（通信与信息系统专业论文）基于dft变换与离散loglog映射的鲁棒视频水印技术.pdf

基习三9 f r 变换与l o g l o g 映射的鲁棒视频水印技术 基于d f t 变换与离散lo g io g 映射的 鲁棒视频水印技术 专业：通信与信息系统 硕士生：黄文婷 指导教师：黄继武教授 摘要 数字水印是近几年提出的一种版权保护手段。通过检测和提取水印，可以鉴 别数字化图像、视频和音频作品的作者、拥有者、发行者或授权消费者的信息， 还可以追溯数字作品的非法传播过程。数字视频水印具有广泛的应用前景，如版 权保护、拷贝控制、广播监控、数字指纹、视频认证、安全隐蔽通信和增强视频 编码等等。鲁棒性是版权保护水印的重要指标。因此，如何找到一种鲁棒的视频 水印算法，成为了研究的热点。 在数字视频水印的研究中，几何攻击( 包括比例缩放、旋转、移位、裁剪、 移去或加入像素矩阵等等) 是水印技术所面临的最大挑战之一。通常几何攻击都 会破坏水印空域上的同步关系，从而使水印提取失败。本文就抗几何攻击的水印 算法展开研究，并提出了一种既能抵抗空域几何攻击，又能抵抗时域攻击的鲁棒 视频水印算法。 本文首先介绍了视频水印技术的相关理论和研究现状，然后以基于 f o 谢c r - m e l l i n 变换和离散对数极坐标映射或离散对数映射的水印算法为重点， 对已有的抗几何攻击的鲁棒水印算法进行了深入的研究。针对以往算法的不足， 提出了一种基于d f t 变换和离散l o g - l o g 映射的数字视频水印算法。经过相关参 数的适当选取，该算法对各种针对视频帧的空域攻击，如加噪，纵横比变换，裁 剪，平移等，具有良好的鲁棒性。在基于d f r 变换和离散l o g 1 0 9 映射的数字视 中山大学硕士学位论文 频水印算法的基础上，本文利用纠错编码以及交织技术，对待嵌入的有意义信息 进行预处理，使视频水印算法能够同时抵抗几何攻击和时域攻击。实验结果表明， 与现有的算法相比，本文所提出的视频水印算法计算复杂度较低，具有较好的鲁 棒性。 关键词：视频水印，d f r 变换，离散l o 分l o g 映射，纠错编码，交织 n 基于d f r 变换与l o g - l o g 映射的鲁棒视频水印技术 m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n dh l f 0 咖a t i o ns y s t e m n a m e ：h u 孤gw e n t i n g s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n g j i 、u a b s t r a c t d i g i t a lw a t e 珊a 戚n gi s0 n e o ft h em c t h o d sp r o p o s e dt op r o t 鳅c o p 州g l l ti l lt h e r e c e n ty e a r s b yd e t e c t i n ga n de x t r a c t i n gt h ew a t e m a r k ，o n ec o u l di d e n t i f yt h ea u t h o r o w n e r i s s u e r 锄da u t h o r i z e dc o n s u m e ro ft h ed i 舀t a li m a g e ，v i d e oa n d a u d i om a t e r i a l ， a n de v e nt m c et h ei l l e g a ld i s t r i b u t i o no ft h ed i 酉t a lm e d i a d i 西t a lv i d e ow a t e 珊a r k m a yb eu s e di nv a r i o u sa p p l i c a t i o n s ，s u c h a sc o p y r i 曲tp f o t e c t i o n ，c o p yc o n t 内l ， f i n g e 叩咖t i n g ，b r o a d c a s tm o n i t o r i n g ，v i d e oa u t h e n t i c a t i o n ，s e c u r ec o 删 n u n i c a t i o n 弛d e i l h a n c e dv i d e oc o d i n g r o b u s t n e s si sc r i t i c a lf o rw a t e 珊a r k i l l gu s e df o rc o p y r i 曲t p r o t e c t i o n h o wt of i n dar o b u s tv i d e ow a t e 肌a r k i i l gm e t h o dh 硒a t t r a c t e dm o r ea n d m n r ea t t e n t i o n g e o m e t r i c a la t t a c k s ，i n c l u d i n gs c a l i n g ，r o t a t i o n ，s h m ，c r o p p i n g ，r e m o v i n g0 r i n s e r t i l l gp i x e lm a t r 恢，p r e s e n t 黟e a tc h a l l e n g e s i i lt h er e s e a r c ho fd i 百t a lv i d e o w a t e m a r k j n g g e o m e t r i c a la t t a c k si n d u d ea i l ds oo n u s u a l l yt h eg e o m e t r i c a la t t a c ：k s w i l ld e s t m yt h es y n c h r o n i z a t i o no ft h ew a t e 肌a r ki ns p a t i a lo rt e m p o r a ld o m a i n 孤d t h e nr c s u l ti nt h ef a i l u r eo ft h ew a t e 加】a r ke x t r a c t i o n t l l l er e s e a r c hi nt m st h e s i sw i l l f o c u so nt h ev i d e ow a t e 咖a r l 【i n gm e t h o d sr e s i s tt og e o m e t r i c a ia t t a c k s an e w v i d e o w a t 锄a r k i n gi n v a r i a n tt ob o t hg c o m e t r i c a la n dt e m p o r a la t t a c k s i sp r o p o s e d t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h et h e o r i e sa n dt h es t a t eo fa r l si nt h ef i e l do fv i d e o w a t e 衄撼g ，蠲dt h e np a ya t t 朗t i o nt o t h eg e o m e t r i c a li n v 撕蛆tw a t c 】 m a r k i n g 中山大学硕士学位论文 m e t h o d sm a i n l yf b c u s i n go nt h ef 0 u r i e r m e l l i nt r a n s f o 肌a n dl o g p o l a r l o g - l o gm a p b a s e dw a t e r m a f k i n g b ya n a l y z i n gt h ed e f i c i e n c y0 ft h em e t h o d sp r o p o s e di l lp r i o r 、舳r k s ，w ep r o p o s e dan e wv i d e ow a t e m a r k i n gm e t h o db a s i n go nt h ed f ta n d d i s c r e t el o g - l o gm a p b ys e l e c t i n gt h ep a r a m e t e r sp r o p e r l y ，t h em e t h o do b t a i n ss t r o n g r o b u s t n e s s ，w h i c hr e s i s t st h es p a t i a l 盘a m ea t t a c k ss u c ha sa d d i n gn o i s e ，a s p e c tr a t i o c o n v e r s i o n ，c r o p p i n ga n ds h i f t b a s i n go nt h ed f ta n dd i s c r e t el o 分l o gm a p w a t e 加a r k j n gm e t h o d ，ap r e p r o c e s s i n gt ot h et o _ b e e m b e d d e di n f 0 肋a t i o nw i t he 仃i m c 0 玎e c t i o nc o d i n ga n di n t e d e a v i n gi sp r o p o s e dt 0o b t a i nt h er o b u s t n e s st or e s i s tb o t h g c o m e t r i c a la n dt e m p o r a la t t a c k s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t d e m o n s t r a t e st h a tt h e p r o p o s e dv i d e ow a t e 珊a r k i n gm e t h o dh a sl o w e rc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t ya i l ds t r o n g e r r o b u s t n e s st h a nt h ee x i s t i l l gm e t h o d s k e yw b r d s ：v i d e ow a t e 珊a r k j n g ，d i s c r e t ef o u r i e rt 啪s f 0 肌，l o g - l o gm 印，e c c ， i 玎r t e d e a v i n g i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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。对本文的研究作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。 学位论文作者签名：凿炙二哼 日期：2 0 硒年5 月g 同 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：d 乏支：诗 日期：2 d 0 8 年歹月8 日 导师签名： 日期： 禹掀 月日 第1 章绪论 伴随着全球信息技术的飞速发展，数字信息作品已经广泛地遍布到了各行各 业。由于数字视频作品可以很容易被盗版者拷贝，使得其版权保护工作面临着严 峻的挑战。因此，寻求一种鲁棒性高、计算复杂度低的嵌入及检测算法，成为了 视频数字水印研究的热点。而几何攻击是水印技术所面临的最大挑战之一。本文 就抗几何攻击的水印算法展开研究，并提出了一种既能抵抗纵横比变换、平移、 裁剪等几何攻击，又能抵抗时域攻击的鲁棒视频水印算法。本章主要阐述论文的 选题背景和研究意义，并简要介绍论文的主要工作和结构安排。 1 1 选题背景和研究意义 数字水印是近几年提出的一种版权保护手段，通过检测和提取水印，可以鉴 别数字化图像、视频和音频作品的作者、拥有者、发行者或授权消费者的信息， 还可以追溯数字作品的非法传播过程，是保护数字作品版权的一种较为有效的技 术手段，弥补了传统加密技术的不足。 数字水印按载体的不同可分为：文本水印，图像水印，视频水印和音频水印。 大量消费类视频不断涌现，如v c d 、d v d 、h d t v ( 高清电视) 和v o d ( 视频 点播) 等，借助于h l t e m e t 的飞速发展，数字视频作品很容易以极高的速度被拷 贝、处理、传播和公开。这样，数字视频作品版权保护技术的市场需求就显得更 加迫切。数字视频水印则是保护这些数字视频作品的有效手段。而且数字视频水 印具有广泛的应用前景，如版权保护、拷贝控制、广播监控、数字指纹、视频认 证、安全隐蔽通信和增强视频编码等等。随着多媒体技术的发展，计算机处理视 频数据能力的不断提高，投入到数字视频水印技术研究中的学者越来越多。 但是相对于图像水印研究，目前基于视频媒体的水印技术研究进展较慢，主 要难题有： ( 1 ) 视频媒体的数据量较大，保存传输不方便，因此在提取水印的时候基 中山大学硕士学位论文 本不可能提供原始载体视频，因此视频水印算法必须采用盲水印方案，增加了水 印算法研究的难度； ( 2 ) 与图像的人类视觉模型不同，由于针对视频的包括时域掩蔽效应等特 性在内更精确的人类视觉模型系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ，h v s ) 尚未完全建立， 嵌入水印后视频的视觉失真难以控制，使得视频水印技术相对于图像水印技术发 展滞后； ( 3 ) 视频水印算法在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，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模型系统，但简单的算法往往不能实现较高的鲁棒性； ( 4 ) 视频水印的实时性处理要求以及视频压缩编码去冗余的本质，限制了 水印的嵌入量； ( 5 ) 视频水印所面临的攻击种类较多。针对单帧静态图像的水印攻击对视 频也同样有效。而针对视频特有的攻击包括各种视频压缩编码( 如m p e g 2 ， m p e g 4 等) ；帧速率和显示分辨率的改变，以及帧纵横比的改变( 如4 ：3 ，1 6 ：9 ， 2 1 1 ：1 ) ；帧删除、帧插入、帧裁剪、帧重组等视频编辑处理；模数数模转换； 多帧攻击，如帧平均、帧交换等等。其中如何抗几何失真和随机丢帧是视频水印 技术的难题，因为一旦失去了空间和时间上的同步关系，水印信息就很难被提取 出来。这就要求视频水印具有比图像水印更进一步的鲁棒性。 由于视频水印用于版权保护的迫切需要，以及视频水印所存在的一些难题， 因此如何找到一种鲁棒性高、计算复杂度低的嵌入及检测算法，成为了视频数字 水印研究的热点。几何攻击是水印技术所面临的最大挑战之一。这些几何攻击包 括帧平移、剪裁、缩放、扭曲、旋转等。几何攻击会破坏视频水印在空间上的同 步关系，一旦同步关系被破坏，许多算法就无法提取水印信息。本文就抗几何攻 击的水印算法展开研究，并提出了一种既能抵抗纵横比变换、平移、裁剪等几何 攻击，又能抵抗时域攻击的鲁棒视频水印算法。 2 基于d f t 变换与l o g 1 0 9 映射的鲁棒视频水印技术 1 2 主要工作 本论文的研究重点为以原始视频序列为载体的鲁棒数字水印算法研究，所做 的主要工作有： ( 1 ) 研究了傅立叶- 梅林( f 0 u r i e r - m e l l i n ) 变换以及对数极坐标( 1 0 9 p o l a r ) 尉数一对数( 1 0 9 l o g ) 映射在水印上的应用。 以基于f o u r i e r m e l l i i i 变换和l o g - p o l a r 映射或l o g - l o g 映射的水印算法为重 点，对抗几何攻击的鲁棒水印算法进行了深入的研究。离散傅立叶变换( d f r ) 和f o u r i e r - m e l l i n 变换的组合可以产生对旋转、尺度化和平移具有不变性的强几 何不变域。而l o g p o l a l 映射或l o g l o g 映射能够把旋转、尺度变化或纵横比变换 转化为平移，对旋转、尺度变化或纵横比变换具有弱几何不变性。 ( 2 ) 提出了一种抗几何攻击的视频水印算法。 借鉴基于l o 哥p o l a r 映射的抗几何攻击的数字水印算法，提出了基于离散 l o g 1 0 9 映射的数字视频水印的算法，经过相关参数的适当选取，该算法对各种 针对视频帧的空域攻击，如加噪，纵横比变换，裁剪，平移等，具有良好的鲁棒 性； ( 3 ) 在抗几何攻击算法的基础上提出了一种抗时域攻击的视频水印算法。 利用纠错编码以及交织技术，对待嵌入的有意义信息进行预处理，再与离散 l o 分l o g 映射水印算法相结合，提出了能抵抗时域攻击的数字视频水印算法。所 提出的算法对于针对视频的各种空域攻击、时域攻击，以及各种常用视频压缩标 准的处理具有较好的鲁棒性。 1 3 论文的结构安排 本文对以原始视频序列为载体的鲁棒数字水印算法做了比较深入的研究，全 文共分为6 章。 第1 章为绪论，阐述论文的选题背景、研究意义、主要工作和结构安排。 3 中山大学硕士学位论文 第2 章介绍了数字水印技术的重要性、系统框架及模型，并对数字视频水印 的应用范围、技术要求、评价规范、算法分类等进行了阐述。 第3 章主要阐述了抗几何攻击的鲁棒数字水印的相关理论，详细分析了几种 典型的基于f 0 u r i e r - m e l l i n 变换和l o 分p o l a r 映射的抗几何攻击的图像及视频水印 算法。 第4 章对现有的抗几何攻击水印算法存在的问题进行了分析，提出了基于离 散l o g 1 0 9 映射的鲁棒视频水印算法，并给出了详细的实验仿真结果。实验结果 表明，该算法对各种针对视频帧的空域攻击，如加噪，纵横比变换，裁剪，平移 等，具有良好的鲁棒性。 第5 章提出了通过结合纠错编码、交织技术对待嵌入信息进行预处理，使得 本文提出的离散l o 哥l o g 映射视频水印算法既能抵抗空域攻击又能抵抗时域攻 击，并对该算法进行了不同的攻击测试，通过大量实验证明了所提出的视频水印 算法具有良好的鲁棒性。 第6 章总结了本文研究的主要工作、存在的不足以及下一步的研究建议。 4 薹王j f r 变换与l o g - i o g 映射的鲁棒视频水印技术 第2 章视频水印概述 数字水印技术是版权保护的个重要手段，而视频水印技术是数字水印研究 中的一个热点和难点。本章首先介绍数字水印技术的重要性、系统框架及模型， 然后对视频水印的应用范围、技术要求、评价规范、算法分类等进行阐述。 2 1 数字水印概述 2 1 1 数字水印的重要性 近年来，随着数字多媒体技术的迅猛发展，人们可以方便地利用数字设备制 作、处理和存储文本、图像、视频和语音等信息媒体。与此同时，网络通信正飞 速发展，使得信息的发布和传输实现了“数字化”和“网络化”。在模拟时代， 人们把多媒体数据记录在磁带中，其盗版拷贝通常比原始拷贝的质量要差。而在 数字时代，把图像、视频和音乐作品进行数字拷贝完全不会降低作品的质量。在 i i l t e m e t 发展起来之后，人们可以非常方便而轻松地从1 1 1 t e m e t 上传下载图片、视 频和音乐。借助i m e m e t ，数字作品很容易被快速拷贝、传播，这样就引发出数 字信息传输的安全问题和数字作品的版权保护问题。 为了解决信息安全和版权保护问题，数字作品所有者首先想到的是加密技 术。但是加密技术有严重的缺陷，当信息被非法破密之后，加密技术就不再能保 护和监视数字作品本身。这样盗版者可以购买数字作品，使用密钥获取无保护的 作品副本，然后继续发行非法副本。也就是说，加密技术只能保护传输中的作品， 而作品一旦被解密就不再受到保护了。因此，迫切需要一种替代技术或者是对加 密技术进行补充的技术，它应该在作品被解密后也能继续起保护作用。数字水印 就有能力满足这些要求。 水印技术与其他技术的区别在于三个重要方面【1 】：首先，水印是不可感知的， 与条形码、显式印章、签名不同，水印不会减损作品的美观性；第二，水印与其 嵌入的作品载体密不可分，和文件头不同，即使作品被转化为其他文件格式，水 中山大学硕士学位论文 印不会被消除；第三，水印将和作品一起经历完全相同的处理，从而可以通过查 看获得的水印追踪作品所经历的有关处理。正是这三个特性使得水印在当前的应 用具有非常高的重要性。 2 1 2 数字水印系统的基本框架 数字水印的基本思想是把水印信息以不可感知的、安全的方式嵌入到载体作 品中，并形成混合信号( 即含水印载体) ，然后使用正确的密钥从含水印载体中 提取出之前嵌入的部分或全部水印信息。为了避免引起感知失真，水印嵌入时对 载体作品的修改幅度应该不能过大。为了保证水印算法的鲁棒性，水印信息通常 应该冗余地分散嵌入在载体作品中，使得能从含水印载体的部分数据中检测出水 印信息。 数字水印系统可以粗略的分为嵌入器和检测器两大部分【2 1 。嵌入器至少具有 原始信息和载体作品两个输入量，输出结果为含有水印的载体作品。水印检测器 的输入量可以只是含水印的载体作品，也可以再加上未经嵌入水印的原始作品。 多数检测器的作用是尽可能地判断出水印是否存在，若存在，则输出所嵌入的水 印信息。图2 1 给出了数字水印处理系统基本框架的详细示意图【2 】，具体说明如 下： ( 1 ) m 为原始信息，如作者、所有权信息等；尼表示水印密钥；w 为由原 始信息和密钥共同生成的待嵌入水印；z 为要保护的数字作品，即水印载体作品。 ( 2 ) g 表示利用原始信息所、密钥七和载体作品z 共同作用的水印生成算 法，但原始数字作品x 不一定参与水印生成的过程，因此在图2 1 中用虚线表示。 水印生成过程可以表示为： w g 如，z ，七) ( 2 1 ) ( 3 ) 砌表示将生成的水印信息添加到载体作品中的嵌入算法，嵌入水印 后的含水印作品表示为。水印嵌入过程可以表示为： 。砌 ，叻 ( 2 2 ) 6 基于d f t 变换与l o g 1 0 9 映射的鲁棒视频水印技术 ( 4 ) m 表示对含水印作品的攻击算法，包括传播信道上的噪声，水印作 品所受的处理，以及非法恶意攻击等，即： x 一彳f 0 0 ，七) ( 2 3 ) 其中，七为攻击者伪造的密钥，x 表示被攻击后的含水印作品。 ( 5 ) d 表示水印检测算法，判断水印是否存在，即： 驯，一尽瓷黧w 沼4 ， ( 6 ) 戥表示水印提取算法，提取出的水印信息为w ，使用密钥七从检测载 体中提取水印信息可以表示为： w 一出g ，七) ( 2 - 5 ) 图2 1 数字水印处理系统基本框架 2 1 3 基于通信系统的数字水印基本模型 数字水印从本质上来说是一种通信，是在水印嵌入者和水印接收者之间传输 水印信息。于是，我们可以用传统的基本通信系统模型来描述水印嵌入提取的整 7 中山大学硕士学位论文 个处理过程【3 1 。图2 2 和图2 3 给出了两个基于通信系统的数字水印基本模型【2 1 ， 其中图2 2 给出的是明水印系统，而图2 3 给出的是盲水印系统。在这两个模型 中，水印系统被看作传输信道，水印信息在信道中传输，而载体作品被看作纯噪 声，是传输信道的一部分。 输入消息 输入消息 水印嵌入器水印检莉器 靠 ，珂水印 1、矗r 、z 。厂r 、渺 水印 厂 编码器 l。l 。l 。 解码器 七i x工 七i 水印密钥原始载体原始 载体水印密钥 作口日作品 图2 2 明水印系统通信模型 水印嵌入器水印检测器 一 m水印 愧，、而，一r 、x 水印 编码器 7 l一l 解码器 七i x 七i 水印密钥原始载体水印密钥 作品 图2 3 盲水印系统通信模型 输出消息 输出消息 不管是明水印系统还是盲水印系统，嵌入过程都包括两个基本步骤。首先， 把输入信息肌借助水印密钥尼映射成与载体作品z 具有相同类型和维度的嵌入 模式吃，这也就是水印生成的过程，由水印编码器完成。然后，把嵌入模式坨加 到载体作品x 中得到含水印作品k 。含水印作品在传输过程中所受的各种处理， 其效果等价为加性噪声n 。 对于图2 2 所示的明水印系统，检测水印的过程由两步组成：首先，从接收 8 基于d f r 变换与l o g - l o g 映射的鲁棒视频水印技术 到的含水印作品x 7 中减去原始载体作品，从而获得含噪声的水印模式w ；然后， 由水印解码器利用水印密钥来进行解码。而对于图2 3 所示的盲水印系统，水印 检测器和水印解码器其实没有实质的区别。由于检测时不需要使用原始载体作 品，故不需要在解码之前减去原始载体。这样，原始载体作品和攻击的组合可以 整体看作单个噪声。接收到的含水印作品x 可看成嵌入模式坨在传输中遭到干 扰后的一个作品版本，且整个水印检测器可以看成是信道解码器【2 】。在视频水印 的应用中，由于视频数据量非常大，难以保存原始载体作品用作提取水印之用， 故视频水印系统均采用图2 3 中显示的盲水印系统。 2 2 视频水印概述 视频水印研究是当前数字水印技术研究方向中的一个热点和难点。热点在 于：大量消费类数字视频的推出，如v c d 、d v d 、h d t v 和v o d 等，使得利 用数字水印技术作为数字作品版权保护手段的市场需求更为迫切。难点在于：虽 然数字水印技术在近几年发展迅速，但研究成果主要集中于静止图像水印。而在 视频水印研究方面，由于视频媒体及视频水印方案本身具有一些的固有特点，如 过多的数据冗余、盲水印方案的特殊要求、针对视频媒体的人类视觉模型尚未完 全建立，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。另外，视频水印应用的实时性需求， 使得算法需要更注重降低复杂度，有时候难以像静止图像那样能充分地利用人类 视觉模型系统。此外，视频序列会遭受一些专门针对视频的攻击( 如帧平均、帧 删除、帧插入、帧重组、帧速率改变等) ，这又要求视频水印需具有比静止图像 水印有更进一步的鲁棒性。其中如何抗几何失真和随机丢帧是视频水印技术的难 题，因为一旦失去了空间和时间上的同步关系，水印信息就很难被提取出来【2 j 。 2 2 1 视频水印的应用 数字视频水印是数字水印研究方向中的热门领域，随着数字水印技术发展， 数字视频水印除了用于最初的版权保护之外，应用领域不断扩展，其应用主要包 括以下七个方面【4 ，5 1 ： 9 中山大学硕二l ：学位论文 ( 1 ) 版权保护 从数字水印技术的发展历史看来，版权保护是其最初的应用目的。而在目前， 版权保护也可能是水印最主要的应用。数字视频作品的版权所有者在公开发布其 作品之前，在原始载体中预先嵌入关于代表版权信息的水印，并通过密钥控制其 安全性。当出现版权纠纷或盗版行为时，则可以从作品中提取出水印作为依据保 护版权所有者的权益。 ( 2 ) 拷贝控制 拷贝控制是在一个只允许用特殊的硬件来拷贝和观看使用数字视频作品的 封闭系统中，通过把水印嵌入到视频作品中，来标识作品的合法性以及允许的拷 贝数，以防止大规模的盗版。 ( 3 ) 广播监控 在电视商业广告中嵌入水印，然后通过监测设备的实时检测，则能判断电视 台是否按合约要求播放该广告。而在数字广播节目的视频中，嵌入播放该节目的 电视台数字水印信息，则可判断节目内容的来源，有效地进行广播监控。 ( 4 ) 数字指纹 在数字视频作品传播的过程中，通过在数字视频作品中嵌入不可擦除且不可 见的水印信息作为“数字指纹”，从而追踪非法盗版源。即付即看( p p v ) 和视 频点播( v o d ) 是数字指纹的两个实际应用例子，为了追踪用户是否有超越其 许可权限的行为，将用户的i d 作为数字指纹嵌入到视频中。 ( 5 ) 视频认证 由于数字视频作品本身的特点，数字视频的内容可以轻易被修改，使得视频 内容不再可靠。通过在数字视频作品中嵌入脆弱水印，对视频的完整性及内容进 行检验核实，从而判别视频数据有否被篡改及提供被改动的位置的信息。 ( 6 ) 安全隐蔽通信 发送者可以将秘密信息嵌入到公开传播的视频中，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，其他人无法觉察到隐藏的水印，从 1 0 基于d f t 变换与l o g 1 0 9 映射的鲁棒视频水印技术 而实现秘密信息的安全传输。 ( 7 ) 增强视频编码 在对视频进行信道编码的时候，引入数字水印，利用数字水印嵌入的冗余信 息，提供用于差错纠正的信息，从而提供比传统的纠错编码机制性能更好的编码 方法。 2 2 2 数字视频水印系统的技术要求 数字视频水印是数字水印研究的一个分支，数字视频可以看作是连续播放的 数字图像序列，但与静止图像水印技术相比，视频水印技术在其应用中具有一些 独特的技术要求，概括如下【2 j ： ( 1 ) 安全性 安全性即“水印安全”，指的是要确保嵌入的水印信息的保密性。数字水印 算法应该通过密钥而不是嵌入提取算法本身来提供保密性。如果不知道水印密 钥，即使知道了水印算法和提取算法，也不能检测、修改或者删除水印【6 1 。 ( 2 ) 鲁棒性 鲁棒性是指数字水印抵抗各种攻击的能力。数字水印应该能够承受各种不同 的攻击，包括各种有意的( 如统计平均攻击或共谋攻击) 或无意的( 压缩、加噪、 模数数模转换、各种几何变换等) 攻击。 ( 3 ) 不可感知性 除了某些需用到可见水印的场合，视频中嵌入的水印应该是视觉上不可感知 的，水印的嵌入不应该降低视频的质量，从而影响视频数据的商业价值。 ( 4 ) 可靠性 水印检测应该是可靠的，虚警率( 在未嵌入水印的情况下错误检测到水印的 概率) 和漏检率( 在有嵌入水印的情况下错误认为不存在水印的概率) 应该尽可 能低。 中山大学硕士学位论文 ( 5 ) 实时处理性 视频水印的嵌入和提取应该具有低计算复杂度，能够实时地嵌入、提取或检 测水印。 ( 6 ) 随机检测性 随机检测性是指可以在短时间之内在视频序列的任意位置检测出水印。它比 实时性的要求更高，因为视频水印的实时性可以通过只在视频的开始位置嵌入提 取来实现，但随机检测性则要求即使跳转到视频的任何一个位置，也能在很短时 间之内检测出水印。 ( 7 ) 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。现 在常用的视频数据压缩编码标准有m p e g 2 、m p e g 4 和h 2 6 4 等。如果在压缩 视频流嵌入水印，很显然要与视频压缩编码标准相结合；如果是在原始视频中嵌 入水印，由于水印是利用视频的冗余来嵌入信息，而视频压缩编码则是为了去冗 余，如果不考虑视频压缩编码标准而盲目地嵌入水印，则嵌入的水印有可能在编 码过程中丢失。 ( 8 ) 盲提取水印方案 盲提取水印方案是指水印方案在检测时不需要原始视频的参与，而若提取时 需用到原始视频，则称为非盲提取水印方案。在视频水印的实际应用中，人们并 不一定能获得原始视频信号。即使能够获得原始视频信号，由于视频数据量巨大， 要使用原始视频信号提取水印是不现实的。因此，目前研究的视频水印方案主要 为盲水印提取方案。 2 2 3 针对视频水印的攻击 一个有效的针对数字水印的攻击方法，是在不影响水印载体作品本身使用价 值的前提下，通过各种处理，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，从而导致水印无效。视频水印常常极易受到各种各样的处理 操作，根据对视频的处理操作的动机，水印攻击可以分为两大类，即无意的攻击 1 2 基于d f t 变换与l o g - l o g 映射的鲁棒视频水印技术 和有意的攻击【7 8 】： 无意的攻击，是指在视频作品的使用或传播过程中进行的常规处理，这些处 理并非以破坏水印或移除水印为目的。无意的攻击包括采用各种压缩编码标准 ( 如m p e g 2 、m p e g 4 和h 2 6 4 等) 对视频进行压缩编码；由于不同的格式之 间转换所带来的帧速率( 如n t s c 、p a j l ) 、显示分辨率以及屏幕纵横比的改变( 如 4 ：3 、1 6 ：9 、2 1 1 ：1 ) ；帧删除、帧插入、帧重组等视频编辑处理；模数数模转换； 在传输过程中带来的低通滤波、添加噪声、对比度轻微改变以及轻微的几何失真 等。 有意的攻击，是指恶意的以使水印提取失败或把水印移除为目的的攻击，从 而使水印失去保护版权等作用。h a j t u n g 【9 】等将水印攻击分为四类：简单攻击、同 步攻击、混淆攻击和水印移去攻击： ( 1 ) 简单攻击 简单地通过对整个含水印作品进行处理，以达到削弱水印信号的目的。典型 例子包括线性和非线性滤波，如j p e g 和m p e g 有损压缩、噪声添加、量化、模 数数模转换、y 校正等。 ( 2 ) 同步攻击 同步攻击指以破坏水印的相关性为目的，使水印检测器无法恢复水印信号的 攻击。同步攻击多数为几何攻击，如尺度变化，空间或时间上的平移，旋转，裁 剪，移去或加入像素阵等。此类攻击的特点是嵌入在受攻击作品中的水印并没有 被消除，而是仍留在被攻击过的作品中，随着检测器性能的提高，水印还是可以 被恢复的。 ( 3 ) “混淆 攻击 通过伪造原始作品或伪造含水印作品而造成混淆，使得无法分辨原来的水印 的真实性或使原来的水印不再说明任何意义。这种攻击仅在水印作版权证明时有 用。另外，拷贝攻击通过伪造合法水印并将其添加到盗版作品中，使得无法 判断真正的保护对象，从而导致水印功能失效。 中山大学硕士学位论文 ( 4 ) 水印移去攻击 指对含水印作品进行分析，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，如统计平均和共谋攻击。 对视频水印来讲，由于视频作品在时间上具有动态因素，对它的攻击除参考 对用于静止图像的攻击之外，也存在一些特殊攻击形式，如视频剪接的帧删除、 子抽样、帧重组、帧速率的改变、格式转换等都会对视频水印造成影响。因此视 频水印攻击又可分为1 8 】： ( 1 ) 空域攻击：破坏视频序列单帧图像上的水印信号，基本上可借鉴静态 图像水印攻击方法。 ( 2 ) 时域攻击：破坏水印信号在时间上与对应视频序列之间的同步关系， 从而导致水印检测失败。这种攻击对与时间同步相关的视频水印有效。 2 3 数字视频水印系统的框架及技术规范 2 3 1 基于视频广播环境的数字视频水印系统框架 欧洲广播联盟e b u ( e u r o p e a nb r o a d c a s t i n gu n i o n ) 在对视频水印系统的测 试规范中【1 1 1 ，把视频作品的分发环境划分为三个不同的等级：高质量视频序列的 作品等级、中质量视频序列的e b u 欧洲电视网分发等级和低质量视频序列的广 播等级，如图2 4 所示。 f 视频制作：原始视频作品级极高质量( 视频原始制作、后期制作) 舾叫蓑豢竽羹曩：鬈霍茎 竺曩麓釜荔鬻 图2 - 4 基于e b u 规范的视频广播环境 为了在数字视频作品和版权信息之间建立一个直接联系，在e b u 的基本水 印处理流程中采用了两种水印信息( 和) 。为作品水印，包含的是所有 权信息，用来标注视频作品来源；形为传输水印，是数字指纹信息，用来标注 分发网络的跟踪信息【1 2 1 。图2 - 5 给出了基于视频广播环境的数字视频水印系统框 1 4 基于d f t 变换与l o g - l o g 映射的鲁棒视频水印技术 架【2 1 。 原始视频作品级 ! - - 。- 。- - - - i 一竺燮 i 视频分发级视频广播级 j - - - - - 。- j 视频发布 i 图2 - 5 基于视频广播环境的数字视频水印系统框架示意图 2 3 2 视频水印技术对作品水印和传输水印的技术规范 在e b u 的规范中，对视频水印技术中的作品水印( 嘶) 和传输水印( ) 的具体要求如下1 2 ，1 1 】： ( 1 ) 水印的不可见性 水印应具有“透明性”，在用于高质量的商用数字视频作品中，所嵌入的水 印信息必须是不可见的。 ( 2 ) 水印的信息容量 在视频序列的处理中，嵌入一“单元 的水印信息需要多少原始数据，是衡 量水印信息容量的一个重要指标。e b u 定义的“单元”是水印嵌入最小分段 ( w a t e 肌a r km i n i m u m s e g m e n t ，w m s ) 。根据e b u 标准，嵌入啦水印的w m s 时间间隔为1 秒，嵌入职水印的w m s 时间间隔为5 秒。在一个w m s 之内，暖 和职两种水印的信息容量都要求至少为6 4 比特。每个w m s 的水印提取率至少 为9 5 ，虚警率都必须小于1 0 。 ( 3 ) 水印密钥的安全性 水印技术的安全性应依赖于水印密钥，而不应依赖于水印算法的保密【1 3 ，1 4 1 。 水印的密钥必须是难以预测的，而且依靠大的密钥长度使其具有很高的保密强 中山大学硕士学位论文 度。 ( 4 ) 鲁棒性 视频水印对抗常用的有损压缩编码的鲁棒性要求如下：m j p e g ( 2 0 m b i t s ) ， i s o m p e g 1 ( 1 m b i t s ) ，i s o m p e g 2 ( 2 6 m b i t s ) 和m p e g 24 ：2 ：2 ( 解码 5 0 n m i s ) 。 针对信号处理的鲁棒性是视频技术具体应用中的一个基本要求，也是一个比 较难解决的问题。一般要求含水印视频作品能够抵抗以下攻击：模数数模转换、 抽样率转换( 上抽样和下抽样) 、帧纵横比变换( 如4 ：3 卜_ 1 6 ：9 ) 、帧速率变换 ( 2 4 h z 卜一2 5 h z 卜一3 0 h z ) 、线扫描转换( 前向扫描卜一隔行扫描) 、运动补偿 噪声降低、加白噪声( 3 5 d b ) 、彩色黑白转换以及慢动作( 3 ：1 ) 等等。上面这 些攻击有可能沿着含视频水印序列的时域产生作用，因此视频水印还存在特殊的 时间同步问题。 几何攻击是水印技术所面临的最大挑战之一。这些几何变换包括帧平移、裁 剪、缩放、扭曲、旋转等。几何攻击会破坏水印视频序列空间上的同步关系，一 旦同步关系被破坏，许多算法就无法提取水印信息。而本文提出的视频算法对于 几何攻击具有良好的鲁棒性。 ( 5 ) 实时性 水印信息的嵌入和提取必须是实时完成的。根据e b u 的要求，水印嵌入处 理过程产生的延迟不能超过8 0 m s 。 2 4 视频水印算法分类 对于数字视频水印技术，按照不同的分类标准，可以作如下分类【1 5 ，1 6 】： ( 1 ) 按嵌入策略分类，分为基于原始视频的算法和基于压缩视频的算法。 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 频数据中嵌入水印；基于压缩视频的水印算法，则是与某种压缩标准相结合( 如 m p e g 2 、m p e g 4 或h 2 6 4 ) ，在压缩视频中嵌入水印。 1 6 基于d f t 变换与h 喈l o g 映射的鲁棒视频水印技术 ( 2 ) 按嵌入域分类，分为时空域算法和变换域算法。时空域算法是用待嵌 入的水印信息替换或修改载体作品的冗余部分。变换域算法是在载体视频作品的 某个变换域嵌入水印，如离散傅立叶变换( d 耵) 、离散余弦变换( d c t ) 、小波 变换( d w t ) 等。 ( 3 ) 按水印的特性分类，可以分为脆弱性水印、半脆弱性水印和鲁棒性水 印。脆弱性水印对任何的处理或变换都非常敏感，主要用于篡改提示；半脆弱性 水印对某些特定的视频处理方法具有鲁棒性而对其他处处理不具有鲁棒性，通常 用于视频认证：鲁棒性水印要能够经受各种有意或无意的攻击，主要用于版权保 护。鲁棒性视频水印正是本文的研究重点。 ( 4 ) 按检测和提取水印时是否需要原始信号分类，分为盲水印算法和非盲 水印算法。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。 ( 5 ) 按水印能否反向求出，分为可逆水印和非可逆水印。 ( 6 ) 按密钥分类，分为对称视频水印系统和非对称视频水印系统。若嵌入 和提取采用相同的密钥，称其为对称水印视频系统：否则称为非对称视频水印系 统，即公钥视频水印系统。 ( 7 ) 按水印的可见性分类，分为可见水印和不可见水印。在数字水印的研 究中，为了不影响载体作品的商用价值，主要研究不可见水印。但在一些特殊的 应用场合可能需要嵌入可见性的水印，比如在视频中嵌入版权所有者的商标信 息，对拷贝行为提出警告。 视频水印的算法根据嵌入策略的不同可以分为基于原始视频的算法和基于 压缩视频的算法。而基于压缩视频的算法按照水印算法发生在压缩编码过程中还 是压缩编码后又分成编码域视频算法和压缩域视频算法。于是我们得到了原始视 频域、编码域和压缩域三种视频水印方案，图2 6 给出了这三种水印方案的示意 图【1 7 1 。 1 7 中山大学硕士学位论文 原始视频 编码后的编码后的解码后的 i 、i 一、i 、 - 一 l 原始视频： 压缩视频 ： 原始视频： ：压缩视频 ： ： ；： i i 水印嵌入： 水印嵌入 ： 水印提取： ：水印提取 ： 、一，、- - ，、- ，一- - 一一- - 图2 6 三种水印算法方案示意图 方案一：原始视频域水印算法 原始视频域水印算法就是将水印加入到原视频数据中，整个嵌入过程是在进 行视频压缩编码之前【1 8 】。视频序列的每一帧都用同一种算法嵌