毕业设计论文数字视频水印的设计与实现.docx
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毕业设计论文数字视频水印的设计与实现
数字视频水印的设计与实现
摘要
数字水印技术是目前信息安全领域研究的一个热点，而数字视频水印能为数字视频提供一种版权保护方案。
数字视频在多媒体产品中占有较大的比重，目前数字视频水印是多媒体数字水印技术研究方向中当前的一个重点和难点，因此研究数字视频水印具有较强的现实意义。
本文对数字视频水印的研究意义和视频水印的研究现状作了概述，介绍了视频水印的模型与应用、视频水印的主要特征、技术分类，进而提出了一种基于分块DCT变换和Arnold置乱变换的视频水印算法，该算法在水印嵌入过程中充分考虑了人类视觉系统（HVS）的特点，在DCT块中嵌入水印信息，从而使算法具有一定的抗攻击能力。
最后用MATLAB实现了视频水印的嵌入和检测，以及对视频水印进行信号处理攻击、几何攻击和同步攻击，比较攻击前后视频的变化并对视频水印进行性能评价。
实验结果表明，本文所提出的视频水印算法对椒盐噪声、高斯噪声、丢帧、帧平移和帧交换具有良好的鲁棒性，这对数字视频水印的进一步研究具有一定的参考价值。
关键词：
数字水印；离散余弦变换（DCT）；分块；视频；Arnold置乱
DesignandImplementationofDigitalVideowatermarking
Abstract
DigitalWatermarkingTechniqueisoneofthehottesttopicsintheinformationsecurityfield.Itprovidesakindofrightprotectschemefordigitalvideos,whichtakesuparelativemajorproportioninmultimediaproducts.Atpresent,Digitalvideowatermarkingisanimportantanddifficultpartofthemultimediadigitalwatermarkingfield.Therefore,itissignificanttodosomeresearchesinDigitalvideowatermarkingfield.Thispapersummariesthesignificanceandthecurrentsituationofstudyingvideowatermarking,introducesthemodelandapplicationanditsmajorcharacteristicsandclassificationoftechnology.ThenweputforwardavideowatermarkingalgorithmbasedonBlockDCTandArnoldtransformation.ThisalgorithmtakesfullyconsiderationofthefeaturesofHVSinthecourseofembeddingwatermarkingandembedswatermarkinginformationinblockDCT,sothatithasacertainanti-attackingability.Finally,weusesMATLABtorealizetheembedmentandextractionofvideowatermarking,aswellascarryoutthesignalprocessingattacks,geometricattacks,synchronizationattackstowatermarkedvideos,comparesthechangesofthevideobeforeandafterattacking.Experimentsresultshowthatithascertainreferencedvaluetothefurtherstudyofdigitalvideowatermarking.
Keywords:
Digitalwatermarking;discretecosinetransform（DCT）;block;video;Arnoldscrambling
1引言
1.1选题意义
随着计算机网络技术的迅猛发展和信息媒体的数字化，信息表达的效率和准确性得到了极大地提高。
但是另一方面也随之出现了十分严重的问题，如作品侵权更加容易，篡改也更加方便。
为此，以打击盗版为目的的数字水印（digitalwatermarking）技术应运而生。
数字水印最初研究的重点是图像水印，已经取得了不少的研究成果，而且还推出了一些实用的产品，而基于视频产品的水印研究还相对较少。
但是随着多媒体技术的发展，视频产品越来越多。
例如：
DVD（DigitalVideoDisc）、VCD（VIDEOCD）、视频会议、视频点播（VOD,VideoonDemand）、多媒体教材、录像带等，所以视频产品的版权保护还需解决，视频水印作为视频数据的知识产权保护方法正在受到越来越多的重视。
而且到目前为止，视频水印算法使用的技术较落后，其抗攻击能力不强，因此很有必要尝试用新的技术实现新的视频水印算法，找到更多更好的方法来保护视频产品的知识产权。
再者由于数字产品本身的特点是非常易于拷贝和传输的，如果不加以控制，每个用户都可以无限制的复制出完全相同的视频拷贝，这就会威胁到视频节目制造商和发售商的商业利益。
所以现阶段视频的版权保护的技术研究就显得更为重要。
综上所述，研究数字视频水印技术的主要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以及数字信息的安全传输问题是摆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具潜力的技术。
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具有极为重要的意义。
1.2数字视频水印的研究现状
数字视频水印的发展基本上是与图像水印的发展同步的，从提出图像水印概念开始，数字视频水印的概念也随之提出，随着近几年来DVD等视频产品的迅速普及，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方向的一个热点。
根据视频技术和用户需求的发展，产生了一些相应的视频水印技术。
随着视频压缩标准的不断发展，视频编、解码核心技术的公开，还有人类视觉系统的研究，使得水印嵌入的方案也越来越复杂，同时为了实现利用水印进行完整性认证，水印嵌入的策略和修改技术逐步发展。
密码学、扩频通信、纠错编码、信息论、信号处理等已经充分运用到视频水印系统。
视频水印的检测一般与相应的水印嵌入方法相关，要防止针对视频水印的攻击方法，评价视频水印的隐蔽效果主要通过实验来进行，运用攻击方法来验证水印系统的鲁棒性和脆弱性。
现有视频水印技术从嵌入策略上可分为三类：
第一类是将水印信息直接嵌入到原始视频图像序列中，然后进行视频编码，如空域直序扩频方法、变换域方法。
这类方法可以将静态图像水印算法移植过来，但是经过视频编码处理后，会造成部分水印信息丢失，给水印提取和检测带来不便，而且其运算量大、效率低，因此这类方法应用生命力不强。
第二类是把水印信息嵌入到视频压缩码流中。
其最大优点就是不需要完全解码和再编码，提高了水印嵌入和提取效率，缺点是压缩比特率限制了水印嵌入数据量，且抗攻击性差。
第三类是在视频编码过程中嵌入水印。
这类方法可获得较强的水印鲁棒性和良好的视频质量，而且不会增加数据比特率。
数字视频水印技术发展到现在，还有很多问题没有解决。
多重水印的图像保真度无法保证。
多重水印可以通过正交嵌入的方法来实现，这样在测试的时候，它们互不干扰，然而图像保真度会因为嵌入水印的增多而受到影响。
帧删除、帧平均和帧重构是针对视频水印特有的攻击方法。
这些攻击会丢失部分水印信息，而水印识别器无法定位丢失信息，导致提取出来的水印信息相对原始信息发生比特平移，不能正确识别。
对于视频转码处理也是水印的难点。
视频经过解码重编码，如果编码参数发生变化，压缩域水印则很难保留下来。
将与内容相关的水印嵌入到视频解码图像序列的方法在一定程度上能够抵抗视频转码处理，但这种方法嵌入水印时需要解码视频，然后再编码，运算量大，在水印嵌入要求实时性强的场合很难实用。
经过调查发现基于变换域特别是基于DCT的视频水印技术是目前研究的热点。
世界各大公司为了抢占DVD这个市场，也正在加速数字视频水印技术的研究和应用。
1.3本文的主要内容
近年来对数字视频水印的研究已经取得了一些成果。
本文就是在此基础上展开研究，进而设计了一个视频水印算法，主要有以下几方面的内容：
第一章综述了数字视频水印的研究现状。
第二章讨论了视频水印的应用、特征、分类及模型，并叙述了本文相关理论。
第三章提出了一种新的数字视频水印方案，并对水印的预处理、嵌入策略和提取方法做了详细的介绍。
第四章用MATLAB开发工具实现了该视频水印方案，对水印的具体嵌入和提取方法进行了详细介绍，并讨论了关键的函数。
第五章从不可见性和鲁棒性两个方面分析并评价了该算法的性能。
第六章总结全文的工作。
2数字视频水印技术概述及相关理论
2.1数字视频水印技术的介绍
2.1.1数字视频水印技术
数字视频水印是利用视频数据中存在的冗余数据与随机性把表征版权的信息嵌入到视频自身的数据中，从而起到保护数字视频产品版权或完整性的一种技术。
视频水印技术是水印研究方向中的热门领域。
水印系统要满足的条件总是建立在应用基础上的。
因此，在介绍这些条件和最终设计之前，先介绍视频水印的一些应用。
很显然，没有“普遍适用的”水印嵌入方法。
虽然总体来说水印嵌入方法应该是健壮的，但是不同的应用对鲁棒性有不同的要求。
其用途可包括以下几方面：
（1）版权保护：
为保护知识产权，视频数据的拥有者加入代表版权信息的水印到数据中去，并通过密钥控制其安全性，当出现版权纠纷或盗版行为时，水印能被提取作为版权所有者拥有的证明。
（2）数字指纹：
为追踪非法盗版源，出品人可在不同的产品中加入不同的ID或序列号，如发现XX的用户，根据指纹标记可确定来源，从而知道破坏协议非法提供拷贝给第三方的使用者。
（3）拷贝保护：
这种应用的一个典型的例子是DVD防拷贝系统，即将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通过检测DVD数据中的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）广播监测：
在商业广告中嵌入水印，一个自动监测系统能判断广告是否如合约履行。
电视制品亦可受到广播监测系统的保护。
新闻广告寸秒寸金，极易受到知识产权侵害。
广播监测系统能监视所有频道，并能根据发现指证电视台的违反合约行为。
（5）数据认证：
在视频数据中加入脆弱水印，能提供数据是否被篡改和改动的位置的信息。
（6）标题和注释：
作为视频邮件的索引，注释可以水印的形式加入视频内容中；作为电影或新闻的索引，作者及注释可以水印形式加入，从而被搜索引擎搜索时使用。
（7）安全的隐秘通信利用水印技术传送秘密信息。
随着视频产品和数字视频水印技术的不断研究和发展，数字视频水印技术将有着更加广泛的应用前景。
2.1.2数字视频水印的特征
由于数字视频是连续播放的图像序列，其相临帧之间的内容有高度的相关性，连续帧之间存在大量的数据冗余，使得视频水印容易遭受帧平均、帧丢弃、帧交换等各种攻击，并且还存在动态编解码的过程。
因此视频水印除了具有一般水印技术的特征外，还有一些特殊的要求。
视频水印总的特征可以概括为以下几点：
（1）鲁棒性指水印能经得起无意修改或恶意攻击。
在保证数据对象的使用价值的前提下，无法擦去水印信号。
用于认证的脆弱性水印例外，它要求对数据改动的敏感性。
水印嵌入方法最终应该抵抗由标准的或恶意的数据处理所引入的任何类型的失真。
迄今为止，还没有提出这样完美的方法，甚至到底存在不存在一种完全安全的水印嵌入方法也未可知。
因此，实际系统应在鲁棒性和诸如可视性、信息速率之类的相互冲突的要求之间进行折衷。
根据水印嵌入方法的应用目的，它所要求的鲁棒性会影响设计的过程。
基本的原则是设计这样一种水印嵌入方法，它应该足够的健壮，以至于即使攻击成功也只会削弱载体数据的商业价值。
（2）安全性即水印被嵌入视频后，非授权人即使已知水印算法，只要水印参数未知，不知密钥的情况下仍然无法解读水印或者甚至无法检测到水印的存在，也不能将其删除掉。
使用密钥机制是保证水印安全的途径。
视频水印中的信息应是安全的，难以被篡改或伪造，XX的用户无法正确地检测、提取或移除水印。
（3）不可感知性应包括视觉上不可感知和统计特性不可感知。
视频信号嵌入水印后不会影响视频画面的质量，从而确保视频数据的商业价值。
可视水印例外。
（4）盲检测：
水印检测原则上不能使用原始视频数据，以确保水印检测能够实时完成。
（5）实时性：
水印的嵌入和检测提取算法复杂度不能高，必须在短时间内完成，以保证视频数据的实时编解码。
（6）视频速率的恒定性：
水印嵌入视频数据后不能改变视频流的码率，必须服从传输信道规定的带宽限制，否则将有可能造成解码后的视频图像和声音的失步，降低视频的质量。
（7）水印容量：
嵌入的水印必须能够携带足够多的信息。
对于视频水印，规定水印容量为单位时间内嵌入水印信息的数据量，通常要求水印算法有尽可能高的嵌入水印速率。
2.1.3数字视频水印的分类
对于数字视频水印技术，可作如下分类[1]：
（1）按载体类型分类包括压缩域水印和非压缩域水印。
基于非压缩域的水印算法，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。
基于压缩域的水印算法，则与某种视频压缩标准（如常见的MPEG-1，MPEG．2或MPEG-4）相结合，在编码视频数据中嵌入水印。
（2）按嵌入域分类主要可分为时空域水印及变换域水印。
时空域水印是用待嵌入的信息替换载体信息的冗余部分。
一种简单的替换方法就是用待嵌入消息位替换载体中的一些最低有效位（LeastSignificantBit，LSB），只有知道隐藏信息嵌入的位置才能提取信息。
变换域方法是在宿主信号的某个变换域（如DCT或小波域）中嵌入信息，变换域方法的优点在于：
·在变换域中嵌入的信号能量可以分布到时空域的所有像素上；
·在变换域中，人的感知系统的某些掩盖特性可以更方便地结合到编码过程中，有利于提高水印的鲁棒性；
·变换域方法可与视频压缩标准等兼容，可直接实现压缩域内的算法，提高效率。
这些变换包括离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）、傅氏变换（DFT或FFT）等。
（3）按密钥分类
若嵌入和提取采用相同密钥，则称其为对称水印，否则称为非对称水印，也称为公钥水印。
（4）按检测时是否需要原始宿主信号分类分为盲检测水印和非盲检测水印。
一般来说，由于视频相对于图像来说，占的存储空间要大很多，一般情况下不会保留原始视频，这就要求在没有原始视频的情况下，仍然能检测水印是否存在。
但是，也有极少数方案需要原始的宿主信号。
（5）按水印特性分类可以将数字水印分为鲁棒水印、脆弱水印和半脆弱水印三类。
鲁棒水印的主要目的在于保护数字作品的版权，它要求嵌入后的水印能够经受各种常用的信号处理操作，包括有意的或无意的处理，如有损压缩、滤波、平滑、信号裁减、图像增强、几何变形等；鲁棒水印在经过各种处理后，只有宿主信息没有被破坏到不可使用的程度，都应该能够检测出来。
因此，该类水印的稳健性要求较高。
脆弱水印，又称完全脆弱性水印，要求水印能够检测出对象素值进行任何改变操作。
脆弱水印的目的在于保护视频的完整性，主要可用于篡改提示。
（6）按水印的可见性分类分为可见性水印和不可见性水印。
现在一般研究的是不可见的水印。
2.2数字视频水印的模型
通过分析现有的数字视频编解码系统，可以将目前基于MPEG的视频水印分为以下几种数字视频水印的嵌入与提取方案模型，如图2-1所示。
[2]
图2-1不同的MPEG的视频水印系统
视频水印嵌入方案一:
水印直接嵌入到原始视频流中，此类方案的优点是水印嵌入的方法比较多，原则上数字图像水印方案都可以应用于此。
缺点是:
（1）会增加视频流的数据比特率；
（2）经过编码压缩后，可能会造成水印丢失；
（3）降低视频质量；
（4）对于已压缩的视频，需要现进行编码，然后嵌入水印后再重新编码。
视频水印嵌入方案二:
水印嵌入到编码阶段的变换域中的系数中，此类方案的优点是嵌入水印后不会增加视频数据比特率，缺点是会降低视频质量，针对不同压缩格式的文件得有不同的嵌入算法。
视频水印嵌入方案三:
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。
从提取方案来看，其提取策略依据水印嵌入策略而进行相应的设计。
第二类方案需要从重建视频图像中完成水印的提取和识别。
视频水印的三种嵌入方案各有优缺点，在应用中，应根据实际的需要，结合算法实现的简单易行，水印嵌入的鲁棒性要求，来选择嵌入方案。
对视频而言，其水印嵌入的总体框图如图2－2所示。
首先，将视频载体和水印分别进行预处理，然后根据一定的算法选择水印的合适嵌入位置以及合理嵌入策略，从而得到含水印的视频数据。
在各个环节中常采用一些关键技术来提高视频水印的鲁棒性．显然用相应的视频水印检测策略就可以提取出水印或判断水印的有无，从而实现视频的保护。
图2-2视频水印嵌入技术总框图
图2-3为水印信号检测模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号和从水印数据中提取水印信号。
[3]
图2-3视频水印检测或提取框图
2.3离散余弦变换
离散余弦变换（DiscreteCosineTransform）简称DCT。
任何连续的实对称函数的傅立叶变换中只含有余弦项，因此余弦变换与傅立叶变换一样有明确的物理意义，DCT变换避免了傅立叶变换中的复数运算，它是基于实数的正交变换。
通过DCT变换，对空间域的信号进行取样，然后把它们变换成一个等同的频率域表示形式。
MXN二维DCT定义如式（2-1）所示:
（2-1）
其中x,y是采样域的空间坐标值，u,v是变换域的坐标,
DCT反变换（IDCT）定义如式（2－2）所示：
（2-2）
视频图像可以看作是一个三维的图像组（把时间看作是第三维）。
把这样的图像组先用三维的离散余弦变换到频域空间。
三维图像块{f（x,y,z）}是M行，N列，P宽的一个矩阵DCT变换如式（2-3）所示:
（2-3）
三维DCT反变换（2D－IDCT）定义如式（2－4）所示：
（2-4）
DCT是目前最常用的有损数字图像压缩系统。
JPEG的核心与空域图像水印相比，DCT域图像水印鲁棒性更强且与常用的图像压缩标准JPEG兼容，因而得到广泛的重视。
一个简化的基于DCT的水印系统，在正向DCT后嵌入水印信息，再进行反向DCT变换，得到含有水印的图像。
水印的提取也是在正向DCT之后进行。
运动图像序列的每一帧可以看作是静止图像对运动图像序列进行3D-DCT，可以视为先对每帧进行2D-DCT，再对帧间方向进行1D-DCT。
每帧图像经2D-DCT后，其能量大部分集中在直流及低频，即集中在变换后矩阵次对角线的左上部，右下部经量化后绝大多数都是0。
对帧间方向进行DCT时，因为能量已经集中在左上部，故对每帧的右下部所做变换作用不大。
因此我们提出帧间方向次对角线右下部不进行变换，对恢复图像质量不会造成影响，但提高了图像数据压缩比，减少了3D-DCT的变换及逆变换时间，从而提高编解码的效率。
实验证明这种做法是可行的。
DCT变换类型算法的关键问题在于它忽略了算法实现时造成的数据损失．在不对DCT系数进行任何扰动的时候，对其做DCT变换，再做反DCT变换，它的值将落在各点数值的附近，误差很小，做少许的处理即可还原成原始数据。
2.4人类视觉系统
由于水印具有不可见性，我们就会有这样的问题，如何衡量水印的不可见性呢，其次怎样才能嵌入水印才能不被觉察到呢?
由于我们讨论的是关于动态图像的数字视频水印，所以在考虑问题的时候，我们必须把人这个观察者考虑在内。
因为不可见性指的就是人眼所不能观察出来的程度，所以我们对水印应该建立起一个符合人类视觉系统的计算模型，这对于研究数字视频水印的品质有着很重要的实际意义。
目前己经建立了许多人类听觉和人类视觉模型（HVS）等感知模型。
不同的视觉模型是针对不同的应用对象的，我们很难建立起一个对所有指标都适用的模型系统，所以对于同一幅图像采用不同模型系统可能会得到不同的检测结果。
数字水印技术正是利用了人眼所感知的有限性，来达到隐藏信息的目的。
视频水印的载体对象对于人眼是运动的画面，充分研究视频信息所具有的三维特性即在空间和时间上被人眼所感知的强弱和掩蔽效应，对于在提高水印鲁棒性和水印容量以及保证视觉质量等目标之间达到最佳结合至关重要。
随着对人类视觉系统的深入研究，将会为视频水印的设计提供更大帮助。
在人类视觉系统（HVS）中，有许多特性可以用于数字水印的方案中。
人类视觉系统（HVS）可以从以下4个方面来描述：
（1）亮度敏感性，即对背景亮度的感知能力。
背景亮度越大，可嵌入的信号就越多；
（2）纹理敏感性，即对正弦曲线的感知能力。
背景纹理越复杂，可嵌入的信号就越多；
（3）对比敏感度，即不同象素的亮度差，或一个信号出现在另一个信号中的能力。
图像的对比度越强，嵌入的信号就越多；
（4）方向敏感度，即人眼对不同方向的图像细节具有不同的敏感度。
例如，对水平方向和垂直方向的细节敏感度大于对角线方向的细节敏感度。
一般，亮度敏感性参照度由式（2-5）计算，而纹理敏感性参照度由式（2-6）计算。
（2-5）
（2-6）
其中,
是BYk中的亮度数据,
.
人类视觉系统的纹理特性和照度掩蔽特性表明，纹理越复杂，背景的亮度越高，人类视觉对其轻微变化就越不敏感。
人类视觉感知是非线性的，它和视觉刺激的频率和方向有密切的关系，眼睛相对于视觉刺激的绝对强度而言，对视觉刺激的不同也就是对比度更敏感。
而且，视觉敏感度会随着相似频率和相似方向的视觉刺激的出现而降低，这也就是所谓的视觉掩蔽特性。
对比度敏感特性和视觉掩蔽特性是人类视觉系统的两个主要部分。
为了更好地改善水印算法的性能，对于视觉的不可感知性，增加嵌入水印的容量，以及改善对于图像压缩的鲁棒性等，许多算法都利用了人类视觉掩蔽特性。
水印的嵌入过程可以看成在一个强背景（原始图像）上叠加一个弱信号（数字水印），只要信号低于HVS的对比度门限，视觉系统就无法感觉到信号的存在HVS的对比度特性，该门限受背景照度，背景纹理复杂性和信号频率的影响，一般说来，背景越亮，纹理越复杂，门限就越高。
即可以嵌入更高强度的水印信号，根据图像的局部纹理复杂性，尽可能提高嵌入水印的强度，这是提高水印稳健性的有效办法。
3视频水印的嵌入和检测方案
3.1水印的预处理
采用二值图像作为待嵌入的水印数据，本文针对的研究对象因为是二维图像故采用的是二维Arnold变换。
二维Arnold变换定义为：
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