H.264碼流下的數(shù)字視頻水印算法探究

王 偉

（海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南 瓊海 571400）

Wang Wei

（Hainan College of Software Technology, Qionghai 571400, China）

H.264碼流具備了非常廣泛的發(fā)展前景，是由ITU-T編碼專家組與ISO/IEC編碼專家組共同開發(fā)的新型編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.264與以往標(biāo)準(zhǔn)相同，均是DPCM加變換編碼之后的混合型編碼。其運(yùn)用的目標(biāo)非常廣，能夠滿足各類不一樣速率的視頻運(yùn)用，具備了相當(dāng)好的抗誤碼以及抗丟包處置能力。H.264基本系統(tǒng)并不需要版權(quán)，是完全開放的性質(zhì)，能夠非常好地適應(yīng)于IP以及無線網(wǎng)絡(luò)之運(yùn)用，這對(duì)于如今需要利用網(wǎng)絡(luò)來傳輸多媒體信息的用戶來說顯得更加便捷。

1 H.264框架概述

H.264主要有3個(gè)框架，每一框架均可支持多種編解碼的功能，也會(huì)有相當(dāng)多的運(yùn)用，下面進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。（1）基線框架。該框架屬于H.264簡(jiǎn)化版本，使用面相當(dāng)廣。它能夠廣泛支持幀間以及幀內(nèi)的編碼，可以支持I幀、P 幀以及CAVLC，其實(shí)際運(yùn)用包括了可視電話視頻會(huì)議和無線通信。（2）主框架。主要是能夠支持交錯(cuò)視頻和B幀，可用于幀間編碼與熵編碼，而且還能支持CABAC。其運(yùn)用領(lǐng)域包括了視頻存儲(chǔ)與電視廣播等?？蛇\(yùn)用多項(xiàng)提高圖像質(zhì)量與加大壓縮比的相關(guān)技術(shù)舉措，用在SDTV，HDTV或者DVD上。（3）擴(kuò)展框架。雖然并不支持交錯(cuò)視頻以及CABAC，但是卻加入了部分在比特流切換過程中有實(shí)際效果的幀模式，其主要運(yùn)用是網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸與運(yùn)用。

2 H.264碼流主要結(jié)構(gòu)

H.263碼流結(jié)構(gòu)為分級(jí)結(jié)構(gòu)，分為4層，分別是圖像層、塊組層、宏塊層以及塊層。H.264碼流結(jié)構(gòu)與之相比具有相當(dāng)大的差別，它所運(yùn)用的不僅僅是非常嚴(yán)格的分級(jí)結(jié)構(gòu)，而是被分為視頻編碼層與網(wǎng)絡(luò)提取層等兩層。VCL數(shù)據(jù)就是被壓縮編碼之后的視頻序列。只有在VC數(shù)據(jù)被封裝至NAL單元以后，才能夠進(jìn)行傳輸或者存儲(chǔ)。RBSP是指封裝在網(wǎng)絡(luò)抽象單元之中的數(shù)據(jù)，也被稱為原始字節(jié)的序列載荷，屬于NAL基本傳輸單元。RBSP還可被分成視頻編碼數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)，其主要結(jié)構(gòu)是在原始的編碼數(shù)據(jù)之后加入了結(jié)尾比特，從而讓字節(jié)得以對(duì)齊。

3 H.264碼流下的數(shù)字視頻水印算法

3.1 基于H.264碼流的數(shù)字視頻水印算法框架

在視頻碼流之中嵌入相應(yīng)水印的算法主要是針對(duì)已經(jīng)編碼的視頻壓縮碼流所實(shí)施的數(shù)字水印嵌入式操作，這就不需要先實(shí)施完全的視頻解碼，其后再實(shí)施水印嵌入與再編碼這么復(fù)雜了。于是研究者Hartung與Girod率先提出一種以碼流為基礎(chǔ)的數(shù)字水印算法，也就是H&G算法。應(yīng)用部分解碼之思想可以在H.264碼流當(dāng)中的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)矢量所嵌入的水印實(shí)現(xiàn)了對(duì)視頻進(jìn)行完整認(rèn)證的運(yùn)用。H&G算法在理論上能夠支持MPEG1，MPEG4，H.261以及H.263等的運(yùn)用，但是H.264的壓縮標(biāo)準(zhǔn)在整體性能上已經(jīng)有了非常大的提升，和以前的壓縮標(biāo)準(zhǔn)比起來有新的轉(zhuǎn)變。比如，DCT變換與熵編碼等，所以，H&G算法在H.264的應(yīng)用中有相當(dāng)大的難度。為了能夠?qū)崿F(xiàn)在H.264碼流之中嵌入水印的目標(biāo)，可以以解碼思想為前提，全面結(jié)合內(nèi)置型視頻水印嵌入規(guī)則，所以也就需要運(yùn)用H.264碼流下的視頻水印算法。

3.2 基于H.264碼流的水印信息預(yù)處理方法

為了能夠去掉水印圖像具有的相關(guān)性，可以對(duì)水印的圖像實(shí)施置亂。一樣的道理，在數(shù)字視頻水印后處理時(shí)期，整塊錯(cuò)誤像素往往會(huì)在置亂逆的過程之后分散于整個(gè)水印圖像之中，從而提升水印具有的魯棒性。本研究應(yīng)用二維Amold變換對(duì)水印的信息實(shí)施置亂。使用水印圖像為32×32的二值圖像開展Amold變換，即可得到所需要的水印圖像。

3.3 基于H.264碼流的水印嵌入方法

3.3.1 對(duì)水印嵌入的位置進(jìn)行選擇

筆者的算法是從宏塊之中的各個(gè)4×4 DCT塊中選取一枚嵌入到水印之中。依據(jù)人的視覺特點(diǎn)，人眼對(duì)復(fù)雜的紋理往往會(huì)不夠敏感，所以也就需要運(yùn)用紋理的復(fù)雜度來選擇所要嵌入的相應(yīng)區(qū)域。有研究證明了圖像塊DCT在變化之后的AC系數(shù)能夠很好地反映出本塊的具體紋理特點(diǎn)，可將塊交流系數(shù)之平方和為表示紋理復(fù)雜度之參數(shù)。因?yàn)椴糠趾陦K總體紋理較為復(fù)雜，所以即便是在兩個(gè)4×4塊之中嵌入相應(yīng)的水印，對(duì)于視頻在視覺上的影響還不夠大。所以，對(duì)于那些紋理比較復(fù)雜的宏塊來說，可選擇在兩個(gè)4×4塊中嵌進(jìn)2比特大小的水印。在一個(gè)宏塊之中，幀內(nèi)預(yù)測(cè)則是由左至右，由上而下加以預(yù)測(cè)。一旦在a、b、c、d等4×4塊之中嵌入相應(yīng)的水印，就會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的誤差不斷累積。所以，如果不在這些4×4塊之中嵌入相應(yīng)的水印，盡管會(huì)損失部分水印的嵌入量，但對(duì)于視頻質(zhì)量的提高來說依然具備了明顯的成效。在DCT變換之后所得到的系數(shù)可以分成直流系數(shù)與交流系數(shù)兩類。直流系數(shù)可以說是圖像之中最為重要的組成部分，表示4×4 所具有的平均亮度。交流系數(shù)包括了低頻、中頻、高頻等不同系數(shù)。其中，低頻系數(shù)的幅值比較大，所嵌入的水印可能會(huì)影響到視頻的整體質(zhì)量。因?yàn)楦哳l系數(shù)大多是0，所以抗攻擊的能力相對(duì)較差，在嵌入水印之后則會(huì)對(duì)碼流造成非常大的影響。鑒于在各系數(shù)中嵌入水印具有不可知性以及魯棒性，因此筆者建議挑選一個(gè)中頻系數(shù)嵌入到水印之中。在嵌入位置選擇上，主要分為以下步驟：首先是分別計(jì)算出宏塊之中16個(gè)4×4 塊各自不同的紋理復(fù)雜度參數(shù)，并且從中選出參數(shù)最大的與第二大的4×4塊，分別設(shè)為B1和B2，其所對(duì)應(yīng)的紋理復(fù)雜度參數(shù)則分別是S1與S2?？稍贐1的中頻系數(shù)之一中嵌入大小為1 bit的水印。如果S1大于所設(shè)定之閾值，那么就應(yīng)當(dāng)在B2的中頻系數(shù)之一中嵌入大小為1 bit的水印。

3.3.2 水印的嵌入和提取

可以運(yùn)用一個(gè)中頻系數(shù)所具有的奇偶性以實(shí)現(xiàn)嵌入水印之目標(biāo)。一旦水印位是0，那么則調(diào)制為偶數(shù)。一旦水印位是1，那么就調(diào)制成奇數(shù)。水印的提取就是水印嵌入的一個(gè)逆過程，提取的方法非常簡(jiǎn)單易行。

3.3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

不一樣的角色和應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于數(shù)字視頻水印特性具有不同要求，但截至目前，尚無能夠統(tǒng)一而全面的評(píng)價(jià)方法對(duì)水印算法實(shí)施科學(xué)評(píng)估。一方面是主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要是評(píng)判者依據(jù)個(gè)人感覺所進(jìn)行的評(píng)價(jià)。依據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)于圖像質(zhì)量的損害感知度，主要分成5個(gè)等級(jí)，最高為優(yōu)秀等級(jí)，得5分；最低為極差等級(jí)，得1分。人眼主觀評(píng)價(jià)對(duì)于最后的視頻質(zhì)量評(píng)估具備較強(qiáng)的實(shí)用性，然而在開發(fā)過程中的用處不是很大，實(shí)際視頻質(zhì)量還是用定性標(biāo)準(zhǔn)，不是客觀標(biāo)準(zhǔn)加以確定的。另一方面是客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。一是均方差，常見于統(tǒng)計(jì)之中，具備了極大的實(shí)用性。二是信噪比，就指有用信號(hào)和所引入噪聲之比值，在視頻中被視為判斷重建視頻質(zhì)量之尺度。三是比特增加率，也就是含水印碼流和不含水印碼流之間的數(shù)據(jù)增加量，體現(xiàn)出水印對(duì)于壓縮比之影響，

3.4 基于H.264碼流的水印算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)所運(yùn)用的是H.264軟件模型JM8.6，而測(cè)試序列所使用的則是QCIF格式的foreman與football序列。就主觀視覺實(shí)施進(jìn)行比較，碼流再嵌入水印之后實(shí)施視頻重建，可以對(duì)圖像和標(biāo)準(zhǔn)視頻所重建的圖像加以比較。在客觀上，可以對(duì)平均峰值的信噪比加以比較。因?yàn)閒oreman序列之中的PSNR降低比要多于carphone序列，這是由于在選擇嵌入位置之時(shí)是以紋理的復(fù)雜度參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的，但是carphone序列要比foreman序列的紋理更加復(fù)雜，所以carphone序列的PSNR降低會(huì)更小。由于在H.264碼流中上尚未找到與此相似的算法。就主觀層面上的視覺效果來判斷，在嵌入水印前、后所重建起來的圖像，用人眼基本上感覺不出來兩者之間的差別。就客觀上的PSNR來考慮，嵌入水印之前與之后所重建起來的圖像PSNR變化值也相當(dāng)理想。對(duì)于那么紋理較為復(fù)雜的視頻序列來說，效果會(huì)更加好。由此可知，H.264碼流下的數(shù)字視頻水印算法具備了相當(dāng)好的不可見性。

4 結(jié)語

總之，本項(xiàng)目對(duì)如何在數(shù)字視頻碼流之中嵌入水印開展了探究，提出以H.264碼流為基礎(chǔ)的視頻水印算法。這一算法引入H&G算法主要框架，對(duì)于H.264碼流來說，只需要實(shí)施局部解碼即可，并不需要實(shí)行整體解碼。立足于對(duì)嵌入位置進(jìn)行精心選擇，能夠切實(shí)降低嵌入水印之后誤差傳遞率，以提升嵌入水印之后的視頻總體質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了H.264碼流下的數(shù)字視頻水印算法具備可操作性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孫克輝，程 巍，陳艷山.基于混沌和運(yùn)動(dòng)矢量的視頻水印算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011（8）：3046-3048.

[2] 聶秀山，劉 琪，秦豐林.基于多維標(biāo)度和奇異值分解的視頻水印算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010（10）：15-18.

[3] 呂安強(qiáng).抵抗多種攻擊的視頻水印新方案[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2009（11）：2205-2211.

[4] 盛利元，孫克輝，李傳兵.基于切延遲的橢圓反射腔離散混沌系統(tǒng)及其性能研究[J].物理學(xué)報(bào)，2004（9）：2871-2876.

[5] 孫圣和，陸哲明，牛夏牧，等.數(shù)字水印技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[6] 王福麗，陳雪松，韓 靜.基于DWT和SVD的視頻水印算法研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（4）：83-86.

[7] 杜耀剛，姚 文.視頻水印算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011（2）：144-146.

[8] 楊樹國(guó)，梁家棟，張永林.基于改進(jìn)的JND模型的視頻水印算法[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（5）：112-118.