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(hù)技術(shù)，它可以標(biāo)識(shí)作者等版權(quán)保護(hù)信息和認(rèn)證信息，可以監(jiān)視被保護(hù)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(diǎn)問(wèn)題。文章主要針對(duì)數(shù)字水印技術(shù)在視頻版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用情況，提出了一種實(shí)用的用于視頻水印的算法，并給出了Matlab仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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)字水印；視頻；仿真；DCT變換

Key words： watermarking；video；simulation；DCT transform

中圖分類號(hào)：TP309.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）14-0151-02

0 引言

視頻水印是針對(duì)數(shù)字視頻載體的主客觀的時(shí)間和空間冗余加入信息，不會(huì)影響視頻的質(zhì)量，還能達(dá)到保護(hù)版權(quán)和內(nèi)容完整性檢驗(yàn)?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(jiàn)性：視頻嵌入水印后不影響視頻畫(huà)面的質(zhì)量，從而確保視頻數(shù)據(jù)的商業(yè)價(jià)值；穩(wěn)健性：視頻水印應(yīng)該能夠抵抗各種無(wú)意或故意的攻擊包括幀平均、幀丟棄、幀交換等專門針對(duì)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(wú)法正確地檢測(cè)、提取或移除水印；與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合：在原始視頻中嵌入水印必須考慮視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，不然嵌入的水印有可能在編碼過(guò)程中消失。

本設(shè)計(jì)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(jìn)行水印的嵌入和提取，且本設(shè)計(jì)將按塊進(jìn)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(jìn)行水印處理技術(shù)進(jìn)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(cè)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(hào)檢測(cè)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(hào)并提取出水印信號(hào)的過(guò)程。因?yàn)楸４嫠械脑家曨l是比較困難的，因此檢測(cè)模型采用盲檢測(cè)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(shí)間域構(gòu)成的序列，因此靜止圖像水印技術(shù)可以直接運(yùn)用于視頻水印之中，本設(shè)計(jì)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(yùn)算量大，只有實(shí)時(shí)性要求不太高時(shí)才能滿足視頻媒體實(shí)時(shí)處理的要求，為此又設(shè)計(jì)了兩個(gè)硬件模塊：DCT變換和IDCT變換，從而提高了視頻處理的實(shí)時(shí)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(gè)矩陣，再?gòu)?和1中任意選一個(gè)標(biāo)志位，這樣就有同樣大小的25個(gè)矩陣作為水印信息，25個(gè)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(jì)算所帶來(lái)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(gè)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(jìn)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(biāo)志幀。嵌入后再將8×8小塊進(jìn)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(guò)程中DCT和IDCT變換運(yùn)算量大，用軟件實(shí)現(xiàn)會(huì)占用大量CPU資源，運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)各個(gè)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(yǔ)言及結(jié)構(gòu)圖的方式編寫，該模塊直接與Avalon總線連接，實(shí)現(xiàn)8×8二維矩陣的離散余弦變換。利用軟件以64個(gè)數(shù)為一個(gè)單位順序?qū)懭朐撃K，再將計(jì)算結(jié)果順序輸出。IDCT硬件模塊也是利用Verilog HDL語(yǔ)言及結(jié)構(gòu)圖的方式編寫，直接與Avalon總線連接，實(shí)現(xiàn)8×8二維矩陣的離散余弦反變換，利用軟件以64個(gè)數(shù)為一組順序?qū)懭朐撃K，再將計(jì)算結(jié)果順序輸出。

2.2 水印的檢測(cè)算法

本檢測(cè)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(jìn)行DCT變換，再?gòu)那度胛恢锰崛〕鏊⌒畔ⅲ崛∵^(guò)程中要設(shè)定一個(gè)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(gè)水印信息矩陣，且第25個(gè)矩陣是標(biāo)示矩陣起到一個(gè)標(biāo)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(qiáng)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(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：水印像素點(diǎn)的強(qiáng)度h=52即可達(dá)到最佳效果。

3 結(jié)果分析

文章設(shè)計(jì)實(shí)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(huì)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(jià)值和使用，具有較好的魯棒性和不可見(jiàn)性，且該方案的提取算法能夠檢測(cè)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。

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