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MPEG-4視頻數(shù)字水印技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了數(shù)字水印技術(shù)的基本原理，以MPEG-4為例，提出并實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的基于擴(kuò)展頻譜的視頻水印方案。實(shí)踐證明，該視頻水印方案在不降低視頻質(zhì)量的基礎(chǔ)上，能夠抵抗多種干擾和攻擊，具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。
隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，人們不但可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和ＣＤ－ＲＯＭ方便快捷地獲得多媒體信息，還可以得到與原始數(shù)據(jù)完全相同的復(fù)制品，由此引發(fā)的盜版問(wèn)題和版權(quán)紛爭(zhēng)已成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。因此，數(shù)字多媒體產(chǎn)品的水印處理技術(shù)已經(jīng)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。
雖然數(shù)字水印技術(shù)近幾年得到長(zhǎng)足發(fā)展，但方向主要集中于靜止圖像。由于包括時(shí)間域掩蔽效應(yīng)等特性在內(nèi)的更為精確的人眼視覺(jué)模型尚未完全建立，視頻水印技術(shù)的發(fā)展滯后于靜止圖像水印技術(shù)。另一方面，由于針對(duì)視頻水印的特殊攻擊形式的出現(xiàn)，為視頻水印提出了一些區(qū)別于靜止圖像水印的獨(dú)特要求。
本文分析了ＭＰＥＧ－４視頻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了一種基于擴(kuò)展頻譜的視頻數(shù)字水印改進(jìn)方案，并給出了應(yīng)用實(shí)例。
１ 視頻數(shù)字水印技術(shù)簡(jiǎn)介
１．１ 數(shù)字水印技術(shù)介紹
數(shù)字水印技術(shù)通過(guò)一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌入到多媒體內(nèi)容當(dāng)中，但不影響原內(nèi)容的價(jià)值和使用，并且不能被人的感知系統(tǒng)覺(jué)察或注意到。與傳統(tǒng)的加密技術(shù)不同，數(shù)字水印技術(shù)并不能阻止盜版活動(dòng)的發(fā)生，但可以判別對(duì)象是否受到保護(hù)，監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播，鑒別真?zhèn)�，解決版權(quán)糾紛并為法庭提供認(rèn)證證據(jù)。為了給攻擊者增加去除水印的難度，目前大多數(shù)水印制作方案都采用密碼學(xué)中的加密體系來(lái)加強(qiáng)，在水印嵌入、提取時(shí)采用一種密鑰，甚至幾種密鑰聯(lián)合使用。水印嵌入和提取的一般方法如圖１所示。
１．２ 視頻數(shù)字水印設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的幾個(gè)方面
·水印容量：嵌入的水印信息必須足以標(biāo)識(shí)多媒體內(nèi)容的購(gòu)買(mǎi)者或所有者。
·不可察覺(jué)性：嵌入在視頻數(shù)據(jù)中的數(shù)字水印應(yīng)該不可見(jiàn)或不可察覺(jué)。
·魯棒性?押在不明顯降低視頻質(zhì)量的條件下，水印很難除去。
·盲檢測(cè)：水印檢測(cè)時(shí)不需要原始視頻，因?yàn)楸４嫠械脑家曨l幾乎是不可能的。
·篡改提示：當(dāng)多媒體內(nèi)容發(fā)生改變時(shí)，通過(guò)水印提取算法，能夠敏感地檢測(cè)到原始數(shù)據(jù)是否被篡改。
１．３ 視頻數(shù)字水印方案選擇
通過(guò)分析現(xiàn)有的數(shù)字視頻編解碼系統(tǒng)，可以將目前ＭＰＥＧ－４視頻水印的嵌入與提取方案分為以下幾類(lèi)，如圖２所示。
（１）視頻水印嵌入方案一：水印直接嵌入在原始視頻流中。此類(lèi)方案的優(yōu)點(diǎn)是：水印嵌入的方法較多，原則上數(shù)字圖像水印方案均可應(yīng)用于此。缺點(diǎn)是：
·會(huì)增加視頻碼流的數(shù)據(jù)比特率；
·經(jīng)ＭＰＥＧ－４有損壓縮后會(huì)丟失水印；
·會(huì)降低視頻質(zhì)量；
·對(duì)于已壓縮的視頻，需先進(jìn)行解碼，然后嵌入水印，再重新編碼。
（２）視頻水印嵌入方案二：水印嵌入在編碼階段的離散余弦變換（ＤＣＴ）的直流系數(shù)（ＤＣ）中（量化后、預(yù)測(cè)前）。此類(lèi)方案的優(yōu)點(diǎn)是：
·水印僅嵌入在ＤＣＴ系數(shù)中，不會(huì)增加視頻流的數(shù)據(jù)比特率；
·易設(shè)計(jì)出抗多種攻擊的水��；
·可通過(guò)自適應(yīng)機(jī)制依據(jù)人的視覺(jué)特性進(jìn)行調(diào)制，在得到較好的主觀視覺(jué)質(zhì)量的同時(shí)得到較強(qiáng)的抗攻擊能力。
缺點(diǎn)是對(duì)于已壓縮的視頻，有一個(gè)部分解碼、嵌入、再編碼的過(guò)程。
(３)視頻水印嵌入方案三：水印直接嵌入在ＭＰＥＧ－４壓縮比特流中。優(yōu)點(diǎn)是不需完全解碼和再編碼的過(guò)程，對(duì)整體視頻信號(hào)的影響較小。缺點(diǎn)是：
·視頻系統(tǒng)對(duì)視頻壓縮碼率的約束將限制水印的嵌入量；
·水印的嵌入可能造成對(duì)視頻解碼系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償環(huán)路的不良影響；
·該類(lèi)算法設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜度。
２ ＭＰＥＧ－４視頻水印的實(shí)現(xiàn)
基于上述的各種方案，本文在方案二的基礎(chǔ)上提出了一種針對(duì)ＭＰＥＧ－４視頻編碼系統(tǒng)的擴(kuò)展頻譜數(shù)字水印技術(shù)改進(jìn)方案，將擴(kuò)頻調(diào)制后的水印信息嵌入到視頻流ＩＶＯＰ(Ｉｎｔｒａ Ｖｉｄｅｏ Ｏｂｊｅｃｔ Ｐｌａｎｅ)中色度ＤＣＴ直流系數(shù)的最低位。本方案不需要完全解碼，大大減少了運(yùn)算的復(fù)雜度，提高了實(shí)時(shí)性。同時(shí)由于水印嵌入在直流系數(shù)中，在保證視頻效果不失真的前提下，水印具有很強(qiáng)的魯棒性。
２．１ ＭＰＥＧ－４視頻的特點(diǎn)
ＭＰＥＧ－４視頻編解碼基于ＶＯＰ(Ｖｉｄｅｏ Ｏｂｊｅｃｔ Ｐｌａｎｅ)。
從時(shí)間上看,ＶＯＰ分為內(nèi)部ＶＯＰ(ＩＶＯＰ)、前向因果預(yù)測(cè)ＶＯＰ(ＰＶＯＰ)、雙向非因果預(yù)測(cè)ＶＯＰ（ＢＶＯＰ）、全景的靈影ＶＯＰ（ＳＶＯＰ）。ＩＶＯＰ只用本身的信息進(jìn)行編碼；ＰＶＯＰ利用過(guò)去的參考ＶＯＰ進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)編碼；ＢＶＯＰ利用過(guò)去和將來(lái)的參考ＶＯＰ進(jìn)行雙向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)編碼；ＳＶＯＰ一系列運(yùn)動(dòng)圖像中的靜止背景。因此ＩＶＯＰ的圖像信息較獨(dú)立?熏最適合嵌入水印信息。
從空間上看,它由若干個(gè)大小為１６×１６的宏塊(Ｍａｃｒｏ Ｂｌｏｃｋ)組成，每個(gè)宏塊包括大小為８×８的６個(gè)子塊。其中４個(gè)亮度子塊Ｙ，１個(gè)色差子塊Ｕ，１個(gè)色差子塊Ｖ。ＩＶＯＰ編碼基本流程如圖３所示。
為了不受量化過(guò)程的影響，本方案將水印嵌入在量化后的ＤＣＴ系數(shù)中，從而提高了水印生存的穩(wěn)定性。在ＭＰＥＧ－４壓縮算法中，ＤＣＴ系數(shù)的量化是關(guān)鍵，它直接影響視頻的質(zhì)量和碼流控制算法。為此，ＭＰＥＧ－４提供了一個(gè)供參考的標(biāo)準(zhǔn)量化表。該表根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)模型(ＨＶＳ)建立。考慮到人眼對(duì)高頻信息損失的敏感度較低頻損失小很多，因此通常把水印嵌入到中低頻信息中，提高了水印信息的魯棒性。另外, 根據(jù)人眼對(duì)亮度信息的變化比色度信息較敏感這一特性，為最大限度地保持視
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