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硕士论文枷p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 独创性( 或创新性) 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工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材辩。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：矗叁擅日期：丛固荜臼主9 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 论文不属于保密范围， 日期： 硕士论文m p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 m p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 摘要 随着多媒体技术和计算机网络的快速发展，数字媒体的制作和传 播变得更加方便和快捷，同时盗版和侵权的问题也日益严重。数字水 印技术是一种解决版权保护问题的有效手段。 本文介绍了数字水印的研究背景，描述了视频数字水印的种类和 主要原理以及视频数字水印的嵌入算法和视频数字水印的攻击形式。 根据基于网格平台的视频点播系统的特点，设计并实现了一种针对 m p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印方法。该方法将水印信息嵌入到 视频流中i v o p 的色度d c t 的直流系数中，水印嵌入和提取时不需 要完全解码，大大减少了运算的复杂度，提高了实时性，而且保证了 视频效果不失真，并具有很强的健壮性。最后，本文描述了m p e g - 4 视频压缩域的扩展频谱水印算法在基于网格平台的视频点播系统的 应用情况，给出了测试结果，并分析了今后的改进方向。 关键词：版权保护视频数字水印m p e g 4 硕士论文 m p e g - 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 r e s e a r c ha n di 腰l e n 1 a t i o no f 岫r m a r k d i gs y s t e mb a s e de x t e n s i v e f r e q u e n c y f o rm p e g - 4i nc o m p r e s s i o nd o mai n a b s t r a c t w i mt h em p i dd e v e l o p m e n to fm u h i i i l e d i at e c i l l l i q u e 觚dc 伽1 p 咖t w o r k ， d i g i t a lm e d i ah a sb e c o m eac o n v e n i e n t 、v a yf o ri n f o 册a t i o nc o m m u n i c a t i o n t h i s a l s oc a i l s e ss o m es e r i o u sp r o b l e m ss u c ha sp i r a c ya i l dc o p y r i g l l ti n 衔n g 锄e n t d i g i t a l w a t e r n l a r k i n gt e c l l l l o l o g yh a sb e e nr e g a r d e d 勰a i le 仃e c t i v es o l u t i o nt os o l v e i m e l l e c t u a lp r o p e n yr i g h t s ( i p r ) p r o t e c t i o r l n i st h e s i si n 缸d d u c e st l l er e s e a r c h b a c k g r o u i l d o f d i g i t a lw a t c 加砌血g t c c h l l 0 1 0 9 y w bd e s c r ! i b et l l ec a t e g o r i e so fd i g i t a lw 砒e r m a r k i i l g ，锄dt h e nd i s c 璐st h e i r b 鼬i cp r i n c i p l e s ，m ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ge m b e d d i n ga l g o r i t h m s 嬲w e l l 鹤s e v e r a l 甜a c k i n ga p p r o a c h e sf b rd i g i t a lw 岫蛳a r k j n g a c c o r d i n gt ot h ef e a n 鹏o fv i d c 0o n d e m a l l d ( v 0 d ) s y s t e mb a s e do n 鲥dp l a t f o 肌，a i m i n ga tm p e g 4s t a l l d 盯d ，w c p r o p o s e 肌e x t e i l s i v ef 沱q u e n c yd i g i t a lw a t e m a r k i n g 印p m a c h t h i sa p p r o a c h e m b e d saw a t e 珊a r ki n t ot i i ed i r e c tc u r r c n tc o e m c i e n t so f t l l ec l l r o m a sd c to f 0 p i i lv i d e os n e 锄t h ee m b e 如e n ta i l da b s t r a c t i o no fw a t e r n = l a r kn e e d n td e c o d e 龟1 1 y a sar e s u l t ，m ec o m p l e x i 够o fc o m p u t a t i o ni sd e c r e a s e d 觚dt l l er e a l t i m ec a p a b i l i t yi s i m p m v e d f 蚰锄o r e ，m ew a t e m a r ki sm b l l s tw h j i e 舒咖m l t e e i n gt h eq u a l i t yo f v i d e og 吮锄f i 衄l l y ，c x p e r i m 朗船lr e 叭l t sd e r n o l l s 仃a ：c et h ee 旋c t i v e n e s so fo l l r 印p r o a c h ，a 王1 dw ep o i n to u tt h ef 1 1 t i l r ew o r k k e y w o r d s ：c 叩妒g h lp r o t e c t i o n ，v i d e o ，d i g i 诅1w a t e r i i l a r k i n g ，m p e g - 4 7 硕十论文e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 1 1 课题背景 第一章绪论 多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，也极大地提高 了信息表达的效率和准确性。随着h t c m c t 的日益普及，多媒体信息的交流已达 到了前所未有的深度和广度，其发布形式也愈加丰富了。人们如今可以通过因特 网发布自己的作品、重要信息和进行网络贸易等，但是随之而出现的问题也十分 严重：如作品侵权更加容易、篡改也更加方便。因此如何既充分利用i n i e m e t 的 便利，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度重视。 以前人们认为，信息安全的实现可以通过加密来完成。即首先将多媒体数据 文件加密成密文后发布，使得网络传递过程中出现的非法攻击者无法从密文中获 得机密消息，从而达到版权保护和信息安全的目的，但这并不能完全的解决问题。 一方面，加密后的文件因其不可理解性妨碍多媒体信息的传播：另一方面多媒体 信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能，而且一旦加 密文件经过破解后，其内容就完全透明了。密码学一直被认为是在通信研究应用 领域中主要的信息安全手段并受到极大重视，直到最近几年这种情况才有了改 变。人们尝试将秘密信息隐藏于普通文件中分发出去，用于跟踪侵权行为并提供 法律保护的证据，这就是信息隐藏，而数字水印( d j 垂t a lw a t e 加a r k i n g ) 作为信 息隐藏的主要技术获得了广泛的关注，多媒体信息的安全问题是数字水印技术研 究的主要推动力之一。 目前，版权保护可能是水印最主要的应用。数字水印技术就是通过在原始数 据中嵌入秘密信息水印来证实该数据的所有权。这种被嵌入的水印可以是一 段文字、标识、序列号等，而且这种水印通常是不可见或不可察的，它与原始数 据( 如图像、音频、视频数据) 紧密结合并隐藏其中，并可以经历一些不破坏源 数据使用价值或商用价值的操作而能保存下来。比较具体的应用有：在c d 音乐 中隐藏该乐曲的简介、相关作者、定购信息、访问链接等操作代码；在图像中隐 藏图像的名称、图像内容简介、创作者姓名及相关联系信息、发布免费样图等信 息；在d v d 内容数据中嵌入水印信息，d v d 播放机通过检测d v d 数据中的水 印信息来判断其合法性和能否拷贝。 本论文研究出发点就是解决网格平台上的视频点播系统的版权保护问题。针 对网格平台上大量的视频信息，本论文尝试研究一种适合于应用在视频点播系统 中的水印嵌入和提取方法，以达到版权保护的目的。 1 1 硕士论文m p e g - 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 1 2 研究内容 当前，大多数水印技术的研究集中在静态图像上，而视频水印技术研究才起 步不久，对于数字视频的版权保护无疑是未来数字水印技术最主要的研究方向， 特别是在一些具体应用如视频点播方面，有着广泛的应用前景。 本课题源于北京市教委共建项目“基于网格技术的多媒体教育资源应用平 台”上开发的一项应用多媒体视频点播服务系统。本论文的主要任务是设计 一个m p e g 4 视频的数字水印方案，以满足基于网格平台的视频点播系统版权 保护的需要。本论文在总结信息安全方面的一些关键技术基础上，深入研究视频 数字水印的理论及各种方案，特别是适用于视频点播的水印方案，以实现对视频 产品的版权保护。 本论文的具体工作主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 查阅相关文献，了解视频数字水印的发展历史、国内外研究现状、最 新动态和发展趋势等。并针对基于网格的视频点播系统选择一种数字水印方案， 以实现版权保护的目的。 ( 2 ) 深入研究与水印算法密切相关的m p e g 4 标准的编解码部分，了解 m p e g - 4 编解码的流程和实现方法。 ( 3 ) 设计并实现了基于扩展频谱技术的m p e g - 4 压缩域的视频水印的嵌入 和提取算法。 ( 4 ) 最后对算法进行测试，发现了算法上的一些不足之处，并提供了解决 方法。 1 3 结构安排 本文接下来的章节安排具体如下： 第一章介绍了课题的背景知识和论文的安排。 第二章是视频数字水印技术的综述。本章分为两部分，第一部分是m p e g 4 视频数字水印的基础知识；第二部分详细介绍了m p e g 4 标准的编解码部分。 第三章根据基于网格平台的视频点播系统的特点，并与m p e g 4 标准相结 合设计了基于m p e g - 4 压缩域的扩展频谱水印算法。 第四章给出了算法的详细设计和实现方法。 第五章介绍了m p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印算法在基于网格平台的 视频点播系统中的应用情况，并给出了测试结果。 最后是本文的结论，指出了本文算法的不足。 硕士论文 m p e g _ 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 第二章m p e g 4 视频数字水印技术概述 视频数字水印技术研究是当前水印技术研究方向中的一个热点和难点。热点 在于大量消费类数字音视频产品的推出，如v c d ，d v d ，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。难点是尽管数字水印技 术在近几年得到长足发展，但研究方向主要是集中于静止图像的水印技术，这得 益于多年来众多学者在视觉空间掩盖效应领域的研究成果。然而在视频水印研究 方面，由于包括时间域掩盖效应等特性在内的更为精确的人眼视觉模型尚未完全 建立，这使得视频水印技术相对于图像水印技术发展滞后，同时现有的标准视频 编码格式又造成了水印技术引入上的局限性。而且，由于一些针对视频水印的新 攻击形式( 如帧重组、帧间共谋等等) 的出现，为视频水印提出了一些区别于静 止图像水印的独特要求。 因此，虽然视频水印技术是从图像水印技术发展而来的，其应用模式和设计 策略都有类似之处，但由于数字视频水印技术具有的特殊应用背景和必须适应具 体的应用系统的特点，使得数字视频水印技术在保持数字水印的基本特性的前提 下，另辟蹊径，走与具体应用相结合的研究开发之路 2 1 视频数字水印概述 2 1 1 数字水印的概念和模型 数字水印技术是指在数字化的多媒体信息中嵌入某种不易察觉的信号，在需 要的时候可通过特定的算法，将此信号提出，用以确认身份的技术，是通过在原 始数据中嵌入秘密信息水印( w h t e 珊a r k ) 来证实该数据的所有权或完整性。 这种被嵌入的水印可以是一段有意义的文字、标识、序列号等，而且水印通常是 不可察觉的，它与原始数据( 如图像、视频等) 紧密结合，并隐藏其中，成为源 数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操 作而保存下来。数字水印不同于传统的加密，因为其目的不在于限制正常的资料 存取，而在于保证隐藏数据不被侵犯和发现。 所有水印算法都包含两个基本模块，即水印嵌入和水印恢复( 也称水印提取 或水印解码) 。图2 1 描述了一般的水印嵌入过程。该系统的输入是水印、宿主 数据和一个可选的公钥或私钥。水印可以是任何形式的数据，比如数值、文本、 图像等。承载水印的宿主数据可以是音频、图像、视频、格式化文本、三维模型、 1 3 硕+ 论文m p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 动画模型等。密钥用来加强水印系统的安全性，以避免未授权方恢复和修改水印。 水印系统的输出称为添加了水印的数据。图2 2 描述了水印恢复过程，其输入 是已嵌入水印的数据、私钥或公钥，根据嵌入水印的方法还可能需要原始宿主数 据或原始水印，输出的是水印或可信度，它表明了所检测数据中存在给定水印的 可能性大小。 2 1 2 数字水印的分类 因2 2 垂t 字水印检测模型 数字水印的分类标准很多，以下给出不同分类标准下的分类。 ( 1 ) 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒性数字水印和脆弱数字水印( 弱 水印) 两类。鲁棒性数字水印有很强的抗干扰能力，且难以被去除，还要能够抵 抗多种有意或者偶然的攻击或者失真，主要用于在数字作品中标识著作权信息， 如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理。脆弱数 字水印主要用于完整性保护，与鲁棒性水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的 改动很敏感，这种水印被加到宿主信息中，是为了使所有对于宿主信息的变化和 处理都反映到恢复出来的数字水印上，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据 是否被篡改过。 ( 2 ) 按水印所附载的媒体，可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、 “ 硕士论文m p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展， 会有更多种类的数字媒体出现，并产生相应的水印技术。 ( 3 ) 按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水 印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。 一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术 界研究的数字水印大多数是盲水印。 ( 4 ) 按数字水印的内容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也是某个数字图像( 如商标图像) 或数字音频片段的编码； 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 或其它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。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通 过统计决策来确定信号中是否含有水印。 ( 5 ) 按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护 水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。票据防伪水印是一类比较特殊的水印， 主要用于打印票据和电子票据的防伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图 像进行过多的修改，所以，诸如尺度交换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一 方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求， 用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂：版权标识水印是目前研究最多的一 类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印 主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小：篡改提示水印是一种 脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性：隐蔽标识水印的目的是 将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。 ( 6 ) 按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为日寸( 空) 域数字水印、 频域数字水印、时频域数字水印和时间尺度域数字水印。时( 空) 域数字水 印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时频域数字水印和时 间尺度域数字水印则分别是在变换域( 如d 玎，f f r 域等) 、时频变换域和 小波变换域上隐藏水印。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水 印的隐藏位置也不再局限于上述4 种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可 能在其变换空间上隐藏水印。 ( 7 ) 按照水印的可见程度，水印技术可以分为可见水印和不可见水印两种。 可见水印在宿主信息中产生明显的可以察觉的变化。但是不会严重的影响原始信 息的本来面目。这是数字水印产生初期的一种存在形态。现在可见水印不如不可 见水印那么流行，因为可见水印总会在原始的多媒体信息上带来明显的变更痕 迹，使原始多媒体信息的质量发生劣化，这些痕迹往往使人感到不快。目前，这 硕士论文 m p e ( j - 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 种水印经过发展，可以呈现半透明的效果，使原始多媒体信息能够透过水印标签 看清所有原来的细节。使得这种水印在某些领域仍有一定的使用价值。由于可见 水印的缺陷，新的不可见水印形式迅速取代了可见水印的位置，成为水印研究领 域的重点。不可见水印，顾名思义，就是嵌在宿主信息中的水印不能够被普通用 户察觉。所以对于数字水印技术而言，才有了隐蔽性这个测试指标。隐蔽工作的 好坏从一个方面上决定了水印方案的成败。在某些特殊的场合，水印的隐蔽性甚 至要达到极高的水平，这为数字水印的设计提出了很强的挑战。 2 1 3 视频数字水印及其特点 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，既不影响视频质量，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。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，视频产品越来越多( 例如：d v d 、c d 、多媒体教材、 录像带等) ，视频产品的版权保护还需解决，视频水印作为视频数据的知识产权 保护方法正在受到越来越多的重视。 视频数字序列是由一系列连续的、等时间间隔的静止图像组成，因此视频数 字水印和数字图像水印有很多相同的特点。除此之外，视频数字水印还有其独特 的特点。 l 、不可感知性。 水印的嵌入不应使得原始图像在视觉上出现可感知的变化，水印的嵌入还不 应使统计特性可感知。可视水印例外。 2 、鲁棒性。 鲁棒性指水印能经得起各种有意的( 如马赛克攻击或统计平均攻击) 或无意 的【如压缩、滤波、模数数模转换、扫描、各种几何变换等等) 修改或恶意攻 击，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。 3 ，安全性。 安全性是指水印难以被伪造或者加工，并且未经授权的个体无法阅读水印。 理想情况是即使水印算法已知，未经授权者在不知密钥的情况下无法解读水印甚 至无法检测到水印的存在。 4 、可证明性。 在实际应用中，可能多次加入水印，因此要求水印技术必须允许多重水印嵌 硕士论文 m p e g - 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 入被保护的图像中，并且每个水印能被独立地证明。 5 、实时处理性。 作为实时动态的视频流，要考虑到嵌入和检测算法的复杂度以及针对日用消 费用户( 如v o d 接收用户群) 的成本，要求视频水印的嵌入和提取算法的复杂 度要低，能够实时地嵌入、提取或检测水印。考虑到对水印所有可能的攻击，水 印提取算法可能比较复杂，水印嵌入的复杂度应该降低。 6 、随机检测性。 要求在视频的任何位置、在短时问内( 不超过几秒钟) 检测出水印，而不是 从视频的开始位置按播放顺序一步一步地检测出水印，即水印方案应该是实时。 7 、满足盲检要求。 即水印的检测不需要使用原始视频图像。在视频水印中，水印信息是周期性 地加入到图像序列中去的。由于视频图像信息量大，如果不能满足盲检的要求， 每次进行水印的检测都要求存储原始视频图像，则这种水印就无法实际应用。 8 、与视频编码标准相结合。 视频数据由于其数据量很大，在存储、传输中通常先对其进行压缩编码，如 果在压缩视频流嵌入水印，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完全或大部分丢失。 9 、算法简单。 作为实时动态的视频流，要求考虑到嵌入和检测算法的复杂度以及针对日用 消费用户( 如v o d 接收用户群) 的成本，要能保证视频水印方案的实用性。 2 1 4 视频数字水印的算法介绍 在数字水印技术中，水印嵌入算法一直都是人们关注的焦点。视频虽然可看 作一个个单独的帧构成的图像序列，但视频水印的嵌入和提取过程和图像水印的 嵌入提取过程有很大的不同，比如会受到相应视频压缩算法和视频编码标准的局 限，例如恒定码率的约束。视频水印的算法根据嵌入策略可以分为在未压缩的原 始视频图像( 方案一) 、视频编解码器( 方案二) 、压缩后的视频码流中( 方案三) 嵌入水印三种方案。 1 7 硕士论文m p e g - 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 水印嵌入 方案一 水印嵌入 方案二 水印嵌入 方案三 水印提取 方案二 图2 3 视频数字水印的嵌入提取方案 水印提取 方案一 1 、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，然后再进行m p e g 视频编码形成带水印的压缩码流。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。原始视 频水印与视频编码格式无关，它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，并且算法比 较成熟。但这种方案也有明显的缺点，即会增加视频码流的数据比特率，影响视 频速率的恒定性；对于已压缩的视频，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，其算法可分为空域和频域两种。 ( 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，嵌入的水 印信号一般是添加在亮度分量上，有时也有一部分被加入到颜色分量中，或全部 加入到颜色分量中。h a r t u n g 等提出借鉴扩频通信的基本思想在未压缩视频中嵌 入数字水印的方法。水印嵌入时，按照空间上的从左到右、从上到下以及时间上 的先后顺序，将视频信号看成一个一维信号，水印信号则经过扩展、放大和调制， 得到一个拟随机序列，采用普通的加法将该随机序列加到一维视频信号中，就得 到了嵌入了水印的视频信号。k a l k e 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。这里利用了扩频的基本思想，水印是一个加性噪音。 水印嵌入时，为了在图像活动较多和较少的区域( 即纹理较多和较少的区域) 采 用不同的嵌入强度，可以采用局部缩放因子，该因子是通过将图像用一个 l a p i i a n 高通过滤器过滤并取绝对值得到的。 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。 1 8 硕士论文m p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 ( 2 ) 频域算法。频域水印是指在原始视频的某个变换域中进行水印的嵌入 的提取，常用的变换域包括离散余弦变换域、离散傅立叶变换( d f r ) 域、小波 变换域、分形域、哈达玛变换域等。有3 种处理方法：一种方法是将视频流看成 一个三维信号，其中两维在空间上，一维在时间上对其进行三维变换，然后进行 水印处理，第二种方法将视频流看成静态图像的序列，采用图像水印技术进行水 印处理，因此有很多文献声称他们的图像水印算法可以应用于视频序列，第三种 方法是将按块进行频域变换，这是由于视频编码标准中同样也是按块进行频域变 换( 多为d c r 变换) 。 基于频域的视频水印的典型代表有：d e g i l i l l 孤m c 等在视频序列的三维d f r 域中嵌入水印，刘红梅等提出了一种基于d w t 的视频水印算法，s w 锄s o n 等提 出采用三维小波变换的水印方案。p 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，由于该算法是一帧一帧地嵌入水印，所以也属于原始视频 水印。在变换域嵌入水印，可以综合利用人类视觉特性、视频序列固有的时问和 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 点考虑的问题。 2 、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，这种方案的显著优 点是没有解码和再编码的过程，因而不会造成视频质量的下降，同时计算复杂度 较低。其缺点是由于压缩比特率的限制而限定了嵌入水印数据量的大小，嵌入水 印的强度受视频解码误差的约束，嵌入后的效果可能出现可察觉的变化。h a n u n g 等提出利用扩频的思想在m p e g 4 压缩视频中嵌入水印的方法。水印信号经过 扩展、放大和调制，得到一个拟随机序列，然后对其进行8 8 的d 了变换，并将 d c t 系数叠加到m p e g - 4 码流的8 8 的d 玎系数上。这里需要考虑两个问题： ( 1 ) 由于m p e g 4 的d 了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时，则仍保留原有的系数。( 2 ) m p e g - 4 编码方式中，帧问编码帧( p 帧和b 帧) 是从其它帧预测得到的，用一 个运动补偿向量来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、空问上传播开来因此，在水印信号之外， 需要添加一个偏移补偿信号，来补偿前一帧的水印信号。s i m i t o l 枷l 等提出了 一种在m p e g 流压缩域嵌入水印的算法，把视觉分析和块分类技术结合起来， 自适应地选择i 帧亮度模块玎域的量化交流( a c ) 系数，嵌入水印。水印系 数w ( m ，n ) 是伪随机序列( + 1 ) 。w ( m ，n ) 和对应的量化嵌入标志m q ( i i l ，n ) 、分类标 1 9 硕士论文 m p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 志c ( m ，n ) 分别由视觉分析和块分类过程产勿的乘积加到每个被选量化参数上。 加入水印后的系数： x q ( m ，n ) = x q ( m ，n ) + c ( m ，n ) m q ( m ，n ) w ( m ，n ) 式( 2 1 ) 该算法的优点是：在对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。 目前也有些算法提出在运动矢量中嵌入水印，将水印嵌入在幅度值大且相角 变换小的运动矢量中，在压缩视频序列中，大部分的帧是运动补偿编码帧，所以 在运动矢量中隐藏水印信息可以更加有效地利用视频比特流中的信息。j o f d a n 等 在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。其水印嵌入算法为在一个运动向量的某个分量，比如垂直分量v 中嵌入水印，设b = o ，1 ) 为待嵌入的比特值，水印嵌入规则为： p ( 2 枷“) 口 紫竖y 2 姗) m 甜2 舢 式( 2 - 2 ) l y ，其他 其中m 为运动估计搜索窗口；n 为整数，对于空间运动向量n = 1 ，否则n = o ； q 指定了对运动向量修改的范围，一般取值为1 或2 ，取l 时对于压缩鲁棒性较 好。 提取规则十分简单： b = ( v q + 2 m ) m o d 2式( 2 3 ) 每帧随机选取一块，在每个运动向量可以嵌入2 个比特的信息。计算复杂度 几乎可以忽略，对于帧的比特率的影响也是非常小的。z i l 柚g 等提出了一种对 j o r d 锄方案的修正算法，只在运动矢量的幅值较大的宏块中嵌入水印，并且水印 嵌入在运动矢量相角变化较小的分量上。 3 、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，再通过利用视 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。在编码压缩时嵌入水印时，由于水印嵌入 在变换域的量化系数中，因此不会增加视频流的数据比特率；另外，由于其是将 水印嵌入在变换域中，并和编码过程结合紧密，可以设计出抵抗多种攻击的水印 算法。但该方案需要修改编码器和解码器，而且存在g o p 的误差积累，会降低视 频的质量。 目前视频压缩的标准包括i s 0 砸c 的m p e g l 、m p e g 2 、m p e g 4 和r r u 2 t 的h 2 6 l 、h 2 6 3 、h 2 6 4 等，在编码压缩时嵌入水印也主要基于这两类压缩标准， 硕士论文船e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 它们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 。a l u n g 等【1 4 】率先开发了一种在 编码压缩时嵌入水印，水印嵌入过程是在m p e g 2 编码系统中的i 帧所有的 8 8 了变换系数块上进行，输出含水印信息的压缩比特流。由于视频的i 帧上 d c t 变换的直流系数d c 是一个始终在视频流中存在而且很鲁棒的参数，所以 该算法嵌入的水印的鲁棒性强。u 柚a r t z 等提出修改m p e g 编码过程将水印信息 嵌入到v o p ( v i d e oo b i e dp l 柚c ) 的方法，其基本思想如下：在m p e g 中图像 类型分为l 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( g o p ) ，如果将每个g o p 的长度固定为1 2 ，即1 个i 帧，3 个p 帧和8 个b 帧，并且用b 帧表示比特1 ，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 锄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，嵌入的信息量比较少，但对嵌入版权所有者信息等 应用还是能满足要求的。朱仲杰等提出了一种在m p e g 2 压缩域的运动矢量中 嵌入水印的方法，在每个g o p 嵌入一幅水印图像，也就是每隔1 2 帧图像进行一 次水印嵌入操作。水印信息是一幅二值图像，为了增强算法的安全性和嵌入水印 信号的鲁棒性，在嵌入之前对水印图像作伪随机置乱。水印信息不是加到所有的 运动矢量上，而是选择其中的部分运动矢量来嵌入水印。嵌入算法如下：首先定 义某一宏块的运动矢量特征值p ，根据p 的值确定在运动矢量的水平分量还是垂 直分量嵌入水印。该算法只需要对运动矢量进行简单的判断和加减运算，因此计 算复杂度很小。由于每个g o p 中b 帧和p 帧图像数量远远多于i 帧的图像数量， 运动矢量资源丰富，在运动矢量嵌入水印时可嵌入的信息量大，而且水印嵌入不 会影响i 帧的图像质量。 2 1 - 5 视频数字水印的攻击 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者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，从而导致水印无效。由于目前视频水印攻击还难以完全解 决，得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受到了很 大的限制，许多研究者正致力于这些问题的解决。视频水印常常极易受到各种各 样的处理操作，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： l 、简单攻击。 硕士论文m p e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 简单地通过对整个加水印数据的处理，而不是去识别并分离水印，旨在削弱 水印信号。典型例子包括线性和一般非线性滤波，诸如采用各种压缩编码标准( 如 m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g - 4 等) 对视频进行有损压缩，对视频进行有损压缩时 可能将图像中视觉上不重要的信息( 如水印) 除去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 、检测失效攻击。 是指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。大多数为几何失真，如比例缩放、空间或时间方向上的移位、旋转、剪切、 移去或加入像素阵。这种攻击目前仍然是许多水印算法的严重缺陷，因为它虽然 并不直接除去图像中的水印，但却能使其很难被检测出来。不过由于水印还留在 被攻击过的数据中，随着检测器性能的改进提高，水印还是可以被恢复的。 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。比如攻击者利 用水印嵌入的逆过程，从已包含水印的图像伪造出一个所谓的“原始图像”，然后 再次添加一个不同的水印，这样攻击者就可以和图像的真正所有者一样，根据这 个“原始图像”检测出水印来。由于检测器无法说明到底那一个是原始水印，从 而使得在司法鉴定上难以区分谁才是真正合法版权拥有者。 4 、移去水印攻击。 指对加水印数据分析，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水印移去攻 击。 2 2 与水印算法相关的m p e g 4 标准 m p e g - 4 是国际标准组织为适应低位速传输制定的新的编码标准，于1 9 9 9 年初正式成为国际标准。与m p e g 1 和m p e g 2 ( 这两个标准的制定使得基于 c d - r o m 的数字视频和数字电视成为可能) 相比，m p e g 4 更加注重多媒体系 统的交互性和灵活性，主要应用于视像电话( v i d p h 0 ) ，视像电子邮件( v i d e m a i l ) 和电子新闻( e l c c 扛0 耐cn e 帆) 等，其传输速率要求较低，在4 微6 4 k b s 之间，分辨率为1 7 6 1 “。m p e g 4 利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩 和传输技术，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。 m p e c “标准的内容和其实现的关键技术比较复杂，这里只介绍与数字水印 硕士论文m e g 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 技术及本文相关的一些内容 2 2 1 硒r 对象( a 、，o ) v 对象( a u d i o ，v i s u a lo b i e c t s ) 的基本原始单位是原始“ 对象”，它们 可能是一个没有背景的说话的人，也可能是这个人的语音或一段背景音乐等。它 具有高效编码、高效存储与传播及可交互操作的特性。 与m p e g 1 和m p e g 2 相比，m p e g 4 的特点是更适合于交互a v 服务以及 远程监控。m p e g - 4 是第一个使用户由被动变为主动，具有交互性的动态图像标 准；它的另一个特点是其综合性，试图将自然物体与人造物体在视觉上相融合。 该标准还有更广的活应性和可扩展性，试图达到两个目标：低比特率下的多媒体 通信和多工业的多媒体通信的综合。据此，m p e g 一4 引入了a v 对象( a u d i o ，v i s u a l o b i e d ) ，a v 对象的编码有基于内容的可伸缩性的特点，使得更多的交互操作成 为可能。 a v 对象可以组成越，场景。因此，m p e g 4 标准就是围绕着a v 对象的编码、 存储、传输和组合而制定的，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。a v 对象的基本单位是原始a v 对象，它们可能是一个没有背 景的说话的人，也可能是这个人的语音或一段背景音乐等等。m p e g 4 可以采用 a v 对象来表示听觉、视觉或者视听组合内容；允许组合已有的a v 对象来生成 复合的a v 对象，并由此生成 v 场景；允许 v 对象的数据灵活的多路合成与 同步，以便选择合适的网络来传输这些a v 对象数据；允许接收端的用户在a v 场景中对a v 对象进行交互操作。 在m p e g 4 中，烈，对象有着重要的地位。m p e g 4 对a v 对象的操作主要 有以下几方面： 采用 v 对象来表示听觉、视觉或者视听组合内容； 允许组合己有的 v 对象来生成复合的a v 对象。并由此生成a v 场景； 允许对a v 对象的数据灵活地多路合成与同步，以便选择合适的网络来 传输这些a v 对象数据： 允许接收端用户在a ，场景中对a v 对象进行交互操作； 支持a v 对象的知识产权和保护。 2 2 - 2m p e e k 4 的结构 m p e g - 4 标准的编码是面向对象的，这样就便于操作和控制对象，而传统的 压缩方法式基于帧的，显然无法对对象操作。由于传输带宽的限制，必须对压缩 比特流进行控制，这就会直接影响到视频图像的质量。在低比特率时，整帧图像 硕士论文 m p e g - 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 的质量都受到影响，没有灵活性可言：而m p e g 4 中对比特率控制可以基于对 象，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配一些比特率，这样视频图 像的主观质量就可以得到保证。这种基于对象的操作，使用户可以在用户端直接 将不同的对象进行拼接，得到自己合成的视频流。这在传统方法中是无法实现的。 在上一节中讲到了，m p e g - 4 标准中定义的中心概念就是a v 对象，它组成 了基于对象表示的基础。这样的一个表示能很好的使用交互应用。并且场景内容 直接可用。 v s 2 v s n 睫商n 睫落 l 2 v 0 k 虱 懈兵审 1 l ，。：皇： v o p lv o p k + l v o p nv o p l v o p n l a v 盯1 l a v c r 2 图2 4 蛐p b g 4 视频数据的逻辑结构 硕士论文e g - 4 视频压缩域的扩展频谱水印系统的研究与实现 m p e g - 4 比特流提供了视觉场景的分级描述，如图2 4 所示。 视觉对象序列( v s ：s 岫lo b j e ds c q u c n c c ) 一个完整的m p e g - 4 场景可以包含任意2 d 或2 d 的自然或合成对象，以及 对应的增强层。 视频对象( v o ：v i d o b i o c t ) 一个视频对象对应于m p e g 4 场景中的一个特定的2 d 物体。它是有生命期 的，由时间上连续的许多帧构成。最简单的情况下就是矩形框，或者是对应于场 景中的背景或某个物体的任意形状的对象。视频对象可以逐个单独编码，或者通 过运动补偿进行混合编码。 视频对象层( v o l d o b i e dl a y e r ) 根据应用的需要，每个视频对象可以用可分层( 多层) 编码。这种编码形式 可以用视频对象层来实现。视频对象利用视域或空域的可缩放性，从粗糙分辨率 到精细分辨率来逐层编码。每个层是v o 的某一分辨率表示。每个层中，都有时 间上连续的一系列v o p 。 视频对象平面组( g 0 v ：g r o u po f v o p s ) 视频对象平面组在视频流中提供了许多标记点，这些标记点指出了视频对象 平面单独编码的时域位置，也就是对视频数据流的任意访问的