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1、 分类号 密级 UDC 编号 江西理工大学 开 题 报 告 论文题名 基于粒子群算法的数字水印技术研究 申请学 位级别 工 学 硕 士 专 业 名 称 电子信息工程 研 究 生 姓 名 导师姓名、职称 易见兵 讲师 二 一二年 六月 江西理工大学 信息工程学院 开题报告 目 录 1.选题背景和意义.1 2.视频水印技术概述.1 3.视频水印技术的典型应用.3 4.视频水印的典型算法.3 5.视频水印的研究现状.5 6.硕士学位论文拟研究内容.6 7.硕士学位论文目前可预期的技术难点.6 8.硕士学位论文可行性分析.7 9.硕士学位论文预期的创新点.7 10.时间安排.7 参考文献：.7 江西理
2、工大学 信息工程学院 开题报告 共 9 页 第 1 页 开 题 报 告 1.选题背景和意义 信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利，同时也显著提高了信息表达的效率和准确性。特别是随着计算机网络通讯技术的发展，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程。随之而来的副作用是:这些数字形式的数据文件或作品使有恶意的个人和团体有可能在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容。在多媒体中加入数字水印可以确立版权所有者、认证多媒体来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其它附加信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为。它在篡改鉴定、数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、Internet
3、数字媒体的服务付费、电子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景。自1993年以来，视频水印技术已经引起工业界的浓厚兴趣，并日益成为国际上非常活跃的研究领域。因此，对视频水印技术的研究，不仅具有现实的学术意义，而且具有长远的经济效益和社会效益。2.视频水印技术概述 视频是时间上等间距的一系列静止图像的集合，因而它具有许多与图像相似的性质。视频水印研究的初期，在各种期刊杂志上发表的大量文献都将视频看作图像序列的简单组合来处理，沿用了图像水印的一些算法。然而，作为一种不同的载体形式，视频与图像相比，有着明显的区别。最直观的区别就是:图像是一个二维信号，而视频是三维信号。这使得视频比图像拥有更多可用
4、的数据空间，也就能承受更大的数据载荷。在图像水印中，嵌入的水印数据容量是十分有限的，而对于视频而言，水印信息可以分散到连续的画面上，但是，两者之间的差异也使得视频水印需要满足一些特殊的要求。(1)视频水印的模型 图 1 水印嵌入和提取方案 压缩视频流 编码器 解码器 重构的视频 嵌入方案 1 空间域 嵌入方案 2 嵌入方案 3 变换域 提取方案 3 提取方案 2 提取方案 1 未压缩视频 江西理工大学 信息工程学院 开题报告 共 9 页 第 2 页 目前视频水印技术按照水印嵌入视频流的不同位置，分为图 1 三种视频水印的嵌入与提取方案，如图 1。方案一:水印直接嵌入到原始视频流中。本方案通常采
5、用直接改变视频数据的像素值来嵌入水印，由于嵌入信号的能量很低，不会被人的视觉系统(HVS)所察觉。其优点是隐藏的数据量大，实现容易、运算量小，缺点是常用的信号处理都可能破坏水印，水印鲁棒性能差。方案二:水印嵌入到编码阶段离散余弦变换(DCT)域中的系数或运动矢量(MV)系数中。本方案的优点是水印嵌入在 DCT系数或 MV 系数中，不会增加视频码流的数据比特率:水印嵌入在变换域，反映到空间域是整个图像所有象素上，能量分散，利于不可见性和鲁棒性，尤其是利用变换域与视频压缩编码标准的紧密关系，可以开发出性能优良的适合压缩的压缩域算法。其缺点是水印嵌入需要一个解码、嵌入、再编码的过程，会降低视频的质量
6、。方案三:水印直接嵌入到 MPEG压缩比特流中。本方案的优点是没有解码和再编码的过程，不会造成视频质量下降，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。(2)视频水印技术分类 对于视频水印技术，按不同的分类标准，有不同的分类。按载体类型分类:包括基于原始视频方法和基于压缩视频方法；按嵌入域分类:主要可分为空域(或时域)方法及变换域(频率域)方法；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；按检测时是否需要原始宿主信号分类:分为盲水印方案和非盲水印方案；按水印特性分类:分为鲁棒水印和脆弱水印两类，鲁棒水印能够经受各种
7、有意或无意的攻击；脆弱水印则对于信号的改动比较敏感，主要可用于纂改提示；按水印的可见性分类:分为可见水印和不可见水印，一般研究的是不可见水印；按水印能否反向求出分类:分为可逆水印和非可逆水印；以及其它分类方法等。(3)视频水印的基本特征 由于数字视频是连续播放的，相邻画面之间内容有高度的相关性，并且还存在动态编解码的过程。因此视频水印与图像水印在某些要求上有明显的不同，它还有一些图像水印不具备的特征，但总的特征可以概括为:安全性、稳健性、可靠性、不可感知性、计算复杂度、视频速度的恒定性、江西理工大学 信息工程学院 开题报告 共 9 页 第 3 页 同步检测机制、快速嵌入/检测、盲检测、水印容量
8、。(4)针对视频水印的主要攻击和处理 无意的攻击:采用各种压缩编码标准(如 MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等)对视频进行编码；在 NTSC，PAL，SECAM和通常的电影标准格式之间转换时所带来的帧速率和显示分辨率的改变，以及屏幕宽高比的改变；帧删除、帧插入、帧重组等视频编辑处理；数/模和模/数转换，如录制在模拟录像带上时，在转换中给视频可能带来的影响包括低通滤波、噪声、对比度轻微改变、以及轻微的几何失真等。有意的攻击:有意的攻击可分为 4 类:简单攻击、检测失效攻击、混淆攻击和删除攻击。类似的，针对视频水印的攻击也基本由这 4 类组成。对于单个视频帧，针对静态图象的攻击一般来说仍然
9、有效；对于连续的帧,这里介绍两种统计攻击方法:统计平均(Averaging)攻击和统计共谋(Collusion)攻击，它们都属于删除攻击这一类。平均攻击是对局部连续的帧求平均以消除水印，这种攻击对于在各帧中嵌入随机的、统计独立的水印这一类方案比较有效。在共谋攻击中，从单个的帧中估计出水印，并在不同的场景中求平均以取得较好的精确度，接着从每帧中减去估计的水印，这种攻击对于在所有帧中嵌入相同的水印这一类方案比较有效。3.视频水印技术的典型应用 视频水印的出现最初是为了保护数字视频产品(如 VCD,DVD,VOD等)的版权，但因为其具有不可感知性、健壮性和安全性等特点，近年来其应用领域得到不断地扩展
10、。总的来说，视频水印有以下一些主要应用领域。如：广播监视、拷贝控制、内容认证、版权保护、数字指纹、安全隐蔽通信等。4.视频水印的典型算法(1)基于原始视频的水印处理算法 这类算法直接对未压缩的视频数据进行处理，与视频编码格式无关。直接获得原始视频数据时，可以直接在原始的视频流中完成水印的嵌入或提取，处理起来比较简单；只能得到编码后的视频数据流，此时，首先需要对编码视频进行解码，然后再嵌入或提取水印，在水印处理之后，如果有必要再重新压缩，则处理起来相对复杂。如果存在一些特殊的要求，如要求嵌入水印前后编码码流的长度保持不变，则处理起来更加复杂。按照水印嵌入和提取之前是否对宿主信号进行某种变换，基于
11、原始视频的水印江西理工大学 信息工程学院 开题报告 共 9 页 第 4 页 处理算法又可分为时空域水印方法和频域水印方法。前者直接在原始视频数据中嵌入水印，后者对原始视频数据进行某种变换，如 DCT、DFT或 DWT，然后进行水印的嵌入和提取。(2)基于压缩视频的水印处理算法 嵌入 DCT系数 Hartung30等人提出将水印信息嵌入到压缩后的视频码流中，其基本思想采用了扩频通信的原理。首先水印序列中的一位和一个伪随机信号PN都被扩展成和视频信号长度相同，然后将两者进行调制，加入放大系数，形成扩频水印 Wi。这样一个 Wi，对应一位水印信息。然后将 Wi作 DCT变换，形成 8 8 的 DCT
12、系数块 W。该算法的优越性在于不需要完全解压缩和重新压缩码流，并能抵抗一般的信号处理，但缺点在于嵌入水印的数据量较小，算法结构复杂。嵌入运动向量 运动向量是视频压缩过程中产生的编码信息，并具有一定的可变性，因此也可以作为水印信息的载体。Jordan32等在一份 MPEG-4提案中提出了一种直接针对 MPEG-4编码数据流的视频水印算法。该算法通过调整某一运动向量的一个分量，例如垂直分量，使其数值的某种特性(如奇偶性)与待嵌入的水印信息相对应，从而实现水印信息的嵌入。运动向量的选取可以由密钥系统进行控制，而且接收端可以直接在码流中进行水印信息提取。该算法的计算复杂度几乎可以忽略，对于视频编码比特
13、率的影响也是非常小的。嵌入 GOP图像类型 视频编码过程中产生的其它信息也可以用来嵌入水印信息，例如:Linnartz33提出的 PTY Mark算法(Picture Type Mark)。该算法直接根据水印信息来选择编码视频帧的图像类型(Picture Type)。其基本思想如下:在 MPEG编码中图像类型分为 I 帧，B 帧和 P 帧，从一个 I 帧开始，直到但不包括下一个 I 帧的一系列帧称为一个图像组(GOP,Group of Pictures)，如果将每个 GOP的长度固定为 12，并且用 B 帧表示比特 1,P帧表示比特 0，则每个 GOP和一个二元序列存在一个一一对应关系。将二元
14、序列编码为汉明码，并排除一些不常见的序列，可以得到一个拥有 62 个码字的码表，也就是说，每个 GOP可以携带近 6 个比特的信息。水印检测的过程非常简单，只要根据 MPEG码流中 GOP的类型，查找码表就可以得到所嵌入的信息。这种算法虽然设计新颖，但是其抗攻击能力较差，在应用中具有很大江西理工大学 信息工程学院 开题报告 共 9 页 第 5 页 的局限性。嵌入脸部运动参数 Hartung30等还提出在 MPEG-4脸部运动参数中嵌入水印的方法，仍然采用了扩频的思想。在 MPEG-4中定义了一个一般的脸部模型和一个包含66 个脸部运动参数(FAP,Facial Animation Parame
15、ter)的集合，脸部运动参数的变化可以用来描述头肩序列的运动情况，这种方法有利于提高这一类视频序列的压缩率，特别是针对可视电话系统具有很好的应用前景。该算法存在的主要问题包括:提取水印需要原始宿主信号；水印提取出来的速率不是均衡的；水印嵌入和提取的处理过程需要充分考虑人类视觉系统的特性。根据以上所述，可以发现，视频水印的嵌入位置是灵活多变的，各种数据都可以作为水印的载体。在压缩视频中嵌入水印，主要可以采用两种技术路线：一方面在已有的嵌入位置上，采用新的方法嵌入和提取水印，另一方面寻找新的水印嵌入位置。算法主要需要解决水印处理的计算复杂度、水印的鲁棒性和不可感知性、水印的随机检测等关键技术和问题
16、。5.视频水印的研究现状 虽然视频数字水印技术近几年取得了较快的发展，但要研究出真正实用的视频水印方案还有一定的难度。截止目前为止，还没有一个算法能够真正经得住精明攻击者的攻击。在 Internet上已经有一些能够有效地击垮某些水印系统的软件，如 StirMark和 Unzign。攻击分析的目的在于找出现有系统的弱点及其易受攻击的原因，然后加以改进。这就像传统密码学所经历的加密、解密的否定之否定的螺旋提高过程一样。我们必须清醒地意识到攻击者存在的大量攻击机会，以避免盲目的满足而使数字水印技术永远停留在实验室里，不能得到广泛的应用或不能取得巨大的商业价值。目前，常见的视频水印算法大都将视频水印看
17、成是独立帧的图像水印,这类算法一般鲁棒性较差。由于视频相邻帧间冗余信息的存在使得在视频每一帧独立地嵌入不同或相同的水印都存在问题。如果在视频的独立帧中加入不同的水印信息，水印攻击者可以通过同一场景的相邻帧间的比较和重组来破坏水印信息，因为同一场景的相邻视频帧具有相似的场景，也就是说，这些帧具有几乎相同的视频数据。通过比较视频帧数据，通常可以去除大部分的水印信息，而且视频的视觉效果不会受到显著影响。江西理工大学 信息工程学院 开题报告 共 9 页 第 6 页 如果在视频的独立帧中加入相同的水印信息，水印攻击者可以将同一场景的多帧进行帧间累积，嵌入的水印信息就会被累计而增大，水印信息可能显现出来或
18、被检测到，从而破坏掉这些水印信息。因此，我们在研究视频数字水印技术时，不能仅仅把视频当成一系列的静止图像而照搬基于图像的水印技术，这类水印技术不仅在复杂度和实时性方面很难达到视频水印的要求，而且在鲁棒性方面也很难抵御上面提到的两种攻击方案的攻击。为此，我们必须根据视频本身的特点，考虑视频在时间等方面的特性，以求能研究出具有较好鲁棒性的视频数字水印解决方案。6.硕士学位论文拟研究内容 本硕士论文拟研究与 MPEG-4视频压缩格式相结合的视频数字水印方案。主要包括两方面的内容：一是对 MPEG-4格式的视频信息中适合嵌入水印的位置进行研究，二是对现有的视频水印算法进行研究。在此基础上，对视频信息中
19、的某些帧进行嵌入水印和检测水印，并进行一些水印攻击实验来检验算法的鲁棒性。具体来说，计划分以下几步完成：1.在对新一代多媒体压缩标准MPEG-4进行研究探索的基础之上，探讨MPEG-4视频水印技术的各种方法和存在的各种困难。2.针对视频水印容易受到帧攻击的缺陷，根据MPEG-4新的运动补偿算法，研究如何在运动矢量中嵌入水印，并将它应用到MPEG-4可扩展性编码中。3.设计一个利用 VC+语言开发的视频水印系统实现上述算法，做到具有一定的使用价值。7.硕士学位论文目前可预期的技术难点(1)抗攻击问题：视频数字水印不但可能会受到滤波、格式转换、图像剪切等图像攻击，还可能会受到帧剪辑、帧重组、视频重
20、编码等。最坏的情况是多种攻击的联合攻击，视频水印是盲检测的，很难抵御多种攻击的联合攻击。(2)运算复杂度：复杂的图像水印算法不一定对视频算法适用。因为视频数据量大，而且有些应用有实时性要求：嵌入、提取过程的时间不能太长。另一方面，视频编码很复杂，如果水印算法考虑太多视频信号的特点，需要对视频全部解码，过程太复杂，而且算法复杂度高不一定效果就江西理工大学 信息工程学院 开题报告 共 9 页 第 7 页 好。(3)嵌入的信息量：由前面的分析可知，视频中嵌入的水印量受到很多限制。对于本文图 1 提到的嵌入方案一，由于考虑到视频压缩中的信息损失，嵌入水印时往往用冗余的方式来提高水印的鲁棒性，而且要选取
21、那些对视频压缩有一定抵抗力的部分数据做载体，因此限制了水印信息量；对于本文图1 提到的嵌入方案二，MPEG编码器要对DCT系数进行量化编码，DCT系数经量化后部分为零，从而限制了嵌入的水印信息量；而对于本文图 1 提到的嵌入方案三，视频压缩比特率的限制就限制了嵌入的水印信息量。8.硕士学位论文可行性分析 虽然硕士学位论文研究阶段存在诸多技术难关。但也存在许多可利用的条件。它们分别为：(1)当前视频水印是信息隐藏的热门方向，有很多著名企业正在研究该领域，并且有很多 VC+开发好的视频数字水印系统可参考。(2)静态图象水印算法比较成熟，视频算法可借鉴。(3)有固定的研究场所和相应的计算机设备及网络
22、。(4)导师在视频水印方面的丰富经验。9.硕士学位论文预期的创新点(1)结合现有的技术找到一种新的水印嵌入方法。(2)改进现有的水印算法。(3)设计一个更加具有实用性的视频数字水印系统。10.时间安排 2007年 4 月-2007年 8 月：文献收集与文献调研 2007年 9 月-2007年 11 月：文献阅读，初步得出数学模型 2007年 10 月-2007年 11 月：熟悉编程工具 2007年 11 月-2008年 5 月：算法设计仿真和系统程序编制 2008年 5 月-2008年 8 月：学位论文初稿撰写 2008年 9 月：学位论文修订 2008年 10 月：学位论文提交 参考文献：1
23、 孙圣和，陆哲明，牛夏牧等.数字水印技术及应用.北京：科学出版社，2004 江西理工大学 信息工程学院 开题报告 共 9 页 第 8 页 2 钮心析.信息隐藏与数字水印.北京：北京邮电大学出版社，2004 3 A.Tirkel.et al.Electronic Water MarkJ.Proceedings DICTA 1993.12：666672 4 张春田，苏育挺，管晓康.多媒体数字水印技术.通信学报，2000，21(9)：4652 5 郭烽，张春田.应用于版权保护的视频数字水印.电视技术，2001(6)：2123，36 6 张春田，管晓康.面向DVD的数字水印技术.电子科技导报，1999
24、(8)：1618 7 宇飞.数字水印服务中心.数字水印技术：概念、应用及现状.http:/www.shijiu.org/guojidongtai/02.asp,2005-03-15 8 张江，赵黎，杨士强.视频水印技术综述.计算机应用，2005，25(4)：850852 9 吕菱，刘宇.数字视频水印技术微机发展，2004,14(10)：135-137 10刘连山，李人厚，高琦.视频数字水印技术综述.计算机辅助设计与图形学学报，2005，17(3)，379386 11Craver Scott,Me mom Nasir,Yeo Boonlock,et al.Resolving rightful o
25、wnerships with invisible watermarking techniques：Limitations,attacks,and implications.IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1998,16(4):573586 12邹潇湘，彭聪，李锦涛，刘书昌.视频水印技术研究.工程图学学包，2002(3)，169179 13Frederic Deguillaume,Gabriella Csurka,Joseph O Ruanaidh,et al.Robust 3D DFT video watermarking.In
26、:Ping Wah Wong,Edward J Delp.Security and Watermarking of Multimedia Contents.Proceedings of SPIE 1999(3657):113124 14Mitchell D,Swanson,Bin Zhu,Ahmed H Tewfik.Multiresolution scene-based video Watermarking using perceptual models.IEEE Journal on Selected Areas in Communi-Cations,1998,16(4):540550 1
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28、初.数字水印技术的研究J.信息与控制.2000.2，29(1)：4046 19沈兰荪，卓力等.视频编码与低速率传输.北京：电子工业出版社，2001 20Ebrahimi T,Home C.MPEG-4 Natural Video Coding:an Overview,Signal Processing:Image Communication.Elsevier Science B.V,2000,15(4):365385 21张益贞，刘滔.Visual C+实现 MPEG/JPEG编解码技术.北京:人民邮电出版社，2004 22Rob Koenen and KPN Research.MPEG4 M
29、ultimedia for Our Time.IEEE Spectrum February 1999,36(2):2633 江西理工大学 信息工程学院 开题报告 共 9 页 第 9 页 23黄卫农，赖宏彬，陈健.MPEG-4视频编码算法结构清晰.电视技术，2000(7)：1214 24Cox I,Kilian J,Leighton T,Shamoon T.Secure spread spactnun watermarking for multimedia.IEEE Transactions on Image Processing,1997,6(12):16731687 25J.A.Bloom,
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31、al video,In:Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing,Vol.1,p p.458-461,2000 27F.Deguillaume,G.Csurka,T.Pun.Countermeasures for unintentional andintentlonal video watermark-ing attacks.In:Pign wah WOng,Edward J.DeIP.Security and watermarking of Multimedia Contents II Proce
32、edings of SPIE Vol.3971.2000,346-357 28M.Swanson,B.Zhu，A.Tew.k,Data hiding for video-in-video,In:Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing,Vol.2,p p.676一 679,1997 29牛夏牧，陆哲明，孙圣和.基于多分辨率分解的数字水印技术.电子学报，2000，Vol.28，No.8:1-4 30Frank Hartung,Bemd Girod.Watermarking of uncompresse
33、d and compressed video.Signal Processing 66(1998)283-301 31J.Dittmann,A.Steinmetz,R.Steinmetz,Content-based digital signature for motion pictures authentication and content fragile watermarking,In:Proceedings of the IEEE International Conference on Multimedia Computing and Systems,Vol.2,p p.209-213,1999 32I.J.Cox,M.L.Miller,J.A.Bloom.Watermarking applications and their properties.In:International Conference on Information Technology:Coding and Computing(ITCC 2000),Las Vegas,Nevada,March 27-29,2000,6-10 33牛夏牧，陆哲明，孙圣和.彩色数字水印嵌入技术.电子学报，2000，Vol.28，No.9:10-12