摘 要: 介紹了數(shù)字水印" title="數(shù)字水印">數(shù)字水印技術(shù)的基本原理,以MPEG-4" title="MPEG-4">MPEG-4為例,提出并實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的基于擴(kuò)展頻譜的視頻水印方案。實(shí)踐證明,該視頻水印方案在不降低視頻質(zhì)量的基礎(chǔ)上,能夠抵抗多種干擾和攻擊,具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。
關(guān)鍵詞: 數(shù)字水印 視頻 MPEG-4 擴(kuò)展頻譜
隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展,人們不但可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和CD-ROM方便快捷地獲得多媒體信息,還可以得到與原始數(shù)據(jù)完全相同的復(fù)制品,由此引發(fā)的盜版問(wèn)題和版權(quán)紛爭(zhēng)已成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。因此,數(shù)字多媒體產(chǎn)品的水印處理技術(shù)已經(jīng)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。
雖然數(shù)字水印技術(shù)近幾年得到長(zhǎng)足發(fā)展,但方向主要集中于靜止圖像。由于包括時(shí)間域掩蔽效應(yīng)等特性在內(nèi)的更為精確的人眼視覺(jué)模型尚未完全建立,視頻水印技術(shù)的發(fā)展滯后于靜止圖像水印技術(shù)。另一方面,由于針對(duì)視頻水印的特殊攻擊形式的出現(xiàn),為視頻水印提出了一些區(qū)別于靜止圖像水印的獨(dú)特要求。
本文分析了MPEG-4視頻結(jié)構(gòu)[1]的特點(diǎn),提出了一種基于擴(kuò)展頻譜[2]的視頻數(shù)字水印改進(jìn)方案,并給出了應(yīng)用實(shí)例。
1 視頻數(shù)字水印技術(shù)簡(jiǎn)介
1.1 數(shù)字水印技術(shù)介紹
數(shù)字水印技術(shù)通過(guò)一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌入到多媒體內(nèi)容當(dāng)中,但不影響原內(nèi)容的價(jià)值和使用,并且不能被人的感知系統(tǒng)覺(jué)察或注意到。與傳統(tǒng)的加密技術(shù)不同,數(shù)字水印技術(shù)并不能阻止盜版活動(dòng)的發(fā)生,但可以判別對(duì)象是否受到保護(hù),監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播,鑒別真?zhèn)?解決版權(quán)糾紛并為法庭提供認(rèn)證證據(jù)。為了給攻擊者增加去除水印的難度,目前大多數(shù)水印制作方案都采用密碼學(xué)中的加密體系來(lái)加強(qiáng),在水印嵌入、提取時(shí)采用一種密鑰,甚至幾種密鑰聯(lián)合使用。水印嵌入和提取的一般方法如圖1所示。
1.2 視頻數(shù)字水印設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的幾個(gè)方面
·水印容量:嵌入的水印信息必須足以標(biāo)識(shí)多媒體內(nèi)容的購(gòu)買者或所有者。
·不可察覺(jué)性:嵌入在視頻數(shù)據(jù)中的數(shù)字水印應(yīng)該不可見(jiàn)或不可察覺(jué)。
·魯棒性:在不明顯降低視頻質(zhì)量的條件下,水印很難除去。
·盲檢測(cè):水印檢測(cè)時(shí)不需要原始視頻,因?yàn)楸４嫠械脑家曨l幾乎是不可能的。
·篡改提示:當(dāng)多媒體內(nèi)容發(fā)生改變時(shí),通過(guò)水印提取算法,能夠敏感地檢測(cè)到原始數(shù)據(jù)是否被篡改。
1.3 視頻數(shù)字水印方案選擇
通過(guò)分析現(xiàn)有的數(shù)字視頻編解碼系統(tǒng),可以將目前MPEG-4視頻水印的嵌入與提取方案分為以下幾類,如圖2所示。
(1)視頻水印嵌入方案一:水印直接嵌入在原始視頻流中。此類方案的優(yōu)點(diǎn)是:水印嵌入的方法較多,原則上數(shù)字圖像水印方案均可應(yīng)用于此。缺點(diǎn)是:
·會(huì)增加視頻碼流的數(shù)據(jù)比特率;
·經(jīng)MPEG-4有損壓縮后會(huì)丟失水印;
·會(huì)降低視頻質(zhì)量;
·對(duì)于已壓縮的視頻,需先進(jìn)行解碼,然后嵌入水印,再重新編碼。
(2)視頻水印嵌入方案二:水印嵌入在編碼階段的離散余弦變換(DCT)的直流系數(shù)(DC)中(量化后、預(yù)測(cè)前)[3]。此類方案的優(yōu)點(diǎn)是:
·水印僅嵌入在DCT系數(shù)中,不會(huì)增加視頻流的數(shù)據(jù)比特率;
·易設(shè)計(jì)出抗多種攻擊的水印;
·可通過(guò)自適應(yīng)機(jī)制依據(jù)人的視覺(jué)特性進(jìn)行調(diào)制,在得到較好的主觀視覺(jué)質(zhì)量的同時(shí)得到較強(qiáng)的抗攻擊能力。
缺點(diǎn)是對(duì)于已壓縮的視頻,有一個(gè)部分解碼、嵌入、再編碼的過(guò)程。
(3)視頻水印嵌入方案三:水印直接嵌入在MPEG-4壓縮比特流中。優(yōu)點(diǎn)是不需完全解碼和再編碼的過(guò)程,對(duì)整體視頻信號(hào)的影響較小。缺點(diǎn)是:
·視頻系統(tǒng)對(duì)視頻壓縮碼率的約束將限制水印的嵌入量;
·水印的嵌入可能造成對(duì)視頻解碼系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償環(huán)路的不良影響;
·該類算法設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜度。
2 MPEG-4視頻水印的實(shí)現(xiàn)
基于上述的各種方案,本文在方案二的基礎(chǔ)上提出了一種針對(duì)MPEG-4視頻編碼系統(tǒng)的擴(kuò)展頻譜數(shù)字水印技術(shù)改進(jìn)方案,將擴(kuò)頻調(diào)制后的水印信息嵌入到視頻流IVOP(Intra Video Object Plane)中色度DCT直流系數(shù)的最低位。本方案不需要完全解碼,大大減少了運(yùn)算的復(fù)雜度,提高了實(shí)時(shí)性。同時(shí)由于水印嵌入在直流系數(shù)中,在保證視頻效果不失真的前提下,水印具有很強(qiáng)的魯棒性。
2.1 MPEG-4視頻的特點(diǎn)
MPEG-4視頻編解碼基于VOP(Video Object Plane)[4]。
從時(shí)間上看,VOP分為內(nèi)部VOP(IVOP)、前向因果預(yù)測(cè)VOP(PVOP)、雙向非因果預(yù)測(cè)VOP(BVOP)、全景的靈影VOP(SVOP)。IVOP只用本身的信息進(jìn)行編碼;PVOP利用過(guò)去的參考VOP進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)編碼;BVOP利用過(guò)去和將來(lái)的參考VOP進(jìn)行雙向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)編碼;SVOP一系列運(yùn)動(dòng)圖像中的靜止背景。因此IVOP的圖像信息較獨(dú)立,最適合嵌入水印信息。
從空間上看,它由若干個(gè)大小為16×16的宏塊(Macro Block)組成,每個(gè)宏塊包括大小為8×8的6個(gè)子塊。其中4個(gè)亮度子塊Y,1個(gè)色差子塊U,1個(gè)色差子塊V。IVOP編碼基本流程如圖3所示。
為了不受量化過(guò)程的影響,本方案將水印嵌入在量化后的DCT系數(shù)中,從而提高了水印生存的穩(wěn)定性。在MPEG-4壓縮算法中,DCT系數(shù)的量化是關(guān)鍵,它直接影響視頻的質(zhì)量和碼流控制算法。為此,MPEG-4提供了一個(gè)供參考的標(biāo)準(zhǔn)量化表。該表根據(jù)人類視覺(jué)模型(HVS)建立?？紤]到人眼對(duì)高頻信息損失的敏感度較低頻損失小很多,因此通常把水印嵌入到中低頻信息中,提高了水印信息的魯棒性。另外, 根據(jù)人眼對(duì)亮度信息的變化比色度信息較敏感這一特性,為最大限度地保持視頻質(zhì)量,本方案將水印嵌入到色度(U子塊)DCT系數(shù)中。由于DCT是目前多媒體視頻壓縮中被廣泛采用的技術(shù)基礎(chǔ),因此基于DCT的視頻水印方案具有顯著的優(yōu)勢(shì)。將水印信息嵌入到IVOP色度量化后的DCT直流系數(shù)中,不但無(wú)需引入額外的變換以獲取視頻的頻譜分布,且水印信息不受DCT系數(shù)量化帶來(lái)的影響。
2.2 視頻數(shù)字水印算法與實(shí)現(xiàn)
在MPEG-4視頻中,由于IVOP中色度子塊的DCT直流系數(shù)是一個(gè)在視頻流中始終存在且很魯棒的參數(shù),本方案將水印信息經(jīng)m序列(最長(zhǎng)線性反饋移存器序列)調(diào)制后嵌入到IVOP的色度子塊DCT的直流系數(shù)中。這樣水印信息在不影響視頻效果的情況下難以去除,所以魯棒性足夠強(qiáng)。本方案采用擴(kuò)頻的方法,以方便有效地檢測(cè)水印,抵抗各種攻擊和干擾,保密性好。關(guān)鍵問(wèn)題是色度DCT的直流系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)很敏感的參數(shù),本方案在色度DCT的直流系數(shù)上加水印相當(dāng)于對(duì)其加入微量干擾,必須使這種干擾低于一定的門限值,使人眼的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)視頻中色度的微小變化感覺(jué)不到。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)將水印嵌入到IVOP的色度DCT的直流系數(shù)的最低位能滿足要求。
2.2.1 視頻數(shù)字水印的嵌入
偽隨機(jī)的擴(kuò)展序列長(zhǎng)度為255(28-1),每一水印信息位通過(guò)偽隨機(jī)擴(kuò)展序列的調(diào)制嵌入到相應(yīng)的IVOP色度對(duì)應(yīng)的DCT直流系數(shù)(量化后、預(yù)測(cè)前)的最低位,這樣水印信息在不影響視頻效果的情況下一般難以去除。同時(shí),嵌入在直流系數(shù)的最低位,帶來(lái)的誤差非常小。
偽隨機(jī)的擴(kuò)展序列產(chǎn)生代碼如下:
#define M_LEN 255
#define M_SERIES 8
for(i=0;i
for(i=M_SERIES;i
{
m[i]= m[i-1]+m[i-5]+m[i-6]+m[i-7];
m[i]=m[i]%2;
}
水印信息位擴(kuò)展調(diào)制方式為:
·水印信息位為0,偽隨機(jī)的擴(kuò)展序列不變;
·水印信息位為1,偽隨機(jī)的擴(kuò)展序列取反。
這個(gè)過(guò)程可以用異或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。代碼如下:
WMij = Wi ^ m[j];
/*每一水印信息位擴(kuò)展調(diào)制成255位的擴(kuò)展調(diào)制位*/
這里Wi表示水印信息碼流,WMij表示水印信息擴(kuò)展調(diào)制碼流。設(shè)UDCij表示視頻IVOP色度DCT的直流系數(shù)(量化后、DC預(yù)測(cè)計(jì)算之前)序列,為了方便,用一個(gè)字節(jié)表示一位二進(jìn)制碼流信息。
水印嵌入過(guò)程如下:
if (WMij) UDCij |=1;
/*根據(jù)擴(kuò)展調(diào)制后的碼流嵌入水印信息*/
else UDCij &=0xFFFE;
2.2.2 視頻數(shù)字水印的提取
水印信息提取是水印信息嵌入的逆過(guò)程,代碼如下:
if (inv_UDCij & 1) inv_WMij = 1;
else inv_WMij = 0;
這里inv_UDCij表示帶有水印信息的視頻IVOP色度DCT的直流系數(shù)(反量化前、DC預(yù)測(cè)計(jì)算之后)序列; inv_WMij表示檢測(cè)到的水印信息擴(kuò)展調(diào)制碼流。每個(gè)IVOP色度子塊在解碼時(shí)得到一位擴(kuò)展調(diào)制的信號(hào)位,每連續(xù)255個(gè)擴(kuò)展調(diào)制的信號(hào)位可解調(diào)得到1位水印信息,具體分析如下:
用與原始偽隨機(jī)序列結(jié)構(gòu)相同且完全同步的序列與得到的連續(xù)255個(gè)擴(kuò)展調(diào)制的信號(hào)接收序列進(jìn)行異或運(yùn)算,統(tǒng)計(jì)運(yùn)算后1的個(gè)數(shù)記為OneCount。由于m序列的自相關(guān)函數(shù)只有兩種取值(1和-1/(2n-1)),屬于雙值自相關(guān)序列。因此,如果數(shù)據(jù)未受到任何攻擊和干擾,OneCount只有兩種結(jié)果:255或0。當(dāng)OneCount=255時(shí),得到的水印信息位為1;當(dāng)OneCount=0時(shí),得到的水印信息位為0。如果數(shù)據(jù)受到攻擊或干擾,OneCount有多種結(jié)果。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,當(dāng)OneCount>127時(shí),得到的水印信息位為1,并且這255個(gè)IVOP色度子塊中有(255-OneCount)個(gè)子塊受到攻擊或干擾;當(dāng)OneCount<127時(shí),得到的水印信息位為0,并且這255個(gè)IVOP色度子塊中有OneCount個(gè)子塊受到攻擊或干擾。這樣既可以統(tǒng)計(jì)總共有多少視頻IVOP色度子塊受到攻擊或干擾, 同時(shí)又能極強(qiáng)地恢復(fù)出原始水印信息。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
試驗(yàn)結(jié)果表明,m序列的長(zhǎng)度越長(zhǎng),檢測(cè)效果越好,但能夠嵌入的水印信息量也相應(yīng)地減少。本方案中水印只嵌入在視頻的IVOP中,不修改PVOP和BVOP,對(duì)幀跳躍與幀刪除攻擊穩(wěn)健,因?yàn)镮VOP不可以被跳躍或刪除。同時(shí),由于水印信息嵌入在DCT的直流系數(shù)中,而直流系數(shù)的變化對(duì)視頻效果會(huì)有較大的影響,所以采取將水印信息嵌入到色度子塊DCT直流系數(shù)的最低位。這樣不僅使水印嵌入計(jì)算的復(fù)雜度大為降低,為MPEG-4編解碼節(jié)省了時(shí)間,還可取得良好的視頻效果,達(dá)到了不可覺(jué)察性。從統(tǒng)計(jì)角度看也不會(huì)增加視頻碼流。另外,水印提取時(shí)無(wú)需原始視頻。若水印信息未受到攻擊,則本方案可準(zhǔn)確地提取到原始視頻的完全水印;若水印信息受到攻擊,根據(jù)擴(kuò)頻解調(diào)性質(zhì),本方案可以最大限度地恢復(fù)出原始水印信息,并統(tǒng)計(jì)出有多少個(gè)IVOP色度子塊受到攻擊。
由于DCT是目前多媒體視頻壓縮幾大標(biāo)準(zhǔn)(H.261、H.263、MPEG-4等)共同采用的技術(shù)基礎(chǔ)。因此基于DCT的水印方案在視頻壓縮中具有非常重要的研究意義和應(yīng)用前景。本文在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)基于擴(kuò)展頻譜的MPEG-4視頻數(shù)字水印方案。實(shí)踐證明,在不需要原始視頻的情況下,本方案能敏感地檢測(cè)到數(shù)據(jù)是否被篡改或破壞,并具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性,從而提供了知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù),防止非法獲取。
參考文獻(xiàn)
1 ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 Document N3908. MPEG-4 Video Verification Model version 18.0. January 2001
2 Mobasseri, B.G. Direct sequence watermarking of digital video using m-frames. International Conference. 1998
3 Jianhao Meng, Shih-Fu Chang. Embedding visible video watermarks in the compressed domain. International Conference. 1998
4 鐘玉琢,王琪,賀玉文.基于對(duì)象的多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—MPEG-4及其校驗(yàn)?zāi)Ｐ? 北京:科學(xué)出版社,2000