第7章 視頻圖像水印技術(shù)課件

1、第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 第第7章章 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的介紹 7.2 視頻水印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用視頻水印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 7.3 視頻水印的主要特征視頻水印的主要特征 7.4 視頻水印的模型視頻水印的模型 7.5 視頻水印的分類視頻水印的分類 7.6 MPEG壓縮視頻標(biāo)準(zhǔn)簡要介紹壓縮視頻標(biāo)準(zhǔn)簡要介紹 7.7 視頻水印的嵌入和提取視頻水印的嵌入和提取 7.8 小結(jié)小結(jié) 第第7 7章章 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(duì)數(shù)字視頻作品

2、進(jìn)行版權(quán)保護(hù)， 從而確保版權(quán)所有者的合法利益。 在現(xiàn)實(shí)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(hù)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(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究更為迫切。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 1 數(shù)字視頻水印在VOD中的應(yīng)用 視 頻 服 務(wù) 器(廣 播 ， 點(diǎn) 播 ， 銷售 )MPEG -2視頻 序 列傳 輸加 入 水 印用 戶 2用 戶 1用 戶 NMPEG -2解 碼電 視水 印 提 取授 權(quán) 驗(yàn) 證第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 視頻水印同樣也可以

3、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(hù)國家的安全利益， 政府部門都對(duì)公民傳遞秘密載體進(jìn)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(shí)現(xiàn)秘密信息的安全傳輸。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 7.2 視頻水印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用視頻水印技術(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DV

4、D等視頻產(chǎn)品的迅速普及， 反而對(duì)視頻水印產(chǎn)品的要求更為迫切。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 視頻水印研究是水印技術(shù)研究方向的一個(gè)熱點(diǎn)， 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(gè)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(hù)技術(shù)的市場(chǎng)需求更加迫切。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(chǔ)和傳播的， 比如運(yùn)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M

5、PEG壓縮在內(nèi)的各種攻擊。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 7.3 視頻水印的主要特征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(dòng)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： 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) (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(hào)疊加、 濾波、 剪切、 編碼、 壓縮、 模數(shù)轉(zhuǎn)換和回放等。 (3) 計(jì)算復(fù)雜度： 計(jì)算復(fù)

6、雜度的核心是確保水印的實(shí)時(shí)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。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) (5) 同步檢測(cè)機(jī)制： 提取水印時(shí)應(yīng)有嚴(yán)格有效的同步檢測(cè)機(jī)制來確保水印的正確恢復(fù)。 (6) 快速嵌入/檢測(cè)： 因?yàn)橐曨l的數(shù)據(jù)量大而且有實(shí)時(shí)性的要求， 所以算法必須在很短的時(shí)間內(nèi)完成。 (7) 盲檢測(cè)： 水印檢測(cè)原則上不能用原始視頻數(shù)據(jù)， 這是因?yàn)樵跈z測(cè)時(shí)使用原始視頻會(huì)大大增加運(yùn)算復(fù)雜度， 而且利用原始視頻來檢測(cè)水印也是不現(xiàn)實(shí)的。 (8) 水印容量： 對(duì)于視頻水印， 我們規(guī)定水印容量為在單位時(shí)間內(nèi)嵌入水印

7、信息的數(shù)據(jù)量。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 7.4 視頻水印的模型視頻水印的模型 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。第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 2 不同的MPEG視頻水印系統(tǒng)模型 MPEG-2編碼器原始視頻碼流水印嵌入方案一水印嵌入方案二壓縮碼流水印嵌入方案三MPEG-2解碼器水印提取方案二重建視頻碼流水印提取方案一第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(diǎn)是： 水印

8、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(diǎn)是： (1) 會(huì)增加視頻碼流的數(shù)據(jù)比特率； (2) 經(jīng)MPEG-2壓縮后會(huì)丟失水?。?(3) 降低視頻質(zhì)量； (4) 對(duì)于已壓縮的視頻， 需要先進(jìn)行解碼， 然后嵌入水印后再重新編碼。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(diǎn)是： (1) 水印僅嵌入在DCT系數(shù)中， 不會(huì)增加視頻流的數(shù)據(jù)比特率； (2) 易設(shè)計(jì)出抵抗多種攻擊的水印， 但缺點(diǎn)是會(huì)降低視頻的質(zhì)量， 因?yàn)橐话闼灿幸粋€(gè)解碼、 嵌入、 再編碼的過程。 第第7 7章章 視

9、頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 7.5 視頻水印的分類視頻水印的分類 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(jī)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(hù)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(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證的水印方案。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 可以從不同的角度對(duì)數(shù)字視頻水印進(jìn)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(shí)間上是連續(xù)的， 它是在連續(xù)幀上進(jìn)行提取的

10、， 提取出的水印可以是文字、 圖像、 連續(xù)語音信號(hào)和同時(shí)可播放的視頻信號(hào)， 因此可以根據(jù)嵌入視頻水印的內(nèi)容不同將其分類。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 7.6 MPEG壓縮視頻標(biāo)準(zhǔn)簡要介紹壓縮視頻標(biāo)準(zhǔn)簡要介紹 為了節(jié)約數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(Hybrid Coding)。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 在介紹水印技術(shù)之前， 我們

11、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(chǔ)和傳輸?shù)摹?多路復(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(gè)包由三個(gè)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(Layered Syntax)定義， 每一層包括一個(gè)或多個(gè)從屬層(下層)。 其結(jié)構(gòu)如圖 7 - 3 所示。第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 3 MPEG分層結(jié)構(gòu) Y0Y1Y2Y3UV塊(Block)Y0Y1Y2Y3宏塊(Macro Block)UVLuminance(Y)圖片(Sli

12、ce)Chrominance(U)Chrominance(V)圖片組(GOP)視頻序列第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 由于視頻流被分成多個(gè)圖片組(GOP)， 每個(gè)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(gè)宏塊由6個(gè)88像素塊構(gòu)成： 四個(gè)亮度塊Y0、 Y1、 Y2、 Y3， 一個(gè)色度塊U， 一個(gè)色度塊V。 注意， 四個(gè)亮度塊覆蓋的畫面區(qū)域與每個(gè)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(duì)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(gè)MPEG編碼器

13、進(jìn)行視頻編碼的基本框圖。第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 4 簡化的視頻編碼器框圖 預(yù)處理視頻信號(hào)輸入DCTQVLCQ 1IDCT運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)參考幀存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)估值緩存圖像復(fù)雜度分析速率控制編碼器壓縮碼流解碼器VLCQ 1IDCT運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)矢量視頻信號(hào)DCT：離散余弦變換IDCT：離散余弦逆變換Q：量化Q 1：逆量化VLC：可變長編碼運(yùn)動(dòng)矢量第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(shí)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(not lossless)， 視頻壓

14、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(hào)的數(shù)據(jù)量非常大， 不利于存儲(chǔ)和傳輸， 所以視頻信號(hào)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 5 時(shí)域畫面結(jié)構(gòu)的例子 IBBBPBBBP預(yù)測(cè)雙向預(yù)測(cè)第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 因?yàn)橐岣邏嚎s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(cè)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(dú)立編碼。 (2) 預(yù)測(cè)編碼畫面(P畫面)： 它相對(duì)于前面一幅幀內(nèi)畫面或預(yù)測(cè)編碼畫面進(jìn)行有運(yùn)

15、動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)編碼， 且通?？梢宰鳛楹罄^預(yù)測(cè)畫面的參考畫面， 它的編碼效率較高。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) (3) 雙向預(yù)測(cè)編碼畫面(B畫面)： 它需要前向和后向的參考畫面作運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償， 它的壓縮程度是最高的， B畫面永遠(yuǎn)不被用作預(yù)測(cè)的參考畫面。 這三種類型的畫面在一個(gè)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。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(duì)行程長度和級(jí)別

16、(量化值)的組合進(jìn)行編碼， 碼字是一個(gè)二維數(shù)組。 圖7 - 7舉例說明了對(duì)88像素塊的DCT量化系數(shù)矩陣進(jìn)行的VLC編碼過程。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 6 88像素塊的編碼過程 QZig-Zag排 序行 程 編 碼DCT霍 夫 曼 編 碼88像 素 塊11001011001DCT： 離 散 余 弦 變 換Q： 量 化第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 7 VLC編碼示意圖 534001022070000000000000024000000010000000000000000000000000000088量 化 系 數(shù) 矩 陣行 程 編

17、 碼 (長 度 ， 級(jí) 別 )(0， 5)， (0， 3)， (0， 2)， (2， 4)， (1， 7)，(3， 2)， (3， 1)， (2， 4)， (4， 1)， (4， 2)VLC碼 字0010011000010100100000000001010000000001010000100100000111000000001010000011000000001111010第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 通過以上對(duì)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(shí)時(shí)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(jì)算時(shí)間

18、(如DCT變換、 DCT逆變換和運(yùn)動(dòng)矢量計(jì)算等)。 水印算法應(yīng)設(shè)計(jì)在視頻流的最底層， 即88像素塊的編碼部分， 這樣只需要對(duì)視頻流進(jìn)行可變長編解碼和重新量化這兩步運(yùn)算， 相應(yīng)的水印方案如圖7 - 8所示。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 8 在DCT系數(shù)域中嵌入、 檢測(cè)水印 MPEG視 頻 流VLC 1Q 1DCT系 數(shù) 域QVLCMPEG視 頻 流水 印 嵌 入 /檢 測(cè)VLC： 可 變 長 編 碼Q： 量 化第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 7.7 視頻水印的嵌入和提取視頻水印的嵌入和提取 7.7.1 基于擴(kuò)頻思想的視頻水印技術(shù) 1. 在未壓縮

19、視頻中嵌入水印 在原始視頻(未進(jìn)行壓縮編碼)嵌入水印， 如果對(duì)水印信號(hào)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(shí)用性。 因?yàn)檫@樣的視頻水印方案是很不穩(wěn)健的， 對(duì)最簡單的諸如濾波、 增強(qiáng)、 加噪聲等攻擊沒有抵抗能力。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 1) 水印的嵌入 我們知道， 連續(xù)圖像(視頻)是一個(gè)三維信號(hào)， 其中由二維表示空間上的圖像， 一維表示圖像在時(shí)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(shí)間上連續(xù)的一維信號(hào)， 如圖7 - 9所示。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 9 視頻畫面序列的

20、線掃描 VMNV0V1V2VNVMN1VN1M(像 素 )N(像 素 )時(shí) 間第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 10 在視頻中嵌入水印 水印信息擴(kuò)頻調(diào)制放大視頻序列含水印的視頻序列偽隨機(jī)序列第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 在實(shí)際運(yùn)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i最大， 這樣可以增強(qiáng)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，

21、 但對(duì)于視頻水印來說， 通常情況下一個(gè)較低的水印嵌入速率就可以了， 因?yàn)橛靡曈X模型來嵌入水印會(huì)大大增加算法的復(fù)雜度， 所以在添加視頻水印時(shí)不需要考慮這個(gè)問題。 圖7 - 11用可視化的方式描述了嵌入過程。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 11 擴(kuò)頻水印的實(shí)例 含水印的視覺畫面調(diào)制放大擴(kuò)頻原始視頻畫面?zhèn)坞S機(jī)序列水印序列含水印的視覺畫面調(diào)制放大擴(kuò)頻原始視頻畫面?zhèn)坞S機(jī)序列水印序列含水印的視覺畫面調(diào)制放大擴(kuò)頻原始視頻畫面?zhèn)坞S機(jī)序列水印序列含水印的視覺畫面調(diào)制放大擴(kuò)頻原始視頻畫面?zhèn)坞S機(jī)序列水印序列含水印的視覺畫面調(diào)制放大擴(kuò)頻原始視頻畫面?zhèn)坞S機(jī)序列水印序列水印序列(1/1)偽

22、隨機(jī)序列1111原始視頻畫面擴(kuò)頻調(diào)制含水印的視覺畫面放大第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(jī)序列作相關(guān)運(yùn)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。第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 12 擴(kuò)頻水印的一般提取框圖 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 2. 已壓縮視頻中嵌入水印 基于擴(kuò)頻的壓縮視頻水印算法相對(duì)較多， 下面我們介紹兩個(gè)比較典型的例子。 一個(gè)是比較簡單的算法。 該算法把水印擴(kuò)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

23、(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： 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 第一步： 產(chǎn)生一個(gè)含有整數(shù)-1，1的偽隨機(jī)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(hào)的信息位調(diào)制偽隨機(jī)噪聲圖案(擴(kuò)頻)得到擴(kuò)頻水印信號(hào)， 并乘上一個(gè)大小合適的伸縮因子， 再將擴(kuò)頻水印信號(hào)分塊(88)做DCT變換。 第三步： 將壓縮的視頻流中I畫面中的VLC進(jìn)行解碼， 得到88像素塊的DCT系數(shù)。 第四步： 把每塊水印信號(hào)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。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻

24、圖像水印技術(shù) 第一步： 把對(duì)應(yīng)的DCT直流分量直接相加。 )0()0()0(,yxyxWWIIyx(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(jí)別， 由此可以計(jì)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)。 )(,iIyxyxWI,0),()()(,iiWiIiIyxyxWyx(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。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 13 嵌入水印后的畫面對(duì)比 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 在嵌入

25、水印時(shí)， 還應(yīng)當(dāng)加上一個(gè)漂移補(bǔ)償信號(hào)C(i)， 此信號(hào)應(yīng)等于畫面添加水印前后的預(yù)測(cè)值之差。)()()()(,iCiWiIiIyxyxyxWyx(7 - 12) 加上這個(gè)漂移補(bǔ)償信號(hào)之后的不利因素是它增加了計(jì)算復(fù)雜度。 一個(gè)完整的系統(tǒng)框圖如圖7 - 14所示。第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 14 MPEG-2壓縮視頻嵌入水印方案VLC：可變長編碼Q：量化器DCT系數(shù)VLC1Q1DCT擴(kuò)頻水印水印信號(hào)1，1VLC1Q1DCT系數(shù)VLC1Q1VLCQ計(jì)算碼長碼長 SI比特DCT移位補(bǔ)償信號(hào)DCT1運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償DCT1運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)矢量頭信息 / 輔助信息運(yùn)動(dòng)矢量頭信息 / 輔

26、助信息碼長 SIW比特第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(duì)未壓縮過的視頻流， 它的計(jì)算量非常小， 但如果對(duì)壓縮過的視頻流， 則要進(jìn)行全部解碼以后才能進(jìn)行水印嵌入， 相應(yīng)的計(jì)算量就很大。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(gè)比特 ， 嵌入時(shí)， 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

27、換。 為了保證對(duì)VLC的修改不會(huì)改變視頻播放的速率并且不會(huì)引起可以察覺的失真， 選擇可以相互置換的兩個(gè)VLC碼應(yīng)當(dāng)滿足以下三個(gè)條件： (1) 相同的行程長度(Run length)。 (2) 級(jí)別(幅度)差值為1(Level)。 (3) 相同的VLC碼長。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 根據(jù)MPEG-2編碼標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)應(yīng)每個(gè)DCT系數(shù)， 都有相應(yīng)的VLC碼字與之對(duì)應(yīng)。 一對(duì)符合上面要求的VLC碼被稱為可標(biāo)記VLC碼對(duì)。 表 7 - 1 列出部分可標(biāo)記VLC碼對(duì)。 變長碼中最后一位“s”是表示極性的符號(hào)： 0表示正極性， 1表示負(fù)極性。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像

28、水印技術(shù) 表 7 - 1 可置換VLC碼對(duì)的例子 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(gè)宏塊中的VLC碼， 如果找到一個(gè)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(duì)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(gè)水印比特的示意圖。第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 15

29、VLC水印舉例 VLC(1， 5)VLC(3， 3)VLC(1， 1)VLC(0， 5)VLC(2， 3)EOBVLC(2， 1)VLC(0， 12)EOBVLC(0， 30)EOBVLC(0， 6)VLC(0， 5)可 標(biāo) 記 VLCLSB： 0LSB： 1b0 0VLC(0， 12)VLC(0， 13)b1 0VLC(0， 30)VLC(0， 31)b2 1MPEG視 頻 流VLC(1， 5)VLC(3， 3)VLC(1， 1)VLC(0， 6)VLC(2， 3)EOBVLC(2， 1)VLC(0， 12)EOBVLC(0， 31)EOB嵌 入 視 頻 后 的 MPEG視 頻 流第第7 7

30、章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 2) 水印的提取 水印提取的過程也很簡單， 與嵌入時(shí)一樣， 掃描每個(gè)宏塊的VLC碼， 若找到一個(gè)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(gè)比特。 依次做下去， 直到找不到可標(biāo)記VLC碼時(shí)結(jié)束。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 16 視頻“綿羊”的八個(gè)畫面第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(gè)實(shí)例。 在此例中， 有一個(gè)長10 s、 720560像素的“綿羊”原始視頻序列， 它包含了I畫面、 B畫面、 P畫

31、面， 共有12個(gè)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(gè)序列的部分幀。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 表 7 - 2 幀內(nèi)編碼畫面(I畫面)的測(cè)試參數(shù) 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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29 kb/s。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 表7 - 3 所有畫面(I 畫面、 P 畫面、 B 畫面)的試

32、驗(yàn)參數(shù)第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 17 嵌入水印后的對(duì)照結(jié)果 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 4) 性能評(píng)價(jià) 這種方法具有以下優(yōu)點(diǎn)： 方法本身計(jì)算簡單， 速度快， 易于實(shí)現(xiàn)； 視頻信號(hào)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(gè)數(shù)， 并且這個(gè)速率是變化的， 最高可以達(dá)到29 kb/s； 它還可以采用流加密方式分別對(duì)水印數(shù)據(jù)本身和嵌入過程進(jìn)行加密， 其安全性完全依賴于密鑰； 由于嵌入水印后對(duì)于一幅畫面的像素值改變很小， 幾乎不需要作漂移補(bǔ)償。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 2.

33、 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88 DCT塊的位置根據(jù)密鑰隨機(jī)地置亂， 如圖7 - 18 所示。 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 圖 7 - 18 按88塊隨機(jī)置亂的I畫面DCT系數(shù)圖案 888承載子區(qū)域188塊16 88承載區(qū)域水印序列 1 0 1 1 0 0 1 0 11 0 1 1 1 0 1ABABABAB 第第7 7章章 視頻圖像水印技術(shù)視頻圖像水印技術(shù) 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(hào)大于c的元素集合， 即 S(c)=i0, 63|(ic) (7 - 13) 承載區(qū)域A中的頻域中的高頻能量EA的定義如下 12/)(2,12/0)(2,)(),()(),(n