（信号与信息处理专业论文）h264标准中数字视频水印技术的研究.pdf

i t 2 6 4 标准中数字视频水印技术的研究 摘要 当今社会，数字技术发展迅猛、应用广泛，互连网、电信移动网络等新兴 传输方式和手机、机顶盒、电脑等多媒体终端都极大地拓展了数字内容( 文本、 图像、音频和视频等) 的传输范围。然而，数字多媒体产品易于无损复制、分 发的特性，使得通过信息网络快速随意批量传播数字产品的现象普遍存在。如 果缺乏对数字产品的版权保护，将会导致严重的负面问题。 数字水印技术作为新兴的可以有效解决数字版权保护的技术手段之一，近 年来己成为信息处理与信息安全领域研究的热点。它是通过将数字、文字、图 像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，起到版权保护、秘密通信、数据文件 的真伪鉴别和产品标识等作用。在数字水印技术当中，视频水印技术由于其自 身所具有的研究价值和潜在的市场需求而备受众多的学者和科研机构的关注。 但与图像水印技术的相比，视频水印技术发展显得有些滞后，这主要由于现有 的视频压缩编码标准为视频水印算法的设计带来一一定的局限性，以及视频水印 算法所特有的攻击形式导致对算法有更加严格的要求。目前视频水印算法大多 基于m p e g 编码标准的在d c t 域中实现的，而h 2 6 4 标准是新兴流行的压缩 效率最高的图像标准，其码流结构对网络有很强的适应性，在此标准下进行水 印技术的研究对于网络视频传输过程中的版权保护有着重要的意义。本文就是 结合了h 2 6 4 标准的诸多卓越性能对视频水印算法理论进行了重点的研究，论 文主要的研究工作体现在以下几个方面： 首先，系统地综述了视频水印技术的主要应用领域、其区别于图像水印的 特性以及国内外研究现状，并深入分析了一些典型的视频水印算法，特别是对 几种传统的基于d c t 域的视频水印技术算法的性能进行了分析和比较。 其次，系统的介绍了h 2 6 4 压缩编码标准的基础知识；它在数字电视广播、 视频实时通信、网络视频流媒体传递以及多媒体短信等各个方面发挥重要作用； 编解码器的特点和主要功能结构；它的一般技术以及不同与以往编码标准的编 解码技术等。h 2 6 4 的这些内容很好地说明了它在网络传输和视频监控领域具 有优于以往视频编码标准的特点，以及在此基础上进行视频水印技术的研究有 很广阔的市场应用价值。 再次，根据h 2 6 4 标准中宏块系数、相邻块和相邻帧之间的强相关性和视 频序列的运动特性，提出在一种基于残差宏块的d c t 系数与运动矢量相结合的 视频水印算法。该算法按照一定的规则将水印嵌入到i 帧量化后的中频交流系 数以及p 帧的运动矢量中。算法具体采取了根据人眼视觉特性自适应的嵌入策 略和盲提取策略来解决水印嵌入和提取之间的同步，以及提高水印嵌入的鲁棒 性，并且取得了很好的效果。实验结果证明该算法具有低计算复杂度和大容量 水印承载能力，并具有很强的抗压缩、多次压缩、抗噪声的能力。 最后，根据中频a c 系数的鲁棒性特点，本文又设计了应用于人脸隐私保 护的彩色视频水印算法。在此算法中，采用人脸检测技术实现在视频采集图像 中人脸区域的准确定位，并结合数字水印技术将定位的彩色人脸区域图像作为 标志性水印信息嵌入原始图像人脸周围区域中，在将人脸图像进行加密保护。 最后利用基于d m 6 4 2 的图像采集系统对算法实用性和有效性进行验证。同时 做了大量的攻击性实验表明该算法具有良好的安全性和鲁棒性，有很好的市场 应用前景。 关键词；视频数字水印h 2 6 4 压缩编码标准d c t 系数运动矢量盲检测 r e s e a r c ho fd i g i t a lv i d e ow a t e r m a r k i n gb a s e do n h 2 6 4s t a n d a r d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d e l ya p p l i c a t i o no fd i g i t a lt e c h n o l o g y , t h e n e ws t y l eo ft r a n s m i s s i o ns u c ha si n t e r n e tn e t w o r k ，t e l e c o mm o b i l en e t w o r k a n dt h e m u l t i m e d i at e r m i n a ls u c ha sm o b i l et e l e p h o n e ，s t b ( s e tt o pb o x ) ，c o m p u t e r e x p a n dt h et r a n s m i s s i o na r e ao fd i g i t a lc o n t e n t s ( d i g i t a lt e x t ，i m a g e ，a u d i oa n d v i d e oe ta 1 ) h o w e v e r ，t h ed i g i t a lp r o d u c t sh a v et h ea d v a n t a g eo fl o s s l e s sc o p ya n d d i s t r i b u t i o n ，a n di t i su b i q u i t o u st h a tt h ed i g i t a lc o n t e n t sw h i c ha r ep r o t e c t e db y i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sr a n d o md i f f u s e d i ft h e r ei sal a c ko ft h ec o p y r i g h t p r o t e c t i o no fd i g i t a lc o n t e n t s ，i tw i l lt a k es e r i o u sp r o b l e m a san e wa n de f f e c t i v ea p p r o a c ht os o l v et h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o np r o b l e m ， d i g i t a lw a t e r m a r k i n gh a sb e c o m eav e r ya c t i v er e s e a r c ha r e aw i t h i nt h ef i e l do f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n ds e c u r i t y t h ew a t e r m a r kc a nb ea 1 1t h ec o p y r i g h t i n f o r m a t i o ns u c ha sn u m b e r , w o r da n di c o n a n de m b e di nt h ed a t ao fm u l t i m e d i at o p r o t e c tc o p y r i g h t ，c o m m u n i c a t es e c r e t l ya n di n s p e c tt h et r u t ho fd i g i t a lp r o d u c t s a m o n g a l lk i n d so fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s r e s e a r c h e r sh a v ep a i dm o r e a t t e n t i o nt ov i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ed u et oi t sh i g hr e s e a r c hv a l u ea n d p o t e n t i a lm a r k e td e m a n d b u tc u r r e n t l yv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e sl a gf a r b e h i n di m a g ew a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e sf o r t h el i m i t a t i o n so fe x i s t i n gv i d e oc o d i n g s t a n d a r d sa n ds o m es p e c i a la t t a c k sa g a i n s tv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s a tt h e p r e s e n tt i m e ，v i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h ma r em o s t l yb a s e do nm p e ga n dc a r r i e d o u ti nd c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m 、d o m a i n h 2 6 4s t a n d a r di s b u r g e o n i n g i m a g ec o m p r e s s i o ns t a n d a r da n di t sc o m p r e s s i v ee f f i c i e n c yi st h eh i g h e s to ft h e c u r r e n ti m a g es t a n d a r d s i t sb i ts t r e a m ss t r u c t u r ea p p e a r ss t r o n ga d a p t a b i l i t yt ot h e n e t w o r k w a t e r m a r k i n g sr e s e a r c h 0 nt h i ss t a n d a r d sh a si m p o r t a n te f f e c t so n c o p y r i g h tp r o t e c t i o n i nt h en e t w o r kv i d e ot r a n s m i t c o n s e q u e n t l y ，p a p e rd ot h e m a i nr e s e a r c ho nv i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mc o m b i n i n gw i t hh 2 6 4s t a n d a r d s m a n ye x c e l l e n tc a p a b i l i t i e s t h ee m p h a t i cr e s e a r c hw o r ka n dc o n t r i b u t i o no ft h i s t h e s i sa r ea sf o l l o w s ： t ob e g i nw i t h ，t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d t h ea p p l i c a t i o no fv i d e ow a t e r m a r k i n g ，a n df o c u s e so nt h er e s e a r c hs t a t u so fv i d e o w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h ma n dp r i n c i p l e s s e v e r a lt r a d i t i o n a lv i d e ow a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m sa r es t u d i e d ，a n dt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ep e r f o r m a n c e sa r e g i v e ni nd e t a i l t h e n ，i n t r o d u c es y s t e m i c a l l ya b o u tt h eb a s i ck o w n l e d g eo fh 2 6 4 i td ot h e i m p o r t a n te f f e c t s0 nd i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t ，v i d e or e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n ， n e t w o r kv i d e os t r e a mm e d i at r a n s f e ra n dm u l t i m e d i as h o r tm e s s a g e t h ee n c o d e r a n dd e c o d e r sc h a r a c t e r sa n dm a i nf u n c t i o ns t r u c t u r eo fh 2 6 4 i t sc o m m o n t e c h n o l o g y sa n ds p e c i a lt e c h n o l o g y sw h i c ha r e d i f f e r e n tf r o mt h ec o m m o n s t a n d a r d s ，h 2 6 4 ss p e c i a l i t ys h o wt h a ti ti sp r e d o m i n a n ti nn e t w o r kt r a n s m i s s i o n a n dv i d e oc a p t u r ea r e a s ，a n dd ot h er e s e a r c ha b o u tv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y o nh 2 6 4h a v eaw i d em a r k e ta p p l i c a t i o nv a l u e f u r t h e r m o r e ，b a s e do nt h es t r o n gc o r r e l a t i o no fb l o c k sc o e f f i c i e n t s ，a d j a c e n t b l o c k sa n da d j a c e n tf r a m e sa n dv i d e os e r i a l sm o v e m e n tc h a r a c t e r s ，p r o p o s ea v i d e ow a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mb a s e d o nt h ec o m b i n a t i o no ft h eb l o c k sd c t c o e f f i c i e n t sa n dm o t i o nv e c t o r t h i sa l g o r i t h me m b e d sw a t e r m a r k i n gi n t oif l a m e s i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yc o e f f i c i e n t sw h i c ha r eq u a n t i t ya n dpf r a m e sm o t i o nv e c t o r a c c o r d i n gt os o m er e g u l a t i o n s t h i sc a ne m b e dw a t e r m a r k i n ga d a p t i v e l yb yh u m a n v i s i o nc h a r a c t e r st og u a r a n t e et h es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e ne m b e d d i n ga n db l i n d d e t e c t i n g ，a n di m p r o v et h er o b u s t n e s so fw a t e r m a r k i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h i sa l g o r i t h mh a so b v i o u sl o wc o m p l e x i t y , h i g hw a t e r m a r kp a y l o a da n dt h e s t r o n g r o b u s t n e s sa g a i n s tc o m p r e s s i o n ，r e c o m p r e s s i o n ，a n t i n o i s ea n dm e a n f r a m e s f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h es t a b i l i t yo fa cc o e f f i c i e n t s ，t h i st h e s i sp r o p o s e d a n o t h e rs y s t e ma b o u tf a c ep r o t e c t i o nb a s e do nt h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g i nt h e a l g o r i t h m ，f i xo nf a c ec o r r e c t l yi nt h ev i d e oc a p t u r es y s t e mb yf a c ed e t e c t i n g t e c h n o l o g y , a n dm a k ef a c ea r e ad e t e c t e da sc o l o rw a t e r m a r k i n ge m b e d e di n t ot h e o r i g i n a li m a g e ，t h e ne n c r y p tf a c i a la r e a a tl a s t ，u s ei m a g ec a p t u r es y s t e mb a s e do n d m 6 4 2t ot e s tt h ep r a c t i c a b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h i sa l g o r i t h m p a p e ra l s od om a n y a t t a c k e x p e r i m e n t s w h i c hs h o wt h e a l g o r i t h m h a v ef a v o r a b l e s e c u r i t y a n d r o b u s t n e s s ，a n dh a v ew i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：v i d e od i g i t a lw a t e r m a r k ；h 2 6 4s t a n d a r d ；a cc o e f f i c i e n t s ；m o t i o n v e c t o r ；b l i n dd e t e c t i n g ； 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 幽2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 。5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 幽4 8 插图清单 视频水印嵌入和提取方案7 h 2 6 4 档次1 8 h 2 6 4 编码器2 0 h 2 6 4 解码器2 0 宏块及子宏块分割2 2 h 2 6 4 的三种整数变换矩阵2 3 扫描顺序2 4 h 2 6 4 a v c 基本编码框图2 5 h ，2 6 4 a v c 的分层结构2 6 在i 帧基于中频能量子带嵌水印与在p 帧基于“半十字”型嵌入水印相结合2 8 1 6 x 1 6 像素宏块细分结果3 0 1 6 个d c t 系数的排列顺序及能量子带示意图3 l 亮度半像素位置内插3 2 亮度1 4 像素内插3 3 色度1 8 像素内插3 3 “半十字”型嵌入方案及嵌入位置示图。3 4 从a m i n 到a m a x 之间分为4 个部分3 5 f o r e m a n q c i f 对应视频帧3 6 不同压缩比的j p e g 压缩对视频水印算法的影响1 3 7 噪声密度对对视频水印算法的影响3 8 帧数对视频水印算法的影响3 8 基于数字水印的人脸保护算法的流程图。4 2 肤色检测人脸的流程图4 3 肤色检测的结果“ 经典方法方向分类，4 4 t m s 3 2 0 c 6 2 x x 6 4 x x 6 7 x x 结构框图5 0 人脸检测、水印嵌入和提取的结果5 2 不同压缩比的j p e g 压缩对视频水印算法的影响。5 3 不同噪声密度对对视频水印算法的影响5 3 表格清单 表4 - 1 对称区间的特征分布概率4 5 表4 - 2 训练耗时4 5 表4 - 3 人脸测试结果4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金胆工些太堂 或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：宦受签字目期：弦刁年，月，弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金世王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金e b 王些盘 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名喧叟导师签名 签字日期：w 刁年1 1 月哆日签字日叫年p 月j 多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 研究生生活即将结束。在两年半的学习生活中我所收获的不仅仅是专业的 知识，还深深地为师长身上严谨治学的态度所折服；为同学身上奋发向上，只 争朝夕的精神所感染。 首先要感谢我的导师蒋建国教授和齐美彬副教授。在我攻读硕士学位期间， 他们严谨的治学态度，广博的专业知识，对事业孜孜不倦的追求精神和平易近 人的处世作风给我留下了深刻的印象，也必将会让我受益终生。他们不仅是学 术出色的导师，同时也是指引我前进的长者，为我将来的发展提供了极大的帮 助和指导。在此谨向恩师致以最真挚的谢意! 感谢实验室的詹曙老师、吴从中老师、李小红老师、夏娜老师、尤晓泉老 师，感谢他们三年来对我的关心和帮助：感谢尹翔、张国富、苏兆品、李勇、 包先雨等各位博士在学习过程中的指引和帮助；感谢安宝磊、刘扬、李化雷、 王倩、孙洪艳、张祺、郝永杰、张锐、操龙敏、黄越、陈晓蕊、童卫勇同学， 三年来我们相互交流，取长补短，共同进步；感谢各位师弟师妹们，正是因为 生活在这样一个团结友爱互助的集体里，我能够乐观地面对生活，面对每一天 的学习和工作。难以忘记在d s p 实验室学习的日日夜夜，感谢各位同窗的协作 和帮助，诚挚的祝福他们在未来的生活和学习中一切顺利! 此外，在课题研究、论文工作，以及研究生学习期间，我还得到了其它许 多老师和同学的关心和帮助，在此一并表示谢意。 最后，要衷心的感谢我的父母和所有家人。他们一直给我精神上的鼓励、 物质上的支持、学习上的帮助和督促。他们的关怀和支持，是我不断前进的最 大动力。 作者；宣曼 2 0 0 7 年1 2 月 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着计算机网络和多媒体技术的迅速发展，多媒体信息( 文本、图像、音 频和视频等) 得到日益普及和广泛应用。数字媒体产品具有随意批量复制、无 损分发的特点，但这些特点也同时带来了信息安全和版权保护的问题。因而， 采取多种手段防止数字产品被盗版、侵权和随意篡改，己成为“数字世界”有 待解决的重要问题之一。 最开始采用密码算法加密内容来解决数字多媒体产品的版权保护问题。但 加密只能在传输过程中保护数字产品的安全，一旦数据被解密后就不能提供进 一步的保护。自九十年代开始，数字水印技术的出现弥补了密码学方法的不足， 它为数字产品的版权以及信息的合法使用提供了一种新的解决思路。数字水印 技术是一种真正解决数字产品版权的技术，它通过在数字产品中嵌入版权信息 或者其它秘密信息，如使用者身份信息等，我们统称为水印来确定产品的所有 权或检验其内容的真实性和完整性【l 】。由于水印完全内嵌在数字内容之中，因 此即使经过解密、再加密、压缩、数模转换和文件格式改变等过程，设计巧妙 的水印也仍然存在。 数字水印的分类方法多种多样：按数字水印嵌入域的不同可以将其分为空 域时域数字水印和变换域水印；按数字水印提取过程是否需要原始作品参与将 其分为盲提取水印和非盲提取水印；按数字水印的特性将其分为易碎水印、半 易碎水印和鲁棒水印；还可以按数字水印的用途分类将其分为用于版权保护的 水印、用于完整性和真实性验证的认证水印、以及用于广播监控等其它用途的 专用水印等等。此外，按数字水印的载体可以将其分为文本水印、图像水印、 语音水印、视频水印、几何模型等。 数字水印研究是近十年来出现的一个熟点。但最初数字水印技术的发展主 要集中在于静止图像的水印技术，而基于视频的水印技术相对却较少。近年来 随着大量的视频消费产品的出现，如v c d ( v i d e oc o m p a c td i s c ) 、d v d ( d i g i t a l v e r s a t i l ed i s c ) 和e v d ( e n h a n c e dv e r s a t i l ed i s c ) 等，特别是近年来高清数字电视 的迅猛发展，使得视频水印作为数字产品版权保护技术的市场需求更为迫切。 视频数字水印技术研究滞后的原因是其算法的设计和实现的难度相对较大。具 体来说视频本身具有不同于静止图像的诸多特性，如过多的数据冗余、运动区 域与非运动区域的分布不平衡等，且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，同时现有的标准视频编码格式又造成了已有 水印技术引入上的局限性。而且视频水印算法在实际应用中经常有实时和接近 实时的限制，与静止图像水印相比较，低计算复杂度成为首要的要求。此外， 由于一些针对视频水印所特有的特殊攻击形式( 如帧删除、插入和重组等) 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。视频水印技术具 有很广阔的应用领域，如d v d 版权保护、v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 视频点播系 统和卫星数字视频传输等，但目前此技术的研究还不够充分，还有很多技术问 题没有得到很好的解决。因此，视频水印技术作为一种数字产品的版权保护方 法正受到国际上越来越多的重视。 1 2 视频水印的主要应用领域及特性 1 2 1 视频水印的主要应用领域 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 蔽通信等。 1 版权保护：目前，版权保护可能是水印最主要的应用。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：当广告客户需要确认广播公司确实己经完全履行了他们之间 的协议时，比如广播公司是否按合同要求播放了足够长的广告，或者作品版权 所有者要确保他们的所有物不会被电台非法转播时，一种安全、高效的广播监 视系统是很必要的。技术含量最低的一种广播监视方法就是人为监视，这种方 法代价高而且容易出现错误，因此迫切需要用自动监视形式取代之。被动监视 系统是由电脑软件对接收的信号与己知作品的数据库进行比较，根据比较结果 来识别播放的歌曲、电视或广告。这种方法不需要在广播中引入任何相关信息， 也不需要广告客户或广告公司的任何协助，是种自动监视系统。但这种方法 存在大量的潜在问题：由于媒体信号数据量大，搜索庞大的数据库是一个很难 解决的问题；而且，广播一般会使信号畸变，这就使得监视系统不能在数据库 中搜索精确匹配，而是要进行邻近搜索，而就目前所知，这是相当复杂的；另 外，存储和管理庞大数据库的代价也是昂贵的。因此，人们需要一种主动监视 系统来克服上述缺陷。如果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，通过检测设备的实时检测，判断节目内容的来源，便可以有效地 用于广播监视，防止广播电台之间大规模的侵权行为。 3 拷贝控制：拷贝控制应用旨在防止人们制造有版权内容的非法副本。最 早和最强防止非法副本的防线是加密。然而密码技术的主要弱点是很明显的： 2 加密作品在使用前需要解密，一旦解密，所有保护功能都将丧失。我们希望的 是以某种方式感知媒介，但仍要防止它被录制。在数字视频产品发行体系中， 人们希望有一种拷贝保护机制，即不允许为授权的媒体拷贝。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的内容， 允许的拷贝数也减少一次，以防止大规模的拷贝。这种应用的典型例子是d v d 防拷贝系统，即将水印信息加入到的d v d 数据中，这样d v d 播放机即可通过 检测d v d 数据中水印信息而判断其合法性和可拷贝性，从而保护制造商的商 业利益。 4 内容认证：目前许多视频编缉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：主要用于追踪数字产品非法拷贝的原始散发者。这很像软件 产品的序列号，对监控和跟踪流通数的非法拷贝非常有用。这一类应用在发行 的每个拷贝中嵌入不同的水印，通常称之为“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其发行的每个拷贝中嵌入不 同的水印( 数字指纹，比如代表用户身份的序列号) 。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。例如在即付可看( p p v ) 和视频点播( v o i d ) 等实时视频流应用中，可以将用户的身份i d 作为数字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。 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，只有指定的接受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。 1 2 2 视频水印的特性 水印系统具有许多描述其特性的特征，比如安全性，可靠性和鲁棒性等， 但这些特征本身之间又存在相互制约的关系，因此必须依据具体应用而在各种 特征之间做出均衡。下面，我们将就视频水印的特征作详细论述。 首先视频水印技术应该具有数字水印一般的特征1 2 】，如： 1 安全性：在多数应用中，比如版权保护，要确保嵌入信息的保密性。水 3 印的嵌入算法和提取算法一般都是公布于众的，甚至是程序都可以公开的。如 果保密性是一个要求，那么嵌入和提取水印过程中就要使用密钥。如果不知道 水印密钥，哪怕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 h o f f 准则j 。 2 可靠性：水印检测应该是可靠的，虚警概率( f a l s ep o s i t i v ep r o b a b i l i t y ， 在未嵌入水印的情况下错误检测到水印的概率) 和漏检概率( f a l s en e g a t i v e p r o b a b i l i t y ，在嵌入水印的情况下错误认为不存在水印的概率) 应尽可能低， 特别是版权保护等应用中，保持尽可能小的虚警概率至关重要。 3 鲁棒性：鲁棒性对水印是极为重要的。理想情况下视频水印应能够承受 各种常见的信号处理攻击和几何攻击，包括各种有意的( s t i r m a r k ，马赛克攻 击或统计平均等) 或无意的( 压缩、滤波、a d d a 转换、扫描、各种几何变换 等) 攻击；也应能够抵抗视频所特有的基于帧操作的攻击，如各种压缩编码标 准m p e g l ，m p e g 2 ，m p e g 4 等对视频的编码，但是实际应用时，应当针对具 体情况进行具体分析。 4 不可感知性：视频中嵌入的水印应该是透明的，在视觉上是不可感知的 ( 专门的可见水印，如电视台标等除外) ，不会因为嵌入水印而降低视频的质量。 对于视频水印而言，还有一些特殊的要求，如： 5 实时性：视频水印算法在多数情况下有实时性的要求，这也是视频水印 与静止图像水印之间的重要区别，特别是比如在多播的情况下，需要在接收端 嵌入用户的序列号，这一方面减少播出的带宽，另一方面可用于追踪盗版的原 始分发者。一般而言，对于在静止图像中嵌入或提取水印，几秒或更长的时间 是可以接受的，但对于视频数据而言，由于视频帧的帧率较高，以确保视频数 据流的平滑性，所以较长的水印嵌入或提取的延迟时间会降低视频帧率，从而 严重影响视频的质量。视频水印对实时性有多层次的要求，一种是要求嵌入和 提取都必须是实时的，称为强实时；另一种没有强实时要求，或者要求嵌入时 满足实时性，或者要求提取时满足实时性，称为弱实时。对于数字电视广播种 应用数字水印，往往要求实时性较高，因而是强实时的，另外一种特殊应用， 比如广播监视，水印检测器必须能够实时地检测水印，而在水印嵌入过程中对 实时性的要求不是很高，这种应用是弱实时的。 6 盲检测性：若在检测时需要原始宿主信号，称为非盲检测技术，否则称 为盲检测技术。使用原始的宿主信号，更有利于检测和提取信息。但是检测时 用到的原始宿主信号容易暴露给恶意的攻击者。对于视频水印的检测原则上不 能使用原始视频数据，这是因为在检测时使用原始视频数据会大大增加运算的 复杂度，使得水印算法无法实现实时性的要求，另外视频信号载体的数据量较 大，如果采用非盲检测技术，检测时需要原始视频数据作参考也是不现实的。 7 随机检测性：可以在视频的任何设置、在短时间内检测出水印。在许多 4 的实际视频水印应用当中，不可能从视频的开始位置按播放顺序一步步地检测 出水印，而且嵌入水印的视频也可能遭受帧删除、帧重组等攻击，因此视频水 印技术要保证能够在视频的任何一个位置，在- - + 段视频图象序列中能够检测 到水印。 8 强健壮性：由于数字视频是由连续播放的视频帧所构成，相邻帧之间的 内容具有高度的相关性，导致视频水印除了可能遭到一般图像水印的攻击形式 外，还可能遭到一些针对视频水印的特殊攻击( 如帧重组、帧删除、帧间统计平 均和统计共谋等) 的出现，因此要求视频水印技术要具有抵抗这些攻击的能力。 针对视频水印的主要攻击和处理有： 无意的处理：主要指数字视频的使用者为了更好地管理或使用视频数据资 源而对其视频数据进行各种处理【”。包括视频在传输过程中引入噪声、a d d a 转换引起的信号失真、传输编码或视频格式的转换、空间分辨率( n t s c ，p a l ， s e c a m ) 之间的切换、视频帧率的改变、以及帧重组、帧插入、帧删除、淡入 淡出视觉特技等。 有意的攻击：水印攻击一般可分为简单攻击、检测失效攻击、混淆攻击和 移除水印攻击四类【5j ，视频水印的攻击也基本由这四类构成。其中对于单个视 频帧，基于静态图像的攻击一般有效。而对于连续的视频帧，恶意用户更容易 利用视频帧连续且相邻帧高度相关的特点，进行统计平均和统计共谋攻击。 1 3 视频水印技术的研究现状及典型算法 1 3 1 国内外研究现状 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 6 】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 9 1 7 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。随着国内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、一飞利浦等机构，同 时，由i b 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【8 】。 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 5 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 ) 9 1 0 】，德国f r a n kh a r t u n g 所在的爱立信 研究小组l ，i b mt j 研究中心的林清泳【旺】，t e x a sa & mu n i v e r s i t y 的d e e p a k u n d u r 1 3 】，美国p u r d u eu 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 1 4 】，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。 国内也有不少研究