王 靜，郁 梅,2，李文鋒，駱 挺

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抗量化轉(zhuǎn)碼的HEVC視頻流零水印算法

王 靜1，郁 梅1,2，李文鋒1，駱 挺1

( 1. 寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波315211；2. 南京大學計算機軟件新技術(shù)國家重點實驗室，南京210093 )

針對HEVC的視頻流版權(quán)問題，提出了一種抗量化轉(zhuǎn)碼的零水印算法。首先，經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)量化轉(zhuǎn)碼后編碼單元(CU)深度具有很強的穩(wěn)定性，部分深度會發(fā)生轉(zhuǎn)移且主要往相鄰深度轉(zhuǎn)移；然后，為增加深度特征的頑健性，對CU深度進行分組，并映射成二值信息；最后，將加密后的特征信息同混沌置亂后的版權(quán)信息異或，與時間戳作為最終注冊的零水印。實驗結(jié)果表明，該算法對量化參數(shù)在一定變化范圍內(nèi)的重量化轉(zhuǎn)碼攻擊以及常見的信號攻擊具有很強的魯棒性。

零水??；HEVC；重量化轉(zhuǎn)碼；編碼單元深度

0 引 言

為適應(yīng)人們對視頻高清、高質(zhì)量的發(fā)展需求，ITU-T的視頻編碼專家組和ISO/IEC的運動圖像專家組組成的視頻編碼聯(lián)合組共同研發(fā)了高效率視頻編碼HEVC(High Efficiency Video Coding)標準[1-2]，已逐漸用于相關(guān)領(lǐng)域。隨著多媒體與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，視頻的獲取和處理也變得更加容易，盜版現(xiàn)象日益嚴重。數(shù)字水印技術(shù)能有效對視頻進行認證和版權(quán)保護。因此，對HEVC視頻流水印算法的研究有其重要意義。

高清視頻數(shù)據(jù)量龐大，為節(jié)省帶寬與存儲空間對其壓縮必不可免?；谠家曨l的水印方法不能直接應(yīng)用于壓縮視頻，因此壓縮域的水印算法是一項值得研究的工作[3]。目前，有關(guān)HEVC壓縮域的水印研究成果還很少，已有的方法難以抵抗重量化轉(zhuǎn)碼等攻擊[4-6]且主要是嵌入式水印方案，需要通過修改載體內(nèi)容來嵌入水印。然而，相比于H.264，HEVC能在相近的感知質(zhì)量下，碼率減少50%左右[7]，高壓縮率對嵌入式水印算法在魯棒性和透明性的平衡帶來了挑戰(zhàn)。零水印技術(shù)[8]只需利用原始載體的重要特征來構(gòu)造水印信息，無需改動原始載體，能夠解決因改動HEVC視頻流的數(shù)據(jù)而引起的高清視頻降質(zhì)問題。零水印技術(shù)便被應(yīng)用在圖像、視頻、音頻等各種信息載體的內(nèi)容安全保護中[9-10]。但針對視頻壓縮域的零水印算法的研究[11]還鮮有報道。因此，如何有效實現(xiàn)HEVC壓縮域的零水印方案是十分有意義的研究課題。

針對以上問題，本文提出一種基于CU深度特征的HEVC視頻流零水印算法。通過分析4′4的亮度塊重量化轉(zhuǎn)碼前后CU深度的變化規(guī)律，將深度按照一定的原則進行二值化分組，得到水印信息。該算法直接利用標準的編碼平臺編碼，不需要修改原始載體信息，能很好地兼容水印透明性與算法魯棒性問題。結(jié)果表明，該算法對量化參數(shù)在一定變化范圍內(nèi)的重量化轉(zhuǎn)碼以及常見的信號處理等攻擊具有很強的魯棒性。

1 量化轉(zhuǎn)碼前后CU深度特征分析

量化轉(zhuǎn)碼能保證在一定的視頻質(zhì)量損失的前提下，破壞壓縮域水印，是最常見的壓縮視頻水印攻擊方法之一。CU深度特征是HEVC較之以前標準所具有的固有特性，本文以4′4的亮度塊為基本單元對深度進行統(tǒng)計分析，探索量化轉(zhuǎn)碼前后的CU深度特征的魯棒性。圖1給出了量化參數(shù)(QuantizationParameter, QP)為24不變情況下重量化轉(zhuǎn)碼后CU深度轉(zhuǎn)移概率示意圖。圖中斜對角線的長方體表征深度值不變的比例，占據(jù)了所有轉(zhuǎn)移概率的92.33%，表明轉(zhuǎn)碼前后CU深度具有很強的穩(wěn)定性。不同深度之間也存在著轉(zhuǎn)移概率，這是由于量化轉(zhuǎn)碼是有損操作，會導(dǎo)致率失真代價發(fā)生變化，從而影響了CU分割尺寸。圖2給出了各深度所占轉(zhuǎn)移概率的比例及其轉(zhuǎn)移分布圖。圖2(a)在所有的轉(zhuǎn)移概率中，深度0發(fā)生的轉(zhuǎn)移占據(jù)了47%，且主要往深度1轉(zhuǎn)移。從圖1以及圖2(b)可以看出每個深度發(fā)生轉(zhuǎn)移概率大小與其深度鄰近程度呈正相關(guān)。

圖1 重量化轉(zhuǎn)碼前后CU深度轉(zhuǎn)移概率

圖2 各深度所占轉(zhuǎn)移概率的比例及其轉(zhuǎn)移分布

2 抗量化轉(zhuǎn)碼的HEVC視頻流零水印算法

基于上述分析，提出一種抗量化轉(zhuǎn)碼的HEVC視頻流零水印算法，其框架如圖3所示，算法分為水印注冊端、水印檢測端兩個部分。在水印注冊端，先提取待保護HEVC視頻流的深度特征并二值化為水??；然后，為進一步加強算法的安全性與水印的可視效果，對作加密并與混沌置亂后的版權(quán)商標(logo)信息進行異或處理，其結(jié)果稱為注冊水印；最后，為保證水印的唯一性和權(quán)威性，請求權(quán)威的時間認證機構(gòu)對注冊信息加蓋時間戳[12]，并將其注冊在可信第三方建立的知識產(chǎn)權(quán)(Intellectual Property Right, IPR)數(shù)據(jù)庫。在水印檢測端，先提取待檢測視頻流的深度信息并將之二值化為￠，并用保存的密鑰進行加密；再與IPR數(shù)據(jù)庫注冊的水印信息作異或操作；最后，對操作后的結(jié)果進行反置亂，判決版權(quán)歸屬。

圖3 抗量化轉(zhuǎn)碼的HEVC視頻流零水印算法框架

圖4 不同視頻序列的CU深度比例

以4′4的亮度塊為基本單元統(tǒng)計視頻序列的深度信息，序列中深度為的比例P為

(2)

其中：(，)表示第幀第塊的深度值，是視頻序列的幀數(shù)，是每幀深度信息的總數(shù)。

記()為CU深度等于的集合，考慮魯棒性將所有深度信息分為相鄰的兩組1和2，∪表示并集，C表示第種分組方法，共有三種分組：1={1=(0)，2=(1)∪(2)∪(3)}、2={1=(0)∪(1),2=(2)∪(3)}和3={1=(0)∪(1)∪(2)，2=(3)}。由于深度0的發(fā)生轉(zhuǎn)移概率大于其它深度，因此優(yōu)先考慮2與3兩種分組方法。當2與3兩種分法的分組概率分布相差都比較大時則再考慮1。設(shè)diff(C)表示第種分組方法1和2集合概率之差的絕對值，則：

(4)

(5)

1) 初始化分組=2，比較diff(2)與diff(3)的大小，若diff(2)>diff(3)，則=3，否則不變。

2) 判斷diff()>0.4，如果不等式成立，則比較diff()與diff(1)的大小，若diff()

3) 將最終分組中1和2集合內(nèi)深度進行二值化，分別映射成水印信息“0”和水印信息“1”。

3 實驗結(jié)果與分析

對所提出算法進行實驗，測試條件及部分參數(shù)設(shè)置如下，測試軟件為HM15.0[13]，測試序列為BasketballPass、ParkScene、PartyScene、Vidyo1，其分辨率分別為416240、19201 080、832480、1280720；全幀內(nèi)編碼，編碼幀數(shù)為100幀。選取的測試序列紋理特性各不相同，下面根據(jù)水印提取的正確率(Percent Correct，PC，用PC表示)分別從零水印的獨立性、QP在一定變化范圍內(nèi)的重量化轉(zhuǎn)碼攻擊的魯棒性、典型信號處理結(jié)合重量化轉(zhuǎn)碼攻擊的魯棒性以及對比算法這四個方面評價所提算法的有效性。其中PC的計算式：

其中：(，)表示原始視頻第幀第塊的深度二值化后的水印信息，￠(，)表示經(jīng)過攻擊后視頻第幀第塊的深度二值化后的水印信息，“”是異或操作。

您是說，我一直跟著您？蘇楠問，這有什么大驚小怪的？大不了，我又跟李嶠汝多了一點共同的地方，也在文城長大。

3.1 水印的獨立性

零水印是載體特有的表征，因此不同的視頻序列的零水印應(yīng)相互獨立。以BasketballPass序列為例來測試零水印的獨立性。圖5(a)是測試的logo圖像，圖5(b)是BasketballPass序列未受任何攻擊提取的水印圖像，圖5(c)和圖5(d)是從ParkScene序列提取的水印圖像，圖5(c)和圖5(d)的差別是：前者是直接將加密后的二值特征信息與測試logo異或，而后者是將測試logo混沌置亂后再以二值特征異或作為零水印。從主觀上來說，圖5(d)更能體現(xiàn)水印的獨立性。

圖5 所提出零水印算法水印獨立性檢測

3.2 抗重量化轉(zhuǎn)碼魯棒性

測試序列原始編碼QP分別取24、28、32。經(jīng)[QP-3，QP+3]范圍內(nèi)的重量化轉(zhuǎn)碼攻擊后，水印提取的正確率結(jié)果如圖6所示。圖6中的曲線說明了水印的正確率隨著重量化轉(zhuǎn)碼不同QP的變化情況，可以看出，所提出算法的水印提取正確率PC均在85%以上，說明該算法能抵抗一定QP范圍內(nèi)的重量化轉(zhuǎn)碼攻擊；在[QP-3，QP]范圍內(nèi)正確率變化不大，基本都在95%以上；在[QP+1，QP+3]范圍內(nèi)正確率明顯降低，最低為85.34%。主要是因為增大QP對CU尺寸決策時的率失真代價影響比較大。

圖6 抗重量化轉(zhuǎn)碼魯棒性測試

3.3 抗信號處理結(jié)合重量化的魯棒性

經(jīng)各種信號處理結(jié)合重量化攻擊后魯棒性測試結(jié)果如圖7所示，圖7中的曲線說明了水印的正確率隨著不同類型且不同參數(shù)的攻擊的變化情況。濾波和處理：對視頻進行標準差在0.1~0.5的高斯模糊和拉普拉斯濾波參數(shù)在1~9銳化操作后的水印提取的正確率PC結(jié)果分別如圖7(a)和圖7(d)所示?？梢娫谝欢ǔ潭鹊臑V波處理下，正確率達到93%以上，可以抵抗一定程度的濾波處理；亮度調(diào)節(jié)：對視頻進行幅度為5~50的亮度減弱和亮度增強的操作后的水印提取PC結(jié)果分別如圖7(b)和圖7(c)所示。整體來說，在一定程度的亮度攻擊下，正確率達到93%以上，表明算法可以抵抗一定程度的亮度攻擊；高斯噪聲：對視頻添加方差為1~7的高斯噪聲后的水印提取PC結(jié)果如圖7(e)，水印提取的PC在88%以上，表明算法可以抵抗一定程度的噪聲攻擊。

圖7 信號處理結(jié)合轉(zhuǎn)碼的魯棒性測試結(jié)果

3.4 算法比較

參考文獻[13]中提出的零水印算法是從視頻本身的特性來提取水印信息，適應(yīng)于任何視頻，因此適合作為本文的對比算法。本文選取2個測試序列BasketballPass和Vidyo1，在相同的攻擊環(huán)境下比較兩個算法水印提取的正確率，判斷魯棒性，實驗結(jié)果如圖8所示。給定原始編碼的量化參數(shù)為[24,28,32]，測試在相同的QP下重量化編碼后水印提取正確率的平均值，平均PC如圖8(a)。圖8(b)和圖8(c)給出了原始QP=24，重量化編碼QP分別為21和27的水印提取的PC。圖8(d)給出了之前測試情況下相同的攻擊類型，每個類型的各個參數(shù)攻擊下的水印提取的平均PC。圖8的實驗結(jié)果顯示本文所提出算法的水印提取的PC更高，這說明本文所提出算法的零水印的魯棒性更好。

圖8 算法的魯棒性測試結(jié)果

4 結(jié) 論

針對HEVC視頻流版權(quán)問題，本文通過分析HEVC特有的CU深度特征，提出了一種抗量化轉(zhuǎn)碼的HEVC視頻流零水印算法。首先，探索量化轉(zhuǎn)碼前后CU深度特征的穩(wěn)定性以及深度轉(zhuǎn)移規(guī)律，考慮把深度映射為水印特征信息。然后，為了進一步加強深度特征的頑健性，根據(jù)組間轉(zhuǎn)移概率最小的原則將深度信息分為兩組：水印“0”和水印“1”，并調(diào)整分組方式使得兩組之間的分布近似相等。該算法不需要修改原始載體信息，能很好地解決水印透明性與算法魯棒性的矛盾。結(jié)果表明，所提算法對量化參數(shù)QP在一定變化范圍內(nèi)的重量化轉(zhuǎn)碼攻擊以及常見的信號攻擊具有很強的魯棒性。進一步探索幀間數(shù)據(jù)的穩(wěn)定特征是我們后續(xù)的研究工作。

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HEVC-based Video Stream Zero-watermarking Algorithm with Robustness to Re-quantization Transcoding

WANG Jing1，YU Mei1,2，LI Wenfeng1，LUO Ting1

( 1. Faculty of Information Science and Engineering, Ningbo University, Ningbo315211, Zhejiang,China;2. National Key Lab of Software New Technology, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

For the video stream copyright issues of high efficiency video coding (HEVC), a new zero-watermarking algorithm with robustness to re-quantization transcoding is proposed. Firstly, from statistics analysis about re-quantization transcoding, it is found that Coding Unit (CU) depths have strong stability and only a fraction of the depths would shift and almost shift to adjacent depths. Then, in order to increase the robustness of the depth characteristic, the CU depths are divided into two groups and mapped into two values ‘0’ and ‘1’. Finally, ‘xor’ operation is performed between the binary information encrypted and the copyright information scrambled by using the chaotic algorithm, the outcome with the timestamp acts as the ultimate registered zero-watermarking. Experimental results show that the proposed algorithm has strong robustness to re-quantization transcoding and other common signal attacks.

Zero-watermarking; HEVC; robustness to re-quantization transcoding; CU depth

1003-501X(2016)10-0077-07

TP391

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.10.013

2015-12-10；

2016-03-10

國家自然科學基金項目(61271270, 61501270)；科技部國家科技支撐計劃資助項目(2012BAH67F01)；浙江省自然科學基金項目(LY15F010005)

王靜(1991-)，女(漢族)，湖南益陽人。碩士研究生，主要研究工作是多媒體信號處理。E-mail: wangjing12311@126.com。

郁梅(1968-)，女(漢族)，江蘇無錫人。教授，主要研究工作是多媒體信號處理與通信。E-mail: yumei2@126.com。