基于宏塊劃分的視頻水印算法

周天亮, 尹 輝

(1.懷化醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校; 2.懷化商業(yè)學(xué)校,湖南懷化 418000)

基于宏塊劃分的視頻水印算法

周天亮1, 尹 輝2

(1.懷化醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校; 2.懷化商業(yè)學(xué)校,湖南懷化 418000)

研究一種針對(duì)H.264編碼的幀間預(yù)測(cè)塊劃分視頻水印算法,該算法先對(duì)水印圖像進(jìn)行二值處理,然后在H.264幀間預(yù)測(cè)編碼時(shí)根據(jù)水印二值序列選擇不同的區(qū)塊劃分,并將水印值嵌入進(jìn)去.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法具有較好的實(shí)時(shí)性、魯棒性.

H.264; 視頻水印技術(shù); 幀間預(yù)測(cè); 魯棒性

1 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字視頻的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,視頻作品遭到惡意攻擊和非法侵權(quán)的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重.如何有效地對(duì)數(shù)字視頻進(jìn)行版權(quán)保護(hù),成為多媒體技術(shù)發(fā)展中迫切而現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題.視頻水印技術(shù)正是為解決這個(gè)問(wèn)題而受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注,成為當(dāng)前學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn).水印技術(shù)存在的基礎(chǔ)是其技術(shù)的先進(jìn)性,其歸根結(jié)底是利用冗余來(lái)攜帶水印信息,而視頻壓縮的目的是去除冗余,因此好的水印設(shè)計(jì)方案應(yīng)該充分考慮視頻壓縮編碼的新動(dòng)向,緊密結(jié)合當(dāng)前及未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究.H.264作為最新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),迫切要求水印技術(shù)與其相融合,提升和改進(jìn)現(xiàn)有的視頻水印算法,以適應(yīng)新的應(yīng)用環(huán)境.

本文在對(duì)視頻水印技術(shù)及H.264標(biāo)準(zhǔn)分析研究的基礎(chǔ)上,研究了一種針對(duì)H.264編碼的魯棒視頻水印設(shè)計(jì)算法.

2 算法描述

該算法首先將二值水印圖像掃描為序列,然后在H.264[1]幀間預(yù)測(cè)編碼階段根據(jù)水印序列選擇不同的區(qū)塊劃分范圍,H.264中幀間預(yù)測(cè)塊的劃分方式有4種,分別是16X16、兩個(gè)16X8、兩個(gè)8X16、四個(gè)8X8,其運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償也相應(yīng)的有四種.在進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)時(shí),本算法首先跳過(guò)對(duì)16X8區(qū)塊的預(yù)測(cè),如果預(yù)測(cè)算法所決定的區(qū)塊劃分大小為16X16,算法將根據(jù)水印比特序列中的不同值決定是否將此16X16的區(qū)塊劃分成16X8的區(qū)塊;如果預(yù)測(cè)算法所決定的區(qū)塊劃分大小不是16X16,則直接進(jìn)行熵編碼和碼流生成.此算法如下圖1所示:

圖1

3 算法實(shí)施步驟

3.1 水印圖像二值化[2]

水印圖像先行進(jìn)行二值處理,使水印圖像的數(shù)據(jù)中只包含0和1兩種,以方便進(jìn)行嵌入處理.為了得到理想的二值圖像,一般采用封閉、連通的邊界定義不交疊的區(qū)域.所有灰度大于或等于閥值的像素被判定為屬于特定物體,其灰度值為255表示,否則這些像素點(diǎn)被排除在物體區(qū)域以外,灰度值為0,表示背景或者例外的物體區(qū)域.如果某特定物體在內(nèi)部有均勻一致的灰度值,并且某處在一個(gè)具有其他等級(jí)灰度值的均勻背景下,使用閥值法就可以得到比較好分割效果.如果物體同背景的差別表現(xiàn)不在灰度值上 (比如紋理不同),可以將這個(gè)差別特征轉(zhuǎn)換為灰度的差別,然后利用閥值選取技術(shù)來(lái)分割該圖像.動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥值實(shí)現(xiàn)圖像的二值化可動(dòng)態(tài)觀察其分割圖像的具體結(jié)果.其二值化處理的流程圖如圖2.

圖2

本文所采用的水印圖像如圖3:

圖3

a圖像經(jīng)過(guò)二值變換后得到的16進(jìn)制代碼如下:

3.2 水印嵌入

本算法通過(guò)在編碼模式上的強(qiáng)行選擇來(lái)進(jìn)行信息的隱藏,具體的實(shí)現(xiàn)如圖4所示:

圖4

嵌入水印前下圖的殘差幀宏塊劃分如下圖5:

圖5

圖6

可以發(fā)現(xiàn)在殘差幀中圖像變化平坦的區(qū)域,宏塊的選擇都是16X16,在嵌入水印后可以發(fā)現(xiàn)部分宏塊被劃分成了更小的塊,這種嵌入算法對(duì)視頻效果的影響可以忽略,因?yàn)榇怂惴ú粫?huì)修改任何幀像素的值,可以達(dá)到更高的保真度.

圖像中用粗線條框住的就是嵌入水印的位置,按照上圖所示,嵌入的數(shù)據(jù)為:

根據(jù)上例,定義水印與宏塊劃分的關(guān)系如下:

3.3 水印提取

根據(jù)H.264壓縮編碼的語(yǔ)法標(biāo)準(zhǔn),16X16宏塊在I片、P片、B片中都存在,但是本算法使用到的16X16宏塊,僅僅為幀間預(yù)測(cè)中的16X16宏塊,所以在提取水印時(shí)首先要跳過(guò)對(duì)I片中宏塊的檢測(cè),然后對(duì)B片和P片中的16X16宏塊及16X8宏塊進(jìn)行檢測(cè),并得出水印序列.

圖7

4 水印圖像檢測(cè)

本算法的實(shí)施環(huán)境為:CPU:奔騰E2160,內(nèi)存: 3G.為了對(duì)算法進(jìn)行仿真和性能測(cè)試,本文采用了C語(yǔ)言和Matlab語(yǔ)言結(jié)合編程的方式,運(yùn)用VisualC-6.0和Matlab R2009a的編程平臺(tái),對(duì)算法進(jìn)行了程序上的實(shí)現(xiàn).其中對(duì)水印圖像的預(yù)處理方面由Matlab語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),并將處理后的水印序列保存在一個(gè)圖像文件中,以便用C語(yǔ)言進(jìn)行水印的嵌入.同樣,在水印提取時(shí)是將提取出的水印序列保存在一個(gè)圖像文件中,然后用Matlab語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行后期處理,并恢復(fù)為水印圖像. H.264編解碼模型采用的是 H.264官方的參考軟件JM86版,實(shí)驗(yàn)所用QP=28.

實(shí)驗(yàn)所用視頻序列為標(biāo)準(zhǔn)視頻序列,如表1所示.

表1 素材表

表2 冗余情況表

表3 I片、P片、B片、NVB數(shù)據(jù)量大小對(duì)比表

根據(jù)表3數(shù)據(jù)顯示,I片的數(shù)據(jù)量在嵌入水印前后沒(méi)有變化,B片的數(shù)據(jù)量在嵌入水印后變化較大,例如在foreman視頻中B片的數(shù)據(jù)量較大,嵌入水印后所產(chǎn)生的冗余度在三次實(shí)驗(yàn)中也是最大的,而P片在承擔(dān)了大量的水印嵌入數(shù)據(jù)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù),所以本算法在B片少量出現(xiàn)的情況下可以達(dá)到最佳的效果.

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了客觀地評(píng)價(jià)本文的水印算法,與文獻(xiàn) [3]進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析,由于本算法與文獻(xiàn) [3]對(duì)噪聲攻擊都不敏感,所比較的內(nèi)容為嵌入水印后視頻增加的碼率,在嵌入與文獻(xiàn) [3]相同的水印后,本算法與文獻(xiàn) [3]的對(duì)比情況如表4:

碼率計(jì)算公式如下:

表4 與文獻(xiàn) [3]的對(duì)比情況

從上面的對(duì)比情況看本算法的碼率變化較文獻(xiàn)[3]的碼率變化要小,其與文獻(xiàn) [3]所述算法對(duì)比說(shuō)明,本算法適用于B片較少的視頻水印嵌入,文獻(xiàn)[3]適用于P片較少的情況.對(duì)比其它使用DC域水印嵌入算法,此算法嵌入的水印位于控制域,其對(duì)視頻圖像質(zhì)量的影響可以忽略,并且具有較強(qiáng)的魯棒性,冗余數(shù)據(jù)量較小.

與文獻(xiàn) [3]對(duì)比PSNR值的變化:文獻(xiàn) [3]的PSNR值如圖8.

圖8

本算法的PSNR圖如圖9.可以看出,本算法相對(duì)與文獻(xiàn) [3]相比較具有更小的PSNR變化值,說(shuō)明本算法對(duì)視頻圖像的質(zhì)量影響非常小,具有更佳的不可見(jiàn)性.

圖9

6 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字視頻水印有健壯性、透明性、盲檢測(cè)等基本要求,如何使水印嵌入算法既有較好的透明性又能抵抗有意或無(wú)意的攻擊,是數(shù)字視頻水印研究的主要課題之一.

本文探討的主要是基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的魯棒視頻水印技術(shù),主要工作如下:

(1)本算法對(duì)視頻圖像中的圖像數(shù)據(jù)不做任何修改,只針對(duì)宏塊的劃分模式做修改,所以本水印算法對(duì)視頻圖像的質(zhì)量沒(méi)有影響,只需要考慮壓縮算法對(duì)圖像的影響.

(2)本算法的水印提取算法相對(duì)簡(jiǎn)單,有利于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn).

(3)相對(duì)于差分能量水印算法,本算法的嵌入量較大,能實(shí)現(xiàn)較大數(shù)據(jù)量的水印嵌入.

視頻水印技術(shù)研究涉及眾多科學(xué)領(lǐng)域,內(nèi)容繁多,成熟實(shí)用的水印算法設(shè)計(jì)仍有較大的難度,而H.264編解碼過(guò)程又較為復(fù)雜,更優(yōu)的算法現(xiàn)仍在研究之中,同時(shí)加上本人水平有限,本文某些方面的觀點(diǎn)和闡述不盡正確.本文所做的僅僅是對(duì)H.264視頻水印技術(shù)的初步研究,研究的只是針對(duì)一種魯棒水印方案,且不夠深入和全面,有不少地方有待于進(jìn)一步研究與完善.

[1]高潔.基于H.264的視頻數(shù)字水印算法研究 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2008,(4):51-53.

[2]張春田,蘇育挺,管曉康.多媒體數(shù)字技術(shù) [J].通信學(xué)報(bào),2009,21(9).

[3]鄭振東,王沛,陳勝.基于運(yùn)動(dòng)矢量區(qū)域特征的視頻水印方案 [J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2008,10(13): 1926-1929.

[4]余小軍.基于H.264的數(shù)字視頻水印技術(shù)研究 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2007,(3):28-31.

[5]唐松生,董穎.數(shù)字視頻水印技術(shù)綜述 [J].計(jì)算機(jī)安全,2007,(9):31-33.

[6]王向陽(yáng),楊紅穎,趙紅.一種新的自適應(yīng)量化數(shù)字音頻水印算法 [J].聲學(xué)技術(shù),2004,(3):117-120.

[7]單承贛,孫德輝.基于H.264/AVC低比特率視頻流的雙水印算法 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2007,27(8):1922.

[8]葉登攀.圖像認(rèn)證及視頻數(shù)字水印的若干算法研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,12(1):1-63.

[9]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC[M].北京:人民郵電出版社,2005.84-91.

[10]張瓊.基于H.264的視頻數(shù)字水印算法研究 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2008,(9):31-34.

[11]鐘 偉,馬希俊,余松煌.一種使用Legendre陣列的圖像水印 [J].通信學(xué)報(bào),2001,22(1):1-6.

[12]周建峰,馬玉祥,歐陽(yáng)雄.PKI信任模型研究 [J].電子科技,2006,(4):75-78.

[13]曹軍梅,張震.視頻水印技術(shù)分析及其在電視版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2006,(11):73-80.

Abstract:Studingon one kind of H.264 encoded video watermarking inter prediction block division algorithm,this algorithm carries on two values of the watermark image processing,then select a different block division in H.264 inter prediction encoding according to the two values sequence of the watermark,and embedding the watermark value into it.Experimental results show that the algorithm has good timeliness,robustness.

Key words:H.264; video watermarking technology; inter-frame prediction; robustness

Macroblock-based Video Watermarking Algorithm is Divided

ZHOU Tian-liang1, YIN Hui2

(1.Huaihua Medical College; 2.Huaihua Commercial School,Huaihua,Hunan 418000)

TP301.6

A

1671-9743(2010)05-0058-04

2010-04-22

周天亮 (1973-),男,湖南寧遠(yuǎn)人,懷化醫(yī)專(zhuān)講師,碩士,主要研究數(shù)字水印技術(shù)及模式識(shí)別等;

尹 輝 (1975-),女,湖南邵陽(yáng)人,懷化商校講師,碩士,主要研究圖像處理及視頻水印技術(shù).