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方案一——原始视频水印

空域（Hartung等，1996，1998）



将视频序列从左到右、从上到下以及时间 上的先后顺序进行扫描，变成一个一维信 号 再将水印信号扩展、放大和调制，得到一 个伪随机序列 利用人眼的视觉掩盖效应，在空间域精确 地控制嵌入水印信息的嵌入幅度，使其在 满足不可见性条件下具有抵抗有损压缩的 能力
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视频序列 GOP(随机访问单元)
I
B B P
B
B P
B
B I
B B 嵌入位置 2
Y
当前帧
被匹配宏块 匹配宏块 最佳匹配宏块 运动矢量
求 差 值
0 2
1 3
Cb Cr 4 5
DCT,量化,扫描,RLE
预测误差宏块 DPCM
d (d x , d y )
Huffman 编码
比特流
参考帧
嵌入位置 3
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方案二——基于视频编码

E. Koch（1995）提出了一种基于分块DCT变换 的水印嵌入算法，用于静止图象水印

将图象按8×8的块进行分割并作DCT变换，接着利 用伪随机的方法选出所有DCT块的一个子集，对这 一子集中的每一个块进行嵌入



以上方法针对视频的I帧图象，因为I帧是帧内 编码，可以用静止图象水印方案 对于前向预测P帧，根据P帧和参考的I或P帧关 系，通过修改冗余掩膜嵌入水印 对于双向预测B帧也类似

应与视频编码标准相结合

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视频水印的应用

版权保护 隐含标识 信息认证 隐蔽通信 完整性保护
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应用例1

DVD版权保护系统

DVD防拷贝系统 水印信息包含：禁止拷贝、允许一次拷贝、 允许N次拷贝
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应用例2

视频点播（VOD）管理系统
VOD 服务器 MPEG-2 视频流 加 密 信 道 解 密
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方案一——原始视频水印

空域（Kailer等，1999）




将视频看成一系列静止图象，在若干个连 续帧中嵌入相同的水印 利用了扩频思想，水印是一个加性噪声 水印嵌入时，根据图象纹理特性采用不同 的嵌入强度 水印检测时，为了提高检测效果，先对嵌 入了水印的信号进行匹配滤波，去除像素 间的相关性以提高检测效率，最后计算相 关值


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； 对于已压缩的视频，需先解码，嵌入水印后，再 重新编码，算法运算量大、效率低，防攻击能力 差。
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方案二

在视频编码器中嵌入水印



通过修改编码阶段的DCT域中的量化系数， 并且结合人类视觉特性嵌入水印 优点：①水印仅嵌入在DCT系数中，不会增 加数据比特率；② 易设计出抗多种攻击的 水印 缺点：存在误差积累，嵌入的水印数据量低， 没有成熟的三维时空视觉隐蔽模型


无运动预测补偿的I帧嵌入 有运动预测补偿的P帧和B帧嵌入
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由于MPEG-2对I帧的处理类似于图像的 JPEG压缩，所以在I帧中嵌入水印大多是 通过修改DCT系数来实现（嵌入位置1） 相对于P帧和B帧，I帧的数据量大，单帧 可嵌入的水印量要远大于P帧和B帧 但是I帧个数少，所以仅在I帧中嵌入水印 的机顶盒上完成
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数字视频编码标准MPEG-2

基本原理

对各种图象数据冗余度及视觉冗余度的压缩， 包括统计冗余度的压缩，空间冗余度的压缩， 时间冗余度的压缩和视觉冗余度的压缩
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MPEG-2编码器方框图
差值图像 视频 （模拟） 视频 ADC 预处理 DCT 量化 反量化 反DCT 预测器 运动检测 码率 控制 VLC 缓存器 压 缩 视 频 比 特 流
数字视频水印的性能要求



盲检测：由于视频信息量大，水印提取过程 要求保留原始视频信息几乎是不可能的 实时性：要求算法简单，速度快 对视频水印的攻击特殊：


帧删除、帧插入、帧重组等视频编辑处理 统计平均攻击（对局部连续的帧求平均，以消除 水印） 共谋攻击：从单个帧中估计出水印，再从每帧中 减去水印（如果在所有帧中嵌入相同的水印） MPEG-1,MPEG-2和MPEG-4
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方案三——基于压缩视频流



Jordan提出的算法是将水印信息以一种 伪随机方式嵌入到运动矢量中 必须选择指向平坦区域的运动矢量，因 为这样修改运动矢量后，该矢量所指的 区域不会产生可视的修改痕迹 在视频流解压缩前，水印信息可以从运 动矢量中直接提取

频率变换

将图象按8×8分块做DCT，得到8×8的频域系数 矩阵 如果解码器要从前一幅和后一幅图象来重构一幅 图象，那么中间的图象就可以通过插补的技术， 即双向预测来重构 中间图象的象素块的值可以进行前向预测和后向 预测，也就是通过运动矢量把已知象素块作平移 而获得，解码器可以将前后图象的预测值的平均 值作为指定块的象素值
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方案三

在视频压缩码流中嵌入水印



优点：没有解码和再编码的过程，提高了水印嵌入 和提取的效率 缺点：压缩比特率的限制限定了嵌入水印的数据量 的大小，嵌入后效果可能有可察觉的变化 基本要求：(1 )水印信息的嵌入不能影响视频码流 的正常解码和显示；(2 )嵌入水印的视频码流仍满 足原始码流的码率约束条件；(3 )内嵌水印在体现 视觉不易察觉性的同时，能够抗有损压缩编码
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第二代视频水印：基于内容的视频水印

视频水印的分类

按照水印嵌入的策略分类



在未压缩域中：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 在视频编码器中：通过修改变换域系数，能得到 较好的视频质量和较强的水印抗攻击能力，同时 不会增加数据比特率 在视频码流中：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，但是能 够嵌入的水印容量受到较大的限制，而且水印的 嵌入有可能对视觉产生影响
视频数字水印技术

对视频水印的要求



不可感知性 稳健性 复杂度（提取和检测应达到实时） 考虑视频的压缩编码 加入水印不应增加视频流码率 盲检测：水印检测时不应需要原始视频
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视频水印的分类

按水印技术是否与内容相关分类

第一代视频水印：与视频内容无关

MPEG1和MPEG2：帧内图I、预测图P、双向预测图 B MPEG4标准首次以视频对象（Video Object）概 念来实现基于内容的表示，视频对象主要被定义 为画面分割出来的不同物体，通过运动信息、形 状信息、纹理信息来描述
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方案二——基于视频编码

Chung等（1998）提出的水印主要针对 图象序列中Ｉ帧


嵌入过程在DCT域进行，算法依据每个8×8 像块的能量将所有块进行自适应分类，对不 同类选取不同的嵌入强度 利用嵌入模板来控制信息嵌入点 在提取算法中，以含水印的已解码视频码流 为输入，利用经嵌入调整的系数和特定的PN 序列的相关性进行水印鉴别
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视频水印算法

视频水印嵌入和提取方案
MPEG-2编码器 压缩 码流
原始视 频码流
MPEG-2解码器
重建视 频码流
水印嵌 入方案1
水印嵌 入方案2
水印嵌 入方案3
水印提 取方案3
水印提 取方案2
水印提 取方案1
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方案一

在原始视频流中嵌入水印


优点：水印嵌入方法多，原则上图像水印方 案均可应用于此，算法成熟，有稳健性水印、 脆弱性水印等，可用于多种目的 缺点：
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方案三——基于压缩视频流




直接将水印信息嵌入到MPEG-2压缩码流中 适用于不能直接介入视频编码过程，而只能得 到编码视频流的场合 例如，在第三方制作的编码视频流中嵌入版权 信息 这种方案最大的优点在于不需完全解码和再编 码过程，因此造成的对视频信号的影响较小 但视频系统对视频压缩码率的约束将限制作为 水印的嵌入信息量，同时可能对运动补偿环路 造成影响
用户机顶盒 视频流 解密 电 视 录像机
水印1（版权标识）
水印2（用户ID）
非法拷贝
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应用例2

嵌入版权标识和用户标识两个水印


版权标识：在服务器端，水印系统将视频产 品的版权信息嵌入到视频之中，达到标识视 频作品版权的目的 用户标识：将不同的客户标记嵌入到用户点 播的视频码流中，实现信息追踪管理的目的
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在预测误差中嵌入水印

由于MPEG压缩对P帧和B帧的保护不如对I帧 的保护，随着压缩比例的增大，预测误差数 据的丢失也增大，所以这种嵌入方案嵌入量 不大，对数据比特率的改变敏感
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在运动信息中嵌入水印


文献提出可通过适量修改运动矢量来嵌入 水印信息。为增强水印的鲁棒性和不可见 性，提出水印只嵌入在幅值较大的运动矢 量中，而且只改变使运动矢量相位变化小 的运动矢量分量 由于运动矢量反映的是当前编码帧中被预 测宏块与参考帧中最佳匹配宏块的运动位 移信息，与宏块的具体内容无关，因此， 这类嵌入方法能很好的抵抗对视频内容的 攻击
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MPEG-2视频被描述为一系列连续的画面， 而每幅画面看成是二维的象素阵列。每 个象素的彩色表示包含三个分量，Y（亮 度）和两个色度分量Cb、Cr 数字化视频的压缩主要是基于以下几种 技术：色度信息的子采样，量化，运动 补偿，基于DCT的频率变换，可变长编码 VLC和画面的插补