一种强鲁棒性的视频水印方案

摘要:根据MPEG-4视频压缩原理,提出一种基于DCT(discrete cosine transform离散余弦变换)域的视频水印嵌入方案。该方案选取包含较多版权信息的灰度图像作为水印信息,根据纹理特征选择水印嵌入域,并将水印嵌入到部分解码视频I-VOP色度块的DC中。实验数据表明,在保证视频效果不失真的前提下,该方案具有良好的鲁棒性。

关键词:水印;MPEG-4;鲁棒性;DCT

中图分类号:TP309. 7文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)13-3445-02

A Method of Robust Video Watermark Technology

DENG Hua1, ZHANG Ji-fu2, WANG Guang-yu1

(puter Office, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China;2.Military Simulation Technology Institute, Aviation University of Air Force, Changchun 1300222, China)

Abstract: A method of video watermarking which was based on DCT domain was designed according to the MPEG-4 compressed video principle. The algorithm uses high-capacity gray image as the watermark information, and chooses the watermarking embedded domain according to the texture characters. The algorithm embeds the watermark information into DC component of I-VOP. The experimental results show that the watermark has good invisibility and robustness.

Key words: watermarking; MPEG-4; robustness; DCT

目前,MPEG-4视频水印技术已成为网络信息安全和数字媒体版权保护研究的热点。但在以往的视频水印技术中,存在着嵌入信息量少、算法复杂度大、鲁棒性较弱、水印提取速率不均衡等问题。针对这些不足,本文提出一种基于DCT域的MPEG-4视频水印设计方案。该方案将灰度图像压缩并综合扩频技术和混沌理论置乱加密,使水印的鲁棒性增强;然后根据纹理特征复杂情况选择水印的嵌入域,采用经改进的LSB算法,将水印嵌入到部分解码视频色度块的DC中,既减少运算的复杂度,又保证了水印的健壮性。

1 基于DCT域的MPEG-4视频水印嵌入方案

首先,本算法将含有版权信息的256级灰度图像W作为水印信息,对其进行压缩和置乱加密的预处理。先将灰度图像W采用双正交小波变换进行压缩,得到压缩图像序列Wc。再采用混沌序列对压缩序列Wc置乱。Logistic映射公式表示为:,混沌序列初值x0作为密钥。本算法取λ=2,x0=0.4。接着二值化水印信号Wc,并降为一维水印信号Wc'。最后进行混沌加密:产生一维混沌序列s1和s2,s1∈{-1,1},s2∈{-1,1},并转化为s1'和s2',s1'∈{0,1}, s2'∈{0,1},其转化原则是序列中元素不大于0为0,大于0为1。对水印信号异或加密,根据公式产生混沌加密后的水印序列Wh。

然后,把水印序列Wh嵌入视频流(部分解码)的I-VOP色度块DCT系数的DC分量中。先根据视频帧的内容变化进行视频场景划分。按位读取视频流,读到I-VOP头部信息标记次数为0;当嵌入次数不大于124时,对所读色度块VLC解码,得色度AC系数ACi(i=1,2,…,63)和DC系数。再根据计算色度AC系数平方和,若Eac不小于阙值,水印嵌入一次,嵌入次数加1;若不满足,则对下一色度块重复操作。接着,采用经改进的LSB算法嵌入水印,公式如式1所示:

(1)

式中:DCi'是已嵌入水印的I帧中亮度DCT的数DC值;DCi是未嵌入水印的I帧中亮度DCT的DC值;Wk(i)表示第i位水印信息,i=0,1,2…;“|”为“或”运算。最后用嵌入水印后的色度DC系数替换原来的色度DC系数,VLC编码后得到嵌入水印的视频序列。

最后,进行水印信息的提取和后期处理。水印的提取过程是水印嵌入的逆过程。后期处理过程先对水印信号混沌解密,再按照先列后行顺序转换成二维得矩阵数据,并灰度处理,最终获得水印图像W'。

2 实验结果分析

实验采用标准的MPEG-4编解码模型,以Mobile (352*288,300帧)、Hall Monitor (176*144,300帧)、Highway (176*144,2000帧)三个视频序列作为测试视频。水印图像是一幅256级80*80的灰度图像。

不可感知性是评价水印的一个重要参数。图1上、下排分别为嵌入水印前后图像效果图。可见,人眼完全无法感知嵌入水印前后视频质量的差别。峰值信噪比PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio)可以定量地评测水印的不可见性。表1给出三段视频序列嵌入水印前后的平均PSNR。一般地,不可见性度量指标只要大于一定值就可被认为符合不可见性的要求,当PSNR值大于36dB时,人眼无法察觉,保证水印的不可见性。

鲁棒性亦检测水印算法的重要标准。比较水印的相似性系数NC系数(Normalized Correlation),能客观衡量相似程度。本文对嵌入水印后的Mobile进行几种常见攻击实验。比较NC系数可知水印算法的抗攻击能力:NC值越接近0,表示嵌入和提取水印图像的相似程度越低;NC值越接近1,表示嵌入和提取水印图像的相似程度越高。实验数据显示,NC系数都大于0.7,说明该算法鲁棒性较强。

3 结束语

本文提出一种基于DCT域的MPEG-4视频水印嵌入方案,选取包含较多版权信息的灰度图像作为水印信息嵌入到压缩后的MPEG-4视频码流中。该方案首先选择对压缩后的灰度图混沌置乱水印信号的鲁棒性和安全性得到提高,然后以DCT域作为切入点,根据纹理特征复杂情况选择水印的嵌入域,最后借鉴LSB算法思想并改进,将水印嵌入到部分解码视频I-VOP色度块的DC中,既保证了水印的嵌入量,又减小了算法的复杂度。本文对提出的方案进行了详细描述,实验证明,该算法在保证水印的不可见性的同时,还增强水印的鲁棒性。

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