《信號處理》課件06.2 視頻信息隱藏與水印算法

數(shù)字視頻水印的性能要求視頻序列可以認(rèn)為是由一系列連續(xù)的靜止圖像在時間域構(gòu)成的序列，因此視頻水印技術(shù)與靜止圖像水印技術(shù)在應(yīng)用模式和設(shè)計方案上具有相似之處

但是，視頻序列與靜止圖像之間存在著一定區(qū)別，使得視頻水印除了應(yīng)具有靜止圖像水印的一般特點(diǎn)（如安全性、可靠性、魯棒性、不可感知性）外，還必須具有一些特殊要求

1數(shù)字視頻水印的性能要求盲檢測：由于視頻信息量大，水印提取過程要求保留原始視頻信息幾乎是不可能的

實時性：要求算法簡單，速度快對視頻水印的攻擊特殊：幀刪除、幀插入、幀重組等視頻編輯處理

2數(shù)字視頻水印的性能要求對視頻水印的攻擊特殊：統(tǒng)計平均攻擊（對局部連續(xù)的幀求平均，以消除水?。┕仓\攻擊：從單個幀中估計出水印，再從每幀中減去水?。ㄈ绻谒袔星度胂嗤乃。?yīng)與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合MPEG-1,MPEG-2和MPEG-4加入水印不應(yīng)增加視頻流碼率視頻水印采用變長編碼，嵌入水印不應(yīng)該改變視頻流碼速率。34視頻水印的應(yīng)用版權(quán)保護(hù)隱含標(biāo)識信息認(rèn)證隱蔽通信

完整性保護(hù)5應(yīng)用例1DVD版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)

DVD防拷貝系統(tǒng)

水印信息包含：禁止拷貝、允許一次拷貝、允許N次拷貝6應(yīng)用例2視頻點(diǎn)播（VOD）管理系統(tǒng)

7應(yīng)用例2嵌入版權(quán)標(biāo)識和用戶標(biāo)識兩個水印版權(quán)標(biāo)識：在服務(wù)器端，水印系統(tǒng)將視頻產(chǎn)品的版權(quán)信息嵌入到視頻之中，達(dá)到標(biāo)識視頻作品版權(quán)的目的

用戶標(biāo)識：將不同的客戶標(biāo)記嵌入到用戶點(diǎn)播的視頻碼流中，實現(xiàn)信息追蹤管理的目的

可以在發(fā)送端完成也可以在客戶端的機(jī)頂盒上完成

數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2壓縮編碼需求原始視頻：160Mbps1G硬盤存儲量<10s視頻固話視頻帶寬20kbps，1秒視頻>100分鐘會議電話384kbps，1秒視頻>7分鐘衛(wèi)星通信數(shù)字電視6Mbps，1秒視頻>26秒壓縮數(shù)據(jù)滿足應(yīng)用需求MPEG-1:1.2MbpsMPEG-2:DVD(4-8Mbps)HDTV(10-15Mbps)89數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2基本原理對各種圖像數(shù)據(jù)冗余度及視覺冗余度的壓縮，包括統(tǒng)計冗余度的壓縮，空間冗余度的壓縮，時間冗余度的壓縮和視覺冗余度的壓縮

10MPEG-2視頻被描述為一系列連續(xù)的畫面，而每幅畫面看成是二維的象素陣列。每個象素的彩色表示包含三個分量，Y（亮度）和兩個色度分量Cb、Cr數(shù)字化視頻的壓縮主要是基于以下幾種技術(shù)：色度信息的子采樣，量化，運(yùn)動補(bǔ)償，基于DCT的頻率變換，可變長編碼VLC和畫面的插補(bǔ)11色度信息的子采樣

HVS對圖像的亮度分量最敏感，因而Y象素以滿分辨率編碼。對于色度分量，HVS不是很敏感，可通過與平滑處理過程相結(jié)合預(yù)測編碼

在很小的一個空域內(nèi)象素值的變化不會太大，對差值進(jìn)行編碼12運(yùn)動補(bǔ)償通過對一幅已知畫面中的相鄰象素值的塊進(jìn)行重定位來達(dá)到對另外一幅圖像中的一塊象素值進(jìn)行預(yù)測的目的

運(yùn)動被描述成一個二維的矢量，該運(yùn)動矢量指明從先前已解碼圖像的什么地方去檢測一塊象素來預(yù)測當(dāng)前塊中的象素值

這種技術(shù)基于以下事實，即相同場景下短畫面序列中，大部分物體在同一位置保持不變，只有部分物體移動很短的距離

13頻率變換將圖像按8×8分塊做DCT，得到8×8的頻域系數(shù)矩陣

畫面插補(bǔ)

如果解碼器要從前一幅和后一幅圖像來重構(gòu)一幅圖像，那么中間的圖像就可以通過插補(bǔ)的技術(shù)，即雙向預(yù)測來重構(gòu)中間圖像的象素塊的值可以進(jìn)行前向預(yù)測和后向預(yù)測，也就是通過運(yùn)動矢量把已知象素塊作平移而獲得，解碼器可以將前后圖像的預(yù)測值的平均值作為指定塊的象素值

14編碼后的視頻流由相互間有預(yù)測和生成關(guān)系的一組I、B、P圖像構(gòu)成頭一幀圖像總是I幀，用于視頻隨機(jī)訪問同步，其壓縮比屬于中等P幀稱為前向預(yù)測幀，由前面的I圖像或P圖像進(jìn)行預(yù)測得到，壓縮率較高B幀稱為雙向預(yù)測幀，同時由前面的I或P圖像及后面的P圖像或I圖像預(yù)測得到，壓縮率較高，含場景突變信息

15視頻水印的分類按水印技術(shù)是否與內(nèi)容相關(guān)分類第一代視頻水?。号c視頻內(nèi)容無關(guān)MPEG1和MPEG2：幀內(nèi)圖I、預(yù)測圖P、雙向預(yù)測圖B

第二代視頻水印：基于內(nèi)容的視頻水印MPEG4標(biāo)準(zhǔn)首次以視頻對象（VideoObject）概念來實現(xiàn)基于內(nèi)容的表示，視頻對象主要被定義為畫面分割出來的不同物體，通過運(yùn)動信息、形狀信息、紋理信息來描述

16視頻水印的分類按照水印嵌入的策略分類

在未壓縮域中：移植靜止圖像的水印技術(shù)，結(jié)合視頻幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成適用于視頻的水印方案在視頻編碼器中：通過修改變換域系數(shù)，能得到較好的視頻質(zhì)量和較強(qiáng)的水印抗攻擊能力，同時不會增加數(shù)據(jù)比特率在視頻碼流中：最大優(yōu)點(diǎn)就是不需要完全解碼和再編碼，提高了水印嵌入和提取的效率，但是能夠嵌入的水印容量受到較大的限制，而且水印的嵌入有可能對視覺產(chǎn)生影響

17視頻水印的分類按照水印技術(shù)適用的視頻載體分類

基于MPEG1或MPEG2標(biāo)準(zhǔn)：如在未壓縮域?qū)σ曨l幀進(jìn)行水印嵌入，或者在視頻壓縮編碼中進(jìn)行嵌入修改，也有直接將水印信息嵌入到壓縮碼流中

基于MPEG4標(biāo)準(zhǔn)：先提取視頻對象，然后選擇視頻對象的部分屬性作變換，嵌入水印基于其它壓縮標(biāo)準(zhǔn)的視頻，如：H.263,H.264

18視頻水印算法視頻水印嵌入和提取方案原始視頻碼流水印嵌入方案1水印嵌入方案2水印嵌入方案3MPEG-2編碼器MPEG-2解碼器重建視頻碼流壓縮碼流水印提取方案2水印提取方案1水印提取方案319方案一在原始視頻流中嵌入水印優(yōu)點(diǎn)：水印嵌入方法多，原則上圖像水印方案均可應(yīng)用于此，算法成熟，有穩(wěn)健性水印、脆弱性水印等，可用于多種目的缺點(diǎn)：經(jīng)過視頻編碼處理后，會造成部分水印信息丟失，給水印的提取和檢測帶來不便；對于已壓縮的視頻，需先解碼，嵌入水印后，再重新編碼，算法運(yùn)算量大、效率低，防攻擊能力差。20方案二在視頻編碼器中嵌入水印通過修改編碼階段的DCT域中的量化系數(shù)，并且結(jié)合人類視覺特性嵌入水印優(yōu)點(diǎn)：①水印僅嵌入在DCT系數(shù)中，不會增加數(shù)據(jù)比特率；②易設(shè)計出抗多種攻擊的水印缺點(diǎn)：存在誤差積累，嵌入的水印數(shù)據(jù)量低，沒有成熟的三維時空視覺隱蔽模型21方案三在視頻壓縮碼流中嵌入水印優(yōu)點(diǎn)：沒有解碼和再編碼的過程，提高了水印嵌入和提取的效率缺點(diǎn)：壓縮比特率的限制限定了嵌入水印的數(shù)據(jù)量的大小，嵌入后效果可能有可察覺的變化基本要求：(1)水印信息的嵌入不能影響視頻碼流的正常解碼和顯示；(2)嵌入水印的視頻碼流仍滿足原始碼流的碼率約束條件；(3)內(nèi)嵌水印在體現(xiàn)視覺不易察覺性的同時，能夠抗有損壓縮編碼

22方案一——原始視頻水印空域（Hartung等，1996，1998）

將視頻序列從左到右、從上到下以及時間上的先后順序進(jìn)行掃描，變成一個一維信號再將水印信號擴(kuò)展、放大和調(diào)制，得到一個偽隨機(jī)序列利用人眼的視覺掩蓋效應(yīng)，在空間域精確地控制嵌入水印信息的嵌入幅度，使其在滿足不可見性條件下具有抵抗有損壓縮的能力

方案一——原始視頻水印空域（MobasseriB.G.）

水印算法利用擴(kuò)頻機(jī)制調(diào)制水印為偽隨機(jī)二維序列，選擇原始視頻的圖像序列中，不重要的比特平面進(jìn)行替換，水印的安全性通過比特平面和水印的隨機(jī)性來保證，水印的穩(wěn)健性水印由直接擴(kuò)頻擴(kuò)展，因此算法具備一定穩(wěn)健性。2324方案一——原始視頻水印變換域三種方式將視頻流看成一個三維信號（兩維在空間上，一維在時間上），水印嵌入在三維變換域中將視頻視作靜態(tài)圖像序列，對單幀圖像做變換對圖像塊進(jìn)行變換常用的變換域有：DCT、DFT、DWT、分形域、哈達(dá)瑪變換域等

25方案一——原始視頻水印變換域Swanson等(1998)提出采用三維小波變換的水印方案視覺上類似的區(qū)域，即來自同一個場景的幀，嵌入一個相同的水印小波的多分辨率的特性，使得水印存在于多個時域分級。時域嵌入時，對不同分辨率的信號分別利用空間掩蓋效應(yīng)、頻率掩蓋效應(yīng)以及時間域特性動態(tài)地控制水印信息嵌入，增強(qiáng)其不可見性和抗攻擊能力

26方案一——原始視頻水印變換域Shan等提出基于哈達(dá)瑪變換的水印方案水印是單位方差、零均值的隨機(jī)序列水印嵌入彩色幀的綠色分量視頻幀按8*8分塊，進(jìn)行哈達(dá)瑪變換。變換系數(shù)按Zig-zag掃描，選取中頻系數(shù)嵌入水印27方案二——基于視頻編碼水印的嵌入和提取過程是在視頻編解碼器中進(jìn)行，適用于可以直接介入視頻編碼過程的情況例如，采用自己的編碼器，對攝像頭捕捉的原始視頻流進(jìn)行編碼

28方案二——基于視頻編碼根據(jù)嵌入幀類型的不同，又可分為三種情況I幀嵌入P幀嵌入B幀嵌入或分為兩種情況無運(yùn)動預(yù)測補(bǔ)償?shù)腎幀嵌入有運(yùn)動預(yù)測補(bǔ)償?shù)腜幀和B幀嵌入

29由于MPEG-2對I幀的處理類似于圖像的JPEG壓縮，所以在I幀中嵌入水印大多是通過修改DCT系數(shù)來實現(xiàn)（嵌入位置1）相對于P幀和B幀，I幀的數(shù)據(jù)量大，單幀可嵌入的水印量要遠(yuǎn)大于P幀和B幀但是I幀個數(shù)少，所以僅在I幀中嵌入水印時嵌入總量相對不大

31P幀和B幀在幀數(shù)上占視頻序列的絕大部分，其數(shù)據(jù)主要是兩部分：預(yù)測誤差數(shù)據(jù)和運(yùn)動信息數(shù)據(jù)，因此在P幀和B幀中嵌入水印可利用這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)在預(yù)測誤差中嵌入水?。ㄇ度胛恢?）在運(yùn)動信息中嵌入水?。ㄇ度胛恢?）32在預(yù)測誤差中嵌入水印由于MPEG壓縮對P幀和B幀的保護(hù)不如對I幀的保護(hù)，隨著壓縮比例的增大，預(yù)測誤差數(shù)據(jù)的丟失也增大，所以這種嵌入方案嵌入量不大，對數(shù)據(jù)比特率的改變敏感33在運(yùn)動信息中嵌入水印文獻(xiàn)提出可通過適量修改運(yùn)動矢量來嵌入水印信息。為增強(qiáng)水印的魯棒性和不可見性，提出水印只嵌入在幅值較大的運(yùn)動矢量中，而且只改變使運(yùn)動矢量相位變化小的運(yùn)動矢量分量由于運(yùn)動矢量反映的是當(dāng)前編碼幀中被預(yù)測宏塊與參考幀中最佳匹配宏塊的運(yùn)動位移信息，與宏塊的具體內(nèi)容無關(guān)，因此，這類嵌入方法能很好的抵抗對視頻內(nèi)容的攻擊34方案三——基于壓縮視頻流直接將水印信息嵌入到MPEG-2壓縮碼流中適用于不能直接介入視頻編碼過程，而只能得到編碼視頻流的場合例如，在第三方制作的編碼視頻流中嵌入版權(quán)信息這種方案最大的優(yōu)點(diǎn)在于不需完全解碼和再編碼過程，因此造成的對視頻信號的影響較小但視頻系統(tǒng)對視頻壓縮碼率的約束將限制作為水印的嵌入信息量，同時可能對運(yùn)動補(bǔ)償環(huán)路造成影響

35方案三——基于壓縮視頻流Hartung等提出在壓縮視頻流DCT系數(shù)中嵌入水印的方法。對一個偽隨機(jī)序列進(jìn)行8×8的DCT變換

，再將其疊加至MPEG-2碼流的8×8的DCT系數(shù)上。關(guān)鍵問題：MPEG-2的DCT系數(shù)選用變長編碼，嵌入水印后編碼長度會發(fā)生變化。嵌入水印會導(dǎo)致誤差累積，需要添加一個偏移補(bǔ)償信號來補(bǔ)償前一幀的水印信號36方案三——基于壓縮視頻流Jordan提出的算法是將水印信息以一種偽隨機(jī)方式嵌入到運(yùn)動矢量中必須選擇指向平坦區(qū)域的運(yùn)動矢量，因為這樣修改運(yùn)動矢量后，該矢量所指的區(qū)域不會產(chǎn)生可視的修改痕跡在視頻流解壓縮