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MPEG-4視頻數(shù)字水印技術的設計與實現(xiàn)
摘要：介紹了數(shù)字水印技術的基本原理，以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。
關鍵詞：數(shù)字水印 視頻 MPEG-4 擴展頻譜
隨著信息技術和計算機網(wǎng)絡的飛速發(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)完全相同的復制品，由此引發(fā)的盜版問題和版權紛爭已成為日益嚴重的社會問題。因此，數(shù)字多媒體產(chǎn)品的水印處理技術已經(jīng)成為近年來研究的熱點領域之一。
雖然數(shù)字水印技術近幾年得到長足發(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，視頻水印技術的發(fā)展滯后于靜止圖像水印技術。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視頻結構的特點，提出了一種基于擴展頻譜的視頻數(shù)字水印改進方案，并給出了應用實例。
１ 視頻數(shù)字水印技術簡介
１．１ 數(shù)字水印技術介紹
數(shù)字水印技術通過一定的算法將一些標志性信息直接嵌入到多媒體內(nèi)容當中，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)的加密技術不同，數(shù)字水印技術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)危鉀Q版權糾紛并為法庭提供認證證據(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。
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１．２ 視頻數(shù)字水印設計應考慮的幾個方面
·水印容量：嵌入的水印信息必須足以標識多媒體內(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��；
·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、預測前）。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；
·易設計出抗多種攻擊的水��；
·可通過自適應機制依據(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；
·該類算法設計具有一定的復雜度。
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)。
從時間上看,ＶＯＰ分為內(nèi)部ＶＯＰ(ＩＶＯＰ)、前向因果預測ＶＯＰ(ＰＶＯＰ)、雙向非因果預測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?熏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準量化表。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基礎，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)制嵌入到相應的ＩＶＯＰ色度對應的ＤＣＴ直流系數(shù)(量化后、預測前)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＜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];
／?觹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ＵＤＣｉｊ表示視頻ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系數(shù))量化后、ＤＣ預測計算之前?雪序列，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構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序列的自相關函數(shù)只有兩種取值(１和－１／(２ｎ－１))，屬于雙值自相關序列。因此，如果數(shù)據(jù)未受到任何攻擊和干擾，ＯｎｅＣｏｕｎｔ只有兩種結果：２５５或０。當ＯｎｅＣｏｕｎｔ＝２５５時，得到的水印信息位為１；當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有多種結果。根據(jù)統(tǒng)計分析，當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出原始水印信息。
３ 試驗結果分析
試驗結果表明，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)擴頻解調(diào)性質(zhì)，本方案可以最大限度地恢復出原始水印信息，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準(Ｈ．２６１、Ｈ．２６３、ＭＰＥＧ－４等)共同采用的技術基礎。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用前景。本文在此基礎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)權的保護，防止非法獲取。
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