MPEG-4視頻數字水印技術的設計與實現

    關鍵詞：數字水印 視頻 MPEG-4 擴展頻譜

隨著信息技術和計算機網絡的飛速發展，人們不但可以通過互聯網和ＣＤ－ＲＯＭ方便快捷地獲得多媒體信息，還可以得到與原始數據完全相同的復制品，由此引發的盜版問題和版權紛爭已成為日益嚴重的社會問題。因此，數字多媒體產品的水印處理技術已經成為近年來研究的熱點領域之一。

雖然數字水印技術近幾年得到長足發展，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，為視頻水印提出了一些區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字水印改進方案，并給出了應用實例。

１ 視頻數字水印技術簡介

１．１ 數字水印技術介紹

數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容當中，但不影響原內容的價值和使用，并且不能被人的感知系統覺察或注意到。與傳統的加密技術不同，數字水印技術并不能阻止盜版活動的發生，但可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播，鑒別真偽，解決版權糾紛并為法庭提供認證證據。為了給攻擊者增加去除水印的難度，目前大多數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容的購買者或所有者。

·不可察覺性：嵌入在視頻數據中的數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：當多媒體內容發生改變時，通過水印提取算法，能夠敏感地檢測到原始數據是否被篡改。

１．３ 視頻數字水印方案選擇

通過分析現有的數字視頻編解碼系統，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。此類方案的優點是：水印嵌入的方法較多，原則上數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據比特率；

·經ＭＰＥＧ－４有損壓縮后會丟失水??；

·會降低視頻質量；

·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（ＤＣ）中（量化后、預測前）。此類方案的優點是：

·水印僅嵌入在ＤＣＴ系數中，不會增加視頻流的數據比特率；

·易設計出抗多種攻擊的水??；

·可通過自適應機制依據人的視覺特性進行調制，在得到較好的主觀視覺質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中運動補償環路的不良影響；

·該類算法設計具有一定的復雜度。

２ ＭＰＥＧ－４視頻水印的實現

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視頻編碼系統的擴展頻譜數字水印技術改進方案，將擴頻調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進行運動補償的預測編碼；ＢＶＯＰ利用過去和將來的參考ＶＯＰ進行雙向運動補償的預測編碼；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系數中，從而提高了水印生存的穩定性。在ＭＰＥＧ－４壓縮算法中，ＤＣＴ系數的量化是關鍵，它直接影響視頻的質量和碼流控制算法。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量，本方案將水印嵌入到色度?穴Ｕ子塊?雪ＤＣＴ系數中。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勢。將水印信息嵌入到ＩＶＯＰ色度量化后的ＤＣＴ直流系數中，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系數量化帶來的影響。

２．２ 視頻數字水印算法與實現

在ＭＰＥＧ－４視頻中，由于ＩＶＯＰ中色度子塊的ＤＣＴ直流系數是一個在視頻流中始終存在且很魯棒的參數，本方案將水印信息經ｍ序列(最長線性反饋移存器序列)調制后嵌入到ＩＶＯＰ的色度子塊ＤＣＴ的直流系數中。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的直流系統是一個對視覺系統很敏感的參數，本方案在色度ＤＣＴ的直流系數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，使人眼的視覺系統對視頻中色度的微小變化感覺不到。經過試驗將水印嵌入到ＩＶＯＰ的色度ＤＣＴ的直流系數的最低位能滿足要求。

２．２．１ 視頻數字水印的嵌入

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制嵌入到相應的ＩＶＯＰ色度對應的ＤＣＴ直流系數(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，嵌入在直流系數的最低位，帶來的誤差非常小。

偽隨機的擴展序列產生代碼如下：

＃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。代碼如下:

ＷＭｉｊ ＝ Ｗｉ ＾ ｍ[ｊ];

／?觹每一水印信息位擴展調制成２５５位的擴展調制位*／

這里Ｗｉ表示水印信息碼流(ＷＭｉｊ表示水印信息擴展調制碼流。設ＵＤＣｉｊ表示視頻ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系數)量化后、ＤＣ預測計算之前?雪序列，為了方便，用一個字節表示一位二進制碼流信息。

水印嵌入過程如下：

ｉｆ (ＷＭｉｊ) ＵＤＣｉｊ ｜＝１;

／*根據擴展調制后的碼流嵌入水印信息*／

ｅｌｓｅ ＵＤＣｉｊ ＆＝０ｘＦＦＦＥ;

２．２．２ 視頻數字水印的提取

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(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制碼流。每個ＩＶＯＰ色度子塊在解碼時得到一位擴展調制的信號位，每連續２５５個擴展調制的信號位可解調得到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２５５個擴展調制的信號接收序列進行異或運算，統計運算后１的個數記為ＯｎｅＣｏｕｎｔ。由于ｍ序列的自相關函數只有兩種取值(１和－１／(２ｎ－１))，屬于雙值自相關序列。因此，如果數據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。如果數據受到攻擊或干擾，ＯｎｅＣｏｕｎｔ有多種結果。根據統計分析，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的直流系數中，而直流系數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，根據擴頻解調性質，本方案可以最大限度地恢復出原始水印信息，并統計出有多少個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據是否被篡改或破壞，并具有良好的穩定性和魯棒性，從而提供了知識產權的保護，防止非法獲取。