视频数字水印技术初探

1、 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。然而,视频水印的研究重点与图像水印不尽相同,本文主要研究基于帧的视频水印。一、视频水印技术简介1.概念视频水印可理解为针对数字视频载体的主观和客观的时间冗余和空间冗余加入信息,既不影响视频质量,又能达到用于版权保护和内容完整性检验目的的水印技术。水印的处理分为两部分:水印的嵌入、水印的检测和提取。我们通常采用归一化相关系数(NormalizedCross -Correlation,简称NC来判定信号的相似性。NC 的定义是:其中,N 是水印信息长度,W(i是原始

2、水印,是提取出来的水印。2.特点目前为节约视频数据存储空间和便于传输,视频的主要存在模式是压缩格式的,视频水印很大程度上与压缩编码标准紧密联系在一起,因此除具有一般水印技术特征外,还有一些特殊的要求。视频水印特征概括为:(1稳健性:能抵抗各种有意无意地攻击,包括帧平均、帧丢弃、帧交换等。(2不可见性:嵌入水印后不影响视频画面质量,确保视频数据的商业价值。(3安全性:水印中的信息应是安全的,未经授权的用户无法正确地检测、提取或移除水印。(4与视频编码标准相结合:对于压缩视频,水印的设计必须与视频编码标准相结合,否则嵌入的水印有可能在编码过程中消失。视频数字水印技术初探张淑霞兰州交通技工学校二、视

3、频水印的分类及典型算法对MPEG-4视频,可在压缩过程的不同阶段进行水印嵌入。由此,按照载体类型可分为基于原始视频方法和基于压缩视频方法两类,如图1所示。再从技术特性上,还可对视频水印的嵌入和提取方案作进一步的细分,如图2所示。图1MPEG-4视频水印嵌入与提取方案图2视频水印的一种分类方法1、非压缩域的视频水印在未压缩视频数据里,第一代一般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。其优点是算法成熟,有鲁棒性水印、脆弱性水印等,可用于多种目标管理;缺点是会造成部分水印信息丢失,且运算量大、效率低、防攻击能力差。第二代主要是统计不可见性和与内容同步嵌入,增强了防攻击能

4、力,具有智能特性。按嵌入域分为空域方法和频域方法。空域水印,直接在原始视频数据中嵌入水印,水印信号一般是添加在亮度分量上,有时也部分或全部加入到颜色分量中。优点是思想简单、复杂度低,缺点:在鲁棒性和不可感知性方面的性能较差。频域水印,指先对原始视频数据进行某种变换,然后在变换域中嵌入水印,常用的变换域包括离散余弦变换(D C T 域、离散傅立叶变换(DFT域、小波变换域、分形域、哈达码变换域等。有三种处理方法:一是将视频流看成一个三维信号,其两维在空间上,一维在时间上,进行三维变换,然后进行水印处理;二是将视频流看成静态图像的序列,采用图像水印技术进行处理;三是将按块进行频域变换,由于视频编码

5、标准中也是按块进行频域变换(多为DCT 变换,因此大多是与视频编码器相结合进行,这将在编码域视频水印中介绍。有文献提出了一种基于小波变换域的自适应视频水印算法。水印根据2-D 小波系数的特点嵌入在低频子带系数中,以获得较好的稳健性。各系数的选择应满足人眼的视觉特性,根据分类结果,自适应地调整嵌入水印的强度。实验结果表明:嵌入水印对多种攻击,如加性Gaussian 噪声、高压缩比的MPEG-2压缩编码、时域抽样和丢帧以及空域抽样等具有很好的稳健性。2、编码域的视频水印在编码压缩时嵌入水印。当今视频压缩的标准包括I S O /I E C 的M P E G -1、MPEG-2、MPEG-4和ITU-

6、T 的H.261、H.263等,它们的基本编码思想是运动补偿预测和基于块的变换编码。在视频中嵌入水印一般考虑M P E G 编码标准。在MPEG 标准中,有3种图像类型:内部编码帧(I 帧、前向预测帧(P 帧和双向预测帧(B 帧。I 帧的编码利用帧内相邻像素间的空域冗余来压缩信息;P 帧编码要用到先前的帧,当前的帧又可以作为后面的预测帧的参考帧;B 帧的数据压缩效果最显著,它在预测时需要先前和后续的信息,且自身不能作为其它帧的预测参考帧。P帧和B 帧都利用了相邻帧间的时域冗余来压缩信息,同时预测误差信号并去除空域冗余。去空域冗余主要用到了DCT、量化和熵编码等技术;去时域冗余用到了运动补偿、运

7、动表示和运动估计等技术。利用编码数据的特性,能够实现水印嵌入和提取的实时处理。因其是将水印嵌入在变换域中,并和编码过程结合紧密,不会增加视频流的数据比特率。可设计出抵抗多种攻击的水印算法,但该方案需要修改编码器和解码器,而且存在GOP 的误差积累。按嵌入位置分有:在离散余弦变换(DCT系数中嵌入水印;在运动向量中嵌入水印;在MPEG -4脸部运动参数中嵌入水印;在MPEG 编码的VOP 的图像类型中嵌入水印。而且,随着研究的不断深入,不断有研究者提出了新的水印嵌入位置。3、压缩域的视频水印把水印信息嵌入到视频压缩码流中,其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;缺点是压缩比

8、特率的限制限定了嵌入水印数据量的大小,嵌入水印的强度受视频解码误差的约束,嵌入后效果可能有可察觉的变化。这一设计策略受到相应视频压缩算法和视频编码标准的局限,例如恒定码率的约束。因此在算法设计上具有一定难度,算法要求:水印信息的嵌入不能影响视频码流的正常解码和显示;嵌入水印的视频码流仍满足原始码流的码率约束条件;内嵌水印在体现视觉不易察觉性的同时,能抵抗有损压缩编码。三、视频像水印技术的发展趋势随着视频压缩标准的发展,视频水印 利用传统的Top-Hat 算子往往会把噪声带入检测结果。而变尺度的Top-Hat 算子是先通过小尺度的结构元素对图像腐蚀来降低噪声,再用大尺度的结构元素进行膨胀来填充由

9、腐蚀产生的空穴,最后在降低噪声的同时检测出边缘。4、边缘检测图1典型边缘算子边缘检测图2多尺度Top-Hat 算子边缘检测针对背景复杂度不同的灰度图像,本文分别用典型边缘算子和多尺度Top-hat 算子进行仿真。从图1可以看出,传统的边缘检测算子如Roberts 算子、Sobel 算子等均能检测出目标的边缘,但同时也发现不管车牌图像背景简单与否,在非车牌区域产生了大量的噪声,不利于车牌的后续定位处理。采用多尺度Top-Hat 变换后,车牌图像被很好地保留,即使是背景复杂的图像,而采取Top-Hat 变换后,车牌部分仍能被清晰保留,仿真结果如图2所示。可见用多尺度T o p -h a t 算子进行图像预处理,能取得了较好的背景抑制效果,并具有良