《信号处理》课件06.2 视频信息隐藏与水印算法.pptx

1、数字视频水印的性能要求n视频序列可以认为是由一系列连续的静止图像在时间域构成的序列，因此视频水印技术与静止图像水印技术在应用模式和设计方案上具有相似之处 n但是，视频序列与静止图像之间存在着一定区别，使得视频水印除了应具有静止图像水印的一般特点（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 1数字视频水印的性能要求n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 n实时性：要求算法简单，速度快n对视频水印的攻击特殊：n帧删除、帧插入、帧重组等视频编辑处理 2数字视频水印的性能要求n对视频水印的攻击特殊：n统计平均攻击（对局部连续的帧求平均，以消除水

2、印）n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）n应与视频编码标准相结合nMPEG-1,MPEG-2和MPEG-4n加入水印不应增加视频流码率n视频水印采用变长编码，嵌入水印不应该改变视频流码速率。34视频水印的应用n版权保护n隐含标识n信息认证n隐蔽通信 n完整性保护5应用例1nDVD版权保护系统 nDVD防拷贝系统 n水印信息包含：禁止拷贝、允许一次拷贝、允许N次拷贝6应用例2n视频点播（VOD）管理系统 MPEG-2视频流用户机顶盒水印2（用户ID）非法拷贝水印1（版权标识）VOD服务器加密信道解密视频流 解密电视录像机7应用例2n嵌入版权标识和用

3、户标识两个水印n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 n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 n可以在发送端完成n也可以在客户端的机顶盒上完成 数字视频编码标准MPEG-2 n压缩编码需求n原始视频：160Mbpsn1G硬盘存储量100分钟n会议电话384kbps，1秒视频7分钟n卫星通信数字电视6Mbps，1秒视频26秒n压缩数据满足应用需求nMPEG-1:1.2MbpsnMPEG-2:DVD(4-8Mbps)HDTV(10-15Mbps)89数字视频编码标准MPEG-2 n基本原理n对各种图像数

4、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 10nMPEG-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、Crn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 11n色度信息的子采样 nHVS对图像的亮度分量最敏感，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n预测编码 n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12n运动补偿

5、n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像中的一块象素值进行预测的目的 n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像的什么地方去检测一块象素来预测当前块中的象素值 n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 13n频率变换n将图像按88分块做DCT，得到88的频域系数矩阵 n画面插补 n如果解码器要从前一幅和后一幅图像来重构一幅图像，那么中间的图像就可以通过插补的技术，即双向预测来重构n中间图像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

6、前后图像的预测值的平均值作为指定块的象素值 14编码后的视频流n由相互间有预测和生成关系的一组I、B、P图像构成n头一帧图像总是I帧，用于视频随机访问同步，其压缩比属于中等nP帧称为前向预测帧，由前面的I图像或P图像进行预测得到，压缩率较高nB帧称为双向预测帧，同时由前面的I或P图像及后面的P图像或I图像预测得到，压缩率较高，含场景突变信息 15视频水印的分类n按水印技术是否与内容相关分类n第一代视频水印：与视频内容无关nMPEG1和MPEG2：帧内图I、预测图P、双向预测图B n第二代视频水印：基于内容的视频水印nMPEG4标准首次以视频对象（Video Object）概念来实现基于内容的表

7、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 16视频水印的分类n按照水印嵌入的策略分类 n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n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n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 17视频水印的分类n按照水印技术适用的视频载体分类 n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

8、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 n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n基于其它压缩标准的视频，如：H.263,H.264 18视频水印算法n视频水印嵌入和提取方案原始视频码流水印嵌入方案1水印嵌入方案2水印嵌入方案3MPEG-2编码器MPEG-2解码器重建视频码流压缩码流水印提取方案2水印提取方案1水印提取方案319方案一n在原始视频流中嵌入水印n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n缺点：n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

9、检测带来不便；n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n在视频编码器中嵌入水印n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n优点：水印仅嵌入在DCT系数中，不会增加数据比特率；易设计出抗多种攻击的水印n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21方案三n在视频压缩码流中嵌入水印n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n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n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；

10、(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 22方案一原始视频水印n空域（Hartung等，1996，1998）n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n再将水印信号扩展、放大和调制，得到一个伪随机序列n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 方案一原始视频水印n空域（Mobasseri B.G.）n水印算法n利用扩频机制调制水印为伪随机二维序列，n选择原始视频的图像序列中，不重要的比特平面进行替换，n水印的安全性

11、n通过比特平面和水印的随机性来保证，n水印的稳健性n水印由直接扩频扩展，因此算法具备一定稳健性。2324方案一原始视频水印n变换域n三种方式n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n将视频视作静态图像序列，对单帧图像做变换n对图像块进行变换n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n变换域nSwanson等(1998)提出采用三维小波变换的水印方案n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n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、

12、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 26方案一原始视频水印n变换域nShan等提出基于哈达玛变换的水印方案n水印是单位方差、零均值的随机序列n水印嵌入彩色帧的绿色分量n视频帧按8*8分块，进行哈达玛变换。变换系数按Zig-zag扫描，选取中频系数嵌入水印27方案二基于视频编码n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n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 28方案二基于视频编码n根据嵌入帧类型的不同，又可分为三种情况nI帧嵌入nP帧嵌入nB帧嵌入n或分为两种情况n无运动预测补偿的I帧嵌入n有运

13、动预测补偿的P帧和B帧嵌入 29n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）n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n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 DCT 量化 扫描 RLE DPCM AC 系数 DC 系数 Huffman 编码 比特流 宏块(1616)运动补偿单元 条 重同步单元 图像 基本编码单元 块(88)0 1 2 3 4 5 Y Cb Cr GOP(随机访问单元)I B B B B B B B B P P I 视频序列 预测误差宏块 求差值 0 1

14、 2 3 4 5 Y Cb Cr DCT,量化,扫描,RLE 运动矢量),(yxddd DPCM Huffman 编码 比特流 当前帧 参考帧 最佳匹配宏块 被匹配宏块 匹配宏块 嵌入位置 2 嵌入位置 3 嵌入位置 1 31nP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n在预测误差中嵌入水印（嵌入位置2）n在运动信息中嵌入水印（嵌入位置3）32n在预测误差中嵌入水印n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

15、改变敏感33n在运动信息中嵌入水印n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n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 34方案三基于压缩视频流n直接将水印信息嵌入到MPEG-2压缩码流中n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n例如，在第三方制作的编码视频流中嵌入版权信息n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

16、n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 35方案三基于压缩视频流nHartung 等提出在压缩视频流DCT系数中嵌入水印的方法。n对一个伪随机序列进行88的DCT变换，再将其叠加至MPEG-2 码流的88 的DCT系数上。n关键问题：nMPEG-2的DCT 系数选用变长编码，嵌入水印后编码长度会发生变化。n嵌入水印会导致误差累积，需要添加一个偏移补偿信号来补偿前一帧的水印信号36方案三基于压缩视频流nJordan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n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n在视频流解压缩前，水印信息可以从运动矢量中直接提取方案三基于压缩视频流n基于DCT系数的方法n该方法将水印嵌入到I帧的量化DCT系数中，嵌入和提取不需要完全解码，运算复杂度低。n使用Arnold变换置乱水印n将压缩视频流中的I帧信息进行VLC解码，得到8*8的量化DCT系数，使用水印替换其中直流系数的最低比特位n完成后重新编码37参考文献n数字视频版权保护与内容认证的基本理论及关键技术研究；刘虹；武汉理工大学；n视频数字水印的研究与应用，刘少峰，北京邮大大学，硕士学位论文38