基于內(nèi)容特征的視頻半脆弱水印算法

唐萌佳，于水源

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

1 引言

版權(quán)保護(hù)中內(nèi)容認(rèn)證問題需要半脆弱水印技術(shù)，它對內(nèi)容保持操作魯棒，而對惡意篡改脆弱。因此，半脆弱水印技術(shù)適合應(yīng)用于有偶然誤差的環(huán)境。根據(jù)隱藏位置半脆弱水印技術(shù)分為空域和頻域兩種種方法。直接在空域中對采樣點的幅度值作出改變以嵌入水印信息的稱為空域水印[1-3]；對變換域中的系數(shù)作出改變嵌入水印信息的稱為頻域水印[4-6]。

相比數(shù)字圖像水印，視頻水印有實時性要求，針對實時性有很多相關(guān)的研究。曹華等提出了在嵌入強(qiáng)度和預(yù)測模式選擇的拉格朗日乘子中引入H. 264 量化因子，增強(qiáng)了水印重編碼抵抗力，并且計算復(fù)雜度低，能夠滿足視頻實時處理的需要[7]；劉新煥等通過限制P幀運(yùn)動矢量的搜索范圍和估計精度嵌入脆弱水印，以提高水印嵌入的實時性[8]；崔雪冰等選取的特征具有全局和局部兩類“半脆弱”的特征，方案先用全局性水印判斷是否篡改，后用局部性水印定位篡改，能夠以較小的計算復(fù)雜度對視頻內(nèi)容是否遭受惡意篡改進(jìn)行快速判決[9]；Wang等針對視頻點播，提出了一種并行的視頻水印算法，利用人類視覺模型選擇合適嵌入水印的宏塊，并運(yùn)用集群和多處理器下的并行方式實現(xiàn)水印的實時嵌入[10]。但文獻(xiàn)[7-9]這些工作都是基于特定視頻格式的算法，所以擴(kuò)展性不佳，文獻(xiàn)[10]硬件要求高，且水印系統(tǒng)緩存消耗過大。

很多工作都對水印算法的可擴(kuò)展性做了研究。雷紅雨等進(jìn)行了DCT系數(shù)的幀內(nèi)和幀間兩種比對，可以判斷兩類篡改，水印算法可以直接擴(kuò)展到多種視頻格式，但是該算法在頻域上進(jìn)行，實時性會稍差[11]；施化吉等以宏塊為單位將水印信號嵌入VLC域，可擴(kuò)展到類似MPEG壓縮的視頻格式對象，但是水印嵌入為I幀，會引起P和B幀中的運(yùn)動補(bǔ)償失準(zhǔn)的情況，也未對嵌入速度做分析[12]。

由此可見，目前視頻半脆弱水印算法需要在實時性和兼容性上同時提高。本文提出了一種能抵抗重編碼攻擊，但對疊加、替換等內(nèi)容改變操作敏感的空域半脆弱水印算法，該算法兼顧實時性與視頻格式兼容性，因而，可用于常見編碼格式的視頻內(nèi)容認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)。

2 改進(jìn)方案

2.1 目標(biāo)

本方案兼顧以下幾個參數(shù)的性能。

(1)魯棒性：對重編碼或其他內(nèi)容保持操作魯棒；(2)不可見性：嵌入水印后不影響視頻的畫面質(zhì)量，保證視頻數(shù)據(jù)的商業(yè)價值；(3)盲檢測：水印的提取和認(rèn)證無需原視頻參與；(4)定位能力：檢測被篡改位置，并認(rèn)證其他位置真實性；(5)速度：水印嵌入達(dá)到18.37M/s，滿足實時性要求。

2.2 方案流程圖

水印具體方案如圖1所示：

圖1 水印方案流程圖

3 具體實施

3.1 水印(特征碼)生成

圖像經(jīng)過壓縮之后DCT組塊之間的能量關(guān)系保持不變，我們利用這種恒定的關(guān)系構(gòu)造視頻圖像基于內(nèi)容的特征碼，一些文獻(xiàn)也使用該方法[13-16]。二維DCT變化公式如下：

其中，f(i，j)表示像素矩陣，F(xiàn)(u，v)是DCT域矩陣。當(dāng)u=v=0時，得到的是DCT變換的DC系數(shù)，即：

所以像素分塊的平均值等于分塊進(jìn)行DCT變化后的DC系數(shù)值，而DC系數(shù)包含了整個圖像的主要能量。根據(jù)上述結(jié)論，我們對視頻內(nèi)容起決定作用的亮度分量進(jìn)行分塊求平均值，并比較相鄰分塊的能量關(guān)系，生成二值化的塊特征碼，步驟如下：

1)以亮度分量塊為單位，求得每個亮度分塊的平均值；

2)縱向比較兩個相鄰分塊的平均值大小關(guān)系。設(shè)Mi，j為塊平均值，Wi，j為對應(yīng)的二值化的塊特征碼：

ifMi，j>Mi，j+1則Wi，j=0
ifMi，j

另外，我們采用放縮式分塊策略(如圖2)，對于左上角臺標(biāo)區(qū)、右上角副臺標(biāo)區(qū)以及下側(cè)字幕區(qū)篡改高頻區(qū)域，我們縮小分塊大小以提高對篡改定位的精度，對其余部分則可以適當(dāng)擴(kuò)大分塊大小，減少水印嵌入量。

圖2 放縮式分塊策略

3.2 水印的嵌入

由于數(shù)字視頻格式眾多，為了使水印算法能夠良好地兼容各種視頻格式，本方案選擇YUV顏色編碼方式中Y分量為水印嵌入位置。Y分量的水印嵌入算法不涉及具體的視頻編解碼方式，所以能夠應(yīng)用于多種視頻格式。同時為實現(xiàn)水印的盲檢測性，將第i幀特征碼嵌入第i+l幀。

通常，空域水印算法直接修改圖像中的像素位來嵌入水印，如直接修改像素的最低位[13]，嵌入的水印信息量少，算法魯棒性差。本文提出了一種空域水印算法，能保持水印的魯棒性不變，且提高了水印的嵌入速度。

令f為8×8像素矩陣，F(xiàn)為8×8DCT系數(shù)矩陣，C為余弦系數(shù)矩陣，則二維DCT變換(公式1)可簡化表示為[17]：

F=CfCT

(2)

1)設(shè)DCT域矩陣S1[8*8]，S2[8*8]，S3[8*8]，S4[8*8]初值為0；

2)在DCT中頻系數(shù)嵌入水印魯棒性和不可見性都較好。8*8的系數(shù)矩陣中，第[4，3]位和第[5，2]位是處于反對角線上的中頻系數(shù)，因此選為嵌入位。設(shè)B[i，j]為亮度分塊DCT系數(shù)：

S1[4，3]=M，S2[4，3]=-M；

S3[4，3]=x，S3[5，2]=-x；

S4[4，3]=-x，S4[5，2]=x；

其中，x=|B[5，2]-B[4，3]|，M∈[5，20]；

四個空域疊加矩陣在水印嵌入前完成。嵌入算法在空域?qū)嵤３至祟l域的性能，詳細(xì)算法描述如下：

1)讀取視頻幀亮度數(shù)據(jù)，并分成8*8的數(shù)據(jù)塊Y[8*8]；

2)進(jìn)行局部DCT變換提高嵌入速度，僅計算第35位和第42位的系數(shù)值B[4，3]、B[5，2]。B[4，3]>B[5，2]表示水印信號為1，B[4，3]

if (W=1&&B[4，3]=B[5，2])

else if (W=1&&B[4，3]

else if (W=0&&B[4，3]=B[5，2])

else if (W=0&&B[4，3]>B[5，2])

3.3 水印提取

水印提取包括水印信息提取和認(rèn)證碼提取兩個部分。“水印信息”是對水印視頻再度提取嵌入水印的結(jié)果；“認(rèn)證碼”是指對當(dāng)前視頻做“水印生成”操作，生成的水印特征碼R，如本文3.1節(jié)所述。提取水印只需要解碼到Y(jié)UV且為盲提取，過程描述如下：

局部DCT變換，比較B[4，3]、B[5，2]大小關(guān)系。設(shè)提取的水印信號為W′：

4 水印認(rèn)證及實驗結(jié)果

比較W′和R的相似率，判斷是否遭到惡意篡改，如果篡改則進(jìn)一步確定篡改位置。為驗證算法可行性，本文進(jìn)行了幀內(nèi)篡改，以及重編碼的仿真實驗，包括添加臺標(biāo)和字幕等。

選用1920*1080的高清視頻，嵌入水印后的視頻與原視頻在視覺效果上沒有明顯區(qū)別，隨后對視頻幀內(nèi)篡改，添加了臺標(biāo)、副臺標(biāo)和字幕，如圖4所示。對重編碼后的視頻，以及幀內(nèi)篡改后的視頻按照本文第3.3節(jié)的方法提取水印和認(rèn)證碼，并比較認(rèn)證碼與實際嵌入水印的正確率、提取水印與認(rèn)證碼的相似率，表1為實驗數(shù)據(jù)，圖5為篡改定位示意圖。

從實驗結(jié)果可以看出，本算法篡改定位效果良好，并且分塊越小定位越精確。根據(jù)不同的分塊方案，我們應(yīng)該設(shè)定不同的篡改判定閾值，上述仿真實驗中表1(a)的篡改閾值設(shè)為95%，(b)設(shè)置為90%。

5 速度分析

實時性要求是視頻水印算法所特有的。在實際應(yīng)用中，視頻水印信息的嵌入和提取一般不允許大量耗時。在滿足應(yīng)用需求的前提下，視頻水印算法復(fù)雜度應(yīng)設(shè)計得盡可能低。本算法在如下幾個方面對速度提升做了改進(jìn)：

(a)原始視頻

(b)加水印后的視頻

(c)篡改后的水印視頻圖4 視頻水印對比

1)放縮式分塊策略。篡改敏感區(qū)域細(xì)分，非敏感區(qū)域粗分，這樣可以有效地減少水印數(shù)據(jù)量；

3)使用局部DCT變換。DCT的計算耗時很大，只計算特征碼生成位和水印提取位的DCT系數(shù)，減少了計算復(fù)雜度。

實驗結(jié)果表明，用局部DCT變換對上述視頻嵌入水印的速度是18.37MB/s，而用完整DCT變換的速度是17.41M/s，速度提高了5.5%。

6 總結(jié)

本算法在空域?qū)崿F(xiàn)，但是保持了相應(yīng)的頻域算法的性能。對視頻亮度分量進(jìn)行計算，生成特征值并嵌入水印，能抵抗重編碼，并且可以定位幀內(nèi)惡意篡改，算法實現(xiàn)了多視頻格式兼容，如MPEG2、H.264等，達(dá)到了18.37MB/s的嵌入速度。

此方案需要在以下兩方面開展進(jìn)一步的討論：(1)對視頻幾何變換的魯棒性研究；(2)尋找在不同應(yīng)用中決定參數(shù)的自適應(yīng)方法。

表1 重編碼、幀內(nèi)篡改水印測試

圖5 篡改定位圖

[1]張濤，平西建. 基于差分直方圖實現(xiàn)LSB信息偽裝的可靠檢測[J].軟件學(xué)報，2004，15 (1)：151-158.

[2]Fridrich J，Goljan M，Du R. Detecting LSB steganography in color and gray-scale images[J]. IEEE Multimedia，2001，8(4)：22-28.

[3]羅大光，范明鈺，郝玉潔，王光衛(wèi).一種基于圖像最高位(MSB)的水印嵌入算法-HB算法[J].計算機(jī)應(yīng)用，2004，24：88-89.

[4]S B Ziegeler，H Tamhankar，J E Fowler，L M Bruce. Wavelet-based watermarking of remotely sensed imagery tailored to classification performance[J]. Proceedings of the IEEE Workshop on Advances in Techniques for Analysis of Remotely Sensed Data， Washington，DC，2003：564-579.

[5]楊雄，馮剛，嚴(yán)雄兵，劉雄華. 一種基于小波變換的數(shù)字水印算法[J].計算機(jī)應(yīng)用，2005，25(3)：565-566.

[6]許紅山. 基于變換域的數(shù)字水印技術(shù)[J]. 計算機(jī)工程與科學(xué)，2004，26(1)：47-50.

[7]曹華，周敬利，余勝生，蘇曙光. 基于H.264低比特率視頻流的半脆弱盲水印算法實現(xiàn)[J]. 電子學(xué)報，2006，34(1)：40-44.

[8]劉新煥，康志偉，王科技. 基于H.264/AVC的快速半脆弱水印算法實現(xiàn)[J]. 計算機(jī)應(yīng)用研究，2010，27(7)：2618-2624.

[9]崔雪冰，馮巧娟，崔平非. 基于內(nèi)容特征的MPEG視頻認(rèn)證方案[J]. 計算機(jī)應(yīng)用，2010，30(1)：213-216.

[10]WANG J，LIU J C L，MASILELA M. A real-time video watermarking system with buffer sharing for video-on-demand service[J]. Computers and Electrical Engineering，2009，35(2)：395-414.

[11]雷紅雨，戴躍偉，王執(zhí)銓，王津申.基于內(nèi)容特征的視頻半脆弱水印方案[J]. 兵工學(xué)報，2004，24(5)：613-618.

[12]施化吉，翁正嶺，李星毅. 基于MPEG I-II視頻內(nèi)容認(rèn)證的半脆弱水印方案[J]. 計算機(jī)工程，2006，32(14)：160-162.

[13]C Y Lin，S F Chang. Semi-Fragile Watermarking for Authenticating JPEG Visual Content[J]. Proceeding of SPIE Conference on Security and Watermarking of Multimedia Contents II，San Jose，CA，USA，Jan 2000，v3971：140-151.

[14]Dai Y.Feature-based Watermarking Scheme for MPEG-I/II Video Authentication[J].Proceedings of SPIE，the International Society for Optical Engineering，2004：325-335.

[15]葉登攀，尚月赟.基于多特征的MPEG視頻認(rèn)證方案[J].通信學(xué)報，2008，29(2)：59-65.

[16]DOERR G， DUGELAY J L.A guide tour of video watermarking[J].Signal Processing：Image Communication，2003，44(18)：263-282.

[17]胡海濤，俞艷蘋. 基于TMS320CDSC21的MPEG4編碼器二維DCT變換的實現(xiàn)[J]. 電子科技，2004(2)：37-44.

[18]張能歡，于水源.基于DCT變換的頻域視頻水印在空域中實現(xiàn)的性能分析[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014(2)：40-45.