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摘要
图像和视频质量评估非常重要。 在涉及信号传输的应用中，简化或无参考质量指标通常比全参考指标更实用。 基于数字水印的质量评估表现为潜在的降低或无参考质量度量，其通过评估嵌入水印的降级来估计信号质量。 由于水印与覆盖信号相比包含少量信息，因此执行交流信号质量评估是一项具有挑战性的任务。 同时，加水印过程导致信号质量损失。
为了解决这些问题，本文提出了一种基于半脆弱性和自适应水印的图像和视频质量评价框架。在该框架中，通过检查信号质量退化特性来分配自适应水印嵌入强度。实验生成的“理想映射曲线”将水印退化与信号劣化联系起来，使得水印退化可以用来估计失真信号的质量。
在所提出的框架下，在离散小波变换(DWT)域中实现了一种基于量化的方案。在该方案中，通过迭代测试JPEG压缩下的图像退化特性，对自适应水印嵌入强度进行优化。这种迭代过程提供了高精度的质量评估。然而，它导致相对较高的计算复杂度。
作为一种改进，提出了一种基于树结构的方案，通过预先估计信号退化特性来分配自适应水印嵌入强度，极大地提高了计算效率。采用SPIHT（多级树集合分裂）树结构和HVS（人眼视觉系统）掩蔽来指导水印嵌入，大大降低了水印嵌入所造成的信号质量损失。实验结果表明，在JPEG压缩下，基于树结构的方案可以在PSNR(峰值信噪比)、WPSNR（均值信噪比）、JND(最小可觉差)、SSIM（结构相识性）和VIF（方差膨胀因子）等方面对图像和视频质量进行高精度评估。作为一种改进，提出了一种基于树结构的方案，通过预先估计信号退化特性来分配自适应水印嵌入强度，极大地提高了计算效率。
第一章
1.1 图像视频质量评估
图像或视频质量定量地表达图像或视频信号对失真或伪影的退化特性。随着数字设备、互联网和蜂窝网络的迅速发展，利用越来越高的压缩比对数字图像和视频进行压缩，以节省存储空间和传输带宽，使得质量评价变得越来越重要。对于数字通信，质量是服务质量的重要指标，也是传输信道条件的重要度量。同时，可以利用图像质量评价图像和视频处理算法的性能，以及数码相机、扫描仪、传真机等数字设备的性能。此外，高质量的图像和视频内容和技术正在对社会文化和经济产生良好的影响。虽然图像和视频内容最终由人类评估，但不可能让人类观察者进行所有的质量评估工作。在过去的几十年中，为了提高评价质量，开展了大量的质量评价。由于图像比视频信号小得多，并且更复杂，更适合用于开发复杂的质量度量，因此在文献中提出了许多质量度量来评估图像质量。
1.2 数字水印
新信息技术的快速发展提高了数字信息的便利性。这也导致了数字媒体的非法复制和再分配问题。在尝试解决与媒体知识产权管理有关的问题时，出现了数字水印的概念。数字水印是一种通过对数据进行轻微修改而无意识地将附加信息插入到信号中的技术。出于不同的目的，附加信息（也称为数字水印）可以牢固地或脆弱地嵌入到信号中，并将经历与载体信号相同的失真。检索到的数字水印用于多种目的，例如所有权和版权的证明以及内容篡改的指示。近年来，基于水印的质量评估成为一个越来越有前途的研究课题，因为它提供了方便，可以在不需要原始信号的情况下评估图像或视频质量。
1.2.1 典型的水印系统和水印分类
典型的水印系统主要由水印嵌入过程和水印提取过程组成。在水印嵌入过程中，输入是载体信号，即水印和一个用户定义的安全密钥。 载体信号可以是图像，视频，音频或视频
其他媒体表达。 为了达到不同的目的，水印可以是灰色的，缩放图像，二元图案或数字序列，有意义的或随机的。该安全密钥增强了整个水印系统的安全性，保证了对水印信息的授权访问。 水印嵌入过程的输出是水印信号。
水印提取过程的输入是失真的水印信号和安全密钥。水印提取过程有两个功能：首先，它检测或提取从失真的水印信号中嵌入水印; 第二，通过参考原始水印对提取的水印进行逐位评估以实现有意义的测量。 在这种情况下，水印提取处理的输出可以是检测到的水印的存在，提取的水印或期望的测量。根据嵌入水印的方式，通常可以将其分类为可见水印和不可见水印。图1.1说明了水印的分类。
图1.1 水印分类
不可见水印比可见水印起着重要的作用。它部分透明地放置在覆盖件的内容上并且几乎不可能在不损坏覆盖物的情况下移除。在没有明显影响覆盖信号质量的情况下工作，数字信号水印通常被设计为完全隐藏。根据嵌入水印的强度，不可见水印可以进一步分为三类：鲁棒水印，半脆弱水印和脆弱水印。对于鲁棒水印，水印通常嵌入强大的嵌入强度，可以承受大量有意或无意的攻击。对于脆弱水印，嵌入水印的嵌入强度非常弱，即使图像发生轻微的失真水印信息也会受到破坏。脆弱水印应该能够指示水印图像被篡改的可能位置。 半脆弱水印位于鲁棒水印和脆弱水印之间。它的设计是为了在覆盖信号的合法失真中幸存下来，但是会被非法失真破坏。预期提取的半脆弱水印能够反映水印图像降级的程度。
在水印方案中，水印可以嵌入在空间域中或者在覆盖信号的频域中。在空间域中实现水印处理比在频域中更简单。然而，嵌入式水印更容易被像素伪造攻击之类的方法去除。更高级的水印技术是在覆盖信号的频域中嵌入水印，如离散傅立叶变换（DFT）域，离散余弦变换（DCT）域和离散小波变换（DWT）域。此外，水印可嵌入固定水印嵌入强度或自适应水印嵌入强度。 自适应嵌入强度通常服从一些理想的特性，如人类视觉系统（HVS）或人类听觉系统（HAS），或在失真下的图像降解特性。 与自适应水印嵌入强度相比，使用自适应水印嵌入强度的水印方案更加复杂。 考虑到HVS或HAS的水印方案导致覆盖信号的质量下降较少。
图1.2 空间域水印嵌入简单实例
一个简单的图像水印嵌入在空间域的例子如图1.2所示。原始水印是正常分布的，并且与图像大小相同。 水印线性嵌入到原始图像中。 常数alpha;是固定的水印嵌入强度，并控制嵌入水印的脆弱性。 alpha;越大，水印嵌入强度越强，反之亦然。在这个例子中，alpha;等于1。水印图像的峰值信噪比为48.59dB。当水印图像的峰值信噪比达到45dB以上时，由水印处理引起的质量损失是不明显的。
1.2.3 覆盖信号
根据嵌入水印的覆盖信号，数字水印应用可以分为不同的类别。
- 数字音频水印。音频水印意味着水印无声地嵌入到音频信号中，并与封面音频信号一起发送。 音频水印基于感知音频编码技术的心理声学方法。 它通过在可听掩蔽阈值以下嵌入一个或多个与密钥相关的水印信号来利用人耳的属性。
- 数字图像水印。在文献中，大多数关于数字水印的研究都是基于图像水印的，因为在图像上开发和分析水印方案比在视频上更简单。 与此同时，互联网上有这么多的图像免费提供，并且没有任何版权保护。
- 数字视频水印。原始视频信号由一系列静止图像组成。 理论上，所有图像水印方案都可以直接应用于视频信号。 然而，由于视频信号通常被压缩成IBP帧，需要进一步发展以使得图像水印方案对于IBP视频帧是有效的。 出于安全考虑，不同的安全密钥可以用于不同的视频帧或不同的镜头。 同时，视频水印应该能够抵御不同类型的攻击，如帧平均，丢帧和帧交换。
- 3D虚拟物体水印。在VRML（虚拟现实建模语言）和MPEG-4中嵌入水印最重要的组成部分是三维多边形网格。 三维多边形网格的形状由顶点坐标和顶点拓扑两个组件定义。 结合顶点拓扑的顶点坐标定义了更复杂的几何图元，例如线和多边形。 这些组件是嵌入3D网格多边形网格中的最重要目标。
- 其他的，如文本水印，软件水印和数据库水印。
在本论文中，大部分讨论都将集中在数字图像和视频上水印。
1.2.3 数字水印的主要应用
数字水印的主要应用如下：
1.版权保护
版权保护问题伴随着快速增长的图像和视频的非法传播。 在该应用中，水印携带所有者的版权信息，并且以不可见的方式强有力地嵌入到图像或视频信号中，使得即使当水印信号被严重损坏时仍然可以提取水印。
2.所有权证明
从版权保护到水印技术的另一个步骤是证明所有权。水印信息应该是唯一且确定的。歧义攻击是嵌入额外的水印以声称是所有者。 用作所有权证明的水印应该能够解决合法所有权问题。
3.内容认证
内容认证目的是判断内容是否已经更改，而脆弱的水印在内容认证方面有着非常重要的地位。水印用于监测覆盖信号的微小改变。它嵌入了最弱的嵌入强度，如果覆盖信号被修改，预计将无法检测到。
4. 质量评估
为了评估信号质量，一个半脆弱的水印通常嵌入到水印中覆盖信号。嵌入的水印有望在一系列合法的信号处理中幸存下来，在经历非法操作之后被破坏。在一定的畸变后，通过对水印的降解来评价退化信号的质量。
5. 广播监控
在广播监控中，水印嵌入到覆盖信号中，以帮助广告商识别嵌入水印的时间和地点。
- 拷贝控制
水印的存在是为了防止人们非法复制受版权保护的内容。
1.2.4 三种水印标准
1.不可见性
不可见性意味着水印信息嵌入到载体上后，对载体信号的质量影响不大。因此，与原始信号相比，嵌入水印信号的图像质量越高越好。
2．鲁棒性
在不同的应用中，嵌入的水印的鲁棒性需要与具体应用相匹配。
3. 水印容量
水印的容量表明可以嵌入到载体信号的水印位的数量，并且可以在以后可靠地提取。水印能力越高，水印方案的潜力就越大。
1.3 数字水印的质量评估
与完全参照的质量标准相反，基于数字水印的质量评估方案是一种可行的方法来开发降低或无参照的质量指标。在这些方案中，通常将半脆弱水印嵌入到覆盖信号中，嵌入水印用于跟踪不同失真情况下的水印信号的退化情况。在畸变后，对退化的水印进行提取，通过与原始水印相比较的方法，对被畸变信号的退化质量进行评价。因此，原始水印需要被传输到接收方或被接收方所知。与覆盖信号相比，水印的尺寸通常很小。如果水印需要传输，它不会对传输造成重大损失。这使得基于水印的质量指标在质量评价应用中更加实用。
在基于水印的质量度量标准中，通常以客观质量指标(如PSNR或JND)或主观质量度量(如MOS)来估计信号质量。由于水印的尺寸小，基于水印的质量指标最具挑战性的任务是使用嵌入水印准确地评估信号质量。因此，质量评价的准确性是评价水印质量指标有效性的一个标准。在本论文中，“质量评估的准确性”评估了提出的基于水印的质量指标与参考质量指标(如PSNR、wPSNR、JND和SSIM)的质量分数之间的关系。水印嵌入”一词表明了覆盖信号的数据改变，这将直接导致覆盖信号的质量损失。因此，水印嵌入引起的覆盖信号的质量损失也被用来评价水印质量度量的性能。与此同时，基于水印的质量指标应该提供高质量的评价，与各种现有的评价指标高度相关。例如，基于水印的质量度量标准以一个全引用质量度量标准(如PSNR或SSIM)来评估信号质量。如果基于水印的质量指标能够以任何感兴趣的质量指标来评价信号质量，这是可取的。在这种情况下，基于水印的质量度量应该尽可能的灵活。由于采用基于水印的质量指标来评价音频、图像、视频和三维信号等的质量，高的计算效率更适合于大型信号或实时应用的质量评价。
根据以上介绍，以下总结的四个标准可用于评估基于水印的质量评估方案的性能：
1.质量评估的准确性。
2.水印嵌入过程造成的质量损失。
3.基于水印的质量评估的灵活性。
4.计算效率。
第二章 文献综述
水印技术最初是为了保护多媒体的原创性而开发的。在2005年之前，水印技术最受欢迎的应用是版权保护和多媒体内容认证。在版权保护的应用中，水印通常嵌入在载体信号中，并要求嵌入水印的旋转、缩放和翻译等特性。在多媒体内容认证应用中，通常使用脆弱或半脆弱的水印。在2002年，国际电信联盟(ITU)首先提出了使用追踪水印来评估信号质量的概念。ITU建议将半脆弱的水印嵌入到多媒体中，以追踪覆盖信号的质量退化，通过检测水印的降解，可以评估覆盖信号的质量下降。最重要的好处是没有必要有原始的信号来评估失真信号的质量。通过这个建议，我们进行了大量的研究，以测试使用嵌入水印的移动通信的音频质量、图像质量、视频质量。
为了简化或者在变换域中，可以在空间域中实现水印处理。 在文献中，几乎所有的水印方案都是在变换域中开发的，以利用它们的特殊特性。 此外，很难去除嵌入在覆盖信号的变换域中的水印。 常用的变换是频率变换，如离散傅立叶变换（DFT），离散小波变换（DWT），离散余弦变换（DCT）和傅立叶梅林变换（FMT）。
由于技术的缺陷，在将水印信号覆盖到载体中时或多或少会使得原始图像的质量下滑。嵌入的水印鲁棒性越好，原始图像的质量下滑越严重，反之亦然。为了简化，水印可以线性嵌入图像像素或频率系数中。相比之下，水印可以嵌入到感知模型的引导下，以减少水印嵌入过程所造成的覆盖信号的质量损失。对于图像和视频信号，感知模型可以是噪声可见性函数、对比度敏感性函数、沃森感知模型或人眼视觉系统(HVS)。在这四种感知模型中，HVS是最复杂的，对人类视觉特性的建模具有最佳效果。HVS包括频率灵敏度、亮度灵敏度、颜色和对比度掩蔽等，因此，HVS可以为水印嵌入提供更好的掩蔽效果。对于颜色通道模型，人们发现人眼对蓝色通道的变化不那么敏感。因此，对于彩色图像水印，需要将水印嵌入图像的蓝色部分。同样，对于音频信号，可以使用人类听觉系统的模型。
2.1 基于水印的图像质量评估
与视频信号相比，图像的大小更小，信号结构更复杂，在互联网上可以免费获得。因此，图像更可取被用于开发理论上复杂的质量度量。在文献中，提出了大量的参考质量指标来进行图像质量评价。相比之下，对于视频信号的质量评价，广泛使用的质量指标仍然是MSE和PSNR。在水印图像质量评价的应用中，通过评价嵌入水印的退化程度来评价失真图像的质量。在参考的文献中，通过对畸
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