數(shù)字視頻水印和相關(guān)理論基礎(chǔ)

1、第1章 緒 論第1章 緒 論1.1 課題研究背景隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各種形式的多媒體數(shù)字作品紛紛以網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)表，然而數(shù)字作品的便利性和不安全性是并存的，它可以低成本、高速度地被復(fù)制和傳播，這樣就為創(chuàng)造者和使用者都提供了很大的便利，但這些特性也容易被盜版者所利用，數(shù)字水印技術(shù)的研究就是在這種應(yīng)用要求下迅速發(fā)展起來(lái)的。視頻信息中包含著較多不同于圖像的特殊信息，這些特殊信息大大影響了傳統(tǒng)的數(shù)字水印技術(shù)在視頻水印方面的應(yīng)用。隨著目前數(shù)字視頻產(chǎn)品等多媒體信息的大量使用,市場(chǎng)上也迫切需要對(duì)數(shù)字視頻產(chǎn)品進(jìn)行加密保護(hù)。然而由于水印嵌入時(shí)必須考慮到如何更好地與視頻編碼結(jié)合起來(lái),而視頻編碼又因

2、為不斷的發(fā)展而會(huì)發(fā)生變化,新發(fā)展的一些視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)可能會(huì)限制水印的嵌入技術(shù)的于這些原因,使得在數(shù)字視頻產(chǎn)品中要嵌入合適的水印難度比較大；而另一方面針對(duì)于視頻的更加精確的人眼視覺(jué)模式還沒(méi)有完全地建立起來(lái),沒(méi)有一個(gè)很好的標(biāo)準(zhǔn)在視頻中找一個(gè)較好的區(qū)域進(jìn)行水印的嵌入,因此在數(shù)字視頻產(chǎn)品中嵌入水印的方法選擇上受到了較大的限制。也正因?yàn)檫€有很多技術(shù)上的工作沒(méi)有得到很好的解決,而數(shù)字視頻水印技術(shù)又將應(yīng)用于越來(lái)越多的地方,這就給研究工作帶來(lái)許多的機(jī)遇,同時(shí)也更是一種挑戰(zhàn)。Caronni于1993年最早提出了“數(shù)字水印”的概念，該概念的提出引起了學(xué)術(shù)界、電子出版界的極大興趣，之后該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于圖像、音

3、視頻等其他數(shù)字媒體。因?yàn)樗陔[含標(biāo)注、版權(quán)保護(hù)、真?zhèn)舞b別和秘密通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，因此成為一個(gè)日益重要的研究領(lǐng)域。 1.2 研究的目的與意義 研究數(shù)字視頻水印技術(shù)的目的與意義在于可以有效的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)字視頻作品的版權(quán)保護(hù)和認(rèn)證，面對(duì)人類社會(huì)的數(shù)字化時(shí)代，在網(wǎng)絡(luò)交流日益普及和電子商務(wù)逐漸啟動(dòng)的今天，數(shù)字視頻作品的版權(quán)保護(hù)和認(rèn)證問(wèn)題及數(shù)字信息的安全傳輸問(wèn)題是在人們面前需要迫切解決的問(wèn)題。而數(shù)字視頻水印技術(shù)將是解決這類問(wèn)題的一種最有效和最有潛力的技術(shù)，多媒體數(shù)字水印系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)于規(guī)范數(shù)字化市場(chǎng)，促進(jìn)信息產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展極為重要的意義。0 數(shù)字水印技術(shù)

4、的發(fā)展雖然已經(jīng)有二十余年的歷史，對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)成為一個(gè)新的信息安全問(wèn)題。之前對(duì)數(shù)字信息和數(shù)據(jù)的保護(hù)一直使用的傳統(tǒng)手段是加密技術(shù)。但是加密技術(shù)存在比較明顯的缺陷，就是它只能在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中起到保護(hù)作用，在數(shù)據(jù)被接收或解密之后就不再具備保護(hù)作用了，所以加密技術(shù)只能夠滿足有限的要求。并且取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是水印技術(shù)還沒(méi)有成為數(shù)字內(nèi)容安保體系中的有效組成部分，數(shù)字水印技術(shù)面臨的難題是各種各樣的攻擊手段。比如幾何攻擊，包括旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、扭曲、剪裁等，即使是很小程度上的幾何攻擊，也可能會(huì)改變空間位置的同步關(guān)系，對(duì)于很多算法來(lái)說(shuō)，一旦破壞了載體和水印的同步性，就很難正確提取出水印信息。比如共謀

5、攻擊，幾個(gè)非法用戶聯(lián)合起來(lái)就能夠去除載體中的水印信息，而躲過(guò)檢測(cè)者的跟蹤。因此，數(shù)字水印是一個(gè)正在發(fā)展的課題，重難點(diǎn)就在于怎樣提高數(shù)字水印的魯棒性。今后，數(shù)字水印技術(shù)的研究將著重于如何完善數(shù)字水印理論以及提高數(shù)字水印算法魯棒性、安全性等性能，研究其不可見(jiàn)性和魯棒性以及在應(yīng)用中的抗攻擊能力之間的平衡等方面。設(shè)計(jì)出強(qiáng)安全性、高魯棒性的數(shù)字水印系統(tǒng)和算法是當(dāng)前水印技術(shù)領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。最初對(duì)數(shù)字水印技術(shù)的研究主要集中在圖像水印方面。最近幾年來(lái)，因?yàn)閿?shù)字視頻產(chǎn)品的大量出現(xiàn)，對(duì)數(shù)字視頻產(chǎn)品進(jìn)行版權(quán)保護(hù)的需求日益強(qiáng)烈，基于數(shù)字視頻的水印技術(shù)研究成為水印技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)。由于視頻數(shù)據(jù)占據(jù)的內(nèi)存容量都比較

6、大，所以通常我們都是采用壓縮數(shù)據(jù)格式進(jìn)行交流傳播或者存儲(chǔ)，這就使得基于壓縮標(biāo)準(zhǔn)的壓縮視頻水印技術(shù)研究成為了視頻水印研究的一個(gè)重點(diǎn)。1.3 研究現(xiàn)狀分析數(shù)字視頻水印的發(fā)展基本上與圖像水印的發(fā)展同步的，從提出圖像水印的概念開(kāi)始，數(shù)字視頻水印的概念也隨之提出，隨著幾年的DVD等視頻產(chǎn)品的普及，反而對(duì)數(shù)字視頻水印產(chǎn)品的要求更為迫切，數(shù)字視頻水印研究是數(shù)字水印研究的一個(gè)熱點(diǎn)。密碼學(xué)，糾錯(cuò)編碼，信息論，擴(kuò)頻通信，信號(hào)處理等已經(jīng)充分運(yùn)用到視頻水印系統(tǒng)，現(xiàn)有的視頻水印技術(shù)從嵌入策略上可以分為三類：第一類：水印直接嵌入到原始視頻流中，然后進(jìn)行視頻編碼。如:空域，變換域。此類方案的優(yōu)點(diǎn)是:水印嵌入的方法比較多，原

7、則上數(shù)字水印方案均可以應(yīng)用于此。缺點(diǎn)是會(huì)增加視頻碼流的數(shù)據(jù)比特率，經(jīng)壓縮后會(huì)丟失水印，降低視頻質(zhì)量，對(duì)于已壓縮的視頻，需要先進(jìn)行解碼，然后嵌入水印后再重新編碼。第二類:水印嵌入到編碼階段離散余弦(DCT)域中的量化系數(shù)中。此類方案的優(yōu)點(diǎn)是水印僅嵌入在DCT系數(shù)中，不會(huì)增加視頻流的數(shù)據(jù)比特率，易設(shè)計(jì)出抵抗多種攻擊的水印，但缺點(diǎn)是會(huì)降低視頻的質(zhì)量，因?yàn)橐话闼灿幸粋€(gè)解碼、嵌入、再編碼的過(guò)程。第三類:水印直接嵌入到壓縮比特流中。此類方案的顯著優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有解碼和再編碼的過(guò)程，因而不會(huì)造成視頻質(zhì)量的下降，2同時(shí)計(jì)算復(fù)雜度低。缺點(diǎn)是由于壓縮比特率的限制而限定了嵌入水印的數(shù)據(jù)量的大小。1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容

8、本文是基于擴(kuò)頻的數(shù)字視頻水印技術(shù)研究，以魯棒性視頻水印技術(shù)為研究對(duì)象，以提高水印的不可見(jiàn)性和魯棒性為研究目的。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外大量關(guān)于數(shù)字水印的文獻(xiàn)資料，總結(jié)分析視頻水印的特征以及視頻水印的特殊要求，在對(duì)視頻水印相關(guān)概念和技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和總結(jié)后，主要完成了以下工作：(1) 研究了視頻水印的主要特征，分析了視頻水印所特有的特征，學(xué)習(xí)了擴(kuò)頻通信的原理，研究了水印的生成過(guò)程。學(xué)習(xí)了壓縮標(biāo)準(zhǔn)以及結(jié)合壓縮標(biāo)準(zhǔn)嵌入水印的算法。研究了人眼視覺(jué)模型。（2) 由于視頻的I幀的離散余弦變換DCT的直流系數(shù)DC是一個(gè)始終在視頻系統(tǒng)中存在并且很魯棒的參數(shù),就是將擴(kuò)頻調(diào)到后的水印信息加到I幀的DCT的直流系數(shù)中,在DCT的

9、直流系數(shù)DC上加入水印。通過(guò)縮小放大攻擊，放大縮小攻擊，裁剪攻擊，噪聲攻擊四種攻擊類型進(jìn)行仿真，并通過(guò)IDCT變換提取水印，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察這種方法的抗攻擊性。（3) 通過(guò)人類視覺(jué)系統(tǒng)模型的學(xué)習(xí)，以及壓縮標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)頻技術(shù)的學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上提出了基于擴(kuò)頻的自適應(yīng)視頻水印算法，詳細(xì)介紹了算法的基本思想及設(shè)計(jì)步驟，基于擴(kuò)頻的自適應(yīng)視頻水印處理算法對(duì)視頻的圖像進(jìn)行分塊，同時(shí)考慮幀內(nèi)和幀間的信息，根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息和區(qū)域復(fù)雜度對(duì)視頻的圖像塊進(jìn)行分類和處理。通過(guò)分析，人的研究對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的感知略于對(duì)靜止物體的感知，對(duì)快速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景分辨略于快速運(yùn)動(dòng)，這樣使得水印嵌入的位置自適應(yīng)于人類視覺(jué)系統(tǒng)。通過(guò)嵌入不同強(qiáng)度的水印，對(duì)

10、比提取出水印的抗攻擊性。最后通過(guò)四種類型的攻擊進(jìn)行仿真。實(shí)現(xiàn)與基于擴(kuò)頻的DCT域數(shù)字視頻水印的對(duì)比。1.5 本文結(jié)構(gòu)本文主要通過(guò)5個(gè)章節(jié)進(jìn)行介紹，分別如下：第一章 首先介紹了基于擴(kuò)頻的數(shù)字視頻水印技術(shù)的研究背景，研究意義和研究目的，最后對(duì)數(shù)字視頻水印技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。第二章 主要對(duì)數(shù)字視頻水印進(jìn)行介紹，包括數(shù)字視頻水印的特征，分類及數(shù)字視頻水印的特殊性。最后對(duì)數(shù)字視頻水印技術(shù)進(jìn)行概述。第三章 主要為基于擴(kuò)頻的數(shù)字視頻水印技術(shù)的相關(guān)理論基礎(chǔ)，包括擴(kuò)頻原理，m序列，數(shù)字視頻水印的生成過(guò)程。以及對(duì)DCT，MPEG，人眼視覺(jué)性能和水印攻擊類型進(jìn)行介紹。第四章 首先對(duì)基于擴(kuò)頻的DCT視頻水印技術(shù)的實(shí)

11、現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行介紹。最后通過(guò)攻擊實(shí)驗(yàn)仿真并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。 第五章 首先對(duì)基于擴(kuò)頻的自適應(yīng)視頻水印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行介紹。最后通過(guò)加入不同強(qiáng)度的水印進(jìn)行仿真，并通過(guò)攻擊實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。最后進(jìn)行文章總結(jié)。1.6 本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容為概述部分。簡(jiǎn)要介紹了本文的研究背景，本文的研究意義和研究目的，并對(duì)數(shù)字視頻水印技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出了本文相應(yīng)的研究?jī)?nèi)容以及本文的結(jié)構(gòu)。4第2章 數(shù)字視頻水印和相關(guān)理論基礎(chǔ)數(shù)字視頻水印顧名思義就是加載在數(shù)字視頻上的水印，主要是對(duì)數(shù)字視頻作品進(jìn)行版權(quán)保護(hù)，從而確保版權(quán)所有者的合法利益。在現(xiàn)實(shí)生活中，數(shù)字視頻己成為大眾生活中不可或缺的娛樂(lè)方式，而相應(yīng)

12、的版權(quán)保護(hù)技術(shù)尚未發(fā)展成熟，這就使得以數(shù)字水印為重要組成部分的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究更為迫切。為了保護(hù)版權(quán)可以在數(shù)字視頻內(nèi)容中嵌入水印信號(hào)，以此作為版權(quán)保護(hù)的依據(jù)。 視頻水印從實(shí)現(xiàn)算法來(lái)說(shuō)與靜止圖像水印并無(wú)根本的區(qū)別，許多圖像水印的算法都可以直接移植到視頻水印中去。視頻水印與圖像水印最大的區(qū)別就是可用的信號(hào)空間，也就是能嵌入的水印數(shù)據(jù)容量。對(duì)于圖像而言，嵌入水印數(shù)據(jù)容量是十分有限的。這使得許多研究者在圖像水印中盡量應(yīng)用HVS模型，在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下，嵌入一個(gè)穩(wěn)健性盡量好的水印，且總希望能嵌入更多的水印信息。對(duì)于視頻而言，可用的信號(hào)空間就大的多，水印數(shù)據(jù)可以分散到連續(xù)的畫(huà)面上，對(duì)單

13、幅畫(huà)面隱藏水印信息的容量要求不高。但值得注意的是，視頻水印算法在多數(shù)情況下有實(shí)時(shí)性的要求，即能處理連續(xù)的幀序列，因此算法還必須具有時(shí)間上的有效性，有效性以不影響視頻的正常播放質(zhì)量為前提。因?yàn)橐曨l水印可以根據(jù)視頻本身的數(shù)據(jù)連續(xù)性來(lái)適應(yīng)水印數(shù)據(jù)的大小，所以從水印容量的角度來(lái)看，數(shù)字視頻是隱藏大量水印信息的最佳載體。但由于空間域掩蔽效應(yīng)等特性在內(nèi)的更為精確的人眼視覺(jué)模型尚未完全建立，使視頻水印技術(shù)相對(duì)于圖像水印技術(shù)發(fā)展滯后，同時(shí)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼格式又造成水印技術(shù)引入上的局限性。另一方面，由于一些針對(duì)視頻水印的特殊攻擊形式(如幀重組、幀刪除、幀間組合等)的出現(xiàn)，為視頻水印提出一些區(qū)別于靜止圖像水印的

14、獨(dú)特要求。2.1數(shù)字視頻水印的介紹2.1.1 視頻水印的主要特征 由于數(shù)字視頻是連續(xù)播放的，相鄰畫(huà)面之間內(nèi)容有高度的相關(guān)性，并且還存在動(dòng)態(tài)編解碼的過(guò)程。因此視頻水印與圖像水印在某些要求上有明顯的不同，它還有一些圖像水印不具備的特征，但總的特征可以概括為: 安全性。即水印被嵌入視頻后，非授權(quán)人不能將其刪除掉。只要不知道確定的參數(shù)，即使知道水印算法也不能將水印移除。 穩(wěn)健性。視頻水印應(yīng)該能抵抗無(wú)意或故意的攻擊，這些攻擊包括信號(hào)疊加、濾波、剪切、編碼、壓縮、模數(shù)轉(zhuǎn)換和回放等。視頻信號(hào)嵌入水印后不會(huì)影響到 計(jì)算復(fù)雜度。計(jì)算復(fù)雜度的核心是確保水印的實(shí)時(shí)性和可操作性。計(jì)算復(fù)雜度越低，水印的可實(shí)用性越強(qiáng)，但

15、必須要保證水印有合乎要求的穩(wěn)健性。 視頻速率的恒定性。即水印加入后不能增加視頻比特流的速率，必須服從傳輸信道規(guī)定的帶寬限制。如果嵌入水印后增加了播放的速率，解碼出的聲音和視頻圖像則有可能不同步，引起失真，這是應(yīng)當(dāng)避免的。 同步檢測(cè)機(jī)制。提取水印時(shí)應(yīng)有嚴(yán)格有效的同步檢測(cè)機(jī)制來(lái)確保水印的正確恢復(fù)。在進(jìn)行水印算法設(shè)計(jì)時(shí)，就必須考慮到要有準(zhǔn)確可靠的同步提取和同步丟失檢測(cè)及再次同步的機(jī)制。 快速嵌入/檢測(cè):因?yàn)橐曨l的數(shù)據(jù)量大而且有實(shí)時(shí)性的要求，所以算法必須在很短的時(shí)間內(nèi)完成。 盲檢測(cè)。水印檢測(cè)原則上不能用原始視頻數(shù)據(jù)，這是因?yàn)樵跈z測(cè)時(shí)使用原始視頻會(huì)大大增加運(yùn)算復(fù)雜度，而且利用原始視頻來(lái)檢測(cè)水印也是不現(xiàn)實(shí)

16、的。 水印容量:對(duì)于視頻水印，我們規(guī)定水印容量為在單位時(shí)間內(nèi)嵌入水印信息的數(shù)據(jù)量。通常我們要求能夠有盡量高的嵌入水印速率。一個(gè)水印系統(tǒng)能夠嵌入水印信息的最大理論值可以從信息論的角度計(jì)算出來(lái)。2.1.2 視頻水印的分類可以從不同的角度對(duì)數(shù)字視頻水印進(jìn)行分類。我們知道，數(shù)字視頻水印的提取過(guò)程與圖像水印的提取過(guò)程有很大的不同，圖像水印的提取過(guò)程是靜態(tài)的，而視頻水印的提取過(guò)程在時(shí)間上是連續(xù)的，它是在連續(xù)幀上進(jìn)行提取的，提取出的水印可以是文字、圖像、連續(xù)語(yǔ)音信號(hào)和同時(shí)可播放的視頻信號(hào)，因此可以根據(jù)嵌入視頻水印的內(nèi)容不同將其分類。 1) 按嵌入域分類，主要可分為空域(時(shí)域)方法及變換域(頻率域)方法?？沼?/p>

17、替換法是用待嵌入的信息替換載體信息的冗余部分，一種簡(jiǎn)單的方法就是變換域方法就是在宿主的某個(gè)變換域，如小波域中嵌入信息，除了靜止圖像上變換域中嵌入水印的優(yōu)點(diǎn)外，還能很好地與視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容。 2) 按載體的數(shù)據(jù)域分類，包括基于原始視頻方法和基于壓縮視頻方法?；谠家曨l的水印算法，是對(duì)未經(jīng)編碼的視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在原始視頻中嵌入水印。基于壓縮視頻的水印算法，則與某種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)如常見(jiàn)的MPEG-1， MPEG-2，MPEG-4相結(jié)合，在編碼視頻中嵌入水印。在壓縮視頻中嵌入和提取水印，既可以在視頻編解碼器中進(jìn)行，也可以作為單獨(dú)的模塊，直接在編碼視頻流上進(jìn)行。前者需要修改視頻編解碼過(guò)程，在編碼器中

18、加入水印嵌入和提取功能，適用于可以直接介入視頻編碼過(guò)程的情況。例如:采用自己的編碼器，對(duì)攝像頭捕獲的原始視頻流進(jìn)行編碼。后者不需要修改視頻編碼器，但是需要對(duì)編碼視頻流進(jìn)行分析，在壓縮碼流中找出需要嵌入水印的數(shù)據(jù)并完成水印的嵌入，適用于不能直接介入視頻編碼的過(guò)程，而只能得到視頻流情況:在第三方制作的視頻流中嵌入版權(quán)信息。在壓縮域內(nèi)的水印嵌入(直接在壓縮比特流中插入水印)優(yōu)勢(shì)在于水印嵌入程序可以處理壓縮的視頻流，它與未壓縮的視頻流相比具有較低的數(shù)據(jù)率。水印嵌入以后也不必再進(jìn)行重新壓縮，這對(duì)于實(shí)時(shí)水印嵌入技術(shù)來(lái)說(shuō)是非常重要的。為了在壓縮域中嵌入水印，水印嵌入程序必須分析視頻流以識(shí)別水印嵌入所需的合適

19、的結(jié)構(gòu)，并修改壓縮流以嵌入水印。采用塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償視頻壓縮技術(shù)進(jìn)行壓縮處理過(guò)的水印流，部分原因是大多數(shù)現(xiàn)代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(包括H.261，H.263+， MPEG-l，MPEG-2，以及部分MPEG-4均采用塊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)以充分利用視頻中的時(shí)間和空間冗余信息。這些壓縮技術(shù)的共同特征包括:離散余弦變換，以塊和宏塊為單位進(jìn)行編碼以及運(yùn)動(dòng)矢量。當(dāng)然，一些圖像采用幀內(nèi)編碼(不使用時(shí)間預(yù)測(cè)編碼)，而一些圖片則使用一個(gè)預(yù)先解碼的圖片作為預(yù)測(cè)器進(jìn)行編碼。從技術(shù)特性來(lái)看，這兩種方法還可作進(jìn)一步的細(xì)分:（1）基于原始視頻水印方法:按嵌入域分，一些方法直接在原始視頻數(shù)據(jù)中嵌入水印，如Hartuang和Kalker稱為空

20、域法。另一些方法先對(duì)原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行某種變換，如DCT變換，小波變換，或傅立葉變換，然后在變換域中嵌入水印，稱為頻域法。（2）基于壓縮視頻水印方法:按嵌入位置分，一些在變換系數(shù)上嵌入水印，這些方法主要是借鑒了圖像的頻域水印技術(shù)；另一些方法在運(yùn)動(dòng)向量中嵌入水印。頻域水印有三種處理方法:第一種方法，將視頻流看作一個(gè)三維信號(hào)，其中兩維在空間上，一維在時(shí)間上，對(duì)其進(jìn)行3維變換，然后進(jìn)行水印處理。第二種方法，將視頻流看成是靜態(tài)圖像的序列，采用圖像水印技術(shù)進(jìn)行處理，因此有很多文獻(xiàn)聲稱它們的算法適合視頻序列。第三種方法，按塊進(jìn)行頻域變換，由于視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中也是按塊進(jìn)行頻域變換，因此這種方法大都是和視頻編碼器

21、相結(jié)合進(jìn)行，屬于壓縮視頻水印。目前，許多學(xué)者普遍認(rèn)為變換域水印具有更好的穩(wěn)定性，因此人們對(duì)視頻水印的研究大多數(shù)相對(duì)集中于后者，如視頻采用MPEG-2, MPEG-4壓縮編碼處理都是在變換域中進(jìn)行的。 3) 按密鑰分類，如嵌入和提取采用相同的密鑰，則稱其為對(duì)稱水印，否則為非對(duì)稱水印。 4) 按水印的特性分類可以將數(shù)字水印分為魯棒水印，脆弱水印和半脆弱水印。 5) 按水印的可見(jiàn)性分為可見(jiàn)性水印和不可見(jiàn)性水印?，F(xiàn)在一般研究不可見(jiàn)性水印。2.1.3 視頻水印的特殊性除了具有一般數(shù)字水印技術(shù)所具有的特征以外，由于數(shù)字視頻不僅僅是一個(gè)在規(guī)則間隔時(shí)間內(nèi)顯示的圖像序列，可能影響水印技術(shù)的一些視頻特征包括:（1

22、）連續(xù)幀之間具有很大的空間相關(guān)性。多數(shù)情況下，連續(xù)的視頻幀不是相互獨(dú)立的，相反具有較大的相似性。由于幀之間存在大量的數(shù)據(jù)冗余和以及幀內(nèi)冗余，視頻水印很容易遭受盜版攻擊，包括幀平均、幀丟失、幀交換、靜態(tài)分析等等。（2）在所有幀中嵌入相同的水印可能會(huì)不安全，因?yàn)楣粽呖赡軙?huì)掌握大量有關(guān)水印結(jié)構(gòu)的知識(shí)去估計(jì)和刪除水印。（3）嵌入水印一定不能顯著地增加帶水印視頻流的數(shù)據(jù)率，特別是在帶寬資源非常有限的場(chǎng)合。（4）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行水印標(biāo)記，嵌入復(fù)制控制信息和嵌入指紋進(jìn)行內(nèi)容跟蹤等都要求嵌入實(shí)時(shí)水印。其它的一些應(yīng)用如檢測(cè)版權(quán)保護(hù)信息和假冒視頻產(chǎn)品的認(rèn)證，也要求實(shí)時(shí)水印檢測(cè)。 由于視頻的上述特殊性質(zhì)，它對(duì)視頻水

23、印方案的設(shè)計(jì)還有如下一些特殊的要求： （1）實(shí)時(shí)處理性，水印嵌入和提取應(yīng)具有低復(fù)雜度。然而不同的應(yīng)用有不同的要求。如果水印用于審計(jì)追蹤，每個(gè)接收端都必須提取水印，則水印提取應(yīng)該容易。如果為不同的接收者嵌入身份標(biāo)識(shí)，水印處理在大量的分布視頻序列上進(jìn)行，因此為了考慮水印上所有可能的攻擊，水印提取可能比較復(fù)雜，而水印嵌入在這種情況下復(fù)雜度應(yīng)該低。 （2）隨機(jī)檢測(cè)性，可以在視頻的任何位置，短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出水印。隨即檢測(cè)性比實(shí)時(shí)性具有更嚴(yán)格的要求:一個(gè)水印方案是實(shí)時(shí)的，但是如果只能從視頻的開(kāi)始位置按播放順序一步一步檢測(cè)出水印，則不具有隨機(jī)檢測(cè)性。如果跳轉(zhuǎn)到視頻的任何一個(gè)位置，也能夠檢測(cè)出水印，則具有隨機(jī)檢

24、測(cè)性。 （3）與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，視頻數(shù)據(jù)由于其數(shù)據(jù)量極大，在存儲(chǔ)傳播中通常要對(duì)其進(jìn)行壓縮，現(xiàn)在最常用的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)是MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4。如果在壓縮視頻中嵌入水印，很顯然要與視頻的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合。如果是在原始視頻中嵌入水印，由于水印嵌入是利用視頻的冗余數(shù)據(jù)來(lái)攜帶信息，而視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)則需要去除視頻中的冗余數(shù)據(jù)，如果不考慮視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)而盲目地嵌入水印，則嵌入的水印很可能在編碼過(guò)程中就完全丟失了。 （4）盲檢測(cè)和較強(qiáng)的魯棒性，使用原始宿主信息，更有利于檢測(cè)和提取水印信息。但是，檢測(cè)用到的原始宿主信息容易暴露給惡意的攻擊者。而且在某些應(yīng)用中并不能獲得原始的宿主信

25、號(hào)。即使能夠獲得原始的宿主信號(hào)，也因?yàn)閿?shù)據(jù)量巨大，使用原始的宿主信號(hào)也是不現(xiàn)實(shí)的。對(duì)于視頻數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)表現(xiàn)得尤為突出。因此，除了極少數(shù)的方案外，目前主要研究的視頻水印技術(shù)是盲視頻水印技術(shù)。對(duì)于視頻數(shù)據(jù)還存在特有的處理和攻擊方法，必須保證視頻水印方案對(duì)這些攻擊和處理的魯棒性。對(duì)視頻的任何處理，只要沒(méi)有將視頻破壞到失去使用價(jià)值的地步，都應(yīng)該不會(huì)破壞所嵌入的水印。 （5）無(wú)意和有意攻擊，采用各種壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)如MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4等對(duì)視頻進(jìn)行編碼，在NTSC，PAL，SECAM和通常的電影標(biāo)準(zhǔn)格式之間轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的幀速率和顯示分辨率的改變，以及屏幕高寬比的改變、幀刪除、幀插入、幀

26、重組等視頻編輯處理、A/D、D/A轉(zhuǎn)換，如錄制在模擬錄像帶時(shí)，在幀轉(zhuǎn)換中可能給視頻帶來(lái)的影響，包括低通濾波，添加噪聲，對(duì)比度的幾何改變以及幾何失真等。Hartung等將水印攻擊分為四類:簡(jiǎn)單攻擊，檢測(cè)失效攻擊，混淆攻擊和移去水印攻擊。在視頻上的攻擊也基本屬于這四類組成。對(duì)于單個(gè)視頻幀，基于靜態(tài)圖像的攻擊一般來(lái)說(shuō)仍然有效。對(duì)于連續(xù)的幀，有統(tǒng)計(jì)平均和統(tǒng)計(jì)共謀攻擊。平均攻擊是針對(duì)局部連續(xù)的幀求平均，以消除水印。這種攻擊對(duì)于在各幀中嵌入隨機(jī)的，水印獨(dú)立的方案比較有效。在共謀攻擊中，從單個(gè)的幀中估計(jì)出水印，并在不同的場(chǎng)景中求平均以取得較好的精確度，接著從每幀中減去估計(jì)的水印。這種攻擊對(duì)于在所有幀中嵌入相

27、同的水印方案有效。因此必須考慮視頻的各種可能的攻擊處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的水印。 從上面介紹可以看出視頻數(shù)字水印與靜止圖像數(shù)字水印技術(shù)的差異:（1）可用信號(hào)空間不同。對(duì)于靜止圖像，空間非常有限，這就促使許多研究者利用HVS模型，使水印到達(dá)可視門(mén)限而不影晌圖像質(zhì)量。而對(duì)視頻水印來(lái)說(shuō)，信號(hào)空間非常大，但視頻水印經(jīng)常有實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)的限制，與靜止圖像水印相比，降低復(fù)雜度的要求更重要。在某些情況下，甚至不能如靜止圖像那樣充分使用基于HVS的模型。一個(gè)好的視頻水印的要求:必須考慮幀間信息，以能抵抗幀平均，幀剪切等攻擊，可以把水印信息分布在連續(xù)的幾幅幀中，而且應(yīng)該能從一個(gè)短序列中恢復(fù)全部信息。（2）對(duì)于靜止圖像

28、，水印的主要應(yīng)用在于說(shuō)明作品的所有者，給出版權(quán)標(biāo)識(shí)。而數(shù)字視頻的情況有所不同，一部影視作品的版權(quán)所有者是無(wú)需質(zhì)疑的，視頻作品的每個(gè)拷貝中都應(yīng)該用一個(gè)唯一的水印，防止非法拷貝。（3）復(fù)雜度:在某些應(yīng)用中，水印嵌入和檢測(cè)的復(fù)雜度是不對(duì)稱的。水印嵌入應(yīng)當(dāng)復(fù)雜，以抵抗各種可能的攻擊，而水印提取和檢測(cè)基于實(shí)時(shí)應(yīng)用應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單。（4）壓縮域處理:視頻數(shù)據(jù)可以通過(guò)壓縮的形式存儲(chǔ)。如在VOD服務(wù)器上，基于復(fù)雜度要求，更易將水印加入壓縮后的視頻碼流中，如果解碼后加入水印再進(jìn)行編碼，計(jì)算量將相當(dāng)大。（5）碼率恒定:加入水印不應(yīng)增加視頻流碼率。因此，當(dāng)前的圖像水印算法還不能很好地保護(hù)視頻數(shù)據(jù)。如果在視頻的每一幀中嵌入固

29、定的圖像水印則容易引起維持統(tǒng)計(jì)和視覺(jué)可見(jiàn)性的問(wèn)題。2.1.4 視頻水印技術(shù)概述Arena等人提出了水印直接嵌入在MPEG-2比特流中的方案，從而避免了將水印嵌入在像素域中所必需的將視頻碼流解碼與再編碼的繁重運(yùn)算。Hatinkaos和Kundu，提出了一個(gè)依賴于內(nèi)容的空間嵌入視頻水印方案。這一視頻水印算法基于以下兩個(gè)關(guān)鍵思想:統(tǒng)計(jì)不可見(jiàn)性與設(shè)置內(nèi)容同步。Mobasser提出了一個(gè)應(yīng)用直接序列擴(kuò)展頻譜模型的視頻水印方案。一段視頻是由一些幀組成的，而每一幀可以看作是由數(shù)個(gè)比特面組成的，這樣，這段視頻就可以看作是在時(shí)間軸上的以比特面為單位的一維序列。一個(gè)0,1 m一序列作用于這個(gè)一維序列，大部分比特面

30、保持不變，而有少數(shù)比特面的更改并不能影響視覺(jué)效果，這些位置就是用來(lái)嵌入水印的。Kutter提出了在運(yùn)動(dòng)矢量中嵌入水印的方案，將水印嵌入在幅度值大且相對(duì)變化小的運(yùn)動(dòng)矢量中。在MPEG壓縮算法中，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)技術(shù)用于減少幀間的時(shí)間冗余度，只有預(yù)測(cè)到有誤差的圖像才被編碼。在MPEG視頻序列中，大部分的幀是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)編碼幀，所以，在運(yùn)動(dòng)矢量中隱藏水印信息可以更有效的利用視頻比特流中的信息。國(guó)內(nèi)學(xué)者張志強(qiáng)提出了一種在MPEG-1和MPEG-2壓縮視頻流中嵌入可視水印的方案?？梢曀〔煌诓豢梢?jiàn)水印，它是通過(guò)在圖像表面半透明的顯示版權(quán)信息來(lái)防止盜版。2.2相關(guān)理論基礎(chǔ)2.2.1 MPEG壓縮視頻標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)要

31、介紹為了節(jié)約數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和便于傳輸，視頻的主要存在模式是壓縮格式的，因此視頻水印也在很大程度上是與壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)緊緊聯(lián)系在一起的。當(dāng)今視頻壓縮的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)包括MPEG-I , MPEG-2, MPEG-4, ITU-T的H.261和H.263等，都采用混合編碼。他們的基本編碼思想是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)和基于塊的變換編碼。在MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)流是以多路復(fù)合流的格式存儲(chǔ)和傳輸?shù)?。多路?fù)合流由音頻流和視頻流復(fù)合組成。多路復(fù)合流的基本單位時(shí)包，而一個(gè)包由三個(gè)組組成。組分為視頻組和音頻組，在此只介紹視頻組。它采用分層的語(yǔ)法定義，每一層包括一個(gè)或多個(gè)從屬層。由于視頻流被分成多個(gè)圖片組，每個(gè)組包含特征相近的一些圖

32、像幀的集合，幀又被分成畫(huà)面，再分成宏塊。畫(huà)面內(nèi)編碼的基本單位是宏塊，一個(gè)宏塊由6個(gè)8*8像素塊構(gòu)成:四個(gè)亮度塊Y0, Y1, Y2, Y3，一個(gè)色度塊U，一個(gè)色度塊V。注意，四個(gè)亮度塊覆蓋的畫(huà)面區(qū)域與每個(gè)色度塊覆蓋的畫(huà)面區(qū)域是相同的，原因是由于色度信息的信息量比亮度信息少，為了提高數(shù)據(jù)壓縮率而對(duì)色度信息作了適合人類視覺(jué)系統(tǒng)靈敏度的亞采樣。MPEG視頻壓縮編碼的目的是為了在保持較好畫(huà)面質(zhì)量的同時(shí)獲得較高的壓縮比。由于在編碼過(guò)程中不能保持精確的像素值，所以該算法是有失真的，視頻壓縮的最優(yōu)性能依賴于高質(zhì)t畫(huà)面、高壓縮比與數(shù)據(jù)流讀取三者之間矛盾的折衷。 原始視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量非常大，不利于存儲(chǔ)和傳輸，所

33、以視頻信號(hào)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。為了獲得高壓縮比，就必須有效的去掉視頻在時(shí)域和空域上的冗余。MPEG-2采用基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以減少時(shí)域冗余。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償用于對(duì)當(dāng)前畫(huà)面作相對(duì)于前一幅畫(huà)面的因果預(yù)測(cè)，對(duì)當(dāng)前畫(huà)面作相對(duì)于后一幅畫(huà)面的非因果預(yù)測(cè)，或作相對(duì)于前、后畫(huà)面的差補(bǔ)預(yù)測(cè)。對(duì)每一個(gè)8*8像素的畫(huà)面區(qū)域均定義一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量，以保證能有效恢復(fù)畫(huà)面。用DCT變換對(duì)差值信號(hào)(即預(yù)測(cè)誤差)作進(jìn)一步壓縮，以消除空域冗余:然后以一個(gè)不可逆的過(guò)程對(duì)DCT系數(shù)量化，刪去不太重要的信息;最后，將運(yùn)動(dòng)矢量與DCT信息結(jié)合，并用變長(zhǎng)碼進(jìn)行嫡編碼，得到壓縮的視頻流。 因?yàn)橐岣邏嚎s比，就必須去掉視頻圖像中大量的冗余信息。去掉冗余有效

34、的辦法就是采用預(yù)測(cè)編碼。為此，定義了三種主要的畫(huà)面類型:(1) 幀內(nèi)編碼畫(huà)面（I畫(huà)面):不參考其他任何畫(huà)面而獨(dú)立編碼。I畫(huà)面為編碼序列提供了預(yù)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，解碼過(guò)程可以始于這些點(diǎn)，I畫(huà)面的壓縮比不高。(2) 預(yù)測(cè)編碼畫(huà)面(P畫(huà)面):它相對(duì)于前面一幅幀內(nèi)畫(huà)面或預(yù)測(cè)編碼畫(huà)面進(jìn)行有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)編碼，且通?？梢宰鳛楹罄^預(yù)測(cè)畫(huà)面的參考畫(huà)面，它的編碼效率較高。(3) 雙向預(yù)測(cè)編碼畫(huà)面(B畫(huà)面):它需要前向和后向的參考畫(huà)面作運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，它的壓縮程度是最高的，B畫(huà)面永遠(yuǎn)不被用作預(yù)測(cè)的參考畫(huà)面。 這三種類型的畫(huà)面在一個(gè)視頻序列中的組織是非常靈活的，這由編碼器決定，并依賴于應(yīng)用的要求。MPEG-2視頻流采用分層式數(shù)據(jù)

35、結(jié)構(gòu),共由六層組成(1) 視頻序列層,視頻序列層由序列頭、一個(gè)或多個(gè)圖像組和序列結(jié)束碼組成,序列頭主要包括圖像大小、寬高比、比特率、量化表等解碼所需的信息。(2) 圖像組層,圖像組層是由頭信息,一幀或連續(xù)若干幀圖像組成的可以隨機(jī)訪問(wèn)的一段以及結(jié)束碼組成,頭信息主要包括時(shí)間碼等。在圖像組層中,以I幀作為圖像序列中的隨機(jī)訪問(wèn)點(diǎn),在I幀之后跟隨一系列P幀和B幀。一個(gè)圖像組至少包含一個(gè)I幀,且總是以I幀作為第一幀。(3) 圖像層,圖像層包含頭信息和一幀圖像所有的編碼數(shù)據(jù)。頭信息主要包括時(shí)間參考,圖像編碼類型,即I、P、B或D,D圖像只包含每個(gè)塊的直流分量,用于極低比特率的圖像瀏覽,前后向運(yùn)動(dòng)矢量類型和

36、范圍等。(4) 條層,條層由一個(gè)或多個(gè)相鄰的宏塊組成,引入條層的目的主要是出錯(cuò)恢復(fù)。其頭信息是等長(zhǎng)編碼的,所以,在比特流出錯(cuò)時(shí),解碼器可以據(jù)此恢復(fù)同步。頭信息包含條的垂直位置等。(5) 宏塊層,宏塊層由四個(gè)亮度塊和兩個(gè)色度塊構(gòu)成,宏塊的大小為16x16,其頭信息包括量化加權(quán)因子和宏塊的類型等。(6) 塊層,塊層是MPEG-2中的最小編碼單位,大小為8xs,包括DCT系數(shù)和塊結(jié)束標(biāo)志(EOB)。 2.2.2離散余弦變換 離散余弦變換,是將一個(gè)8x8空間窗口的圖像采樣數(shù)據(jù)或者是預(yù)測(cè)誤差數(shù)據(jù)作離散余弦正交變換,得出64個(gè)DCT變換系數(shù)。DCT變換是一種與傅立葉變換緊密相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。在傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)

37、式中,如果被展開(kāi)的函數(shù)是實(shí)偶函數(shù),那么其傅立葉級(jí)數(shù)中就只含有余弦項(xiàng)。將函數(shù)擴(kuò)展成偶函數(shù)后進(jìn)行傅立葉變換,再將其離散化可導(dǎo)出余弦變換,因此稱為離散余弦變換。一個(gè)在時(shí)間域中需要許多數(shù)據(jù)點(diǎn)表示的信號(hào),通過(guò)變換轉(zhuǎn)換到頻率域后,只需要幾個(gè)點(diǎn)就可表示這個(gè)相同的信號(hào)。正是因?yàn)榇?許多數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)都是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率域來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。2.2.3 人眼系統(tǒng)特性在研究不可見(jiàn)水印技術(shù)時(shí)，不可見(jiàn)性是衡量數(shù)字水印算法的一個(gè)重要指標(biāo)，而不可見(jiàn)性就是指水印載體在嵌入水印后人眼所不能察覺(jué)出來(lái)的程度，也就是說(shuō)，好的水印不可見(jiàn)性要能使通過(guò)肉眼無(wú)法直接判斷載體中是否包含水印信息。我們?cè)谘芯繑?shù)字水印技術(shù)的時(shí)候，觀察者必須被考慮

38、在內(nèi)，這就是我們研究自適應(yīng)數(shù)字水印時(shí)必須結(jié)合人類視覺(jué)系統(tǒng)的原因，這對(duì)于研究自適應(yīng)數(shù)字水印具有重要意義。 自適應(yīng)數(shù)字水印算法的基本思想就是根據(jù)HVS的對(duì)比度特性，自適應(yīng)地調(diào)整水印信息在載體不同部位的嵌入強(qiáng)度。而自適應(yīng)改變水印局部嵌入強(qiáng)度的依據(jù)就是 HVS的 視 覺(jué) 掩 蔽特 性 。 視覺(jué)掩蔽可以分為照度掩蔽、 頻率掩蔽和紋理掩蔽。 照度掩蔽可以這樣描述：當(dāng)背景越亮?xí)r，HVS的對(duì)比度門(mén)限越高。根據(jù)照度掩蔽特性，對(duì)背景較亮的區(qū)域，拉伸系數(shù)可以取得大一點(diǎn)；反之拉伸系數(shù)應(yīng)該取小一點(diǎn)。也就是說(shuō)在圖像背景較亮的區(qū)域，水印嵌入強(qiáng)度可以適當(dāng)加大；反之則應(yīng)適當(dāng)降低嵌入強(qiáng)度。頻率掩蔽可以描述為：一個(gè)一定頻率的空間正

39、弦信號(hào)，將降低其他相近頻率的空間正弦信號(hào)的可檢測(cè)性。紋理掩蔽指的是：背景紋理越復(fù)雜，HVS對(duì)噪聲越不敏感。這意味著，在紋理較復(fù)雜的區(qū)域，可以隱藏的水印能量就較強(qiáng)；紋理較簡(jiǎn)單的區(qū)域，可以隱藏的水印能量就較弱。個(gè)一定頻率的空間正弦信號(hào)，將降低其他相近頻率的空間正弦信號(hào)的可檢測(cè)性。2.2.4 水印攻擊類型評(píng)估水印系統(tǒng)的魯棒性能時(shí)需要在水印收到攻擊下進(jìn)行，因此首先介紹常用的攻擊方法。攻擊是指未授權(quán)的第三方對(duì)數(shù)字水印進(jìn)行一些操作，并以減弱、破壞、去除水印為目的的行為。攻擊分為無(wú)意攻擊和惡意攻擊兩類：無(wú)意攻擊是非特意人為的、不可避免的攻擊，如傳輸過(guò)程中的噪聲干擾，掃描打印后的各種幾何失真等；惡意攻擊是受好

40、奇心或者經(jīng)濟(jì)利益等驅(qū)動(dòng)而有意對(duì)水印展開(kāi)的攻擊。惡意攻擊又分為被動(dòng)攻擊和主動(dòng)攻擊：只是試圖破壞水印算法的攻擊是被動(dòng)攻擊；試圖篡改、復(fù)制水印的是主動(dòng)攻擊。為了對(duì)比本文提出的算法的性能優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)比多種攻擊類型水印提取效果進(jìn)行仿真分析，本文主要使用的攻擊類型有如下幾種類型：（1）縮小放大攻擊，對(duì)加入水印的視頻幀進(jìn)行縮小，然后再放大還原到原來(lái)像素大小的視頻幀，其數(shù)學(xué)公式如下所示：(3-5)(3-6)其中為原始的加入水印的視頻幀圖像，為縮小后的視頻幀圖像，為放大后的視頻幀圖像，公式3-5和公式3-6分別表示視頻幀圖像的縮小和放大。當(dāng)進(jìn)行縮小操作的時(shí)候，以2倍縮小為例，那么相鄰的四個(gè)像素將以四個(gè)像素的平均

41、值做為縮小后的像素；當(dāng)進(jìn)行放大操作的時(shí)候，以2倍放大為例，那么相鄰的像素值之間通過(guò)插入一個(gè)過(guò)渡像素值作為放大后的像素。通過(guò)圖像的縮小和放大處理之后，視頻幀圖像中的像素值將受到鄰近像素的干擾和影響。 （2）放大縮小攻擊，水印的放大縮小攻擊，對(duì)加入水印的視頻幀圖像進(jìn)行放大，然后再縮小還原到原來(lái)像素大小的視頻幀圖像，其數(shù)學(xué)公式和公式3-5和3-6相似，其計(jì)算過(guò)程和縮小放大攻擊相反。同樣道理，通過(guò)視頻幀圖像的放大和縮小處理之后，其像素值將受到鄰近像素的干擾和影響。 （3）濾波攻擊，水印的濾波攻擊，將嵌入水印后的視頻進(jìn)行濾波處理，根據(jù)濾波公式：(3-7)根據(jù)公式3-7可知，水印的濾波攻擊，即將一個(gè)窗口內(nèi)

42、像素和對(duì)應(yīng)的濾波器權(quán)值函數(shù)h相乘后的和作為濾波后的像素值，因此，濾波后像素信息不僅受到窗口內(nèi)的像素影響，而且受到濾波器權(quán)值的影響。 （4）裁剪攻擊,所謂裁剪攻擊，即將嵌入水印的視頻中的某一區(qū)域賦值為零，其數(shù)學(xué)原理如下所示： (3-8)當(dāng)嵌入水印的視頻受到裁剪攻擊之后，嵌入到圖像中的水印信息將部分丟失，因此會(huì)在較大程度上影響視頻的水印提取效果。（5）噪聲攻擊水印的噪聲攻擊，即將嵌入水印的視頻加入高斯白噪聲進(jìn)行干擾，其數(shù)學(xué)原理如下所示： (3-9)當(dāng)視頻受到噪聲干擾之后，其像素值將受到噪聲的影響，而嵌入在視頻中水印信息的擴(kuò)頻碼受到噪聲干擾，當(dāng)噪聲較大的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)頻序列極性的改變，從而在一定程度

43、上干擾嵌入到視頻中的水印信息。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹數(shù)字視頻水印的特征，分類及數(shù)字視頻水印的特殊性。并對(duì)視頻水印技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的介紹。并對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行介紹,包括MPEG和DCT。最后介紹了人眼系統(tǒng)特性和本文采用水印攻擊的類型。為后續(xù)設(shè)計(jì)方案的提出奠定基礎(chǔ)。第3章 擴(kuò)頻數(shù)字水印的生成3.1概述水印信號(hào)可分為無(wú)意義水印和有意義水印兩種，無(wú)意義水印都是無(wú)意義的隨機(jī)序列，他們?cè)谇度胨惴ㄖ斜恢苯邮褂?，進(jìn)而加入到載體數(shù)據(jù)中。但是，有些水印算法中原始的水印信號(hào)則是有意義的信號(hào)，即信號(hào)是代表一定意義的文本、聲音、圖像或視頻信號(hào)。使用有意義水印的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在水印提取后，提取的水印非常直觀，不需要再利用原

44、始水印信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，可以直接使用它對(duì)載體中是否含有水印進(jìn)行判別。對(duì)一個(gè)給定的有意義水印，無(wú)論它的類型是文本、聲音、圖像還是視頻，在進(jìn)行水印的嵌入時(shí)，絕大大多數(shù)算法都要求將它首先轉(zhuǎn)化為二值(0和1或 -1和1)的序列，這種轉(zhuǎn)化又是各種各樣的。簡(jiǎn)單的方法是直接使用水印在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)形式(數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制形式)，但該方法的保密性較差，如果攻擊者從載體數(shù)據(jù)中獲得了水印數(shù)據(jù)，就可以直接了解水印內(nèi)容，對(duì)水印的攻擊就很容易了。有些算法則是根據(jù)加密或圖像的置亂算法，將水印信號(hào)變換成看似雜亂無(wú)章的二值序列，這樣水印攻擊者即使可以獲得水印數(shù)據(jù)，但他得到的是沒(méi)有任何意義的亂碼，這樣攻擊者就無(wú)法確定是否得到了

45、真正的水印，從而可在一定程度上防止對(duì)水印系統(tǒng)的攻擊。3.1.1 擴(kuò)頻通信的原理在20世紀(jì)50年代，為了實(shí)現(xiàn)一種攔截概率小、抗干擾能力強(qiáng)的通信手段，提出了擴(kuò)展頻譜(spread spectrum)通信技術(shù)，簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻或擴(kuò)譜。擴(kuò)頻技術(shù)最早只是用于軍用通信和制導(dǎo)等軍用系統(tǒng)，它的理論基礎(chǔ)是信息論和抗干擾理論。香農(nóng)在其信息論中得到如下重要公式:(3-1)式中，C表示信道容量，B是信道帶寬,PN是噪聲功率，PS是信號(hào)功率。香農(nóng)公式表明了無(wú)失真?zhèn)鬏斝畔⒌哪芰ν旁氡纫约靶诺缼捴g的關(guān)系。令C代表人們所希望具有的信道容量，把式換成自然對(duì)數(shù)變?yōu)?(3-2)對(duì)于干擾環(huán)境的典型情況，PS/PN 1，則對(duì)上式用幕級(jí)數(shù)

46、展開(kāi)，略去高次項(xiàng)得：(3-3)通過(guò)上述的分析可得出一個(gè)重要結(jié)論:對(duì)于給定的信道容量C可以用不同的帶寬B和信噪比Ps/PN的組合來(lái)傳輸信息。如減少帶寬則必須發(fā)送較大的信號(hào)功率;如有較大 的傳輸帶寬，則同樣的信道容量能夠用較小的信號(hào)功率來(lái)傳送，這表明寬帶系統(tǒng)具有較好的抗干擾性。因此，當(dāng)信噪比太小，不能保證通信質(zhì)量時(shí)，常用寬帶系統(tǒng)改善通信質(zhì)量，使信號(hào)在強(qiáng)干擾情況下，仍然可以保持可靠通信。根據(jù)上述原理，人們發(fā)明了擴(kuò)頻技術(shù)。它是一種信息處理技術(shù)，它利用與待傳輸數(shù)據(jù)(信息)無(wú)關(guān)的擴(kuò)頻碼對(duì)待傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，使之遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)待傳輸信息所必需的帶寬，在接收機(jī)中采用相同的擴(kuò)頻碼解擴(kuò)和恢復(fù)數(shù)據(jù)。Pickholt

47、z等將擴(kuò)頻技術(shù)定義為這樣一種傳輸方式:信號(hào)在大于所需的帶寬內(nèi)進(jìn)行傳輸。帶寬擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)與信號(hào)獨(dú)立的碼字(擴(kuò)頻碼)完成，并且在接收端對(duì)這個(gè)碼字進(jìn)行同步接收，并用于解擴(kuò)和隨后的信號(hào)恢復(fù)。由于擴(kuò)頻碼的隨機(jī)性、擴(kuò)頻信號(hào)的寬帶性，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn): 擴(kuò)頻信號(hào)是不可預(yù)測(cè)的偽隨機(jī)寬帶信號(hào)，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力，因?yàn)楦蓴_者難以通過(guò)觀察改善其干擾性能，而只能采用發(fā)射同被干擾信號(hào)不匹配的干擾技術(shù)。 擴(kuò)頻信號(hào)的功率相當(dāng)均勻地分布在很寬的頻率范圍，以致待傳輸信號(hào)功率密度很低，偵察接收機(jī)難以檢測(cè)。因此，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有低截獲概率特性。 擴(kuò)頻系統(tǒng)具有良好的碼分多址通信能力，對(duì)不同的用戶使用不同的碼，別人無(wú)法

48、竊聽(tīng)他們的通信。因此，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有高保密性.盡管傳輸信號(hào)的能量可以很大，但在每一個(gè)頻段上的信噪比很小。即使部分信號(hào)在幾個(gè)頻段丟失，其他頻段仍有足夠的信息可以用來(lái)恢復(fù)信號(hào)。因此，檢測(cè)或刪除一個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)是很困難的。這種情況與隱藏系統(tǒng)很相似，隱藏系統(tǒng)就是試圖在整個(gè)載體中擴(kuò)展秘密信息，以達(dá)到不可察覺(jué)的目的。由于擴(kuò)展信號(hào)很難刪除，所以基于擴(kuò)頻的信息隱藏方法都具有很好的魯棒性。3.1.2 m序列的產(chǎn)生 擴(kuò)頻作為一種新型的通信方式，具有抗干擾、抗噪聲、低功率譜密度、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。它利用偽隨機(jī)序列對(duì)被傳輸信號(hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，使之占有的信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其在一般通信意義下所必需的最小帶寬。在接收端利用同一偽隨機(jī)序

49、列對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行同步相關(guān)處理以解擴(kuò)和恢復(fù)數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻技術(shù)中使用的偽隨機(jī)序列具有類似白噪聲的性質(zhì)，但又是周期的、有規(guī)律的，可以人為地產(chǎn)生和復(fù)制。由于其具有類似白噪聲的性質(zhì)，相關(guān)函數(shù)具有尖銳特性，因此易于從其它信號(hào)或干擾中分離出來(lái)，具有優(yōu)良的抗干擾特性。偽隨機(jī)序列通常由二進(jìn)制移位寄存器產(chǎn)生，而m序列是最常用的性能優(yōu)良的偽隨機(jī)序列。m序列具有如下性質(zhì):(1)序列中兩種不同元素出現(xiàn)的次數(shù)大致相等;(2)若把n個(gè)同種元素連續(xù)出現(xiàn)叫做一個(gè)長(zhǎng)度為n的元素游程，則序列中長(zhǎng)為n 的元素游程比長(zhǎng)度為n+l的元素游程多一倍;(3)序列具有類似白噪聲的自相關(guān)函數(shù)(函數(shù))特性。m序列發(fā)生器由帶反饋的k級(jí)移位寄存器構(gòu)成。k

50、級(jí)移位寄存器經(jīng)過(guò)模2加后反饋到第一個(gè)寄存器作為輸出，第k個(gè)寄存器的輸出即為m序列。3.2 擴(kuò)頻數(shù)字水印的生成過(guò)程數(shù)字視頻水印生成的原理是：原始信息往往是由一組0 1, -1 1或者-c c組成的能代表數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)信息的m序列號(hào)(這里c是正整數(shù))，他未必具有偽隨機(jī)特性。為了擴(kuò)展原始信息的能量譜，該窄帶信息可被一個(gè)寬帶偽隨機(jī)噪聲序列發(fā)生器所調(diào)制，調(diào)制后的ID序列就可以作為水印嵌入到數(shù)字產(chǎn)品之中。本文采用Hartung和Girod等提出的基于片率概念的擴(kuò)頻方法。該方案對(duì)原始信息按片率進(jìn)行擴(kuò)展后再用偽隨機(jī)序列進(jìn)行調(diào)制，其原理如圖3-1 圖3-1 基于片率概念的擴(kuò)頻水印生成 令A(yù)j為一比特序列，其中j=1,.，表示嵌入視頻中的所有比特?cái)?shù)，Bi是水印對(duì)應(yīng)比特位，則:Aj =。令Bi為一比特序列，則Aj=Bi,(j*Cr)iDct(x ,y) 則：mark( n )= 1 (3)重復(fù)步驟(2)直至所有水印信號(hào)全部取出； (4)將提取出的“水印”進(jìn)行 T-m 次 TA 變換恢復(fù)到原水印圖像。4.2 DCT視頻水印的實(shí)現(xiàn)方案相關(guān)程序4.2.1 視頻水印