文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
抗几何攻击的视频水印算法研究
姓名:王丽云
申请学位级别:博士
专业:计算机应用技术
指导教师:卢正鼎;凌贺飞
2011-05-16
华中科技大学博士学位论文
摘要
随着多媒体技术与网络技术的迅猛发展,网络普及率大幅提高,人们可以方便快
捷地下载、存储和分发多媒体信息。这给人们的娱乐生活带来便利的同时,也给多媒
体作品的版权保护带来了极大的威胁。盗版问题和版权纠纷问题日趋严重,引起了国
内外政府部门和研究机构的重视。
数字水印技术在多媒体内容保护和相关领域中具有很好的应用价值。目前大部分
公开的文献主要集中在静止图像水印技术的研究方面,而视频水印技术的发展相对滞
后。随着高速网络和数字电视网络的飞速发展,视频媒体可以更便捷的流通,其版权
保护更加迫切。但由于视频数据量的庞大、视频压缩标准的多样化以及数据结构的特
殊性,视频水印研究有其自身的特殊性和复杂性,其性能要求远高于图像水印。首先,
视频水印的嵌入和检测应该具有较低复杂性,才能满足视频水印应用中实时性的要求;
其次,视频水印的鲁棒性要求更高,特别是在抵抗几何攻击方面。抗几何攻击一直是
数字水印领域所面临的最大困难之一。与图像水印不同的是,视频水印还需考虑时域
几何攻击,如帧置换、帧删除等。可见,研究符合实际应用需求的抗几何攻击实时视
频水印技术,是一项极富挑战性的研究难题。
针对这一难题,首先提出了一种基于整体离散余弦变换(Full Discrete Cosine
Transform, FDCT)的抗几何攻击实时视频水印算法(Geometrical Invariant Video
Watermarking based on Full DCT, GIW-FDCT)。算法只需将压缩视频进行部分解码,这
样可以较大幅度降低系统的计算复杂度。在嵌入过程中,选择视频序列中连续的 Fn 帧
作为嵌入的基本单位——WMS (Watermark minimum segment) 序列。为了降低计算开
销,引入了分块 DCT 系数与整体 DCT 系数之间的相互快速转换方法,高效计算视频
帧的整体 DCT 系数。整体 DCT 低频系数具有缩放不变的性质,可以有效提升水印算
法的鲁棒性。通过对整体 DCT 域里的低频系数进行对数缩放来嵌入水印。为了抵抗视
频格式的转换,检测水印的过程在空域中进行,这并不会影响算法的实时性,因为压
缩视频可以通过解码芯片实现快速解码。在检测水印之前,在空域中引入旋转攻击补
偿策略,增强了水印算法针对旋转攻击的鲁棒性。经实验验证,GIW-FDCT 算法对普
通数字信号处理和常见的几何攻击均具有较好的鲁棒性。
I
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提出了一种基于对偶树复数小波变换(Dual plex Wavelet Transform,
DT-CWT)的鲁棒视频水印算法(Video Watermarking based on DT-CWT, VW-DTCWT)。
算法适用于以 DCT 变换为基础的各种视频格式文件。首先通过对压缩视频进行部分解
码获得分块 DCT 系数,然后提出一种快速变换,将分块 DCT 系数转换到二维离散傅
里叶变换(Two-Dimensional Discrete Fourier Transform,2D-DFT)系数,然后在 DFT
系数上作对数极坐标映射(Log-Polar Mapping, LPM)以及 DT-CWT 变换,从而构造了
RST(rotation, scaling, and translation)不变域。在此不变域中,通过修改 DT-CWT 的
低频系数嵌入水印。
为了抵抗局部裁剪攻击,提出一种基于 Harris-Affine 特征的局部鲁棒视频水印算
法(Local Video Watermarking based on Harris-Affine Detector, LVW-HA)。Harris-Affine 特
征具有仿射不变性,因此可以较大程度地提高水印算法的鲁棒性。在嵌入过程中,为
了降低计算开销,引入了分块 DCT 系数与其子块 DCT 系数间的快速转换方法,从而
得到 2×2 大小的分块 DCT 系数组成的视频帧,再用其中每一块的 DC 系数的二分之一
代替整块得到了空域中的下采样帧。然后在下采样帧中提取 Harris-Affine 特征,并用
SPM(Square-Polar Mapping,SPM)和 1D-DFT 变换构造 RST 不变域作为水印嵌入区
域。LVW-HA 算法具有较好的感知透明性,且对一些常规的数字信号处理攻击和线性
变换、随机扭曲