視頻版權(quán)保護(hù)_數(shù)字視頻水印

1、視頻水印視頻水印n12.1 概論概論n12.2 數(shù)字視頻特點(diǎn)數(shù)字視頻特點(diǎn)n12.3 數(shù)字視頻水印要求數(shù)字視頻水印要求n12.4 視頻水印的分類視頻水印的分類n12.5 國(guó)內(nèi)外視頻水印介紹國(guó)內(nèi)外視頻水印介紹n12.6 DEW視頻水印算法實(shí)例視頻水印算法實(shí)例n12.7 小結(jié)小結(jié)12.1 概論概論n早期的數(shù)字水印研究主要面向靜態(tài)的數(shù)字圖像早期的數(shù)字水印研究主要面向靜態(tài)的數(shù)字圖像對(duì)象。如今，作為互聯(lián)網(wǎng)信息環(huán)境下的主要多對(duì)象。如今，作為互聯(lián)網(wǎng)信息環(huán)境下的主要多媒體對(duì)象媒體對(duì)象視頻數(shù)據(jù)越來越多地被考慮以數(shù)視頻數(shù)據(jù)越來越多地被考慮以數(shù)字水印技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。字水印技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。n視頻水印可以理解為以

2、視頻為載體對(duì)象，加入視頻水印可以理解為以視頻為載體對(duì)象，加入可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)或模式，且不影響視頻數(shù)據(jù)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)或模式，且不影響視頻數(shù)據(jù)的視覺質(zhì)量，又能達(dá)到用于視頻數(shù)據(jù)對(duì)象的版的視覺質(zhì)量，又能達(dá)到用于視頻數(shù)據(jù)對(duì)象的版權(quán)和內(nèi)容保護(hù)等目的技術(shù)手段。權(quán)和內(nèi)容保護(hù)等目的技術(shù)手段。n視頻水印發(fā)展的兩個(gè)主要源動(dòng)力來自視頻的版視頻水印發(fā)展的兩個(gè)主要源動(dòng)力來自視頻的版權(quán)保護(hù)問題和內(nèi)容真實(shí)性和完整性保護(hù)問題。權(quán)保護(hù)問題和內(nèi)容真實(shí)性和完整性保護(hù)問題。12.1 概論概論n就目前所提出的應(yīng)用情況來看，可包括以下范圍： n版權(quán)保護(hù)（copyright protection） n視頻指紋（fingerprinting

3、） n拷貝保護(hù)（copy protection） n廣播監(jiān)測(cè)（broadcast monitoring） n數(shù)據(jù)認(rèn)證（data authentication） n標(biāo)題和注釋（indexing） n安全的隱秘通信（covert communication） 12.1 概論概論圖12.1 視頻廣播數(shù)字水印版權(quán)保護(hù)與追蹤方案12.1 概論概論圖12.2 視頻指紋原理12.1 概論概論DecryptAddW aterm arkMPEG-decorderSmart card readerDigital recorder interfaceSet-top box Digital encrypted MPE

4、G-2 dataSmart cardDigital fingerprinted MPEg-2 dataAnalog finger- printedvideo圖12.3 視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中具有加指紋功能的機(jī)頂盒方案12.1 概論概論Watermarkpresent?AddWatermarkStoreVideoNDiscard Video DataYVideo DataWatermarked Video DataCopy Protection Scheme圖12.4 數(shù)字視頻錄制設(shè)備的拷貝保護(hù)方案12.2 數(shù)字視頻特點(diǎn)數(shù)字視頻特點(diǎn)n視頻水印是數(shù)字水印技術(shù)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。由于視頻信息的復(fù)雜性，且在存儲(chǔ)和

5、傳輸過程中往往以壓縮的形式出現(xiàn)，所以視頻水印算法的設(shè)計(jì)也要考慮到視頻信息的這些特點(diǎn)。 n視頻信息可分為原始視頻數(shù)據(jù)和壓縮視頻數(shù)據(jù)兩大類。一般可以這樣認(rèn)為，原始視頻相當(dāng)于時(shí)間軸上的連續(xù)圖像序列(如圖12.5)；壓縮后的視頻數(shù)據(jù)則是以特定的壓縮標(biāo)準(zhǔn)而存在的比特?cái)?shù)據(jù)流。n為更好地研究視頻水印算法，必須首先了解視頻信息的特點(diǎn)。這里主要介紹視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)和視頻時(shí)空掩蔽效應(yīng)。 12.2 數(shù)字視頻特點(diǎn)數(shù)字視頻特點(diǎn)視頻序列圖像組IBBPBBIBBPBB時(shí)間參數(shù) t圖12.5原始視頻序列信號(hào)12.2.1視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)n數(shù)字視頻信號(hào)，是指由運(yùn)動(dòng)信息連接在一起的數(shù)字圖像。由于原始數(shù)字視頻信

6、號(hào)數(shù)據(jù)量較大，在傳輸和存儲(chǔ)遇到困難，所以視頻壓縮技術(shù)一直是多媒體技術(shù)工作者的研究對(duì)象。 n壓縮技術(shù)種類繁多，目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的MPEG工作組和ITU-T分別對(duì)視頻壓縮技術(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，從而誕生了MPEG視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)系列以及H.261和H.263等系列標(biāo)準(zhǔn)。由于基本原理一致，本文主要以MPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)為研究對(duì)象。 12.2.1視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)nMPEG是活動(dòng)圖像專家組(Moving Picture Exports Group)的縮寫，成立于1988年。目前MPEG已頒布了多個(gè)活動(dòng)圖像及其伴音編碼的正式國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-1和MPEG-2是其中的兩個(gè)。 nMPEG視頻編碼系統(tǒng)

7、原理及關(guān)鍵技術(shù)概括地說，就是利用了圖像中的兩種特性：空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。 nMPEG-1和2都采用了基于離散余弦變換/運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(DCT/MC)的混合編碼方案（圖12.6）。這種編碼方案使用到了三項(xiàng)基本技術(shù)。n第一項(xiàng)是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，這是因?yàn)橐曨l中的動(dòng)態(tài)圖像的每一幀和它的前幀都很多相似之處，可以近似地從前一幀來構(gòu)造。n第二項(xiàng)技術(shù)是變換編碼，它基于以下兩個(gè)事實(shí)：一是人眼對(duì)高頻可視信息不敏感；二是變換編碼能夠把圖像的能量相對(duì)集中，從而可以用較少的數(shù)據(jù)位來表示圖像。DCT的壓縮技術(shù)可以減少空間域的冗余度，它不僅用于幀內(nèi)壓縮，也用于幀間殘差數(shù)據(jù)的壓縮；n第三項(xiàng)技術(shù)是熵編碼，在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和變換編碼后，對(duì)得到的

8、數(shù)據(jù)進(jìn)行哈夫曼編碼。12.2.1視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn) 預(yù)處理 運(yùn)動(dòng)估計(jì) 參考幀 IDCT 逆量化 DCT 量化 逆量化 變長(zhǎng)解碼 IDCT 圖像 預(yù)測(cè)器 后處理 參考幀 圖像 預(yù)測(cè)器 變長(zhǎng)編碼 編碼器 解碼器 視頻輸入 輸出視頻 圖12.6 MPEG視頻編碼原理框圖12.2.1視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)n視頻數(shù)據(jù)中，動(dòng)態(tài)圖像的每一幀有三種基本編碼類型：nI幀或稱為幀內(nèi)編碼幀，這種圖像不參考任何其他圖像進(jìn)行編碼（圖12.7）；nP幀或稱為前向預(yù)測(cè)編碼幀，這種圖像用到了前面的I或P幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；nB幀或稱為雙向預(yù)測(cè)編碼幀，這種圖像編碼時(shí)用到了來自前面和后面的工或P幀的運(yùn)動(dòng)

9、補(bǔ)償。 12.2.1視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)圖12.7 8X8像素塊的編碼過程12.2.1視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)n圖像內(nèi)的編碼單元是宏塊，在每個(gè)圖像內(nèi)，宏塊按順序編碼，從左到右且從上到下。每個(gè)宏塊由6個(gè)8x8大小的塊組成：4個(gè)亮度塊，一個(gè)Cr色度塊和一個(gè)Cb色度塊。編碼的過程如下：n第一步，為給定的宏塊選擇編碼方式，這依賴于圖像類型、局部區(qū)域中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)挠行院蛪K中的信號(hào)特性。n第二步，根據(jù)編碼方式的不同，使用過去的參考圖像或?qū)韰⒖紙D像來估計(jì)運(yùn)算運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)值，從當(dāng)前宏塊中的實(shí)際數(shù)據(jù)中減去這個(gè)預(yù)測(cè)值得到幀間預(yù)測(cè)誤差信號(hào)。n第三步，把誤差信號(hào)分成8x8塊，并對(duì)每個(gè)塊完

10、成離散余弦選變換(DCT)，對(duì)經(jīng)過DCT變換后的DCT系數(shù)進(jìn)行量化，對(duì)兩維塊按“之”形順序進(jìn)行掃描，以形成一維量化系數(shù)串。n第四步，對(duì)每個(gè)宏塊的附加信息和量化系數(shù)進(jìn)行編碼。最后對(duì)量化系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行變長(zhǎng)編碼。最后得到的MPEG視頻流分層語(yǔ)法表示如圖12.8所示。12.2.1視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻信息的編碼標(biāo)準(zhǔn)圖12.8 MPEG視頻流分層語(yǔ)法表示（色度格式4：2：0）12.1.2視頻信息的時(shí)空掩蔽效應(yīng)視頻信息的時(shí)空掩蔽效應(yīng)n數(shù)字水印技術(shù)正是利用了人眼所感知的有限性，來達(dá)到隱藏信息的目的。視頻水印的載體對(duì)象對(duì)于人眼是運(yùn)動(dòng)的畫面，充分研究視頻信息所具有的三維特性即在空間和時(shí)間上被人眼所感知的強(qiáng)弱和掩蔽

11、效應(yīng)，對(duì)于在提高水印魯棒性和水印容量以及保證視覺質(zhì)量等目標(biāo)之間達(dá)到最佳結(jié)合至關(guān)重要。n在視頻序列中，二維空間方向?qū)τ谌搜鄣难诒涡?yīng)可以借鑒靜態(tài)圖像的情況。這一類的研究工作相對(duì)要多一些，一般是紋理復(fù)雜或者是邊緣區(qū)域的掩蔽效應(yīng)要比平滑區(qū)域的要強(qiáng)，能量高的低頻掩蔽系數(shù)要比能量低的高頻系數(shù)掩蔽閾值要大。n而在一維時(shí)間方向上的掩蔽效應(yīng)（也稱運(yùn)動(dòng)掩蔽效應(yīng)），需要考慮人眼對(duì)于運(yùn)動(dòng)畫面中不同性質(zhì)的區(qū)域的敏感程度。一般來講，運(yùn)動(dòng)劇烈的視頻區(qū)域相比運(yùn)動(dòng)緩慢的視頻區(qū)域有較好的掩蔽效果。此類研究工作僅局限于視頻對(duì)象。n充分考慮視頻的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)會(huì)大為改善加水印視頻的視覺質(zhì)量，在相關(guān)文獻(xiàn)中還提出了利用視頻運(yùn)動(dòng)信息構(gòu)造水印的

12、方法。隨著對(duì)人類視覺系統(tǒng)的深入研究，視頻信息對(duì)于人眼的掩蔽效應(yīng)模型將會(huì)更為精確地建立，從而將會(huì)更好地視頻水印的性能。12.3 數(shù)字視頻水印要求數(shù)字視頻水印要求n視頻水印具有廣泛的價(jià)值，不同的使用目的其相應(yīng)的要求也會(huì)有所不同，總體來說一般應(yīng)具有：n魯棒性（robustness）：指水印能經(jīng)得起無意修改或惡意攻擊。在保證數(shù)據(jù)對(duì)象的使用價(jià)值的前提下，無法擦去水印信號(hào)。用于認(rèn)證的脆弱性水印例外，它要求對(duì)數(shù)據(jù)改動(dòng)的敏感性。n安全性(security)：即使水印算法已知，只要水印參數(shù)未知，未經(jīng)授權(quán)不知密鑰的情況下仍然無法解讀水印或者甚至無法檢測(cè)到水印的存在。使用密鑰機(jī)制 44 是保證水印安全的途徑。n不可

13、感知性（imperceptibility：）應(yīng)包括視覺上不可感知和統(tǒng)計(jì)特性不可感知?？梢曀±狻?2.3 數(shù)字視頻水印要求數(shù)字視頻水印要求n盲檢測(cè)性（oblivious）：視頻載體的容量之大，要保留所有的原始視頻用作恢復(fù)水印不太符合實(shí)際應(yīng)用視頻系統(tǒng)。除了極少數(shù)的方案外，目前研究的主要是盲檢測(cè)視頻水印技術(shù)。n可證明性（vindicability）：水印應(yīng)具有能作為呈堂證供的有力工具的效應(yīng)。n低復(fù)雜度(low complexity)：作為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的視頻流，要求考慮到嵌入和檢測(cè)算法的復(fù)雜度以及針對(duì)日用消費(fèi)用戶（如VOD接收用戶群）的成本，要能保證視頻水印方案的實(shí)用性。視頻水印特點(diǎn)和難點(diǎn)視頻水印特點(diǎn)

14、和難點(diǎn)n從視頻載體的特殊性角度出發(fā)，目前視頻水印面臨主要來自于以下三個(gè)方面的問題和挑戰(zhàn)：n1. 經(jīng)受各種非惡意的視頻處理nPhotometric處理：這一類處理包含了所有導(dǎo)致視頻幀像素發(fā)生了改變的正常操作，例如在視頻數(shù)據(jù)傳輸過程中可能引入的噪聲導(dǎo)致視頻像素的細(xì)微改變。 n空間去同步（幾何失真）：許多視頻水印的嵌入和提取的對(duì)應(yīng)關(guān)系是嚴(yán)格地基于視頻信息空間結(jié)構(gòu)上的同步的。 n時(shí)間去同步：視頻信息在時(shí)間方向上的去同步處理同樣的會(huì)影響視頻水印信號(hào)。 n視頻編輯：隨著視頻制作和處理技術(shù)的發(fā)展，視頻編緝已成為視頻產(chǎn)品商業(yè)化檔中必不可少的環(huán)節(jié)。 視頻水印特點(diǎn)和難點(diǎn)視頻水印特點(diǎn)和難點(diǎn)表12.1非惡意視頻處理的

15、情況Photometric 加噪, DA/AD 轉(zhuǎn)換 Gamma校正 轉(zhuǎn)碼和視頻格式轉(zhuǎn)換 幀內(nèi)或幀間濾波 色度采樣 (4:4:4, 4:2:2, 4:2:0)空間解同步 顯示比例調(diào)整 (4/3, 16/9, 2.11/1) 空間分辨率改變 (NTSC, PAL, SECAM) 位置抖動(dòng) 手持?jǐn)z像機(jī)拍錄時(shí)間解同步 幀率改變視頻編輯 剪切結(jié)合和剪切插入結(jié)合 Fade-and-dissolve and wipe-and-matte 圖像覆蓋（字幕、標(biāo)識(shí)） Picture-in-Picture視頻水印特點(diǎn)和難點(diǎn)視頻水印特點(diǎn)和難點(diǎn)n2. 實(shí)時(shí)性n實(shí)時(shí)性要求是視頻水印算法的特殊要求。對(duì)于靜態(tài)圖像水印方案中

16、，水印的嵌入和檢測(cè)滯后數(shù)秒鐘是可以允許的。而在實(shí)際應(yīng)用中，在視頻中嵌入和檢測(cè)水印信息一般不允許大量的耗時(shí)。視頻信號(hào)以較高的幀速播放才能獲取視覺上平滑的效果（約25幀每秒）。對(duì)于一個(gè)水印嵌入或者是檢測(cè)來講，也同樣應(yīng)該至少能夠保持這種速度或者更快的幀率。n3. 共謀攻擊視頻水印特點(diǎn)和難點(diǎn)視頻水印特點(diǎn)和難點(diǎn)n共謀攻擊是在靜態(tài)圖像水印算法中已經(jīng)考慮到的一種特殊水印攻擊。它是指一個(gè)惡意的使用者群通過共享他們的信息（如不同的加水印數(shù)據(jù)），來產(chǎn)生非法的內(nèi)容（如不含水印的數(shù)據(jù)）。共謀攻擊將在兩種截然不同的情況下有成功的可能性。n共謀攻擊類型I：相同的水印嵌入到不同的數(shù)據(jù)的不同拷貝中。共謀者們能夠通過統(tǒng)計(jì)平均每

17、個(gè)單獨(dú)加水印數(shù)據(jù)的方法從中估計(jì)出水印信息。這就意味著只須減去水印就可以得到不含水印的數(shù)據(jù)對(duì)象。n共謀攻擊類型II：不同的水印嵌入到相同數(shù)據(jù)的不同拷貝中。共謀者們只須疊加手中大量的拷貝，就能統(tǒng)計(jì)平均出不含水印的數(shù)據(jù)對(duì)象。這是因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)獨(dú)立的水印信息的平均值趨于0。視頻水印特點(diǎn)和難點(diǎn)視頻水印特點(diǎn)和難點(diǎn)n共謀攻擊問題在視頻水印中顯得更為重要，因?yàn)橐曨l相比靜態(tài)圖像來講幾乎多了一倍的共謀風(fēng)險(xiǎn)。在視頻水印算法研究中，需要考慮兩種共謀攻擊。它們分別是視頻間共謀和視頻內(nèi)共謀。n視頻間共謀：是指一個(gè)擁有加水印視頻產(chǎn)品的使用者群互相勾結(jié)以獲得一個(gè)不加水印的視頻對(duì)象。例如，在視頻版權(quán)保護(hù)應(yīng)用中，相同的版權(quán)水印被加入到

18、該版權(quán)所有的不同的視頻產(chǎn)品，因此遭受共謀攻擊類型I的風(fēng)險(xiǎn)較大；而在數(shù)字指紋應(yīng)用中，會(huì)在相同視頻產(chǎn)品中加入的水印來區(qū)別不同的用戶，因此遭受共謀攻擊類型II的風(fēng)險(xiǎn)較大。視頻間共謀要求擁有大量加入相同水印的不同視頻產(chǎn)品拷貝，或者是加入不同水印的相同視頻產(chǎn)品的拷貝。目的是獲得不含水印的視頻內(nèi)容n視頻內(nèi)共謀：這是視頻水印對(duì)象中才會(huì)出現(xiàn)的情況。我們知道，視頻序列可以看作一個(gè)連續(xù)的靜態(tài)圖像序列。如果相同的視頻水印加入到每一視頻幀，在同一視頻內(nèi)遭受共謀攻擊類型I的風(fēng)險(xiǎn)也較大，這是因?yàn)橐曨l內(nèi)存在大量的內(nèi)容不同的視頻幀（可從場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)劇烈的視頻中獲?。?。另一方面，如果不同的水印加入連續(xù)的視頻幀中，則遭受共謀攻擊類型

19、II的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)較大。這是因?yàn)檫B續(xù)的視頻幀具有高度相似性，幾乎可以看作是相同的（尤其是在靜止場(chǎng)景中）。因此，視頻內(nèi)共謀是設(shè)計(jì)視頻水印時(shí)要考慮到的特殊情況。12.4視頻水印的分類n1. 按外觀和應(yīng)用來分視頻水印可見視頻水印不可見視頻水印魯棒視頻水印半脆弱視頻水印脆弱視頻水印圖12.9 視頻水印的外觀和應(yīng)用分類n2. 按算法嵌入域來分視頻水印空間域視頻水印變換域視頻水印DFT域DCT域小波域其它變換域圖12.10 視頻水印的算法實(shí)現(xiàn)域分類n3. 按算法模式來分視頻水印相關(guān)性視頻水印非相關(guān)性視頻水印變換域系數(shù)關(guān)系特征點(diǎn)幾何關(guān)系基于分形LSB方案基于幾何關(guān)系方案量化方案圖12.11 視頻水印的算法模式分

20、類n4. 按嵌入階段來分MPEG-2編碼器壓縮碼流MPEG-2解碼器 原始視頻碼流 重建視頻碼流水印嵌入 方案一水印嵌入 方案二水印嵌入/提取 方案三水印提取 方案二水印提取 方案一圖12.12 視頻水印按嵌入階段分類12.5國(guó)內(nèi)外視頻水印介紹n12.5.1面向原始視頻水印n1. 原始像素域水印n愛立信研究院的Frank Hartung提出了借鑒擴(kuò)頻通信的基本思想，在未壓縮視頻中嵌入數(shù)字水印，這是典型的空間像素域擴(kuò)頻水印算法。n美國(guó)Villanova大學(xué)的Mobasseri B.G.將視頻看作是時(shí)間軸上的比特面序列，通過偽隨機(jī)形式的二維序列的水印信息來替換不同的視頻幀中的不重要比特面，達(dá)到水印

21、的嵌入。n飛利浦研究院的Ton Kalker教授等針對(duì)廣播監(jiān)控的特點(diǎn)，提出了所謂的JAWS (Just Another Watermarking System)水印方案。該算法具有不可見、對(duì)廣播傳輸鏈中的正常操作具有魯棒性、誤警率低、高速傳輸中有較大負(fù)載率以及低復(fù)雜度和能實(shí)時(shí)檢測(cè)的特點(diǎn)。 圖12.13 視頻信號(hào)的線性掃描n哈爾濱工業(yè)大學(xué)的牛夏牧教授等人提出了一種具有幾何變換魯棒性的動(dòng)態(tài)圖像水印技術(shù)，將一個(gè)時(shí)間軸上的模板嵌入到動(dòng)態(tài)圖像序列中的每個(gè)水印最小段（Watermark Minimum Segment）內(nèi)。n張春田教授等人提出了一種空間域視頻水印自適應(yīng)檢測(cè)算法。 n北京郵電大學(xué)的楊義先教授

22、等人提出在原始視頻幀中實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻水印方案。 n復(fù)旦大學(xué)的李曉強(qiáng)等人針對(duì)空域水印算法魯棒性較差的這個(gè)問題，提出了一個(gè)基于多通道的彩色圖像水印方案。 n直接在像素域進(jìn)行水印嵌入和提取，主要是為了降低水印處理的復(fù)雜度，但是會(huì)在魯棒性方面會(huì)有較大缺陷。除了特殊的情況，一般考慮在視頻變換域嵌入水印的算法較多。n2. 視頻變換或編碼中加入水印n此類算法在原始視頻的某個(gè)變換域（DCT、DWT、DFT或DHT）進(jìn)行水印的處理?？梢杂腥N情況：（1）將原始視頻看作三維信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行三維變換，然后加入水??；（2）將視頻流看成靜態(tài)圖像的序列，在單幀圖像上嵌入水印，或者利用序列圖像之間的關(guān)系嵌入水??；（3）將視頻以塊為

23、單位進(jìn)行頻域變換，然后在頻域系數(shù)塊嵌入水印。 n中山大學(xué)黃繼武教授等根據(jù)視覺特點(diǎn)和信號(hào)特性，提出了一種基于小波變換域的自適應(yīng)視頻水印算法。這時(shí)國(guó)內(nèi)變換域自適應(yīng)視頻水印算法的早期代表性工作。 n在視頻三維變換域中嵌入水印，也是改善魯棒性能的方法。北京郵電大學(xué)的張立和博士等利用Gabor基函數(shù)波形類似人視覺皮層簡(jiǎn)單細(xì)胞的感受野波形的特性，結(jié)合視覺通道中心頻率具有對(duì)數(shù)頻程關(guān)系的特點(diǎn)，從視覺系統(tǒng)時(shí)空多通道模型角度出發(fā)，提出一種三維塔式Gabor變換視頻水印算法。n西安電子科技大學(xué)的李英等也提出了一種基于三維小波的視頻水印空時(shí)算法。n山東大學(xué)的孫建德博士等人利用獨(dú)立特征量提出一種新的盲視頻水印方案 n在

24、變換域嵌入水印，可以綜合利用人類視覺特性、視頻序列固有的時(shí)間和空間特性、頻域變換和通信領(lǐng)域的最新技術(shù)，來提高水印的魯棒性，而且算法不受具體編碼標(biāo)準(zhǔn)的約束（MPEG-2基于88塊，而MPEG-4基于對(duì)象），因此在變換域嵌入水印一直是研究的熱點(diǎn)。n12.5.2壓縮域視頻水印n壓縮域視頻水印算法包括針對(duì)MPEG壓縮域視頻的DCT系數(shù)加入水印，運(yùn)動(dòng)矢量水印以及其它壓縮域參數(shù)水?。槻繀?shù)水?。?。其中DCT系數(shù)中加入水印的方法又可根據(jù)部分解碼的程度分為系數(shù)域、VLC域以及比特位域水印算法。圖12.14 壓縮域的視頻水印算法分類圖12.15 DCT塊層中不同域的表示n1. DCT系數(shù)水?。↘&Z、DEW，

25、VLC）n在視頻信息的DCT系數(shù)中嵌入水印是主流的視頻水印方法，這類算法較成熟。通過改變DCT系數(shù)的關(guān)系來嵌入水印，德國(guó)國(guó)家信息技術(shù)研究中心的J. Zhao等人提出了一種基于分塊DCT系數(shù)關(guān)系的水印嵌入算法。 圖12.16 基于DCT系數(shù)關(guān)系的水印算法n另外，荷蘭Delft理工大學(xué)的G.Langelaar等提出利用DCT系數(shù)舍棄來構(gòu)造水印的差分能量水?。―ifferent Energy Watermarking）算法，是目前典型的壓縮域視頻水印算法之一。 圖12.17 差分能量水印算法基本原理圖nG. Langelaar等人利用LSB算法的思想，在MPEG碼流的VLC碼字中嵌入水印。 表12.

26、2 MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中的VLC碼對(duì)照?qǐng)D12.18 LSB視頻流水印過程nHartung 和 Girod主要側(cè)重于用于視頻指紋應(yīng)用的壓縮視頻水印算法研究。他們直接使用擴(kuò)展頻譜方法在視頻中嵌入一個(gè)加性水印。圖12.19為該視頻水印的嵌入過程示意圖，視頻流必須被解析，并且水印信號(hào)要進(jìn)行 DCT 變換處理。 圖12.19 H&G視頻水印方案n此外，山東大學(xué)向輝博士提出了一種DCT域的自適應(yīng)視頻水印算法，根據(jù)幀分類、運(yùn)動(dòng)分類和視頻內(nèi)容將視頻數(shù)據(jù)分類，并根據(jù)分類的結(jié)果在不同的區(qū)域嵌入不同強(qiáng)度的水印，從而提高了視頻數(shù)字水印的魯棒性。 n清華大學(xué)的吳國(guó)威教授等人對(duì)數(shù)字視頻廣播中的水印技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種

27、MPEG-2碼流域的視頻水印算法，考慮人眼視覺特性，通過對(duì)特定位置DCT系數(shù)進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。 n基于DCT系數(shù)的壓縮視頻水印充分結(jié)合視頻的編碼結(jié)構(gòu)，最大的優(yōu)點(diǎn)是保證了水印處理的實(shí)時(shí)性，而且易于針對(duì)MPEG壓縮處理預(yù)先設(shè)置水印的魯棒性強(qiáng)度（基于DCT系數(shù)關(guān)系的水印）。但大多水印算法基于8x8的塊結(jié)構(gòu)，對(duì)于同步攻擊（塊同步攻擊、空間幾何變形）較脆弱。n2. 運(yùn)動(dòng)矢量水印nAlpvision公司的Kutter等人在提出一種在壓縮視頻中的運(yùn)動(dòng)矢量中嵌入/提取水印的算法。 n上海交通大學(xué)的李介谷教授等人將這種對(duì)應(yīng)關(guān)系原則選擇性地應(yīng)用到具有最大幅值的運(yùn)動(dòng)矢量上。 n針對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量水印魯棒性改善，

28、歐洲電信的Yann bodo和Jean-Luc提出了一種基于分層結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)矢量水印。 n浙江大學(xué)的朱仲杰博士等人根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量的特征值，提出了一種運(yùn)動(dòng)矢量水印算法。 n運(yùn)動(dòng)矢量水印的大多數(shù)算法具有實(shí)時(shí)性、大容量、視覺質(zhì)量等特點(diǎn)，卻幾乎沒有考慮魯棒性（對(duì)碼率轉(zhuǎn)換）；少數(shù)針對(duì)魯棒性做了工作，但是在視覺質(zhì)量和實(shí)時(shí)性方面大打折扣。n3. 其它形式的壓縮視頻水?。槻繀?shù)水印等）nFrank Hartung早期提出的在MPEG-4的臉部運(yùn)動(dòng)參數(shù)中嵌入水印的算法，仍然采用了擴(kuò)頻通信的思想。n壓縮域算法一般實(shí)時(shí)性良好，而且易于做到對(duì)MPEG壓縮魯棒。其缺點(diǎn)是水印信息受MPEG編碼結(jié)構(gòu)限制，一旦解碼恢復(fù)到空間域

29、，或重新編碼，或經(jīng)受其它視頻處理（幾何失真等同步攻擊）后，水印的提取勢(shì)必會(huì)受到影響。12.6 DEW視頻水印算法實(shí)例n直接在原始視頻像素域加入水印的方法并不實(shí)用。鑒于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的視頻特點(diǎn)，一般會(huì)考慮對(duì)原始視頻做變換后，或者直接在壓縮視頻中嵌入水印信息。因此，我們介紹具有代表性的DEW視頻水印算法，該算法既能針對(duì)原始視頻在壓縮編碼過程中嵌入水印信息，也能直接面對(duì)MPEG壓縮視頻流添加水印。n12.6.1 DEW算法原理n差分能量水印算法將L位的水印信息(j =0,1,2, L, L-1)嵌入至MPEG 壓縮視頻碼流中的I幀。水印信息中的每一標(biāo)記位都有其特定的水印嵌入?yún)^(qū)域，由n個(gè)88亮度塊的D

30、CT系數(shù)矩陣組成。 n下面我們來說明水印嵌入的過程。通過在水印標(biāo)記區(qū)域中引入“能量差”將水印位被嵌入到視頻I幀中。所謂“能量差”即是指水印標(biāo)記區(qū)域中上半部分DCT 系數(shù)值(由區(qū)域A 表示)和下半部分DCT系數(shù)(由區(qū)域B表示)的“能量”差值。而“能量”則是指在水印嵌入?yún)^(qū)域中特定子集的DCT系數(shù)的平方和。該子集為圖12.20中的白色三角形區(qū)域，用S(c)表示。圖12.20 16個(gè) 88DCT 系數(shù)矩陣中能量差定義n我們定義在區(qū)域A中的8個(gè)DCT系數(shù)矩陣中S(c)區(qū)域的總能量為： （12-1）n區(qū)域S(c)的大小是由Z 形掃描DCT系數(shù)矩陣中臨界序號(hào)c來確定的，為： 212/0., ndcSiQdi

31、jpegAjpegQncE chhcS63. 1 （12-2） n適當(dāng)?shù)剡x擇臨界點(diǎn)對(duì)水印信息嵌入的魯棒性和不可見性都有非常大的影響，在下一節(jié)中將說明這個(gè)問題。此處，我們假定已經(jīng)選擇了合適的臨界序號(hào)，則區(qū)域A和區(qū)域B中的能量差D表示為：jpegBjpegAjpegQncEQncEQncD,（12-3） n定義標(biāo)記位值為能量差的符號(hào)值，即標(biāo)記位“0”定義為D0，而標(biāo)記位“1”定義為DD；而在區(qū)域B中，當(dāng)c=36時(shí),D。這就說明臨界序號(hào)的最小取值為35。由于需嵌入比特0，則區(qū)域B中臨界序號(hào)后的DCT系數(shù)值被置為零。DQngEDQngEgccDQncjpegBjpegAjpeg,63. 1max,ma

32、x),(minmin（12-6） 圖12.23 將b00嵌入n=2的水印嵌入?yún)^(qū)域n在已嵌入水印信息的視頻圖像中提取比特時(shí)，我們需再次找回臨界序號(hào)c值。首先，需計(jì)算當(dāng)c=1 ，63時(shí)所有的能量值和。在水印嵌入的過程中，區(qū)域A或B中的部分DCT系數(shù)被置為零，因而先找到在區(qū)域A和B中使得式12-3計(jì)算所得的能量值大于D的最大Z形編碼的序號(hào)值。而實(shí)際的臨界序號(hào)值可由下式確定：n2. 算法的流程描述及實(shí)驗(yàn)n（1）水印嵌入過程：欲將水印信息L中的嵌入壓縮視頻碼流的I 幀圖像，則n 確定n/2個(gè)88的DCT塊的水印嵌入A區(qū)域；n 計(jì)算臨界序號(hào)c值：,63. 1max,63. 1maxmax,DQngEgDQngEgDQncjpegBjpegAjpeg（12-7） n 如果=0，則將區(qū)域B中S(c)內(nèi)的DCT 系數(shù)置為0；如果=1，則將區(qū)域A中S(c)內(nèi)的DCT系數(shù)置為0；確定n/2個(gè)88的DCT塊的水印嵌入B區(qū)域；n（2）水印提取過程欲從已嵌入水印的視頻幀圖像中提取出水印信息位，則n 確定n/2個(gè)88的DCT塊的水印嵌入A區(qū)域； 確定n/2個(gè)88的DCT塊的水印嵌入B區(qū)域；DQngEQngEgccDQncjpegBjpegAjpeg,63. 1max,max),(minmin其中 212/0, ndcSiQdijpeg