王偉

摘 要：文章提出DCT系數(shù)之下的MPEG-2視頻水印技術(shù)運(yùn)用方法。這一算法對(duì)相關(guān)水印信息進(jìn)行Hash置亂之后嵌入到I幀色度的DC系數(shù)之上。該算法把混沌理論、置亂技術(shù)以及擴(kuò)頻技術(shù)等加以匯總以后全面應(yīng)用至視頻水印體系之中，從而提升了水印所具有的不可預(yù)見特性、魯棒特性以及安全特性。文章對(duì)數(shù)字視頻水印技術(shù)進(jìn)行了概述，闡述了DCT系數(shù)在視頻水印技術(shù)中的運(yùn)用方法，并分析了DCT系數(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：DCT；數(shù)字視頻水??；技術(shù)

鑒于我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)數(shù)字化信息所實(shí)施的交流也已經(jīng)達(dá)到了極大的深度，發(fā)布的方式也變得更為豐富?，F(xiàn)代人可隨時(shí)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)布自身作品或者搜索所需要的視頻。然而，隨后產(chǎn)生的非法侵權(quán)盜版甚至惡意篡改等現(xiàn)象變得愈加嚴(yán)重。由于上網(wǎng)后可對(duì)音視頻或者圖像等進(jìn)行隨心所欲地下載、編輯以及運(yùn)用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)侵權(quán)問題變得更加嚴(yán)重起來(lái)，所以如何對(duì)音視頻以及圖像等作品的作者權(quán)益實(shí)施合理保護(hù)，對(duì)經(jīng)過(guò)作者授權(quán)的使用者怎樣實(shí)施資格驗(yàn)證，也就成了一定要合理處置好的問題。此時(shí)，一種全新的信息技術(shù)，即數(shù)字水印技術(shù)正好應(yīng)運(yùn)而生。這一技術(shù)主要是在原始的數(shù)據(jù)當(dāng)中加進(jìn)他人不知的秘密信息來(lái)核實(shí)此數(shù)據(jù)之所有權(quán)。這類被嵌入其中的水印或者是文字，或者為標(biāo)識(shí)，或者為序列號(hào)，且往往并不可見。水印和原始數(shù)據(jù)之間相互密切聯(lián)系，并且隱藏于其中，從而也就成了源數(shù)據(jù)的重要組成部分之一。數(shù)字水印技術(shù)依據(jù)載體主要可以可分成文本、圖像、音頻、視頻以及軟件水印等。筆者在此所探究的是將離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）系數(shù)運(yùn)用到視頻之中的水印技術(shù)[1]。

1 數(shù)字視頻水印技術(shù)概述

視頻水印技術(shù)屬于數(shù)字水印技術(shù)研究的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)。由于視頻具備了自己鮮明的特色，所以探究的內(nèi)容涵蓋了水印算法與水印嵌入形式、水印安全性等。判斷的性能指標(biāo)包括了隱蔽性、嵌入量以及安全性等。目前，常用的數(shù)字視頻水印嵌入辦法分成3類：（1）將數(shù)字水印直接就嵌到原始的視頻流之中。這一方案的好處是水印嵌入辦法多，一般來(lái)說(shuō)數(shù)字圖像水印都能使用這一辦法。（2）將水印嵌入到編碼變換域當(dāng)中的系數(shù)之中。比如，可以把水印嵌入到DCT系數(shù)當(dāng)中，一旦動(dòng)態(tài)圖像專家組（Moving Pictures Experts Group.MPEG）編碼器用的是DCT變換的話，那么就把水印嵌進(jìn)DCT系數(shù)之中。如果用的是小波變換的話，那么就把水印嵌入到小波量化系數(shù)之中。這一方案的好處在于水印只是嵌入到量化系數(shù)之中，并不至于提高視頻流數(shù)據(jù)產(chǎn)生的比特率，而且還容易設(shè)計(jì)可應(yīng)對(duì)各類攻擊的水印。（3）將水印直接嵌入到MPEG壓縮的比特流之中。這一方案的好處是沒有了解碼與再編碼這一過(guò)程，所以也就不至于導(dǎo)致視頻質(zhì)量有所降低，而且計(jì)算的復(fù)雜度也比較低。劣勢(shì)則是因?yàn)閴嚎s比特率是有限制的，所以也就控制了所嵌入的水印數(shù)據(jù)量[2]。

2 DCT系數(shù)在視頻水印技術(shù)中的運(yùn)用方法

2.1對(duì)水印實(shí)施預(yù)處理的方法

（l）為持續(xù)提升水印安全性，應(yīng)當(dāng)對(duì)水印實(shí)施置亂，其后所看到的就是一幅缺乏條理的圖像，該圖像不僅沒有色彩和紋理，而且還沒有形狀，以至于難以得到一絲一毫的有用信息。依據(jù)該特點(diǎn)，參與置亂之外的人員絕對(duì)無(wú)法對(duì)圖像實(shí)施各類統(tǒng)計(jì)和分析，甚至在其截取到這一圖像以后也無(wú)法做到。筆者建議使用Hash置亂，就是因?yàn)檫@一算法具備了無(wú)沖突與強(qiáng)密鑰保障的鮮明特征，可以稱得上是絕佳的置亂方法。

（2）運(yùn)用混沌序列把水印轉(zhuǎn)換為偽隨機(jī)序列，使用混沌序列，不管是在圖像數(shù)字水印之中，還是在視頻數(shù)字水印之中，均有非常好的成效。該序列的優(yōu)勢(shì)是具備了非常好的隨機(jī)性，大大高于傳統(tǒng)意義上的序列發(fā)生器所制造處理的序列。因?yàn)閷?duì)初條件以及參數(shù)非常敏感，所以該系統(tǒng)密鑰的空間大，有較高的抗破譯功能。所形成的混沌序列復(fù)雜度非常高。一般來(lái)說(shuō)，因?yàn)榛煦缧盘?hào)對(duì)初始條件具備了極高的敏感性，所以往往會(huì)成為偽隨機(jī)信號(hào)的優(yōu)先考慮對(duì)象，如此即可對(duì)其信號(hào)實(shí)施加密性調(diào)制。筆者所使用的是通過(guò)混沌序列，對(duì)置亂之后的水印予以擴(kuò)頻調(diào)制，實(shí)施步驟是把置亂之后的水印圖像依據(jù)由左至右、由上而下的次序轉(zhuǎn)化為一維序列，并把其轉(zhuǎn)換為（-1，1）這一雙極性序列B。其后，把長(zhǎng)度32的混沌序列同樣轉(zhuǎn)換為（-1，1）的雙極性序列P。最后，再把雙極性水印序列實(shí)施32位比特重復(fù)，用雙極性混沌序列P加以調(diào)制，形成需要加以嵌入的水印序列W[3]。

2.2對(duì)水印實(shí)施嵌入的方法

本實(shí)驗(yàn)在I幀色度DC系數(shù)之中嵌進(jìn)水印。主要操作方式是：（1）依據(jù)位置讀取原始?jí)嚎s狀態(tài)下的視頻。（2）在讀至I幀信息過(guò)程中把嵌入的次數(shù)標(biāo)成0。（3）運(yùn)用幀內(nèi)解碼法對(duì)所讀取宏塊之中的色度塊實(shí)施VLC解碼，以求得到色度DC的系數(shù)。（4）計(jì)算出水印嵌入值。為切實(shí)降低對(duì)色度DC系數(shù)所造成的各種影響，使用自適應(yīng)分類取值法：一旦原色度DC系數(shù)絕對(duì)值在0-20之間，那么強(qiáng)度是2；一旦原色度DC系數(shù)絕對(duì)值在21至50之間，那么強(qiáng)度是4；-旦原色度DC系數(shù)絕對(duì)值超過(guò)了51，那么強(qiáng)度則是6。（5）對(duì)嵌入了水印之后的色度DC系數(shù)實(shí)施VLC編碼，并且取代原有色度DC系數(shù)的VL編碼。（6）重復(fù)前5點(diǎn)一直到水印嵌入完。一旦原視頻的信息量過(guò)大，可把水印信息進(jìn)行重復(fù)性嵌入，如此即可極大地提升水印具有的魯棒性。

2.3對(duì)水印實(shí)施提取的方法

本方法并不要求用原來(lái)的視頻碼流提取相關(guān)水印，運(yùn)用對(duì)已經(jīng)加入到水印中的視頻碼流實(shí)施局部解碼，并且依據(jù)I幀對(duì)應(yīng)的色度DCT系數(shù)加以計(jì)算。主要步驟是：（l）依據(jù)位讀取出已經(jīng)嵌入到水印中的壓縮狀態(tài)視頻流。（2）在讀至I幀頭部的信息過(guò)程，把次數(shù)的標(biāo)記設(shè)成0。（3）依據(jù)幀內(nèi)的宏塊解碼法，對(duì)所讀到的宏塊之中的色度塊實(shí)施VLC解碼，從而確定色度DC系數(shù)。（4）對(duì)I幀中的色度DCT系數(shù)加以計(jì)算。水印提取過(guò)程中的誤碼率主要是取決于序列之長(zhǎng)度以及水印之強(qiáng)度。（5）重復(fù)前4步，一直到完全提取好水印信息為止。將所提取水印序列加以恢復(fù)為0、l序列之后，依據(jù)從左至右、由上而下的次序建立二維矩陣數(shù)據(jù)，并且轉(zhuǎn)換為二值圖像，通過(guò)反置亂之后得出最終的水印圖像[4]。

3 DCT系數(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

3.1水印具備的不可見性狀況

（l）差異化嵌入強(qiáng)度差異對(duì)于視頻造成的不同影響。為了更加方便地檢測(cè)各類不同強(qiáng)度，可以在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用MPEG-2視頻“football”為測(cè)試的序列，確定步長(zhǎng)是8，應(yīng)用不一樣的嵌入強(qiáng)度，分別是0，1，2，3，4，6，其后再?gòu)乃度胨∫曨l之中取出I幀畫面之后，和沒有水印的同一幀畫面加以對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，如果嵌入的強(qiáng)度愈小，那么嵌入對(duì)于視頻畫面造成的影響也就愈小。在強(qiáng)度是1，2，3時(shí)一般并無(wú)變化，在強(qiáng)度達(dá)到4時(shí)畫面中己出現(xiàn)輕微變化，在強(qiáng)度達(dá)到6之后，畫面就出現(xiàn)了顯著變化。因?yàn)闃O少數(shù)DC系數(shù)相對(duì)較大，所以這一算法自適應(yīng)置入嵌入強(qiáng)度的變化界限是1，3，4，6。

（2）相同嵌入強(qiáng)度對(duì)于各種類型視頻造成的不同影響。在具體實(shí)驗(yàn)可使用MPEG-2視頻“mobile”“foreman”加以測(cè)試。在不同類型的視頻中嵌入一樣強(qiáng)度的水印之后，原始視頻與嵌入水印之后的視頻幾乎并無(wú)分別。同時(shí)，還可依據(jù)人的主觀感受來(lái)評(píng)價(jià)水印所具有的不可見性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中引入峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）為不可見性的主要度量指標(biāo)。各類不同視頻在嵌入一樣強(qiáng)度的水印之后，圖像就會(huì)出現(xiàn)變化。不管幀數(shù)怎樣增加，I幀PSNR都在30以上，從而確保了水印具備不可見性。

3.2水印具備的魯棒性狀況

魯棒性通常關(guān)注的是對(duì)圖像處理所實(shí)施的攻擊，包括了縮放、噪聲、旋轉(zhuǎn)、銳化以及抖動(dòng)等方式。視頻水印不僅要對(duì)這些攻擊具備魯棒性，而且還一定要關(guān)注別的視頻處理攻擊方式，比如，幀刪除、幀替換以及擾動(dòng)等。擾動(dòng)攻擊通常是指與加入噪聲相類似的攻擊形式。如果攻擊者掌握了水印嵌入辦法，甚至于對(duì)嵌入水印中的DC系數(shù)也有部分掌握的話，那就能夠?qū)σ曨l當(dāng)中的DC系數(shù)實(shí)施隨機(jī)型擾動(dòng)，以求盡可能地影響到水印提取工作。在此狀況之下，水印就要具備相應(yīng)的魯棒性。筆者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨機(jī)選了數(shù)組圖像，并在其色度中增加了隨機(jī)序列，其后在實(shí)施水印提取，可發(fā)現(xiàn)細(xì)微擾動(dòng)之前與之后圖像并無(wú)多大變化，所提取水印序列和原始水印的序列是一樣的。還有一種辦法是實(shí)施乘性擾動(dòng)，把偽隨機(jī)序列和DC系數(shù)乘起來(lái)，會(huì)對(duì)視頻圖像造成極大干擾。通過(guò)這一擾動(dòng)方式，視頻會(huì)出現(xiàn)極大變化，導(dǎo)致難以從中提取所需水印。但是，因?yàn)槌诵詳_動(dòng)對(duì)于圖像所造成的影響過(guò)大，往往會(huì)導(dǎo)致視頻失去應(yīng)用功能，故此類攻擊的實(shí)用性相當(dāng)小。

3.3水印具備的安全性狀況

沒有通過(guò)授權(quán)的人如果要運(yùn)用不正當(dāng)方式來(lái)得到視頻水印信息的話，通過(guò)以下兩類辦法：（1）合理猜測(cè)經(jīng)授權(quán)用戶的密鑰。可使用統(tǒng)計(jì)手段加以推測(cè)，因?yàn)楸疚牡乃惴☉?yīng)用了Hash加以置亂，具備了無(wú)沖突與強(qiáng)密鑰控制等鮮明特征，所以使用這種攻擊方式能夠猜中密鑰的把握非常小，可全面阻止。（2）在密鑰存在偏差的情況下予以攻擊。但是，即便是非常小的一點(diǎn)偏差，實(shí)施置亂之后的結(jié)果也存在非常大的差別。所以，這一算法對(duì)于抵御第二類攻擊也具備非常好的作用。

4結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，數(shù)字視頻水印不僅被使用于版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域，而且還被運(yùn)用到隱蔽通信領(lǐng)域之中。筆者在文中所探討的數(shù)字視頻水印技術(shù)在不可預(yù)見特性、魯棒特性、實(shí)時(shí)特性以及安全特性等方面具有極好的性能，尤其是在魯棒性上。本實(shí)驗(yàn)對(duì)于水印實(shí)施了包括擾動(dòng)、幀刪除以及格式轉(zhuǎn)化等在內(nèi)的各種攻擊手段，均取得了很好的成效。原因是在實(shí)施了加擾之后，DC系數(shù)之變化主要依然停留于算法所預(yù)留的各項(xiàng)變化范疇之中。通過(guò)幀刪除的攻擊以后，所產(chǎn)生的水印序列就有可能被移位，然而水印序列屬于重復(fù)性嵌入，通過(guò)匯總即可提取到更為精準(zhǔn)的相關(guān)信息。

[參考文獻(xiàn)]

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