基于DCT變換的視頻水印算法研究與仿真

馮和平 李翠翠 宋杰

摘要： 數(shù)字水印是一種數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護技術(shù)，它可以標識作者等版權(quán)保護信息和認證信息，可以監(jiān)視被保護數(shù)據(jù)的傳播，鑒別真?zhèn)危鉀Q版權(quán)糾紛，因此它一出現(xiàn)即成為熱點問題。文章主要針對數(shù)字水印技術(shù)在視頻版權(quán)保護中的應(yīng)用情況，提出了一種實用的用于視頻水印的算法，并給出了Matlab仿真結(jié)果。實驗證明，該視頻水印方案能夠抵抗多種干擾和攻擊，具有良好的穩(wěn)定性、魯棒性和防篡改性。

Abstract： Digital watermarking is a digital copyright protection technology. It can be identified by information such as copyright protection and authentication information， can monitor the spread of the protected data， can distinguish authenticity and resolve copyright disputes， so it emerged as a hot issue. This paper aimed at the application of digital watermarking technology in video copyright protection， proposed a practical algorithm for video watermarking， DCT and IDCT transform in the algorithm can be achieved by logic circuits in the FPGA development platform，and gave the Matlab simulation results. Experiments show that the video watermarking scheme resistant to a variety of interference and attacks， has good stability， robustness and tamper-resistant nature.

關(guān)鍵詞： 數(shù)字水??；視頻；仿真；DCT變換

Key words： watermarking；video；simulation；DCT transform

中圖分類號：TP309.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0151-02

0 引言

視頻水印是針對數(shù)字視頻載體的主客觀的時間和空間冗余加入信息，不會影響視頻的質(zhì)量，還能達到保護版權(quán)和內(nèi)容完整性檢驗?zāi)康牡乃〖夹g(shù)，視頻水印不但具有一般水印技術(shù)的特征，而且還有一些特殊的要求，可概括為：不可見性：視頻嵌入水印后不影響視頻畫面的質(zhì)量，從而確保視頻數(shù)據(jù)的商業(yè)價值；穩(wěn)健性：視頻水印應(yīng)該能夠抵抗各種無意或故意的攻擊包括幀平均、幀丟棄、幀交換等專門針對視頻水印的攻擊；安全性：視頻水印中的信息應(yīng)是安全的，保證不能被輕易的被篡改或偽造，未經(jīng)授權(quán)的用戶無法正確地檢測、提取或移除水??；與視頻編碼標準相結(jié)合：在原始視頻中嵌入水印必須考慮視頻編碼標準，不然嵌入的水印有可能在編碼過程中消失。

本設(shè)計采用空間域和變換域相結(jié)合的水印算法即在原始視頻的DCT變換域中進行水印的嵌入和提取，且本設(shè)計將按塊進行頻域變換和將視頻流看成靜態(tài)圖像的序列兩種方式相結(jié)合再利用圖像水印技術(shù)進行水印處理技術(shù)進行水印的嵌入和提取，所以魯棒性和不可感知性有了較大的改善。

1 視頻水印模型

視頻水印同一般水印一樣分為兩部分：水印的嵌入、水印的檢測和提取。水印的嵌入就是將水印信息按照事先約定好的位置嵌入到原始數(shù)據(jù)中。如圖1所示。

水印信號檢測和提取是指按照水印嵌入思想判斷某一數(shù)據(jù)中是否含有指定的水印信號并提取出水印信號的過程。因為保存所有的原始視頻是比較困難的，因此檢測模型采用盲檢測即不需要原始參照視頻，模型如圖2所示。

2 視頻水印算法

視頻是由一系列連續(xù)的靜止圖像在時間域構(gòu)成的序列，因此靜止圖像水印技術(shù)可以直接運用于視頻水印之中，本設(shè)計就是在靜止圖像水印技術(shù)基礎(chǔ)上提出的一種新的盲視頻水印方案，該方案是在DCT變換域中嵌入和提取水印，但運算量大，只有實時性要求不太高時才能滿足視頻媒體實時處理的要求，為此又設(shè)計了兩個硬件模塊：DCT變換和IDCT變換，從而提高了視頻處理的實時性。視頻文件的嵌入和提取流程圖如圖3。

2.1 水印的嵌入算法

將一幅真彩色圖片作為水印信息嵌入到視頻流中，具體方法如下：首先將水印圖片的RGB值分解成為24個矩陣，再從0和1中任意選一個標志位，這樣就有同樣大小的25個矩陣作為水印信息，25個矩陣中的數(shù)有0和1組成，為了保證水印的不可感知性和減小計算所帶來的誤差，假設(shè)M是二值矩陣，大小為M1×M2，則M={m（i，j），0≤i

其次將原始視頻（25幀/s）中每幀真彩色圖片的RGB值重新組合生成一個同幀圖片矩陣大小相等的新矩陣，把新矩陣分成8×8的小塊進行DCT變換，變換后再將相應(yīng)的水印信息嵌入到8×8小塊預(yù)定的位置上，以便提高水印的魯棒性和不可感知性，其中25n（n>=1）幀作為標志幀。嵌入后再將8×8小塊進行DCT反變換即IDCT變換還原到原始視頻中。

嵌入算法的Matlab仿真結(jié)果如圖4。

水印嵌入過程中DCT和IDCT變換運算量大，用軟件實現(xiàn)會占用大量CPU資源，運算時間過長，因此將DCT和IDCT變換硬件模塊化，以自定義指令的方式與Avalon總線連接，實現(xiàn)各個模塊的協(xié)調(diào)工作，從而提高了處理效率。DCT硬件模塊利用Verilog HDL語言及結(jié)構(gòu)圖的方式編寫，該模塊直接與Avalon總線連接，實現(xiàn)8×8二維矩陣的離散余弦變換。利用軟件以64個數(shù)為一個單位順序?qū)懭朐撃K，再將計算結(jié)果順序輸出。IDCT硬件模塊也是利用Verilog HDL語言及結(jié)構(gòu)圖的方式編寫，直接與Avalon總線連接，實現(xiàn)8×8二維矩陣的離散余弦反變換，利用軟件以64個數(shù)為一組順序?qū)懭朐撃K，再將計算結(jié)果順序輸出。

2.2 水印的檢測算法

本檢測算法采用盲提取，具體思路如下：根據(jù)嵌入算法將嵌入水印后視頻中每幀真彩色圖片的RGB值重新組合生成含有水印信息的新矩陣，把新矩陣分成8×8的小塊進行DCT變換，再從嵌入位置提取出水印信息，提取過程中要設(shè)定一個閥值h/2，若提取的值大于h/2則將其變?yōu)?否則變?yōu)?，這樣就可以得到25個水印信息矩陣，且第25個矩陣是標示矩陣起到一個標志的作用。最后按照水印圖片的分解方法重新組合即可得到要提取的水印圖片。原水印和在不同強度下提取水印效果圖如圖5（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）和（g）所示。將原視頻流進行兩種方式篡改，一種是椒鹽處理，另一種是雙線性插值旋轉(zhuǎn)處理，分別提取水印的效果圖和處理后的視頻效果圖如圖5（h）、（i）、（j）和（k）。由提取實驗結(jié)果可知：水印像素點的強度h=52即可達到最佳效果。

3 結(jié)果分析

文章設(shè)計實現(xiàn)了基于DCT變換的數(shù)字視頻水印嵌入和提取方案，使用DCT變換，不會增加視頻流的數(shù)據(jù)比特率。由Matlab仿真結(jié)果可知：該方案不影響原內(nèi)容的價值和使用，具有較好的魯棒性和不可見性，且該方案的提取算法能夠檢測到視頻數(shù)據(jù)是否被篡改，具有一定的防篡改性，給攻擊者增加了一些去除水印的難度。

參考文獻：

[1]Rotation T Pun.Scal and translation invariant spread spectrum digital image watermarking.Signal Processing，1998，66（3）： 303-317.

[2]Bors A. Image watermarking using block site selection and D.C.T domain constraints.Optics Express，1998，3（12）：512-523.

[3]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：科學出版社，2004：578.

[4]孫悅，孫洪，姚天任.多媒體水印技術(shù)的研究進展與應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003，25（6）：772-776.

[5]王炳錫，陳琦，鄧峰森.數(shù)字水印技術(shù)[M].西安：電子科技大學出版社，2003.