转载一篇关于视频水印的综述

http://www.nbcf.org.cn/info.jsp?aid=9570

基本概念

数字水印和密码学同为信息安全的两大工具，不同的是后者是对数据加密，加密之后数据无法使用，解密之后数据不再受到保护;而前者则是不但能隐藏信息的内容，而目能隐藏信息的“存在”，一旦水印加入被保护数据对象，将一直保持存在，且不影响对象的使用价值。

数字水印是永久“镶嵌”在其他数据(宿主数据)中具有可鉴别性的数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性。数字水印技术，按照宿主信号，即水印嵌入的载体的类型划分，可分为文本水印、图像水印、音频水印和视频水印等。

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，即不影响视频质量，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。水印信号嵌入指将水印信号加入原始数据中，如图1所示。

 

            


    图1     水印信息嵌入模型

 

图2为水印信号检测模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号和从水印数据中提取水印信号。我们通常采用归一化相关系数( Normalized Cross－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)是原始水印，W'(i)是提取出来的水印。



  图2      水印信号检测模型   

 

视频水印技术的主要特征

由 于数字视频是连续播放的图像序列，其相临帧之间的内容有高度的相关性，连续帧之间存在大量的数据冗余，使得视频水印容易遭受帧平均、帧丢弃、帧交换等各种 攻击，而且目前为了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，视频水印在很大程度上是与压缩编码标准紧密联系在一起的，因此视频 水印除了具有一般水印技术的特征外，还有一些特殊的要求，视频水印的特征可以概括为：

（1）稳健性：视频水印应该能够抵抗各种无意或故意的攻击包括帧平均、帧丢弃、帧交换等专门针对视频水印的攻击。

（2）不可见性：视频信号嵌入水印后不会影响视频画面的质量，从而确保视频数据的商业价值。

（3）安全性：视频水印中的信息应是安全的，难以被篡改或伪造，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，对于在原始视频中嵌入水印也必须考虑视频编码标准，否则嵌入的水印有可能在编码过程中消失。

   

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。这类方案的优点是算法成熟，有鲁棒性水印、脆弱性 水印等，可用于多种目标管理的；缺点是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，而且这类算法运算量大、效率低、防攻击能力差。第二代要复杂很多，主要仍然是统计不可见性和与内容同步嵌入，增强了防攻击能力，具有智能特性。

     按嵌入域分，一些方法直接在原始视频数据中嵌入水印，如称为空域方法；另一些方法先对原始视频数据进行某种变换，如DCT变换、小波变换或DFT变换，然后在变换域中嵌入水印，称为频域方法。

空 域水印是指直接在原始视频数据中嵌入水印，嵌入的水印信号一般是添加在亮度分量上，有时也有一部分被加入到颜色分量中，或全部加入到颜色分量中。其优点是 思想简单、复杂度低，缺点也是明显的，在鲁棒性和不可感知性方面的性能较差。空域水印的一个简单的实现，是直接利用各种最低有效位方法，在原始视频数据中 嵌入水印。

频域水印是指在原始视频的某个变换域中进行水印的嵌入和提取，常用的变换域包括离散余弦变换(DCT)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3种处理方法：一种方法是将视频流看成一个三维信号，其中两维在空间上，一维在时间上，对其进行三维变换，然后进行水印处理；第2种方法将视频流看成静态图像的序列，采用图像水印技术进行水印处理，因此有很多文献声称他们的图像水印算法可以应用于视频序列；第3种方法是将按块进行频域变换，由于视频编码标准中同样也是按块进行频域变换(多为DCT变换)，因此，这种方法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。为了在保证不可见性的前提下尽可能提高水印分量的强度，提出根据物体的运动和视频信号内容的纹理复杂度将低频子带中的系数进行分类，将低频子带的系数分成如下三类：

(1)静止的，纹理简单区域，对应的水印强度为 。

(2)静止的，纹理复杂区域，或运动的，纹理简单区域，对应的水印强度为 。

(3)运动的，纹理复杂区域，对应的水印强度为 。

依据人眼的视觉特性，各系数的选择应满足 。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。

 

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ISO / IEC的MPEG-1、 MPEG-2、 MPEG-4和ITU-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。正如在图像中嵌入水印多考虑JPEG编码标准一样，在视频中嵌入水印一般考虑MPEG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帧的编码类似于JPEG，利用帧内相邻像素间的空域冗余来压缩信息；

P帧编码时要用到先前的帧，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，它在预测是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，同时预测误差信号还可以进一步的去除空域冗余。

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、运动表示和运动估计等技术。利用编码数据的特性，水印的嵌入和提取处理可以比较简单，能够实现水印嵌入和 提取的实时处理。这种方案的水印嵌入过程比较简单，水印一般嵌入在变换域系数中，不会增加视频流的数据比特率；另外，由于其是将水印嵌入在变换域中，并和 编码过程结合紧密，可以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，一些方法在离散余弦变换(DCT)系数中嵌入水印，这些方法主要是借鉴了图像的DCT域水印技术；一些方法在运动向量中嵌入水印；一些方法在MPEG－4脸部运动参数中嵌入水印；一些方法在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。

 

压缩域的视频水印

把 水印信息嵌入到视频压缩码流中，其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；缺点是压缩比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，该类算法要求：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。

 

视频水印的发展趋势

随着视频压缩标准的发展，视频水印技术将由第一 代发展到第二代，与视频内容无关的视频水印属于第一代水印技术，而基于内容的视频水印方案则属于第二代视频水印技术。水印与内容相关，是指水印能量没有分 布在所有像素点上，而是分布在视频的部分内容，如在视频场景或者视频对象上，这种思想是与视频压缩标准(如MPEG-4)紧 密相联的。第一代水印方案大都是基于将水印能量扩展到帧中所有像素这一思想，侧重于讨论计算量和水印强度，与内容无关，而第二代的视频水印方案更看重水印 与视频内容的结合，强调水印的同步性，因为同步可以抵抗与帧相关的攻击，具有明显的优点。可以说，基于视频内容或基于视频对象属性的水印方案将是视频水印 的主要发展方向。

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