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工学硕士学位论文

基于矢量量化的数字水印算法研究

硕士研究生: 李岳楠
导师:陆哲明教授
申请学位: 工学硕士
学科、专业: 仪器科学与技术
所在单位:自动化测试与控制系
答辩日期:2006 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
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Dissertation for the Master Degree in Engineering

RESEARCH ON VECTOR
QUANTIZATION-BASED
WATERMARKING ALGORITHM

Candidate: Li Yuenan
Supervisor: Prof. Lu Zheming
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Affiliation: Instrument science and technology
Date of Defense: June, 2006
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要

计算机技术的快速发展和网络的普及为多媒体产业带来了前所未有的机
遇和挑战。人们可以从互联网和 CD-ROM 中获取大量多媒体信息,而且多
媒体信息的制作、复制和销售等环节也变得十分快捷和方便。和模拟多媒体
作品不同,数字多媒体作品的拷贝过程不会损失作品的感官质量。因此,多
媒体作品在流通环节很可能会被非法拷贝或篡改,这不但会侵犯作品的版权
而且还会降低作品的可信度。因此,多媒体产品的版权保护和内容认证问题
近年来已经引起人们的广泛关注。数字水印技术的提出为解决多媒体信息版
权保护和内容认证问题提供了新的途径。数字水印技术通过在原始作品中嵌
入秘密信息来实现版权保护和内容认证。
由于多媒体数据含有大量冗余信息,因此需要在传输和存储之前进行有
损压缩。矢量量化是一种常用有损压缩技术,被广泛地应用于多媒体数据压
缩。为了实现对矢量量化编码多媒体数据的版权保护和内容认证,本文研究
基于矢量量化的数字水印算法。主要研究工作如下:
系统地综述了和本课题研究内容相关的关键技术,包括数字水印技术和
矢量量化技术的基本概念和基本原理。总结了压缩域数字水印算法和基于矢
量量化技术的数字水印算法的研究现状,并对几种典型算法加以详细介绍和
深入分析。这些现有算法是本文研究工作的基础,为本文的研究提供了基本
思路。
针对视频编码中运动矢量的特点,本文提出一种基于运动矢量的信息隐
藏算法。该算法通过调整整数精度运动矢量和半像素精度运动矢量之间的夹
角嵌入隐藏信息。本文以压缩标准为框架对该信息隐藏算法进行了仿
真实验,实验结果表明该算法可以在保证视频视觉质量的前提下达到较大的
嵌入容量。
根据人类视觉系统对运动物体的敏感程度,本文提出一种基于空域矢量
量化的视频压缩方案。由于人眼对快速运动物体不敏感,而矢量量化可以达
到较大的压缩比,因此本文提出的压缩方案采用矢量量化技术对快速运动宏
块进行编码。本文还针对这种压缩方案提出一种多功能视频水印算法。该多
功能水印算法利用直流 DCT 系数的极性嵌入鲁棒水印,利用码字扩展技术
在矢量量化索引中嵌入脆弱水印。仿真实验表明鲁棒水印可以抵御各种攻击
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操作。脆弱水印对攻击操作十分敏感,因此可以用于压缩视频的精确认证。
本文提出一种基于变换域矢量量化的视频压缩方案,该压缩方案采用
DCT 域矢量量化对 I 帧进行编码。仿真实验表明本文提出的 DCT 域矢量量
化视频压缩方案可以获得比更好的压缩性能。在此基础上,本文提出
一种在压缩视频中嵌入数字指纹、鲁棒和脆弱水印的压缩域多功能视频水印
算法。该算法利用码字索引标记技术分别将数字指纹和鲁棒水印嵌入低频和
中频 DCT 矢量索引中,I 帧脆弱水印算法利用索引受限技术将低频和中频
矢量索引的信息嵌在高频矢量索引中,P 帧脆弱水印算法将运动矢量特征嵌
在量化后的 DCT 系数中。本文对含水印视频序列进行了攻击实验,包括
重编码、滤波和加噪等。仿真