發(fā)布時間：2019-05-07 07:58

【摘要】：在多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)快速發(fā)展的今天,人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)極其便利地獲取高清的圖片與視頻信息。多媒體數(shù)據(jù)的傳輸對CPU和網(wǎng)絡(luò)的壓力也越來越大,同時網(wǎng)絡(luò)的傳播也帶來了圖像、視頻等相關(guān)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護與認證問題。針對以上問題,本文首先對圖像、視頻壓縮相關(guān)標準、圖形處理器(Graphics Processing Unit,GPU)并行以及視頻水印相關(guān)技術(shù)的研究背景、意義以及國內(nèi)外現(xiàn)狀進行了闡述。之后研究了基于GPU并行的圖像壓縮編碼以及目前最新的視頻編碼標準HEVC(High Efficiency Video Coding),并對HEVC中涉及到的相關(guān)技術(shù)進行了深入剖析,同時對其性能的改善做了相關(guān)探索。最后結(jié)合新一代視頻壓縮標準HEVC,對水印的預(yù)處理方案和視頻水印的嵌入方案做了深入研究。本論文研究的主要內(nèi)容與主要創(chuàng)新點如下:(1)深入分析了 JPEG圖像壓縮標準,針對JPEG圖像編碼速度較慢的問題,提出了一種基于GPU并行的JPEG圖像編碼方案,相較于傳統(tǒng)的JPEG圖像編碼方案,可以提升近百倍的效率。(2)針對傳統(tǒng)JPEG編碼中分塊離散余弦變換(Discrete Cosine Transform,DCT)在低碼率時存在的塊效應(yīng)問題,借鑒了全相位雙正交變換(All Phase Biorthogonal Transform,APBT)的構(gòu)造過程,結(jié)合離散正弦變換(Discrete Sine Transform,DST)和全相位數(shù)字濾波(All Phase Digital Filtering,APDF)理論,提出了全相位離散正弦雙正交變換(All Phase Discrete Sine Biorthogonal Transform,APDSBT),進一步完善了全相位雙正交變換理論,并將其應(yīng)用在JPEG編碼中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DCT變換,實現(xiàn)了基于并行APDSBT的類JPEG編碼。并行的APDSBT-JPEG圖像編碼算法,在解決了低碼率下傳統(tǒng)JPEG編碼帶來的塊效應(yīng)的同時提升了算法效率,相較于傳統(tǒng)JPEG編碼在主觀和客觀性能上帶來了提升。(3)深入分析了 HEVC視頻編碼框架,提出了基于APBT變換的HEVC視頻編碼算法,使用APBT變換代替原有標準中的DCT變換。通過分析APBT變換對不同編碼單元(Coding Unit,CU)下HEVC視頻編碼性能的影響,提出了一套最優(yōu)的替換方案,并推導(dǎo)出了整數(shù)的APBT變換,研究了 APBT與DCT之間的聯(lián)系,在不增加算法復(fù)雜度的前提下,提升了 HEVC的編碼性能。(4)提出了一種基于HEVC壓縮域的視頻水印算法,該方案在量化后的系數(shù)中嵌入水印信息,可以很好地解決由水印嵌入帶來的累積誤差,并在數(shù)字水印預(yù)處理階段采用APBT變換對水印數(shù)據(jù)進行簡單壓縮,優(yōu)化了水印嵌入方案,提高了視頻水印的嵌入容量。由于HEVC視頻編碼標準的自身特點,基于壓縮域的HEVC視頻水印無法抵抗重壓縮攻擊,因此本文還提出了一種基于APBT與奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的視頻水印算法,該算法可以很好地抵抗HEVC壓縮,表現(xiàn)出了極好的穩(wěn)定性。
[Abstract]:With the rapid development of multimedia technology and network communication technology, people can obtain high-definition picture and video information very conveniently through the Internet. The transmission of multimedia data brings more and more pressure on CPU and network. At the same time, the transmission of multimedia data also brings about copyright protection and authentication of digital products such as image and video. In order to solve the above problems, the research background, significance and current situation of image and video compression standards, graphics processor (Graphics Processing Unit,GPU (graphics processor) parallelism and video watermarking technology are described in this paper. Then the GPU-based parallel image compression coding and the latest video coding standard HEVC (High Efficiency Video Coding), are studied and the related technologies in HEVC are analyzed deeply. At the same time the improvement of its performance is explored. Finally, based on the new generation of video compression standard HEVC, the watermarking preprocessing scheme and the video watermarking embedding scheme are deeply studied. The main contents and innovations of this thesis are as follows: (1) the JPEG image compression standard is analyzed in depth. Aiming at the slow speed of JPEG image coding, a parallel JPEG image coding scheme based on GPU is proposed. Compared with the traditional JPEG image coding scheme, it can improve the efficiency by nearly a hundred times. (2) aiming at the block effect problem of the block discrete cosine transform (Discrete Cosine Transform,DCT) in the traditional JPEG coding at low bit rate, The construction process of all-phase biorthogonal transform (All Phase Biorthogonal Transform,APBT) is used for reference, and the theory of discrete sine transform (Discrete Sine Transform,DST) and all-phase digital filtering (All Phase Digital Filtering,APDF) is combined. In this paper, all-phase discrete sinusoidal biorthogonal transform (All Phase Discrete Sine Biorthogonal Transform,APDSBT) is proposed, and the theory of all-phase biorthogonal transform is further perfected. The JPEG-like coding based on parallel APDSBT is realized by applying it to JPEG coding instead of traditional DCT transform. The parallel APDSBT-JPEG image coding algorithm not only solves the block effect caused by the traditional JPEG coding at low bit rate, but also improves the efficiency of the algorithm. Compared with the traditional JPEG coding, the subjective and objective performance of the HEVC video coding is improved. (3) the HEVC video coding framework is deeply analyzed, and the HEVC video coding algorithm based on APBT transform is proposed. The APBT transform is used to replace the DCT transform in the original standard. By analyzing the effect of APBT transform on the performance of HEVC video coding under different coding units (Coding Unit,CU), an optimal replacement scheme is proposed, and the integer APBT transform is derived, and the relationship between APBT and DCT is studied. Without increasing the complexity of the algorithm, the coding performance of HEVC is improved. (4) A video watermarking algorithm based on HEVC compressed domain is proposed, which embeds watermark information in the quantized coefficients. The accumulated error caused by watermark embedding can be solved well. In the pre-processing stage of digital watermarking, the watermark data is simply compressed by APBT transform, and the watermark embedding scheme is optimized, and the embedding capacity of video watermarking is improved. Because of the characteristics of HEVC video coding standard, HEVC video watermarking based on compressed domain can not resist the attack of re-compression. Therefore, a video watermarking algorithm based on APBT and singular value decomposition (Singular Value Decomposition,SVD) is proposed in this paper. This algorithm can resist HEVC compression very well and shows excellent stability.
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN919.81

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本文編號：2470897