摘  要： 針對新的HEVC高效視頻編碼標準特性,，提出了一種基于版權(quán)保護的視頻水印算法,。分析了HEVC同上一版視頻格式標準H.264/AVC之間的編碼差別，在研究HEVC格式的基礎上為其設計了一個獨特的水印算法,。該算法首先對水印圖片進行置亂處理,，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。實驗結(jié)果證明,，該算法對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,；H.264/AVC；視頻水印

　　隨著硬件條件的不斷改善,，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量近年來有著突飛猛進的增長,，尤其是數(shù)字媒體的傳播數(shù)量。2013年1月,，為了滿足人們對高清視頻的需求,，視頻壓縮標準高性能視頻編碼HEVC（High Efficiency Video Coding）作為可替代H.264編碼標準的新一代國際標準被正式提出使用。HEVC是ITU-T組織和ISO/IEC組織聯(lián)合開發(fā)的視頻編碼標準,，對以前的視頻格式進行了多方面的改革,，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制和修改,，與此同時,，數(shù)字視頻的保護問題也得到了研究者們的注意,。

　　由于版權(quán)保護的需要，過去十幾年里對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,，這方面的應用量飛速上漲。數(shù)字水印技術(shù)是通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息證實該數(shù)據(jù)的所有權(quán),，這種被嵌入的水印可以是一段文字,、標識、圖片等,，而且這種水印通常是不可見或不可察的,，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)使用價值或商用價值的操作而保存下來,。

　　針對各種格式的視頻水印算法國內(nèi)外學者都已經(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)實需求和應用領域,，介紹了水印系統(tǒng)的基本概念，并詳細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,，以二進制圖像做水印，水印的每一位都擴展進小波系數(shù)里,。Zhang Jing等人[4]針對H.264/AVC提出了一個魯棒性強的水印算法，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,、反差增強等攻擊,。VERMA A K、SINGHAL M,、PATVARDHAN C[5]提出了一個基于YCbCr顏色空間和小波變換的數(shù)字視頻水印算法,，水印被嵌入時域空間平面。國內(nèi)對水印的研究也很透徹,，幾乎涉及水印嵌入,、提取的各個領域,。張江等人[6]分析了視頻水印技術(shù)的特點和面臨的挑戰(zhàn)，闡述了視頻水印的模型及算法分類,，探討了視頻水印的發(fā)展趨勢,。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，能對認證通過的視頻數(shù)據(jù)進行還原和對認證失敗的視頻I幀遭篡改區(qū)域進行有效的定位,。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，可以較好地抵抗強剪切攻擊,。李亞文[8]對壓縮視頻的圖像幀的亮度分量進行小波提升分解,，利用混沌系統(tǒng)對水印圖像進行置亂，提升了算法的安全性和抗攻擊能力,。

　　為了保護HEVC視頻編碼格式的數(shù)字視頻,，本文以新的HEVC視頻格式為研究對象，以為其設計水印算法為目的,，分析了HEVC同上一版視頻格式標準H.264/AVC之間的編碼差別及這些差別對現(xiàn)有水印算法思想的影響,，在仔細研究HEVC格式的基礎上為其設計了一個獨特的水印算法。實驗結(jié)果證明,，該算法對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H.264/AVC難以滿足當前人們對高清視頻需求的不足,，HEVC在其基礎上進行了大量變革,，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)預測,、幀間預測、轉(zhuǎn)換,、量化,、熵編碼等模塊，但與AVC基于宏塊不同,，HEVC中類似的結(jié)構(gòu)為編碼樹單元（CTU）,，其尺寸由編碼器進行指定，可以比傳統(tǒng)的宏塊大,。一個CTU包含一個亮度CTB和多個對應的色度CTB及句法元素,。一個L×L的亮度CTB，L可以設置為16,、32或者64[9],。預測類型是在CU內(nèi)編碼，CU是HEVC中用于幀間預測和幀內(nèi)預測的判決點,。

　　H.265引入了名為合并模式的幀間預測方法,，原理是PU之間的移動信息非常相似,，因此可以就近采用附近PU的形式而不作運動評估等計算。H.265也提供了1/2,、2/4,、3/4[9]像素非整數(shù)點位置運動評估，不過有8點插值濾波,，而H.264只有6點,。預測動作完成后，要采用類似DCT的整數(shù)變換算法對殘差進行編碼來進一步降低碼率,。H.265在進行變換操作時會先把CU拆開成若干個TU（變換單元）,，這些TU并不需要和PU對齊。拆為TU的原因是CU中可能同時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的改進之處還包括熵編碼處理,、去塊濾波處理,。結(jié)合四叉樹的超大去塊編碼方式和新增的SAO去塊濾波被認為是HEVC和AVC的兩個重大區(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。當壓縮視頻序列通過HEVC編碼器時,，編碼單元CU是執(zhí)行每個視頻幀編碼的基本單元,，一個視頻幀首先被分成64×64個非重疊的CU單元，每個CU單元按照四叉樹[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)預測在HEVC編碼中通過相鄰塊編碼預測得到當前塊,，對一個N×N大小的編碼單元CU,，N∈{64，32,，16},，僅有一個大小為N×N的預測單元，然而當N=8時,，有8×8和4×4兩個預測尺寸。此外,，不同的PU尺寸,，HEVC支持35種[10]預測模式，如圖2所示,，而H.264只有9種,。35種預測模式中,，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測單元,，除去以上兩種模式,，其余33種不同方向的預測模式經(jīng)常用來捕捉邊緣特性。

　　對一個N×N的預測單元PU,，HEVC編碼從對應相鄰像素和幀內(nèi)預測生成35種預測塊,，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的水印算法設計

　　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 水印預處理

　　水印預處理是視頻水印算法重要的一個環(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選取嵌入何種水印,。通過實驗發(fā)現(xiàn)，本算法可嵌入的載體容量可達1 kB~10 kB,，所以可以嵌入簡單的單色圖像,。常用的水印預處理方法有置亂、擴頻等,，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來源并對其修改,，因此可以起到版權(quán)保護的作用。

　　本算法采取對水印信息進行置亂處理,，設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（x,，y）處的像素值,，由于是二值圖像,，Ax，y只能是0或1,。對水印圖像的像素矩陣進行光柵掃描,，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Logistic混沌序列,。令μ=4，初始值設為0.9,，生成的Logistic序列為偽隨機序列,。

　　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64×64,，按照設計初衷，HEVC應用對象主要是4 KB及以上視頻,，這也是編碼單元變大的原因,。根據(jù)人眼視覺模型，人眼對運動區(qū)域活躍的地方不敏感,，水印嵌入的位置應該選擇在紋理較復雜的區(qū)域,。由于非運動區(qū)域的平滑性，其編碼單元尺寸較大,，反過來運動區(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,，編碼樹單元中4×4子塊的非零系數(shù)個數(shù)代表當前子塊的運動活性,，因此選擇大小為4×4的編碼單元進行嵌入對視頻質(zhì)量和碼率的影響更小。

　　2.3 水印嵌入算法

　　H．265編碼樹單元的預測殘差在經(jīng)過整數(shù)DST變換和量化之后,，預測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CU內(nèi)進行變換運算時,，可以將CU按照編碼樹層次細分,，從32×32到4×4的小塊。HEVC變換運算和AVC不同,，變換時先進行列運算然后進行行運算,，量化是與整數(shù)DST變換一并完成，是在TU中分別對亮度和色度分量進行的,。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)于殘差信號的率失真成本,，HEVC編碼引出對預測殘差的轉(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N×N（N∈{32，16,，8,，4}）的PU，也存在唯一尺寸為N×N的TU,，然而當N=64,，將有4個32×32的TU。色度預測殘差的變換編碼,，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。為簡便起見,，本算法對4×4變換單元進行整數(shù)DST變換[10]操作,。

　　用R表示N×N變換單元的亮度預測殘差矩陣，當對R進行整數(shù)DST變換時,，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，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R進行逆QDST（IQDST）操作，重建的殘差信號表示為：

　　R=IQDST（R）=Sf-1（R×Q）（SfT）-1（3）

　　水印信息是通過修改QDST變換后的系數(shù)來嵌入的,，根據(jù)奇偶性來改變原DST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，假設一個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：

　　（X′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程,，因此實現(xiàn)起來簡單方便,，提取流程圖如圖5所示。

　　先對嵌入水印的H.265碼流進行熵解碼,，得到每個編碼樹單元預測殘差的量化DST系數(shù),，再統(tǒng)計每個編碼樹單元中子塊DST系數(shù)的非零個數(shù)，找出非零系數(shù)個數(shù)最多的子塊,，對其進行水印的提取和視頻還原,。可以通過得出的（X′ij,，X′mn,，X′pq）提取水印信息：

　　（Xij,，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 實驗結(jié)果與分析

　　為了驗證算法的性能和有效性,，本實驗基于H.265/HEVC參考軟件模型HM10.1進行仿真,，HM配置參數(shù)如表1所示。實驗中對PeopleOnStreet_2560x1600_30_crop測試序列進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,，對比可見，圖像主觀質(zhì)量并沒有明顯差異,，失真較小,。

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

　　對含水印的視頻進行攻擊測試，表2是3種攻擊下提取出來的水印圖像,。

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

　　HEVC是新一代高性能視頻編碼標準,。本文介紹了HEVC在編碼和預測等方面相較于之前視頻格式的區(qū)別,，分析了HEVC格式的新特性對傳統(tǒng)水印算法的影響，并據(jù)此設計了一個針對HEVC編碼格式的視頻水印新算法,。實驗證明了該算法有很好的實用性,，并能有效抵抗多種視頻攻擊。

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