基于區(qū)間設(shè)定的DCT域視頻水印算法

吳 昊，唐向宏，陳宏炳，王 永

(1.杭州電子科技大學通信工程學院，浙江 杭州310018;2.阿里云計算有限公司，浙江 杭州311121)

0 引 言

目前，基于新一代視頻編碼標準H.264/AVC的視頻水印算法是在變換域中嵌入水印，可分為I幀水印和P幀水印，而I幀水印通常是在I幀DCT 變換量化系數(shù)中實現(xiàn)水印的嵌入。文獻[1]提出了通過選擇I幀宏塊中的DCT 變換量化系數(shù)作為嵌入?yún)^(qū)域，將水印信息嵌入其中的算法，該算法對共謀攻擊有較好的魯棒性，然而水印信息較小，同時水印位置隨機的選取會對視頻碼率造成較大影響;文獻[2]提出在4×4DCT 量化系數(shù)的第11 15個系數(shù)中嵌入水印，提高了水印容量，但修改了較多的高頻系數(shù)，對視頻碼率的影響較大，并且高頻部分很容易被濾波器濾除;文獻[3]提出對宏塊中4×4 子塊分類并結(jié)合編碼塊模式參數(shù)CBP 選出合適的子塊，通過修改中低頻系數(shù)的方法嵌入水印，因?qū)ο禂?shù)進行變換改變了零系數(shù)個數(shù)，對視頻質(zhì)量的影響較大。文獻[4]采用滑窗法選取合適的視頻幀，將視頻幀內(nèi)宏塊分為平滑塊、邊緣塊和細節(jié)塊，分別對不同類型的塊采取不同的嵌入方法，結(jié)合Watson 人眼視覺模型HVS 將水印嵌入到DCT 低頻系數(shù)中，魯棒性好，抗攻擊能力強，但是水印嵌入時的計算復雜度較高。本文將H.264/AVC 標準與編解碼器相結(jié)合，將水印嵌入到I幀DCT 變換量化非零系數(shù)中，通過設(shè)定參數(shù)的方式來選取合適的非零DCT 量化系數(shù)完成水印嵌入，在解碼端熵解碼之后對水印進行提取。水印在編碼過程中嵌入，復雜度低，滿足實時性要求。

1 水印嵌入算法

本文通過大量的仿真分析，統(tǒng)計出相似視頻DCT 系數(shù)的一個區(qū)間[th1，th2]，然后采用區(qū)間選取的方法，在I幀DCT 量化系數(shù)的中低頻區(qū)域選擇位于[th1，th2]區(qū)間內(nèi)的系數(shù)來嵌入水印;同時，在對量化系數(shù)進行修改時，采用改變系數(shù)與th1和th2的關(guān)系來實現(xiàn)，以達到對DCT 中低頻系數(shù)修改最小為目的，實現(xiàn)水印的嵌入。據(jù)統(tǒng)計，殘差經(jīng)過DCT 變換、量化后，其幅值都很小，變化范圍也較小，大部分系數(shù)的幅值在區(qū)間[-10，10]內(nèi)[2]。為了確定[th1，th2]區(qū)間的大小，采用統(tǒng)計方法，以嵌入水印對區(qū)間內(nèi)的DCT 量化系數(shù)修改較小為原則得出[th1，th2]區(qū)間值。

設(shè)嵌入水印的系數(shù)為coeffi，并設(shè)系數(shù)選擇區(qū)間為[th1，th2]，當coeffi滿足下式時，對所在4×4DCT塊按嵌入規(guī)則嵌入水印，每個DCT 塊嵌入1 bit 水印。

式中{coeffi，i=1，2，3}為DCT 量化系數(shù)第4，5，6個系數(shù)。令{coeffi，i=1，2，3}的絕對最大值和絕對最小值分別為max_AC、min_AC:

1)當水印信息w=1時，若絕對最大值max_AC 小于th2，則將其修改為th2，否則不變;若絕對最小值min_AC 等于th1，則將其修改為th1+1，否則不變。即:

式中，max_ACw表示水印嵌入后的絕對最大值，min_ACw表示水印嵌入后的絕對最小值。

2)當水印信息w=0時，若絕對最大值max_AC 等于th2，則將其修改為th2-1，否則不變;若絕對最小值min_AC 大于th1，則將其修改為th1，否則不變。

當相應(yīng)系數(shù)修改完成后，將coeffi還原為原來的符號，避免符號的改變對視頻質(zhì)量造成巨大影響。

2 水印提取算法

由于在水印嵌入過程中，只針對intra4×4 模式下DC 直流系數(shù)非零的4×4DCT 塊嵌入水印，因此，水印的提取也只針對上述區(qū)域，設(shè){coeffi，i =1，2，3}的絕對值最大值為max_AC，絕對值最小值為min_AC，按照規(guī)則提取水印wm:

式中，＆表示“與”操作。

由于參數(shù)th1，th2的選擇影響水印容量以及視頻質(zhì)量的客觀評價PSNR(峰值信噪比)，當選取的參數(shù)使得視頻有較大水印容量時，視頻的質(zhì)量就會下降，PSNR 衰減變大;要保證視頻質(zhì)量與水印容量，就要選取合適的參數(shù)值th1，th2，平衡兩者之間的矛盾。通過大量仿真數(shù)據(jù)經(jīng)驗得出，將參數(shù)th1、th2分別選為2、6 較為合適。

3 實驗仿真與分析

為了驗證本文算法以及討論算法的性能，在計算機上進行仿真后，與文獻[3]和文獻[5]算法進行了實驗仿真對比。實驗采用JM8.6 編碼平臺及參考序列forman和container，視頻長度20幀(QCIF 176×144)，視頻幀格式為IPPP。水印信息取值為(0，1)隨機序列。

1)視頻質(zhì)量對比(水印嵌入前后)。水印嵌入前后視覺效果對比如圖1所示。圖1(a)、(c)為測試序列forman、container 第12幀的原始效果圖，其PSNR值分別為37.28 dB、35.80 dB，圖1(b)、(d)為嵌入水印后，視頻序列forman、container 效果圖，其PSNR值分別為35.01 dB、32.84 dB。從圖1中可以看出，嵌入的水印視頻具有較好的視覺效果，水印滿足不可見性原則。

圖1 嵌入水印前后視頻質(zhì)量對比圖

2)不同算法水印信息嵌入前與嵌入后水印容量與平均PSNR值的結(jié)果對比，如表1所示。在表1中，與文獻[3]和文獻[5]相比，本算法在水印容量保持相當或略有增加的情況下，對視頻PSNR 影響較小，嵌入有水印的視頻質(zhì)量較好。這是因為本算法選出intra4×4 模式下DC 系數(shù)非零的4×4DCT 子塊作為水印嵌入塊，再利用區(qū)間設(shè)定的方法，選取位于區(qū)間內(nèi)的系數(shù)值，通過修改區(qū)間內(nèi)的系數(shù)與區(qū)間端點的大小關(guān)系來達到嵌入水印的目的，并且選擇合適的區(qū)間，使得對區(qū)間內(nèi)系數(shù)的修改較小，從而減少由于嵌入水印而造成的視頻PSNR的衰減。

表1 不同算法水印容量和PSNR 情況對比表

3)碼率變化情況。I幀水印嵌入前后，測試序列碼率變化對比情況，如表2所示。對比文獻[3]算法，本算法通過區(qū)間設(shè)定的方式選取位于區(qū)間內(nèi)的非零系數(shù)進行修改，而且不改變零系數(shù)個數(shù)，對系數(shù)修改較小，所以水印嵌入前后對視頻碼率的影響也較小;文獻[5]將系數(shù)對進行加減參數(shù)k 操作，可能會帶入零值，將某些非零系數(shù)修改為零系數(shù)，較大地影響視頻碼率。從表2中看出，本算法將碼率變化范圍控制在1%以內(nèi)。

表2 不同算法碼率變化情況對比表

4)魯棒性測試。表3中利用比特正確率(Bit Correct Rate，BCR)來量化水印算法的魯棒性，其值為解碼端水印提取信息與編碼端水印生成信息的對比[5]。高斯噪聲攻擊的方差為0.08，椒鹽噪聲密度為0.03，隨機噪聲強度0.02。

表3 不同算法在不同攻擊下BCR 對比

根據(jù)表3中給出的數(shù)據(jù)可知，在沒有攻擊時，生成的水印信息與解碼端獲取到的水印信息完全一致，正確率為1。實驗對比不同攻擊下的BCR值可知，本文算法在紋理平緩的視頻序列上與對比文獻的BCR值差別不大，而在紋理復雜的視頻序列上可以獲得較高BCR值。在受到攻擊后，本算法檢測水印的正確率在90%左右，具有較好的魯棒性。

4 結(jié)束語

本文提出了一種利用參數(shù)選取適當?shù)腄CT 量化系數(shù)區(qū)間，并將水印嵌入到I幀4×4DCT 量化系數(shù)中的方法。該方法設(shè)定兩個參數(shù)對4×4DCT 塊進行篩選，選取滿足要求的DCT 塊中經(jīng)過zig-zag 掃描后的第4，5，6個系數(shù)，通過改變其絕對最大值、最小值的方法來嵌入水印，每個4×4DCT 塊嵌入1 bit 水印信息。在解碼端，通過相應(yīng)系數(shù)的絕對最大值、最小值與先前設(shè)定的兩個參數(shù)的關(guān)系，來提取水印。本文算法復雜度低，能滿足實時性的要求。實驗表明，水印滿足不可見性，對視頻質(zhì)量影響少，具有較好的魯棒性。

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