MPEG-4视频数字水印技术的设计与实现

ＤＣＴ系数的量化是关键，它直接影响视频的质量和码流控制算法。为此，ＭＰＥＧ－４提供了一个供参考的标准量化表。该表根据人类视觉模型(ＨＶＳ)建立。考虑到人眼对高频信息损失的敏感度较低频损失小很多，因此通常把水印嵌入到中低频信息中，提高了水印信息的鲁棒性。另外, 根据人眼对亮度信息的变化比色度信息较敏感这一特性，为最大限度地保持视频质量，本方案将水印嵌入到色度?穴Ｕ子块?雪ＤＣＴ系数中。由于ＤＣＴ是目前多媒体视频压缩中被广泛采用的技术基础，因此基于ＤＣＴ的视频水印方案具有显著的优势。将水印信息嵌入到ＩＶＯＰ色度量化后的ＤＣＴ直流系数中，不但无需引入额外的变换以获取视频的频谱分布，且水印信息不受ＤＣＴ系数量化带来的影响。

２．２ 视频数字水印算法与实现

在ＭＰＥＧ－４视频中，由于ＩＶＯＰ中色度子块的ＤＣＴ直流系数是一个在视频流中始终存在且很鲁棒的参数，本方案将水印信息经ｍ序列(最长线性反馈移存器序列)调制后嵌入到ＩＶＯＰ的色度子块ＤＣＴ的直流系数中。这样水印信息在不影响视频效果的情况下难以去除，所以鲁棒性足够强。本方案采用扩频的方法，以方便有效地检测水印，抵抗各种攻击和干扰，保密性好。关键问题是色度ＤＣＴ的直流系统是一个对视觉系统很敏感的参数，本方案在色度ＤＣＴ的直流系数上加水印相当于对其加入微量干扰，必须使这种干扰低于一定的门限值，使人眼的视觉系统对视频中色度的微小变化感觉不到。经过试验将水印嵌入到ＩＶＯＰ的色度ＤＣＴ的直流系数的最低位能满足要求。

２．２．１ 视频数字水印的嵌入

伪随机的扩展序列长度为２５５(２８－１)，每一水印信息位通过伪随机扩展序列的调制嵌入到相应的ＩＶＯＰ色度对应的ＤＣＴ直流系数(量化后、预测前)的最低位,这样水印信息在不影响视频效果的情况下一般难以去除。同时，嵌入在直流系数的最低位，带来的误差非常小。

伪随机的扩展序列产生代码如下：

＃ｄｅｆｉｎｅ Ｍ＿ＬＥＮ ２５５

＃ｄｅｆｉｎｅ Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ ８

ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＋＋) ｍ[ｉ]＝１;

ｆｏｒ(ｉ＝Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＜Ｍ＿ＬＥＮ;ｉ＋＋)

{

ｍ[ｉ]＝ ｍ[ｉ－１]＋ｍ[ｉ－５]＋ｍ[ｉ－６]＋ｍ[ｉ－７];

ｍ[ｉ]＝ｍ[ｉ]％２;

}

水印信息位扩展调制方式为：

·水印信息位为０，伪随机的扩展序列不变；

·水印信息位为１，伪随机的扩展序列取反。

这个过程可以用异或运算实现。代码如下:

ＷＭｉｊ ＝ Ｗｉ ＾ ｍ[ｊ];

／?觹每一水印信息位扩展调制成２５５位的扩展调制位*／

这里Ｗｉ表示水印信息码流(ＷＭｉｊ表示水印信息扩展调制码流。设ＵＤＣｉｊ表示视频ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系数)量化后、ＤＣ预测计算之前?雪序列，为了方便，用一个字节表示一位二进制码流信息。

水印嵌入过程如下：

ｉｆ (ＷＭｉｊ) ＵＤＣｉｊ ｜＝１;

／*根据扩展调制后的码流嵌入水印信息*／

ｅｌｓｅ ＵＤＣｉｊ ＆＝０ｘＦＦＦＥ;

２．２．２ 视频数字水印的提取

水印信息提取是水印信息嵌入的逆过程,代码如下:

ｉｆ (ｉｎｖ＿ＵＤＣｉｊ ＆ １) ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ ＝ １;

ｅｌｓｅ ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ ＝ ０;

这里ｉｎｖ＿ＵＤＣｉｊ表示带有水印信息的视频ＩＶＯＰ色度ＤＣＴ的直流系数(反量化前、ＤＣ预测计算之后)序列； ｉｎｖ＿ＷＭｉｊ表示检测到的水印信息扩展调制码流。每个ＩＶＯＰ色度子块在解码时得到一位扩展调制的信号位，每连续２５５个扩展调制的信号位可解调得到１位水印信息，具体分析如下：

用与原始伪随机序列结构相同且完全同步的序列与得到的连续２５５个扩展调制的信号接收序列进行异或运算，统计运算后１的个数记为ＯｎｅＣｏｕｎｔ。由于ｍ序列的自相关函数只有两种取值(１和－１／(２ｎ－１))，属于双值自相关序列。因此，如果数据未受到任何攻击和干扰，ＯｎｅＣｏｕｎｔ只有两种结果：２５５或０。当ＯｎｅＣｏｕｎｔ＝２５５时，得到的水印信息位为１；当ＯｎｅＣｏｕｎｔ＝０时，得到的水印信息位为０。如果数据受到攻击或干扰，ＯｎｅＣｏｕｎｔ有多种结果。根据统计分析，当ＯｎｅＣｏｕｎｔ＞１２７时，得到的水印信息位为１，并且这２５５个ＩＶＯＰ色度子块中有(２５５－ＯｎｅＣｏｕｎｔ)个子块受到攻击或干扰；当ＯｎｅＣｏｕｎｔ＜１２７时，得到的水印信息位为０，并且这２５５个ＩＶＯＰ色度子块中有ＯｎｅＣｏｕｎｔ个子块受到攻击或干扰。这样既可以统计总共有多少视频ＩＶＯＰ色度子块受到攻击或干扰,同时又能极强地恢复出原始水印信息。
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３ 试验结果分析

试验结果表明，ｍ序列的长度越长，检测效果越好，但能够嵌入的水印信息量也相应地减少。本方案中水印只嵌入在视频的ＩＶＯＰ中，不修改ＰＶＯＰ和ＢＶＯＰ，对帧跳跃与帧删除攻击稳健，因为ＩＶＯＰ不可以被跳跃或删除。同时，由于水印信息嵌入在ＤＣＴ的直流系数中，而直流系数的变化对视频效果会有较大的影响，所以采取将水印信息嵌入到色度子块ＤＣＴ直流系数的最低位。这样不仅使水印嵌入计算的复杂度大为降低，为ＭＰＥＧ－４

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