摘 要： 針對(duì)視頻水印的特征，提出一種利用視頻幀采樣點(diǎn)均值曲線相交性確定嵌入幀的方法：在水印信息嵌入時(shí)，利用嵌入幀三個(gè)亮度最大分塊位置關(guān)系和DC值大小實(shí)現(xiàn)每幀2bit信息的嵌入。實(shí)驗(yàn)證明，該算法對(duì)常規(guī)攻擊具有良好的魯棒性。

關(guān)鍵詞： 人類視覺(jué)系統(tǒng)； 離散余弦變換； 魯棒性； 數(shù)字水印

中圖分類號(hào)： TP 309.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2015）03-0057-04

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)不斷普及數(shù)字影視的傳播得到了極大的發(fā)展，數(shù)字水印在數(shù)字版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1]，但目前研究主要以圖像水印為主，視頻水印多是以圖像水印的簡(jiǎn)單變換直接應(yīng)用于視頻。在實(shí)際應(yīng)用中，視頻水印與圖像水印間存在著比較大的差異[2]，視頻水印研究的最重要問(wèn)題之一就是水印信息嵌入幀的選擇和信息提取問(wèn)題。在文獻(xiàn)[3-5]中，不同學(xué)者對(duì)視頻水印算法進(jìn)行了研究，試圖在確保不可見(jiàn)性的前提下，盡可能的提升算法的魯棒性。

離散余弦（DCT）變換以其算法相關(guān)性好，算法強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于水印研究。本文主要研究如何利用視頻高頻AC分量通過(guò)嵌入幀確定和嵌入強(qiáng)度分析，實(shí)現(xiàn)水印嵌入的問(wèn)題。

1 水印算法

1.1 嵌入幀確定

水印信息嵌入位置的選定主要需要考慮兩方面因素：第一，水印信息的嵌入對(duì)視頻影響較小，不易被人眼覺(jué)察；第二，信息嵌入后具有較強(qiáng)的抗干擾性，在受到各類攻擊后，依然能夠成功定位與提取。

為確定水印嵌入位置，本文做了如下實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)載體視頻進(jìn)行連續(xù)采樣，選擇采樣幀固定部分的8×8區(qū)域進(jìn)行DCT變換，取得變換后DC系數(shù)作為采樣值，記為DC（ac1，ac2，…，acn）。取正整數(shù)a，根據(jù)公式（1）計(jì)算a個(gè)采樣值均值，即

a分別取值為0，10，20；曲線DC，AVE10，AVE20位置關(guān)系如圖1所示。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著a取值的增大，均線低通特性逐漸顯著，曲線波動(dòng)減小，更加平滑。由于常規(guī)的噪聲均值趨近于0，所以當(dāng)a取值足夠大時(shí)，噪聲均值可以視為0，即均值曲線的相交性不受噪聲影響：在視頻受到常規(guī)攻擊時(shí)，其均值曲線的交點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)由于攻擊改變位置，可以利用均值曲線交點(diǎn)方便的實(shí)現(xiàn)幀定位。所以，本算法采用兩條均值曲線交點(diǎn)幀作為嵌入幀。

1.2 基于HVS的閥值確定

閾值是嵌入強(qiáng)度控制的重要指標(biāo)，通過(guò)閾值的調(diào)節(jié)，確保嵌入強(qiáng)度在滿足不可見(jiàn)性的基礎(chǔ)上盡量增加。人類視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）對(duì)于視頻高亮部分的分辨能力小于視頻低亮部分，即人類對(duì)AC系數(shù)較大部分變化的敏感性較小。

式中n為將視頻幀劃分的8×8分塊個(gè)數(shù)。由公式（2）可知，亮度大于平均亮度的分塊能嵌入閾值大于亮度低的分塊。

2 水印嵌入實(shí)現(xiàn)

2.1 水印預(yù)處理

水印的預(yù)處理是將水印圖像通過(guò)一定的數(shù)學(xué)過(guò)程打亂重新排列并可以恢復(fù)的過(guò)程。一般分為位置置亂和數(shù)值置亂兩種，本算法采用位置置亂Arnold變換，即

置亂后的無(wú)規(guī)律二值圖像如圖2所示。

2.2 水印嵌入過(guò)程

水印嵌入過(guò)程如圖3所示。

具體步驟為：

步驟1：對(duì)n×m的二值水印圖像，利用公式（3）進(jìn)行置亂，得到二值序列W（w1*，w2*，w3*，…，wn×m），將其三個(gè)一組組成新序列W'（w1'，w2'，w3'，…，w'k），其中w1'=（w1*，w2*），w'k=（w*2k-1，w*2k），k∈[1，m×n/2]。

步驟2：對(duì)載體視頻逐幀選定固定位置進(jìn)行8×8的DCT變換，提取DC（1，1）備用。

步驟3：根據(jù)公式（1）計(jì)算a等于10和20的均值序列AVE10和AVE20，兩條均值線相交的幀即為選定的嵌入幀。

步驟4：查找嵌入幀亮度最大的3個(gè)8×8分塊，分別記為DCx（1，1），DCy（1，1），DCz（1，1），其中x

步驟5：對(duì)于嵌入信息w1有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系，即

11，DCx（1，1）≥DCy（1，1）…DCy（1，1）≥DCz（1，1）10，DCx（1，1）≥DCy（1，1）…DCy（1，1）≥DCz（1，1）01，DCx（1，1）

嵌入時(shí)，當(dāng)w1'取值為11或10時(shí)，DCx（1，1）與MAX（DCx（1，1），DCy（1，1），DCz（1，1））進(jìn)行值交換；當(dāng)w1'取值為01或00時(shí)，DCx（1，1）與MIN（DCx（1，1），DCy（1，1），DCz（1，1））進(jìn)行值交換。

然后再進(jìn)行DCy（1，1）和DCz（1，1）的值調(diào)整，當(dāng)w1'取值11或01時(shí)應(yīng)滿足DCy（1，1）≥DCz（1，1），否則交換兩者數(shù)值； 當(dāng)w1'取值10或00時(shí)應(yīng)滿足DCy（1，1）≤DCz（1，1），否則交換數(shù)值。

步驟6：根據(jù)公式（5）判斷調(diào)整后的三個(gè)系數(shù)間最大差值與閾值T的關(guān)系。

α=DCmax（1，1）-DCmin（1，1）β=α-T。 （5）

若β>0則整個(gè)系數(shù)不做調(diào)整，若β<0則

DCmax（1，1）=DCmax（1，1）+βDCmid（1，1）=DCmid（1，1）+β/2， （6）

式中：DCmax（1，1），DCmid（1，1），DCmin（1，1）分別代表最大值、中間值和最小值；T為嵌入閥值。

2.3 水印提取

水印提取過(guò)程如圖4所示，具體步驟如下：

步驟1：根據(jù)公式（1）計(jì)算a等于10和20的均值序列AVE10和AVE20，兩條均值線相交的幀即為選定的嵌入幀。

步驟2：查找嵌入幀亮度最大的3個(gè)8×8分塊，分別記為DCx（1，1），DCy（1，1），DCz（1，1）。

步驟3：根據(jù)公式（4）提取嵌入信息。

步驟4：對(duì)提取信息進(jìn)行逆變換，得到嵌入信息。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不可見(jiàn)性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Winxp系統(tǒng)，Matlab7.0，視頻格式MPEG-2，大?。ㄏ袼兀?286×504，每秒25幀，格式為4∶2∶0，時(shí)長(zhǎng)15 min。水印為32×32二值圖像（圖2），格式bmp，參數(shù)a取值10和20，T取值6。學(xué)界一般采用峰值信噪比（PSNR）來(lái)判斷水印的不可見(jiàn)性，計(jì)算方式如式（7），其中m和n為幀的長(zhǎng)和寬，P和P*分別為嵌入前后的圖像。

為驗(yàn)證算法的不可見(jiàn)性，采用兩種測(cè)試方法：第一，計(jì)算水印嵌入的PSNR值，從數(shù)值上判定水印不可見(jiàn)性；第二，選取水印嵌入前后的相同嵌入幀進(jìn)行肉眼直觀對(duì)比，以確定是否能夠直接看出水印嵌入對(duì)視頻造成的影響。

首先進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表 1所示。表1中qs表示視頻量化的比例因子。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)PSNR達(dá)到30以上時(shí)，人們就無(wú)法通過(guò)肉眼直接觀察到視頻的差異；而本算法PSNR實(shí)測(cè)值達(dá)到58.03，從理論上分析，水印嵌入造成的畫(huà)質(zhì)影響無(wú)法用肉眼觀察到。然后截取水印嵌入前后的同一個(gè)嵌入幀（如圖5所示）進(jìn)行直接觀察，無(wú)法感覺(jué)到明顯的差異。所以可以得出結(jié)論，本算法具有較好的不可見(jiàn)性，水印的嵌入對(duì)視頻質(zhì)量的影響很難被感覺(jué)到。

3.2 魯棒性測(cè)試

水印算法的魯棒性主要考察水印嵌入后通過(guò)不同的攻擊后，水印信息能否保持完整的能力，一般采用提取水印與原始水印相似度（NC值）來(lái)判斷。為了測(cè)試本文算法的魯棒性，選取表2所列的各類常規(guī)攻擊方式，給定不同參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并分別計(jì)算NC值，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)各類攻擊測(cè)試算法始終能夠保持較高的NC值，尤其針對(duì)椒鹽攻擊、縮放攻擊表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗干擾性，NC值始終能夠保持在0.9以上?？梢缘贸鼋Y(jié)論，本文算法具有良好的魯棒性，能夠確保在各類情況下的水印正常提取。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于視頻采樣點(diǎn)均值曲線相交的定位方法確定水印嵌入幀，并利用嵌入幀高亮分塊DC數(shù)值和位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)水印信息的嵌入算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，算法具有較大嵌入量的同時(shí)滿足魯棒性和不可見(jiàn)性的平衡，是一種較好的視頻盲水印算法。

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（責(zé)任編輯：徐興華）