基于数字水印的半脆弱视频内容完整性认证方法研究

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当下,数字视频应用越来越普及,已经覆盖电子政务、电子商务、国家安全、司法、科学研究、网络通信、新闻出版等各个领域。但是,数字视频编辑简便,容易遭受篡改,使得视频内容完整性的鉴别成为必须解决的关键问题。数字视频数据量大,在存储和传播过程中需要经过有损压缩,这要求视频内容完整性认证方法需要具有半脆弱性,即对于恶意攻击需要具有脆弱性,而对于例如视频压缩、噪声污染等非恶意情况需要具有鲁棒性。而针对半脆弱视频内容完整性认证问题仍有待解决。目前基于数字签名的视频内容完整性认证方法相对成熟,但其存在认证签名需要独立的安全信道传输的缺陷,故基于数字水印的视频内容完整性认证方法被提出。其中,半脆弱数字水印技术可以作为解决半脆弱视频内容完整性认证的一种行之有效的方法。本文以半脆弱视频内容完整性认证问题作为研究对象,采用半脆弱水印方法及技术作为解决手段,着重研究视频空间域完整性、视频时间域完整性、认证信息可逆嵌入方式以及视频篡改内容恢复方法。本文主要研究工作和创新点包括:(1)提出一种基于混合特征水印的半脆弱视频内容完整性认证方法本文针对视频空间域完整性认证问题,提出一种基于混合特征水印的半脆弱视频内容完整性认证方法。通过分析视频内容完整性认证特征存在的问题,设计了一种结合灰度阈值特征和相对变分边缘轮廓特征的混合特征。实验结果表明提出的方法具有良好的不可见性;篡改定位能力好,特别是对于篡改区域的查全率具有明显的提高,能够满足篡改区域恢复应用;提出的方法能够在系统公开的情况下,正确进行篡改检测,满足Kerckhoffs准则的系统公开要求;对一般例如H.264/AVC重压缩、噪声、滤波等图像处理具有良好的鲁棒性。(2)提出一种基于流形特征水印的半脆弱视频内容完整性认证方法本文针对视频时间域完整性认证问题,通过对视频内容完整性认证研究的调研发现,目前视频内容完整性认证方法中都采用帧索引号作为时间域特征,但帧索引号与视频内容无关,当遇到“kerckhoffs重嵌入水印攻击”将使时间域认证失效。提出一种基于流形特征水印的半脆弱视频内容完整性认证方法,首次采用流形时间特征代替传统纯粹视频帧索引号特征,来解决这一问题。通过将表征视频内容的流形特征与传统帧索引号关联,实现良好的时间域认证能力。而且流形特征是一种鲁棒的时间特征,能够抵抗重压缩、噪声污染、滤波和图像增强等非恶意攻击。实验证实本文提出算法具有良好的时间和空间认证能力,并且解决了“kerckhoffs重嵌入水印攻击”问题。而且能够抵抗重压缩、加噪、滤波和图像增强等非恶意攻击。(3)提出一种基于块差值可逆水印的半脆弱视频内容完整性认证方法本文针对视频内容完整性认证信息嵌入问题,提出一种基于块差值可逆水印的半脆弱视频内容完整性认证方法。通过h.264/avc预测残差对图像块自适应分类,从而嵌入更多认证水印。在接收端使用k-means对块差值进行聚类,自适应判断块差值所属区间,实现高准确率的水印提取。实验结果表明本文提出的算法具有良好的视觉效果,能够抵抗常规图像处理和噪声污染,并实现对恶意篡改区域定位功能。(4)提出一种基于压缩感知水印的半脆弱视频内容完整性认证方法本文针对视频篡改内容恢复方法进行研究,发现半脆弱视频篡改内容恢复方法的目前研究甚少。研究后发现压缩感知技术能够在数据篡改后,重构原始数据,可以将压缩感知方法应用到视频篡改内容恢复应用中,提出一种基于压缩感知的半脆弱水印方法实现半脆弱视频内容的完整性认证。当视频遭受恶意篡改后,能够使用未被修改的测量值进行重构原始载体视频主要特征。实验结果表明该方法对于恶意篡改是脆弱的,实现了篡改区域定位认证功能,而对例如有损压缩、噪声、滤波、增强等非恶意攻击具有一定鲁棒性,并且能够对篡改区域实现恢复的功能。本文的主要研究工作是围绕基于数字水印的半脆弱视频内容完整性认证问题展开的,补充了目前国内外该领域的研究不足。同时也为视频内容完整性认证的研究与应用提供了新的思路与方法。
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