基于宏块划分的视频水印算法

周天亮, 尹 辉

(1.怀化医学高等专科学校; 2.怀化商业学校,湖南怀化 418000)

基于宏块划分的视频水印算法

周天亮1, 尹 辉2

(1.怀化医学高等专科学校; 2.怀化商业学校,湖南怀化 418000)

研究一种针对H.264编码的帧间预测块划分视频水印算法,该算法先对水印图像进行二值处理,然后在H.264帧间预测编码时根据水印二值序列选择不同的区块划分,并将水印值嵌入进去.实验结果表明,该算法具有较好的实时性、鲁棒性.

H.264; 视频水印技术; 帧间预测; 鲁棒性

1 引 言

随着网络和多媒体技术的发展,数字视频的应用越来越广泛,视频作品遭到恶意攻击和非法侵权的问题也越来越严重.如何有效地对数字视频进行版权保护,成为多媒体技术发展中迫切而现实的问题.视频水印技术正是为解决这个问题而受到人们越来越多的关注,成为当前学术领域研究的热点.水印技术存在的基础是其技术的先进性,其归根结底是利用冗余来携带水印信息,而视频压缩的目的是去除冗余,因此好的水印设计方案应该充分考虑视频压缩编码的新动向,紧密结合当前及未来的标准进行研究.H.264作为最新一代的视频编码标准,迫切要求水印技术与其相融合,提升和改进现有的视频水印算法,以适应新的应用环境.

本文在对视频水印技术及H.264标准分析研究的基础上,研究了一种针对H.264编码的鲁棒视频水印设计算法.

2 算法描述

该算法首先将二值水印图像扫描为序列,然后在H.264[1]帧间预测编码阶段根据水印序列选择不同的区块划分范围,H.264中帧间预测块的划分方式有4种,分别是16X16、两个16X8、两个8X16、四个8X8,其运动补偿也相应的有四种.在进行帧间预测时,本算法首先跳过对16X8区块的预测,如果预测算法所决定的区块划分大小为16X16,算法将根据水印比特序列中的不同值决定是否将此16X16的区块划分成16X8的区块;如果预测算法所决定的区块划分大小不是16X16,则直接进行熵编码和码流生成.此算法如下图1所示:

图1

3 算法实施步骤

3.1 水印图像二值化[2]

水印图像先行进行二值处理,使水印图像的数据中只包含0和1两种,以方便进行嵌入处理.为了得到理想的二值图像,一般采用封闭、连通的边界定义不交叠的区域.所有灰度大于或等于阀值的像素被判定为属于特定物体,其灰度值为255表示,否则这些像素点被排除在物体区域以外,灰度值为0,表示背景或者例外的物体区域.如果某特定物体在内部有均匀一致的灰度值,并且某处在一个具有其他等级灰度值的均匀背景下,使用阀值法就可以得到比较好分割效果.如果物体同背景的差别表现不在灰度值上 (比如纹理不同),可以将这个差别特征转换为灰度的差别,然后利用阀值选取技术来分割该图像.动态调节阀值实现图像的二值化可动态观察其分割图像的具体结果.其二值化处理的流程图如图2.

图2

本文所采用的水印图像如图3:

图3

a图像经过二值变换后得到的16进制代码如下:

3.2 水印嵌入

本算法通过在编码模式上的强行选择来进行信息的隐藏,具体的实现如图4所示:

图4

嵌入水印前下图的残差帧宏块划分如下图5:

图5

图6

可以发现在残差帧中图像变化平坦的区域,宏块的选择都是16X16,在嵌入水印后可以发现部分宏块被划分成了更小的块,这种嵌入算法对视频效果的影响可以忽略,因为此算法不会修改任何帧像素的值,可以达到更高的保真度.

图像中用粗线条框住的就是嵌入水印的位置,按照上图所示,嵌入的数据为:

根据上例,定义水印与宏块划分的关系如下:

3.3 水印提取

根据H.264压缩编码的语法标准,16X16宏块在I片、P片、B片中都存在,但是本算法使用到的16X16宏块,仅仅为帧间预测中的16X16宏块,所以在提取水印时首先要跳过对I片中宏块的检测,然后对B片和P片中的16X16宏块及16X8宏块进行检测,并得出水印序列.

图7

4 水印图像检测

本算法的实施环境为:CPU:奔腾E2160,内存: 3G.为了对算法进行仿真和性能测试,本文采用了C语言和Matlab语言结合编程的方式,运用VisualC-6.0和Matlab R2009a的编程平台,对算法进行了程序上的实现.其中对水印图像的预处理方面由Matlab语言实现,并将处理后的水印序列保存在一个图像文件中,以便用C语言进行水印的嵌入.同样,在水印提取时是将提取出的水印序列保存在一个图像文件中,然后用Matlab语言对其进行后期处理,并恢复为水印图像. H.264编解码模型采用的是 H.264官方的参考软件JM86版,实验所用QP=28.

实验所用视频序列为标准视频序列,如表1所示.

表1 素材表

表2 冗余情况表

表3 I片、P片、B片、NVB数据量大小对比表

根据表3数据显示,I片的数据量在嵌入水印前后没有变化,B片的数据量在嵌入水印后变化较大,例如在foreman视频中B片的数据量较大,嵌入水印后所产生的冗余度在三次实验中也是最大的,而P片在承担了大量的水印嵌入数据时也不会产生大量的冗余数据,所以本算法在B片少量出现的情况下可以达到最佳的效果.

5 实验与结果分析

为了客观地评价本文的水印算法,与文献 [3]进行了对比实验分析,由于本算法与文献 [3]对噪声攻击都不敏感,所比较的内容为嵌入水印后视频增加的码率,在嵌入与文献 [3]相同的水印后,本算法与文献 [3]的对比情况如表4:

码率计算公式如下:

表4 与文献 [3]的对比情况

从上面的对比情况看本算法的码率变化较文献[3]的码率变化要小,其与文献 [3]所述算法对比说明,本算法适用于B片较少的视频水印嵌入,文献[3]适用于P片较少的情况.对比其它使用DC域水印嵌入算法,此算法嵌入的水印位于控制域,其对视频图像质量的影响可以忽略,并且具有较强的鲁棒性,冗余数据量较小.

与文献 [3]对比PSNR值的变化:文献 [3]的PSNR值如图8.

图8

本算法的PSNR图如图9.可以看出,本算法相对与文献 [3]相比较具有更小的PSNR变化值,说明本算法对视频图像的质量影响非常小,具有更佳的不可见性.

图9

6 结束语

数字视频水印有健壮性、透明性、盲检测等基本要求,如何使水印嵌入算法既有较好的透明性又能抵抗有意或无意的攻击,是数字视频水印研究的主要课题之一.

本文探讨的主要是基于H.264标准的鲁棒视频水印技术,主要工作如下:

(1)本算法对视频图像中的图像数据不做任何修改,只针对宏块的划分模式做修改,所以本水印算法对视频图像的质量没有影响,只需要考虑压缩算法对图像的影响.

(2)本算法的水印提取算法相对简单,有利于实时实现.

(3)相对于差分能量水印算法,本算法的嵌入量较大,能实现较大数据量的水印嵌入.

视频水印技术研究涉及众多科学领域,内容繁多,成熟实用的水印算法设计仍有较大的难度,而H.264编解码过程又较为复杂,更优的算法现仍在研究之中,同时加上本人水平有限,本文某些方面的观点和阐述不尽正确.本文所做的仅仅是对H.264视频水印技术的初步研究,研究的只是针对一种鲁棒水印方案,且不够深入和全面,有不少地方有待于进一步研究与完善.

[1]高洁.基于H.264的视频数字水印算法研究 [J].计算机应用,2008,(4):51-53.

[2]张春田,苏育挺,管晓康.多媒体数字技术 [J].通信学报,2009,21(9).

[3]郑振东,王沛,陈胜.基于运动矢量区域特征的视频水印方案 [J].中国图象图形学报,2008,10(13): 1926-1929.

[4]余小军.基于H.264的数字视频水印技术研究 [J].计算机应用,2007,(3):28-31.

[5]唐松生,董颖.数字视频水印技术综述 [J].计算机安全,2007,(9):31-33.

[6]王向阳,杨红颖,赵红.一种新的自适应量化数字音频水印算法 [J].声学技术,2004,(3):117-120.

[7]单承赣,孙德辉.基于H.264/AVC低比特率视频流的双水印算法 [J].计算机应用,2007,27(8):1922.

[8]叶登攀.图像认证及视频数字水印的若干算法研究[J].南京理工大学学报,2006,12(1):1-63.

[9]毕厚杰.新一代视频压缩编码标准H.264/AVC[M].北京:人民邮电出版社,2005.84-91.

[10]张琼.基于H.264的视频数字水印算法研究 [J].计算机应用,2008,(9):31-34.

[11]钟 伟,马希俊,余松煌.一种使用Legendre阵列的图像水印 [J].通信学报,2001,22(1):1-6.

[12]周建峰,马玉祥,欧阳雄.PKI信任模型研究 [J].电子科技,2006,(4):75-78.

[13]曹军梅,张震.视频水印技术分析及其在电视版权保护中的应用 [J].计算机应用,2006,(11):73-80.

Abstract:Studingon one kind of H.264 encoded video watermarking inter prediction block division algorithm,this algorithm carries on two values of the watermark image processing,then select a different block division in H.264 inter prediction encoding according to the two values sequence of the watermark,and embedding the watermark value into it.Experimental results show that the algorithm has good timeliness,robustness.

Key words:H.264; video watermarking technology; inter-frame prediction; robustness

Macroblock-based Video Watermarking Algorithm is Divided

ZHOU Tian-liang1, YIN Hui2

(1.Huaihua Medical College; 2.Huaihua Commercial School,Huaihua,Hunan 418000)

TP301.6

A

1671-9743(2010)05-0058-04

2010-04-22

周天亮 (1973-),男,湖南宁远人,怀化医专讲师,硕士,主要研究数字水印技术及模式识别等;

尹 辉 (1975-),女,湖南邵阳人,怀化商校讲师,硕士,主要研究图像处理及视频水印技术.