H.264視頻壓縮域水印嵌入位置的分析

謝金寶，隋愛娜

(中國傳媒大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100024)

1 引言

近年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體產(chǎn)品特別是圖像、視頻等數(shù)字化產(chǎn)品大量涌現(xiàn)。各種問題接踵而至，多媒體產(chǎn)品被非法篡改，隨意復(fù)制傳播的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，危害著版權(quán)所有者的合法權(quán)益。因而在通信和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，如何有效保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

數(shù)字水印技術(shù)是指在載體中加入一些標(biāo)示信息，同時(shí)不影響原載體內(nèi)容的信息隱藏技術(shù)[1]，自提出以來已經(jīng)成為數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)的重要手段。

基本思路就是在圖片、音頻、視頻等多媒體文件中加入一些版權(quán)相關(guān)信息，在必要的時(shí)候?yàn)榘鏅?quán)所有人提供證據(jù)。

數(shù)字水印技術(shù)主要分為空域水印和頻域水印。由于頻域水印具有更好的魯棒性和抗攻擊性，在數(shù)字圖像領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用，具有非常好的研究基礎(chǔ)[1]?，F(xiàn)在視頻水印技術(shù)更多的是借鑒圖像水印技術(shù)的研究成果，但沒有更好地利用視頻序列的時(shí)間相關(guān)性。本文就是為更好地利用視頻時(shí)間特性有效地嵌入水印提供一種可行方案。

視頻水印技術(shù)是一種針對(duì)數(shù)字視頻載體的時(shí)間冗余和空間冗余加入信息，既不影響視頻質(zhì)量，又能用于版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容完整性檢驗(yàn)的水印技術(shù)[2]。

視頻水印技術(shù)根據(jù)與視頻編碼系統(tǒng)的結(jié)合方式不同，可以分為基于原始視頻的嵌入方法和基于壓縮域視頻的嵌入方法[3]〗。

現(xiàn)有的視頻水印研究主要集中在基于原始視頻的嵌入方法上，也就是基于視頻完全解碼的基礎(chǔ)上。

在H.264壓縮碼流中嵌入水印信息時(shí)，由于壓縮碼流中并不攜帶圖像信息，而是以殘差圖像和運(yùn)動(dòng)矢量的形式存在。因而在原始視頻圖像中嵌入水印，需要在視頻數(shù)據(jù)被完全解碼后進(jìn)行。

H&G算法是視頻壓縮域水印算法，該算法直接針對(duì)已編碼的視頻壓縮碼流嵌入水印，在設(shè)計(jì)策略上只需進(jìn)行部分解碼，無需進(jìn)行完全視頻解碼再嵌入水印這一復(fù)雜過程。這一算法因?yàn)楣?jié)省了硬件資源實(shí)現(xiàn)成本更低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有數(shù)字視頻產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)具有重要的實(shí)用價(jià)值，但該算法受到相應(yīng)視頻壓縮算法和視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的局限[4-5]。H&G算法當(dāng)初設(shè)計(jì)是針對(duì)MPEG2視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的，并不完全適用于H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

本文首先改進(jìn)H&G算法，使其適用于H.264壓縮碼流；然后通過選擇合理的水印嵌入位置，提升水印的性能。本文的改進(jìn)方法可以在保證視頻質(zhì)量不受影響的前提下，增加水印容量，進(jìn)而使視頻水印有更好的魯棒性。

2 方法

2.1 視頻壓縮的相關(guān)原理

視頻序列是大量連續(xù)運(yùn)動(dòng)圖像的集合，由于前后圖像在時(shí)間上存在大量的冗余信息，考慮在此基礎(chǔ)上壓縮圖像實(shí)現(xiàn)壓縮編碼。對(duì)于視頻序列，根據(jù)幀的作用分為I、P和B三種幀類型，在H.264中還有SP和SB兩種用于動(dòng)態(tài)碼率的切換。

I幀也就是關(guān)鍵幀，在編解碼時(shí)不參考其他幀圖像，只使用幀內(nèi)預(yù)測模式。GOP組是視頻序列中的一組幀序列，同一個(gè)GOP組幀只參考本組幀，不同的GOP組互不干擾。I幀可以被單獨(dú)解碼，可以認(rèn)為是一個(gè)GOP組中最原始的參考幀[6]；P幀在編碼解時(shí)使用單向前向幀間預(yù)測，參考前邊的I或P幀，根據(jù)被參考幀計(jì)算運(yùn)動(dòng)矢量；B幀在編解碼時(shí)使用雙向幀間預(yù)測，同時(shí)參考前向和后向的幀，可以達(dá)到更好的壓縮效率。

2.2 改進(jìn)思路

H&G算法是最先由Frank Hartung和Bernd Girod提出的一種可以將水印信息直接嵌入到碼流中的方法。此算法不需要考慮編解碼過程，從碼流中找到DCT系數(shù)嵌入水印信息，然后重新編碼回去。速度極快，且不會(huì)改變?cè)写a流的結(jié)構(gòu)[5]。

此算法適用于I幀中攜帶視頻原始數(shù)據(jù)的壓縮流，但H.264壓縮碼流I幀中并不攜帶原始視頻信息，為使該算法適用于H.264壓縮碼流，在嵌入水印時(shí)仍然需要完全解碼H.264壓縮碼流中的I幀。

H&G算法可以嵌入的水印容量有限，因非參考幀運(yùn)動(dòng)矢量沒有做相應(yīng)改變?nèi)菀自斐蛇\(yùn)動(dòng)圖像的偏移，影響視頻質(zhì)量。本文通過選擇嵌入位置，在一定程度上提升水印的嵌入容量。

本文具體思路：

1)分析I幀后續(xù)P幀和B幀的運(yùn)動(dòng)矢量，做統(tǒng)計(jì)和分析。通過分析后續(xù)P幀和B幀的運(yùn)動(dòng)矢量指向，選擇運(yùn)動(dòng)矢量指向較少的I幀宏塊嵌入水印，這樣可以對(duì)后續(xù)P幀和B幀造成較小的影響。首先對(duì)于P幀和B幀運(yùn)動(dòng)矢量做統(tǒng)計(jì)。

表1是針對(duì)高清和標(biāo)清兩種分辨率視頻運(yùn)動(dòng)矢量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)多個(gè)宏塊指向一個(gè)關(guān)鍵幀宏塊的比例較小，在skip模式下宏塊的編碼采用直接編碼的方式，不用經(jīng)過任何的編碼預(yù)測和變換，可以直接嵌入水印，并且有很好的效果。而大多數(shù)的宏塊沒有發(fā)生運(yùn)動(dòng)矢量的偏移，或者偏移時(shí)影響的范圍有限。

表1 關(guān)鍵幀運(yùn)動(dòng)矢量被后續(xù)P和B幀指向的數(shù)目

2)由于P幀宏塊中，也可以采用幀內(nèi)預(yù)測的方式。在考慮幀間預(yù)測的同時(shí)考慮P幀幀內(nèi)預(yù)測，選擇被指向較少的關(guān)鍵幀宏塊。

3)對(duì)于直接預(yù)測方式和skip方式的宏塊，由于其采用直接編碼的方式，可以嵌入水印。

2.3 水印具體嵌入過程

圖1為水印嵌入流程。

1)對(duì)于一個(gè)具體的視頻流E，解碼I幀。得到I幀的所有圖像信息一個(gè)二維圖像像素矩陣Yij。

2)解碼該I幀的后續(xù)PBBPBB六幀，得到并分析其運(yùn)動(dòng)矢量。由于距離該I幀的距離不同，距離越遠(yuǎn)I幀對(duì)其參考價(jià)值越低，同時(shí)B幀還要參考后續(xù)幀，權(quán)值適度降低。因而按照100：50：50：75：25：25的權(quán)值統(tǒng)計(jì)其運(yùn)動(dòng)矢量的指向，得到一個(gè)指向矩陣Eij。

3)尋找指向矩陣Eij中最小的幾項(xiàng)，即運(yùn)動(dòng)矢量指向較少的I幀宏塊。得到將要嵌入水印的I幀宏塊的下標(biāo)為ij。

4)根據(jù)I幀宏塊的下標(biāo)ij，找到I幀圖像像素矩陣中的對(duì)應(yīng)位置ij，對(duì)該像素宏塊做DCT(離散余弦變換)，得到其變換后的系數(shù)Xij。

圖1 水印嵌入流程

5)嵌入水印信息時(shí)，水印信息用DCT系數(shù)的相對(duì)大小關(guān)系體現(xiàn)，具體方法如下：

(1) 將水印信息(文字或者圖片)變成01序列，Wi，為保證一定的提取成功率，將次序列擴(kuò)頻10次

(2)對(duì)要嵌入的宏塊像素做DCT變換，選取中頻系數(shù)。綜合考慮水印的魯棒性和不可見性，選擇中頻系數(shù)比較好。

(3) 對(duì)于I幀中的i行，j列宏塊，其變換域系數(shù)為一個(gè)16x16的矩陣，我們用Dij來表示：

如果Dij>Dji且當(dāng)時(shí)水印序列 Wk=1 則 交換 Dij與Dji的位置

如果Dij

3 改進(jìn)效果分析

我們對(duì)上述方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，在使用選擇方案進(jìn)行宏塊選擇和隨機(jī)選擇宏塊兩種方法之間進(jìn)行比較分析，使用相同的水印算法。因?yàn)殡S機(jī)選擇的隨機(jī)性，在不使用本文所提方法嵌入水印時(shí)，多次選擇不同的塊，比較其效果。

首先從嵌入速度上進(jìn)行分析，x264是一個(gè)由開源社區(qū)維護(hù)和開發(fā)的H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)的高效編碼器。在不考慮硬件加速條件下，被認(rèn)為是目前最好的264編碼器。首先看在x264編碼器中，各個(gè)部分所占的時(shí)間比例。從理論上分析，本方法在速度上的提升。

圖2 x264編碼中各部分所占時(shí)間比

圖2為x264編碼主要功能模塊，filter模塊主要完成環(huán)路濾波及參數(shù)解析；encode模塊完成每幀主要參數(shù)的編碼工作；cabac模塊完成殘差數(shù)據(jù)的壓縮編碼。x264編碼的過程中analyse部分占用大約60%左右的時(shí)間，其主要工作是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)矢量搜索算法，進(jìn)行像素插值的計(jì)算，選擇最優(yōu)的預(yù)測模式并計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)矢量[7-8]。

對(duì)于I幀采用幀內(nèi)預(yù)測模式，宏塊編碼根據(jù)最優(yōu)函數(shù)選擇預(yù)測模式，根據(jù)周圍宏塊計(jì)算得到預(yù)測值，不需要運(yùn)動(dòng)矢量的計(jì)算和圖像重建過程。而對(duì)于P幀，采用幀間預(yù)測來消除視頻序列的時(shí)間冗余，需要在對(duì)應(yīng)參考幀的位置執(zhí)行運(yùn)動(dòng)矢量搜索算法，根據(jù)最優(yōu)函數(shù)得到最優(yōu)運(yùn)動(dòng)矢量，耗費(fèi)大量時(shí)間。

因此對(duì)一幀I幀的編解碼速度要快于編解碼一幀P幀；而對(duì)于B幀而言，要進(jìn)行雙向運(yùn)動(dòng)矢量計(jì)算，參考圖像的列表較長，需要進(jìn)行較多的運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)和計(jì)算，要耗費(fèi)更長時(shí)間。

幀內(nèi)預(yù)測模式比較固定，計(jì)算量小。P幀和B幀的編碼和運(yùn)動(dòng)矢量計(jì)算耗費(fèi)大量編解碼時(shí)間。

改進(jìn)H&G算法應(yīng)用于H.264后，不需要解碼P幀和B幀，理論上的嵌入速度會(huì)加快很多。對(duì)于測試視頻我們均選用符合廣電標(biāo)準(zhǔn)的視頻結(jié)構(gòu)，即GOP=50，每個(gè)GOP只解碼I幀不解碼P、B幀，節(jié)省98%的時(shí)間。嵌入過程處理800幀視頻，實(shí)際時(shí)間如表2所示：

表2 對(duì)不同分辨率視頻處理過程的耗時(shí)

通過表2可以看出，改進(jìn)H&G算法后速度比全解全編快3-4倍。遠(yuǎn)沒有達(dá)到理論值所分析的10倍，甚至20倍。主要原因在于嵌入過程中需要保存I幀大量的數(shù)據(jù)，涉及大量的內(nèi)存操作。對(duì)于速度上的延遲，主要是因?yàn)楣こ绦缘脑驘o法達(dá)到理論上的速度。

再者水印的嵌入模塊也在一定的程度上對(duì)嵌入過程造成影響，嵌入模塊需要根據(jù)宏塊的二維坐標(biāo)，找到對(duì)應(yīng)宏塊，然后做DCT變換，嵌入水印，之后做IDCT變換，還原代替原來的像素值。

圖3 兩種選擇方案的PSNR對(duì)比

圖3中算法一使用本文提出的選擇算法，選擇合適位置嵌入水?。粌H為比較實(shí)驗(yàn)效果，在算法二中選擇一半對(duì)后續(xù)影響小的塊，一半對(duì)后續(xù)影響大的塊，比較兩者的區(qū)別。從數(shù)據(jù)上看，本文所提方法在嵌入強(qiáng)度增大時(shí)PSNR值較大，對(duì)圖像質(zhì)量影響較小，效果較好。

如圖3所示結(jié)果，PSNR值雖然不能完全代替嵌入效果，但可以從具體數(shù)據(jù)及其走勢中看到，嵌入強(qiáng)度帶來的閥值變化。

當(dāng)水印的嵌入量較小，嵌入強(qiáng)度較小的時(shí)候，兩者的區(qū)別很小。這是因?yàn)樗∏度肓勘容^小，并沒有對(duì)視頻圖像造成實(shí)質(zhì)影響；當(dāng)逐漸加大水印嵌入量時(shí)，改變宏塊的值就會(huì)影響到視頻的質(zhì)量，兩種方法的區(qū)別開始出現(xiàn)。

在嵌入大量水印信息時(shí)，本文所提方法可以有效的規(guī)避對(duì)后續(xù)宏塊影響較大的宏塊，對(duì)嵌入位置做出合理的選擇，減小對(duì)圖像造成的影響。

4 總結(jié)

本文通過對(duì)非參考幀運(yùn)動(dòng)矢量的分析，在參考幀I幀中尋找合理的嵌入位置，來減少因在參考幀中嵌入水印對(duì)非參考幀造成的影響，仿真實(shí)驗(yàn)證明了在大多數(shù)情況下可以達(dá)到很好的效果。

但通過對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的統(tǒng)計(jì)也可以發(fā)現(xiàn)，并不是所有的視頻幀都適用于本文的方法。因?yàn)榇嬖谝恍┓菂⒖紟\(yùn)動(dòng)矢量指向參考幀宏塊分布比較均勻的情況，在這種情況下，使用本文選擇方法并不能達(dá)到理想效果，同時(shí)加大了計(jì)算量。

再者，在視頻中嵌入水印信息，必定會(huì)對(duì)視頻信息造成影響；本文的研究只是努力降低這種影響，并不能從根本上消除這種影響。

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