基于脆弱水印的彩色视频认证方案

侯志宇，唐向宏，陈宏炳

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018)

0 引言

数字水印技术则是实现视频完整性认证的重要手段。根据水印技术与数字视频编码系统结合方式的不同，水印信息的嵌入可分为3种方案:将水印直接嵌入到原始视频流之中［1，2］、在视频编码结构中嵌入水印［3］和在视频编码得到的位流中嵌入水印［4］，本文讨论的算法将采用在原始视频嵌入水印的方案。文献1根据I帧的低频DCT系数之间的关系生成水印认证信息，提出了嵌入到I帧的高频DCT系数中的认证方案。由于只在I帧的DCT高频系数区嵌入水印，对P帧和B帧的攻击行为会认证失败。文献2提出通过调整MPEG视频中不同8×8DCT块能量关系来嵌入水印，这种方法复杂度高，视频修改大，且同样不适用于对B帧P帧的认证。文献3中把I帧特征的认证信息以水印的形式嵌入到P帧和B帧的运动矢量中。先在I帧嵌入版权认证水印，然后再提取认证码嵌入到P帧、B帧的运动矢量，能够同时实现对I帧、B帧、P帧的检测，但其算法运算量大，且不能对B帧P帧的攻击定位。本文将借助YST色彩模式，利用I帧、B帧和P帧之间的关系，分别在I帧、B帧和P帧嵌入脆弱水印，探讨彩色视频的完整性认证，实现对被篡改或攻击的部分的定位。

1 YST色彩变换模式与认证方案

为降低R/G/B3色成分之间的相关性，将视频转换为YST色彩模式。在YST色彩模式中，Y与S之间形成一个52°的夹角，T与Y、S正交，即YS⊥T。RGB转换为YST的线性变换矩阵为［5、6］:

认证系统的总体结构如图1所示。

2 水印的嵌入与提取算法

步骤1——特征水印的生成

特征水印信息生成的具体步骤如下:

(1)将MPEG视频分帧，提取每一个GOP中的I帧(参考帧)和B、P帧(预测帧);

(2)根据I帧分块DCT变换后的低频系数生成水印信息W1，首先将I帧的YST变换量T进行4×4分块，然后对每块进行DCT变换获得如图2所示变换系数。根据zig-zag扫描，选择图2中位置2和3的系数B2和B3，如果B2＞B3记为0，反之，则记为1。这样就可以得到一个 m×n=N/16的二值矩阵W1;

(3)计算B帧P帧的位置信息W2，作为密钥;

(4)将W1与W2进行异或操作，得到载体特征水印信息W的加密算法。

式中，i表示视频的第i帧，m和n表示第i帧中DCT变换块的位置信息，“⊕”表示异或操作。

图1 认证结构图

步骤2——水印嵌入

具体嵌入规则如下:

根据这个规则，水印的嵌入具体有4种情况，分别为:

由此可见当W=0时，修改后的DCT矩阵中奇数个数为偶数;当W=1时，修改后的DCT矩阵中奇数个数为奇数。因此，水印嵌入步骤为:

(1)根据I帧低频系数以及B帧P帧位置信息生成水印W;

(2)确定DCT变换块内最后一个不为0的系数，则该系数位为水印嵌入位置;

(3)计算取整后DCT变换块内奇数的个数，根据嵌入规则，对嵌入位置的DCT系数进行嵌入操作。

步骤3——水印提取与视频完整性认证

水印的提取是水印嵌入的逆过程，其步骤。

(1)重新生成特征水印信息Wa。Wa与W的生成过程一样，由于水印的嵌入位置在中高频系数区，不改变系数B2与B3之间的大小关系，在无攻击的情况下，Wa与W是一样的。

(2)提取嵌入的脆弱水印。根据步骤2中的分析，当DCT矩阵中奇数个数为偶数时，We=0;当奇数个数为奇数时，We=1，即:

式中，We是提取出来的水印信息，大小为m×n。

(3)完整性认证与篡改位置的定位。将Wa与We做比较，计算错误率式为:

对比Wa与We，当Wa=We时，所对应块中的象素记为0，否则记为1，得到一个二值图像，图像中象素为1的部分就是遭篡改位置。

3 实验仿真与分析

实验中选择Children(每帧大小为352×288，共41帧)、Dream(每帧大小为352×288，共300帧)标准测试序列。如图3所示为Children第16帧(参考帧)和第25帧(预测帧)图像在加入水印前后的对比效果。从图3中可以看出，加入水印前后的图像在视觉上没有差异，较好保证视觉质量，满足了水印不可见性的原则。

图3 水印嵌入对比图

为了检验本算法的脆弱性，对于加入水印后的视频分别进行随机噪声，椒盐噪声和MPEG压缩等攻击，并与文献2的算法进行对比。如图4所示为在不同攻击情况下的认证结果(第16帧图像，参考帧)，其中白色部分为遭篡改位置。可以看出两种算法在无攻击状态下的水印图像认证的错误率为0，保证了完整性认证的准确性。而在加噪的攻击方式下，本文算法的认证错误率要大于文献2的算法，认证效果更好。对于重压缩的攻击，由于文献2是半脆弱水印，对重压缩攻击有一定抵抗性，而本文算法是脆弱性水印，故两者的认证差别较大，但其认证功能均可实现。如图5所示为含水印视频随着不同的压缩质量水印错误率的检测情况。从图5中可以看出，随着压缩质量的提高，水印检测的错误率会逐渐减小。

图4 两种方法的攻击检测对比

图5 水印错误率随压缩质量变化曲线

如图6、7所示为测验本算法对篡改的区域的定位能力，篡改定位图中的白色部分为定位到的篡改区域。从图6、7中可以看出，在对I帧篡改检测定位中，两种算法对于攻击篡改都有良好的敏感性，但是对于篡改位置的定位精度，本算法明显精度较高，同时本算法对于预测帧的篡改定位同样有效。

图6 I帧篡改定位检测

图7 B帧篡改定位检测

4 结束语

本文利用YST模型中T分量与YS分量之间的弱相关性，提出了一种结合YST颜色空间转换的DCT变换域脆弱水印嵌入算法。利用DCT变换中低频系数的稳定性生成认证水印，将水印嵌入到DCT的高频系数中。仿真实验结果表明，本方案能够有效地检测出对视频的一些常规攻击，并能定位遭篡改位置，满足视频完整性的认证要求。在保证嵌入容量的前提下，提高了视频的视觉质量。

［1］ 王美华，裴庆祺，范科峰.基于脆弱水印的H.264视频完整性认证方案［J］.西安电子科技大学学报，2007，34(5):823－826.

［2］ 施化吉，翁正铃，李星毅.基于MPEG I/Ⅱ视频内容认证的半脆弱水印方案［J］.计算机工程，2006，32(14):160－162.

［3］ 杨高波，李俊杰，王小静，等.基于脆弱水印的H.264视频流完整性认证［J］.湖南大学学报，2009，36(6):67－71.

［4］ 李汶隆，杨浩钦，李录明.基于脆弱水印的错误检测技术在H.264中的应用［J］.电子设计应用，2006，(11):98－100.

［5］ Francesco Benedetto，Gaetano Giunta，Alessandro Neri.A New Color Space Domain for Digital Watermarking in Multimedia Applications［C］.Rome:Image Processing，2005:249 －252.

［6］ Hamad Hassan M，Gilani SAMA.Fragile Watermarking Scheme for Color Image Authentication［J］.World Academy of Science Engineering and Technology，2006，(19):39 －43.