劉召斌，李躍強(qiáng)

（懷化醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校 公共課部，湖南 懷化 418000）

視頻水印技術(shù)作為一種有效的數(shù)字視頻版權(quán)保護(hù)技術(shù)，是目前數(shù)字水印技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。與靜止圖像水印相比，數(shù)字視頻水印具有如下的特點(diǎn)：

（1）視頻水印對(duì)健壯性要求高。針對(duì)視頻水印的攻擊比圖像水印多，除幾何攻擊（如剪切、旋轉(zhuǎn)等）、噪聲攻擊（加椒鹽噪聲、泊松噪聲、高斯噪聲等）、濾波攻擊（線性濾波、中值濾波、自適應(yīng)濾波）、亮度及飽和度改變等幀內(nèi)攻擊外，還有幀間攻擊（如幀插入、幀刪除、幀交換）、共謀攻擊（如幀平均）和編碼壓縮攻擊（如 MPEG壓縮、AVS壓縮、H.264壓縮）等視頻水印特有的攻擊。因此，在健壯性方面對(duì)視頻水印提出更高的要求。近幾年來(lái)，視頻水印研究涌現(xiàn)出不少健壯算法[1-3]。

（2）視頻水印對(duì)透明性提出了新要求。視頻數(shù)據(jù)量龐大、存在較多的數(shù)據(jù)冗余，有利于隱藏更多的信息。從透明性考慮，通常不在每一幀都嵌入水印，而是有選擇性地在某些幀嵌入水印。如何選擇水印嵌入幀，使之不容易被隱寫分析者發(fā)現(xiàn)，成為視頻水印研究的一個(gè)重要內(nèi)容。近幾年來(lái)，利用圖像的某些特征值來(lái)選擇水印嵌入幀正成為研究?jī)?nèi)容之一[4-7]。

本文提出一種用歐拉數(shù)作為特征值來(lái)選取視頻水印嵌入幀，在HSV色彩空間亮度分量DCT中頻系數(shù)中嵌入水印的算法。該算法能實(shí)現(xiàn)盲嵌入、盲檢測(cè)和盲提取，且健壯性強(qiáng)、透明性好，能經(jīng)受噪聲、濾波、剪切、壓縮、幀插入及刪除等圖像、視頻處理與攻擊。

1 HSV色彩空間

色彩描述可分為基色與色、亮分離色彩空間兩大類，前者典型的是RGB色彩空間，后者典型的是HSV色彩空間。

RGB 色彩空間由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三基色組成，各分量之間耦合比較強(qiáng)，任何一個(gè)分量的變化都會(huì)影響色彩的比例，使圖像的色彩發(fā)生變化。

HSV 色彩空間由 H、S、V 3個(gè)分量組成，H、S、V 分別代表色相（又稱色調(diào)）、純度（又稱飽和度）和明度（又稱亮度）。HSV色彩空間模型為一個(gè)倒圓錐體，如圖1所示。圓錐的頂面對(duì)應(yīng)于V=1，代表的顏色最亮，錐角處V=0，代表的顏色最暗；色調(diào)H由圍繞V軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度表示，其中紅色對(duì)應(yīng)于0°， 黃色對(duì)應(yīng)于 60°，綠色對(duì)應(yīng)于 120°，深藍(lán)色對(duì)應(yīng)于 180°，藍(lán)色對(duì)應(yīng)于 240°； 飽和度 S由軸心向椎體圓周過(guò)渡，表示飽和度由低到高。

雖然HSV色彩空間的圓錐模型比較復(fù)雜，但各分量之間聯(lián)系相對(duì)獨(dú)立，圖像彩色信息主要體現(xiàn)在色調(diào)和飽和度上，改變亮度對(duì)色調(diào)和飽和度影響較小，能較好地保留圖像的彩色信息，便于對(duì)各分量分別處理。

圖1 HSV色彩空間模型

2 算法設(shè)計(jì)

在本文提出的視頻水印算法設(shè)計(jì)中，考慮到透明性、健壯性及圖像質(zhì)量等因素，采取如下算法：

（1）在歐拉數(shù)較小的幀嵌入水印。在幾何理論中，圖像的宏觀形態(tài)可以用拓?fù)湫再|(zhì)來(lái)度量。歐拉數(shù)E是圖像的一種拓?fù)淞?，它是圖像的連通區(qū)域數(shù)C與圖像的空洞數(shù)B之差：

例如某幅圖像的歐拉數(shù)為-100，說(shuō)明該圖像的空洞數(shù)比對(duì)象多100個(gè)。由于圖像具有拓?fù)涞倪B通性，在平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸、壓縮及扭曲后，其連通性不會(huì)發(fā)生改變，因此，歐拉數(shù)可作為圖像的一個(gè)特征量，用于選擇特定的視頻幀來(lái)嵌入水印。

用歐拉數(shù)作為幀的特征值，對(duì)視頻水印來(lái)說(shuō)有以下優(yōu)勢(shì)：

①由于視頻是由大量靜止的幀圖像組成的序列，因此能在眾多的幀圖像中選擇歐拉數(shù)較小的幀嵌入水印。

②能實(shí)現(xiàn)盲嵌入和盲檢測(cè)。能在眾多視頻幀中選擇滿足歐拉數(shù)區(qū)間的幀來(lái)嵌入水印，無(wú)需事先指定嵌入水印的視頻幀，從而實(shí)現(xiàn)盲嵌入；能在眾多的已嵌入水印的視頻幀中選取檢測(cè)出滿足歐拉數(shù)區(qū)間的幀，無(wú)需事先指定含水印的視頻幀，從而實(shí)現(xiàn)盲檢測(cè)。

③不但能抵抗幀插入、幀交換、幀刪除等攻擊，還能提高透明性。

（2）在HSV色彩空間的亮度分量中嵌入水印。HSV色彩空間亮度的改變對(duì)彩色信息影響較小，嵌入水印后能較好地保留圖像的色調(diào)和飽和度，可以較好地保證圖像質(zhì)量。另一方面，把水印嵌入到視覺(jué)最敏感的亮度分量，可提高水印的健壯性。

（3）采用離散余弦變換（DCT）嵌入水印。目前大部分視頻壓縮格式 （如 MPEG-Ⅰ、MPEG-Ⅱ、ITU-T的 H.261和H.263等）變換均采用 DCT，因此，視頻水印采用DCT比較適合。

3 水印嵌入

水印的嵌入步驟如下：

（1）選擇歐拉數(shù)較小的視頻幀。將視頻的RGB圖像轉(zhuǎn)換成單色二值圖像，計(jì)算出圖像的歐拉數(shù)，選擇視頻歐拉數(shù)較小的幀作為水印嵌入幀。

（2）采用有意義的二值圖像作為水印。水印采用有意義的二值圖像，即使水印信息有部分的損失，由于人眼的分辨率的原因，水印信息仍能正確辨識(shí)。為增強(qiáng)水印的安全性，將水印圖像實(shí)施Arnold置亂。將置亂后的水印圖像轉(zhuǎn)換成0-1位串序列，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的0-1位串序列可以表示為：

其中，m、n分別為二值圖像的寬度和長(zhǎng)度。

（3）將RGB色彩空間轉(zhuǎn)換為HSV色彩空間。由RGB到HSV色彩空間的轉(zhuǎn)換表達(dá)式如下：

（4）對(duì)亮度分量V分塊并實(shí)施DCT變換。將亮度分量 V 劃分為 8×8 的塊 Vb（u，v）（u，v=1，2，3… ，8；b=1，2，3，…），然后實(shí)施 DCT 變換，得到DCT系數(shù)M：

圖2 修改DCT系數(shù)

（5）在DCT系數(shù)中嵌入水印。為兼顧健壯性和透明性，僅對(duì)Mb的4對(duì)DCT中頻系數(shù)進(jìn)行修改，如圖2所示，從而嵌入水印。方法如下：

①當(dāng)水印為“0”時(shí)，若|Mm|≥|Mn|，則|Mm|減少、|Mn|增加，直到|Mm|＜|Mn|-k；

②當(dāng)水印為“1”時(shí)，若|Mm|＜|Mn|，則|Mm|增加、|Mn|減少，直到|Mm|≥|Mn|+k。

其中，k的取值在 5～20之間，當(dāng) k值取較大時(shí)，會(huì)增加健壯性，降低透明性；當(dāng)k值取較小時(shí)，會(huì)增加透明性，降低健壯性。本實(shí)驗(yàn)取k=15。

（6）重構(gòu)視頻幀。對(duì)已嵌入水印的 DCT系數(shù) Mbw實(shí)施逆離散余弦變換 （IDCT），得到已嵌入水印的視頻幀亮度分量Vw：

將亮度分量Vw與H、S分量合成為嵌入水印的RGB視頻幀。由HSV到RGB色彩空間的轉(zhuǎn)換表達(dá)式如下：

最后得到嵌入水印的RGB視頻幀。

4 水印提取

提取水印是嵌入水印的逆過(guò)程。在已嵌入水印的視頻選取歐拉數(shù)較小的幀，將選中的幀由RGB色彩空間轉(zhuǎn)換成HSV色彩空間，對(duì)亮度分量V進(jìn)行分塊，然后對(duì)每塊分別實(shí)施DCT變換得到DCT系數(shù)，比較4對(duì)中頻系數(shù)便可提取水印。

水印提取方法為：若|Mm|≥|Mn|，提取水印為“1”，否則為“0”。

這樣便得到水印序列，將一維水印序列轉(zhuǎn)換為二維圖像，再通過(guò)Arnold變換還原成有意義的圖像。顯然，提取水印無(wú)需原始幀、原始水印的參與，屬盲提取。

5 仿真與檢測(cè)

將一個(gè)無(wú)壓縮、AVI格式的真彩色廣告片作為樣本，其總幀數(shù)為 500幀，寬、高分別為 360像素、288像素，幀速為 25 f/s，大小為 155.5 MB。

將一個(gè)尺寸為 32×32、大小為 198 B、單色二值 BMP格式的天平圖像作為水印圖像，如圖3（a）所示，對(duì)其實(shí)施Arnold置亂，如圖3（b）所示，經(jīng)降維后成為一維水印序列。

圖3 水印圖像及置亂圖像

用歐拉數(shù)E≤-340（若需要在更多的幀嵌入水印，可增大E值）的條件選取原始視頻水印嵌入幀，按上述方法嵌入水印。 結(jié)果選中了第 219、220、221、222、225 及229幀，并嵌入了水印。

對(duì)已嵌入的視頻仍以歐拉數(shù)E≤-340的條件來(lái)檢測(cè)水 印嵌 入幀 ， 選出第 219、220、221、222、225 及 229幀，命中率達(dá)100%。實(shí)際上，視頻幀被嵌入水印后，其歐拉數(shù)E值會(huì)有較大幅度的減小，故仍用歐拉數(shù)E≤-340的條件對(duì)檢測(cè)已嵌入水印幀沒(méi)有影響。

5.1 透明性評(píng)價(jià)

圖4（a）是第 219幀原始圖像，圖 4（b）是第 219幀嵌入水印后的圖像。從圖4可以看出，已嵌入水印的視頻樣本在主觀視覺(jué)上與原始視頻幾乎沒(méi)有區(qū)別，說(shuō)明嵌入水印后視覺(jué)上沒(méi)有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象，透明性好。

圖4 第219幀原始圖像及嵌入水印后的圖像

為消除主觀影響，對(duì)嵌入水印前后的視頻幀用峰值信噪比（PSNR）進(jìn)行客觀的定量評(píng)價(jià)，PSNR值在 43以上，說(shuō)明其透明性好。

5.2 健壯性檢測(cè)

為了檢驗(yàn)水印的健壯性，對(duì)已嵌入水印的視頻用以下常見(jiàn)視頻信號(hào)處理及轉(zhuǎn)換。檢測(cè)嵌入水印幀時(shí)，可根據(jù)不同的處理來(lái)調(diào)整檢測(cè)的條件。

（1）添加強(qiáng)度為 0.01 椒鹽（Salt& Pepper）噪聲。

（2）添加泊松（Poisson）噪聲。添加泊松噪聲后，其歐拉數(shù)會(huì)有較大幅度的減小，檢測(cè)時(shí)可將歐拉數(shù)適當(dāng)減小。本實(shí)驗(yàn)將檢測(cè)條件調(diào)整為E≤-480，能準(zhǔn)確檢測(cè)出全部水印幀。

（3）中值濾波。由于經(jīng)濾波處理后，其歐拉數(shù)會(huì)有較大幅度的增加，檢測(cè)時(shí)可將歐拉數(shù)適當(dāng)增加。本實(shí)驗(yàn)將檢測(cè)條件調(diào)整為 E≤-240。

（4）先添加強(qiáng)度為0.01椒鹽噪聲，再用中值濾波消除噪聲。本實(shí)驗(yàn)將檢測(cè)條件調(diào)整為E≤-218。

（5）剪切。將視頻幀左上角剪切 64 pix×64 pix點(diǎn)的方塊（用白色填充）。

（6）將已嵌入水印的視頻樣本AVI格式轉(zhuǎn)換成MPEG-Ⅰ格式文件。AVI格式的視頻文件經(jīng)MPEG-Ⅰ壓縮后，大小由155.5 MB壓縮為1.7 MB。本實(shí)驗(yàn)將檢測(cè)條件調(diào)整為E≤-300，可準(zhǔn)確提取全部水印。

為消除對(duì)提取水印圖像的主觀影響，使用歸一化相關(guān)系數(shù)NC對(duì)原始水印圖像與提取水印圖像的相似性進(jìn)行更為客觀的評(píng)價(jià)。表1是經(jīng)各種處理得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 經(jīng)各種處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文提出了一種選擇歐拉數(shù)較小的視頻幀，在HSV色彩空間的亮度分量的DCT域中嵌入水印的算法。該算法具有盲嵌入、盲檢測(cè)和盲提取的特點(diǎn)，且健壯性強(qiáng)、透明性好，能經(jīng)受噪聲、濾波、剪切、壓縮、幀插入及刪除等攻擊。

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