施惠娟，吳 岳

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 211100）

一種基于FFMPEG系統(tǒng)的視頻水印算法

施惠娟，吳 岳

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 211100）

提出一種基于FFMPEG系統(tǒng)的MPEG-2視頻水印算法，解決了視頻水印中不可避免的視頻編解碼問題。將水印圖像和水印屬性轉成二進制比特流，作為嵌入視頻的水印信息，提取時不需預知水印的尺寸信息就能恢復。同時在每個嵌入幀的起始部位嵌入標志序列，識別已嵌入水印的幀提取水印，而無需重新進入編碼過程。實驗結果表明，這種方案實現便捷，省時高效，且具有較好的不可見性和魯棒性。

視頻水??；FFMPEG；MPEG-2碼流；二進制水印

視頻水印在多媒體領域受到越來越多的重視，如節(jié)目版權保護，防盜版拷貝，追蹤非法傳播等，這些應用場景驅使視頻水印愈加成熟。視頻由于其數據量龐大，存儲和傳播都受到限制，所有的視頻都需經過各種編碼標準壓縮。因此研究視頻水印算法，實現水印嵌入提取不可避免地需要借助不同的視頻編解碼平臺。水印算法必須跟視頻標準結合，盲目地嵌入和提取，導致水印在編碼，解碼過程中丟失。視頻水印跟圖像水印相比，還有一個區(qū)別是必須考慮算法的效率。圖像水印算法一般幾秒都能實現，但視頻一秒的播放率達到25幀，加上編碼解碼過程，時間消耗就比較可觀，因此視頻水印算法的時效性也是一個重要的考慮因素。

1 研究現狀

視頻以兩種方式存在：原始視頻和壓縮編碼后的視頻，視頻水印通常也嵌在原始數據和壓縮域上。根據水印嵌入和提取之前是否對視頻幀進行變換，水印方案分為空域算法和變換域算法?？沼蚴侵竿ㄟ^修改視頻幀的像素信息嵌入水印，變換域是指將視頻幀先經過DCT，DWT或DFT變換后，通過修改變換系數嵌入水印信息[1]。

Lancini[2]提出一種在空域中嵌入水印的算法，構建亮度掩蔽，紋理信息掩蔽和空間維度信息掩蔽對視頻幀過濾提取，水印經過誤差校正編碼后嵌入到該過濾信息圖；S.H Liu[3]提出基于相鄰宏塊間亮度值的強相關性嵌入水印，選取I幀和P幀中相鄰宏塊的AC系數嵌入置亂后的水??；Ceddillo[4]通過計算視頻的紋理分布，選取運動矢量值大，相位角度超過一定閾值的矢量作為嵌入載體，重新計算匹配塊的預測誤差補償運動矢量值的改變。研究發(fā)現，一般水印算法都以二值圖像作為水印，提取時需預知水印圖像的尺寸恢復出提取的水印。但一個真正合格的盲水印算法，在提取水印時需要給出的先驗信息應越少越好，只需給出嵌入水印的視頻以及隨機密鑰就能提取出水印信息。而且不同格式視頻的水印都構建不同的仿真平臺，調用相應編解碼庫，操作不便。因此本文提出一種基于FFMPEG的視頻水印算法，通過嵌入水印的屬性信息，使提取水印無需預知水印的尺寸，能滿足多種格式的視頻水印。

2 算法設計

2.1 FFMPEG仿真系統(tǒng)

FFMPEG[5]音視頻編解碼系統(tǒng)，提供了完整的免費開源跨平臺音視頻頻編解碼庫，涵蓋了幾乎所有常見音視頻格式的編解碼器。FFMPEG在Linux系統(tǒng)下開發(fā)，在Windows系統(tǒng)下的編譯和使用，需要一個仿Linux內核的編譯環(huán)境——MinGW+MSYS。本文的實驗仿真系統(tǒng)將MPEG-2視頻的編解碼過程構建在FFMPEG系統(tǒng)上，在MinGW+MSYS環(huán)境下編譯FFMPEG，并在MPEG-2編碼器中添加水印嵌入和提取算法，以MSYS操作環(huán)境下以命令行指令的形式執(zhí)行視頻水印的嵌入和提取。在原始系統(tǒng)的基礎上，重新定義了幾個與水印算法相關的命令行選項。水印嵌入系統(tǒng)中，定義“method”、“markstrength”、“markname”3 個新指令，method 確定當前指令是執(zhí)行水印嵌入還是水印提取，1為嵌入，3為提??；markstrength設置水印嵌入的強度；markname指定二進制水印信息文件名。水印提取系統(tǒng)中，定義“method”、“markstrength”、 “watermarksavename”，watermarksavename 指提取出水印后，輸出時保存的文件名。

2.2 水印圖像預處理

本文設計了一種新穎的水印預處理方式，將水印的屬性信息轉換成水印的一部分，作為載體視頻的嵌入信息，提取時通過恢復水印中的屬性，就能恢復出水印圖片。

原始水印為W*H*D大小的BMP格式圖像，其中W為水印圖像寬度，H為高度，D為位深度，即圖像有W*H個像素點，每個像素點有D個可能取值，總的水印容量為W*H*D比特。水圖像從一個水印庫中選擇，每個圖還有一個編號ID信息。將一個水印圖像的ID，寬度W，高度H和位深度D分別用 10bit，8bit，8bit，2bit大小的二進制值表示， 即一個水印的屬性由28比特二進制表示出來。考慮嵌入視頻后遭到攻擊而使屬性發(fā)生改變，因此將重復嵌入5遍屬性信息，提取時按照概率最大的屬性值恢復水印，則每個二進制水印文件的起始部分有140比特的屬性，真正嵌入視頻中的水印大小為W*H*D+140。

水印圖像置亂有多個優(yōu)勢：避免分塊效應；加入提取密鑰，保證安全性；增強抗攻擊能力[6]。本文同樣將水印的5遍屬性和圖像信息都依次經過置亂依次保存，再以二進制文件輸出，提取時以相同的置亂密鑰恢復水印。二進制水印文件的組成形式如圖1所示。

圖1 水印文件的組成結構Fig.1 Structure of watermark file

2.3 標志位嵌入

定義兩個長度為80的一維數組，flag_start=[0 1 0 1 0 1…]，flag_continue=[1 0 1 0 1 0…]。一個完整的水印通常要在N個關鍵幀中嵌完，那么在第一幀的前80個塊中依次嵌入flag_start中標志，在后N-1個幀的前80個塊中嵌入flag_continue中的標志。即對于每一個即將嵌入水印信息的幀，都先判斷是否第一個幀，再選擇相應標志數組，在水印嵌入前先嵌入標志信息。重復嵌入水印時，則按同樣的規(guī)則先嵌入標志數組。

2.4 基于余數定理的嵌入規(guī)則

余數定理又稱中國剩余定理，Chinese Remainder Theorem，簡稱CRT，分為正向CRT運算和逆向CRT運算[7]。

正向CRT運算在已知除數和余數的情況下求最大整數。設m，n是一對互質的正整數，最大公約數為1，N為m，n之積，稱為動態(tài)范圍，對于給定的 p，q，令 p＜m，q＜n，存在唯一的整數Z，且 Z＜N。 首先確定r1和r2:r1=N/m=n；

根據下面公式確定s1，s2的取值：（mod為取余數運算符）

于是確定了唯一的Z取值為：

逆向CRT運算是在已知除數和最大整數的情況下求余數。設Z是介于0到N-1之間的整數，已知一對互質的整數對m，n，N是m，n之積，則Z可以唯一地用一對整數對 p，q來表示，其中 p＜m，q＜n，由下式確定其值：

本文水印嵌入算法中，首先將載體視頻解碼成YUV，進入MPEG-2編碼器，當幀類型參數pic_type=1和關鍵幀標志key_frame=1時，開始嵌入水印。將當前幀劃分成8*8的塊，取關鍵幀的亮度分量Y，進行離散余弦變換獲得DCT系數矩陣，通過對直流系數dct_0運用余數定理，實現水印嵌入。

令p=30，q=10，將水印系統(tǒng)中的markstrength作為除數，實驗中markstrength取值為40，調整dct_0的值，滿足如下嵌入規(guī)則：

修改公式如下：

2.5 水印提取

水印提取過程分三部分組成：標志位檢測，屬性恢復和水印提取。

嵌入水印的視頻解碼成YUV后，提出每一幀的前80個8*8DCT系數塊中的直流系數dct_0，根據余數定理，若dct_0 mod markstrength=10， 則flag=0， 若dct_0 mod markstrength=30，則flag=1。將80個flag平均分成5個數組，每個長度為16，將這5個數組按下標相加，若和大于等于3，則當前位為1，否則為0，以此形成一個1*16的標志數組。

將flag_bit與1*16的標志數組flag_start=[0 1 0 1 0 1…]，flag_continue=[1 0 1 0 1 0…]比較，若 flag_bit=flag_start，說明是當前幀是水印嵌入的第一幀，若flag_bit=flag_continue，說明當前幀中嵌入了水印，但不是第一幀，若都不相等，則說明當前幀中沒有嵌入水印，不再提取。

標志位的嵌入使得水印提取不需重新進入編碼器，不需按嵌入時的邏輯查找關鍵幀識別嵌入水印的幀，跳過了重新編碼過程則節(jié)省了水印提取的時間，提高了工作效率。

對于判斷出存在水印的幀，繼續(xù)提取水印的屬性信息。按同樣的提取規(guī)則，在當前幀的第81至220個8*8dct系數塊中提取水印信息，將提取出的5*28個二進制比特進行恢復，根據嵌入時的置亂密鑰，反置亂后得出水印的尺寸信息，寬度W，高度H和位深度D，若值有效，則繼續(xù)提取真正的水印，若無效，則說明標志檢測發(fā)生錯誤，重新進行下一幀的判斷。

從標志位檢測出的水印嵌入第一幀，且恢復出有效屬性信息的幀中開始提取真正的水印。當提取到的水印信息數等于水印容量時，即W*H*D，則水印全部提取出來，根據原始水印圖像的尺寸，將二進制水印信息還原成圖像。

3 實驗結果及分析

本文實驗將300幀352*288的標準測試視頻foreman.yuv用FFMPEG系統(tǒng)編碼成mpeg-2標準的foreman.mpg進行水印嵌入和提取，以100幀為周期重復嵌入水印，嵌入的水印為128*128大小的二值圖像轉換成的二進制文件以及它的140個屬性信息。

載體視頻嵌入水印后，需要保證視覺上的不可感知性，不能影響畫質的清晰度。以峰值信噪比PSNR來衡量水印的不可見性，公式如下：

其中，MSE是均方差，MSE值越小，PSNR值越大，圖像質量改變越小，水印不可見性越好。MSE的計算公式如下：

其中I是原始視頻幀，I’是嵌入水印后的視頻幀，M，N分別為該幀視頻的高度和寬度。

視頻幀嵌入水印前后的視覺效果對比如圖2所示，嵌入前后視頻幀的PSNR=39.62 dB，因為本文的算法是通過修改YUV色彩空間的亮度分量嵌入水印，后將色彩空間轉換到RGB輸出顯示，所以在RGB值上的改變很微小，有很高的PSNR值，完全不影響視覺效果。原始水印圖像和未攻擊時提取的水印圖像如圖3所示。

圖2 嵌入水印前后的視頻Fig.2 Video before and after embedding watermark

為了驗證算法的魯棒性，對于嵌入水印后的視頻進行多種攻擊，通過計算提取出水印的歸一化相關系數NC來衡量，公式如下：

其中W是原始水印，W’是攻擊后提取的水印，N是水印長度，NC值越接近1，說明水印算法的魯棒性越好。不同攻擊后提取的水印如圖4所示，相應的NC值分別為0.999 7，0.999 7，0.999 7，0.999 7，0.999 9，0.837 2。

圖4 攻擊后提取的水印Fig.4 Extracted watermark after attacks

由上面實驗結果可知，本文算法對于一般視頻編輯軟件的攻擊，飽和度和亮度調節(jié)等有著很好的魯棒性，NC值接近1，只有少數幾個像素誤判。而對于視頻特有的幀刪除，視頻截取等攻擊，分兩種情況：1）若丟失的幀中沒有嵌入水印信息，或者剩下的視頻中還能提取至少一個完整的水印，那么水印仍然能完整提取；2）若刪除的幀為嵌入水印的關鍵幀，且每個水印所在的關鍵幀都遭到破壞，那么水印就無法提取。因此本文設計的周期性重復嵌入同一個水印，只要有一個水印能被提取，那么其他被破壞的水印信息也無法影響整體的效果，大大提高了水印的魯棒性。

4 結 論

本文設計了一種基于FFMPEG的視頻水印算法，將水印圖像的屬性和內容轉換成二進制文件作為嵌入信息，使得水印提取時不需預知原始水印的尺寸，實現了真正的盲水印。在每個需要嵌入水印的關鍵幀中，嵌入標志位，提取時通過標志信息的存在判斷水印的存在，避免了視頻重新編碼的過程，提高了工作效率。重復嵌入水印保證了算法的魯棒性。實驗結果表明本文的算法有較強的魯棒性和不可見性，為視頻水印的研究提供一個參考。

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A video watermarking algorithm based on the FFMPEG system

SHI Hui-juan，WU Yue
（Department of Computer and Information，Hohai University，Nanjing211100，China）

This paper proposes a video watermarking algorithm of MPEG-2 based on the FFMPEG system，solving the inevitable problem of video coding and decoding during video watermarking.It transforms the watermark image and its attributes into binary bit stream working as the actual watermark embedded into the video.So that it doesn't need to provide size information of original watermark during extracting.Embed a flag sequence at the beginning of every frame that needs embedding to recognize the embedded frames，and need not to code the video again.Experimental results indicate that this watermark algorithm is convenient and sufficient，and has excellent invisibility and robustness.

video watermarking；FFMPEG；MPEG-2 stream；binary watermark

TN919

A

1674-6236（2014）02-0161-04

2013-05-27 稿件編號：201305273

國家自然科學基金（61170297）

施惠娟（1989—），女，江蘇南通人，碩士研究生。研究方向：信號與信息處理、視頻水印。