实时视频水印技术与算法分析

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摘 要:视频水印是指将能够证明所有者身份的版权信息不可见地隐藏到视频文件中的技术。而实时性是视频水印广泛应用的关键问题。分析视频水印技术的特点与相关算法, 重点探讨了实时视频水印技术。

关键词:实时性;视频水印;相关算法

一、视频水印技术的特点

(一)盲检测性 视频水印的检测原则上不能使用原始视频数据,这是因为对原始视频数据的处理会增大计算负担,使得水印算法无法实现实时性的要求,另外视频文件的数据量一般比较大,保留原始视频数据拷贝很占用存储空间。

(二)随机检测性 可以在视频的任何设置、在短时间内检测出水印。在许多的实际视频水印应用当中,不可能从视频的开始位置按播放顺序一步步地检测出水印,而且嵌入水印的视频也可能遭受时间同步攻击,因此视频水印技术要保证能够在视频的任何一个位置,在一小段视频图像序列中能够检测到水印。

(三)更强的实时性 为了保证观看运动视频图像时的连续性,解码端的帧率必须保持在一定数值之上(通常为25帧每秒),因此视频水印较之静止图像水印在实时性上有更高的要求。因而要求水印的嵌入和提取算法时间复杂度不能太高,必须在短时间内完成,保证编解码的实时性。

(四)视频码率的恒定性 水印嵌入视频数据后原则上不能改变视频流的码率,否则容易造成解码后视频图像与声音不同步。但在实际操作中,嵌入水印一般都会导致压缩视频的码率增加,因此把码率的增加控制在可接受的范围之内是视频水印算法经常要考虑的问题。

(五)与视频编码标准相结合 对于压缩视频,水印算法设计必须与视频编码标准相结合;对于原始域水印嵌入水印也必须考虑视频编码标准,否则水印信息很可能在编解码过程中消失。

二、基于变换域的原始视频水印算法

基于变换域的原始视频水印是指在原始视频的离散傅立叶变换域、离散余弦变换域和离散小波变换域等变换域中进行水印的嵌入和提取。

(一)三维小波变换水印方案

首先将视频序列按场景进行分段,对同一场景的视频帧进行三维小波变换,并且考虑了空间掩蔽效应、频率掩蔽效应和时间特性。水印检测有两种方法:第一种检测方案需要原始视频数据,是一种非盲提取水印方案。将待检测帧减去原始帧,并计算与水印信号W之间的相关值,可以确定视频序列中是否嵌入了水印;第二种检测方案不需要原始视频数据,是盲提取水印方案。将待检测帧减去最低时间轴小波系数帧,然后计算差值与W之间的相关值,来确定是否嵌入了水印。

(二)三维DFT域中嵌入水印的方案

首先将视频序列分成连续的长度固定的帧序列,水印嵌入时,首先将水印信号编码为扩频信号,对帧序列进行三维DFT变换,选择DFT系数的中频嵌入水印信号。这是因为修改系数的低频容易降低图像的质量,系数的高频部分容易被有损压缩移去水印信号。水印检测时,同样对视频序列要先进行三维DFT变换,然后计算扩频水印信号与嵌入水印系数的相关值。由于扩频序列的特性,该水印方案也能抵御滤波、加性噪声、MPEG压缩等处理,同时,由于傅立叶变换的基本性质,该水印方案还有对于空间位移和时间位移具有固有的不变性。

三、实时视频水印技术

实时性是视频水印技术的一大挑战,并认为有两种途径提高实时性:一是降低算法的复杂度,二是将计算重心转移到视频提供端或嵌入端,从而降低客户端或检测端的复杂度。

(一)基于扩频的压缩域视频水印方案

利用扩频技术,将水印信号扩展为与视频帧信号相同大小的二维信号。按照8×8块对水印信号做DCT变换,将变换后的水印系数直接与视频帧的DCT系数相加从而实现水印嵌入。其他的一些边信息则不做处理。其算法实现过程如图1所示。由于视频压缩采用运动估计和运动补偿模式,因此由于嵌入水印信息带来的误差容易累加,因此方案中专门有一部分对漂移误差进行处理。实现方法是在嵌入水印的视频信号上加上一个补偿信号,该补偿信号就是预测帧在编码端和解码端的误差。

(二)自适应实时MPEG视频水印方案

对于MPEG编码的快速视频水印算法。该方案通过一种新的块分类方法来选择信息嵌入位置,通过冗余编码和EQSP嵌入水印信息。首先将8×8的DCT块分为平滑块和纹理块两类,而纹理块又可细分为边缘纹理块和细节纹理块两类。为了对DCT块进行准确的分类,作者设计了5种不同类型的块掩码,分别是:平滑块掩码、水平块掩码、垂直块掩码、对角块掩码、细节块掩码,灰色小块表示对应位置掩码值为1,白色小块掩码值为0。将8×8DCT块系数分别与5种DCT块掩码进行点乘,结果与不同掩码方式对应的5个阈值作比较。若结果大于平滑块阈值,则该DCT块为平滑块;若结果大于细节块阈值,则该DCT块为细节块;若结果大于水平、垂直、对角块阈值之一,则该DCT块为边缘块。文中认为细节DCT块更适合嵌入水印信息。

参考文献:

[1]张江,赵黎,杨士强.视频水印技术综述[J].计算机应用, 2005.

[2]苏育挺,张春田.一种自适应视频水印检测算法[J].通信学报,2003.

[3]赵朝奎.一种基于边信息的数字水印算法[J].通信学报,2004.