基于脆弱水印的彩色視頻認證方案

侯志宇，唐向宏，陳宏炳

(杭州電子科技大學通信工程學院，浙江杭州310018)

0 引言

數(shù)字水印技術(shù)則是實現(xiàn)視頻完整性認證的重要手段。根據(jù)水印技術(shù)與數(shù)字視頻編碼系統(tǒng)結(jié)合方式的不同，水印信息的嵌入可分為3種方案:將水印直接嵌入到原始視頻流之中［1，2］、在視頻編碼結(jié)構(gòu)中嵌入水?。?］和在視頻編碼得到的位流中嵌入水?。?］，本文討論的算法將采用在原始視頻嵌入水印的方案。文獻1根據(jù)I幀的低頻DCT系數(shù)之間的關(guān)系生成水印認證信息，提出了嵌入到I幀的高頻DCT系數(shù)中的認證方案。由于只在I幀的DCT高頻系數(shù)區(qū)嵌入水印，對P幀和B幀的攻擊行為會認證失敗。文獻2提出通過調(diào)整MPEG視頻中不同8×8DCT塊能量關(guān)系來嵌入水印，這種方法復雜度高，視頻修改大，且同樣不適用于對B幀P幀的認證。文獻3中把I幀特征的認證信息以水印的形式嵌入到P幀和B幀的運動矢量中。先在I幀嵌入版權(quán)認證水印，然后再提取認證碼嵌入到P幀、B幀的運動矢量，能夠同時實現(xiàn)對I幀、B幀、P幀的檢測，但其算法運算量大，且不能對B幀P幀的攻擊定位。本文將借助YST色彩模式，利用I幀、B幀和P幀之間的關(guān)系，分別在I幀、B幀和P幀嵌入脆弱水印，探討彩色視頻的完整性認證，實現(xiàn)對被篡改或攻擊的部分的定位。

1 YST色彩變換模式與認證方案

為降低R/G/B3色成分之間的相關(guān)性，將視頻轉(zhuǎn)換為YST色彩模式。在YST色彩模式中，Y與S之間形成一個52°的夾角，T與Y、S正交，即YS⊥T。RGB轉(zhuǎn)換為YST的線性變換矩陣為［5、6］:

認證系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 水印的嵌入與提取算法

步驟1——特征水印的生成

特征水印信息生成的具體步驟如下:

(1)將MPEG視頻分幀，提取每一個GOP中的I幀(參考幀)和B、P幀(預測幀);

(2)根據(jù)I幀分塊DCT變換后的低頻系數(shù)生成水印信息W1，首先將I幀的YST變換量T進行4×4分塊，然后對每塊進行DCT變換獲得如圖2所示變換系數(shù)。根據(jù)zig-zag掃描，選擇圖2中位置2和3的系數(shù)B2和B3，如果B2＞B3記為0，反之，則記為1。這樣就可以得到一個 m×n=N/16的二值矩陣W1;

(3)計算B幀P幀的位置信息W2，作為密鑰;

(4)將W1與W2進行異或操作，得到載體特征水印信息W的加密算法。

式中，i表示視頻的第i幀，m和n表示第i幀中DCT變換塊的位置信息，“⊕”表示異或操作。

圖1 認證結(jié)構(gòu)圖

步驟2——水印嵌入

具體嵌入規(guī)則如下:

根據(jù)這個規(guī)則，水印的嵌入具體有4種情況，分別為:

由此可見當W=0時，修改后的DCT矩陣中奇數(shù)個數(shù)為偶數(shù);當W=1時，修改后的DCT矩陣中奇數(shù)個數(shù)為奇數(shù)。因此，水印嵌入步驟為:

(1)根據(jù)I幀低頻系數(shù)以及B幀P幀位置信息生成水印W;

(2)確定DCT變換塊內(nèi)最后一個不為0的系數(shù)，則該系數(shù)位為水印嵌入位置;

(3)計算取整后DCT變換塊內(nèi)奇數(shù)的個數(shù)，根據(jù)嵌入規(guī)則，對嵌入位置的DCT系數(shù)進行嵌入操作。

步驟3——水印提取與視頻完整性認證

水印的提取是水印嵌入的逆過程，其步驟。

(1)重新生成特征水印信息Wa。Wa與W的生成過程一樣，由于水印的嵌入位置在中高頻系數(shù)區(qū)，不改變系數(shù)B2與B3之間的大小關(guān)系，在無攻擊的情況下，Wa與W是一樣的。

(2)提取嵌入的脆弱水印。根據(jù)步驟2中的分析，當DCT矩陣中奇數(shù)個數(shù)為偶數(shù)時，We=0;當奇數(shù)個數(shù)為奇數(shù)時，We=1，即:

式中，We是提取出來的水印信息，大小為m×n。

(3)完整性認證與篡改位置的定位。將Wa與We做比較，計算錯誤率式為:

對比Wa與We，當Wa=We時，所對應(yīng)塊中的象素記為0，否則記為1，得到一個二值圖像，圖像中象素為1的部分就是遭篡改位置。

3 實驗仿真與分析

實驗中選擇Children(每幀大小為352×288，共41幀)、Dream(每幀大小為352×288，共300幀)標準測試序列。如圖3所示為Children第16幀(參考幀)和第25幀(預測幀)圖像在加入水印前后的對比效果。從圖3中可以看出，加入水印前后的圖像在視覺上沒有差異，較好保證視覺質(zhì)量，滿足了水印不可見性的原則。

圖3 水印嵌入對比圖

為了檢驗本算法的脆弱性，對于加入水印后的視頻分別進行隨機噪聲，椒鹽噪聲和MPEG壓縮等攻擊，并與文獻2的算法進行對比。如圖4所示為在不同攻擊情況下的認證結(jié)果(第16幀圖像，參考幀)，其中白色部分為遭篡改位置?？梢钥闯鰞煞N算法在無攻擊狀態(tài)下的水印圖像認證的錯誤率為0，保證了完整性認證的準確性。而在加噪的攻擊方式下，本文算法的認證錯誤率要大于文獻2的算法，認證效果更好。對于重壓縮的攻擊，由于文獻2是半脆弱水印，對重壓縮攻擊有一定抵抗性，而本文算法是脆弱性水印，故兩者的認證差別較大，但其認證功能均可實現(xiàn)。如圖5所示為含水印視頻隨著不同的壓縮質(zhì)量水印錯誤率的檢測情況。從圖5中可以看出，隨著壓縮質(zhì)量的提高，水印檢測的錯誤率會逐漸減小。

圖4 兩種方法的攻擊檢測對比

圖5 水印錯誤率隨壓縮質(zhì)量變化曲線

如圖6、7所示為測驗本算法對篡改的區(qū)域的定位能力，篡改定位圖中的白色部分為定位到的篡改區(qū)域。從圖6、7中可以看出，在對I幀篡改檢測定位中，兩種算法對于攻擊篡改都有良好的敏感性，但是對于篡改位置的定位精度，本算法明顯精度較高，同時本算法對于預測幀的篡改定位同樣有效。

圖6 I幀篡改定位檢測

圖7 B幀篡改定位檢測

4 結(jié)束語

本文利用YST模型中T分量與YS分量之間的弱相關(guān)性，提出了一種結(jié)合YST顏色空間轉(zhuǎn)換的DCT變換域脆弱水印嵌入算法。利用DCT變換中低頻系數(shù)的穩(wěn)定性生成認證水印，將水印嵌入到DCT的高頻系數(shù)中。仿真實驗結(jié)果表明，本方案能夠有效地檢測出對視頻的一些常規(guī)攻擊，并能定位遭篡改位置，滿足視頻完整性的認證要求。在保證嵌入容量的前提下，提高了視頻的視覺質(zhì)量。

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