李瑩

摘 要： 為了將視頻水印技術(shù)應(yīng)用于實時流媒體的安全傳輸，設(shè)計并實現(xiàn)了一個實時流媒體數(shù)字水印系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于客戶機/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)，采用模塊化的思路進行設(shè)計，服務(wù)器端支持以數(shù)字形式輸入的視頻流，客戶端可以在解碼播放的同時實時提取出數(shù)字水印信息。為了滿足流媒體的實時、安全傳輸，提出了一種改進的水印算法，該算法計算每段碼流中所有可變長度碼（VLC）對應(yīng)的游程累積和，當(dāng)累積和大于30時修改該段碼流中最后一個VLC的值。最后將該算法與經(jīng)典的差分能量水印（DEW）算法在魯棒性、不可感知性、水印容量和計算復(fù)雜性等方面進行了對比，結(jié)果表明提出的算法優(yōu)勢明顯。

關(guān)鍵詞： 流媒體； 數(shù)字水?。?動態(tài)圖像專家組； 性能評價

中圖分類號： TN919.6?34； TP309.2 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0045?05

Realization of real?time streaming media digital watermarking system

and its performance evaluation

LI Ying

（School of Information Engineering， Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）

Abstract： To apply video watermarking technique in real?time streaming media security transmission， a real?time streaming media digital watermarking system was designed. On the basis of client/server （C/S） frameworks， the system is designed by modularized method. The server?side supports video streaming inputted in digital form， and the client?side can extract digital watermarking information while decoding playing. To guarantee real?time and security transmission of streaming media， an improved watermarking algorithm is proposed. The algorithm calculates cumulative sums corresponding to all variable length codes （VLC）in each code streaming. When the cumulative sum is larger than 30， the last VLC value in code streaming in this section is modified. The proposed algorithm and classical differential energy watermarking （DEW） are compared in the aspects of robustness， imperceptibility， watermarking capacity and computing complexity. The comparison results show that the advantage of the proposed algorithm is outstanding.

Keywords： streaming media； digital watermarking； MPEG； performance evaluation

0 引 言

流媒體是指通過網(wǎng)絡(luò)傳播，能在本地終端播放，具有實時特征的媒體內(nèi)容編碼數(shù)據(jù)流，原理是把連續(xù)的音頻信息經(jīng)過壓縮處理放到互聯(lián)網(wǎng)上，用戶首先在網(wǎng)絡(luò)上定位資源，然后建立專門的流媒體傳輸通道進行信息的傳輸[1]。流媒體的出現(xiàn)大大方便了人們的生活和學(xué)習(xí)，但也隨之帶來非法拷貝、作品侵權(quán)等嚴(yán)重問題。數(shù)字水印技術(shù)是指將信息嵌入數(shù)字載體（如多媒體信息流、文檔等）中，既不影響原載體的使用，也使其不易修改[2]。由于數(shù)字水印技術(shù)可以在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保護流媒體信息的版權(quán)和完整，因此該技術(shù)也得到了快速發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者對流媒體數(shù)字水印技術(shù)開展了大量研究，Liu等人使用水印方法進行視頻保護[3]，水印在嵌入前需進行場景檢測，能處理丟幀、幀交換、噪聲等問題。Biswas等人提出自適應(yīng)地向視頻壓縮域中添加水印的算法[4]，該算法可以隨壓縮域被解碼而自適應(yīng)地調(diào)整。Ye等人提出一種自適應(yīng)的視頻水印方案[5]，通過塊分類的方法選擇合適的嵌入位置，該算法充分考慮了編碼時量化步長的變化，在一定程度上能滿足實時的應(yīng)用需求。雖然針對流媒體數(shù)字水印技術(shù)的研究較多，但由于流媒體技術(shù)融合了服務(wù)器配置、并發(fā)訪問控制、智能緩存、傳輸協(xié)議、音頻信息處理、媒體數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，需要解決的技術(shù)問題非常多[6]。水印技術(shù)也要滿足安全、魯棒、隱蔽等要求[7]，目前常用的算法都存在一定缺陷。為了解決這兩個問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個實時流媒體數(shù)字水印系統(tǒng)，并提出一種快速水印算法，通過與經(jīng)典的DEW算法對比，證明本算法的優(yōu)勢明顯。結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計合理、性能良好。

1 基于MPEG?4實時流媒體數(shù)字水印系統(tǒng)的設(shè)計

進行實時流媒體數(shù)字水印技術(shù)研究時，需要一套完整的實時流媒體系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上研究有效的水印算法。實時流媒體數(shù)字水印系統(tǒng)的實現(xiàn)主要考慮系統(tǒng)設(shè)計、服務(wù)器端設(shè)計和客戶端設(shè)計三部分內(nèi)容。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計主要包括系統(tǒng)架構(gòu)選擇、編碼標(biāo)準(zhǔn)選擇和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議選擇三部分內(nèi)容。對于系統(tǒng)架構(gòu)，實時流媒體系統(tǒng)的常用架構(gòu)是C/S模式和P2P模式，由于本文的實時流媒體系統(tǒng)主要用于局域網(wǎng)內(nèi)，并且需要一個明確的媒體源提供者角色，而且并發(fā)訪問用戶的數(shù)量也有限，因此使用C/S架構(gòu)。對于編碼標(biāo)準(zhǔn)，目前常用的編碼格式是H.264，MPEG?2和MPEG?4，由于MPEG?4包含對象編碼、圖像分層處理等先進技術(shù)，在編碼質(zhì)量和計算復(fù)雜性上具有很好的平衡，因此本文采用MPEG?4格式。對于網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，考慮到成本、傳輸層的穩(wěn)定性，并參考目前的成熟框架，本文使用應(yīng)用層的RTP/RTSP協(xié)議作為實時流媒體系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

1.2 服務(wù)器端設(shè)計

基于C/S模式的實時流媒體數(shù)字水印系統(tǒng)中，服務(wù)器端處于核心地位，服務(wù)器端包含了五個子模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、MPEG?4編碼器模塊、數(shù)字水印嵌入模塊、流媒體服務(wù)器模塊和控制中心。其中，數(shù)據(jù)采集模塊用于實時捕獲圖像數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行壓縮編碼和緩存。MPEG?4編碼器模塊用于對數(shù)據(jù)采集模塊緩存的圖像序列進行壓縮編碼，輸出為MPEG?4碼流。數(shù)字水印嵌入模塊負(fù)責(zé)完成水印嵌入功能，本文的數(shù)字水印算法將在第2節(jié)詳細介紹。流媒體服務(wù)器模塊負(fù)責(zé)儲存已有的MPEG?4視頻文件，并向用戶提供連接和傳輸服務(wù)?？刂浦行闹饕ㄟ^對服務(wù)器端運行時的實時數(shù)據(jù)進行分析，動態(tài)地調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以保證服務(wù)器端高效穩(wěn)定運行。

1.3 客戶端設(shè)計

客戶端部署在普通PC機上，主要包括：網(wǎng)絡(luò)連接模塊、數(shù)字水印信息提取模塊、視頻解碼與視頻播放模塊和控制中心四個子模塊。其中，網(wǎng)絡(luò)連接模塊的作用是將用戶的點播需求轉(zhuǎn)化為流媒體應(yīng)用規(guī)范的連接請求，并向服務(wù)器發(fā)出請求，請求通過后維護網(wǎng)絡(luò)連接、接收視頻數(shù)據(jù)。數(shù)字水印信息提取模塊的作用是，只有在正確提取數(shù)字水印的前提下才允許用戶對視頻數(shù)據(jù)進行解碼播放。視頻解碼與視頻播放模塊能夠?qū)?fù)合ISO標(biāo)準(zhǔn)的MPEG?4視頻文件與視頻流進行解碼?？刂浦行牡墓δ苁桥c用戶操作進行交互，將用戶的操作指令轉(zhuǎn)化為訪問請求，再通過網(wǎng)絡(luò)連接模塊通知服務(wù)器端。

2 改進的實時流媒體數(shù)字水印快速算法

目前常用的流媒體數(shù)字水印算法主要有基于離散余弦變換（DCT）系數(shù)修改的算法[8]、差分能量水印算法（DEW）[9]和基于VLC修改的算法[10]三種。但基于DCT系數(shù)修改的算法和DEW算法都有計算復(fù)雜、難以保證實時性、水印容量低的缺點，不適合應(yīng)用在實時流媒體中?；赩LC修改的算法雖然適合應(yīng)用在實時流媒體中，但該算法比較固定且容易被破解。因此本節(jié)參考基于VLC修改的算法，提出一種基于VLC修改且結(jié)合碼流填充的水印算法。

2.1 數(shù)字水印算法的基本概念

研究數(shù)字水印算法時，需要涉及最低有效位（LSB）替換方法和填充方法。LSB替換方法是指對于要處理的碼流對象，將其最低有效位使用水印信息進行替換。LSB替換方法在視頻處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其快速簡單的思想滿足流媒體對實時性的要求。

當(dāng)一幀數(shù)據(jù)被編碼完成，需要寫入碼流時，需要采用填充的方法對其進行后處理，包括加入供解碼用的符號位、修改碼流片段頭部信息、長度補齊、設(shè)定塊結(jié)束符等動作。在當(dāng)前的視頻編碼中，填充主要分為補充填充、修改填充、補充與修改結(jié)合三種。

2.2 改進的數(shù)字水印算法原理

視頻數(shù)據(jù)源是空間域的圖像，在編碼過程中經(jīng)顏色空間轉(zhuǎn)換和DCT變換后，其對應(yīng)的頻域為8×8 DCT矩陣。頻域中的DCT矩陣再經(jīng)過量化、熵編碼、算術(shù)編碼等步驟，對應(yīng)到碼流中的VLC，碼流生成的基本過程如圖1所示。

圖1 碼流的生成過程

水印嵌入算法將MPEG?4碼流按片段進行劃分，每一個碼流片段最多嵌入1 b水印信息。如果當(dāng)前處理的碼流片段沒有被算法選中，則不進行處理。首先使用密鑰生成偽隨機序列，作為水印嵌入的調(diào)制模板，執(zhí)行嵌入時水印信息按照模板逐比特進行嵌入。嵌入水印之后，還要保證碼流不變。

水印提取算法與嵌入算法類似，首先通過密鑰生成偽隨機序列，然后定位碼流片段，最后將碼流片段中包含的水印信息提取出。提取水印時同樣需要對碼流片段的描述信息進行分析，以保證水印的正確提取。

2.2.1 水印嵌入

水印嵌入算法分為調(diào)制水印信息和嵌入數(shù)字水印兩個步驟。對于調(diào)制水印信息，使用偽隨機序列對水印信息進行調(diào)制時，需要參考當(dāng)前MPEG?4碼流中的碼流片段數(shù)量，以此作為隨機數(shù)的生成空間大小，再以水印信息的長度（即比特數(shù)）作為生成空間的種子數(shù)。這樣做的好處是：當(dāng)MPEG?4碼流中碼流片段的數(shù)目大于水印信息長度時，能夠比較均勻地將水印信息嵌入至整個碼流中，保證信息分布的隨機性。

對于嵌入數(shù)字水印，嵌入算法的思想如下：

（1） 將數(shù)字水印信息序列化，方便逐位處理。

（2） 根據(jù)水印調(diào)制得到的序列，在視頻碼流緩存中查找嵌入位置所處的碼流片段。

（3） 比較執(zhí)行LSB嵌入之后的碼流長度[L1]和原始碼流長度[L0，]如果[L1L0，]則撤銷之前的LSB嵌入操作；如果[L1=L0，]則保存LSB嵌入后的碼流；當(dāng)碼流中所有塊都被處理完成后，得到新的MPEG?4碼流。

2.2.2 水印提取

水印提取分為生成調(diào)制模板和提取數(shù)字水印兩個步驟。其中，生成調(diào)制模板與水印嵌入時使用偽隨機序列調(diào)制相同。提取數(shù)字水印的思想如下：

（1） 輸入待解碼的視頻碼流，首先對當(dāng)前碼流片段進行VLC解碼；

（2） 計算碼流片段中最后一個VLC的游程累積和，記為[i；]

（3） 比較[i]和閾值[c，]如果[i>c，]則使用LSB方法提取VLC的最低有效位；如果[i≤c，]則重新計算最后一個VLC的游程累積和，并重新比較[i]和[c，]直到碼流中所有塊都被處理完畢。

2.2.3 本文算法嵌入閾值的選擇

視頻的質(zhì)量和水印的不可感知性由水印嵌入前后對應(yīng)幀的峰值信噪比（PSNR）衡量，PSNR值越大，進行比較的畫面越接近。本文的LSB替換方法希望盡可能作用于高頻信號對應(yīng)的系數(shù)，所以算法選擇碼流片段最后一個VLC進行LSB替換。本文算法通過設(shè)置一個閾值[c，]用來作為碼流片段最后一個VLC是否能夠被LSB替換的判斷閾值。當(dāng)最后一個VLC的游程累積和大于[c]時，可以對VLC進行LSB替換。

如果[c]值太大（如大于50），碼流片段中可能沒有VLC與之對應(yīng)，導(dǎo)致水印容量很小；如果[c]值太?。ㄈ缧∮?0），會造成視頻質(zhì)量大幅下降，破壞水印的不可感知性。本文基于人類視覺系統(tǒng)（HVS）模型，通過大量實驗，對MPEG?4視頻流進行了分析和統(tǒng)計，MPEG?4視頻流進行LSB嵌入前后對應(yīng)幀的PSNR平均值，如圖2所示。由圖2可以看出，隨著[c]值增大，PSNR逐漸上升。[c]值在[15，32]之間時，PSNR變化劇烈，[c]值超過32后，PSNR變化平緩，因此建議[c]的取值范圍為[30，35]，本文取30。

圖2 c值與PSNR對應(yīng)關(guān)系

3 系統(tǒng)性能評價

本節(jié)對開發(fā)的實時流媒體數(shù)字水印系統(tǒng)的性能進行評價，包括對水印系統(tǒng)的流媒體實時性能評價和對水印算法的性能進行評價。其中，水印算法的評價又分為魯棒性、不可感知性、水印容量和計算復(fù)雜性四部分。為了進行對比，設(shè)置了兩種場景，場景1的服務(wù)器與客戶端位于同一個局域網(wǎng)內(nèi)，場景2的服務(wù)器與客戶端位于不同局域網(wǎng)內(nèi)。

3.1 流媒體實時性評價

衡量流媒體性能的主要指標(biāo)是系統(tǒng)的實時性能，主要包括初始連接時間、數(shù)據(jù)傳輸延時和客戶端接收數(shù)據(jù)包的時間分布三個因素。

3.1.1 初始連接時間

初始連接時間是指從客戶端發(fā)出連接請求，到第一幀視頻數(shù)據(jù)傳輸至客戶端花費的時間，初始連接時間反映了服務(wù)器端的資源查找和調(diào)度效率。在兩種場景下對初始連接時間分別測試20次取平均值，場景1的初始連接時間為2.7 s，場景2的初始連接時間為18.6 s，說明服務(wù)器與客戶端位于同一個局域網(wǎng)時初始連接時間更短。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸延時

數(shù)據(jù)傳輸延時是指在服務(wù)器端編碼的一幀數(shù)據(jù)從編碼完成，到被客戶端接收解碼播放所花費的時間，數(shù)據(jù)傳輸延時體現(xiàn)了流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。同樣在兩種場景下對數(shù)據(jù)傳輸延時分別測試20次取平均值，場景1的數(shù)據(jù)傳輸延時為11.7 s，場景2的數(shù)據(jù)傳輸延時為26.6 s，同樣慢于場景1，這表明流媒體系統(tǒng)的服務(wù)器端在合理的配置下提供了穩(wěn)定的傳輸性能。

3.1.3 客戶端接收數(shù)據(jù)包的時間分布

由于網(wǎng)絡(luò)傳輸存在抖動，會導(dǎo)致客戶端接收數(shù)據(jù)包時出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，即某個時間段內(nèi)收到的數(shù)據(jù)包多，某個時間段內(nèi)收到的很少，影響了客戶端觀看視頻的連貫性。測試時，客戶端從建立連接傳輸圖像后開始，對連續(xù)60 s內(nèi)收到數(shù)據(jù)包的收包時間戳進行記錄，分析這連續(xù)60 s內(nèi)收包時間戳在時間上的一維分布，從而判斷網(wǎng)絡(luò)的抖動程度，分布均勻說明抖動輕微。從記錄開始，每1 s為一個區(qū)間，統(tǒng)計落在區(qū)間內(nèi)的時間戳數(shù)量，如圖3所示。由圖3可以看出，場景1的抖動較小，這是因為網(wǎng)絡(luò)性能較好，數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定，丟包率也較低。

圖3 客戶端60 s內(nèi)接收數(shù)據(jù)包的時間分布

3.2 數(shù)字水印算法性能評價

對水印算法的評價從魯棒性、不可感知性、水印容量和計算復(fù)雜性四部分展開。為了直觀表達，測試時將本文算法與經(jīng)典的DEW算法進行對比。

3.2.1 魯棒性評價

魯棒性體現(xiàn)了水印算法的安全性，本節(jié)的測試通過對水印被正確提取的概率分析水印的魯棒性。測試時，在服務(wù)器端設(shè)置水印信息為“Welcome to the System”，測試進行10次嵌入和提取，測試結(jié)果取平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 水印提取的誤碼率

[誤碼率 /（Mb/s）＼&DEW /%＼&本文算法＼&4＼&0.5＼&0＼&5＼&0.3＼&0＼&]

由表1可以看出，DEW算法有較小的提取錯誤概率，而本文算法達到了零誤碼率，這表明本文算法可以滿足正確提取的要求。

3.2.2 不可感知性評價

對于流媒體視頻數(shù)字水印，不可感知性是指水印嵌入前后流媒體視頻的改變程度，改變越大，水印對視頻數(shù)據(jù)的修改越多，畫面紋理、亮度、色彩改變的程度也越大，更容易被察覺。感知度評價又可分為客觀評價和主觀評價。

（1） 客觀評價

客觀評價比較的是一段視頻序列在嵌入水印前后的PSNR，對比時數(shù)據(jù)源使用一段時長5 min的MPEG?4視頻流。測試時從該視頻流的第100幀開始，記錄并計算連續(xù)35幀數(shù)據(jù)在嵌入水印前后對比的PSNR，如圖4所示。其中，嵌入閾值均設(shè)為30。

圖4 PSNR值對比

由圖4可以看出，本文算法的不可感知性優(yōu)于DEW算法，這是由于DEW算法修改了更多的DCT系數(shù)，將子區(qū)域中大于閾值的DCT系數(shù)全部置為0，因此視覺質(zhì)量較低。

（2） 主觀評價

主觀評價的做法是：多人次對嵌入了水印的視頻流通過肉眼觀察其播放質(zhì)量。以第120幀的畫面為例，對比如圖5所示。

圖5 第120幀畫面對比

由圖5可以看出，由于使用了相同的MPEG?4視頻編碼器，且兩種算法都是小幅修改了視頻的碼流，因此視頻質(zhì)量都比較好，通過肉眼難以看出差別。

3.2.3 水印容量評價

測試對象選擇一個320×240分辨率的MPEG?4視頻文件，編碼碼率為4 Mb/s。測試時平均20幀/s視頻，記錄其中每幀的水印容量，測試得本文算法的水印容量為132 B，DEW算法的水印容量為7 B。按實時流媒體中每秒15幀計算，本文算法的水印容量為16 Kb/s，而DEW算法的水印容量為0.85 Kb/s。因此，本文算法的水印容量遠大于DEW算法的水印容量。

3.2.4 計算復(fù)雜性評價

計算復(fù)雜性的評價方法是：計算平均一幀視頻數(shù)據(jù)進行水印嵌入時花費的嵌入時間，看其占平均每幀編碼花費的時間比例。兩種算法的對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 每幀視頻的編碼時間與水印嵌入時間

由圖6看出，本文算法的水印嵌入耗時占編碼耗時的9.3%，而DEW算法的水印嵌入耗時占編碼耗時的12.4%。本文算法的計算復(fù)雜性小于DEW算法，因此更容易滿足實時性要求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于MPEG?4的實時流媒體數(shù)字水印系統(tǒng)，并提出了基于VLC修改和碼流填充方法的實時流媒體數(shù)字水印算法，最后從魯棒性、不可感知性、水印容量和計算復(fù)雜性四個角度出發(fā)，將本文算法與經(jīng)典的DEW算法進行對比，結(jié)果表明本文的算法更適合用于對實時性和水印容量要求較高的場合。

參考文獻

[1] 田暉，盧璥，陳永紅.流媒體信息隱藏的安全性界定及安全容量模型[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，27（3）：5?10.

[2] 宋蘇宇，何振，呂書林.一種基于Arnold和量化的DCT域盲水印算法[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，26（5）：48?52.

[3] LIU Y， WANG D L， ZHAO J Y. Video watermarking based on scene detection and 3D DFT [C]// Proceedings of 2007 the 5th IEEE International Conference on Circuits， Signals and Systems. Canada： IEEE， 2007： 124?130.

[4] BISWAS S， DAS S R， PETRIU E M. An adaptive compressed MPEG?2 video watermarking scheme [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2005， 54（5）： 1853?1861.

[5] YE D P， ZOU C F， DAI Y W， et al. A new adaptive watermarking for real?time MPEG videos [J]. Applied Mathematics and Computation， 2007， 185（2）： 907?918.

[6] 謝舒婷，張珍.基于XACML流媒體服務(wù)器的Web訪問控制模型[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2010，20（9）：136?139.

[7] 梁強，邱志宏，張愛科.基于水印技術(shù)的隱蔽通信算法設(shè)計[J].計算機工程與科學(xué)，2010，32（8）：32?35.

[8] 王宏霞，何晨，丁科.采用均值量化的DCT域數(shù)字水印[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2004，16（8）：1134?1139.

[9] 文志強，朱文球，胡永祥.基于離散小波變換的差分能量水印技術(shù)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2013，30（6）：25?28.

[10] LANGELAAR G C， LAGENDIJK R L， BIEMOND J. Real?time labeling of MPEG?2 compressed video [J]. Journal of Visual Communication and Image Representation， 1998， 9（4）： 256?270.