MPEG-4视频数字水印技术的设计与实现
１．２ 视频数字水印设计应考虑的几个方面 %26;#183;水印容量：嵌入的水印信息必须足以标识多媒体内容的购买者或所有者。 %26;#183;不可察觉性：嵌入在视频数据中的数字水印应该不可见或不可察觉。 %26;#183;鲁棒性?押在不明显降低视频质量的条件下，水印很难除去。 %26;#183;盲检测：水印检测时不需要原始视频，因为保存所有的原始视频几乎是不可能的。 %26;#183;篡改提示：当多媒体内容发生改变时，通过水印提取算法，能够敏感地检测到原始数据是否被篡改。 １．３ 视频数字水印方案选择 通过分析现有的数字视频编解码系统，可以将目前ＭＰＥＧ－４视频水印的嵌入与提取方案分为以下几类，如图２所示。 （１）视频水印嵌入方案一：水印直接嵌入在原始视频流中。此类方案的优点是：水印嵌入的方法较多，原则上数字图像水印方案均可应用于此。缺点是： %26;#183;会增加视频码流的数据比特率； %26;#183;经ＭＰＥＧ－４有损压缩后会丢失水印； %26;#183;会降低视频质量； %26;#183;对于已压缩的视频，需先进行解码，然后嵌入水印，再重新编码。 （２）视频水印嵌入方案二：水印嵌入在编码阶段的离散余弦变换（ＤＣＴ）的直流系数（ＤＣ）中（量化后、预测前）。此类方案的优点是： %26;#183;水印仅嵌入在ＤＣＴ系数中，不会增加视频流的数据比特率； %26;#183;易设计出抗多种攻击的水印； %26;#183;可通过自适应机制依据人的视觉特性进行调制，在得到较好的主观视觉质量的同时得到较强的抗攻击能力。 缺点是对于已压缩的视频，有一个部分解码、嵌入、再编码的过程。 (３)视频水印嵌入方案三：水印直接嵌入在ＭＰＥＧ－４压缩比特流中。优点是不需完全解码和再编码的过程，对整体视频信号的影响较小。缺点是： %26;#183;视频系统对视频压缩码率的约束将限制水印的嵌入量； %26;#183;水印的嵌入可能造成对视频解码系统中运动补偿环路的不良影响； %26;#183;该类算法设计具有一定的复杂度。
２ ＭＰＥＧ－４视频水印的实现 基于上述的各种方案，本文在方案二的基础上提出了一种针对ＭＰＥＧ－４视频编码系统的扩展频谱数字水印技术改进方案，将扩频调制后的水印信息嵌入到视频流ＩＶＯＰ(Ｉｎｔｒａ Ｖｉｄｅｏ Ｏｂｊｅｃｔ Ｐｌａｎｅ)中色度ＤＣＴ直流系数的最低位。本方案不需要完全解码，大大减少了运算的复杂度，提高了实时性。同时由于水印嵌入在直流系数中，在保证视频效果不失真的前提下，水印具有很强的鲁棒性。 ２．１ ＭＰＥＧ－４视频的特点 ＭＰＥＧ－４视频编解码基于ＶＯＰ(Ｖｉｄｅｏ Ｏｂｊｅｃｔ Ｐｌａｎｅ)。 从时间上看,ＶＯＰ分为内部ＶＯＰ(ＩＶＯＰ)、前向因果预测ＶＯＰ(ＰＶＯＰ)、双向非因果预测ＶＯＰ（ＢＶＯＰ）、全景的灵影ＶＯＰ（ＳＶＯＰ）。ＩＶＯＰ只用本身的信息进行编码；ＰＶＯＰ利用过去的参考ＶＯＰ进行运动补偿的预测编码；ＢＶＯＰ利用过去和将来的参考ＶＯＰ进行双向运动补偿的预测编码；ＳＶＯＰ一系列运动图像中的静止背景。因此ＩＶＯＰ的图像信息较独立?熏最适合嵌入水印信息。 从空间上看,它由若干个大小为１６%26;#215;１６的宏块(Ｍａｃｒｏ Ｂｌｏｃｋ)组成，每个宏块包括大小为８%26;#215;８的６个子块。其中４个亮度子块Ｙ，１个色差子块Ｕ，１个色差子块Ｖ。ＩＶＯＰ编码基本流程如图３所示。 为了不受量化过程的影响，本方案将水印嵌入在量化后的ＤＣＴ系数中，从而提高了水印生存的稳定性。在ＭＰＥＧ－４压缩算法中，ＤＣＴ系数的量化是关键，它直接影响视频的质量和码流控制算法。为此，ＭＰＥＧ－４提供了一个供参考的标准量化表。该表根据人类视觉模型(ＨＶＳ)建立。考虑到人眼对高频信息损失的敏感度较低频损失小很多，因此通常把水印嵌入到中低频信息中，提高了水印信息的鲁棒性。另外, 根据人眼对亮度信息的变化比色度信息较敏感这一特性，为最大限度地保持视频质量，本方案将水印嵌入到色度?穴Ｕ子块?雪ＤＣＴ系数中。由于ＤＣＴ是目前多媒体视频压缩中被广泛采用的技术基础，因此基于ＤＣＴ的视频水印方案具有显著的优势。将水印信息嵌入到ＩＶＯＰ色度量化后的ＤＣＴ直流系数中，不但无需引入额外的变换以获取视频的频谱分布，且水印信息不受ＤＣＴ系数量化带来的影响。 ２．２ 视频数字水印算法与实现 在ＭＰＥＧ－４视频中，由于ＩＶＯＰ中色度子块的ＤＣＴ直流系数是一个在视频流中始终存在且很鲁棒的参数，本方案将水印信息经ｍ序列(最长线性反馈移存器序列)调制后嵌入到ＩＶＯＰ的色度子块ＤＣＴ的直流系数中。这样水印信息在不影响视频效果的情况下难以去除，所以鲁棒性足够强。本方案采用扩频的方法，以方便有效地检测水印，抵抗各种攻击和干扰，保密性好。关键问题是色度ＤＣＴ的直流系统是一个对视觉系统很敏感的参数，本方案在色度ＤＣＴ的直流系数上加水印相当于对其加入微量干扰，必须使这种干扰低于一定的门限值，使人眼的视觉系统对视频中色度的微小变化感觉不到。经过试验将水印嵌入到ＩＶＯＰ的色度ＤＣＴ的直流系数的最低位能满足要求。 ２．２．１ 视频数字水印的嵌入 伪随机的扩展序列长度为２５５(２８－１)，每一水印信息位通过伪随机扩展序列的调制嵌入到相应的ＩＶＯＰ色度对应的ＤＣＴ直流系数(量化后、预测前)的最低位,这样水印信息在不影响视频效果的情况下一般难以去除。同时，嵌入在直流系数的最低位，带来的误差非常小。 伪随机的扩展序列产生代码如下： ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｍ＿ＬＥＮ ２５５ ＃ｄｅｆｉｎｅ Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ ８ ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＋＋) ｍ[ｉ]＝１; ｆｏｒ(ｉ＝Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＜Ｍ＿ＬＥＮ;ｉ＋＋) { ｍ[ｉ]＝ ｍ[ｉ－１]＋ｍ[ｉ－５]＋ｍ[ｉ－６]＋ｍ[ｉ－７]; ｍ[ｉ]＝ｍ[ｉ]％２; } 水印信息位扩展调制方式为： %26;#183;水印信息位为０，伪随机的扩展序列不变； %26;#183;水印信息位为１，伪随机的扩展序列取反。 这个过程可以用异或运算实现。代码如下: ＷＭｉｊ ＝ Ｗｉ ＾ ｍ[ｊ]; ／?觹每一水印信息位扩展调制成２５５位的扩展调制位*／ 这里Ｗｉ表示水印信息码流(ＷＭｉｊ表示水印信息扩展调制码流。设ＵＤＣｉｊ表示视频ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系数)量化后、ＤＣ预测计算之前?雪序列，为了方便，用一个字节表示一位二进制码流信息。 水印嵌入过程如下： ｉｆ (ＷＭｉｊ) ＵＤＣｉｊ ｜＝１; ／*根据扩展调制后的码流嵌入水印信息*／ ｅｌｓｅ ＵＤＣｉｊ ＆＝０ｘＦＦＦＥ; ２．２．２ 视频数字水印的提取 水印信息提取是水印信息嵌入的逆过程,代码如下: ｉｆ (ｉｎｖ＿ＵＤＣｉｊ ＆ １) ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ ＝ １; ｅｌｓｅ ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ ＝ ０; 这里ｉｎｖ＿ＵＤＣｉｊ表示带有水印信息的视频ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系数(反量化前、ＤＣ预测计算之后)序列； ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ表示检测到的水印信息扩展调制码流。每个ＩＶＯＰ色度子块在解码时得到一位扩展调制的信号位，每连续２５５个扩展调制的信号位可解调得到１位水印信息，具体分析如下： 用与原始伪随机序列结构相同且完全同步的序列与得到的连续２５５个扩展调制的信号接收序列进行异或运算，统计运算后１的个数记为ＯｎｅＣｏｕｎｔ。由于ｍ序列的自相关函数只有两种取值(１和－１／(２ｎ－１))，属于双值自相关序列。因此，如果数据未受到任何攻击和干扰，ＯｎｅＣｏｕｎｔ只有两种结果：２５５或０。当ＯｎｅＣｏｕｎｔ＝２５５时，得到的水印信息位为１；当ＯｎｅＣｏｕｎｔ＝０时，得到的水印信息位为０。如果数据受到攻击或干扰，ＯｎｅＣｏｕｎｔ有多种结果。根据统计分析，当ＯｎｅＣｏｕｎｔ＞１２７时，得到的水印信息位为１，并且这２５５个ＩＶＯＰ色度子块中有(２５５－ＯｎｅＣｏｕｎｔ)个子块受到攻击或干扰；当ＯｎｅＣｏｕｎｔ＜１２７时，得到的水印信息位为０，并且这２５５个ＩＶＯＰ色度子块中有ＯｎｅＣｏｕｎｔ个子块受到攻击或干扰。这样既可以统计总共有多少视频ＩＶＯＰ色度子块受到攻击或干扰,同时又能极强地恢复出原始水印信息。
３ 试验结果分析 试验结果表明，ｍ序列的长度越长，检测效果越好，但能够嵌入的水印信息量也相应地减少。本方案中水印只嵌入在视频的ＩＶＯＰ中，不修改ＰＶＯＰ和ＢＶＯＰ，对帧跳跃与帧删除攻击稳健，因为ＩＶＯＰ不可以被跳跃或删除。同时，由于水印信息嵌入在ＤＣＴ的直流系数中，而直流系数的变化对视频效果会有较大的影响，所以采取将水印信息嵌入到色度子块ＤＣＴ直流系数的最低位。这样不仅使水印嵌入计算的复杂度大为降低，为ＭＰＥＧ－４编解码节省了时间，还可取得良好的视频效果，达到了不可觉察性。从统计角度看也不会增加视频码流。另外，水印提取时无需原始视频。若水印信息未受到攻击，则本方案可准确地提取到原始视频的完全水印；若水印信息受到攻击，根据扩频解调性质，本方案可以最大限度地恢复出原始水印信息，并统计出有多少个ＩＶＯＰ色度子块受到攻击。 由于ＤＣＴ是目前多媒体视频压缩几大标准(Ｈ．２６１、Ｈ．２６３、ＭＰＥＧ－４等)共同采用的技术基础。因此基于ＤＣＴ的水印方案在视频压缩中具有非常重要的研究意义和应用前景。本文在此基础上提出了一个基于扩展频谱的ＭＰＥＧ－４视频数字水印方案。实践证明，在不需要原始视频的情况下，本方案能敏感地检测到数据是否被篡改或破坏，并具有良好的稳定性和鲁棒性，从而提供了知识产权的保护，防止非法获取。
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