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基于拷贝控制的视频数字水印嵌入提取算法的研究

作　者: 张婧
导　师: 朱晓冬
学　校: 吉林大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 数字视频水印 DVD防拷贝控制 DCT变换 DWT变换透明性鲁棒性脆弱水印编码解码直流系数。
分类号: TP309
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

随着多媒体技术的广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。保护数字产品的知识产权和阻止盗版已经成为数字产品和网络应用面临的严峻问题。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对这些数据也采用密码学加密方式，则其本身的信号属性被忽略了。对数字图像、音频、视频等多媒体产品采取“数字水印”处理的方法通常用来解决产品所有权问题和对产品内容的原始性进行校验，数字多媒体产品的水印处理技术已经成为近年来研究的热点领域之一。本论文先介绍了视频数字水印的一些概念，以及视频水印方案的一些典型算法，然后着重阐述了基于DVD防拷贝控制的水印嵌入和提取算法，并介绍了我们实现的一个数字视频水印系统，最后对硕士期间所做工作作了总结，并对今后的研究方向作了展望。在论文中我们主要提出了一种新的基于水印技术的DVD防拷贝控制方案，该方案利用多种加密机制，与水印技术相结合，分别实现了非压缩域和压缩域的水印方案。文中还简单分析了此水印系统用于版权保护和携带注释信息时需要做的改进。在非压缩域中，我们实现了鲁棒性水印（基于DCT变换的和基于DWT变换的）和脆弱水印。加密拷贝控制策略如下：首先，我们先输入物理标志P、序列号K、软控制标志T，利用MD5算出加密后的和,再利用作为密钥对T进行DES加密，接着用,产生水印嵌入的密钥。最后将加密后的,,T分别写回到AVI文件头文件中的INAM,IKEY,ICOP中去。 <WP=87>在提取水印时，先读取AVI头文件中的INAM,IKEY,ICOP，得到,,T。若此文件不含有这三项信息，或者无法解密，则判断此文件为盗版文件，禁止播放。否则利用解密T，得到此视频文件的拷贝状态。再利用，算出水印密钥，进行水印提取。鲁棒性水印嵌入与提取算法简述如下：嵌入：将视频流的一帧从RGB转换为YUV格式，对Y分量进行频域变换，即DCT或,DWT变换，得到变换系数；调用水印嵌入算法，将水印嵌入到变换系数里，得到新的系数；对进行逆频域变换处理，得到加入水印的Y分量，再进行YUV-〉RGB转换，得到嵌入鲁棒性水印后的视频流的一帧。对此帧嵌入与内容相关的脆弱性水印。对视频流中的每一帧都进行此操作，得到加入水印后的视频流文件。提取：对可能经受攻击过的视频流的一帧提取脆弱水印，若提取成功，表明未受攻击，否则说明内容可能被改变。对此帧进行RGB->YUV转换以及对Y分量进行频域变换，得到系数；调用水印提取算法，得到水印，将它与原来的水印进行比较并计算他们之间的相关性； <WP=88>根据的大小来判定视频流的此帧中是否存在水印。对视频流中的每一帧都进行此操作，判断每一帧中是否存在水印。脆弱性水印嵌入与提取算法简述如下：嵌入时取每一字节最后一位的数据，组成采样值序列，其长度为原像素数s-256，使用MD5算法对上述位置序列的采样值做运算，生成256位的索引值。以索引值作为脆弱水印加入到余下的256原像素值的最低位中。提取时直接使用与嵌入方法相同的过程，首先产生(s-256)个位置随机序列。使用MD5算法对上述位置序列的采样值计算索引值Index。在余下的256个像素值的最低位中提取索引值。若，则原视频信息未受到篡改或攻击。反之，原视频信息一定受到篡改或攻击。实验结果表明，这种水印方案具有很好的性质。它具有以下几个特点：结合通过MD5加密的物理标志，产品序列号和用DES加密的软控制标志来对每一个视频流产生唯一的水印序列，增强了水印的保密性和针对性。将视频流中的每一帧从RGB模式变换到YUV模式，然后再在Y分量上进行DCT或DWT变换，并加水印。这样造成的图像失真比直接在RGB分量上加水印要小。对每一帧都加水印，可以有效的抵抗视频流最常遇到的帧剪切攻击。不仅对于每一帧加入鲁棒性水印，我们还嵌入与内容相关的脆弱水印，它可以帮助鲁棒性水印抵抗统计攻击。对于DWT水印方案，我们在视频帧的中频和高频都嵌入水印，增大了水印的信息量，同时也提高了鲁棒性。对于压缩域水印，我们选择在压缩流的直流系数的色度分量上加水<WP=89>印。并且根据其值自适应的选择水印加入强度。这种方法比在交流系数上加水印得到的鲁棒性要强，而且只是对压缩流进行部分解码，不需要完全解码，计算复杂性低。当嵌入时，对视频流进行部分解码，得到DC系数，调用水印嵌入算法，将水印嵌入到DC系数里，得到新的系数；对视频流进行部分编码，得到加入水印后的压缩视频流。提取时，对可能经受攻击的压缩视频流进行部分解码，得到DC系数，调用水印提取算法，得到水印，根据阈值判断水印是否存在。通过实验结果表明，这两种水印方案都基本上能满足水印的透明性要求。我们设计了一个较为完整的数字视频水印系统，在我们试验系统中实现了非压缩域水印嵌入提取，以及将原始视频流压缩为MPEG文件，并在压缩过程中嵌入水印信息，再通过部分解码可以在压缩域中提取出水印信息。在文章的结尾总结了在毕业设计期间所做的主要工作、一些尚未完成的工作和自己的一点点心得体会以及对今后研究方向的一些看法。

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