摘  要： 針對(duì)新的HEVC高效視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)特性，提出了一種基于版權(quán)保護(hù)的視頻水印算法,。分析了HEVC同上一版視頻格式標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC之間的編碼差別,，在研究HEVC格式的基礎(chǔ)上為其設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的水印算法。該算法首先對(duì)水印圖片進(jìn)行置亂處理,，然后將水印嵌入到亮度分量離散正弦變換（DST）分塊的中頻系數(shù)中,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該算法對(duì)HEVC視頻有很好的嵌入和提取效果,，并可以抵抗多種形式的視頻攻擊,。

　　關(guān)鍵詞： H.265/HEVC；版權(quán)保護(hù),；H.264/AVC,；視頻水印

　　隨著硬件條件的不斷改善，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量近年來(lái)有著突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng),，尤其是數(shù)字媒體的傳播數(shù)量,。2013年1月,，為了滿足人們對(duì)高清視頻的需求，視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)高性能視頻編碼HEVC（High Efficiency Video Coding）作為可替代H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的新一代國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)被正式提出使用,。HEVC是ITU-T組織和ISO/IEC組織聯(lián)合開(kāi)發(fā)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),，對(duì)以前的視頻格式進(jìn)行了多方面的改革，其僅需H.264/AVC一半帶寬就可播放相同質(zhì)量的視頻[1],，因此數(shù)字視頻也將更容易被復(fù)制和修改,，與此同時(shí)，數(shù)字視頻的保護(hù)問(wèn)題也得到了研究者們的注意,。

　　由于版權(quán)保護(hù)的需要,，過(guò)去十幾年里對(duì)多媒體水印的研究如火如荼，范圍觸及版權(quán)控制,、圖像印刷,、廣播監(jiān)控,、視頻授權(quán)等,，這方面的應(yīng)用量飛速上漲。數(shù)字水印技術(shù)是通過(guò)在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息證實(shí)該數(shù)據(jù)的所有權(quán),，這種被嵌入的水印可以是一段文字,、標(biāo)識(shí)、圖片等,，而且這種水印通常是不可見(jiàn)或不可察的,，它與原始數(shù)據(jù)（如圖像、音頻,、視頻數(shù)據(jù)）緊密結(jié)合,，并隱藏其中，成為宿主數(shù)據(jù)的一部分,，并可以經(jīng)歷一些不破壞宿主數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)值的操作而保存下來(lái),。

　　針對(duì)各種格式的視頻水印算法國(guó)內(nèi)外學(xué)者都已經(jīng)研究了很多年，并且取得了豐碩的成果,。HARTUNG F和KUTTER M[2]闡述了水印的現(xiàn)實(shí)需求和應(yīng)用領(lǐng)域,，介紹了水印系統(tǒng)的基本概念，并詳細(xì)討論了水印安全性和魯棒性,。PREDA R O和VIZIREANU D N[3]提出了一種多分辨率下的水印算法,，以二進(jìn)制圖像做水印，水印的每一位都擴(kuò)展進(jìn)小波系數(shù)里,。Zhang Jing等人[4]針對(duì)H.264/AVC提出了一個(gè)魯棒性強(qiáng)的水印算法,，首先生成灰度圖像，然后嵌入壓縮域,，可以抵抗幀壓縮,、高斯濾波,、反差增強(qiáng)等攻擊。VERMA A K,、SINGHAL M,、PATVARDHAN C[5]提出了一個(gè)基于YCbCr顏色空間和小波變換的數(shù)字視頻水印算法，水印被嵌入時(shí)域空間平面,。國(guó)內(nèi)對(duì)水印的研究也很透徹,，幾乎涉及水印嵌入、提取的各個(gè)領(lǐng)域,。張江等人[6]分析了視頻水印技術(shù)的特點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn),，闡述了視頻水印的模型及算法分類(lèi)，探討了視頻水印的發(fā)展趨勢(shì),。張維緯等人[6]提出了一種基于H.264/AVC的視頻可逆脆弱水印算法,，能對(duì)認(rèn)證通過(guò)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行還原和對(duì)認(rèn)證失敗的視頻I幀遭篡改區(qū)域進(jìn)行有效的定位。同鳴等人[7]提出了一種部分基矩陣稀疏約束的非負(fù)矩陣分解方法,，將水印嵌入在分解后的基矩陣大系數(shù)中,，可以較好地抵抗強(qiáng)剪切攻擊。李亞文[8]對(duì)壓縮視頻的圖像幀的亮度分量進(jìn)行小波提升分解,，利用混沌系統(tǒng)對(duì)水印圖像進(jìn)行置亂,，提升了算法的安全性和抗攻擊能力。

　　為了保護(hù)HEVC視頻編碼格式的數(shù)字視頻,，本文以新的HEVC視頻格式為研究對(duì)象,，以為其設(shè)計(jì)水印算法為目的，分析了HEVC同上一版視頻格式標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC之間的編碼差別及這些差別對(duì)現(xiàn)有水印算法思想的影響,，在仔細(xì)研究HEVC格式的基礎(chǔ)上為其設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的水印算法,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該算法對(duì)HEVC有很好的嵌入和提取效果,，并可以抵抗多種形式的視頻攻擊,。

　　1 HEVC概述

　　為了彌補(bǔ)H.264/AVC難以滿足當(dāng)前人們對(duì)高清視頻需求的不足，HEVC在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量變革,，使得壓縮率大幅提高,。與H.264相似，HEVC的編碼架構(gòu)主要包括幀內(nèi)預(yù)測(cè),、幀間預(yù)測(cè),、轉(zhuǎn)換、量化,、熵編碼等模塊,，但與AVC基于宏塊不同，HEVC中類(lèi)似的結(jié)構(gòu)為編碼樹(shù)單元（CTU）,，其尺寸由編碼器進(jìn)行指定,，可以比傳統(tǒng)的宏塊大,。一個(gè)CTU包含一個(gè)亮度CTB和多個(gè)對(duì)應(yīng)的色度CTB及句法元素。一個(gè)L×L的亮度CTB,，L可以設(shè)置為16,、32或者64[9]。預(yù)測(cè)類(lèi)型是在CU內(nèi)編碼,，CU是HEVC中用于幀間預(yù)測(cè)和幀內(nèi)預(yù)測(cè)的判決點(diǎn),。

　　H.265引入了名為合并模式的幀間預(yù)測(cè)方法，原理是PU之間的移動(dòng)信息非常相似,，因此可以就近采用附近PU的形式而不作運(yùn)動(dòng)評(píng)估等計(jì)算,。H.265也提供了1/2、2/4,、3/4[9]像素非整數(shù)點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)評(píng)估,，不過(guò)有8點(diǎn)插值濾波，而H.264只有6點(diǎn),。預(yù)測(cè)動(dòng)作完成后,，要采用類(lèi)似DCT的整數(shù)變換算法對(duì)殘差進(jìn)行編碼來(lái)進(jìn)一步降低碼率。H.265在進(jìn)行變換操作時(shí)會(huì)先把CU拆開(kāi)成若干個(gè)TU（變換單元）,，這些TU并不需要和PU對(duì)齊,。拆為T(mén)U的原因是CU中可能同時(shí)包含高頻部分和低頻部分，直接用于變換處理量太大,。除此之外，HEVC的改進(jìn)之處還包括熵編碼處理,、去塊濾波處理,。結(jié)合四叉樹(shù)的超大去塊編碼方式和新增的SAO去塊濾波被認(rèn)為是HEVC和AVC的兩個(gè)重大區(qū)別。

　　HEVC幀內(nèi)編碼方案包括分塊變換編碼操作,，為了研究數(shù)字水印算法,，必須要弄清分塊變換編碼操作。當(dāng)壓縮視頻序列通過(guò)HEVC編碼器時(shí),，編碼單元CU是執(zhí)行每個(gè)視頻幀編碼的基本單元,，一個(gè)視頻幀首先被分成64×64個(gè)非重疊的CU單元，每個(gè)CU單元按照四叉樹(shù)[10]的分割方式繼續(xù)分成更小的單元,，如圖1所示,。

　　利用空間冗余壓縮，幀內(nèi)預(yù)測(cè)在HEVC編碼中通過(guò)相鄰塊編碼預(yù)測(cè)得到當(dāng)前塊,，對(duì)一個(gè)N×N大小的編碼單元CU,，N∈{64，32,，16},，僅有一個(gè)大小為N×N的預(yù)測(cè)單元,，然而當(dāng)N=8時(shí)，有8×8和4×4兩個(gè)預(yù)測(cè)尺寸,。此外,，不同的PU尺寸，HEVC支持35種[10]預(yù)測(cè)模式,，如圖2所示,，而H.264只有9種。35種預(yù)測(cè)模式中,，模式0和模式1分別是平面和直流模式,，適合用在逐漸變化和小亮度變化的預(yù)測(cè)單元，除去以上兩種模式,，其余33種不同方向的預(yù)測(cè)模式經(jīng)常用來(lái)捕捉邊緣特性,。

　　對(duì)一個(gè)N×N的預(yù)測(cè)單元PU，HEVC編碼從對(duì)應(yīng)相鄰像素和幀內(nèi)預(yù)測(cè)生成35種預(yù)測(cè)塊,，這些參考像素從右上方,、上、左上,、左,、左下相鄰塊像素編碼，如圖3所示,。

　　2 基于HEVC的水印算法設(shè)計(jì)

　　本文提出的算法基于HEVC高效視頻編碼格式,，主要包括水印預(yù)處理、水印嵌入與提取模塊,，其中嵌入與提取算法是與HEVC的編碼器緊密結(jié)合的,。

　　2.1 水印預(yù)處理

　　水印預(yù)處理是視頻水印算法重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它可以有效地去除水印信息的相關(guān)性,，提高水印信息抵抗攻擊的能力,。水印信息可以是一幅圖片或者文字等載體數(shù)據(jù)，通常根據(jù)水印算法提供的水印容量來(lái)選取嵌入何種水印,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，本算法可嵌入的載體容量可達(dá)1 kB~10 kB，所以可以嵌入簡(jiǎn)單的單色圖像,。常用的水印預(yù)處理方法有置亂,、擴(kuò)頻等，置亂的主要功能是去除水印信息本身的自相關(guān)性,，即使水印被第三方破解,，由于水印信息是亂序的，第三方仍然不能得知水印信息的真實(shí)來(lái)源并對(duì)其修改,，因此可以起到版權(quán)保護(hù)的作用,。

　　本算法采取對(duì)水印信息進(jìn)行置亂處理,，設(shè)AM×N表示大小為M×N的圖像，Ax,，y[x∈（0,，M-1），y∈（0,，N-1）]表示圖像A在點(diǎn)（x,，y）處的像素值，由于是二值圖像,，Ax,，y只能是0或1。對(duì)水印圖像的像素矩陣進(jìn)行光柵掃描,，得到的一維數(shù)組記為W,。為了將水印信息W以置亂的方式嵌入，首先生成一個(gè)Logistic混沌序列,。令μ=4,，初始值設(shè)為0.9，生成的Logistic序列為偽隨機(jī)序列,。

　　2.2 水印嵌入位置選擇

　　HEVC水印嵌入位置的選擇與AVC很不相同,，需要重新考慮編碼單元的劃分。HEVC最大編碼尺寸可達(dá)64×64,，按照設(shè)計(jì)初衷,，HEVC應(yīng)用對(duì)象主要是4 KB及以上視頻，這也是編碼單元變大的原因,。根據(jù)人眼視覺(jué)模型,，人眼對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域活躍的地方不敏感，水印嵌入的位置應(yīng)該選擇在紋理較復(fù)雜的區(qū)域,。由于非運(yùn)動(dòng)區(qū)域的平滑性，其編碼單元尺寸較大,，反過(guò)來(lái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的編碼尺寸一般較小,，所以水印嵌入的位置選擇在較深的編碼單元。在H.265編碼中,，編碼樹(shù)單元中4×4子塊的非零系數(shù)個(gè)數(shù)代表當(dāng)前子塊的運(yùn)動(dòng)活性,，因此選擇大小為4×4的編碼單元進(jìn)行嵌入對(duì)視頻質(zhì)量和碼率的影響更小。

　　2.3 水印嵌入算法

　　H．265編碼樹(shù)單元的預(yù)測(cè)殘差在經(jīng)過(guò)整數(shù)DST變換和量化之后,，預(yù)測(cè)殘差的能量主要集中在中低頻的DST系數(shù)中,，大部分的高頻系數(shù)都為零。HEVC在一個(gè)CU內(nèi)進(jìn)行變換運(yùn)算時(shí),，可以將CU按照編碼樹(shù)層次細(xì)分,，從32×32到4×4的小塊,。HEVC變換運(yùn)算和AVC不同，變換時(shí)先進(jìn)行列運(yùn)算然后進(jìn)行行運(yùn)算,，量化是與整數(shù)DST變換一并完成,，是在TU中分別對(duì)亮度和色度分量進(jìn)行的。本算法將水印嵌入到亮度分量4×4 DST分塊的中頻系數(shù)中,，水印的嵌入流程圖如圖4所示,。

　　為了獲得關(guān)于殘差信號(hào)的率失真成本，HEVC編碼引出對(duì)預(yù)測(cè)殘差的轉(zhuǎn)換與量化編碼的編碼單元（TU）,。在HEVC幀內(nèi)編碼中,，決定一個(gè)PU單元的最優(yōu)內(nèi)模式之前，要獲得相關(guān)的率失真成本,，一個(gè)N×N（N∈{32,，16，8,，4}）的PU,，也存在唯一尺寸為N×N的TU，然而當(dāng)N=64,，將有4個(gè)32×32的TU,。色度預(yù)測(cè)殘差的變換編碼，HEVC規(guī)定兩種變換：整數(shù)DST[11]和整數(shù)DCT,。整數(shù)DST用在4×4變換單元,，而整數(shù)DCT用在32×32、16×16,、8×8變換單元,。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本算法對(duì)4×4變換單元進(jìn)行整數(shù)DST變換[10]操作,。

　　用R表示N×N變換單元的亮度預(yù)測(cè)殘差矩陣,，當(dāng)對(duì)R進(jìn)行整數(shù)DST變換時(shí)，R的QDST系數(shù)矩陣可以表示為：

　　R=（SfRSfT）×X00 X01 X02 X03X10 X11 X12 X13X20 X21 X22 X23X30 X31 X32 X33（1）

　　其中,，Q指量化步長(zhǎng),，由量化參數(shù)QP決定。Sf為：

　　Sf=A  B  C DC  C  0 -CD -A -C BB -D C -A（2）

　　在解碼端,，對(duì)R進(jìn)行逆QDST（IQDST）操作,，重建的殘差信號(hào)表示為：

　　R=IQDST（R）=Sf-1（R×Q）（SfT）-1（3）

　　水印信息是通過(guò)修改QDST變換后的系數(shù)來(lái)嵌入的，根據(jù)奇偶性來(lái)改變?cè)璂ST變換矩陣系數(shù)的值,。本算法是將水印信息嵌入在4×4變換單元TU系數(shù)中,，假設(shè)一個(gè)4×4變換單元TU的系數(shù)三元組為（Xij，Xmn，Xpq）,，嵌入水印信息以后為（X′ij,，X′mn，X′pq）,，（X′ij,，X′mn，X′pq）可由式（4）得出：

　?。╔′ij,，X′mn，X′pq）=（Xij+t,，Xmn-t,，Xpq+t）（4）

　　其中，t的值為：

　　t=1,，if（Xij>0,，w=1，and Xij is even）,，  or（Xij>0,，w=0，and Xij is odd）,，-1,，if（Xij<0，w=1,，and Xij is even）,，   or（Xij<0，w=0,，and Xij is odd）,，0，if（Xij≠0,，w=1,，and Xij  is odd），  or（Xij≠0,，w=0,，and Xij is even）（5）

　　2.4 水印提取算法

　　水印提取是嵌入的逆過(guò)程，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單方便,，提取流程圖如圖5所示。

　　先對(duì)嵌入水印的H.265碼流進(jìn)行熵解碼,，得到每個(gè)編碼樹(shù)單元預(yù)測(cè)殘差的量化DST系數(shù),，再統(tǒng)計(jì)每個(gè)編碼樹(shù)單元中子塊DST系數(shù)的非零個(gè)數(shù)，找出非零系數(shù)個(gè)數(shù)最多的子塊，對(duì)其進(jìn)行水印的提取和視頻還原,?？梢酝ㄟ^(guò)得出的（X′ij，X′mn,，X′pq）提取水印信息：

　?。╔ij，Xmn,，Xpq）=（X′ij,，X′mn，X′pq）or（X′ij-1,，X′mn+1,，X′pq-1），if X′ij>0（X′ij,，X′mn,，X′pq）or（X′ij+1，X′mn-1,，X′pq+1）,，otherwise（6）

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為了驗(yàn)證算法的性能和有效性，本實(shí)驗(yàn)基于H.265/HEVC參考軟件模型HM10.1進(jìn)行仿真,，HM配置參數(shù)如表1所示,。實(shí)驗(yàn)中對(duì)PeopleOnStreet_2560x1600_30_crop測(cè)試序列進(jìn)行水印的嵌入和提取，水印圖像大小為28×16,，內(nèi)容是“SMU”,。

　　圖6為正常編碼圖像，圖7為嵌入水印后的編碼圖像,，對(duì)比可見(jiàn),，圖像主觀質(zhì)量并沒(méi)有明顯差異，失真較小,。

　　圖8為選取的前15幀嵌入水印前后圖像的PSNR值對(duì)比,，從圖中可知嵌入水印對(duì)視頻亮度平均PSNR影響很小，符合要求,。

　　對(duì)含水印的視頻進(jìn)行攻擊測(cè)試,，表2是3種攻擊下提取出來(lái)的水印圖像。

　　從表2可以看出,，椒鹽噪聲對(duì)水印的影響稍大,，高斯噪聲略有影響，視頻剪切對(duì)水印幾乎沒(méi)影響,。但不論受到何種攻擊后,，提取出水印,，就能很容易地識(shí)別為原圖的內(nèi)容，所以其魯棒性還是比較強(qiáng)的,。

　　HEVC是新一代高性能視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),。本文介紹了HEVC在編碼和預(yù)測(cè)等方面相較于之前視頻格式的區(qū)別，分析了HEVC格式的新特性對(duì)傳統(tǒng)水印算法的影響,，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)HEVC編碼格式的視頻水印新算法,。實(shí)驗(yàn)證明了該算法有很好的實(shí)用性，并能有效抵抗多種視頻攻擊,。

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