（信号与信息处理专业论文）基于h264的视频数字水印算法研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 中文摘要 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。多媒体信息安全成为一个非常紧迫的现实问题。 数字水印技术作为数字产品版权保护的有效手段，成为多媒体信息安全研究的重点，视频 水印技术更是其中的热点。h 2 6 4 压缩标准是当今世界最先进的视频压缩标准之一，同时它 也可能成为未来使用最广泛的视频压缩标准，研究基于h 2 6 4 的视频水印算法具有广泛的实 际意义。 本文在研究国内外视频数字水印研究现状的基础上，对当前视频水印技术的特点、它 的分类、攻击手段、视频水印的三种嵌入提取方案做了综述，指出了各种方案的优缺点， 给出了视频数字水印嵌入和提取算法有代表性的实例。分析比较了几种典型的基于h 2 6 4 的视频水印算法，并针对各算法给出了改进思路。在此基础上，提出了一种新的用于版权 保护的h 2 6 4 视频水印算法。水印信息首先经过双重置乱的预处理以提高安全性，然后选出 帧内预测中1 4 m b 模式下满足一定条件的4 x 4 子块，通过修改所选定子块的一个量化d c t 系数来实现水印嵌入。实验结果表明，嵌入的水印具有很好的不可见性和随机检测性，对 视频码流的影响也很小，同时，本算法对椒盐噪声和高斯噪声具有一定的鲁棒性，并能抵 抗二次编码攻击。 关键词：h 2 6 4 ，视频水印，版权保护，离散余弦变换 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ed i g i t a lm e d i ah a sb e c o m eam o r ef a s ta n dc o n v e n i e n tw a yf o ri n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o na l o n gw i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fi n t e m e ta n dt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i a t e c h n i q u e b u ta tt h es a n l et i m e ，t h i sa l s ol e a d st os e r i o u sp r o b l e mr e g a r d i n gi p rp r o t e c t i o n s o s e c u r i t yo fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n ti s s u e d i g i t a lw a t e r m a r k i n ga sa n e f f e c t i v em e t h o do fc o p y r i g h tp r o t e c t i o nb e c o m e sa ne x c i t i n gr e s e a r c hf i e l d ，e s p e c i a l l yh o tt h e v i d e od i g i t a lw a t e r m a r k i n g t h eh 2 6 4c o m p r e s s i o ns t a n d a r di so n eo ft h em o s ta d v a n c e dv i d e o c o m p r e s s i o ns t a n d a r d ，a n di tc a l la l s ob et h em o s tw i d e l yu s e dv i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r di nt h e f u t u r ew o r l d i th a se x t e n s i v e l ym e a n i n gt or e s e a r c ht h ev i d e od i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do n h 2 6 4 t h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ec l a s s i f i c a t i o n , a t t a c km e t h o d so fr e c e n tv i d e ow a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g ya n dt h ee m b e d d e do re x t r a c tp r o c e s so fw a t e r m a r ka l es u m m a r i z e d ，t h es t r o n gp o i n t s a n dt h ew e a kp o i n t so ft h r e ev i d e ow a t e r m a r ks c h e m e sa r ep o i n t e do u t s e v e r a lt y p i c a lv i d e o w a t e r m a r ka l g o r i t h m sb a s e do nh 2 6 4a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，i m p r o v e dm e t h o d sa r e o f f e r e df o re v e r ya l g o r i t h m b a s eo nt h i sw o r k , t h i st h e s i sp r o p o s e san e wh 2 6 4w a t e r m a r k a l g o r i t h mw h i c h c a l lb eu s e df o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o n w a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni s f i r s t l y p r o c e s s e db yd o u b l ed i s o r d e r e dt r a n s f o r m a t i o ni no r d e rt og e tb e t t e rs e c u r i t y t h e n ，w a t e r m a r k i n f o r m a t i o ni se m b e d d e db ym o d i f y i n gt h ed c tc o e f f i c i e n t sw h i c ha r es e l e c t e d t h i sa l g o r i t h m g e t sv e r yg o o di n v i s i b i l i t ya n dr a n d o md e t e c t i o n ，a n di t si n f l u e n c et ov i d e os t r e a mi sv e r ys m a l l f u r t h e r m o r e ，i tc a ns u r v i v eg a u s s i a na n ds a l t & p e p p e ry a w pa tac e r t a i ne x t e n t ，a n di sr o b u s tt o r e c o d i n ga n dd e l e t i n gf r a m ea t t a c k k e yw o r d s ：h 2 6 4 ，v i d e ow a t e r m a r k ，c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ，d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电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o 研究生签名：牡日期：弘虹西 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：呈娶笺导师签名：乏：至主i日期：竺墨兰竺_ 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 随着网络技术和多媒体技术的发展，数字信息的使用和传播变得越来越便利。由于数 字媒体具有易于操作、可以进行精确拷贝、便于存储和快速传播等特点，使媒体内容的创 作者和拥有者必须关注非法拷贝和大规模传播对版权问题造成的后果。同时由于有线和无 线的i p 网络是开放式网络，媒体内容很容易被窃取和攻击，当传输内容涉及到敏感信息时， 内容的安全性、完整性和真实性证实将至关重要。这些使用数字媒体所具有的潜在危险不 仅是理论上的臆测。目前存在很多基于p 2 p ( p e e rt op e e r ) 结构的互联网软件可以用来共享受 版权保护的音乐、电影等，而且其技术还在不断完善和发展，给数字媒体的盗版带来了极 大的方便。数字内容的创造的昂贵和其在数字环境下即时、免费复制获取形成了鲜明的对 比。因此数字媒体的保护成为一个迫切需要解决的问题。 为了保证数字媒体的安全性，密码学一直被认为是在多媒体技术领域中主要的信息安 全手段而受到极大重视【1 2 1 。采用密码技术开发出来的a n 解密系统，能够对要传输的信息 进行加密使之变成密文，然后在网络上传输。该加密系统可以较好的保证信息的安全性， 但是这种方法应用于多媒体信息中存在如下缺点： ( 1 ) 传统的加密方法对信息的保护只局限在加密通信的信道中或其他加密状态下，解 密后信息毫无保护可言； ( 2 ) 传统密码学中的认证方法对多媒体内容的保护也无能为力，因为对多媒体内容的 真实性认证往往可以容忍一定程度的失真，而密码学中的认证方法不容许一个比特的改 变； ( 3 ) 网络传输中存在一定的信息损失风险，而传统的加密方法不允许这种情况存在，一 旦数据丢失，很难恢复出多媒体的原始信息； ( 4 ) 用于多媒体认证的认证信息往往需要直接嵌入多媒体内容中，不需要另外保存认证 信息，密码学中的认证方法则需另外保存信息认证码。 另外，计算技术的飞速发展也为破译者提供了强大的计算工具，使得密码破译能力越 来越强，2 0 0 4 年8 月，在美国国际密码会议上，来自中国山东大学的王小云教授提出的密 码破解理论引起国际专家极度震惊，常规密码的安全性受到了极大威胁，单靠通过增加密 钥的长度来增强解密系统的机密等级已经不再是唯一可行的方法。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 为了克服密码学保护信息的安全问题，有必要研究一种新的技术或对密码学补充的技 术，保证在数字内容解密之后仍能起到版权保护作用。数字水印技术【3 ，4 ，5 】就是在这种需求 下产生的。数字水印是指在不影响数字作品的商业价值下，通过某种算法把某些标志性信 息( 水印) 嵌入到数字产品( 载体) 中去。这些水印信息可以表示数字作品版权所有者、发行者、 日期、作品控制信息等。在出现盗版情况时，可以提取出这些水印信息来证明数字作品的 版权归属，从而可以作为指控盗版者侵权的法律依据，或者在使用数字作品前，检测器先 检测数字作品中的水印信息，然后根据这些信息来控制数字作品的操作权限功能( 如副本的 复制次数) 。因此，数字水印在一定程度上弥补了密码技术解密后不能保护信息安全的不足。 可以作为一种新的保护技术，应用于数字产品版权保护，监视数据的传播、解决版权纠纷 等问题。 数字水印根据载体可以分为文本水印、图像水印、音频水印，视频水印，3 d 动画水印 等。随着网络及多媒体技术的发展，视频应用越来越广泛，如高清晰数字电视( h d t v ) ， i p t v ，移动视频等，同时，视频信息的版权保护问题也日益突出。视频水印是一种针对视 频产品的版权保护技术。视频信息通常以压缩编码的方式进行存储和传输。因此，结合视 频压缩标准的水印技术已成为水印技术发展的一个研究方向。h 2 6 4 是目前最新的国际视频 压缩标准。与其他压缩标准相比，h 2 6 4 压缩性能更好，应用范围更广泛。在相同视频质量 下，其压缩性能是m p e g 2 及h 2 6 3 的两倍，可应用各种不同的网络传输环境，特别是在低 码率环境下可以获得不错的性能。目前，基于该标准的视频水印技术的研究相对较少。因 此，结合h 2 6 4 标准的视频水印技术具有重要现实意义和应用价值。 1 2 国内外研究现状 国际上，自1 9 9 4 年s c h y n d e l 在国际图像处理会议( i c i p 9 4 ) 中明确提出数字水印概念以 来，信息隐藏及水印技术的研究引起了广泛关注。 1 9 9 6 年，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，标志信息隐 藏作为一个新的学科诞生了。至u 2 0 0 7 年，共举办了9 届国际研讨会。2 0 0 2 年1 1 月，首届国 际数字水印讨论会( i w d w ) 的在韩国汉城召开。该会至2 0 0 7 年9 月共举办了6 届。自1 9 9 9 年 起，国际光学工程师协会( s p i e ) 和图像科学与技术协会( i s & d 每年都举办专门的“多媒体 内容和水印讨论会 。此外，i e e e 的一些重要国际会议( ! t n c i p ，i c m e ) 也开辟了相关的专 题。 目前，开展数字水印研究包括美国版权工作组、德国国家信息技术研究中心、日本n t 2 南京邮电大学硕：i ：研究生学位论文 第一章绪论 信息与通信系统研究中心、普渡大学图像和视频处理实验室( v i p e r ) 的多媒体安全研究组、 哥伦比亚大学的a d v e n t 实验室、代尔夫特大学的信息和通信理论组、日内瓦大学的数字 水印研究组、多伦多大学、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞 士洛桑联邦工学院、西班牙v i g o 大学、i b m 公w a t s o n 研究中心、i n t e l 公司，微软公司剑 桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、c a 公司等。 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 ) t 6 】出于保护d v d 碟中视频数据的目的而测试了水印系统。安全数字音乐主创 ( s d m i ) 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 ) 和“护身 符 ( t a l i s m a n ) 两个计划对用于广播监控的水印进行了测试。在2 0 世纪9 0 年代末一些公司开 始正式的销售水印产品。v e r a n c e 企业的技术采用了第一阶段的s d m i ，此技术同时被诸如 l i q u i da u d i o 等的国际互联网音乐发行人使用。在图像水印方面，d i g i m a r c 公司把水印的嵌 入器和检测器与a d o b e 公司i 拘p h o t o s h o p 捆绑在一起。 在国内，1 9 9 9 年1 2 月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与 有关研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) 。至1 j 2 0 0 7 年己经召开 了7 届研讨会。可以认为，c i h w 己成为国内最具代表性的信息隐藏学术交流活动。2 0 0 0 年 1 月，由国家“8 6 3 计划”智能计算机系统专家组主办、模式识别国家重点实验室等单位组 织召开了首届数字水印学术研讨会。从这次会议反应的情况上看，我国相关学术领域的研 究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路。参加会议的各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。一些公司也开发出数字 水印产品，例如，上海阿须数码、成都宇飞和北京模式科技等。 随着视频应用的不断扩大，针对视频产品的版权保护需求日益突出。上个世纪九十年 代后期国内外学者开始致力于数字视频水印处理算法和基本理论的研究，目前己经取得了 一定的研究成果，但作为一种新技术，数字视频水印仍然是一个尚未成熟的研究领域，大 多数的水印算法还不成熟，还有许多问题需要解决。主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 虽然对水印算法有较深入的研究，水印嵌入算法获得了充分的发展，但与之相对应 的水印检测则是个薄弱的研究环节； ( 2 ) 水印系统缺乏统一的检测方法和适合的评价方法。虽然这方面已经有学者做了一些 研究工作，但仍然无法对水印系统进行全面测试和衡量； ( 3 ) 现有水印算法原理上有许多雷同之处，尚未能对不同算法中共性问题进行深入的理 论研究，缺乏对数字水印研究具有指导意义的理论结果； ( 4 ) 所有权和防抵赖的证明问题远远没有完全解决，这导致认证的媒体信息不能令人信 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 服的提供版权归属的有效证据； ( 5 ) 视频技术的迅速发展，新的视频压缩编码技术不断新出，关于这类视频数字水印系 统研究工作远远不够。 视频大多以压缩编码的方式存储和传输，这就要求视频水印必须能够抵抗常见的压缩 攻击。因为水印是利用载体的冗余空间进行操作的，而压缩的目的是去除冗余信息。压缩 性能越好，水印就越困难。h 2 6 4 是最新的视频压缩标准，压缩性能较之前的压缩标准更好， 水印设计难度也就更大。由于h 2 6 4 具有广泛的应用前景，而目前针对h 2 6 4 标准的视频水 印研究相对较少，因此，结合h 2 6 4 压缩标准的水印研究必将成为一个热门方向。 1 3 本文的主要工作及结构安排 随着视频技术的发展，数字水印技术研究的重心也由静态图像水印技术转移到视频水 印技术上。由于h 2 6 4 是最新的视频压缩标准及其广泛的应用前景，因此，如果数字水印技 术可以和h 2 6 4 视频编解码技术相结合，会有很大的应用价值。 本文结合h 2 6 4 视频压缩标准，介绍了视频水印技术的相关理论，在分析总结几种典型 的h 2 6 4 视频水印算法的基础上，提出一种用于版权保护的水印算法。主要采用v c + + 和 m a t l a b 等工具，在w i n d o w s 环境下构建实验系统平台，对水印算法进行仿真。具体的工作如 下： ( 1 ) 阐述了数字视频水印基本理论，分析了视频水印的三种系统模型： ( 2 ) 介绍了h 2 6 4 压缩编码标准的关键技术； ( 3 ) 深入地研究和分析了几种典型的h 2 6 4 视频水印算法的优缺点，并给出了改进思路； ( 4 ) 结合h 2 6 4 压缩编码技术，分析了基于h 2 6 4 视频水印设计的难点； ( 5 ) 提出并实现了一种用于版权保护的h 2 6 4 视频水印新算法，并给出了实验结果和结 论。 全文的结构安排如下： 第一章绪论介绍了数字水印技术的由来。说明了密码技术、信息隐藏技术、数字 水印的关系。对数字( 视频) 水印的研究背景进行了描述，并对本文的内容和结构上进行了 概括。 第二章视频数字水印技术概述首先介绍了视频数字水印的应用领域，然后对数字 水印基本框架、视频数字水印的性能要求及指标、分类、攻击方法等进行介绍。最后分析 和比较了三种视频水印嵌入方案的优缺点，并介绍了每种方案的典型算法。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第三章h 2 6 4 视频编码标准及其关键技术首先概述了h 2 6 4 编码标准，然后详细地介 绍了h 2 6 4 压缩编码原理的关键技术，尤其是帧内预测、帧间预测和整数变换与量化。 第四章基于h 2 6 4 标准的视频水印算法分析对现有的几种基于h 2 6 4 的视频水印算法 进行了分析，指出了已有算法的优缺点，并给出了算法改进的思路，在此基础上分析了基 于h 2 6 4 压缩标准的水印设计的困难。 第五章用于版权保护的h 2 6 4 视频水印算法基于h 2 6 4 视频标准的编码特点，提出了 一种适用于版权保护的鲁棒水印算法。详细描述了该算法的设计思想，对水印的生成，嵌 入，提取三个过程进行了详细说明，并对性能测试结果做了分析。 第六章结论和展望总结本文工作，并对今后的研究方向做了展望。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章视频数字水印技术概述 第二章视频数字水印技术概述 2 i 视频数字水印的应用领域 视频产品的版权保护是视频水印领域研究的主要驱动力量，但因其具有不可感知性、 健壮性和安全性等特点，近年来在其他的应用领域也广泛的使用了视频数字水印技术，主 要包括广播监视、拷贝控制、内容认证、数字指纹、安全隐蔽通信掣7 ，8 ，9 1 0 1 。 ( 1 ) 版权保护：数字产品在发行之前要想受到法律的保护，就必须包含版权信息。传统 上，版权标记被用于作品所有者鉴别，然而这种显示标记很容易去除和复制，而且对于声 像作品来说，这会破坏作品的声音、视觉质量。利用水印技术作为所有者鉴别作品的工具， 其优点是很明显的。为了表明对数字视频作品内容的所有权，数字作品所有者用密钥产生 水印将其嵌入原始载体中，然后就可公开发布嵌入水印的数字视频作品。如果该作品被盗 版或出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品中提取水印信号作为依据，保护所有者的 权益。 ( 2 ) 广播监视：数字水印还可以帮助我们检测影视节目中音乐作品在电视台和广播电台 上播出的时间和次数。如广告客户可以通过数字水印来判断电视台是否将自己的广告播放 足够的时间；而作曲家可以通过数字水印确定电台播出他们的作品的次数，据此获取版税； 制片商可以通过数字水印来判断自己的影视产品是否被电视台非法重播。如果在影视或音 乐作品播出前嵌入数字水印，然后对电视和广播进行监测，搜索其中的水印，那么就可以 确定这些作品在什么时候，由什么电台播放了多少次。 ( 3 ) 拷贝控制：数字水印非常适合用来当作多媒体数据的访问控制和复制控制。目前很 多大公司开始研究如何应用数字水印系统改进d v d 的访问与复制控制。比如允许个人消费 者无限制复制家庭录像的电视节目，而对于商业用途的复制则标识为“不允许”，相关的 播放设备将对这些数字水印标识进行判别并起作用。这样既保证了消费者个人复制、交换 节目的自由，又有效地控制了商业上的侵权行为。 ( 4 ) 内容认证：目前许多视频编辑和处理的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。利用视频水印来进行内容认证和完整性校验的目的是检测对数字视频 作品的修改，其优点在于：认证同内容是密不可分的，简化了处理过程。若在视频数据中 加入脆弱性视频水印，就能够提供是否被篡改和篡改的位置信息。 ( 5 ) 数字指纹：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 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章视频数字水印技术概述 其发行的每个拷贝中嵌入不同的数字水印( 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，例如在即付即看( p p v ) 和视频点播( v o d ) 等实时视频应用中，可 以将用户的i d 作为数字指纹嵌入到视频流中，用来跟踪用户是否有超越其许可权限的行 为。 ( 6 ) 安全隐蔽通信：视频水印同样可用于军事保密和商业保密，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、音频或视频) 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，而其他人无法察觉 到隐藏的水印，从而实现秘密信息的安全传输。 ( 7 ) 注释和索引：作为视频邮件的索引，注释以水印的形式嵌入到数字视频内容中；作 为电影和新闻的索引，作者及注释以水印形式嵌入，从而被搜索引擎搜索时使用。 2 2 数字水印系统基本框架 数字水印系统的核心包括水印嵌入模块和水印检测模块。嵌入模块至少包括两个输入 量，一个秘密信息，其经过预处理后成为待嵌入的水印信息。另一个是要嵌入水印的载体 作品。检测模块的输入为载体作品，作品可能含有水印，也可能不含水印信息。输出结果 可以是判断水印存在与否，也可以是可以直接视觉判断的图像或文字。图2 1 表示数字水印 的处理系统基本框架。 7 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章视频数字水印技术概述 水印攻击算法 一攻击后产品x 4 上 、 r 水印检测算法 水印提取算法 d e 。 0 i 有或无 i 1 水印w l 图2 - 1 数字水印处理系统基本框 数字水印系统可以定义为九元体阻，x ，w ，k ，g ，e m ，4 ，d ，e x ) ，分别定义 如下： h 代表所有可能原始信息m 集合 x 代表所有要保护的数字产品x 的集合 w 代表所有可能的水印信号的集合 k 代表水印密钥k 集合 g 代表利用原始信息m 、密钥k 及原始数字产品x 共同生成水印的算法。即 g - x x k 哼w ，w = g ( m , x ，k ) ( 2 1 ) e m 表示水印w 嵌入数字产品x 中的嵌入算法。即 e m ：x x k x ，x w = e m ( x ，w ) x w 表示含水印产品。 4 表示对水印产品x w 的攻击算法。即 4 ：x x k x ，x 。= 4 ( x w ，七) 8 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章视频数字水印技术概述 x 。表示攻击后的水印作品，七为攻击者的伪造的密钥。 d 表示水印检测算法，即 f l 如果x 存在水印w ( q ) d ：x x k 一 o ，1 ，d ( x ，k ) = l0如果x 。不存在水印育( 风) h 1 和风代表二值假设，分别表示水印的有无。 e 。表示水印提取算法，即 e 。：x x k - - w ，w = e 。( x 。，j j ) w 表示提取出的水印信息。 2 3 视频数字水印的性能要求及指标 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 2 3 1 视频数字水印的性能要求 视频数字水印首先应该具有数字水印的基本要求： ( 1 ) 不可见性 不可见性( i n v i s i b i l i t y ) 包含两方面的意思，一个指隐藏的水印应不影响原数据的使用价 值，即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的 情况是水印图像与原始图像在视觉上完全一致；另一方面水印用统计方法也是不能恢复 的，如对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品即使采用统计方法也无法提取水印或 确定水印的存在。 ( 2 ) 鲁棒性 鲁棒性( r o b u s m e s s ) 是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持 完整或仍能被准确鉴别，如果只知道部分数字水印信息，那么试图去除或破坏数字水印应 导致严重的降质而不可用，它是鲁棒水印的应有特性。鲁棒性测试主要包括数字水印对数 据同步的依赖程度、抗各种线性和非线性滤波的能力，以及抵御几何变换和其它攻击的能 力。对水印鲁棒性的要求高低取决于不同的应用环境。对于鲁棒性的测试，嵌入者可以根 据应用环境的需要以及水印嵌入方法的设计选择攻击方式。对于图像水印来说，现在己经 存在很多公开可获得的软件测试工具和平台，用以对嵌入水印的图像进行各种攻击或者进 行水印系统的鲁棒性检测，例女i u n z i p ，s t i r m a r k ，c e r t i m a r k 等攻击软件。 ( 3 ) 安全性 o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章视频数字水印技术概述 一个水印体制要走向商业应用，其算法必须公开。算法的安全性( s e c u r i t y ) 应完全取决 于密钥，而不是通过对算法进行保密以取得安全性。水印系统的安全性是指未经授权者很 难插入伪造水印，或检测到水印的存在。除非对数字水印具有足够的先验知识，任何破坏 和消除水印的企图都将严重破坏多媒体信息的质量。 安全性测试主要是对破解水印算法的时间及复杂性进行评估，以此作为水印安全性的 指标。好的数字水印算法在设计水印的产生办法、编码方式和水印的嵌入位置时，都需要 考虑到安全性。 ( 4 ) 水印容量 水印容量是指在单位时间或一幅作品中能嵌入水印的比特数。对一幅图像而言，水印 容量就是嵌入在图像中的比特数；对音频而言，水印容量是指在一秒钟的传输过程中所嵌 入的比特数；而对视频来说，水印容量既可用每一帧中嵌入的比特数来衡量，也可用每一 秒内嵌入的比特数来衡量。 ( 5 ) 检测和提取的准确性 在一些应用中，如版权保护系统，检测端只需要判断水印是否存在于待测多媒体中。 而在其它应用环境，如隐蔽通信、安全认证系统中，则需要将被嵌的水印信息完全提取出 来。不论在哪种应用中，水印的检测和提取算法都应具有良好的准确性。水印检测器可能 会发生两种错误：虚警错误( 也称一类错误、假阳性错误) 和漏警错误( 也称二类错误、假阴 性错误) 。前者是指水印没有存在于宿主信息中，但检测算法检测到了水印的存在。后者则 表示水印存在于宿主信息中，但检测算法未能检测到水印的存在。 虚警概率和漏警概率是衡量水印检测准确性的主要指标。一般说来，随着虚警概率变 小，漏警概率会增大，反之亦然。 除了具有一般数字水印技术所具有的特征以外，由于数字视频不仅仅是一个在规则间 隔时间内显示的图像序列，可能影响水印技术的一些视频特征包括： ( 1 ) 连续帧之间的时间相关性。多数情况下，连续的视频帧不是相互独立的，相反具有 较大的相似性。由于帧之间存在大量的数据冗余以及帧内冗余，视频水印很容易遭受盗版 攻击，包括帧平均、帧丢失、帧交换、静态分析等等。 ( 2 ) 在所有帧中嵌入相同的水印可能会不安全，因为攻击者可能会掌握大量有关水印结 构的知识去估计和删除水印。 ( 3 ) 嵌入水印一定不能显著地增加带水印视频流的数据率，特别是在带宽资源非常有限 的场合。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章视频数字水印技术概述 ( 4 ) 一些应用如：现场对内容进行水印标记，嵌入复制控制信息和嵌入指纹进行内容跟 踪等都要求嵌入实时水印。 ( 5 ) 其它的一些应用如检测版权保护信息和假冒视频产品的认证，也要求实时水印检 测。 由于视频的上述特殊性质，视频水印方案的设计还有如下一些特殊的要求【1 2 】： ( 1 ) 实时性 计算复杂度的核心是确保水印的实时性和可操作性。然而，不同的应用有不同的要求。 如果水印是用于审计追踪，每个接收端都必须提取水印，则水印提取应该容易。如果为不 同的接收者嵌入身份标识，水印嵌入需要在大量的视频序列上进行，而水印提取只是在出 现版权冲突时才进行。此时，水印提取可能比较复杂，丽水印嵌入复杂度应该低些。 ( 2 ) 随机检测性 可以在视频的任何位置，在短时间内检测出水印。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，但是如果只能从视频的开始位置按播放顺序一步步检测出 水印，则不具有随机检测性：如果跳转到视频的任何一个位置，也能够在很短时间内检测 出水印，则具有随机检测性。 ( 3 ) 与视频编码标准相结合 由于视频数据量极大，通常视频以压缩的方式进行存储和传播。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 、m p e g 4 以及h 2 6 3 和h 2 6 4 。如果是在未压缩视频中嵌 入水印，由于水印嵌入是利用视频的冗余数据来携带水印信息的，而视频压缩编码目的是 除去视频中的冗余数据。因此，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受到损失，甚至检测失效。 ( 4 ) 盲水印方案 比起盲水印检测方案，非盲水印检测时使用原始的载体信号，这更加有利于检测和提 取信息。但是，检测时用到的原始载体信号，容易暴露给恶意的攻击者，而且在某些应用 中，并不能获得原始的载体信号。即使能够获得原始的载体信号，但由于数据量巨大，存 储未加水印的原始的载体信号也是不现实的，对于视频数据来说，这一点表现得尤为突出。 因此，除了极少数的方案外，目前主要研究的是盲视频水印技术。 ( 5 ) 视频速率的恒定性 加入水印后不能增加视频的比特速率，必须服从传输信道规定的带宽限制。如果嵌入 水印后增加了视频的播放速率，解码出的声音和视频图像则可能不同步，从而引起失真。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章视频数字水印技术概述 以上介绍了视频图像数字水印各种特征和要求，它们之间是相互关联的，有的可能是 对立的，如不可感知性和鲁棒性，它们就是一个互相对立的。因此在设计水印方案时，需 要针对不同的应用，选择各种特性的最优搭配。在实际应用中，有的对不可感知性要求较 高，有的对鲁棒性要求较高。如果两个特性都要求较高，那必须权衡考虑。 2 3 2 视频数字水印的性能指标 目前为止，如何对一个数字水印系统做出公正合理的评价还是水印技术研究中的一个 难点。这不仅包括对鲁棒性的评价，还包括由水印处理和攻击引入的失真的主观和定量评 价。对合理的基准和性能评价来说，我们必须保证所考察的方法是在可比较的条件下进行 的，同时应在不同的测试条件下有相同或相似的结果。影响水印性能一般有如下几个因素 f 1 3 1 ： ( 1 ) 嵌入水印信息的数量：，因为它直接影响水印的鲁棒性和不可感知性，所以是一个重 要的参数。一般来说，要嵌入的信息越多，水印的鲁棒性就越差。相对于图像载体来说， 视频可嵌入的水印信息量要大的多。 ( 2 ) 水印嵌入强度：水印的嵌入强度( 对应鲁棒性) 和水印的可感知性之间有个均衡。强 度的增加可以达到强鲁棒性，然而也增加了水印的可感知性。 ( 3 ) 水印载体的大小和种类：载体信号的尺寸大小和特征对水印算法的性能有直接的影 响。 ( 4 ) 密钥信息：尽管密钥信息对水印的不可感知性以及鲁棒性没有直接的影响，然而在 系统的安全性方面却充当了重要的角色。密钥空间应取的足够大，以防止攻击者采用穷举 搜索进行攻击。因此良好的水印系统应该遵循基本的密码学原则。 综合以上这些影响水印技术的因素，可以得知要获得合适的基准和性能评估，水印嵌 入方法必须要针对不同的数据信息进行测试。因为水印的鲁棒性和不可感知性之间存在着 对立关系，因此要进行合理的评估和比较。在评估过程中需要考虑不可感知性的影响，而 这可以通过主观测试或者质量度量来衡量，主观测试对最终的质量评价和测试是有实用价 值的，但是在研究和开发情况下并不是很有用，而质量度量到目前为止还没有通用的度量 标准。视频水印的性能评估中常用的性能指标如表2 1 所示： 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章视频数字水印技术概述 表2 1 视频水印的常用性能指标 均方差 m s e = 丽1 m 去- i 缶n - i ( 八工，y ) 一兀( x ，y ) ) 2m s e 信噪比 s n r 1 0 l g 矗其彬= 丽lm 刍- i 缶n - i ( 似，炉而2 s n r 赤鲁鲁。一 峰值信噪比 p s g 丽睡意5 5 = 1 0 1= 1 0 1 瞻慧p 眦 相似性系数 w ( xw ( f ，) n c n c ： 2 0j i 一-一 i=0j=0m-!n1 以“) x 以力、i m 善i 萎n i o ，力x 力 2 4 视频数字水印的分类 视频数字水印的分类方式多种多样，按不同的标准大体可分为以下几类【1 4 1 ： ( 1 ) 按载体类型分一基于原始视频算法和基于压缩视频算法 基于原始视频的水印算法，是在未经编码的视频流数据直接嵌入水印；基于压缩视 频的水印算法，则与某种压缩标准相结合( 如m p e g - 2 或h 2 6 4 ) ，在编码视频流中嵌入水印。 ( 2 ) 按嵌入域分空间域( 或时域) 算法和变换域( 或频率域) 算法 空间域算法是用待嵌入的信息替换载体信息的冗余部分。l s b 算法是一种简单的替换 算法，它用水印信号替换视频载体信号的最低有效位。该算法简单、嵌入数据量大，但鲁 棒性欠佳，经过视频压缩等操作后很易丢失水印信息。 变换域算法是在宿主信号的某个变换域嵌入水印。如离散傅里叶变换( d f t ) 、离散余 弦变换( d c t ) 、小波变换域( d w t ) 、离散哈达玛变换( d h t ) 等。变换域算法有很多优点，很 多图像及视频水印算法都是基于变换域的，其主要优点有： 1 ) 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； 2 ) 某些变换域特性能更符合人类视觉多通道的特性，在水印设计时被优先考虑。近年 来小波变换的应用，极大地推动了水印技术和视频压缩等各方面的发展； 3 ) 变换域方法与大多数国际标准兼容，可直接实现压缩域内的算法，提高效率。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章视频数字水印技术概述 ( 3 ) 按密钥分对称水印和非对称水印 若嵌入和提取采用相同的密钥，称其为对称水印；否则称为非对称水印。 ( 4 ) 按检测和提取水印时是否需要原宿主信号分盲水印算法和非盲水印算法 盲水印算法在检测和提取水印时不需要原宿主信号；非盲水印算法在检测和提取水印 时需要原宿主信号。由于视频的数据量非常大，对视频水印一般都采用盲水印算法；而对 图像水印，大多采用非盲水印算法。 ( 5 ) 按水印的特性分鲁棒水印和脆弱水印 脆弱水印对信号的改动比较敏感，主要用于篡改提示；鲁棒水印要能够经受各种有意 或无意的攻击，视频水印主要研究鲁棒性水印。 ( 6 ) 按水印能否反向求出分一可逆水印和非可逆水印 c r a v e r 等【1 5 】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( 也 就是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。 2 5 视频数字水印的攻击方法 目前的文献已经陆续描述了很多水印攻击方法【1 6 n1 8 例。我们在这里主要依据【1 8 j 将 数字水印攻击方法归为四大类：稳健性攻击( r o b u s t n e s sa t t a c k ) ；表达攻击( p r e s e n t a t i o n a t t a c k ) ；解释攻击( i n t e r p r e t a t i o na t t a c k ) ；合法攻击( l e g a la t t a c k ) 。 ( 1 ) 稳健性攻击 这类攻击其实是直接攻击，目的在于擦除或除去在标记过的数据中的水印而不影响图 像的使用。这类攻击修改图像像素的值，大体上可再细分为两种类型：信号处理攻击法和 分析( 计算) 攻击法。 典型的信号处理攻击法包括无恶意的和常用的一些信号处理方法，例如：压缩，滤波， 缩放，打印和扫描等。我们对图像经常采取这些处理以适应不同的要求，例如：对图像进 行压缩以得到更快的网络传送速度。信号处理攻击法也包括通过加上噪声而有意修改图 像，以减弱图像水印的强度。人们也称之为简单攻击他可称为波形攻击或噪声攻击) 即只 是通过对水印图像进行某种操作，削弱或删除嵌入的水印，而不是试图识别水印或分离水 印。这些攻击方法包括线性或非线性滤波、基于波形的图像压缩( j p e g 、m p e g ) 、添加噪 声、图像裁减、图像量化、模拟数字转换及图像的y 矫正等【1 6 】。 分析( 计算) 攻击法包括在水印的插入和检测阶段采用特殊方法来擦除或减弱图像中 的水印。也可称之为删除攻击：即针对某些水印方法通过分析水印数据，估计图像中的水 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章视频数字水印技术概述 印，然后将水印从图像中分离出来并使水印检测失效。这类攻击往往是利用了特定的水印 方案中的弱点，在许多例子中，它证明了分析研究即己足够，不必在真实图像上测试这类 攻击。 ( 2 ) 表示攻击 此类攻击有别于稳健性攻击之处在于它并不需要除去数字产品内容中嵌入的水印，它 是通过操纵内容从而使水印检测器无法检测到水印的存在。也可称之为同步攻击( 检测失 效攻击) 即试图使水印的相关检测失效或使恢复嵌入的水印成为不可能。这种攻击一般是 通过图像的集合操作完成的，如图像仿射变换、图像放大、空间位移、旋转、图像修剪、 图像裁减、像素交换、重采样、像素的插入和抽取以及一些几何变换等等。这类攻击的一 个特点是水印实际上还存在于图像中，但水印检测函数已不能提取水印或不能检测水印的 存在。例如：表达攻击可简单地通过不对齐一个嵌入了水印的图像来愚弄自动水印检测器 ( 如：基于w e b 的智能代理或w e b c r a w l e r 等) ，实际上在表达攻击中并未改变任何图像像素 值。 ( 3 ) 解释攻击 在一些水印方案中，可能存在对检测出的水印的多个解释。例如，一个攻击者试图在 同一个嵌入了水印的图像中再次嵌入另一个水印，该水印有着与所有者嵌入的水印相同的 强度，由于一个图像中出现了两个水印，所以导致了所有权的争议。在解释攻击中，图像 像素值或许被改变或许不被改变。此类攻击往往要求对所攻击的特定的水印算法进行深入 彻底的分析。我们也称之为迷惑攻击即试图通过伪造原始图像和原始水印来迷惑版权保 护，由于最早由i b m 的c r a v e r 等人提出，又称i b m 攻击。这种攻击实际上使数字水印的版权 保护功能受到了挑战，如何有效地解决这个问题正引起研究人员的极大兴趣。 ( 4 ) 合法攻击 这类攻击同前三类攻击都不同，前三类可归类为技术攻击，而合法攻击则完全不同。 攻击者希望在法庭上利用此类攻击，它们的攻击是在水印方案所提供的技术优点或科学证 据的范围之外而进行的。合法攻击可能包括现有的及将来的有关版权和有关数字信息所有 权的法案，因为在不同的司法权中，这些法律有可能有不同的解释。合法攻击还可能包括 所有者和攻击者的信用，攻击者使法庭怀疑数字水印方案的有效性的能力，除了这些之外， 可能还和其他一些因素紧密相关，如：所有者和攻击者的金融实力的对