（信息与通信工程专业论文）数字视频版权保护与内容认证的基本理论及关键技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 基于网络的信息交换为数字多媒体作品的使用、传播提供了便利的途径， 同时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。数字水印技术为数字化产品的版权保护提供了一 种有效的方法。然而当前数字水印的研究主要集中在图像数字水印技术上，对 视频和音频的数字水印研究相对较少。近年来，数字视频已成为大众生活中不 可或缺的娱乐方式，而相应的版权保护技术尚未发展成熟，这就使得以视频数 字水印为重要组成部分的数字视频产品版权保护技术的应用研究更为迫切。本 文深入研究了数字视频版权保护和内容认证技术，设计了三种用于视频版权保 护和内容认证的水印算法，并构建了基于m u l t i a g e n t 和数字视频水印的数字视 频作品版权保护与内容认证系统，用于开放式网络环境下视频数据的防拷贝和 版权实时跟踪与检测。本文主要研究工作如下： ( 1 ) 针对电子商务中数字视频作品的盗版问题，研究了一种基于h 2 6 4 压缩 标准的鲁棒盲检测视频水印算法，用于视频数据的版权保护。算法在h 2 6 4 帧内 预测变换阶段，通过一定的判定条件自适应嵌入水印，将扩频处理后的水印序 列嵌入到i 帧每个宏块中所有4 x 4 子块亮度分量的某个固定的高频d c t 变换系 数中，水印嵌入具有一定的自适应性，并在熵解码阶段实时盲提取水印，同时 引入基于l a g r a n g i a l l 优化算法的编码控制，从而提高水印视频码流率失真性能， 最后在h 2 6 4 软件参考模型j m 9 2 基础上对水印的嵌入和提取进行了程序仿真 实现，并对该算法进行各种实验测试和分析，结果表明，该算法在得到视频较 好率失真性能的同时，具有高的鲁棒性，较好解决了数字视频作品的版权保护 问题。 ( 2 ) 对于涉及到国家安全、法庭举证、历史文献等重要视频数据，如果出现 非法篡改，将会造成不良的社会影响或重大的政治、经济损失。从视频对象内 容完整性和可靠性认证出发，设计了一种视频内容认证半脆弱双水印方案。分 别提取视频对象的时域特征值和空域特征值作为双水印信号，其中时域水印是 取自h 2 6 4 视频中i 帧在时间轴上的序号，空域水印利用i 帧亮度分量块的d c t 系数绝对平均值得到。为了提高水印的安全性，对空域水印进行魔方变换加密。 武汉理工大学博士学位论文 在视频内容认证过程中，首先对时域攻击进行认证，采用单向链表检测时域篡 改类型。然后利用提取的空域水印和重构的空域检验水印对空域篡改进行定位。 在实验仿真部分，分别从不可见性、时域认证、空域认证和实时性方面做了大 量的实验，利用标准视频序列进行p s n r 值计算、时域帧序号插入，删除，移 位、空域内容删除，移动等多种测试，结果表明，本算法对视频合法操作具有 鲁棒性，而对于非法操作具有脆弱性，可以对视频内容从时域和空域同时进行 完整性认证，和对恶意篡改进行高精度定位。 ( 3 ) 在视频作品的多著作权问题上，需要多个不同的水印信号进行多版权认 证，达到对数字视频作品在不同阶段的版权保护目的。在分析了单水印的局限 性和多水印优势的研究基础上，设计了一种用于视频多版权保护水印算法。该 算法首先用m 序列变换对水印信号进行预处理，再提取视频数据的语义特征作 为特征矩阵，最后将特征矩阵与水印信号结合生成一个版权矩阵，并把这个版 权矩阵作为一个密钥，向可信任第三方( t t p ，t r u s t e dt h i r dp a r t y ) 注册，来保护 自己对原视频作品的所有权。如果发现侵权时，通过这个密钥提取视频数据中 与之对应的水印信号，来进行版权保护。并且各个水印之间相互独立，结果表 明，该算法解决了视频作品多版权问题以及数字产品在发布、销售、使用等不 同阶段的版权保护问题。 ( 4 ) 研究了开放式网络环境下数字视频作品版权管理系统框架及其存在的 问题，然后介绍了数字水印与a g e n t 在数字版权管理系统中的应用现状，构建了 基于m u l t i a g e n t 和数字水印技术的数字视频版权保护和内容认证系统模型，适 用于开放式网络环境下数字多媒体作品的安全资源共享。并对系统协议作了详 细分析，最后通过软件实现了系统主要功能模块。结果表明该系统具有可靠性 和实用性。 关键词：版权保护；内容认证：鲁棒视频水印；半脆弱视频双水印； 视频多水印；m u l t i a g e n t ：移动a g e n t ： m a d r m 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o n e x c h a n g eb a s e do nn e t w o r k sm a k e st h ea p p l i c a t i o na n d t r a n s m i s s i o nf o rd i g i t a lm u l t i m e d i aw o r k sm o r ec o n v e n i e n t h o w e v e rt h ei n f o r m a t i o n s a f e t ya n dc o p y r i g h tp r o t e c t i o nf o rd i g i t a lw o r k sa r eb e c o m i n gt h em o s tu r g e n t p r o b l e mt ob es o l v e db e c a u s eo ft h ee a s yi l l e g a lc o p ya n dt a m p e r i n g n o wd 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 ys u p p l i e sa ne f f e c t i v em e t h o dt op r o t e c td i g i t a lw o r k s c o p y r i g h t a tp r e s e n t , t h ed i g i t a lw a t e r m a r kr e s e a r c hi sf o c u s e do ni m a g e ，b u tv i d e o a n da u d i oa r el e s s i nr e c e n ty e a r s ，d i g i t a lv i d e oh a st u r n e di n t oa ni n d i s p e n s a b l e e n t e r t a i n m e n tw a y , b u tt h ed e v e l o p m e n to fi t sc o r r e s p o n d i n gc o p y r i g h tp r o t e c t i o n t e c h n o l o g yi su n a d v a n c e dy e t t h u st h ed i g i t a lv i d e oc o p y r i g h tt e c h n o l o g yi sc r i e df o r m o r ed e e pa p p l i c a t i o ns t u d y t h e r e f o r e ，i nt h i s d i s s e r t a t i o n , t h ed i g i t a l v i d e o w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o na r e m a d ead e 印s t u d y f i r s t l yt h r e ed i f f e r e n tw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s 哦p r e s e n t e d , w h i c ha e m p l o y e dt op r o t e c td i g i t a lv i d e oc o p y r i g h ta n dv a l i d a t ev i d e oc o n t e n t t h e nas y s t e mf o rd i g i t a lv i d e oc o p yp r o t e c t i o na n dr e a l ，t i m ec o p y r i g h tt r a c k i n gi n n e t w o r ki sp r o p o s e d t h em a i nr e s e a r c h e si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ei l l u s t r a t e d 弱 f o l l o w s ： ( 1 ) ar o b u s ta n db l i n dv i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m ei sp r e s e n t e dt op r o t e c tv i d e o c o p y r i g h t , w h i c hi sb a s e do nh 2 6 4v i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d a c c o r d i n gt ot h e a d a p t i v ej u d g m e n tc o n d i t i o n , t h es p r e a df r e q u e n c yw a t e r m a r k i n gs e q u e n c e i s e m b e d d e di n t os o m es p e c i a ld c tc o e f f i c i e n t so fe a c hif i r m e4 4l u m i n a n c eb l o c k s i nt h ei n t e r f r a m ep r e d i c t i o ns t a g eo fh 2 6 4 c o n s e q u e n t l y , w a t e r m a r k i n gm e t h o di s a d a p t i v e i nt h ee n t r o p yd e c o d i n gp r o c e s s ，w a t e r m a r ki se x a m i n e db l i n d l y m o r e o v e r , c o d i n gc o n t r o l l i n gi sa d o p t e d ，w h i c hi sb a s e d0 1 1l a g r a n g i a no p t i m i z a t i o na l g o d t h m t h u st h ev i d e ob i t ss t r e a mr a t ed i s t o r t i o ni si m p r o v e d f i n a l l y , w a t e r m a r ke m b e d d i n g a n de x t r a c t i n gs c h e m ea l es i m u l a t e dv i a t h es o t h a r er e f e r e n c em o d e lf o r h 2 似j m 9 2a n dm a n yk i n d so fe x p e r i m e n t sa r eu t i l i z e d 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 m e n d e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi si m p e r c e p t i b l e ，r e a lt i m e ，r o b u s t m 武汉理工大学博士学位论文 a n ds a f ef o rv i d e oc o p y r i g h t p r o t e c t i o n ( 2 ) as e m i f r a g i l ed u a lw a t e r m a r ka p p r o a c hi sp r o p o s e dt oa u t h e n t i c a t ev i d e o c o n t e n t t h et i m ea n ds p a c ed o m a i nc h a r a c t e r i s t i cv a l u e so fv i d e oa r ee x t r a c t e dt ob e t h ed u a lw a t e r m a r k s t h et i m ed o m a i nw a t e r m a r ki st h es e r i a ln u m b e r so fif r a m e s a n dt h es p a c eo n ei st h ea b s o l u t ea v e r a g ev a l u eo fd c ta c ( a l t e r n a t i n gc u r r e n t ) c o e f f i c i e n t si nif l a m el u m i n a n c eb l o c k i no r d e rt oi m p r o v et h ew a t e r m a r k i n gs a f e t y , t h es p a c ed o m a i nw a t e r m a r ki se n c r y p t e db ym a g i cc u b et r a n s f o r m a t i o n i nt h e p r o c e s so f v i d e oc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n , t i m ed o m a i na t t a c k sa r ei n s p e c t e df i r s t l ya n d t h ej u g g l e dt y p ei se x a m i n e dt h r o u g hau n i l a t e r a l i s ml i n k e dl i s t t h e nt h es p a c e d o m a i nt a m p e r i n gi sl o c a t e da c c o r d i n gt ot h ee x t r a c t e dw a t e r m a r ka n dr e c o n s t r u c t e d e x a m i n i n gw a t e r m a r k f i n a l l y , s e v e r a ls t a n d a r dv i d e os e q u e n c e sa l et e s t e db y c o m m o na t t a c k s ，s u c ha sp s n rv a l u e ，i n s e r t i n g r e m o v i n g c u t t i n gf l a m es e r i a l n u m b e r , d e l e t i n g r e m o v i n gs p a c ec o n t e n te t c e x p e r i m e n tr e s u l t sa l ec o m p l e t e dt o r e v e a lt h ei m p e r c e p t i b i l i t ya n dr e a lt i m eo f p r e s e n t e da l g o r i t h m ( 3 ) l i m i t a t i o no fs i n g l ew a t e r m a r ka n dp r e d o m i n a n c eo fm u l t i - w a t e r m a r ka r e i n l r o d u c e d t h e nav i d e oc o p y r i g h tp r o t e c t i o nm u l t i - w a t e r m a r ka l g o r i t h mi s r e s e a r c h e di nv i r t u eo ft h ec o n c e p to fz e r ow a t e r m a r k i n g a tf i r s t , w a t e r m a r ki s p r e p r o c e s s e db ym - s e q u e n c et r a n s f o r m a t i o n t h e nt h es e m a n t i cc h a r a c t e r i s t i co f v i d e od a t ai se x t r a c t e da si t sc h a r a c t e r i s t i cm a t r i x f i n a l l y , t h ec h a r a c t e r i s t i cm a t r i x a n dw a t e r m a r ka r ec o m b i n e dt ob ea no w n e r s h i pm a t r i x c o p y r i g h to w n e rc o u l dt a k e t h i so w n e r s h i pm a t r i xa sak e yt or e g i s t e ri tv i at r u s t e dt h i r dp a r t yt op r o t e c th i sr i g h t o n c ep i r a c yh a p p e n s ，t h ec o p y r i g h to w n e rc o u l du s et h eo w n e r s h i pm a t r i xa n dt h e s u s p e c t e dv i d e ot od i s t i l lt h ew a t e r m a r kt or e v e a lh i sc o p y r i g h t d i f f e r e n tw a t e r m a r k i sa p p l i e dt og e n e r a t e dd i f f e r e n to w n e r s h i pm a t r i xi ne a c hd i f f e r e n ts t a g e ，s u c ha s c o p y r i g h t , r e l e a s e ，d i s t r i b u t i o na n da p p l i c a t i o ne t c t h e s ew a t e r m a r k sa r ei n d e p e n d e n t a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ep r o p o s e dm u l t i w a t e r m a r k i n gs c h e m ei sg o o d a ts o l v i n gv i d e om u l t i - c o p y r i g h tp r o b l e m ( 4 ) t h eu n r e s o l v e dp r o b l e m so fd i g i t a lv i d e oc o p y r i g h tm a n a g e m e n ts y s t e ma l e d i s c u s s e d , a n dt h e nt h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r ka n da g e n ti nd i g i t a lr i g h t m a n a g e m e n ts y s t e mi sp r e s e n t e d b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h , ad i g i t a lv i d e o c o p y r i g h tm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nw a t e r m a r k i n ga n dm u l t i - a g e n ti sp r o p o s e d r 武汉理工大学博士学位论文 i ss u i t a b l ef o rs a f er e s o u r c es h a r i n gi no p e nn e t w o r k s f i n a l l y , t h em a i nf u n c t i o n m o d u l e sa r er e a l i z e db ys o f t w a r ep r o g r a m m i n g t h es y s t e mr u n n i n gs h o w st h a tt h e p r o p o s e ds y s t e mi sr e l i a b l ea n da p p l i e d k e y w o r d s ：c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ；c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n ；r o b u s tv i d e ow a t e r m a r k i n g ； s e m i f r a g i l ev i d e ow a t e r m a r k i n g ；v i d e om u l t i - w a t e r m a r k ；m u l t i - a g e n t ； m o b i l ea g e n t ；m a d r m v 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它复制手段保存论文。 研究生签名： ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 随着信息技术和计算机网络的飞速发展，数字多媒体产品的存储、复制、 获得和传播变得越来越容易。人们不但可以通过互联网和c d r o m 方便快捷地 获得多媒体产品，而且可以毫无限制地编辑、拷贝和传播获得的多媒体产品， 这在最大限度地拓宽合法用户利益范围的同时，使出于不同目的的盗版和侵权 行为有可乘之机，也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、版权纷争等问题己成为日益严重的社会问题，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急待解决的难题u j 。 数字水印技术就是在不影响载体媒体可用性的条件下，将表示版权的信息 一数字水印，通过特定算法嵌入在载体媒体中的技术。数字水印技术将信息嵌 入到文本、图像、音频、视频及三维网格等数字媒体中，目的是达到知识产权 的保护和防篡改【2 】。数字水印技术作为加密技术的补充，虽然不能阻止盗版活动 的发生，但它可以判别媒体是否受到版权保护，监视被保护媒体的传播、真伪 鉴别和非法拷贝，解决版权纠纷并为法庭提供证据。 数字水印最初研究的重点是图像水印，已经取得了不少的研究成果，而且 还推出了一些实用的产品，而基于视频产品的水印研究还相对较少，但是随着 多媒体技术的发展，数字视频已成为大众生活中不可或缺的娱乐方式，视频产 品越来越多，而相应的版权保护技术尚未发展成熟，对于视频产品的版权保护 亟需解决，这就使得以视频数字水印为重要组成部分的数字视频产品版权保护 技术的应用研究更为迫切【3 】。因此，视频数字水印研究成为了当前数字水印技术 研究方向中的热点。 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 本学位论文的研究主要得到如下项目的资助： 武汉理工大学博士学位论文 ( 1 ) 国家科技部国际科技合作项e i ( 2 0 0 6 d f a 7 3 1 8 0 ) - 基于多智能体的数字制 造基本理论和关键技术研究； ( 2 ) 教育部博士学科点专项科研基金( 2 0 0 6 0 4 9 7 0 0 5 ) ：自适应模糊的三维数字 水印算法研究。 1 1 2 研究目的和意义 随着i n t e m e t 的飞速发展，数字多媒体的获取和传输越来越便利，同时也导 致了盗用者未经版权所有者允许非法使用，复制和传播数字媒体。因此数字版 权保护日渐成为研究的焦点。数字版权保护就是保护数字内容的版权，从技术 上防止数字内容的非法复制，或者在一定程度上使复制很困难，最终用户必须 得到授权后才能使用数字内容。数字版权保护技术以一定的计算方法，实现对 数字内容的保护，包括电子书( e b o o k ) 、视频、音频、图片等数字内型4 1 。 信息隐藏是把重要的、秘密的信息通过某种特定的算法嵌入到不受怀疑的、 普通的数据中，并以此作为凭证达到保护信息安全的目的。信息隐藏是利用人 类的感觉器官对数字信号的感觉冗余将一个信息隐藏在另一个普通信息中，而 由于隐藏后信息外部表现的只是普通信息的外部特征，故并不改变普通信息的 本质特征和使用价值。普通信息称为掩护信息，隐藏的动作称为嵌入。普通信 息经嵌入其他信息后变成一个伪装信息。信息隐藏按其目的分为：秘密信息隐 藏和数字水印，其中秘密信息用于秘密传输，数字水印则用于数字版权保护1 5 叫。 数字水印技术作为信息隐藏的一个分支，继承了信息隐藏的特征，也具有 其自身的特点。它是携带作品所有者版权信息的一组辨别数据，被永久地嵌入 到媒体数据中用于版权保护并检查数据是否被破坏，在数字媒体的知识产权保 护和信息安全方面有广阔的应用 7 1 。 数字水印技术是一种可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整 性的新型技术，它通过一定的算法在数字声音、图像、文档或视频码流中嵌入 一些标志信息，以证明原创作者对作品的所有权，或作为鉴定盗版、侵权源的 证据，但不影响原内容的价值和使用，且不易被觉察或注意，它与原始数据紧密 结合并隐藏其中，成为宿主数据不可分离的一部分，在需要时还可被作为证据 提取出来降1 0 i 。水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等， 以用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、 合法使用人对数字产品的拥有权等。一个健全的基于数字水印的数字作品版权 2 武汉理工大学博士学位论文 保护方案可监视被保护数据的传播、跟踪数字作品的非法分发，鉴定盗版或侵 权源，为解决版权纠纷提供法庭证据等 1 m 3 1 。 从载体来看，数字水印有图像数字水印、音频数字水印、视频数字水印， 三维模型数字水印等几种类型，其中图像数字水印是数字水印中比较重要的和 常用的数字水印，它是以数字图像为载体，利用某种图像处理方法将水印嵌入 到图像中，被嵌入的水印可以是一段文字、图标、序列号等。它又可以分为两 大类：鲁棒水印和脆弱水印，鲁棒水印的特点是难以被去除，主要用于版权保 护；脆弱水印的特点是可以随着原始图像的破坏而被破坏，主要用于图像完整 性保护。图像嵌入水印可以看作在强背景( 原始图像) 下叠加一个弱信号( 水 印) 。只要叠加信号的幅度不超过t - i v s 的门限，人类就无法感觉到信号的存在 【1 4 ，l 习 。 视频水印技术研究是当前数字水印研究方向的一个热点和难点。热点在于： 大量数字视频通信的应用及数字视频产品的推出，如v c d 、d v d 、高清数字电 视、视频会议、v o d 和网络多媒体数据等，使得以数字水印为重要组成部分的 数字产品版权保护技术的市场需求更为迫切【l 9 】；难点在于：虽然数字水印技 术近几年得到迅速发展，但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蔽效应领域的研究成果。然而在视频水印研究方面，由于 视频序列本身固有的一些特点，如过多的数据冗余、运动区域与非运动区域分 布的不平衡等，而且包括时间掩蔽效应等特性在内的更为精确的人类视觉系统 模型尚未完全建立，使得视频水印处理技术存在诸多迫切需要解决地问题，以 至于比数字图像水印技术发展滞后。同时，现有的标准视频编码格式一定程度 上阻碍了图像水印技术的引入，鲁棒的视频水印系统应该与具体的编码标准相 结合。另外，视频水印算法在实际应用中经常有实时或接近实时的需求，所以 与静止图像水印相比，更为重要的是降低复杂度和提高实时性，在某些情况下 甚至不能像静止图像那样充分地利用人类视觉系统模型。此外，视频序列作为 一系列静止图像的集合，会遭受一些特定种类的攻击，这又为视频水印提出了 一些有别于静止图像水印的独特要求。因此，视频水印的研究不仅具有重要的 理论意义更具有相当高的实用价值，特别是对于数字视频产品的知识产权保护 具有极其重要的经济价值。 总之，面对人类社会的数字化进程，在网络交流日益普及和电子商务逐渐 启动的今天，数字水印技术的研究不但在防止侵权和打击盗版方面将发挥着重 武汉理工大学博士学位论文 要的作用，而且对于规范世界各国数字化市场，促进人类信息产业健康持续的 发展具有极为重要的意义。 1 2 相关技术国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 数字水印技术是近年来发展起来的一项重要的应用研究，其学术特点在于 它横跨计算机科学、图像信息处理、多媒体技术、模式识别、密码学、数字通 讯等众多学科和领域。作为数字化时代的- i j 新兴技术，它尚未形成一套独立 完整的学科理论体系，但其重要的现实作用已经引起国内外众多知名学府、研 究机构和公司的极大兴趣，成为了当前信息科学中的一个新颖且具有广阔应用 前景的研究热点。 在国际上数据隐藏的研究起始于9 0 年代初期，但是其重要的分支视频水印 的研究相对较晚。从k m a t s u i 2 0 l 等人提出视频隐写术的概念，到1 9 9 6 年f r a n k h a r t u n g 2 1 】等人尝试在原始和压缩视频中根据扩频原理来嵌入版权信息，已提出 了多种视频水印技术。 在原始视频水印方面，h a r t u n g 等 2 2 1 借鉴扩频的思想，在未压缩视频中提出 一种水印算法，嵌入水印时，按照空间上从左到右、从上到下以及时间上的先 后顺序，将视频看作一维信号，水印信号经过扩频、调制得到了一个伪随机序 列，将原始信号和调制的伪随机序列相加，得到嵌入水印的视频信号。进行检 测时，计算嵌入时伪随即序列和嵌入水印信号的视频信号的相关值，判断相关 值得到相应的结果。这种方法是对基于图像的扩频水印算法的一个推广。 d e g u i l l a u m e 等瞄】在视频序列的三维d f t 域嵌入水印。首先将视频序列划 分为连续的、非重叠的，固定长度( 1 6 或3 2 帧) 的帧序列。对每个序列重复 进行同一水印信息的嵌入和提取。嵌入时，对帧序列进行三维d f t 变换，然后 选择系数的中频部分嵌入水印。 s w a n s o n 等【刎提出基于三维小波变换的视频水印方案。将视频序列看成三维 信号，把视频按照场景划分，以便在处理时可以考虑时域的冗余。同一场景的 帧，嵌入相同的水印信息，利用h v s 的掩蔽模型保证嵌入到每帧的水印是不可 见的。首先对同一场景的刀个帧进行三维小波变换，将变换系数分成8x8 的块 4 武汉理工大学博士学位论文 b f ，然后通过对b ，做d c t 变化得到频率掩盖矩阵，进而得到水印矩阵w 扩，利 用空间域掩盖矩阵s 玎，在块中嵌入水印信息w 材，所有块嵌入水印后，进行逆变 换就得到了含有水印信息的视频信号。 在压缩视频中嵌入水印，主要采用两种技术路线：一方面在已有的嵌入位 置上采用新方法嵌入和提取水印，另一方面寻找新的水印嵌入位置。主要需要 解决水印处理的复杂度、水印的鲁棒性和不可感知性、水印的随机检测等关键 技术和问题。目前有四种不同的嵌入位置： ( 1 ) 嵌入d c t 系数 h a r t u n g 和g i r o d 在文献【2 7 】中提出了一种在m p e g 2 压缩码流中嵌入水印的 经典方案，整体上采取了后置嵌入后置提取的方案策略。该算法首先对水印信 号进行扩展、放大和调制，得到一个伪随机序列，然后对其进行8 8 的d c t 变换，并将d c t 系数叠加到m p e g 2 码流的8 8 d c t 系数上。这里主要需要 考虑两个问题：一是由于m p e g - 2 的d c t 系数是用变长码进行编码的，系数在 添加水印前后的编码长度会发生变化，因此，如果要求不增加视频码流的长度， 那么，在出现添加水印后d c t 系数的编码比特数增加了的情况下，则仍保留原 有的系数；二是在m p e g 2 编码方式中，帧间编码帧( p 帧和b 帧) 是从其它帧预 测得到的，用一个运动补偿向量从其它帧重建当前帧，p 帧本身也可能作为其它 帧的预测参考，一个帧内的微小变化，会在时间、空间上传播开来。因此，在 水印信号之外，该算法引入一个漂移补偿系统来补偿前一帧的水印信号。 l a n g e l a a r 掣2 5 那】提出了一种有选择地丢弃部分d c t 高频a c 系数来嵌入水 印的方法，并称其为差分能量水印( d e w ，d i f f e r e n t i a le n e r g yw a t e r m a r k i n g ) 算法， 被认为是压缩视频水印的经典算法。该算法基本思想是：把需要嵌入的水印信 息序列逐比特地嵌入到视频i 帧中每一个含有刀个8 8 块的区域中。首先将刀 个8x8 的d c t 系数块分成上下两个部分，记为a 和b ，然后分别计算a 和b 的高频系数之和历、西；若嵌入0 则使历= 0 ，若嵌入1 则使得历= 0 。检测 过程只需要计算历和岛之间的差值d 就可以了，如果d 0 ，则表示嵌入0 ；反 之，如果d 0 ，就表示嵌入1 。为了增加鲁棒性，每一帧中的d c t 系数块应该 随机置乱。但是，d e w 水印算法适用于高比特码率视频( 4 m b s ) 应用，因为高比 特码率视频较低比特具有更多的利于水印嵌入的非零d c t 系数。 ( 2 ) 嵌入运动向量 j o r d a n 等 2 s , 2 9 在一份m p e g - 4 提案中提出了一种直接针对m p e g - 4 编码视 武汉理工大学博士学位论文 频流的水印方法，通过修改运动向量来嵌入水印信息。 ( 3 ) 嵌入脸部运动参数 h a r t u n g 掣3 0 】还提出在m p e g - 4 脸部运动参数中嵌入数字水印的方法，仍然 用了扩频思想。在m p e g - 4 中定义了一个一般的脸部，并能够通过脸部运动参 数f l a p ，f a c i a la n i m a t i o np a r a m e t e 0 运动起来，f ：a p 总共有6 6 个，m p e g - 4 编 码过程中从视频序列中确定f a p 。 ( 4 ) 嵌入v o p 图像类型 l i n n a r t z 等【3 【】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 帧的图像类型。其基本思想如下：在m p e g 中图像类型分为i 帧，b 帧和p 帧， 从一个i 帧开始，直到但不包括下一i 帧的一系列帧称为一个图像组c o p ，如果 将每个g o p 的长度固定为1 2 ，并且用b 帧表示比特l ，p 帧表示比特0 ，则每 个g o p 和一个二元序列存在一个一一对应关系。将二元序列编码为h a m m i n g 码，并排除掉一些不常见的序列，可以得到一个有6 2 个码字的码表，也就是说， 每个g o p 可以携带近6 个比特的信息。 可以看出，随着国外学者开始致力于数字视频水印技术和基本理论的研究， 目前已经取得了一定的研究成果。但和数字图像水印相比，这方面的研究工作 还是相对薄弱，这主要是受到了计算复杂度、标准视频编解码系统等因素的制 约。 鉴于信息隐藏及其数字水印技术的应用前景和在经济、技术上的重要性， 全球支持或开展此项研究的政府机构和研究部门很多，包括美国财政部、美国 版权工作组、美国洛斯阿莫思国家实验室、美国海陆空军研究实验室、欧洲广 播联盟、德国国家信息技术研究中心、南加利福尼亚大学、普渡大学、剑桥大 学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室等机构，同时，由m m ， h i t a c h i ，n e c ，p i o n e e r 和s o n y 五家公司组成的g a l a x y 团体最近己经就d v d 的 产权保护问题达成协议，制定了一个安全标准。 d v d 市场至今未能形成的一个重要原因就是，在防盗版问题未能很好解决 之前，制片商不肯把花费巨额投资摄制的影片制成数字视盘。视频水印技术主 要应用于d v d 版权保护和v o d 系统管理，它具有广阔的应用前景。世界各国 的研究机构对此高度重视，如普林斯顿i n g e m a rj c o x 等人领导的n e c 研究机构 ( n e cr e s e a r c hi n s t i t u t e ，p r i n c e t o n ) ，德国f r a n kh a r t u n g 所在的爱立信研究小组， 德国的弗朗赫费计算机图形学研究所，瑞士日内瓦大学的计算机视觉与多媒体 6 武汉理工大学博士学位论文 实验室，荷兰的p h i l i p s 研究所、代尔夫特工业大学的信息与通讯理论小组，i b m t j 研究中心的林清泳，t e x a sa & mu n i v e r s i t y 的d e e p ak u n d u r ，美国p u r d u e u n i v e r s i t y 的r a y m o n db w o l f g a n g ，还有m i t ，i n t e l 公司等许多机构都在这一领 域做了一定的研究工作。 1 2 2 国内研究现状 随着国内i t 产业的迅速崛起和互联网的迅猛发展，多媒体信息安全的问题 也得到了广大科研人员的高度重视，相应地，数字水印技术在我国数字领域中 的地位和作用也日益上升，国外数字水印技术研究的高潮也激起了国内专家和 知名学者的极大兴趣，有不少研究机构及大学正在从事信息隐藏和数字水印方 面的研究，而在数字视频水印这一领域的研究才刚刚起步，目前主要研究单位 哈尔滨工业大学，计算所、自动化所、中山大学、天津大学、中国科技大学和 北京邮电大学以及北京工业大学等。 此外，我国科研人员也十分注重学术交流，我国的信息隐藏学术研讨会是 由我国信息科学领域的何德全、周仲义、蔡吉人三位院士与有关单位联合发起 的。1 9 9 9 年，在北京电子技术应用研究所举行了第一次学术会议，参加会议的 有何德全、周仲义、蔡吉人三位院士，还有来自全国许多高等院校和研究所的 专家。2 0 0 0 年1 月，8 6 3 计划智能计算机系统专家组在北京主持召开了“数字 水印技术研讨会 。2 0 0 0 年6 月，全国第二届信息隐藏学术研讨会( c i h w 2 0 0 0 ) 在北京举行，参加研讨会的学者来自全国各地从事信息隐藏技术研究的二十四 个高等院校或科研机构。2 0 0 1 年9 月，全国第三届信息隐藏学术研讨会 ( c i h w 2 0 0 1 ) 在西安举行，参加会议的专家和学者达百余人。这些会议的举行， 给大家提供了交流的机会和展示成果的舞台，大家能互相交流在水印技术研究 方面取得的心得和体会，必将大大地促进我国数字水印技术研究的发展。 在公开出版的文献中，国内学者对数字水印的研究多集中于图像水印，而 对视频数字水印的研究还比较少，处于起步阶斟3 2 训l 。 在原始视频水印方面，l i u 等【4 2 j 提出了一种基于d w t 的视频水印算法，把 多个信息位嵌入到没有压缩的视频序列，采用一些通信技术如纠错编码，交错 技术，同步技术等以减少误码率。 在压缩视频水印方面，z h a n g 等 4 3 j 提出了一种对j o r d a n 方案的修正算法， 只在运动矢量的幅值较大的宏块嵌入水印，并且水印嵌入在运动矢量相角变化 7 武汉理工大学博士学位论文 较小的分量上。 朱仲杰等【删提出了一种在m p e g 压缩域的运动矢量中嵌入水印的算法。在 每个g o p 中嵌入一幅水印图像。根据运动矢量特征值选择水印嵌入在运动矢量 的水平分量还是垂直分量。 随着视频水印技术的发展，新的视频攻击算法也在不断地提出，对视频水 印的鲁棒性构成了很大的挑战。有关视频水印算法的复杂度、水印的鲁棒性和 不可感知性、水印的随机检测等关键技术和问题亟待研究和解决。 一般来说，压缩视频水印可以直接与视频编码和解码器相结合，通过利用 视频数