数字视频水印和相关理论基础解析

第1章绪论1.1 课题研究背景随着社会的不断进步和信息技术的不断发展，各种形式的多媒体数字作品纷纷以网络形式发表，然而数字作品的便利性和不安全性是并存的，它可以低成本、高速度地被复制和传播，这样就为创造者和使用者都提供了很大的便利，但这些特性也容易被盗版者所利用，数字水印技术的研究就是在这种应用要求下迅速发展起来的。

视频信息中包含着较多不同于图像的特殊信息，这些特殊信息大大影响了传统的数字水印技术在视频水印方面的应用。

随着目前数字视频产品等多媒体信息的大量使用,市场上也迫切需要对数字视频产品进行加密保护。

然而由于水印嵌入时必须考虑到如何更好地与视频编码结合起来,而视频编码又因为不断的发展而会发生变化,新发展的一些视频编码关键技术可能会限制水印的嵌入技术的于这些原因,使得在数字视频产品中要嵌入合适的水印难度比较大；而另一方面针对于视频的更加精确的人眼视觉模式还没有完全地建立起来,没有一个很好的标准在视频中找一个较好的区域进行水印的嵌入,因此在数字视频产品中嵌入水印的方法选择上受到了较大的限制。

也正因为还有很多技术上的工作没有得到很好的解决,而数字视频水印技术又将应用于越来越多的地方,这就给研究工作带来许多的机遇,同时也更是一种挑战。

Caronni于1993年最早提出了“数字水印”的概念，该概念的提出引起了学术界、电子出版界的极大兴趣，之后该技术被广泛地应用于图像、音视频等其他数字媒体。

因为它在隐含标注、版权保护、真伪鉴别和秘密通信等领域有着广泛的应用前景，因此成为一个日益重要的研究领域。

1.2 研究的目的与意义研究数字视频水印技术的目的与意义在于可以有效的实现网络环境中数字视频作品的版权保护和认证，面对人类社会的数字化时代，在网络交流日益普及和电子商务逐渐启动的今天，数字视频作品的版权保护和认证问题及数字信息的安全传输问题是在人们面前需要迫切解决的问题。

而数字视频水印技术将是解决这类问题的一种最有效和最有潜力的技术，多媒体数字水印系统软件的开发具有显著的经济效益和社会效益，对于规范数字化市场，促进信息产业的健康持续发展极为重要的意义。

数字水印技术的发展虽然已经有二十余年的历史，对数字产品的版权保护成为一个新的信息安全问题。

之前对数字信息和数据的保护一直使用的传统手段是加密技术。

但是加密技术存在比较明显的缺陷，就是它只能在传输数据的过程中起到保护作用，在数据被接收或解密之后就不再具备保护作用了，所以加密技术只能够满足有限的要求。

并且取得了长足的进步，但是水印技术还没有成为数字内容安保体系中的有效组成部分，数字水印技术面临的难题是各种各样的攻击手段。

比如几何攻击，包括旋转、平移、缩放、扭曲、剪裁等，即使是很小程度上的几何攻击，也可能会改变空间位置的同步关系，对于很多算法来说，一旦破坏了载体和水印的同步性，就很难正确提取出水印信息。

比如共谋攻击，几个非法用户联合起来就能够去除载体中的水印信息，而躲过检测者的跟踪。

因此，数字水印是一个正在发展的课题，重难点就在于怎样提高数字水印的鲁棒性。

今后，数字水印技术的研究将着重于如何完善数字水印理论以及提高数字水印算法鲁棒性、安全性等性能，研究其不可见性和鲁棒性以及在应用中的抗攻击能力之间的平衡等方面。

设计出强安全性、高鲁棒性的数字水印系统和算法是当前水印技术领域急需解决的问题。

最初对数字水印技术的研究主要集中在图像水印方面。

最近几年来，因为数字视频产品的大量出现，对数字视频产品进行版权保护的需求日益强烈，基于数字视频的水印技术研究成为水印技术研究的一大热点。

由于视频数据占据的内存容量都比较大，所以通常我们都是采用压缩数据格式进行交流传播或者存储，这就使得基于压缩标准的压缩视频水印技术研究成为了视频水印研究的一个重点。

1.3研究现状分析数字视频水印的发展基本上与图像水印的发展同步的，从提出图像水印的概念开始，数字视频水印的概念也随之提出，随着几年的DVD等视频产品的普及，反而对数字视频水印产品的要求更为迫切，数字视频水印研究是数字水印研究的一个热点。

密码学，纠错编码，信息论，扩频通信，信号处理等已经充分运用到视频水印系统，现有的视频水印技术从嵌入策略上可以分为三类：第一类：水印直接嵌入到原始视频流中，然后进行视频编码。

如:空域，变换域。

此类方案的优点是:水印嵌入的方法比较多，原则上数字水印方案均可以应用于此。

缺点是会增加视频码流的数据比特率，经压缩后会丢失水印，降低视频质量，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。

第二类:水印嵌入到编码阶段离散余弦(DCT)域中的量化系数中。

此类方案的优点是水印仅嵌入在DCT系数中，不会增加视频流的数据比特率，易设计出抵抗多种攻击的水印，但缺点是会降低视频的质量，因为一般它也有一个解码、嵌入、再编码的过程。

第三类:水印直接嵌入到压缩比特流中。

此类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，同时计算复杂度低。

缺点是由于压缩比特率的限制而限定了嵌入水印的数据量的大小。

1.4 本文主要研究内容本文是基于扩频的数字视频水印技术研究，以鲁棒性视频水印技术为研究对象，以提高水印的不可见性和鲁棒性为研究目的。

通过查阅国内外大量关于数字水印的文献资料，总结分析视频水印的特征以及视频水印的特殊要求，在对视频水印相关概念和技术进行学习和总结后，主要完成了以下工作：(1) 研究了视频水印的主要特征，分析了视频水印所特有的特征，学习了扩频通信的原理，研究了水印的生成过程。

学习了压缩标准以及结合压缩标准嵌入水印的算法。

研究了人眼视觉模型。

（2) 由于视频的I帧的离散余弦变换DCT的直流系数DC是一个始终在视频系统中存在并且很鲁棒的参数,就是将扩频调到后的水印信息加到I帧的DCT的直流系数中,在DCT的直流系数DC上加入水印。

通过缩小放大攻击，放大缩小攻击，裁剪攻击，噪声攻击四种攻击类型进行仿真，并通过IDCT变换提取水印，通过实验观察这种方法的抗攻击性。

（3) 通过人类视觉系统模型的学习，以及压缩标准和扩频技术的学习。

在此基础上提出了基于扩频的自适应视频水印算法，详细介绍了算法的基本思想及设计步骤，基于扩频的自适应视频水印处理算法对视频的图像进行分块，同时考虑帧内和帧间的信息，根据运动信息和区域复杂度对视频的图像块进行分类和处理。

通过分析，人的研究对于运动物体的感知略于对静止物体的感知，对快速运动的场景分辨略于快速运动，这样使得水印嵌入的位置自适应于人类视觉系统。

通过嵌入不同强度的水印，对比提取出水印的抗攻击性。

最后通过四种类型的攻击进行仿真。

实现与基于扩频的DCT域数字视频水印的对比。

1.5本文结构本文主要通过5个章节进行介绍，分别如下：第一章首先介绍了基于扩频的数字视频水印技术的研究背景，研究意义和研究目的，最后对数字视频水印技术研究现状进行分析。

第二章主要对数字视频水印进行介绍，包括数字视频水印的特征，分类及数字视频水印的特殊性。

最后对数字视频水印技术进行概述。

第三章主要为基于扩频的数字视频水印技术的相关理论基础，包括扩频原理，m序列，数字视频水印的生成过程。

以及对DCT，MPEG，人眼视觉性能和水印攻击类型进行介绍。

第四章首先对基于扩频的DCT视频水印技术的实现过程进行介绍。

最后通过攻击实验仿真并对结果进行分析。

第五章首先对基于扩频的自适应视频水印技术的实现过程进行介绍。

最后通过加入不同强度的水印进行仿真，并通过攻击实验仿真对实验结果分析。

最后进行文章总结。

1.6 本章小结本章的主要内容为概述部分。

简要介绍了本文的研究背景，本文的研究意义和研究目的，并对数字视频水印技术研究现状进行分析，在此基础上提出了本文相应的研究内容以及本文的结构。

第2章数字视频水印和相关理论基础数字视频水印顾名思义就是加载在数字视频上的水印，主要是对数字视频作品进行版权保护，从而确保版权所有者的合法利益。

在现实生活中，数字视频己成为大众生活中不可或缺的娱乐方式，而相应的版权保护技术尚未发展成熟，这就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应用研究更为迫切。

为了保护版权可以在数字视频内容中嵌入水印信号，以此作为版权保护的依据。

视频水印从实现算法来说与静止图像水印并无根本的区别，许多图像水印的算法都可以直接移植到视频水印中去。

视频水印与图像水印最大的区别就是可用的信号空间，也就是能嵌入的水印数据容量。

对于图像而言，嵌入水印数据容量是十分有限的。

这使得许多研究者在图像水印中尽量应用HVS模型，在不牺牲图像质量的前提下，嵌入一个稳健性尽量好的水印，且总希望能嵌入更多的水印信息。

对于视频而言，可用的信号空间就大的多，水印数据可以分散到连续的画面上，对单幅画面隐藏水印信息的容量要求不高。

但值得注意的是，视频水印算法在多数情况下有实时性的要求，即能处理连续的帧序列，因此算法还必须具有时间上的有效性，有效性以不影响视频的正常播放质量为前提。

因为视频水印可以根据视频本身的数据连续性来适应水印数据的大小，所以从水印容量的角度来看，数字视频是隐藏大量水印信息的最佳载体。

但由于空间域掩蔽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，使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水印技术引入上的局限性。

另一方面，由于一些针对视频水印的特殊攻击形式(如帧重组、帧删除、帧间组合等)的出现，为视频水印提出一些区别于静止图像水印的独特要求。

2.1数字视频水印的介绍2.1.1视频水印的主要特征由于数字视频是连续播放的，相邻画面之间内容有高度的相关性，并且还存在动态编解码的过程。

因此视频水印与图像水印在某些要求上有明显的不同，它还有一些图像水印不具备的特征，但总的特征可以概括为:⑴安全性。

即水印被嵌入视频后，非授权人不能将其删除掉。

只要不知道确定的参数，即使知道水印算法也不能将水印移除。

⑵稳健性。

视频水印应该能抵抗无意或故意的攻击，这些攻击包括信号叠加、滤波、剪切、编码、压缩、模数转换和回放等。

视频信号嵌入水印后不会影响到计算复杂度。

计算复杂度的核心是确保水印的实时性和可操作性。

计算复杂度越低，水印的可实用性越强，但必须要保证水印有合乎要求的稳健性。

⑶视频速率的恒定性。

即水印加入后不能增加视频比特流的速率，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播放的速率，解码出的声音和视频图像则有可能不同步，引起失真，这是应当避免的。

⑷同步检测机制。

提取水印时应有严格有效的同步检测机制来确保水印的正确恢复。

在进行水印算法设计时，就必须考虑到要有准确可靠的同步提取和同步丢失检测及再次同步的机制。

⑸快速嵌入/检测:因为视频的数据量大而且有实时性的要求，所以算法必须在很短的时间内完成。