視頻圖像水印技術(shù)

視頻圖像水印技術(shù)7.1視頻水印的介紹視頻水印顧名思義就是加載在數(shù)字視頻上的水印，其目的主要是對數(shù)字視頻作品進行版權(quán)保護，從而確保版權(quán)所有者的合法利益。在現(xiàn)實生活中，數(shù)字視頻(如VCD、DVD、VOD)已成為大眾生活中不可或缺的娛樂方式，而相應(yīng)的版權(quán)保護技術(shù)尚未發(fā)展成熟，這就使得以數(shù)字水印為重要組成部分的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護技術(shù)的應(yīng)用研究更為迫切。第2頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-1數(shù)字視頻水印在VOD中的應(yīng)用第3頁,共67頁，2024年2月25日，星期天視頻水印同樣也可以用于軍事保密或商業(yè)保密，這屬于信息隱藏的范疇。一般情況下，為了保護國家的安全利益，政府部門都對公民傳遞秘密載體進行限制。但發(fā)送者為了逃避這種限制，就可以把秘密信息(如軟件、圖像、數(shù)據(jù)、文本、音頻、視頻)嵌入到公開的視頻中，只有合伙人才能根據(jù)事先約定的密鑰和算法提取出隱藏的信息，而其他人(第三方)無法覺察到隱藏的水印，從而實現(xiàn)秘密信息的安全傳輸。第4頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.2視頻水印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用視頻水印的發(fā)展基本上是與圖像水印的發(fā)展同步的，從提出圖像水印概念開始，視頻水印概念也隨之提出，隨著近幾年來DVD等視頻產(chǎn)品的迅速普及，反而對視頻水印產(chǎn)品的要求更為迫切。第5頁,共67頁，2024年2月25日，星期天視頻水印研究是水印技術(shù)研究方向的一個熱點，隨著網(wǎng)絡(luò)多媒體的快速發(fā)展，數(shù)字視頻產(chǎn)品(如VCD、DVD、VOD)變得越來越普及，幾乎將要滲透到每個家庭，使得以數(shù)字水印為重要組成部分的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護技術(shù)的市場需求更加迫切。第6頁,共67頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字視頻源數(shù)據(jù)一般都被壓縮為MPEG-1和MPEG-2后才用來存儲和傳播的，比如運用到DVD和VOD系統(tǒng)上。為了防止盜版和侵權(quán)，可以在以上系統(tǒng)中采用數(shù)字水印技術(shù)，條件是數(shù)字視頻水印必須能夠抵抗包括MPEG壓縮在內(nèi)的各種攻擊。第7頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.3視頻水印的主要特征由于數(shù)字視頻是連續(xù)播放的，相鄰畫面之間內(nèi)容有高度的相關(guān)性，并且還存在動態(tài)編解碼的過程。因此視頻水印與圖像水印在某些要求上有明顯的不同，它還有一些圖像水印不具備的特征，但總的特征可以概括為：第8頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

(1)安全性：即水印被嵌入視頻后，非授權(quán)人不能將其刪除掉。

(2)穩(wěn)健性：視頻水印應(yīng)該能抵抗無意或故意的攻擊，這些攻擊包括信號疊加、濾波、剪切、編碼、壓縮、模數(shù)轉(zhuǎn)換和回放等。

(3)計算復(fù)雜度：計算復(fù)雜度的核心是確保水印的實時性和可操作性。

(4)視頻速率的恒定性：即水印加入后不能增加視頻比特流的速率，必須服從傳輸信道規(guī)定的帶寬限制。第9頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

(5)同步檢測機制：提取水印時應(yīng)有嚴(yán)格有效的同步檢測機制來確保水印的正確恢復(fù)。

(6)快速嵌入/檢測：因為視頻的數(shù)據(jù)量大而且有實時性的要求，所以算法必須在很短的時間內(nèi)完成。

(7)盲檢測：水印檢測原則上不能用原始視頻數(shù)據(jù)，這是因為在檢測時使用原始視頻會大大增加運算復(fù)雜度，而且利用原始視頻來檢測水印也是不現(xiàn)實的。

(8)水印容量：對于視頻水印，我們規(guī)定水印容量為在單位時間內(nèi)嵌入水印信息的數(shù)據(jù)量。第10頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.4視頻水印的模型通過分析現(xiàn)有的數(shù)字視頻編解碼系統(tǒng)，可以將目前基于MPEG視頻水印分為以下幾種視頻水印的嵌入與提取方案模型，如圖7-2所示。第11頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-2不同的MPEG視頻水印系統(tǒng)模型第12頁,共67頁，2024年2月25日，星期天視頻水印嵌入方案一：水印直接嵌入到原始視頻流中。此類方案的優(yōu)點是：水印嵌入的方法比較多，原則上數(shù)字圖像水印方案均可以應(yīng)用于此。缺點是：

(1)會增加視頻碼流的數(shù)據(jù)比特率；

(2)經(jīng)MPEG-2壓縮后會丟失水??；

(3)降低視頻質(zhì)量；

(4)對于已壓縮的視頻，需要先進行解碼，然后嵌入水印后再重新編碼。第13頁,共67頁，2024年2月25日，星期天視頻水印嵌入方案二：水印嵌入到編碼階段離散余弦變換(DCT)域中的量化系數(shù)中。此類方案的優(yōu)點是：

(1)水印僅嵌入在DCT系數(shù)中，不會增加視頻流的數(shù)據(jù)比特率；

(2)易設(shè)計出抵抗多種攻擊的水印，但缺點是會降低視頻的質(zhì)量，因為一般它也有一個解碼、嵌入、再編碼的過程。第14頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.5視頻水印的分類數(shù)字視頻水印是利用視頻數(shù)據(jù)中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)與隨機性把表征版權(quán)的信息(如文字、圖像、視頻)嵌入到視頻自身的數(shù)據(jù)中，從而起到保護數(shù)字視頻產(chǎn)品版權(quán)或完整性的一種技術(shù)。理想的數(shù)字視頻水印方案應(yīng)該是只有版權(quán)所有人才可以加載水印，但任何使用者都可以對其進行驗證的水印方案。第15頁,共67頁，2024年2月25日，星期天可以從不同的角度對數(shù)字視頻水印進行分類。我們知道，數(shù)字視頻水印的提取過程與圖像水印的提取過程有很大的不同，圖像水印的提取過程是靜態(tài)的，而視頻水印的提取過程在時間上是連續(xù)的，它是在連續(xù)幀上進行提取的，提取出的水印可以是文字、圖像、連續(xù)語音信號和同時可播放的視頻信號，因此可以根據(jù)嵌入視頻水印的內(nèi)容不同將其分類。第16頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.6MPEG壓縮視頻標(biāo)準(zhǔn)簡要介紹為了節(jié)約數(shù)據(jù)存儲空間和便于傳輸，視頻的主要存在模式是壓縮格式的，因此視頻水印也在很大程度上是與壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)緊緊聯(lián)系在一起的。當(dāng)今視頻壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、ITU-T的H.261和H.263等，都采用混合編碼(HybridCoding)。第17頁,共67頁，2024年2月25日，星期天在介紹水印技術(shù)之前，我們先簡單地介紹一下MPEG視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)［5］。在MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)流是以多路復(fù)合流的格式存儲和傳輸?shù)?。多路?fù)合流由音頻流和視頻流復(fù)合組成。多路復(fù)合流的基本單位是包(Pack)，而一個包由三個組(Group)組成。組分為視頻和音頻組，在此我們只介紹視頻組。它采用分層的語法(LayeredSyntax)定義，每一層包括一個或多個從屬層(下層)。其結(jié)構(gòu)如圖7-3所示。第18頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-3MPEG分層結(jié)構(gòu)第19頁,共67頁，2024年2月25日，星期天由于視頻流被分成多個圖片組(GOP)，每個組包含特征相近的一些圖像幀的集合，幀又被分成畫面，再分為宏塊。畫面內(nèi)編碼的基本單位是宏塊，一個宏塊由6個8×8像素塊構(gòu)成：四個亮度塊Y0、Y1、Y2、Y3，一個色度塊U，一個色度塊V。注意，四個亮度塊覆蓋的畫面區(qū)域與每個色度塊覆蓋的畫面區(qū)域是相同的，原因是由于色度信息的信息量比亮度信息少，為了提高數(shù)據(jù)壓縮率而對色度信息作了適合人類視覺系統(tǒng)靈敏度的亞采樣。圖7-4是一個MPEG編碼器進行視頻編碼的基本框圖。第20頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-4簡化的視頻編碼器框圖第21頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

MPEG視頻壓縮編碼的目的是為了在保持較好畫面質(zhì)量的同時獲得較高的壓縮比。由于在編碼過程中不能保持精確的像素值，所以該算法是有失真的(notlossless)，視頻壓縮的最優(yōu)性能依賴于高質(zhì)量畫面、高壓縮比與數(shù)據(jù)流讀取三者之間矛盾的折衷。原始視頻信號的數(shù)據(jù)量非常大，不利于存儲和傳輸，所以視頻信號需要進行數(shù)據(jù)壓縮。第22頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-5時域畫面結(jié)構(gòu)的例子第23頁,共67頁，2024年2月25日，星期天因為要提高壓縮比，就必須去掉視頻圖像中大量的冗余信息。去掉冗余有效的辦法就是采用預(yù)測編碼。為此，定義了三種主要的畫面類型：

(1)幀內(nèi)編碼畫面(I畫面)：不參考其他任何畫面而獨立編碼。

(2)預(yù)測編碼畫面(P畫面)：它相對于前面一幅幀內(nèi)畫面或預(yù)測編碼畫面進行有運動補償?shù)念A(yù)測編碼，且通?？梢宰鳛楹罄^預(yù)測畫面的參考畫面，它的編碼效率較高。第24頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

(3)雙向預(yù)測編碼畫面(B畫面)：它需要前向和后向的參考畫面作運動補償，它的壓縮程度是最高的，B畫面永遠不被用作預(yù)測的參考畫面。這三種類型的畫面在一個視頻序列中的組織是非常靈活的，這由編碼器決定，并依賴于應(yīng)用的要求。圖7-5說明了三種不同類型畫面之間的關(guān)系。第25頁,共67頁，2024年2月25日，星期天我們把圖7-6中的ZigZag排序、行程編碼、霍夫曼編碼這三步稱為VLC(可變長編碼)。應(yīng)當(dāng)指出的是，行程編碼是對行程長度和級別(量化值)的組合進行編碼，碼字是一個二維數(shù)組。圖7-7舉例說明了對8×8像素塊的DCT量化系數(shù)矩陣進行的VLC編碼過程。第26頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-68×8像素塊的編碼過程第27頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7–7VLC編碼示意圖第28頁,共67頁，2024年2月25日，星期天通過以上對MPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)的簡單介紹，我們了解到如果要在壓縮過的視頻上實時嵌入和提取水印，最好是把水印算法與MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)緊緊聯(lián)系在一起，這樣可以節(jié)約大量的計算時間(如DCT變換、DCT逆變換和運動矢量計算等)。水印算法應(yīng)設(shè)計在視頻流的最底層，即8×8像素塊的編碼部分，這樣只需要對視頻流進行可變長編解碼和重新量化這兩步運算，相應(yīng)的水印方案如圖7-8所示。第29頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-8在DCT系數(shù)域中嵌入、檢測水印第30頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.7視頻水印的嵌入和提取

7.7.1基于擴頻思想的視頻水印技術(shù)

1.在未壓縮視頻中嵌入水印在原始視頻(未進行壓縮編碼)嵌入水印，如果對水印信號不作任何預(yù)處理，直接將其疊加在視頻流各幀的像素域上，這種算法簡單直接，但不具備實用性。因為這樣的視頻水印方案是很不穩(wěn)健的，對最簡單的諸如濾波、增強、加噪聲等攻擊沒有抵抗能力。第31頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

1)水印的嵌入我們知道，連續(xù)圖像(視頻)是一個三維信號，其中由二維表示空間上的圖像，一維表示圖像在時間上的連續(xù)。為了討論方便，我們假設(shè)視頻為線掃描的在時間上連續(xù)的一維信號，如圖7-9所示。第32頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-9視頻畫面序列的線掃描第33頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-10在視頻中嵌入水印第34頁,共67頁，2024年2月25日，星期天在實際運用中，伸縮因子可以根據(jù)當(dāng)前圖像幀的局部特征和人類視覺系統(tǒng)的掩蔽效應(yīng)做相應(yīng)的大小調(diào)整，在保證水印不可覺察的情況下，使αi最大，這樣可以增強水印抗攻擊的能力。一般來說，在視頻圖像的不易引起注意的區(qū)域能夠嵌入更多的水印信息，比如在圖像的細(xì)節(jié)區(qū)域和圖像中有剪切的邊界，我們可以利用視覺模型使得圖像水印中的數(shù)據(jù)嵌入率最高，但對于視頻水印來說，通常情況下一個較低的水印嵌入速率就可以了，因為用視覺模型來嵌入水印會大大增加算法的復(fù)雜度，所以在添加視頻水印時不需要考慮這個問題。圖7-11用可視化的方式描述了嵌入過程。第35頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-11擴頻水印的實例第36頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

2)水印的提取水印的提取通過把嵌入水印的視頻流與相同的偽隨機序列作相關(guān)運算，根據(jù)相關(guān)值的大小來判定水印的比特值。水印的提取框圖如圖7-12所示。第37頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-12擴頻水印的一般提取框圖第38頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

2.已壓縮視頻中嵌入水印基于擴頻的壓縮視頻水印算法相對較多，下面我們介紹兩個比較典型的例子。一個是比較簡單的算法。該算法把水印擴頻后的DCT直流系數(shù)直接加到視頻的DCT系數(shù)的直流分量上去(DC-DCT)。水印只加到幀內(nèi)編碼畫面(I畫面)的亮度系數(shù)上去。水印的嵌入過程分為以下四步：第39頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第一步：產(chǎn)生一個含有整數(shù){-1，1}的偽隨機噪聲圖案W(x,y)，此圖案與I畫面有相同維數(shù)。第二步：用水印信號的信息位調(diào)制偽隨機噪聲圖案(擴頻)得到擴頻水印信號，并乘上一個大小合適的伸縮因子，再將擴頻水印信號分塊(8×8)做DCT變換。第三步：將壓縮的視頻流中I畫面中的VLC進行解碼，得到8×8像素塊的DCT系數(shù)。第四步：把每塊水印信號的DCT直流分量加到與I畫面相同位置的塊的DCT直流分量上。第40頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第一步：把對應(yīng)的DCT直流分量直接相加。(7-9)第二步：在視頻流中找出每一塊(Block)中的DCT系數(shù)的VLC碼，解碼得到行程長度和級別，由此可以計算出這些非零的DCT系數(shù)在Zig-Zag排序中的位置i和它的幅值。令為新的DCT系數(shù)。(7-10)第三步：重復(fù)上述過程，直到遇到數(shù)據(jù)塊結(jié)尾碼。第41頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-13嵌入水印后的畫面對比第42頁,共67頁，2024年2月25日，星期天在嵌入水印時，還應(yīng)當(dāng)加上一個漂移補償信號C(i)，此信號應(yīng)等于畫面添加水印前后的預(yù)測值之差。(7-12)加上這個漂移補償信號之后的不利因素是它增加了計算復(fù)雜度。一個完整的系統(tǒng)框圖如圖7-14所示。第43頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-14MPEG-2壓縮視頻嵌入水印方案第44頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

7.7.2基于參數(shù)替換的視頻水印技術(shù)

1.VLC修改算法在前面章節(jié)中我們介紹了修改最不重要位(LSB)的方法來嵌入水印，這種方法可以嵌入較多的水印信息，如果是對未壓縮過的視頻流，它的計算量非常小，但如果對壓縮過的視頻流，則要進行全部解碼以后才能進行水印嵌入，相應(yīng)的計算量就很大。第45頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

1)水印的嵌入假設(shè)要嵌入的水印序列為bj(j=0,1,2,…,l-1)包含l個比特，嵌入時，我們選擇視頻流中特定的VLC(可變長碼字)，將它的最不重要位(LSB)用bj來替換。為了保證對VLC的修改不會改變視頻播放的速率并且不會引起可以察覺的失真，選擇可以相互置換的兩個VLC碼應(yīng)當(dāng)滿足以下三個條件：

(1)相同的行程長度(Runlength)。

(2)級別(幅度)差值為1(Level)。

(3)相同的VLC碼長。第46頁,共67頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)MPEG-2編碼標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)每個DCT系數(shù)，都有相應(yīng)的VLC碼字與之對應(yīng)。一對符合上面要求的VLC碼被稱為可標(biāo)記VLC碼對。表7-1列出部分可標(biāo)記VLC碼對。變長碼中最后一位“s”是表示極性的符號：0表示正極性，1表示負(fù)極性。第47頁,共67頁，2024年2月25日，星期天表7-1可置換VLC碼對的例子第48頁,共67頁，2024年2月25日，星期天用LSB方法將水印比特序列bj嵌入到MPEG視頻流中的過程如下：掃描每一個宏塊中的VLC碼，如果找到一個可標(biāo)記VLC碼，解碼后得到幅度值，判斷幅度值的最不重要位：

(1)如果它的最不重要位(LSB)與水印比特bj不等，則用與之配對的VLC碼替換。

(2)如果它的最不重要位(LSB)與水印比特bj相等，則不作替換。

(3)重復(fù)以上兩步直到水印信息比特全部嵌入后結(jié)束。圖7-15給出了隱藏三個水印比特的示意圖。第49頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-15VLC水印舉例第50頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

2)水印的提取水印提取的過程也很簡單，與嵌入時一樣，掃描每個宏塊的VLC碼，若找到一個可標(biāo)記VLC碼，它的最不重要位(LSB)就代表當(dāng)前的水印信息bj，并記錄這個比特。依次做下去，直到找不到可標(biāo)記VLC碼時結(jié)束。第51頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-16視頻“綿羊”的八個畫面第52頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

3)結(jié)果分析前面我們介紹了一種視頻水印方法，下面給出了這種算法的一個實例。在此例中，有一個長10s、720×560像素的“綿羊”原始視頻序列，它包含了I畫面、B畫面、P畫面，共有12個圖片組，每秒播放25幀。這些畫面包含有平坦區(qū)域和紋理豐富的區(qū)域。圖7-16給出了這個序列的部分幀。第53頁,共67頁，2024年2月25日，星期天表7-2幀內(nèi)編碼畫面(I畫面)的測試參數(shù)第54頁,共67頁，2024年2月25日，星期天表7-3為在所有的I畫面、P畫面、B畫面中的結(jié)果參數(shù)，其中VLC碼總數(shù)包括所有的I畫面、P畫面和B畫面中的DCT系數(shù)編碼的VLC數(shù)目。由此可以看出，隱藏水印的最高速率為29kb/s。第55頁,共67頁，2024年2月25日，星期天表7-3所有畫面(I畫面、P畫面、B畫面)的試驗參數(shù)第56頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-17嵌入水印后的對照結(jié)果第57頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

4)性能評價這種方法具有以下優(yōu)點：方法本身計算簡單，速度快，易于實現(xiàn)；視頻信號里可編碼的數(shù)據(jù)量大，可以隱藏較多的信息，其最大速率為每秒視頻流中出現(xiàn)的可置換VLC碼的個數(shù)，并且這個速率是變化的，最高可以達到29kb/s；它還可以采用流加密方式分別對水印數(shù)據(jù)本身和嵌入過程進行加密，其安全性完全依賴于密鑰；由于嵌入水印后對于一幅畫面的像素值改變很小，幾乎不需要作漂移補償。第58頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

2.差分能量水印(DEW)算法

Langelaar等提出了一種基于有選擇地丟棄部分壓縮視頻畫面中的高頻DCT系數(shù)來嵌入水印的方法。在嵌入水印信息位以前，圖像中的8×8DCT塊的位置根據(jù)密鑰隨機地置亂，如圖7-18所示。第59頁,共67頁，2024年2月25日，星期天圖7-18按8×8塊隨機置亂的I畫面DCT系數(shù)圖案

第60頁,共67頁，2024年2月25日，星期天為了易于確定視頻流中畫面的高頻能量，我們把DCT系數(shù)塊中量化的高頻分量記作S(c)，它是在Zig-Zag掃描后按頻率重排后DCT系數(shù)中序號大于c的元素集合，即

S(c)={i∈{0,63}|(i＞c)}(7-13)

承載區(qū)域A中的頻域中的高頻能量EA的定義如下(7-14)(7-16)(7-15)第61頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

1)嵌入水印過程水印信息位是按能量差分D編碼的。D＞0時,信息比特位為0;D＜0時