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MPEG-4視頻數字水印技術(shù)的設計與實(shí)現
摘要：介紹了數字水印技術(shù)的基本原理，以MPEG-4為例，提出并實(shí)現了一種改進(jìn)的基于擴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)量的基礎上，能夠抵抗多種干擾和攻擊，具有良好的穩定性和魯棒性。
隨著(zhù)信息技術(shù)和計算機網(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據完全相同的復制品，由此引發(fā)的盜版問(wèn)題和版權紛爭已成為日益嚴重的社會(huì )問(wèn)題。因此，數字多媒體產(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。
雖然數字水印技術(shù)近幾年得到長(cháng)足發(fā)展，但方向主要集中于靜止圖像。由于包括時(shí)間域掩蔽效應等特性在內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，由于針對視頻水印的特殊攻擊形式的出現，為視頻水印提出了一些區別于靜止圖像水印的獨特要求。
本文分析了ＭＰＥＧ－４視頻結構的特點(diǎn)，提出了一種基于擴展頻譜的視頻數字水印改進(jìn)方案，并給出了應用實(shí)例。
１ 視頻數字水印技術(shù)簡(jiǎn)介
１．１ 數字水印技術(shù)介紹
數字水印技術(shù)通過(guò)一定的算法將一些標志性信息直接嵌入到多媒體內容當中，但不影響原內容的價(jià)值和使用，并且不能被人的感知系統覺(jué)察或注意到。與傳統的加密技術(shù)不同，數字水印技術(shù)并不能阻止盜版活動(dòng)的發(fā)生，但可以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播，鑒別真偽，解決版權糾紛并為法庭提供認證證據。為了給攻擊者增加去除水印的難度，目前大多數水印制作方案都采用密碼學(xué)中的加密體系來(lái)加強，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 視頻數字水印設計應考慮的幾個(gè)方面
·水印容量：嵌入的水印信息必須足以標識多媒體內容的購買(mǎi)者或所有者。
·不可察覺(jué)性：嵌入在視頻數據中的數字水印應該不可見(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：水印檢測時(shí)不需要原始視頻，因為保存所有的原始視頻幾乎是不可能的。
·篡改提示：當多媒體內容發(fā)生改變時(shí)，通過(guò)水印提取算法，能夠敏感地檢測到原始數據是否被篡改。
１．３ 視頻數字水印方案選擇
通過(guò)分析現有的數字視頻編解碼系統，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，原則上數字圖像水印方案均可應用于此。缺點(diǎn)是：
·會(huì )增加視頻碼流的數據比特率；
·經(jīng)ＭＰＥＧ－４有損壓縮后會(huì )丟失水��；
·會(huì )降低視頻質(zhì)量；
·對于已壓縮的視頻，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（ＤＣ）中（量化后、預測前）。此類(lèi)方案的優(yōu)點(diǎn)是：
·水印僅嵌入在ＤＣＴ系數中，不會(huì )增加視頻流的數據比特率；
·易設計出抗多種攻擊的水��；
·可通過(guò)自適應機制依據人的視覺(jué)特性進(jìn)行調制，在得到較好的主觀(guān)視覺(jué)質(zhì)量的同時(shí)得到較強的抗攻擊能力。
缺點(diǎn)是對于已壓縮的視頻，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，對整體視頻信號的影響較小。缺點(diǎn)是：
·視頻系統對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視頻解碼系統中運動(dòng)補償環(huán)路的不良影響；
·該類(lèi)算法設計具有一定的復雜度。
２ ＭＰＥＧ－４視頻水印的實(shí)現
基于上述的各種方案，本文在方案二的基礎上提出了一種針對ＭＰＥＧ－４視頻編碼系統的擴展頻譜數字水印技術(shù)改進(jìn)方案，將擴頻調制后的水印信息嵌入到視頻流ＩＶＯＰ(Ｉｎｔｒａ Ｖｉｄｅｏ Ｏｂｊｅｃｔ Ｐｌａｎｅ)中色度ＤＣＴ直流系數的最低位。本方案不需要完全解碼，大大減少了運算的復雜度，提高了實(shí)時(shí)性。同時(shí)由于水印嵌入在直流系數中，在保證視頻效果不失真的前提下，水印具有很強的魯棒性。
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分為內部ＶＯＰ(ＩＶＯＰ)、前向因果預測ＶＯＰ(ＰＶＯＰ)、雙向非因果預測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)行運動(dòng)補償的預測編碼；ＢＶＯＰ利用過(guò)去和將來(lái)的參考ＶＯＰ進(jìn)行雙向運動(dòng)補償的預測編碼；ＳＶＯＰ一系列運動(dòng)圖像中的靜止背景。因此ＩＶＯＰ的圖像信息較獨立?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系數中，從而提高了水印生存的穩定性。在ＭＰＥＧ－４壓縮算法中，ＤＣＴ系數的量化是關(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)供參考的標準量化表。該表根據人類(lèi)視覺(jué)模型(ＨＶＳ)建立�？紤]到人眼對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, 根據人眼對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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