5视频信息隐藏与水印算法数字水印基础教程

33
方案二——基于视频编码

E. Koch（1995）提出了一种基于分块DCT变换 的水印嵌入算法，用于静止图象水印

将图象按8×8的块进行分割并作DCT变换，接着利 用伪随机的方法选出所有DCT块的一个子集，对这 一子集中的每一个块进行嵌入



以上方法针对视频的I帧图象，因为I帧是帧内 编码，可以用静止图象水印方案 对于前向预测P帧，根据P帧和参考的I或P帧关 系，通过修改冗余掩膜嵌入水印 对于双向预测B帧也类似
17
视频水印的分类

按照水印技术适用的视频载体分类



基于MPEG1或MPEG2标准：如在未压缩域 对视频帧进行水印嵌入，或者在视频压缩 编码中进行嵌入修改，也有直接将水印信 息嵌入到压缩码流中 基于MPEG4标准：先提取视频对象，然后 选择视频对象的部分属性作变换，嵌入水 印 基于其它压缩标准的视频

应与视频编码标准相结合

3
视频水印的应用

版权保护 隐含标识 信息认证 隐蔽通信 完整性保护
4
应用例1

DVD版权保护系统

DVD防拷贝系统 水印信息包含：禁止拷贝、允许一次拷贝、 允许N次拷贝
5
应用例2

视频点播（VOD）管理系统
VOD 服务器 MPEG-2 视频流 加 密 信 道 解 密
36
方案三——基于压缩视频流



Jordan提出的算法是将水印信息以一种 伪随机方式嵌入到运动矢量中 必须选择指向平坦区域的运动矢量，因 为这样修改运动矢量后，该矢量所指的 区域不会产生可视的修改痕迹 在视频流解压缩前，水印信息可以从运 动矢量中直接提取
13

画面插补


编码后的视频流




由相互间有预测和生成关系的一组I、B、 P图象构成 头一帧图象总是I帧，用于视频随机访问 同步，其压缩比属于中等 P帧称为前向预测帧，由前面的I图象或 P图象进行预测得到，压缩率较高 B帧称为双向预测帧，同时由前面的I或 P图象及后面的P图象或I图象预测得到， 14 压缩率较高，含场景突变信息
9


MPEG-2视频被描述为一系列连续的画面， 而每幅画面看成是二维的象素阵列。每 个象素的彩色表示包含三个分量，Y（亮 度）和两个色度分量Cb、Cr 数字化视频的压缩主要是基于以下几种 技术：色度信息的子采样，量化，运动 补偿，基于DCT的频率变换，可变长编码 VLC和画面的插补
10

色度信息的子采样
35
方案三——基于压缩视频流




直接将水印信息嵌入到MPEG-2压缩码流中 适用于不能直接介入视频编码过程，而只能得 到编码视频流的场合 例如，在第三方制作的编码视频流中嵌入版权 信息 这种方案最大的优点在于不需完全解码和再编 码过程，因此造成的对视频信号的影响较小 但视频系统对视频压缩码率的约束将限制作为 水印的嵌入信息量，同时可能对运动补偿环路 造成影响
31

在预测误差中嵌入水印

由于MPEG压缩对P帧和B帧的保护不如对I帧 的保护，随着压缩比例的增大，预测误差数 据的丢失也增大，所以这种嵌入方案嵌入量 不大，对数据比特率的改变敏感
32

在运动信息中嵌入水印


文献提出可通过适量修改运动矢量来嵌入 水印信息。为增强水印的鲁棒性和不可见 性，提出水印只嵌入在幅值较大的运动矢 量中，而且只改变使运动矢量相位变化小 的运动矢量分量 由于运动矢量反映的是当前编码帧中被预 测宏块与参考帧中最佳匹配宏块的运动位 移信息，与宏块的具体内容无关，因此， 这类嵌入方法能很好的抵抗对视频内容的 攻击
视频数字水印技术

对视频水印的要求



不可感知性 稳健性 复杂度（提取和检测应达到实时） 考虑视频的压缩编码 加入水印不应增加视频流码率 盲检测：水印检测时不应需要原始视频
15
视频水印的分类

按水印技术是否与内容相关分类

第一代视频水印：与视频内容无关

MPEG1和MPEG2：帧内图I、预测图P、双向预测图 B MPEG4标准首次以视频对象（Video Object）概 念来实现基于内容的表示，视频对象主要被定义 为画面分割出来的不同物体，通过运动信息、形 状信息、纹理信息来描述
用户机顶盒 视频流 解密 电 视 录像机
水印1（版权标识）
水印2（用户ID）
非法拷贝
6
应用例2

嵌入版权标识和用户标识两个水印


版权标识：在服务器端，水印系统将视频产 品的版权信息嵌入到视频之中，达到标识视 频作品版权的目的 用户标识：将不同的客户标记嵌入到用户点 播的视频码流中，实现信息追踪管理的目的

频率变换

将图象按8×8分块做DCT，得到8×8的频域系数 矩阵 如果解码器要从前一幅和后一幅图象来重构一幅 图象，那么中间的图象就可以通过插补的技术， 即双向预测来重构 中间图象的象素块的值可以进行前向预测和后向 预测，也就是通过运动矢量把已知象素块作平移 而获得，解码器可以将前后图象的预测值的平均 值作为指定块的象素值
18
视频水印算法

视频水印嵌入和提取方案
MPEG-2编码器 压缩 码流
原始视 频码流
MPEG-2解码器
重建视 频码流
水印嵌 入方案1
水印嵌 入方案2
水印嵌 入方案3
水印提 取方案3
水印提 取方案2
水印提 取方案1
19
方案一

在原始视频流中嵌入水印


优点：水印嵌入方法多，原则上图像水印方 案均可应用于此，算法成熟，有稳健性水印、 脆弱性水印等，可用于多种目的 缺点：
21
方案三

在视频压缩码流中嵌入水印



优点：没有解码和再编码的过程，提高了水印嵌入 和提取的效率 缺点：压缩比特率的限制限定了嵌入水印的数据量 的大小，嵌入后效果可能有可察觉的变化 基本要求：(1 )水印信息的嵌入不能影响视频码流 的正常解码和显示；(2 )嵌入水印的视频码流仍满 足原始码流的码率约束条件；(3 )内嵌水印在体现 视觉不易察觉性的同时，能够抗有损压缩编码
34
方案二——基于视频编码
Baidu Nhomakorabea
Chung等（1998）提出的水印主要针对 图象序列中Ｉ帧


嵌入过程在DCT域进行，算法依据每个8×8 像块的能量将所有块进行自适应分类，对不 同类选取不同的嵌入强度 利用嵌入模板来控制信息嵌入点 在提取算法中，以含水印的已解码视频码流 为输入，利用经嵌入调整的系数和特定的PN 序列的相关性进行水印鉴别
数字视频水印的性能要求



盲检测：由于视频信息量大，水印提取过程 要求保留原始视频信息几乎是不可能的 实时性：要求算法简单，速度快 对视频水印的攻击特殊：


帧删除、帧插入、帧重组等视频编辑处理 统计平均攻击（对局部连续的帧求平均，以消除 水印） 共谋攻击：从单个帧中估计出水印，再从每帧中 减去水印（如果在所有帧中嵌入相同的水印） MPEG-1,MPEG-2和MPEG-4
29
视频序列 GOP(随机访问单元)
I
B B P
B
B P
B
B I
B B 嵌入位置 2
Y
当前帧
被匹配宏块 匹配宏块 最佳匹配宏块 运动矢量
求 差 值
0 2
1 3
Cb Cr 4 5
DCT,量化,扫描,RLE
预测误差宏块 DPCM
d (d x , d y )
Huffman 编码
比特流
参考帧
嵌入位置 3


经过视频编码处理后，会造成部分水印信息丢失， 给水印的提取和检测带来不便； 对于已压缩的视频，需先解码，嵌入水印后，再 重新编码，算法运算量大、效率低，防攻击能力 差。
20
方案二

在视频编码器中嵌入水印



通过修改编码阶段的DCT域中的量化系数， 并且结合人类视觉特性嵌入水印 优点：①水印仅嵌入在DCT系数中，不会增 加数据比特率；② 易设计出抗多种攻击的 水印 缺点：存在误差积累，嵌入的水印数据量低， 没有成熟的三维时空视觉隐蔽模型
16

第二代视频水印：基于内容的视频水印

视频水印的分类

按照水印嵌入的策略分类



在未压缩域中：移植静止图像的水印技术，结合 视频帧结构特点，形成适用于视频的水印方案 在视频编码器中：通过修改变换域系数，能得到 较好的视频质量和较强的水印抗攻击能力，同时 不会增加数据比特率 在视频码流中：最大优点就是不需要完全解码和 再编码，提高了水印嵌入和提取的效率，但是能 够嵌入的水印容量受到较大的限制，而且水印的 嵌入有可能对视觉产生影响
Y 0 2 图像 基本编码单元 条 重同步单元 1 3 Cb Cr 4 5 RLE 块(8×8) DCT 量化 扫描 DPCM DC 系数 Huffman 编码 比特流
宏块(16×16) 运动补偿单元
嵌入位置 1
AC 系数


P帧和B帧在帧数上占视频序列的绝大部 分，其数据主要是两部分：预测误差数 据和运动信息数据，因此在P帧和B帧中 嵌入水印可利用这两部分数据 在预测误差中嵌入水印（嵌入位置2） 在运动信息中嵌入水印（嵌入位置3）
23
方案一——原始视频水印

空域（Kailer等，1999）




将视频看成一系列静止图象，在若干个连 续帧中嵌入相同的水印 利用了扩频思想，水印是一个加性噪声 水印嵌入时，根据图象纹理特性采用不同 的嵌入强度 水印检测时，为了提高检测效果，先对嵌 入了水印的信号进行匹配滤波，去除像素 间的相关性以提高检测效率，最后计算相 关值

可以在发送端完成 也可以在客户端的机顶盒上完成
7
数字视频编码标准MPEG-2

基本原理

对各种图象数据冗余度及视觉冗余度的压缩， 包括统计冗余度的压缩，空间冗余度的压缩， 时间冗余度的压缩和视觉冗余度的压缩
8
MPEG-2编码器方框图
差值图像 视频 （模拟） 视频 ADC 预处理 DCT 量化 反量化 反DCT 预测器 运动检测 码率 控制 VLC 缓存器 压 缩 视 频 比 特 流
24
方案一——原始视频水印

变换域


将视频流看成一个三维信号（两维在空间上， 一维在时间上），水印嵌入在三维变换域中 常用的变换域有：DCT、DFT、DWT、分形 域、哈达玛变换域等
25
方案一——原始视频水印

变换域



Swanson等(1998)提出采用三维小波变换的水印方 案 视觉上类似的区域，即来自同一个场景的帧，嵌入 一个相同的水印 小波的多分辨率的特性，使得水印存在于多个时域 分级。时域嵌入时，对不同分辨率的信号分别利用 空间掩盖效应、频率掩盖效应以及时间域特性动态 地控制水印信息嵌入，增强其不可见性和抗攻击能 力
5.3 视频信息隐藏与水印算法
1
数字视频水印的性能要求


视频序列可以认为是由一系列连续的静 止图象在时间域构成的序列，因此视频 水印技术与静止图象水印技术在应用模 式和设计方案上具有相似之处 但是，视频序列与静止图象之间存在着 一定区别，使得视频水印除了应具有静 止图象水印的一般特点（如安全性、可 靠性、鲁棒性、不可感知性）外，还必 须具有一些特殊要求 2
22
方案一——原始视频水印

空域（Hartung等，1996，1998）



将视频序列从左到右、从上到下以及时间 上的先后顺序进行扫描，变成一个一维信 号 再将水印信号扩展、放大和调制，得到一 个伪随机序列 利用人眼的视觉掩盖效应，在空间域精确 地控制嵌入水印信息的嵌入幅度，使其在 满足不可见性条件下具有抵抗有损压缩的 能力
26
方案二——基于视频编码


水印的嵌入和提取过程是在视频编解码 器中进行，适用于可以直接介入视频编 码过程的情况 例如，采用自己的编码器，对摄像头捕 捉的原始视频流进行编码
27
方案二——基于视频编码

根据嵌入帧类型的不同，又可分为三种 情况

I帧嵌入 P帧嵌入 B帧嵌入

或分为两种情况

HVS对图象的亮度分量最敏感，因而Y象素 以满分辨率编码。对于色度分量，HVS不是 很敏感，可通过与平滑处理过程相结合 在很小的一个空域内象素值的变化不会太大， 对差值进行编码

预测编码

11

运动补偿



通过对一幅已知画面中的相邻象素值的块 进行重定位来达到对另外一幅图象中的一 块象素值进行预测的目的 运动被描述成一个二维的矢量，该运动矢 量指明从先前已解码图象的什么地方去检 测一块象素来预测当前块中的象素值 这种技术基于以下事实，即相同场景下短 画面序列中，大部分物体在同一位置保持 不变，只有部分物体移动很短的距离 12


无运动预测补偿的I帧嵌入 有运动预测补偿的P帧和B帧嵌入
28



由于MPEG-2对I帧的处理类似于图像的 JPEG压缩，所以在I帧中嵌入水印大多是 通过修改DCT系数来实现（嵌入位置1） 相对于P帧和B帧，I帧的数据量大，单帧 可嵌入的水印量要远大于P帧和B帧 但是I帧个数少，所以仅在I帧中嵌入水印 时嵌入总量相对不大