摘 要: 介紹了數(shù)字水印" title="數(shù)字水印">數(shù)字水印技術(shù)的基本原理,以MPEG-4" title="MPEG-4">MPEG-4為例,提出并實現(xiàn)了一種改進的基于擴展頻譜的視頻水印方案。實踐證明,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 擴展頻譜
隨著信息技術(shù)和計算機網(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特要求。
本文分析了MPEG-4視頻結(jié)構(gòu)[1]的特點,提出了一種基于擴展頻譜[2]的視頻數(shù)字水印改進方案,并給出了應(yīng)用實例,。
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的發(fā)生,但可以判別對象是否受到保護,監(jiān)視被保護數(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,在水印嵌入,、提取時采用一種密鑰,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。
1.2 視頻數(shù)字水印設(shè)計應(yīng)考慮的幾個方面
·水印容量:嵌入的水印信息必須足以標(biāo)識多媒體內(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:在不明顯降低視頻質(zhì)量的條件下,水印很難除去。
·盲檢測:水印檢測時不需要原始視頻,因為保存所有的原始視頻幾乎是不可能的,。
·篡改提示:當(dāng)多媒體內(nèi)容發(fā)生改變時,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,。缺點是:
·會增加視頻碼流的數(shù)據(jù)比特率;
·經(jīng)MPEG-4有損壓縮后會丟失水印;
·會降低視頻質(zhì)量;
·對于已壓縮的視頻,需先進行解碼,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)[3],。此類方案的優(yōu)點是:
·水印僅嵌入在DCT系數(shù)中,不會增加視頻流的數(shù)據(jù)比特率;
·易設(shè)計出抗多種攻擊的水印;
·可通過自適應(yīng)機制依據(jù)人的視覺特性進行調(diào)制,在得到較好的主觀視覺質(zhì)量的同時得到較強的抗攻擊能力。
缺點是對于已壓縮的視頻,有一個部分解碼,、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)點是不需完全解碼和再編碼的過程,對整體視頻信號的影響較小,。缺點是:
·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)中運動補償環(huán)路的不良影響;
·該類算法設(shè)計具有一定的復(fù)雜度。
2 MPEG-4視頻水印的實現(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)的擴展頻譜數(shù)字水印技術(shù)改進方案,將擴頻調(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,大大減少了運算的復(fù)雜度,提高了實時性,。同時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,水印具有很強的魯棒性,。
2.1 MPEG-4視頻的特點
MPEG-4視頻編解碼基于VOP(Video Object Plane)[4]。
從時間上看,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只用本身的信息進行編碼;PVOP利用過去的參考VOP進行運動補償?shù)念A(yù)測編碼;BVOP利用過去和將來的參考VOP進行雙向運動補償?shù)念A(yù)測編碼;SVOP一系列運動圖像中的靜止背景,。因此IVOP的圖像信息較獨立,最適合嵌入水印信息。
從空間上看,它由若干個大小為16×16的宏塊(Macro Block)組成,每個宏塊包括大小為8×8的6個子塊,。其中4個亮度子塊Y,1個色差子塊U,1個色差子塊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(U子塊)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。本方案采用擴頻的方法,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
偽隨機的擴展序列長度為255(28-1),每一水印信息位通過偽隨機擴展序列的調(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,嵌入在直流系數(shù)的最低位,帶來的誤差非常小。
偽隨機的擴展序列產(chǎn)生代碼如下:
#define M_LEN 255
#define M_SERIES 8
for(i=0;i
for(i=M_SERIES;i
{
m[i]= m[i-1]+m[i-5]+m[i-6]+m[i-7];
m[i]=m[i]%2;
}
水印信息位擴展調(diào)制方式為:
·水印信息位為0,偽隨機的擴展序列不變;
·水印信息位為1,偽隨機的擴展序列取反,。
這個過程可以用異或運算實現(xiàn),。代碼如下:
WMij = Wi ^ m[j];
/*每一水印信息位擴展調(diào)制成255位的擴展調(diào)制位*/
這里Wi表示水印信息碼流,WMij表示水印信息擴展調(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)測計算之前)序列,為了方便,用一個字節(jié)表示一位二進制碼流信息,。
水印嵌入過程如下:
if (WMij) UDCij |=1;
/*根據(jù)擴展調(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)測計算之后)序列; inv_WMij表示檢測到的水印信息擴展調(diào)制碼流,。每個IVOP色度子塊在解碼時得到一位擴展調(diào)制的信號位,每連續(xù)255個擴展調(diào)制的信號位可解調(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個擴展調(diào)制的信號接收序列進行異或運算,統(tǒng)計運算后1的個數(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,得到的水印信息位為1;當(dāng)OneCount=0時,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)計分析,當(dāng)OneCount>127時,得到的水印信息位為1,并且這255個IVOP色度子塊中有(255-OneCount)個子塊受到攻擊或干擾;當(dāng)OneCount<127時,得到的水印信息位為0,并且這255個IVOP色度子塊中有OneCount個子塊受到攻擊或干擾。這樣既可以統(tǒng)計總共有多少視頻IVOP色度子塊受到攻擊或干擾, 同時又能極強地恢復(fù)出原始水印信息,。
3 試驗結(jié)果分析
試驗結(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,因為IVOP不可以被跳躍或刪除。同時,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算的復(fù)雜度大為降低,為MPEG-4編解碼節(jié)省了時間,還可取得良好的視頻效果,達(dá)到了不可覺察性,。從統(tǒng)計角度看也不會增加視頻碼流。另外,水印提取時無需原始視頻,。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印;若水印信息受到攻擊,根據(jù)擴頻解調(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)計出有多少個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)上提出了一個基于擴展頻譜的MPEG-4視頻數(shù)字水印方案,。實踐證明,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,從而提供了知識產(chǎn)權(quán)的保護,防止非法獲取,。
參考文獻
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