邢 玲，高寶建，王玉潔，郝露微

(西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710127)

1 概述

在新一代的光存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的過程中，一個(gè)令內(nèi)容提供商和光存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)制造商感到困難的問題就是未經(jīng)授權(quán)拷貝與盜版工業(yè)，其造成的經(jīng)濟(jì)損失甚至使得藍(lán)光數(shù)字多功能光盤(Digital Versatile Disc,DVD)和數(shù)字光存儲(chǔ)格式的藍(lán)色光束光碟(High Definition-DVD,HD-DVD)兩大陣營的產(chǎn)品推出被遲滯[1]。如何控制并合理地使用多媒體產(chǎn)品，即版權(quán)保護(hù)成為下一代媒體發(fā)行的關(guān)鍵問題。電影廠商美國沃爾特迪斯尼、華納兄弟娛樂、IBM、微軟等8 家公司聯(lián)合成立的“AACS LA(AACS Licensing Administrator)”聯(lián)盟定制了“高級(jí)內(nèi)容訪問控制系統(tǒng)”(Advanced Access Content System,AACS)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其安全基礎(chǔ)是高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard,AES)算法加密技術(shù)(視頻內(nèi)容加密)，但是如何對(duì)盜版行為進(jìn)行追蹤是該版權(quán)管理系統(tǒng)必須面對(duì)的問題。作為一種有效處理盜版追蹤版權(quán)保護(hù)方法，數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[2]。

視頻水印可以分為原始視頻水印和壓縮域視頻水印。原始視頻水印是直接對(duì)未壓縮的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與視頻編碼格式無關(guān)。此類方案較多，嵌入方法簡單，但是會(huì)增加視頻的數(shù)據(jù)比特率，抗攻擊能力差，不能抵抗常規(guī)的視頻處理和攻擊，而且還會(huì)降低視頻質(zhì)量，另外，對(duì)于已經(jīng)壓縮過的視頻，要先解碼嵌入水印后再重新壓縮編碼，處理相對(duì)復(fù)雜[3]。壓縮域視頻水印在嵌入時(shí)要考慮mpeg 編碼標(biāo)準(zhǔn)，壓縮域水印算法選擇的主要嵌入載體有離散余弦變換(Discrete Cosine Transform,DCT)系數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量和碼流信息。在DCT 系數(shù)中嵌入水印[4]，是目前研究最多的技術(shù)，可以借鑒圖像DCT 水印的成果，這方面技術(shù)也最成熟，文獻(xiàn)[4]算法嵌入的信息有較強(qiáng)的魯棒性，但是水印容量較小而且需要仔細(xì)選擇截止系數(shù)c 的值，計(jì)算較復(fù)雜；在運(yùn)動(dòng)矢量中嵌入水印[5]，通過修改mpeg 編碼視頻流的運(yùn)動(dòng)向量來嵌入水印，文獻(xiàn)[5]算法不會(huì)增加編碼復(fù)雜度，但是會(huì)造成視頻質(zhì)量明顯下降；在可變長編碼域嵌入水印[6]，相對(duì)于解碼過程所需的時(shí)間，水印檢測所需的時(shí)間可以忽略不計(jì)，實(shí)時(shí)性較好，但是該類算法需要考慮水印的抗再壓縮性能。

由于視頻數(shù)據(jù)本身信息含量大，通常在存儲(chǔ)、傳輸過程中必須要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，考慮到數(shù)字水印嵌入提取的實(shí)時(shí)性，需要將水印嵌入算法與壓縮過程結(jié)合。本文以mpeg-2 為例，提出了一種在壓縮過程中嵌入水印的算法。

2 算法及性能分析

2.1 mpeg-2 標(biāo)準(zhǔn)

本文算法結(jié)合mpeg-2 壓縮過程，為此，先簡單地描述mpeg-2 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)中視頻碼流的組織格式。在語法上MPEG-2 視頻流是分層表示的，其每一層包含一個(gè)或多個(gè)子層，如圖1 所示。一般而言，一個(gè)視頻序列是由多個(gè)圖像組組成(Group of Picture,GOP)，圖像組包含連續(xù)的視頻幀，如I 幀、B 幀、P 幀，一般的視頻碼流為16 幀成一個(gè)GOP組，其結(jié)構(gòu)以IBBPBBPBBPBBPBBP 為主。每一視頻幀又分為多個(gè)切片(slice)和宏塊(macro-block)。最低層是塊層(block-layer)，一個(gè)宏塊由亮度和色差塊組成，在色度格式為4:2:0 的MPEG-2 視頻流中，另一個(gè)宏塊中包括4 個(gè)亮度塊(Y0,Y1,Y2,Y3)和2 個(gè)色差塊(Cb,Cr)[7-8]。

圖1 mpeg-2 視頻流分層語法表示

在宏塊層中，視頻幀圖像8×8 的像素塊經(jīng)過量化后用64 個(gè)量化的DCT 系數(shù)表示。量化后的64 個(gè)DCT 系數(shù)，大部分系數(shù)為0，特別是空域中高頻部分更是基本為0。隨后，經(jīng)過圖2 所示的可變長編碼器，這些DCT 系數(shù)將采用游程長度編碼進(jìn)行編碼處理，將非零的AC 系數(shù)按“之”字形掃描并用一個(gè)二元組表示為(r,l)，二元組中r 是當(dāng)前系數(shù)之前的零的個(gè)數(shù)，l 表示當(dāng)前系數(shù)值。最后在位域中，對(duì)元組(r,l)進(jìn)行熵編碼得到變長碼碼字。每一塊的結(jié)尾的碼字是塊結(jié)束(EOB,End of Block)標(biāo)志。由元組(r,l)構(gòu)成部分被稱為變長碼域，最終結(jié)果編碼為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流[9]。

圖2 編碼器工作流程

2.2 水印嵌入與提取算法

2.2.1 水印嵌入算法

算法選擇在圖像組I 幀的色度塊中嵌入水印，以保證水印的安全性、實(shí)時(shí)性以及不可見性。水印采用大小為m×n的有意義二值圖像W。具體算法原理如圖3 所示。

圖3 水印嵌入流程

水印的嵌入過程如下：

(1)將二值圖像w 作為水印信號(hào)，原始水印信號(hào)變?yōu)橐痪S信號(hào)，并與混沌序列進(jìn)行異或運(yùn)算，將水印加密；順序讀取原始視頻，判斷當(dāng)前幀是否為I 幀，如果是，則讀入水印準(zhǔn)備進(jìn)行嵌入，否則就進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的mpeg-2 壓縮過程。

(2)將I 幀劃分為若干宏塊，根據(jù)密鑰 k1選擇要嵌入水印的宏塊。

(3)如果當(dāng)前塊是要嵌入水印的塊，在進(jìn)行色度塊5 游程編碼結(jié)束后嵌入水印，否則就根據(jù)mpeg-2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)宏塊進(jìn)行處理。

(4)在游程編碼結(jié)束后，找到結(jié)束符(00)(即EOB)，根據(jù)密鑰 k2，從結(jié)束符前面的6 個(gè)位置中選取一個(gè)位置嵌入水印，如果水印w= 0，判斷要嵌入位置的游程碼是否為(01)，是則繼續(xù)后面的處理，否則插入(01)，如果水印w= 1，判斷要嵌入位置的游程碼是否為(0 -1)，是則繼續(xù)后面的處理，否則插入(0 -1)。插入位置的原游程碼及后面的游程碼依次往后移。

(5)插入水印的游程編碼進(jìn)行霍夫曼編碼。

(6)重復(fù)以上過程直到水印全部嵌入。

2.2.2 水印提取算法

該算法可以在游程解碼過程中提取水印，也可以在碼流中根據(jù)頭文件判斷出I 幀，并根據(jù)密鑰K1和K2直接在碼流中提取水印，實(shí)現(xiàn)水印的隨機(jī)檢測。游程解碼過程提取的水印流程如圖4 所示。

圖4 游程解碼過程提取的水印流程

從游程解碼過程中提取水印過程如下：

(1)讀入碼流，進(jìn)行霍夫曼解碼，判斷當(dāng)前是不是I 幀的數(shù)據(jù)，如果是，準(zhǔn)備提取水印，否則根據(jù)mpeg-2 標(biāo)準(zhǔn)解碼。

(2)根據(jù)密鑰K1，判斷對(duì)應(yīng)塊的游程編碼是否含有水印，如果是，在游程碼中提取水印，否則根據(jù)mpeg-2 標(biāo)準(zhǔn)解碼。

(3)根據(jù)密鑰K2，判斷游程碼中插入水印的位置，提取出嵌入水印的游程碼，如為(01)，則w=0 ；如果為(0 -1)，則w=1 。

(4)對(duì)提取出水印的塊的游程碼進(jìn)行解碼。

(5)繼續(xù)讀入碼流，直到視頻解碼完畢。

(6)用與發(fā)送端相同的混沌序列與提取出來的一維信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)行，對(duì)水印解密并恢復(fù)水印圖像。

從碼流中提取水印的過程如下：

(1)讀入碼流，根據(jù)頭文件判斷當(dāng)前是不是I 幀數(shù)據(jù)，如果是，準(zhǔn)備提取水印，否則根據(jù)mpeg-2 標(biāo)準(zhǔn)解碼。

(2)根據(jù)密鑰K1，判斷對(duì)應(yīng)塊的碼流中是否含有水印，如果是，在碼流中提取水印，否則根據(jù)mpeg-2 標(biāo)準(zhǔn)解碼。

(3)根據(jù)密鑰K2，判斷水印在碼流中嵌入的位置，提取嵌入水印的碼字，如果為“100”則w=0 ；如果為“101”，則w=1 。以mpeg-2 標(biāo)準(zhǔn)的Table B 為例，假設(shè)水印嵌入在游程編碼結(jié)束符前面3 位，碼流為…001011000100000011000110 找到塊結(jié)束碼0110，取結(jié)束碼前17 位碼(除去Escape 碼，最長碼字為17 位)，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)碼表中的碼字，判斷出00001100 為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)碼字，再讀取17 位碼，判斷出0100 為一個(gè)碼字，然后取前面三位碼字“100”，得知水印w=0 。

(4)對(duì)提取出水印的碼流進(jìn)行解碼。

(5)繼續(xù)讀入碼流，直到視頻解碼完畢。

(6)用與發(fā)送端相同的混沌序列與提取出來的一維信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)行，對(duì)水印解密并恢復(fù)水印圖像。

從碼流上提取水印的流程如圖5 所示。

圖5 從碼流上提取水印的流程

2.3 性能分析

性能分析過程如下：

(1)與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，可以兼容現(xiàn)有的視頻處理設(shè)備。數(shù)字電視、DVD 播放機(jī)和攝像機(jī)、數(shù)字視頻攝像機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品都含有視頻編解碼模塊，使得該算法可以直接應(yīng)用于現(xiàn)有視頻處理設(shè)備。

(2)對(duì)碼率的影響。該算法只選擇I 幀的部分塊嵌入水印，首先判斷要嵌入位置的游程碼是否剛好對(duì)應(yīng)當(dāng)前要嵌入的水印，如果符合則不插入額外的游程碼，如果不符合才進(jìn)行插入，并且插入的游程碼進(jìn)行霍夫曼碼編碼時(shí)，是長度最短的碼字，僅3 位，所以相對(duì)于整個(gè)視頻，其對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)量影響很小，即對(duì)碼率影響很小。

(3)抗再壓縮能力。設(shè)8×8塊進(jìn)行DCT 變換后為block (i,j)(1≤i≤8,1≤j≤8)，量化矩陣為quant(i,j)(1≤i≤8,1≤j≤8)，量化參數(shù)為scale，量化后的系數(shù)為 coef (i,j)(1≤i≤8,1≤j≤8)，根據(jù)mpeg-2 標(biāo)準(zhǔn)中的量化定義：

根據(jù)式(1)，對(duì)應(yīng)的block (i,j)變?yōu)?block′(x,y)：

視頻重新壓縮時(shí)，采用不同的量化參數(shù)scale′：

該算法在游程編碼過程中，在特定位置插入不同游程碼，從而實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。在進(jìn)行再壓縮編碼時(shí)，如果采用的量化參數(shù)小于原壓縮視頻量化參數(shù)的2 倍，那么插入的游程碼不會(huì)因?yàn)榱炕^程而抹掉，水印能繼續(xù)保持在視頻中，具有抗再壓縮的能力。

該算法與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，可在游程編碼過程中低復(fù)雜度地嵌入水印，并對(duì)碼率影響較??；水印能夠抵抗再壓縮攻擊，保留在盜版的視頻中；嵌入位置的選擇空間大，增加了算法的安全性。因此，根據(jù)該算法嵌入的水印可以較安全的保留在盜版視頻中，通過提取的水印識(shí)別視頻的版權(quán)所有者或進(jìn)行非法盜版者，達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文實(shí)驗(yàn)用Matlab 為仿真工具，版本號(hào)為7.8.0.347。載體視頻共100 幀，每幀為240×320 像素，幀率為25 fps，圖像組(GOP)結(jié)構(gòu)為“IBBPBBPBBPBB”，在mpeg-2 過程中進(jìn)行霍夫曼編碼時(shí)采用Table B。原始水印圖像為二值圖像，大小為60×40 像素。

3.1 不可見性

為了驗(yàn)證水印的不可見性，假設(shè)視頻幀的每個(gè)宏塊中都嵌入水印，且水印全部嵌入到游程編碼結(jié)束符(0 0)前的第6 個(gè)位置，這樣水印對(duì)視頻的質(zhì)量影響最大。

由圖6 從人眼的主觀視覺來看，嵌入水印后的視頻與原始?jí)嚎s視頻沒有區(qū)別；目前最常用的客觀評(píng)價(jià)辦法就是計(jì)算水印嵌入前后視頻幀的峰值信噪比PSNR[10]：

圖6 嵌入水印前后視頻幀對(duì)比(240×320 像素)

選擇嵌入水印的視頻幀計(jì)算PSNR，由表1 可知，PSNR都在40 dB以上，而PSNR平均值達(dá)到44.1 dB，當(dāng)PSNR≥30時(shí)，人眼就不能感覺到視頻中存在水印[11]，認(rèn)為視頻質(zhì)量較好。

表1 含水印視頻幀與原視頻幀的PSNR值 dB

表1 的數(shù)據(jù)是在采用對(duì)視頻質(zhì)量影響最大的嵌入情況下實(shí)驗(yàn)得到的，由此可見該算法水印的不可見性較好。

圖7 是原始水印與正確提取出來的水印信號(hào)對(duì)比，圖8是原始水印與加密后水印信號(hào)對(duì)比，由圖8 可知，提取出來的信號(hào)不用混沌序列解密，得到的是噪聲信號(hào)，不能得知水印的真正意義。

圖7 原始水印和提取出的水印(40×60 像素)

圖8 原始水印和未解密的水印(40×60 像素)

3.2 碼率保持特性

算法的碼率保持特性用嵌入水印前后編碼每個(gè)圖像組(GOP)所用的比特?cái)?shù)的相對(duì)變化率來評(píng)價(jià)[12]。相對(duì)變化率=(水印嵌入后編碼視頻所用比特?cái)?shù)-水印嵌入前編碼視頻所用比特?cái)?shù))/水印嵌入前編碼視頻所用比特?cái)?shù)。由表2 可以看出，隨著量化參數(shù)增大，相對(duì)變化率也增大，但是在量化參數(shù)為36 時(shí)，相對(duì)變化率才達(dá)到0.141%，基本可以忽略，滿足碼率穩(wěn)定的要求。

表2 改變量化參數(shù)時(shí)碼率的相對(duì)變化率(%)

3.3 抗再壓縮性

為了客觀評(píng)價(jià)所提取的水印序列，采用歸一化相關(guān)系數(shù)來衡量原始水印w 和提取的水印′w 的相似度[13]定義為：

其中，ρ 的取值在0～1 之間，ρ =1 代表嵌入的水印信息全部被正確檢測出來。ρ 的值越大，受攻擊后的變化越小，代表水印的魯棒性越強(qiáng)。

表3 為嵌入水印時(shí)量化參數(shù)分別為5、10、15、20、25 的視頻經(jīng)過不同量化參數(shù)再編碼后，從I 幀提取的水印相似度。由表3 可見，經(jīng)過再編碼后，如果量化參數(shù)小于原量化參數(shù)2 倍時(shí)，可完全正確的提取水印，而當(dāng)量化參數(shù)大于等于原來量化參數(shù)2 倍時(shí)，提取的水印才開始出現(xiàn)誤碼。

表3 含水印視頻經(jīng)再壓縮后提取的水印與原始水印的相似度

而在盜版行業(yè)，盜版視頻為了保證視頻的質(zhì)量，再壓縮時(shí)量化參數(shù)一般不會(huì)大于原視頻的量化參數(shù)，因此，水印可以抵抗再壓縮攻擊保留在盜版的視頻中，可以實(shí)現(xiàn)盜版追蹤。

4 結(jié)束語

本文提出一種應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)的壓縮域視頻水印算法。在游程編碼過程中，根據(jù)要嵌入的水印插入對(duì)應(yīng)的游程碼，在解碼視頻的過程中，根據(jù)與水印對(duì)應(yīng)的碼表，讀取水印。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法實(shí)現(xiàn)簡單，具有良好的碼率保持特性和抗再壓縮能力，嵌入的水印能夠保存在盜版的視頻中，通過在盜版視頻中提取的水印，可以有效地識(shí)別視頻的版權(quán)所有者或非法盜版者，達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。該算法是基于游程編碼技術(shù)進(jìn)行水印的嵌入和提取，因此，其同樣可以應(yīng)用到H.264、AVS 等運(yùn)用了游程編碼技術(shù)的視頻壓縮算法中。

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