劉爭(zhēng)艷，李 絮

（阜陽師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 阜陽 236041）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，建立在現(xiàn)代通信、數(shù)字信號(hào)處理和編碼技術(shù)基礎(chǔ)上的水印技術(shù)已經(jīng)成為信息安全領(lǐng)域研究的一個(gè)重要內(nèi)容.視頻碼流中的運(yùn)動(dòng)矢量是通過視頻編碼的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法獲得的[1]，是視頻壓縮重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象.由于運(yùn)動(dòng)矢量反映的是當(dāng)前編碼幀中被預(yù)測(cè)宏塊與參考幀中最佳匹配宏塊的運(yùn)動(dòng)位移信息，與宏塊的具體內(nèi)容無關(guān).因此，把水印信息嵌入到運(yùn)動(dòng)矢量數(shù)據(jù)空間，會(huì)對(duì)基于內(nèi)容的視頻水印攻擊（如加噪、平滑等）具有良好的魯棒性.Kutter等[2]首次提出利用①運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行水印嵌入.在此基礎(chǔ)之上，朱仲杰等[3]提出在運(yùn)動(dòng)矢量的水平和垂直分量上嵌入水印的算法.Kyung-Won Kang等[4]提出選取幅值較大的運(yùn)動(dòng)矢量嵌入水印信息.本文提出一種利用運(yùn)動(dòng)矢量相角抖動(dòng)并結(jié)合矩陣編碼的思想將水印信息嵌入到運(yùn)動(dòng)矢量中的視頻水印方案.根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量的相位所在區(qū)間將水印信息嵌入到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量中.該方案結(jié)合矩陣編碼思想克服了運(yùn)動(dòng)矢量修改率過高而對(duì)視頻質(zhì)量影響較大問題.算法對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量改變了的宏塊重新進(jìn)行匹配誤差估計(jì).同時(shí)，為了降低失真累積效應(yīng)，算法對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量改變了的宏塊重新進(jìn)行了匹配誤差估計(jì).

2 基于運(yùn)動(dòng)矢量相位抖動(dòng)調(diào)制的視頻水印方案

2.1 角度抖動(dòng)調(diào)制的基本思想

對(duì)于平面直角坐標(biāo)系中的角度2π，選定合適的角度△，將2π角度等分為2n(n為正整數(shù))份，并且劃分成如下2n個(gè)角度區(qū)間：

(0,△),[△,2△),……,[(2n-1)△,2n△)

設(shè) Ak＝[(2k－2)△，(2k－1)△);Bk＝[((2k-1)△,2k△);(其中k＝1,2,3……n,下同)，令 A＝{A1,A2,……An},B={B1,B2……Bn},則A,B兩個(gè)區(qū)間集不重復(fù)不遺漏地對(duì)[0,2π)區(qū)間進(jìn)行了劃分，見圖1所示.

圖1 區(qū)間劃分方式圖

下面規(guī)定A、B區(qū)間集中角度值的含義：凡屬于A中某區(qū)間的角度表示信息“0”，凡屬于B中某區(qū)間的角度表示信息“1”.對(duì)于任何一個(gè)在區(qū)間[0,2π)內(nèi)的角度 θ，總有 θ 屬于Ak或θ屬于Bk，要想讓角度θ表示特定的信息ω(ω為0或1)，就需要對(duì)ω進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)制，假設(shè)調(diào)制后為θ.具體調(diào)制方法如下：

1)若 ω＝0不對(duì) θ 屬于 Ak作改動(dòng)，則有：θ'＝θ;

2)若ω＝0，θ屬于Bk,則將θ調(diào)制到A中離θ最近的某區(qū)間，且使得 abs(θ'-θ)的值最小，此時(shí)有：θ'＝(2k-1)△-ε 或者 θ'＝2k△＋ε;

3)若 ω＝1，θ 屬于 Bk則不對(duì) θ作改動(dòng)，則有：θ'＝θ;

4)若ω＝1，θ屬于Ak，則將θ調(diào)制到B中離θ最近的某區(qū)間，且使得 abs(θ'-θ)的值最小，此時(shí)有：θ＝(2k-2)△-ε 或θ'＝(2k－1)△+ε;

通過以上分析，本算法把上述角度抖動(dòng)調(diào)制的思想應(yīng)用于基于運(yùn)動(dòng)矢量相位抖動(dòng)調(diào)制的視頻水印嵌入算法中，通過直方圖方法選取視頻幀中一定數(shù)量且幅值較大的運(yùn)動(dòng)矢量，然后對(duì)其相角進(jìn)行抖動(dòng)調(diào)制來嵌入水印信息.

2.2 矩陣編碼的基本思想

矩陣編碼是一種特殊的基于循環(huán)碼的編碼技術(shù)，使用它可提高嵌入效率.將符合幅度條件的運(yùn)動(dòng)矢量每三個(gè)分為一組，在每一組中嵌入2比特?cái)?shù)據(jù)，并且最多只修改一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量.

2.3 水印嵌入算法

如圖2所示.先從視頻壓縮碼流中解出P幀運(yùn)動(dòng)矢量，對(duì)其進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，然后根據(jù)一定的閾值選取運(yùn)動(dòng)矢量并對(duì)其分類，在偽隨機(jī)序列的控制下將水印序列嵌入到運(yùn)動(dòng)矢量中，再對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行編碼，生成視頻流文件.

圖2 水印嵌入算法

2.3.1 水印嵌入

當(dāng)待嵌入水印數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)矢量相角的對(duì)應(yīng)信息匹配時(shí)，不需要改動(dòng)該運(yùn)動(dòng)矢量；否則要利用角度抖動(dòng)調(diào)制的思想在另一區(qū)間集找出一個(gè)最合適的運(yùn)動(dòng)矢量來取代它.由于運(yùn)動(dòng)矢量修改率與視頻圖像質(zhì)量及水印的隱蔽性息息相關(guān)，為此引入矩陣編碼來降低對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的修改率以及提高水印的性能.具體嵌入算法如下：

（1）設(shè)原始的水印信息為m，為了增強(qiáng)水印算法的安全性，給定密鑰k，先對(duì)m進(jìn)行偽隨機(jī)置亂處理，降低其相關(guān)性，置亂后的比特即為待嵌入的水印信息ω，實(shí)際嵌入的信息就是二進(jìn)制序列.水印調(diào)制可表示為：ω＝p(m，k)，其中，k為密鑰，ω為m調(diào)制后的二進(jìn)制序列，p為調(diào)制變換.

（2）指定宏塊范圍，不考慮位于視頻邊界的宏塊.確定運(yùn)動(dòng)矢量閾值.假定在視頻中嵌入N遍水印信息，水印信息的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)出視頻中所有運(yùn)動(dòng)矢量的數(shù)目M，從M個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量中挑選N×L個(gè)幅值最大的運(yùn)動(dòng)矢量，則挑選出的運(yùn)動(dòng)矢量中幅值最小的即為運(yùn)動(dòng)矢量閾值.

（3）根據(jù)已確定的閾值篩選出幅度大于此閾值的運(yùn)動(dòng)矢 S={M V0,MV1,……MVn-1}，其中(MViv2+MViH2)≥T2，0≤1

（4）確定相角量化步長(zhǎng)和角度區(qū)間集.選取適當(dāng)?shù)南嘟橇炕介L(zhǎng)△，對(duì)2π角度進(jìn)行等分，得到兩個(gè)區(qū)間集A={Ak}和B＝{Bk}，不妨設(shè)A中某角度區(qū)間的相角表示嵌入水印信息”0”，屬于B中某角度區(qū)間的相角表示嵌入水印信息”1”.

（5）將S中連續(xù)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量即：MVi、MVi+1與MVi+2分為一組，判斷它們所屬的角度區(qū)間集，分別用Q1、Q2和Q3表示它們對(duì)應(yīng)的信息，即”0”或者”1”.

（a）如果此時(shí)要嵌入的數(shù)據(jù)是”00”，考慮下面幾種情況

當(dāng)Q1茌Q2=0(其中茌表示異或)并且Q2茌Q3=0，則不需要改動(dòng)任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量.

當(dāng)Q1茌Q2=1并且Q2茌Q3=0，則只需改動(dòng)MVi到另一相位區(qū)間集.

當(dāng)Q1茌Q2=0并且Q2茌Q3=1，則只需改動(dòng)MVi+2到另一相位區(qū)間集.

當(dāng)Q1茌Q2=1并且Q2茌Q3=1，則只需改動(dòng)MVi+1到另一相位區(qū)間集.

（b）如果需要嵌入的數(shù)據(jù)為”01”、”10”、”11”則作相對(duì)應(yīng)處理.

（6）如果該幀的嵌入過程還沒有完成則回到第五步，否則回到第（3）步開始下一幀的嵌入.

圖3 水印提取算法

2.3.2 水印提取水印提取是水印嵌入的逆過程，算法流程如圖3所示.首先解碼運(yùn)動(dòng)矢量，對(duì)其幅值進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，按照嵌入方法分類，通過計(jì)算Q1茌Q2和Q2茌Q3即可.

2.3.3 誤差補(bǔ)償

根據(jù)H.264標(biāo)準(zhǔn)，P、B幀運(yùn)動(dòng)矢量采用差分編碼，若對(duì)某一運(yùn)動(dòng)矢量分量進(jìn)行水印嵌入時(shí)的調(diào)整后，應(yīng)該對(duì)以該運(yùn)動(dòng)矢量為參考的運(yùn)動(dòng)矢量對(duì)應(yīng)的分量進(jìn)行誤差補(bǔ)償，避免造成誤差積累.設(shè)MVel為當(dāng)前編碼運(yùn)動(dòng)矢量，MVc為其參考運(yùn)動(dòng)矢量，EMV1為二者的差分值，EMV1＝MVel-MVc，如果MVc因水印嵌入而增加1，其編碼差分值不變，那么MVel就會(huì)增加1.如果MVel也因水印嵌入而增加1，那么與其有依賴關(guān)系的運(yùn)動(dòng)矢量就會(huì)增加2.依次類推，會(huì)對(duì)后面的運(yùn)動(dòng)矢量造成很大偏移，導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降.為此，在嵌入水印時(shí)，不能直接改變當(dāng)前運(yùn)動(dòng)矢量的編碼差分值，需要將參考運(yùn)動(dòng)矢量因水印嵌入帶來的變化減去后再嵌入水印，或者直接對(duì)解碼后的運(yùn)動(dòng)矢量嵌入水印，然后再進(jìn)行差分編碼.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本算法采用H.264/AVC的參考軟件JM86上進(jìn)行仿真.實(shí)驗(yàn)選取4個(gè)QCIF格式的測(cè)試序列(Foreman、Carphone、Mobile、News)，測(cè)試環(huán)境參數(shù)設(shè)置為：Y:U:V＝4:2:0；QP=28；30幀/每秒；序列類型為IPPP；運(yùn)動(dòng)搜索方法為全局搜索.測(cè)試水印圖像入圖4所示.

圖4 測(cè)試用的水印圖像

3.1 水印魯棒性實(shí)驗(yàn)

對(duì)于嵌入的水印序列和提取的水印序列，由于某種原因有可能并不完全一樣.設(shè)m0、m1分別表示水印比特0和1的數(shù)目，e0和e1為相應(yīng)正確檢測(cè)出的比特0和1的數(shù)目，定義水印正確檢出率（WDR）為：

針對(duì)水印魯棒性實(shí)驗(yàn)本文測(cè)試了視頻對(duì)于幀刪除和幀插入時(shí)對(duì)水印檢測(cè)正確率的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示.表2利用上述四種視頻序列進(jìn)行幀刪除率與WDR值的比較測(cè)試結(jié)果.由表2可以知道WDR的大小反映了提取出的信息與水印信息的相似程度.當(dāng)WDR值越大，提取的信息是水印信息的可能性就越大.表3是四種視頻序列的幀插入率與WDR的關(guān)系.圖5所示是從Forman序列中丟幀率為12%時(shí)提取的水印信息.

表2 四種視頻序列的丟幀率與WDR的關(guān)系

表3 四種視頻序列的幀插入率與WDR的關(guān)系

圖5 Forman序列中提取的水印

3.2 水印對(duì)視頻質(zhì)量及對(duì)碼流的影響分析

從圖6、圖7分別所示，可以看出嵌入水印的圖像和原始圖像的變化率很小，滿足人眼不可感知性的要求.在實(shí)驗(yàn)中分別通過計(jì)算未嵌入水印幀的峰值信噪比PSNR0和嵌入水印幀的峰值信噪比PSNR1來比較水印的嵌入給視頻質(zhì)量產(chǎn)生的影響.如表1所示.表2反應(yīng)了插入水印后對(duì)碼率的影響.

圖6 Foreman序列水印嵌入效果對(duì)比

圖7 News序列水印嵌入效果對(duì)比

其中M為幀的個(gè)數(shù).則PSNR的損失率可定義為：

表4 四種序列的PSNR0、PSNR1和ξ

通過表4，可以看出ξ變化很小，說明水印的嵌入對(duì)PSNR影響較小，因此對(duì)視頻的質(zhì)量的影響是可以接受的.

4 結(jié)論

本文在H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)下提出一種水印新算法，這種算法基于角度抖動(dòng)的原理并結(jié)合矩陣編碼算法將水印信息嵌入到運(yùn)動(dòng)矢量中.充分利用運(yùn)動(dòng)矢量的統(tǒng)計(jì)特征來嵌入水印信息.同時(shí)，該算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，水印實(shí)時(shí)性、不可感知性較強(qiáng).該算法能夠有效的抵抗視頻同步攻擊.在以后的研究過程中將會(huì)從尋找可水印嵌入空間以及增強(qiáng)水印魯棒性方向去努力.

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