抗几何攻击的视频水印算法研究

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。提出了一种基于对偶树复数小波变换（Dual Tree-Complex 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、Shearing、裁剪、缩放、旋转、联合攻击、帧删除以及帧率转换等几何攻击具有较好的鲁棒性。小波域低频子带的直方图对旋转、缩放以及其它几何攻击具有近似不变性,基于这一特点,提出了一种具有实时性的鲁棒视频水印算法（Video Watermarking based on Histogram in DWT Domain, VW-HDWT）,主要适用于基于DCT编码的视频文件。为了降低时间复杂度,提出了一种快速变换,将分块DCT系数直接转换为DWT系数,再将水印嵌入到低频子带的直方图中相邻的柱状区域里。经实验验证,VW-HDWT算法能抵抗常见的几何攻击,同时还能满足实时性要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 视频水印研究的背景及意义
• 1.2 数字水印国内外研究现状
• 1.3 抗几何攻击数字视频水印算法综述
• 1.4 研究内容
• 1.5 论文的组织结构
• 2 数字水印的基本理论与相关技术
• 2.1
• 2.2 视频压缩编码标准简介
• 2.3 数字视频水印的特点及难点
• 2.4 小结
• 3 基于整体DCT的抗几何攻击视频水印算法
• 3.1 引言
• 3.2 整体DCT的特性及其快速转换
• 3.3 GIW-FDCT算法描述
• 3.4 实验与分析
• 3.5 小结
• 4 基于RST不变域的压缩域视频水印算法
• 4.1 引言
• 4.2 基于DT-CWT的抗几何攻击视频水印研究
• 4.3 基于Harris-Affine特征的局部视频水印算法
• 4.4 小结
• 5 基于小波域直方图的抗几何攻击视频水印算法
• 5.1 引言
• 5.2 VW-HDWT算法基本原理
• 5.3 算法描述
• 5.4 实验与分析
• 5.5 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录
• 附录2 攻读学位期间申请的专利目录
• 附录3 攻读学位期间参与的科研项目