的破坏等。在保证数据对象的使用价值的前提 下，无法擦去水印信号，是衡量一种水印算法优劣的关键n 盯。 3 不可感知性：视频中嵌入的水印应该是视觉上不可感知的，不会因为嵌入水印 而降低视频的质量，从而破坏或降低视频数据的商业价值。当然，需要嵌入可见水印 的情况除外。 4 实时处理性：由于视频的数据量很大，帧间和帧内存在大量的信息冗余，而水 印技术的实时性要求计算复杂度尽可能低，因此视频水印的嵌入和提取都需要借助快 速算法。如何在提高水印的处理速度的前提下又保证其鲁棒性，是视频水印研究的热 点问题。 5 随机检测性：确保在视频的任何位置、在较短时间内( 不超过几秒) 检测出水印。 随机检测性比实时性具有更严格的要求，一个水印方案是实时的，但若只能从视频的 开始位置按播放顺序一步一步检测出水印，则不具有随机检测性；若是跳转到视频的 任何一个位置，都能够在很短的时间内检测出水印，则说明具有随机检测性。 6 盲检性：检测时不需要原始宿主信号的水印，称为盲水印，否则称为非盲水印。 原则上讲，使用原始宿主信号更有利于检测和提取信息，但检测时用到的原始宿主信 号容易暴露给恶意的攻击者。而且，在某些应用中并不能获得原始的宿主信号；即使 能够获得原始宿主信号，由于数据量巨大，使用原始宿主信号也是不现实的。对于视 频数据来说，这一点表现得尤为突出。因此，目前主要研究的是盲视频水印技术。 7 水印容量：对于视频水印，我们规定水印容量为在单位时间内嵌入水印信息的 数据量。对于视频而言，可用的信号空间很多，水印数据可以分散到连续的画面上， 对单幅画面隐藏水印信息的容量要求不高。通常我们要求能够有尽量高的嵌入水印速 率。一个水印系统能够嵌入水印信息的最大理论值可以从信息论的角度计算出来1 9 1 。 8 与视频编码标准相结合：视频数据由于其数据量极大，在存储、传播中首先要 对其进行压缩，现在最常用的视频压缩编码标准是m p e g 1 ，m p e g 2 和m p e g 4 。如 果是在压缩视频中嵌入水印，很显然与视频的压缩编码标准相结合；如果是在原始视 频中嵌入水印，由于水印嵌入是利用视频的冗余数据来携带信息，而视频压缩编码则 需要去除视频中的冗余数据；如果不考虑视频压缩编码标准而盲目地嵌入水印，则嵌 入的水印很可能在编码过程中就完全丢失了。 2 3 视频水印的攻击形式 视频水印攻击是指在不伤害水印载体内容的前提下，通过处理，使得水印检测系 统不能正确恢复水印信号或是无法检测到水印的存在，以及使得水印无法提供法律上 的可证明性，致使水印无效。目前视频水印攻击还难以完全解决，数字水印在版权保 护、访问与拷贝控制、数字指纹等方面的应用都受到很大的限制。视频水印极易受到 各种各样的操作处理，每种不影响到视觉质量的处理都可看作是有意或无意的水印攻 击。目前视频水印的攻击主要有以下四种情况伽1 ： 1 简单攻击。简单地通过对整个加水印数据的处理，并不是去识别并分离水印，旨 在削弱水印信号。所以对付此攻击的最佳方法就是将水印嵌入到图像中可感知的重要 部分。 2 同步攻击。攻击方法试图破坏相关性水印的相关性，使得水印检测器无法恢复 水印信息。由于它虽不直接除去图像中的水印，但却很难被检测出来，因此目前这种 攻击仍是许多水印算法的严重缺陷。 3 “混淆”攻击。通过伪造原始数据或伪造加水印数据而造成混淆，使得原来水 印不能被判断和不再说明任何意义。这种攻击仅仅在水印作为版权证明时有用。拷贝 攻击2 通过伪造合法水印，使得无法判断真实的保护对象，从而导致在某些应用场合 的水印功能失效。 4 移去水印攻击。经过对加水印数据分析，估计出水印或载体数据，从而将水印 从载体中分离，去掉水印。统计平均和共谋攻击通过统计分析的方法，得到近似无水印 的载体或原水印信号，从而能达到基本移去水印的目的。此两类攻击方法均属移去水 印攻击。 以上四种分类之间没有绝对清晰的界限，具体方案中，有时往往一种攻击方法包 含着以上两种甚至更多的种类。 2 4 视频水印技术分类 对于视频水印技术，按不同的分类标准，有不同的分类。现简要介绍如下： 按载体类型分类：分为基于原始视频方案和基于压缩视频方案。基于原始视频的 水印算法，是对未经编码的视频流数据直接进行处理，在原始视频中嵌入水印。基于 压缩视频的水印算法，则与某种视频压缩标准如常见的m p e g 1 ，m p e g 2 或m p e g 4 相结合，在编码视频数据中嵌入水印2 。 按嵌入域分类：主要可分为空域( 或时域) 方案和变换域( 或频率域) 方案。空域替 换方法是用待嵌入的信息替换载体信息的冗余部分。用待嵌入信息位替换载体中的一 些最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 就是一种简单的替换方法，只有知道隐藏信 息嵌入的位置才能够提取信息。变换域方法是在宿主信号的某个变换域，如d c t 或 d w t 变换后的系数中嵌入水印信息。变换域的优点，是在变换域中嵌入的信号能量可 以分布到空域的所有像素上；在变换域中，人的感知系统的某些掩盖特性可以更方便 地结合到编码过程中；变换域方案可与视频压缩标准兼容。 按密钥分类：分为对称水印方案和非对称水印方案。若嵌入和提取采用相同密钥， 则称其为对称水印( s y m m e t r i cw a t e r m a r k ) ，否则成为非对称水印( a s y m m e t r i c w a t e r m a r k ) ，也称为公钥水印( p u b l i ck e yw a t e r m a r k ) 。 按检测时是否需要原始宿主信号分类：分为盲水印方案和非盲水印方案。一般来 说，视频水印方案在检测时是不需要原始的宿主信号。 按水印特性分类：分为鲁棒水印方案和脆弱水印方案。鲁棒水印在经受各种有意 和无意的攻击后，仍能够有效检测或提取；脆弱水印则对于信号的改动比较敏感，可 应用于纂改提示。 按水印的可见性分类：分为可见水印方案和不可见水印方案。目前的研究集中在 不可见水印领域。但是，在某些应用中可能需要嵌入可见的水印，比如在视频中嵌入 “d e m o ”，“t e s t 等标识信息，对拷贝行为提出警告。 按水e pn - 否反向求出分类：分为可逆水印和非可逆水印。c r a v e r 等2 2 1 提出了两种 非可逆水印生成方法：利用单向函数和从图像内容构造水印( 使水印包含图像信息) 。 非可逆水印对基于估计水印的攻击具有很强的鲁棒性。 分类方法还有很多，比如可以按用途、内容等来分类。各种分类也不是相互独立 的，而是相互交叉相互融合的。比如，用于判断视频是否遭受攻击的水印，应当具有 不可见性和脆弱性，并且一般使用盲水印方案。本文研究的主要内容是基于压缩视频 的条件下的不可见的鲁棒盲水印方案。 8 2 5 视频水印的模型 原始视频斑 j l ，r 视频编码器 jlr 三! jl 水印嵌入水印嵌入水印嵌入 方案一方案二方案三方案三 方案二方案一 图2 1 视频水印方案框图 通过分析现有的数字视频编解码系统，可以将目前视频水印的嵌入与提取方案分 为以下几种类，如图2 1 所示： 1 视频水印嵌入方案一，在原始视频中嵌入水印。 原始视频水印是将水印嵌入到原始的视频码流中，形成含有水印信息的原始视频码 流，然后进行视频编码。检测或提取水印时先将压缩码流解码，重建原始视频码流后从 中检测或提取水印信息。此类方案的优点是：可以充分利用静止图像的水印技术，如扩 频、人类视觉模型、图像自适应、水印不可逆、同步检测机制等，并且算法较为成熟。 缺点是：增加视频码流的数据比特率，影响视频速率的恒定性；对于己压缩的视频，需 要先进行解码，然后嵌入水印后再重新编码，增加了计算的复杂性并降低视频的质量； 水印很容易被用帧平均的方法去除。 原始视频水印，其算法可分为空域水印和频域水印两种。空域水印即直接在原始 视频数据中嵌入水印，典型代表：h a r t u n g 等提出了一种借鉴扩频通信( s p r e a ds p e c t r u m ) 的基本思想在未压缩视频中嵌入数字水印的算法( h & g 算法) 2 3 1k a l k r 等将视频看成 一系列的静态图像，在数个连续的帧中嵌入相同的水印 2 4 1 0 空域水印的优点是算法简 单、复杂度低，嵌入的信息量大；缺点是鲁棒性和不可感知性方面的性能较差。因此 此类算法适合在处理器速度较低时使用，随着处理器速度的提高，则更多地使用频域 算法。频域水印即先对原始视频数据进行某种变换，如离散余弦变换( d c t ) 域、离散 傅立叶变换( d f r ) 域、离散小波变换域( o w t ) 、分形域、哈达玛变换域等，然后在变 换域中嵌入水印。该方法的典型代表：d e g u i l l a u m e 等在视频序列的三维d f t 域中嵌入 水印1 2 5 1 刘红梅等提出了一种基于d w t 的视频水印算法 2 6 1s w a n s o n 等提出的采用 三维小波变换的水印方案 2 7 1p i v a 等提出了一种在m p e g 4 视频流的视频对象中嵌入 水印的算法1 2 8 1 。在变换域嵌入水印，可以综合利用人类视觉特性、视频序列固有的时 间和空间特性、频域变换和通信领域的最新技术，来提高水印的鲁棒性。因此在变换 域嵌入水印，一直是人们研究的热点。采用频域水印时，降低计算复杂度是要重点考 9 虑的问题。 2 视频水印嵌入方案二，在编码压缩时嵌入水印。 在编码压缩时嵌入水印，可以将水印处理算法与视频编码结合成一个整体，水印 嵌入在编码阶段的离散余弦变换( d c t ) 域中的量化系数中，利用视频数据压缩的原理 输出含有水印的压缩比特流，嵌入和提取处理可以比较简单，能够实现水印嵌入和提 取的实时处理。此类方案的优点是：水印仅嵌入在d c t 系数中，不会增加视频流的数 据比特率；易设计出抗多种攻击的水印；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。而缺点是：对于已压 缩的视频，有一个部分解码、嵌入、再编码的过程，这样就会降低视频的质量。 现用视频压缩标准的基本编码思想是运动补偿预测和基于块的变换编码。除了 m p e g 4 采用形状自适应编码外，其它编码的变换均采用d c t 。c h u n g 等率先开发了 一种在编码压缩时嵌入水印啪1 ；l i n n a r t z 等提出修改m p e g 编码过程，根据水印信息 来选择编码视频帧所谓的图像类型1 3 0 1 朱仲杰等提出了一种在m p e g 2 压缩域的运动 运动矢量中嵌入水印的方法n 。 3 视频水印嵌入方案三，在压缩视频中嵌入水印。 压缩视频水印是将水印接嵌入到编码压缩后的比特流中。此类方案的优点是：不 需完全解码和再编码过程，因而不会造成视频质量的下降，同时计算复杂度低。其缺 点是：由于压缩比特率的限制而限定了嵌入水印的数据量，而且，对于格式转换操作 的鲁棒性较差。 在d c t 系数中嵌入水印是目前研究得最多的技术，它可以借鉴图像d c t 水印的 成果，这方面的技术也最为成熟。h a r t u n g 等提出的利用扩频的思想对m p e g 2 视频压 缩码流进行水印嵌入的算法 3 2 1s i m i t o p o u l o s 等提出了一种将视觉分析和块分类技术 结合的在m p e g 流压缩域嵌入水印的算法 3 3 1 0 该算法的优点在于对d c t 系数量化之 后嵌入水印，由于量化之后执行m p e g 编码是无损操作，因此任何嵌入的信息不会在 后续处理过程中丢失。这样，当执行检测过程时，水印信息就会完整地存在于量化系数 中。也有些算法提出在运动矢量中嵌入水印。比如j o r d a n 等提出了一种直接针对 m p e g 4 编码视频流的水印方法并通过修改运动向量来嵌入信息。 2 6 视频水印技术的研究难点 水印技术存在的基础是其技术的先进性，它归根结底是利用冗余来携带信息，而 视频压缩的目的是去除冗余，因此好的视频水印方案应该充分考虑视频压缩编码的新 动向，紧密结合当前及未来的标准进行研究。对基于视频的水印技术的研究给我们提 出了一些新的问题和新的挑战。 1 抗攻击问题：视频数字水印不但可能会受到滤波、格式转换、图像剪切等图像 攻击，还可能会受到帧剪辑、帧重组、视频重编码等。如果对未压缩视频嵌入水印， 1 0 就必须考虑视频压缩处理，当前的视频压缩标准主要是m p e g 1 、m p e g 一2 、m p e g 一4 等。视频压缩会损失部分视频信息，同样，嵌入的水印信息也会在视频压缩编码的过 程中损失。因此，在对未压缩的视频中嵌入水印，必须对m p e g 编码具有健壮性。最 坏的情况是多种攻击的联合攻击，视频水印是盲检测的，很难抵御联合攻击。 2 运算复杂度：复杂的图像水印算法不一定对视频算法适用。因为视频数据量大， 而且要求实时性，嵌入、提取过程的时间不能太长。另一方面，视频编码很复杂，如 果水印算法考虑太多视频信号的特点，需要对视频全部解码，过程太复杂，而且算法 复杂度高不一定效果就好。 3 嵌入的信息量：前面的分析可知，视频中嵌入的水印量受到很多限制。对于上 文中提到的方案一，由于考虑到视频压缩中的信息损失，嵌入水印时往往用冗余的方 式来提高水印的鲁棒性，而且要选取那些对视频压缩有一定抵抗力的部分数据做载体， 因此限制了水印信息量；对于方案二，m p e g 编码器要对d c t 系数进行量化编码，d c t 系数经量化后部分为零，从而限制了嵌入的水印信息量；对于方案三，视频压缩比特 率的限制就对嵌入的水印信息量的限制。 2 7 本章小结 本章从视频水印的应用领域、主要特征、攻击形式、技术分类及模型四方面对视 频水印技术进行了全面的分析，通过对技术研究难点的总结，指出了视频水印未来的 研究方向。 第三章m p e g 一4 视频系统中的数字水印技术 一般来说，视频水印可以直接与视频编码、解码器相结合，通过利用视频数据压 缩的基本原理，根据编码数据的特性，水印的嵌入和提取处理可以比较简单，能够实 现水印嵌入和提取的实时处理。但是，要实现一个在鲁棒性、安全性和水印嵌入量等 方面达到均衡的水印系统，这就要求设计者必须熟悉和掌握视频编、解码器的工作流 程。 本文研究的是基于m p e g 4 压缩格式的视频水印技术，下面就将重点分析m p e g 4 视频相关的关键技术及现有m p e g 4 典型数字水印算法。 3 1m p e g 4 压缩标准 m p e g ，全称运动图像专家组( m o v i n g p i c t u r ee x p e l sg r o u p ) ，是i s o ( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d o r g a n i z a t i o n ) 与i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o n i cc o m m i t t e e ) 于1 9 8 8 年联合成立 的，致力于运动图像及其伴音编码标准化工作。它包括m p e g 音频、m p e g 视频和 m p e g 系统( 视音频同步) 三个部分。原先共有三个版本m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g 3 ， 后又增加了m p e g 4 和m p e g 7 。不同版本表示了不同用途和质量，这对多媒体通信 的发展起到了革命性的推动作用。 m p e g 4 标准称为甚低比特率视音频编码标准( v e r yl o wb i tr a t ea u d i ov i s u a l c o d i n g ) ，是由运动图像专家组m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e f l sg r o u p ) 建议的i s o i e c 标准1 ，于1 9 9 9 年2 月正式公布第一版本，又于2 0 0 0 年初成为国际标准，正式编号 是i s o i e c1 4 4 9 6 。与m p e g 1 和m p e g 2 相比，m p e g 一4 是针对数字电视、交互式绘 图应用( 影音合成内容) 、交互式多媒体( w w w 、资料撷取与分散) 等整合及压缩技术 的需求而制定的国际标准，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。m p e g 4 标准主 要应用于视像电话( v i d e op h o n e ) ，视像电子邮件( v i d e oe m a i l ) 和电子新闻( e l e c t r o n i c n e w s ) 等钉方面，其传输速率要求较低，利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和 传输数据，用最少的数据获得最佳的图像质量。 3 1 1m p e g - 4 编码的特性 m p e g 4 标准除了包含m p e g 系统所具有的随机存取、快速搜索、逆向播放、编 辑功能、编码与译码延时、视听同步、容错性外，更加注重多媒体系统的交互性和灵 活性，它支持新的或是改进的功能，这些功能可分为三类： 1 基于内容的交互性3 ，这是m p e g - 4 标准最大的特点。 ( 1 ) 基于内容的多媒体数据存取工具。 ( 2 ) 基于内容的石f i 流操作和编辑，在压缩域实现比特流的操作、编辑和可伸缩性。 ( 3 ) 自然与合成数据的综合编码，提供语法规则和工具，支持自然视频与合成数据 编码及码流的混合与同步。 ( 4 ) 基于内容的随机存取，能够对某一限定时间内及较高的分辨率码流内的任一点 的访问提供效率高的工具。 2 更高的编码压缩率。 ( 1 ) 改进视频压缩效率，在同等条件下其视频质量要好于己有的标准。 ( 2 ) 多并发数据流编码，支持对同一场景多视点的有效编码，对于立体视频，要求 具有利用信息冗余的能力。 3 灵活多样的存取模式3 。 ( 1 ) 易出错环境的鲁棒性，在发