知识管理视角下DCT变换视频数字水印技术在高职微课开发中的应用

摘要：该文将DCT变换数字水印技术应用于知识管理视角下的微课开发，知识管理视角下的微课开发可以让知识的传播和呈现方式更加灵活和丰富，增强了微课视频的交互性，同时将微课教学设计内容通过数字水印技术嵌入到微课视频中，可以对微课视频进行更有效的管理。

关键词：知识管理;视频数字水印;DCT变换;微课开发

中图分类号：TP391     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）18-0231-02

1 背景

随着技术的发展，信息化在教学中的应用越来越广泛，教学的方式方法不断改变，其中微课在信息化教学中起到非常重要的作用。微课是以视频为载体的微型化课程模式，教学内容一般是某个具体的知识点、技能点或者一个实验過程等，区别于时长为45分钟的教学视频，微课视频的时长一般是5-8分钟[1]。微课视频具有教学内容集中、知识点突出和展现形式多样等特点。

知识管理是以知识为核心的管理[2]，贯穿知识从获取到应用的全过程。知识管理视角用于微课视频可以对微课中的知识进行更加有效的组织管理，并且可以让知识的传播和呈现方式更加灵活和丰富，增强了教与学的交互性。

视频数字水印技术是信息隐藏的一个分支[3]，是将一些标识数字水印通过相应的算法嵌入到视频当中，但不影响原视频的外观和使用价值，数字水印具有版权保护、内容认证、标题和注释、篡改定位、拷贝控制和隐蔽通信等应用[4]。

将视频数字水印应用于知识管理视角下的微课开发中，主要基于视频数字水印的数据内容认证和标题注释这两个方面。数据内容认证方面将脆弱水印加入微课视频中，能够提供数据是否被改动和改动位置的信息，通过这个功能可以知道学习者是否看过微课视频，以及观看进度情况;标题注释方面则将微课视频相关的知识点和教学设计的内容以水印的形式加入视频中，从而能被微课管理平台搜索引擎搜索时使用，方便从知识管理视角对微课视频进行组织和管理。

2 知识管理视角下微课视频

微课的特点集中体现在一个“微”字上，也就是一个微课视频的内容单一、高度浓缩，且时间短，这就对微课内容的设计提出了较高的要求。将知识管理的视角应用于微课视频开发的全过程，可以有效地组织微课的内容。单个微课视频的知识点具有碎片化这一缺陷，而教学的全过程具有系统化、结构化的特点，通过知识管理将微课视频有机联系起来，从而使得碎片化的微课视频具有系统化结构化的优点。

微课开发一般分为三个阶段，教学设计、素材准备和视频制作，知识管理视角主要体现在教学设计阶段。教学设计阶段有五个任务：教学主题、教学目标、教学结构、教学大纲和教学脚本。教学主题即该微课视频所讲的具体的知识点或技能点，定好一个教学主题需要将教学集中于一个点，具有高度的概括性、准备性，并且对于视频观看者来说具有一定的吸引力。教学目标则是学习者通过微课视频的学习能学到什么，好的教学目标对于学习的促进有很大作用，对于微课视频来说，教学目标不适宜制定过多，选择一两个即可。教学结构是指微课视频的教学顺序或步骤，这不同于面授讲课的结构，在微课的开发过程中要选择适合的教学结构，常用的结构有问题为中心结构、时间顺序结构、重点结构和因果关系结构等。教学大纲不同于教学目标，大纲是微课开发的总体思路和总体规划，教学脚本则是微课制作的详细步骤，脚本编写好后，后续的微课开发完全按照脚本开发，好的脚本对微课开发成功与否非常重要。

知识管理视角下微课视频的开发就是将知识管理应用于微课开发的全过程，重点在教学设计阶段，教学设计阶段的五个任务都是基于知识管理视角下进行的，同时将该阶段形成的教学主题、教学目标、教学结构、教学大纲和教学脚本浓缩为文本，作为水印嵌入到微课视频中，尤其涉及主题、目标等关键性内容，需要精简为数个单词，便于系统检测归类相应的微课视频。因为还需要通过数字水印来检测学习者的学习进度，还需要增加相应的检测内容。

3 基于DCT变换域视频数字水印技术

视频数字水印技术源于图像水印技术，经过多年发展，视频水印技术越来越成熟。不过视频水印相对于图像水印来说更加复杂，其中涉及预处理视频、水印生成、水印嵌入视频的方法、水印嵌入视频后的效果如何和水印提取的方法。

视频水印方案可以根据嵌入的类型分为三个[5]：第一是基于原始视频的水印方案，在这个方案中，直接将水印信息嵌入到未处理的视频中，然后再选择一种视频编码方案进行编码，具体分为空域水印和变换域水印两种;第二是基于视频编码的水印方案，此方案中水印的操作都是在视频编码器中实现的;第三是基于压缩视频的水印方案，此方案直接将水印嵌入到编码压缩流中。

本文将基于DCT变换域视频水印技术引入微课的开发，基于DCT变换域水印技术属于原始视频的编码方案，此方案嵌入算法多样且成熟，水印的嵌入和提取算法都比较简单，在微课视频中使用该方案简单易行，在知识管理视角下，对于知识的管理和组织更加有效。

视频水印嵌入和提取过程如图1和图2所示。

3.1 H.264视频编码标准

3.2 DCT变换域视频水印的嵌入和提取

DCT离散余弦变换是多媒体信号（图片、音频、视频等）处理中的简便的变换方式，与离散傅里叶变换相似，DCT变换基于对实部函数的傅里叶级数展开式做傅里叶变换，离散化处理得到的余弦项，生成整个离散余弦变换。DCT变换相较于离散傅里叶变换具有髙压缩率、低误码率和计算简单等优势。

3.2.1 嵌入位置的确定

通过DCT变换生成的系数矩阵，有两个分量信号，分别是直流分量DC和交流分量AC，图像序列帧的信号平均值表示为交流分量，表示为亮度;占据图像序列帧大部分信号的则是直流分量。对图像序列其中的一帧画面，取亮度信号值，对其进行4×4分块后产生16个子块，再对这16个子块做DCT变换后产生16个DCT参数，再用一个具体的值表示之前产生的DCT参数。水印的嵌入算法就是按照固定的方式读取所有子块的DCT参数，再将水印嵌入在合适的位置。

本文将水印嵌入H.264视频的I帧，首先需要确定一个水印插入的位置，设为Pk，每个I帧有N个4×4分块，从而得到N个数量为16子块，每一个子块都可以通过修改其系数嵌入水印。

3.2.2 水印的嵌入

根据前文确定的嵌入位置Pk嵌入水印，水印嵌入后再对4×4个子块进行DCT变换，将这16个DCT变换后的系数组成系数矩阵Uk，再对该系数矩阵做SVD奇异值变换[6]，使用该方法对每个图像都做SVD变换，将需要嵌入的水印计为[WN（n）]，当[WN（n）=0]时，就修改SVD矩阵的值[SVD（x，y）]为0;当[WN（n）=1]时，就修改SVD矩阵的值[SVD'（x，y）]为1，[SVD'（x，y）]为改变后的矩阵值。

使用该方法嵌入的水印，对原始视频的质量影响很小，具有自适应性。

3.2.3 水印的提取

在提取视频中嵌入的数字水印时，首先确认水印的嵌入位置，然后对H.264视频进行解码，将视频中的I帧按照4×4的分块分为16个子块，对每一个子块做逆DCT变换得到一个矩阵，再对该矩阵做SVD分解变换得出分解矩阵。当[SVD'（x，y）]为0时，则没有水印，[SVD'（x，y）]为1，表示视频中有水印的嵌入，然后再扫描16个子块的信息，从而提取出完整的水印。

4 小结

本文介绍了DCT视频数字水印技术在知识管理视角下微课开发中的应用。知识管理视角贯穿于微课开发的全过程，在完成微课教学设计阶段的五个任务后，形成内容精简的文本水印，将水印通过DCT技术嵌入到后续开发的微课视频中，学习者在学习微课视频时可以读取水印管理学习者的学习进度，同时微课管理平台可以通过水印中的内容关键字，基于知识管理视角下对微课视频进行管理和组织。将DCT视频数字水印技术应用在微课中，可以使得微课的开发更加科学，增强了微课视频的交互性，学习者可以更加有效的学习，对于微课的管理也更加有效。在以后的研究中，将会拓展研究方向，扩大应用范围。

参考文献：

[1] 赫英迪. “微课导学”教学模式构建与实践—以高职数学建模课程教学为例[J]. 高教学刊， 2018（22）： 165-167.

[2] 刘祖珉， 魏琴， 李思明. 知识管理在大学计算机实验教学中应用研究[J]. 教育现代化， 2017（34）： 182-183.

[3] 黄羽. 基于信息隐藏技术的数字印章认证算法的设计与实现[D]. 重庆： 重庆大学， 2015.

[4] 刘庆亮. 面向云计算的视频水印技术研究[D]. 青岛： 青岛科技大学， 2018.

[5] 杨义先， 钮心忻. 数字水印理论与技术[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[6] 吴大胜， 彭飞. SVD网页数字水印技术在教务成绩录入系统中的应用[J]. 扬州职业大学学报， 2017（3）： 38-41.

【通聯编辑：谢媛媛】