采用可逆水印的HEVC視頻完整性認證方案

董曉慧， 林其偉， 許東旭

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

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采用可逆水印的HEVC視頻完整性認證方案

董曉慧， 林其偉， 許東旭

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

摘要：針對最新的視頻編碼標準HEVC/H.265，提出一種基于可逆水印的視頻完整性認證方案.首先，算法根據(jù)第一個I幀中相鄰塊的直流系數(shù) (DC)系數(shù)之間的大小關(guān)系提取特征碼；然后，從第二個圖像組(GOP)的P幀開始，通過修改運動矢量某一分量的幅值嵌入水印，并且把修改前幅值的最低有效位信息嵌入到該塊最后一個離散余弦轉(zhuǎn)換(DCT)系數(shù)上以實現(xiàn)視頻還原.實驗結(jié)果表明：算法簡單有效，具有較好的脆弱性，同時能夠?qū)σ曨l進行無失真還原.

關(guān)鍵詞：運動矢量; 離散余弦轉(zhuǎn)換; HEVC/H.265; 完整性認證; 可逆水印

數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在以令人震驚的速度和規(guī)模發(fā)展，使得數(shù)字多媒體產(chǎn)業(yè)的面貌發(fā)生翻天覆地的變化.然而在享受它們帶來的便利的同時，也常常不得不接受盜版侵權(quán)和內(nèi)容惡意篡改現(xiàn)象所帶來的困擾.因此，數(shù)字多媒體產(chǎn)品的版權(quán)保護和內(nèi)容認證成為急需解決的重要問題[1]，而視頻水印技術(shù)是一種非常有效的解決方案.目前的視頻正向著高清分辨率甚至超清分辨率發(fā)展，而現(xiàn)有的視頻編碼技術(shù)已經(jīng)遠遠不能滿足消費者的需求[2].完整性認證是一種發(fā)現(xiàn)信息篡改，驗證信息完整性、真實性的技術(shù).可實現(xiàn)完整性認證的技術(shù)有數(shù)字簽名和數(shù)字水印技術(shù).用于認證的數(shù)字水印技術(shù)可分為脆弱水印和半脆弱水印兩種[3].國內(nèi)外尚未見關(guān)于HEVC可逆視頻水印方案，文獻[4-6]也只涉及信息隱藏，現(xiàn)有的可逆水印方案大多是基于H.264的.文獻[7-10]在一個宏塊中嵌入多比特的其他宏塊信息，以在解碼時對受損數(shù)據(jù)進行恢復(fù)或估計.Huo等[11]提出在H.264中，根據(jù)4×4塊的預(yù)測模式分布,采用“和不變”的方法嵌入可逆水印.Lin等[12]提出在H.264/AVC基礎(chǔ)上，利用相鄰宏塊的殘差量化后的(discrete cosine transformation,DCT)系數(shù)值預(yù)測當(dāng)前塊的值，并利用預(yù)測差值的直方圖平移嵌入水印.Liu等[13]在一個量化后的離散余弦轉(zhuǎn)換DCT系數(shù)上嵌入水印，使用耦合系數(shù)進行補償，從而消除誤差漂移.張維緯等[14]將當(dāng)前宏塊DCT系數(shù)的哈希值作為水印嵌入到下一個相鄰宏塊中，水印提取的同時對當(dāng)前塊進行數(shù)據(jù)還原.本文結(jié)合HEVC/H.265的新特點，創(chuàng)新性地提出一種基于HEVC/H.265的可逆視頻水印方案.

1HEVC/H.265變換、量化和幀間預(yù)測

1.1HEVC/H.265中的變換和量化

HEVC/H.265和H.264類似，對預(yù)測殘差也進行DCT整數(shù)變換.不同的是H.264只固定采用了4×4塊DCT變換尺寸,而HEVC/H.265中則以變換單元(TU)進行變換和量化,DCT變換的尺寸可以更加靈活地在32×32塊到4×4塊之間取值.此外，HEVC/H.265還創(chuàng)新性采用4×4塊離散正弦變換(discrete sine transform,DST)，不過僅將它用于4×4塊的幀內(nèi)預(yù)測殘差的編碼.HEVC/H.265與H.264的量化過程一樣,都是在整數(shù)DCT變換時一并完成的，并且量化步長有52個等級(0～51).此外，HEVC/H.265也使用了率失真優(yōu)化的量化(rate distortion optimized quantization,RDOQ)技術(shù)，從而在給定碼率的情況下選擇最優(yōu)的Quantitative parameters(QP)使重建圖像失真最小.

與H.264不同的是，HEVC/H.265在TU中分別對亮度和色度分量進行量化操作.在TU中,所有變換系數(shù)都按照一個特定的QP統(tǒng)一進行量化和反量化.這使得HEVC/H.265的RDOQ比H.264提高約5%的編碼效率(亮度)，但會增加計算復(fù)雜度.與H.264采用的Zig-Zag 掃描方法不同，HEVC/H.265將一個大的TU分成若干個4×4塊系數(shù)組，如果TU采用幀內(nèi)預(yù)測模式，則根據(jù)幀內(nèi)預(yù)測方向自適應(yīng)選擇水平、垂直和對角3種方式中的一種，如果TU采用的是幀間預(yù)測模式，則只能使用對角掃描方式.

1.2HEVC/H.265幀間預(yù)測

HEVC/H.265在H.264基礎(chǔ)上主要進行了以下2點改進.

1) 幀間預(yù)測時，允許CU對稱或非對稱地劃分為更小的PU，PU可以為方形，也可以是矩形.這使得PU在運動估計和運動補償中更精確地符合圖像中運動目標的形狀，而不需要進一步細分來解決.

2) HEVC/H.265對運動參數(shù)的編碼有Inter、改進的Skip和Merge 3種模式.前兩種與H.264類似，Merge模式是HEVC/H.265新引入的一種運動合并技術(shù)，對鄰近的PU進行合并處理，從而傳輸一次運動參數(shù)即可.對HEVC/H.265中的Skip模式，編碼器只需編碼運動合并候選者的索引信息，以保證解碼時Skip PU可以拷貝中選者的運動參數(shù)作為自己的參數(shù).

2水印信息生成

對于生成水印信息的特征碼，要求其具有穩(wěn)定性[15]，特征碼的生成和嵌入不應(yīng)該選在同一幀.這樣能夠避免因為選擇區(qū)域相同，給特征碼生成及水印提取帶來不穩(wěn)定因素.因此,文中選擇在第一個I幀提取特征碼并且通過密鑰加密，進而生成水印信息，因為I幀采用幀內(nèi)編碼，是視頻編碼中最重要的環(huán)節(jié)，比P幀更具有穩(wěn)定性.此外,由于算法是在編碼端嵌入水印的方案，經(jīng)過編碼壓縮形成碼流，在解碼端通過解碼器提取水印信息，因而要求特征碼對視頻壓縮具有魯棒.統(tǒng)計表明：圖像的直流系數(shù) (dc coefficients,DC)系數(shù)對于不同的壓縮情況，相鄰兩位仍然基本保持大小不變，因此，文中充分利用這一特點來構(gòu)造特征碼.具體有如下3個生成過程.

1) 將第一個I幀的視頻圖像分一個個DCT變換塊.

2) 找出每個塊的DC系數(shù)，比較相鄰兩個DC系數(shù)DCj和 DCj+1的大小，即

(1)

產(chǎn)生的特征碼序列為M={M1,M2,…,Mn-1}.

3) 對特征碼加密生成水印信息，有

(2)

式(2)中: ⊕為異或操作；pj是偽隨機序列；最終生成待嵌入水印序列為w={w1,w2,…,wn-1}.

3可逆水印的嵌入過程

3.1水印嵌入位置選擇

由于在P幀的運動矢量上嵌入水印有利于保證水印的脆弱性，并且P幀的編碼要參考I幀，因此，在P幀嵌入認證水印也能認證I幀的完整性.文中選擇從第二個圖像組(GOP)的第一個P幀開始，在它之后每個P幀都嵌入水印信息，通過修改P幀運動矢量某一分量的幅值進行水印嵌入.為了實現(xiàn)視頻無失真還原，將修改前分量幅值的最低有效位信息(LSB)嵌入到DCT量化后的最后一個系數(shù)(LN)上.

3.2水印嵌入算法

具體嵌入步驟有如下3個步驟.

步驟1在P幀視頻碼流中,對于運動參數(shù)編碼方式為Skip/Merge的塊進行跳過處理，同時全零塊也跳過，不進行水印嵌入.這是因為Skip編碼的塊沒有運動矢量和殘差信息，而Merge編碼的塊不進行運動估計，若修改會造成較大的率失真性能損失.然后,對剩下的每個非Skip/Merge編碼的塊嵌入1 bit水印信息.

步驟2選擇P幀運動矢量中x方向運動分量幅值Vx，修改該分量以實現(xiàn)水印嵌入的公式為

(3)

步驟3將修改前分量幅值的最低有效位信息嵌入到該塊量化后的最后一個DCT系數(shù)上,即

(4)

式(4)中:LN′和LN分別為修改前后DCT變換塊的最后一位系數(shù)；LSB(Vx)表示修改前運動矢量分量幅值的最低有效位信息.

4水印的提取

水印提取即水印嵌入的逆過程為盲提取，提取方法簡單，不需要原始視頻.算法水印的提取位置在解碼端熵解碼之后進行.由系數(shù)值提取運動矢量分量幅值的最低有效位信息，再根據(jù)提取到的LSB信息和運動矢量分量的幅值信息一起進一步提取出水印.水印提取有如下3個規(guī)則.

1) 對HEVC/H.265壓縮碼流進行解碼，得到每個DCT塊反量化前的系數(shù)和運動矢量信息.

2) 由嵌入公式可知，Vx的奇偶性和LN′是一致的，因此，提取出水印嵌入之前運動矢量分量幅值的最低有效位信息的公式為

(8)

3) 同樣地，由于在水印嵌入時，嵌入公式是將Vx的奇偶性改成與當(dāng)前水印位一致，因此，提取水印信息的公式為

(9)

5視頻還原

視頻還原可按照水印嵌入公式的逆變換進行.具體有如下2個步驟.

步驟1根據(jù)解碼端的DCT系數(shù)最后一位數(shù)值和提取出來的Vx最低有效位信息，還原出原始的DCT最后一位系數(shù)值，即

(10)

步驟2無失真地恢復(fù)出原始的運動矢量的分量信息，即

(11)

6實驗結(jié)果與分析

為了驗證算法的有效性和性能，利用HEVC/H.265測試平臺HM12.0進行仿真實驗.實驗中使用了5個不同的典型標準測試序列：PeopleOnStreet，Traffic，ParkScene，BQTerrace和Vidyo3.參考軟件配置參數(shù)如表1所示.

表1　HM的主要參數(shù)配置

6.1水印嵌入的影響

3個測試序列在嵌入水印和進行視頻還原前后的視頻圖像,如圖1所示.由圖1可知：在水印嵌入前后，人眼幾乎察覺不出視頻質(zhì)量的變化，從主觀上證明了算法滿足水印的不可見性.

(a) ParkScene原始視頻圖像　　(b) BQTerrace原始視頻圖像　　(c) Vidyo3原始視頻圖像

(d) ParkScene含水印的視頻圖像　(e) BQTerrace含水印的視頻圖像　(f) Vidyo3含水印的視頻圖像

(g) ParkScene還原后視頻圖像　(h) BQTerrace還原后視頻圖像　(i) Vidyo3還原后視頻圖像圖1　水印嵌入前后和視頻還原前后視頻圖像質(zhì)量對比Fig.1　Comparison of the visual quality between the original and the marked frames

5個不同的測試序列在水印嵌入前后(未經(jīng)過還原模塊)的RSN,2、經(jīng)過還原模塊的RSN,2、比特率(η)、水印容量(C)以及編碼時間(t)的對比情況，如表2所示.表2中：符號“+”表示嵌入水印之后相對于原始是增加的；符號“-”表示嵌入水印之后相對于原始是降低的.

表2　對測試序列的實驗結(jié)果

由表2可知：編碼時間的增加量都在1%以內(nèi)，說明水印的嵌入對編碼時間影響很??；而RSN和碼率也僅有微小的變化，從客觀上證明了算法水印嵌入對視頻質(zhì)量影響很小.這是因為HEVC/H.265含有很多Skip/Merge編碼的塊，越是運動平緩的視頻，其中含有的Skip/Merge編碼的塊越多.

統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示.而算法對這類塊沒有作任何修改，即使在修改的塊中，對運動矢量分量的幅值修改量也不會超過1.因此，對視頻本身的影響也較小，這也正是在運動劇烈且分辨率較高的視頻序列中水印嵌入容量較大，而在運動平緩和分辨率較低的的視頻中容量較小的原因.經(jīng)過還原的視頻RSN和原始完全一樣，證明了算法的可逆性.

表3　Skip和Merge編碼塊所占比重

6.2完整性認證

當(dāng)正確提取率(δ)小于某個閾值時，可認為完整性認證結(jié)果為“不完整”.實驗中閾值設(shè)為0.999，分別使用了運動劇烈序列PeopleOnStreet、運動平緩序列Vidyo3和中等劇烈視頻ParkScene 3個典型測試序列.在不同QP下含水印視頻遭受攻擊后的完整性認證情況，如表4所示.表4中：“True”表示認證結(jié)果為“完整”；“False”表示認證結(jié)果為“不完整”.實驗驗證了第2個GOP的完整性.

表4　完整性認證實驗結(jié)果

由表4可知：在未遭到攻擊時，算法能正確提取出水印，在遭受攻擊時，水印不能被正確提取，而且正確提取率較低說明了算法在認證視頻完整性方面靈敏有效.

7結(jié)論

提出了一種基于HEVC/H.265的視頻可逆脆弱水印算法，算法通過從I幀提取特征碼作為水印嵌入到P幀運動矢量的某個分量當(dāng)中，對該分量的修改量很小，保證了視頻即使通過普通解碼器解碼，人眼也很難察覺水印嵌入前后視頻圖像的差異.

利用高頻DCT系數(shù)來記錄修改前的信息以實現(xiàn)視頻無失真還原.因此，通過含有還原模塊的解碼器，可以做到對視頻質(zhì)量完全無影響，在一些特定場合依然不影響視頻使用.算法在RSN、比特率、編碼時間及水印嵌入容量上能取得較好的折中，并且水印的脆弱性是由P幀運動矢量的脆弱性保證的，具有較高的敏感度.

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(責(zé)任編輯： 陳志賢 英文審校： 吳逢鐵)

Scheme of Video Integrity Authentication Based on Reversible Watermarking for HEVC

DONG Xiaohui, LIN Qiwei, XU Dongxu

(College of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

Abstract：An algorithm of reversible watermarking based on new video coding standard HEVC/H.265 is proposed in this paper. The proposed algorithm firstly compares the DC coefficients coefficient of contiguous two blocks in the first I frame to create an authentication code. Secondly, embed the code as watermark into P frames from the second group of pictures by modifying one motion vector component amplitude, then embed the least significant bit of the original MV amplitude into the last coefficient of the discrete cosine transformation block to restore original video. Experimental results show that the proposed algorithm has good fragility and is easily to be extracted from the video, what′s more, it can restore the video exactly.

Keywords：motion vector; discrete cosine transformation; HEVC/H.265; integrity authentication; reversible watermarking

中圖分類號：TP 391

文獻標志碼：A

基金項目：福建省自然科學(xué)基金資助項目(2012J01275)

通信作者：林其偉(1959-)，男，副教授，博士，主要從事視頻編碼與網(wǎng)絡(luò)通信方式的研究.E-mail:qwlin@hqu.edu.cn.

收稿日期：2014-07-31

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.02.0190

文章編號：1000-5013(2016)02-0190-06