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1、上海交通大学 硕士学位论文 基于音视频特征的数字水印技术研究 姓名：林晓丹 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：陆松年 20080101 上海交通大学硕士学位论文 基于音视频特征的数字水印技术研究 I 基于音视频特征的数字水印技术研究 摘 要 近年来，随着计算机网络和多媒体技术的迅速发展，多媒体版权保 护与内容保护已成为一个亟待解决的问题。数字水印技术提供了解决这 一问题的有效方法，已成为多媒体信息安全领域的一个研究热点，受到 越来越多的关注。数字水印技术首先在图像领域得到了广泛的研究，但 是今天越来越多的水印方案致力于保护新的数字多媒体数据，如音频、 视频、文本及3 D 网格
2、等。由于数字水印技术与载体数据紧密相关，如果 能充分挖掘音频和视频特征，设计出来的水印将具有更好的安全性和实 用价值。在数字水印技术快速发展的过程中，内容认证和版权保护的应 用扮演了两个最主要的驱动力。本文的研究正是基于此方面的应用展开 的。 本文首先讨论了数字水印技术的基础性问题，说明了用于保护多媒 体信息安全的数字水印的研究现状、应用、特性、面临的挑战以及发展 趋势等。然后着重介绍数字水印技术的关键问题，在分析数字水印技术 基本框架、性能参数及特有的攻击的基础上，研究了现有的典型音频和 视频水印算法。 接着研究了 MPEG- 2 视频编码器，在视频的静态特征和动态特征方 面对现有的算法进行
3、了仿真实验，在对其进行详细的性能分析的基础上 提出了改进的方法。同时在时间同步方面，提出了一种简单可行的方案。 随后，本文详细分析了音频信号的几个重要特征，研究了经典的基 于相位的音频水印算法，仿真结果发现该方法鲁棒性较差。于是，在深 入研究音频的短时能量特征的基础上，本文提出了一种有效的鲁棒性水 印算法。 上海交通大学硕士学位论文 基于音视频特征的数字水印技术研究 II 当前多媒体应用更多的是将音频和视频结合在一起进行传输、存储 和处理，如 VCD、VOD 点播、电视会议等应用。而目前的研究大多是 针对其中一种媒体，现有的水印技术在多种媒体的交叉方面的研究还很 少。基于此方面的考虑，本文在最
4、后研究了鲁棒性和半脆弱的两种交叉 水印方案。本文提出的鲁棒性算法经实验表明，这种方法对于针对多媒 体序列的攻击具有很强的鲁棒性，并且该算法对于一些常见的信号处理 操作，如 M P E G压缩以及信道污染如高斯白噪声也同样具有较强的鲁棒 性。此外，如果攻击只针对单一的流，可以很容易地从另一多媒体流中 恢复出嵌入的版权信息。而另一水印方案半脆弱水印的实验结果证 明了这种算法在保证音频和视频质量的同时，对常见的音视频压缩操作 具有鲁棒性但对内容篡改十分敏感，能够用于诸如视频会议这样的应用 场合。 关键词：数字水印，音视频特征，版权保护，内容认证，交叉水印 上海交通大学硕士学位论文 基于音视频特征的数
5、字水印技术研究 III RESEARCH ON AUDIO- VISUAL FEATURE- BASED DIGITAL WATERMARKING ABSTRACT With the development of computer network and multimedia techniques, the copyright protection and information security becomes a hot issue. Digital watermarking technology, which embeds additional information into orig
6、inal digital data, is one of the most effective methods to verify the ownership and authenticity of information. Digital watermarking has already been widely used for still images. However, many new watermarking schemes are proposed for other types of digital multimedia data, such as audio, video, t
7、ext and 3D meshes. Due to the fact that original information is the carrier of digital watermarks, if theres a probability of exploiting the audio and visual features of multimedia data, a watermarking technology based on these features would boast of better performance and practical value. Authenti
8、cation and copyright protection for multimedia act as the most important application drives in the development of digital watermarking technology. Therefore, there is a focus on applications for authentication and copyright in this paper. Basics about video watermarking are covered at the very begin
9、ning of this paper, then the key issues for digital watermarking are proposed. After analysis on some important parameters and probable attacks on watermarking scheme, some typical digital watermarking algorithms for single multimedia like audio or video are discussed. Next, MPEG- 2 video codec is i
10、ntroduced. Based on both the static and dynamic features of video as well as MPEG- 2 scheme taken into account, experiments are carried out in these two aspects followed by detailed analysis of the performance. In regard to temporal synchronization, a simple but feasible way is put forward. 上海交通大学硕士
11、学位论文 基于音视频特征的数字水印技术研究 IV In chapter 4, the typical phase coding algorithm is studied. Experiments show that this algorithm doesn t perform well under the requirement of robustness. After in- depth study of audio features, an effective algorithm for audio watermarking based on audio power is proposed
12、. Today, the available watermarking technology concentrates on single media like audio or video. But a typical multimedia stream consists of both video and audio data. Watermarks for single media might not be able to guarantee the integrity of the multimedia data. Therefore, it is necessary to water
13、mark the combined audio and video to protect against alteration of one of the components without interfering the other. In chapter 5, two watermarking schemes for different applications are proposed. The experiments indicate that the first scheme meets the robustness requirements when frame dropping
14、, swapping or inserting is imposed. The second watermarking scheme is semi- fragile and can be applied to content authentication of audio- visual data in journalism, commerce and law. KEY WORDS: digital watermarking, audio- visual feature, copyright protection, content authentication, joint- waterma
15、rking 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名： 林晓丹 日期：2008 年 1 月 15 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：林晓丹 指导教师签名：陆松年 日期：2008 年 1 月 15 日 日期：2008 年 1 月 15 日 上海交通大学硕士学位论文 基于音视频特征的数字水印技术研究 1 第一章 绪论 1 . 1 多媒体数字水印的研究背景和意义 多媒体技术与 Internet技术的飞速发展，彼此
