摘  要： 針對(duì)新的HEVC高效視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)特性，提出了一種基于版權(quán)保護(hù)的視頻水印算法。分析了HEVC同上一版視頻格式標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC之間的編碼差別，在研究HEVC格式的基礎(chǔ)上為其設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的水印算法。該算法首先對(duì)水印圖片進(jìn)行置亂處理，然后將水印嵌入到亮度分量離散正弦變換（DST）分塊的中頻系數(shù)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該算法對(duì)HEVC視頻有很好的嵌入和提取效果，并可以抵抗多種形式的視頻攻擊。

　　關(guān)鍵詞： H.265/HEVC；版權(quán)保護(hù)；H.264/AVC；視頻水印

　　隨著硬件條件的不斷改善，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量近年來有著突飛猛進(jìn)的增長，尤其是數(shù)字媒體的傳播數(shù)量。2013年1月，為了滿足人們對(duì)高清視頻的需求，視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)高性能視頻編碼HEVC（High Efficiency Video Coding）作為可替代H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的新一代國際標(biāo)準(zhǔn)被正式提出使用。HEVC是ITU-T組織和ISO/IEC組織聯(lián)合開發(fā)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)以前的視頻格式進(jìn)行了多方面的改革，其僅需H.264/AVC一半帶寬就可播放相同質(zhì)量的視頻[1]，因此數(shù)字視頻也將更容易被復(fù)制和修改，與此同時(shí)，數(shù)字視頻的保護(hù)問題也得到了研究者們的注意。

　　由于版權(quán)保護(hù)的需要，過去十幾年里對(duì)多媒體水印的研究如火如荼，范圍觸及版權(quán)控制、圖像印刷、廣播監(jiān)控、視頻授權(quán)等，這方面的應(yīng)用量飛速上漲。數(shù)字水印技術(shù)是通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息證實(shí)該數(shù)據(jù)的所有權(quán)，這種被嵌入的水印可以是一段文字、標(biāo)識(shí)、圖片等，而且這種水印通常是不可見或不可察的，它與原始數(shù)據(jù)（如圖像、音頻、視頻數(shù)據(jù)）緊密結(jié)合，并隱藏其中，成為宿主數(shù)據(jù)的一部分，并可以經(jīng)歷一些不破壞宿主數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)值的操作而保存下來。

　　針對(duì)各種格式的視頻水印算法國內(nèi)外學(xué)者都已經(jīng)研究了很多年，并且取得了豐碩的成果。HARTUNG F和KUTTER M[2]闡述了水印的現(xiàn)實(shí)需求和應(yīng)用領(lǐng)域，介紹了水印系統(tǒng)的基本概念，并詳細(xì)討論了水印安全性和魯棒性。PREDA R O和VIZIREANU D N[3]提出了一種多分辨率下的水印算法，以二進(jìn)制圖像做水印，水印的每一位都擴(kuò)展進(jìn)小波系數(shù)里。Zhang Jing等人[4]針對(duì)H.264/AVC提出了一個(gè)魯棒性強(qiáng)的水印算法，首先生成灰度圖像，然后嵌入壓縮域，可以抵抗幀壓縮、高斯濾波、反差增強(qiáng)等攻擊。VERMA A K、SINGHAL M、PATVARDHAN C[5]提出了一個(gè)基于YCbCr顏色空間和小波變換的數(shù)字視頻水印算法，水印被嵌入時(shí)域空間平面。國內(nèi)對(duì)水印的研究也很透徹，幾乎涉及水印嵌入、提取的各個(gè)領(lǐng)域。張江等人[6]分析了視頻水印技術(shù)的特點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)，闡述了視頻水印的模型及算法分類，探討了視頻水印的發(fā)展趨勢。張維緯等人[6]提出了一種基于H.264/AVC的視頻可逆脆弱水印算法，能對(duì)認(rèn)證通過的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行還原和對(duì)認(rèn)證失敗的視頻I幀遭篡改區(qū)域進(jìn)行有效的定位。同鳴等人[7]提出了一種部分基矩陣稀疏約束的非負(fù)矩陣分解方法，將水印嵌入在分解后的基矩陣大系數(shù)中，可以較好地抵抗強(qiáng)剪切攻擊。李亞文[8]對(duì)壓縮視頻的圖像幀的亮度分量進(jìn)行小波提升分解，利用混沌系統(tǒng)對(duì)水印圖像進(jìn)行置亂，提升了算法的安全性和抗攻擊能力。

　　為了保護(hù)HEVC視頻編碼格式的數(shù)字視頻，本文以新的HEVC視頻格式為研究對(duì)象，以為其設(shè)計(jì)水印算法為目的，分析了HEVC同上一版視頻格式標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC之間的編碼差別及這些差別對(duì)現(xiàn)有水印算法思想的影響，在仔細(xì)研究HEVC格式的基礎(chǔ)上為其設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的水印算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該算法對(duì)HEVC有很好的嵌入和提取效果，并可以抵抗多種形式的視頻攻擊。

　　1 HEVC概述

　　為了彌補(bǔ)H.264/AVC難以滿足當(dāng)前人們對(duì)高清視頻需求的不足，HEVC在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量變革，使得壓縮率大幅提高。與H.264相似，HEVC的編碼架構(gòu)主要包括幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測、轉(zhuǎn)換、量化、熵編碼等模塊，但與AVC基于宏塊不同，HEVC中類似的結(jié)構(gòu)為編碼樹單元（CTU），其尺寸由編碼器進(jìn)行指定，可以比傳統(tǒng)的宏塊大。一個(gè)CTU包含一個(gè)亮度CTB和多個(gè)對(duì)應(yīng)的色度CTB及句法元素。一個(gè)L×L的亮度CTB，L可以設(shè)置為16、32或者64[9]。預(yù)測類型是在CU內(nèi)編碼，CU是HEVC中用于幀間預(yù)測和幀內(nèi)預(yù)測的判決點(diǎn)。

　　H.265引入了名為合并模式的幀間預(yù)測方法，原理是PU之間的移動(dòng)信息非常相似，因此可以就近采用附近PU的形式而不作運(yùn)動(dòng)評(píng)估等計(jì)算。H.265也提供了1/2、2/4、3/4[9]像素非整數(shù)點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)評(píng)估，不過有8點(diǎn)插值濾波，而H.264只有6點(diǎn)。預(yù)測動(dòng)作完成后，要采用類似DCT的整數(shù)變換算法對(duì)殘差進(jìn)行編碼來進(jìn)一步降低碼率。H.265在進(jìn)行變換操作時(shí)會(huì)先把CU拆開成若干個(gè)TU（變換單元），這些TU并不需要和PU對(duì)齊。拆為TU的原因是CU中可能同時(shí)包含高頻部分和低頻部分，直接用于變換處理量太大。除此之外，HEVC的改進(jìn)之處還包括熵編碼處理、去塊濾波處理。結(jié)合四叉樹的超大去塊編碼方式和新增的SAO去塊濾波被認(rèn)為是HEVC和AVC的兩個(gè)重大區(qū)別。

　　HEVC幀內(nèi)編碼方案包括分塊變換編碼操作，為了研究數(shù)字水印算法，必須要弄清分塊變換編碼操作。當(dāng)壓縮視頻序列通過HEVC編碼器時(shí)，編碼單元CU是執(zhí)行每個(gè)視頻幀編碼的基本單元，一個(gè)視頻幀首先被分成64×64個(gè)非重疊的CU單元，每個(gè)CU單元按照四叉樹[10]的分割方式繼續(xù)分成更小的單元，如圖1所示。

　　利用空間冗余壓縮，幀內(nèi)預(yù)測在HEVC編碼中通過相鄰塊編碼預(yù)測得到當(dāng)前塊，對(duì)一個(gè)N×N大小的編碼單元CU，N∈{64，32，16}，僅有一個(gè)大小為N×N的預(yù)測單元，然而當(dāng)N=8時(shí)，有8×8和4×4兩個(gè)預(yù)測尺寸。此外，不同的PU尺寸，HEVC支持35種[10]預(yù)測模式，如圖2所示，而H.264只有9種。35種預(yù)測模式中，模式0和模式1分別是平面和直流模式，適合用在逐漸變化和小亮度變化的預(yù)測單元，除去以上兩種模式，其余33種不同方向的預(yù)測模式經(jīng)常用來捕捉邊緣特性。

　　對(duì)一個(gè)N×N的預(yù)測單元PU，HEVC編碼從對(duì)應(yīng)相鄰像素和幀內(nèi)預(yù)測生成35種預(yù)測塊，這些參考像素從右上方、上、左上、左、左下相鄰塊像素編碼，如圖3所示。

　　2 基于HEVC的水印算法設(shè)計(jì)

　　本文提出的算法基于HEVC高效視頻編碼格式，主要包括水印預(yù)處理、水印嵌入與提取模塊，其中嵌入與提取算法是與HEVC的編碼器緊密結(jié)合的。

　　2.1 水印預(yù)處理

　　水印預(yù)處理是視頻水印算法重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它可以有效地去除水印信息的相關(guān)性，提高水印信息抵抗攻擊的能力。水印信息可以是一幅圖片或者文字等載體數(shù)據(jù)，通常根據(jù)水印算法提供的水印容量來選取嵌入何種水印。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本算法可嵌入的載體容量可達(dá)1 kB~10 kB，所以可以嵌入簡單的單色圖像。常用的水印預(yù)處理方法有置亂、擴(kuò)頻等，置亂的主要功能是去除水印信息本身的自相關(guān)性，即使水印被第三方破解，由于水印信息是亂序的，第三方仍然不能得知水印信息的真實(shí)來源并對(duì)其修改，因此可以起到版權(quán)保護(hù)的作用。

　　本算法采取對(duì)水印信息進(jìn)行置亂處理，設(shè)AM×N表示大小為M×N的圖像，Ax，y[x∈（0，M-1），y∈（0，N-1）]表示圖像A在點(diǎn)（x，y）處的像素值，由于是二值圖像，Ax，y只能是0或1。對(duì)水印圖像的像素矩陣進(jìn)行光柵掃描，得到的一維數(shù)組記為W。為了將水印信息W以置亂的方式嵌入，首先生成一個(gè)Logistic混沌序列。令μ=4，初始值設(shè)為0.9，生成的Logistic序列為偽隨機(jī)序列。

　　2.2 水印嵌入位置選擇

　　HEVC水印嵌入位置的選擇與AVC很不相同，需要重新考慮編碼單元的劃分。HEVC最大編碼尺寸可達(dá)64×64，按照設(shè)計(jì)初衷，HEVC應(yīng)用對(duì)象主要是4 KB及以上視頻，這也是編碼單元變大的原因。根據(jù)人眼視覺模型，人眼對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域活躍的地方不敏感，水印嵌入的位置應(yīng)該選擇在紋理較復(fù)雜的區(qū)域。由于非運(yùn)動(dòng)區(qū)域的平滑性，其編碼單元尺寸較大，反過來運(yùn)動(dòng)區(qū)域的編碼尺寸一般較小，所以水印嵌入的位置選擇在較深的編碼單元。在H.265編碼中，編碼樹單元中4×4子塊的非零系數(shù)個(gè)數(shù)代表當(dāng)前子塊的運(yùn)動(dòng)活性，因此選擇大小為4×4的編碼單元進(jìn)行嵌入對(duì)視頻質(zhì)量和碼率的影響更小。

　　2.3 水印嵌入算法

　　H．265編碼樹單元的預(yù)測殘差在經(jīng)過整數(shù)DST變換和量化之后，預(yù)測殘差的能量主要集中在中低頻的DST系數(shù)中，大部分的高頻系數(shù)都為零。HEVC在一個(gè)CU內(nèi)進(jìn)行變換運(yùn)算時(shí)，可以將CU按照編碼樹層次細(xì)分，從32×32到4×4的小塊。HEVC變換運(yùn)算和AVC不同，變換時(shí)先進(jìn)行列運(yùn)算然后進(jìn)行行運(yùn)算，量化是與整數(shù)DST變換一并完成，是在TU中分別對(duì)亮度和色度分量進(jìn)行的。本算法將水印嵌入到亮度分量4×4 DST分塊的中頻系數(shù)中，水印的嵌入流程圖如圖4所示。

　　為了獲得關(guān)于殘差信號(hào)的率失真成本，HEVC編碼引出對(duì)預(yù)測殘差的轉(zhuǎn)換與量化編碼的編碼單元（TU）。在HEVC幀內(nèi)編碼中，決定一個(gè)PU單元的最優(yōu)內(nèi)模式之前，要獲得相關(guān)的率失真成本，一個(gè)N×N（N∈{32，16，8，4}）的PU，也存在唯一尺寸為N×N的TU，然而當(dāng)N=64，將有4個(gè)32×32的TU。色度預(yù)測殘差的變換編碼，HEVC規(guī)定兩種變換：整數(shù)DST[11]和整數(shù)DCT。整數(shù)DST用在4×4變換單元，而整數(shù)DCT用在32×32、16×16、8×8變換單元。為簡便起見，本算法對(duì)4×4變換單元進(jìn)行整數(shù)DST變換[10]操作。

　　用R表示N×N變換單元的亮度預(yù)測殘差矩陣，當(dāng)對(duì)R進(jìn)行整數(shù)DST變換時(shí)，R的QDST系數(shù)矩陣可以表示為：

　　R=（SfRSfT）×X00 X01 X02 X03X10 X11 X12 X13X20 X21 X22 X23X30 X31 X32 X33（1）

　　其中，Q指量化步長，由量化參數(shù)QP決定。Sf為：

　　Sf=A  B  C DC  C  0 -CD -A -C BB -D C -A（2）

　　在解碼端，對(duì)R進(jìn)行逆QDST（IQDST）操作，重建的殘差信號(hào)表示為：

　　R=IQDST（R）=Sf-1（R×Q）（SfT）-1（3）

　　水印信息是通過修改QDST變換后的系數(shù)來嵌入的，根據(jù)奇偶性來改變原DST變換矩陣系數(shù)的值。本算法是將水印信息嵌入在4×4變換單元TU系數(shù)中，假設(shè)一個(gè)4×4變換單元TU的系數(shù)三元組為（Xij，Xmn，Xpq），嵌入水印信息以后為（X′ij，X′mn，X′pq），（X′ij，X′mn，X′pq）可由式（4）得出：

　?。╔′ij，X′mn，X′pq）=（Xij+t，Xmn-t，Xpq+t）（4）

　　其中，t的值為：

　　t=1，if（Xij>0，w=1，and Xij is even），  or（Xij>0，w=0，and Xij is odd），-1，if（Xij<0，w=1，and Xij is even），   or（Xij<0，w=0，and Xij is odd），0，if（Xij≠0，w=1，and Xij  is odd），  or（Xij≠0，w=0，and Xij is even）（5）

　　2.4 水印提取算法

　　水印提取是嵌入的逆過程，因此實(shí)現(xiàn)起來簡單方便，提取流程圖如圖5所示。

　　先對(duì)嵌入水印的H.265碼流進(jìn)行熵解碼，得到每個(gè)編碼樹單元預(yù)測殘差的量化DST系數(shù)，再統(tǒng)計(jì)每個(gè)編碼樹單元中子塊DST系數(shù)的非零個(gè)數(shù)，找出非零系數(shù)個(gè)數(shù)最多的子塊，對(duì)其進(jìn)行水印的提取和視頻還原?？梢酝ㄟ^得出的（X′ij，X′mn，X′pq）提取水印信息：

　?。╔ij，Xmn，Xpq）=（X′ij，X′mn，X′pq）or（X′ij-1，X′mn+1，X′pq-1），if X′ij>0（X′ij，X′mn，X′pq）or（X′ij+1，X′mn-1，X′pq+1），otherwise（6）

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為了驗(yàn)證算法的性能和有效性，本實(shí)驗(yàn)基于H.265/HEVC參考軟件模型HM10.1進(jìn)行仿真，HM配置參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)中對(duì)PeopleOnStreet_2560x1600_30_crop測試序列進(jìn)行水印的嵌入和提取，水印圖像大小為28×16，內(nèi)容是“SMU”。

　　圖6為正常編碼圖像，圖7為嵌入水印后的編碼圖像，對(duì)比可見，圖像主觀質(zhì)量并沒有明顯差異，失真較小。

　　圖8為選取的前15幀嵌入水印前后圖像的PSNR值對(duì)比，從圖中可知嵌入水印對(duì)視頻亮度平均PSNR影響很小，符合要求。

　　對(duì)含水印的視頻進(jìn)行攻擊測試，表2是3種攻擊下提取出來的水印圖像。

　　從表2可以看出，椒鹽噪聲對(duì)水印的影響稍大，高斯噪聲略有影響，視頻剪切對(duì)水印幾乎沒影響。但不論受到何種攻擊后，提取出水印，就能很容易地識(shí)別為原圖的內(nèi)容，所以其魯棒性還是比較強(qiáng)的。

　　HEVC是新一代高性能視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了HEVC在編碼和預(yù)測等方面相較于之前視頻格式的區(qū)別，分析了HEVC格式的新特性對(duì)傳統(tǒng)水印算法的影響，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)HEVC編碼格式的視頻水印新算法。實(shí)驗(yàn)證明了該算法有很好的實(shí)用性，并能有效抵抗多種視頻攻擊。

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