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MPEG-4視頻數(shù)字水印技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了數(shù)字水印技術(shù)的基本原理，以MPEG-4為例，提出并實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的基于擴(kuò)展頻譜的視頻水印方案。實(shí)踐證明，該視頻水印方案在不降低視頻質(zhì)量的基礎(chǔ)上，能夠抵抗多種干擾和攻擊，具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字水印 視頻 MPEG-4 擴(kuò)展頻譜
隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，人們不但可以通過互聯(lián)網(wǎng)和ＣＤ－ＲＯＭ方便快捷地獲得多媒體信息，還可以得到與原始數(shù)據(jù)完全相同的復(fù)制品，由此引發(fā)的盜版問題和版權(quán)紛爭已成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問題。因此，數(shù)字多媒體產(chǎn)品的水印處理技術(shù)已經(jīng)成為近年來研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。
雖然數(shù)字水印技術(shù)近幾年得到長足發(fā)展，但方向主要集中于靜止圖像。由于包括時(shí)間域掩蔽效應(yīng)等特性在內(nèi)的更為精確的人眼視覺模型尚未完全建立，視頻水印技術(shù)的發(fā)展滯后于靜止圖像水印技術(shù)。另一方面，由于針對視頻水印的特殊攻擊形式的出現(xiàn)，為視頻水印提出了一些區(qū)別于靜止圖像水印的獨(dú)特要求。
本文分析了ＭＰＥＧ－４視頻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了一種基于擴(kuò)展頻譜的視頻數(shù)字水印改進(jìn)方案，并給出了應(yīng)用實(shí)例。
１ 視頻數(shù)字水印技術(shù)簡介
１．１ 數(shù)字水印技術(shù)介紹
數(shù)字水印技術(shù)通過一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌入到多媒體內(nèi)容當(dāng)中，但不影響原內(nèi)容的價(jià)值和使用，并且不能被人的感知系統(tǒng)覺察或注意到。與傳統(tǒng)的加密技術(shù)不同，數(shù)字水印技術(shù)并不能阻止盜版活動(dòng)的發(fā)生，但可以判別對象是否受到保護(hù)，監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播，鑒別真?zhèn)�，解決版權(quán)糾紛并為法庭提供認(rèn)證證據(jù)。為了給攻擊者增加去除水印的難度，目前大多數(shù)水印制作方案都采用密碼學(xué)中的加密體系來加強(qiáng)，在水印嵌入、提取時(shí)采用一種密鑰，甚至幾種密鑰聯(lián)合使用。水印嵌入和提取的一般方法如圖１所示。
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１．２ 視頻數(shù)字水印設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的幾個(gè)方面
·水印容量：嵌入的水印信息必須足以標(biāo)識(shí)多媒體內(nèi)容的購買者或所有者。
·不可察覺性：嵌入在視頻數(shù)據(jù)中的數(shù)字水印應(yīng)該不可見或不可察覺。
·魯棒性?押在不明顯降低視頻質(zhì)量的條件下，水印很難除去。
·盲檢測：水印檢測時(shí)不需要原始視頻，因?yàn)楸４嫠械脑家曨l幾乎是不可能的。
·篡改提示：當(dāng)多媒體內(nèi)容發(fā)生改變時(shí)，通過水印提取算法，能夠敏感地檢測到原始數(shù)據(jù)是否被篡改。
１．３ 視頻數(shù)字水印方案選擇
通過分析現(xiàn)有的數(shù)字視頻編解碼系統(tǒng)，可以將目前ＭＰＥＧ－４視頻水印的嵌入與提取方案分為以下幾類，如圖２所示。
（１）視頻水印嵌入方案一：水印直接嵌入在原始視頻流中。此類方案的優(yōu)點(diǎn)是：水印嵌入的方法較多，原則上數(shù)字圖像水印方案均可應(yīng)用于此。缺點(diǎn)是：
·會(huì)增加視頻碼流的數(shù)據(jù)比特率；
·經(jīng)ＭＰＥＧ－４有損壓縮后會(huì)丟失水印；
·會(huì)降低視頻質(zhì)量；
·對于已壓縮的視頻，需先進(jìn)行解碼，然后嵌入水印，再重新編碼。
（２）視頻水印嵌入方案二：水印嵌入在編碼階段的離散余弦變換（ＤＣＴ）的直流系數(shù)（ＤＣ）中（量化后、預(yù)測前）。此類方案的優(yōu)點(diǎn)是：
·水印僅嵌入在ＤＣＴ系數(shù)中，不會(huì)增加視頻流的數(shù)據(jù)比特率；
·易設(shè)計(jì)出抗多種攻擊的水印；
·可通過自適應(yīng)機(jī)制依據(jù)人的視覺特性進(jìn)行調(diào)制，在得到較好的主觀視覺質(zhì)量的同時(shí)得到較強(qiáng)的抗攻擊能力。
缺點(diǎn)是對于已壓縮的視頻，有一個(gè)部分解碼、嵌入、再編碼的過程。
(３)視頻水印嵌入方案三：水印直接嵌入在ＭＰＥＧ－４壓縮比特流中。優(yōu)點(diǎn)是不需完全解碼和再編碼的過程，對整體視頻信號(hào)的影響較小。缺點(diǎn)是：
·視頻系統(tǒng)對視頻壓縮碼率的約束將限制水印的嵌入量；
·水印的嵌入可能造成對視頻解碼系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償環(huán)路的不良影響；
·該類算法設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜度。
２ ＭＰＥＧ－４視頻水印的實(shí)現(xiàn)
基于上述的各種方案，本文在方案二的基礎(chǔ)上提出了一種針對ＭＰＥＧ－４視頻編碼系統(tǒng)的擴(kuò)展頻譜數(shù)字水印技術(shù)改進(jìn)方案，將擴(kuò)頻調(diào)制后的水印信息嵌入到視頻流ＩＶＯＰ(Ｉｎｔｒａ Ｖｉｄｅｏ Ｏｂｊｅｃｔ Ｐｌａｎｅ)中色度ＤＣＴ直流系數(shù)的最低位。本方案不需要完全解碼，大大減少了運(yùn)算的復(fù)雜度，提高了實(shí)時(shí)性。同時(shí)由于水印嵌入在直流系數(shù)中，在保證視頻效果不失真的前提下，水印具有很強(qiáng)的魯棒性。
２．１ ＭＰＥＧ－４視頻的特點(diǎn)
ＭＰＥＧ－４視頻編解碼基于ＶＯＰ(Ｖｉｄｅｏ Ｏｂｊｅｃｔ Ｐｌａｎｅ)。
從時(shí)間上看,ＶＯＰ分為內(nèi)部ＶＯＰ(ＩＶＯＰ)、前向因果預(yù)測ＶＯＰ(ＰＶＯＰ)、雙向非因果預(yù)測ＶＯＰ（ＢＶＯＰ）、全景的靈影ＶＯＰ（ＳＶＯＰ）。ＩＶＯＰ只用本身的信息進(jìn)行編碼；ＰＶＯＰ利用過去的參考ＶＯＰ進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測編碼；ＢＶＯＰ利用過去和將來的參考ＶＯＰ進(jìn)行雙向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測編碼；ＳＶＯＰ一系列運(yùn)動(dòng)圖像中的靜止背景。因此ＩＶＯＰ的圖像信息較獨(dú)立?熏最適合嵌入水印信息。
從空間上看,它由若干個(gè)大小為１６×１６的宏塊(Ｍａｃｒｏ Ｂｌｏｃｋ)組成，每個(gè)宏塊包括大小為８×８的６個(gè)子塊。其中４個(gè)亮度子塊Ｙ，１個(gè)色差子塊Ｕ，１個(gè)色差子塊Ｖ。ＩＶＯＰ編碼基本流程如圖３所示。
為了不受量化過程的影響，本方案將水印嵌入在量化后的ＤＣＴ系數(shù)中，從而提高了水印生存的穩(wěn)定性。在ＭＰＥＧ－４壓縮算法中，ＤＣＴ系數(shù)的量化是關(guān)鍵，它直接影響視頻的質(zhì)量和碼流控制算法。為此，ＭＰＥＧ－４提供了一個(gè)供參考的標(biāo)準(zhǔn)量化表。該表根據(jù)人類視覺模型(ＨＶＳ)建立�？紤]到人眼對高頻信息損失的敏感度較低頻損失小很多，因此通常把水印嵌入到中低頻信息中，提高了水印信息的魯棒性。另外, 根據(jù)人眼對亮度信息的變化比色度信息較敏感這一特性，為最大限度地保持視頻質(zhì)量，本方案將水印嵌入到色度?穴Ｕ子塊?雪ＤＣＴ系數(shù)中。由于ＤＣＴ是目前多媒體視頻壓縮中被廣泛采用的技術(shù)基礎(chǔ)，因此基于ＤＣＴ的視頻水印方案具有顯著的優(yōu)勢。將水印信息嵌入到ＩＶＯＰ色度量化后的ＤＣＴ直流系數(shù)中，不但無需引入額外的變換以獲取視頻的頻譜分布，且水印信息不受ＤＣＴ系數(shù)量化帶來的影響。
２．２ 視頻數(shù)字水印算法與實(shí)現(xiàn)
在ＭＰＥＧ－４視頻中，由于ＩＶＯＰ中色度子塊的ＤＣＴ直流系數(shù)是一個(gè)在視頻流中始終存在且很魯棒的參數(shù)，本方案將水印信息經(jīng)ｍ序列(最長線性反饋移存器序列)調(diào)制后嵌入到ＩＶＯＰ的色度子塊ＤＣＴ的直流系數(shù)中。這樣水印信息在不影響視頻效果的情況下難以去除，所以魯棒性足夠強(qiáng)。本方案采用擴(kuò)頻的方法，以方便有效地檢測水印，抵抗各種攻擊和干擾，保密性好。關(guān)鍵問題是色度ＤＣＴ的直流系統(tǒng)是一個(gè)對視覺系統(tǒng)很敏感的參數(shù)，本方案在色度ＤＣＴ的直流系數(shù)上加水印相當(dāng)于對其加入微量干擾，必須使這種干擾低于一定的門限值，使人眼的視覺系統(tǒng)對視頻中色度的微小變化感覺不到。經(jīng)過試驗(yàn)將水印嵌入到ＩＶＯＰ的色度ＤＣＴ的直流系數(shù)的最低位能滿足要求。
２．２．１ 視頻數(shù)字水印的嵌入
偽隨機(jī)的擴(kuò)展序列長度為２５５(２８－１)，每一水印信息位通過偽隨機(jī)擴(kuò)展序列的調(diào)制嵌入到相應(yīng)的ＩＶＯＰ色度對應(yīng)的ＤＣＴ直流系數(shù)(量化后、預(yù)測前)的最低位,這樣水印信息在不影響視頻效果的情況下一般難以去除。同時(shí)，嵌入在直流系數(shù)的最低位，帶來的誤差非常小。
偽隨機(jī)的擴(kuò)展序列產(chǎn)生代碼如下：
＃ｄｅｆｉｎｅ Ｍ＿ＬＥＮ ２５５
＃ｄｅｆｉｎｅ Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ ８
ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＋＋) ｍ[ｉ]＝１;
ｆｏｒ(ｉ＝Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＜Ｍ＿ＬＥＮ;ｉ＋＋)
{
ｍ[ｉ]＝ ｍ[ｉ－１]＋ｍ[ｉ－５]＋ｍ[ｉ－６]＋ｍ[ｉ－７];
ｍ[ｉ]＝ｍ[ｉ]％２;
}
水印信息位擴(kuò)展調(diào)制方式為：
·水印信息位為０，偽隨機(jī)的擴(kuò)展序列不變；
·水印信息位為１，偽隨機(jī)的擴(kuò)展序列取反。
這個(gè)過程可以用異或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。代碼如下:
ＷＭｉｊ ＝ Ｗｉ ＾ ｍ[ｊ];
／?觹每一水印信息位擴(kuò)展調(diào)制成２５５位的擴(kuò)展調(diào)制位*／
這里Ｗｉ表示水印信息碼流(ＷＭｉｊ表示水印信息擴(kuò)展調(diào)制碼流。設(shè)ＵＤＣｉｊ表示視頻ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系數(shù))量化后、ＤＣ預(yù)測計(jì)算之前?雪序列，為了方便，用一個(gè)字節(jié)表示一位二進(jìn)制碼流信息。
水印嵌入過程如下：
ｉｆ (ＷＭｉｊ) ＵＤＣｉｊ ｜＝１;
／*根據(jù)擴(kuò)展調(diào)制后的碼流嵌入水印信息*／
ｅｌｓｅ ＵＤＣｉｊ ＆＝０ｘＦＦＦＥ;
２．２．２ 視頻數(shù)字水印的
提取
水印信息提取是水印信息嵌入的逆過程,代碼如下:
ｉｆ (ｉｎｖ＿ＵＤＣｉｊ ＆ １) ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ ＝ １;
ｅｌｓｅ ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ ＝ ０;
這里ｉｎｖ＿ＵＤＣｉｊ表示帶有水印信息的視頻ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系數(shù)(反量化前、ＤＣ預(yù)測計(jì)算之后)序列； ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ表示檢測到的水印信息擴(kuò)展調(diào)制碼流。每個(gè)ＩＶＯＰ色度子塊在解碼時(shí)得到一位擴(kuò)展調(diào)制的信號(hào)位，每連續(xù)２５５個(gè)擴(kuò)展調(diào)制的信號(hào)位可解調(diào)得到１位水印信息，具體分析如下：
用與原始偽隨機(jī)序列結(jié)構(gòu)相同且完全同步的序列與得到的連續(xù)２５５個(gè)擴(kuò)展調(diào)制的信號(hào)接收序列進(jìn)行異或運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)運(yùn)算后１的個(gè)數(shù)記為ＯｎｅＣｏｕｎｔ。由于ｍ序列的自相關(guān)函數(shù)只有兩種取值(１和－１／(２ｎ－１))，屬于雙值自相關(guān)序列。因此，如果數(shù)據(jù)未受到任何攻擊和干擾，ＯｎｅＣｏｕｎｔ只有兩種結(jié)果：２５５或０。當(dāng)ＯｎｅＣｏｕｎｔ＝２５５時(shí)，得到的水印信息位為１；當(dāng)ＯｎｅＣｏｕｎｔ＝０時(shí)，得到的水印信息位為０。如果數(shù)據(jù)受到攻擊或干擾，ＯｎｅＣｏｕｎｔ有多種結(jié)果。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)ＯｎｅＣｏｕｎｔ＞１２７時(shí)，得到的水印信息位為１，并且這２５５個(gè)ＩＶＯＰ色度子塊中有(２５５－ＯｎｅＣｏｕｎｔ)個(gè)子塊受到攻擊或干擾；當(dāng)ＯｎｅＣｏｕｎｔ＜１２７時(shí)，得到的水印信息位為０，并且這２５５個(gè)ＩＶＯＰ色度子塊中有ＯｎｅＣｏｕｎｔ個(gè)子塊受到攻擊或干擾。這樣既可以統(tǒng)計(jì)總共有多少視頻ＩＶＯＰ色度子塊受到攻擊或干擾,同時(shí)又能極強(qiáng)地恢復(fù)出原始水印信息。
３ 試驗(yàn)結(jié)果分析
試驗(yàn)結(jié)果表明，ｍ序列的長度越長，檢測效果越好，但能夠嵌入的水印信息量也相應(yīng)地減少。本方案中水印只嵌入在視頻的ＩＶＯＰ中，不修改ＰＶＯＰ和ＢＶＯＰ，對幀跳躍與幀刪除攻擊穩(wěn)健，因?yàn)椋桑郑希胁豢梢员惶S或刪除。同時(shí)，由于水印信息嵌入在ＤＣＴ的直流系數(shù)中，而直流系數(shù)的變化對視頻效果會(huì)有較大的影響，所以采取將水印信息嵌入到色度子塊ＤＣＴ直流系數(shù)的最低位。這樣不僅使水印嵌入計(jì)算的復(fù)雜度大為降低，為ＭＰＥＧ－４編解碼節(jié)省了時(shí)間，還可取得良好的視頻效果，達(dá)到了不可覺察性。從統(tǒng)計(jì)角度看也不會(huì)增加視頻碼流。另外，水印提取時(shí)無需原始視頻。若水印信息未受到攻擊，則本方案可準(zhǔn)確地提取到原始視頻的完全水��；若水印信息受到攻擊，根據(jù)擴(kuò)頻解調(diào)性質(zhì)，本方案可以最大限度地恢復(fù)出原始水印信息，并統(tǒng)計(jì)出有多少個(gè)ＩＶＯＰ色度子塊受到攻擊。
由于ＤＣＴ是目前多媒體視頻壓縮幾大標(biāo)準(zhǔn)(Ｈ．２６１、Ｈ．２６３、ＭＰＥＧ－４等)共同采用的技術(shù)基礎(chǔ)。因此基于ＤＣＴ的水印方案在視頻壓縮中具有非常重要的研究意義和應(yīng)用前景。本文在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)基于擴(kuò)展頻譜的ＭＰＥＧ－４視頻數(shù)字水印方案。實(shí)踐證明，在不需要原始視頻的情況下，本方案能敏感地檢測到數(shù)據(jù)是否被篡改或破壞，并具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性，從而提供了知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，防止非法獲取。
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