實(shí)時(shí)視頻水印技術(shù)與算法分析

摘 要:視頻水印是指將能夠證明所有者身份的版權(quán)信息不可見地隱藏到視頻文件中的技術(shù)。而實(shí)時(shí)性是視頻水印廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。分析視頻水印技術(shù)的特點(diǎn)與相關(guān)算法， 重點(diǎn)探討了實(shí)時(shí)視頻水印技術(shù)。

關(guān)鍵詞:實(shí)時(shí)性;視頻水印;相關(guān)算法

一、視頻水印技術(shù)的特點(diǎn)

(一)盲檢測性 視頻水印的檢測原則上不能使用原始視頻數(shù)據(jù)，這是因?yàn)閷?duì)原始視頻數(shù)據(jù)的處理會(huì)增大計(jì)算負(fù)擔(dān)，使得水印算法無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的要求，另外視頻文件的數(shù)據(jù)量一般比較大，保留原始視頻數(shù)據(jù)拷貝很占用存儲(chǔ)空間。

(二)隨機(jī)檢測性 可以在視頻的任何設(shè)置、在短時(shí)間內(nèi)檢測出水印。在許多的實(shí)際視頻水印應(yīng)用當(dāng)中，不可能從視頻的開始位置按播放順序一步步地檢測出水印，而且嵌入水印的視頻也可能遭受時(shí)間同步攻擊，因此視頻水印技術(shù)要保證能夠在視頻的任何一個(gè)位置，在一小段視頻圖像序列中能夠檢測到水印。

(三)更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性 為了保證觀看運(yùn)動(dòng)視頻圖像時(shí)的連續(xù)性，解碼端的幀率必須保持在一定數(shù)值之上(通常為25幀每秒)，因此視頻水印較之靜止圖像水印在實(shí)時(shí)性上有更高的要求。因而要求水印的嵌入和提取算法時(shí)間復(fù)雜度不能太高，必須在短時(shí)間內(nèi)完成，保證編解碼的實(shí)時(shí)性。

(四)視頻碼率的恒定性 水印嵌入視頻數(shù)據(jù)后原則上不能改變視頻流的碼率，否則容易造成解碼后視頻圖像與聲音不同步。但在實(shí)際操作中，嵌入水印一般都會(huì)導(dǎo)致壓縮視頻的碼率增加，因此把碼率的增加控制在可接受的范圍之內(nèi)是視頻水印算法經(jīng)常要考慮的問題。

(五)與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合 對(duì)于壓縮視頻，水印算法設(shè)計(jì)必須與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合;對(duì)于原始域水印嵌入水印也必須考慮視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，否則水印信息很可能在編解碼過程中消失。

二、基于變換域的原始視頻水印算法

基于變換域的原始視頻水印是指在原始視頻的離散傅立葉變換域、離散余弦變換域和離散小波變換域等變換域中進(jìn)行水印的嵌入和提取。

(一)三維小波變換水印方案

首先將視頻序列按場景進(jìn)行分段，對(duì)同一場景的視頻幀進(jìn)行三維小波變換，并且考慮了空間掩蔽效應(yīng)、頻率掩蔽效應(yīng)和時(shí)間特性。水印檢測有兩種方法:第一種檢測方案需要原始視頻數(shù)據(jù)，是一種非盲提取水印方案。將待檢測幀減去原始幀，并計(jì)算與水印信號(hào)W之間的相關(guān)值，可以確定視頻序列中是否嵌入了水印;第二種檢測方案不需要原始視頻數(shù)據(jù)，是盲提取水印方案。將待檢測幀減去最低時(shí)間軸小波系數(shù)幀，然后計(jì)算差值與W之間的相關(guān)值，來確定是否嵌入了水印。

(二)三維DFT域中嵌入水印的方案

首先將視頻序列分成連續(xù)的長度固定的幀序列，水印嵌入時(shí)，首先將水印信號(hào)編碼為擴(kuò)頻信號(hào)，對(duì)幀序列進(jìn)行三維DFT變換，選擇DFT系數(shù)的中頻嵌入水印信號(hào)。這是因?yàn)樾薷南禂?shù)的低頻容易降低圖像的質(zhì)量，系數(shù)的高頻部分容易被有損壓縮移去水印信號(hào)。水印檢測時(shí)，同樣對(duì)視頻序列要先進(jìn)行三維DFT變換，然后計(jì)算擴(kuò)頻水印信號(hào)與嵌入水印系數(shù)的相關(guān)值。由于擴(kuò)頻序列的特性，該水印方案也能抵御濾波、加性噪聲、MPEG壓縮等處理，同時(shí)，由于傅立葉變換的基本性質(zhì)，該水印方案還有對(duì)于空間位移和時(shí)間位移具有固有的不變性。

三、實(shí)時(shí)視頻水印技術(shù)

實(shí)時(shí)性是視頻水印技術(shù)的一大挑戰(zhàn)，并認(rèn)為有兩種途徑提高實(shí)時(shí)性:一是降低算法的復(fù)雜度，二是將計(jì)算重心轉(zhuǎn)移到視頻提供端或嵌入端，從而降低客戶端或檢測端的復(fù)雜度。

(一)基于擴(kuò)頻的壓縮域視頻水印方案

利用擴(kuò)頻技術(shù)，將水印信號(hào)擴(kuò)展為與視頻幀信號(hào)相同大小的二維信號(hào)。按照8×8塊對(duì)水印信號(hào)做DCT變換，將變換后的水印系數(shù)直接與視頻幀的DCT系數(shù)相加從而實(shí)現(xiàn)水印嵌入。其他的一些邊信息則不做處理。其算法實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。由于視頻壓縮采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模式，因此由于嵌入水印信息帶來的誤差容易累加，因此方案中專門有一部分對(duì)漂移誤差進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)方法是在嵌入水印的視頻信號(hào)上加上一個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，該補(bǔ)償信號(hào)就是預(yù)測幀在編碼端和解碼端的誤差。

(二)自適應(yīng)實(shí)時(shí)MPEG視頻水印方案

對(duì)于MPEG編碼的快速視頻水印算法。該方案通過一種新的塊分類方法來選擇信息嵌入位置，通過冗余編碼和EQSP嵌入水印信息。首先將8×8的DCT塊分為平滑塊和紋理塊兩類，而紋理塊又可細(xì)分為邊緣紋理塊和細(xì)節(jié)紋理塊兩類。為了對(duì)DCT塊進(jìn)行準(zhǔn)確的分類，作者設(shè)計(jì)了5種不同類型的塊掩碼，分別是:平滑塊掩碼、水平塊掩碼、垂直塊掩碼、對(duì)角塊掩碼、細(xì)節(jié)塊掩碼，灰色小塊表示對(duì)應(yīng)位置掩碼值為1，白色小塊掩碼值為0。將8×8DCT塊系數(shù)分別與5種DCT塊掩碼進(jìn)行點(diǎn)乘，結(jié)果與不同掩碼方式對(duì)應(yīng)的5個(gè)閾值作比較。若結(jié)果大于平滑塊閾值，則該DCT塊為平滑塊;若結(jié)果大于細(xì)節(jié)塊閾值，則該DCT塊為細(xì)節(jié)塊;若結(jié)果大于水平、垂直、對(duì)角塊閾值之一，則該DCT塊為邊緣塊。文中認(rèn)為細(xì)節(jié)DCT塊更適合嵌入水印信息。

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