基于离散余弦变换的视频数字水印算法研究

贾国庆++祁清++李梅菊

摘 要：针对嵌入水印后视频容易遭受压缩攻击的难题，提出了一种基于离散余弦变换的抗攻击水印方法。介绍了变换域水印算法及其基于离散余弦变换的数字水印算法，对现有的余弦变化水印算法优缺点进行了讨论，提出了基于块内系数自适应优化的水印嵌入算法，并通过实验仿真验证。结果证明，算法对于压缩攻击具有较强的鲁棒性。

关键词：数字视频水印；版权保护；鲁棒性；抗压缩攻击

DOIDOI：10.11907/rjdk.151873

中图分类号：TP312

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）009005602

0 引言

随着移动互联网、大数据、云计算等新一代通信技术的发展，视频、图像等数字资源在互联网上的应用越来越广泛，对于这些资源的非法拷贝以及攻击行为导致的知识产权保护等问题日益凸显[1]。作为数字版权保护的一种有效手段，数字资源中嵌入水印（Digital Watermarking）技术作为保护版权及产权的一种有效手段得到了广泛的研究和应用。该技术的主要思路是通过一定的算法将版权信息（水印）隐藏在受保护的视频及图像中，也可以通过间接表示的方法（修改特定区域的结构）嵌入受保护内容中，嵌入后不影响受保护数字资源的使用价值，也不容易被非法探知和再次修改，通过隐藏的水印内容来保护版权[2]。一旦发生版权纠纷，该水印可以被版权拥有者识别和辨认，以证明版权所有者的身份和版权归属，确认版权的创建者、购买者，判断受保护内容是否被篡改等。该技术对视频版权及作者合法权益的保护具有积极意义，是保护信息安全、实现知识产权防伪的有效办法，是信息隐藏技术的重要研究和应用方向。

数字水印算法需考虑隐蔽性、鲁棒性、抗篡改性、容量大小、安全性和可靠性等，主要的水印嵌入算法包括空域算法、Patchwork算法、压缩域算法、NEC算法和变换域算法。本文主要针对变换域算法进行分析，针对现有算法的不足，提出一种基于块内系数自适应优化的水印嵌入算法。

1 变换域算法

基于变换域的水印算法主要包括基于离散余弦变换DCT的数字水印和基于离散小波变换的数字水印算法。基于DCT的算法中，最经典的是Cox等人提出的基于全局图像变换的数字水印算法，该算法主要基于信号的频谱扩展，也就是3G移动通信中广泛使用的扩频通信技术。算法主要原理如下：首先将正态分布的伪随机序列叠加到图像的DCT变换后的视觉系数中。嵌入水印信息的时候不是嵌入到低频系数上，而是嵌入到中频参数上，用以实现水印的鲁棒性与隐藏能力之间的折衷；其次，根据待隐藏的水印信息类型（可以是图像、语音、文字、数据等），对其进行相应的编码处理，根据隐藏信息量的大小及安全性要求，选择某些类型的频域系数参数；再次，通过一定的数学方法，用待隐藏的水印信息数据去调制承载对象的频域系数；最后，将嵌入水印后的图像信息从频域变换到空间域，进行发布、传输等。

2 基于DCT变换的视频水印嵌入算法

基于离散余弦变换的数字水印嵌入算法在水印嵌入算法中很重要。E Koch、J Zhao等人最早提出了基于分块DCT变换的水印嵌入算法，该方案中，图像被分成8×8的子块，并由一个随机密钥选择其中的一些子块，通过DCT变换得到图像的频域系数，通过改变中频上的三元组得以隐藏二进序列信息。之所以选择中频分量叠加信息，是因为若在高频分量编码，该水印容易被破坏，鲁棒性不高；而在低频分量编码，由于人的视觉对低频分量非常敏感，若改变低频分量会导致视频质量的下降，用户感知度差。由于分块的选择对未经授权者而言具有随机性，因此，未经授权者并不知道嵌入水印的区域，从而难以检测和攻击。另外，该水印算法对图像的压缩处理具有良好的鲁棒性，由于频率参数选择的是中频分量，使得水印嵌入后中频系数的方差较小，因此抗噪声和抗攻击的能力比较好。文献[3]提出了一种基于MPEG-2的DCT自适应水印算法，该算法将水印信息嵌入到承载MPEG-2图像的中频参量上，达到了很好的隐藏水印信息的目的，但缺点是鲁棒性较弱。文献[4]提出一种将原始水印信息进行卷积编码、随机加密处理，然后进行水印的DCT嵌入方法。这种方法提高了水印的鲁棒性，但是算法较复杂。文献[5]提出一种基于DCT的阈值自适应视频数字水印嵌入算法，算法具有良好的水印隐藏特性和鲁棒性，能较好地抵抗不同类型的压缩攻击。

本文提出一种新视频水印嵌入算法，设计思路如下： 首先读取视频信息，截图并进行部分解码；然后对解码的截图信息提取其I帧的亮度分量Y，并进行8×8的分块DCT变换；再读取水印图像，并对其进行扩频，生成为包含0和1的序列，并将此作为水印嵌入到视频中；最后，将嵌入水印的视频进行离散余弦逆变换，写入视频码流。对于水印提取或者验证而言，算法思路即为视频嵌入算法的相反过程。

3 仿真实验

实验仿真采用MATLAB软件，通过构建数字水印仿真平台来验证所提算法的有效性。实验参数设置为：视频Football，水印图像采用如图1所示的指纹图像。

图1 仿真实验的承载图像和水印图案

3.1 水印隐藏能力分析

峰值信噪比值（PSNR）用来分析水印的隐藏能力，通常定义为原始图像和叠加水印后图像的均方误差对数值，该值越大则水印的隐藏能力越好，也就是说嵌入水印后对原图像的影响越小，嵌入的效果越好。表1列出了嵌入水印的视频序列Football帧的画面及嵌入后的PSNR值，从PSNR值可以看出，算法满足了水印的隐藏能力要求。

表1 视频序列帧嵌入水印后的效果及其PSNR值

3.2 水印鲁棒性分析

如何描述图像中嵌入水印抵抗外部恶意攻击的能力，这是分析水印鲁棒性的关键所在，通常情况下是通过分析不同攻击类型、不同攻击强度下提取出水印和原始水印的相似度进行验证。本算法对视频序列采用压缩攻击，不同攻击强度下提取出的NC值如表2所示。

表2给出了不同的压缩攻击强度下，本文所提算法嵌入水印后提取出水印与原水印的相似度。仿真结果证明，在遭受了上述不同类型的压缩攻击后，所提取到的水印与原水印相似度值均高于0.75，这充分说明所提算法对于JPEG和MPEG压缩具有较强的抗攻击性，鲁棒性好。

4 结语

本算法以标准视频为嵌入水印的承载对象，以指纹图像为水印图案来构造水印嵌入的测试对象。通过研究、分析抗压缩攻击的视频数字水印中的问题，提出了一种基于离散余弦变换的水印算法，通过基于MATLAB的仿真结果，证明了该水印算法具有较强的鲁棒性、抗压缩能力，是一种实用的数字水印算法。

参考文献参考文献：

[1] COX I， MILLER M，BLOOMING J，et al.Digital watermarking and steganography[M].USA：Morgan Kaufmann Publisher Inc，2007：457459.

[2] 孙圣和，陆哲明，牛夏牧.数字水印技术与应用[M].北京：科学出版社，2004：191192.

[3] 海阿静.基于MPEG4的视频数字水印鲁棒性研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[4] 曲蕴慧.基于MPEG4的视频数字水印技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2008.

[5] 邹旻，林家骏.基于DCT变换的视频数字水印算法研究[J].微计算机信息，2010（26）：8082.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）