知識管理視角下DCT變換視頻數字水印技術在高職微課開發中的應用

摘要：該文將DCT變換數字水印技術應用于知識管理視角下的微課開發，知識管理視角下的微課開發可以讓知識的傳播和呈現方式更加靈活和豐富，增強了微課視頻的交互性，同時將微課教學設計內容通過數字水印技術嵌入到微課視頻中，可以對微課視頻進行更有效的管理。

關鍵詞：知識管理;視頻數字水印;DCT變換;微課開發

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）18-0231-02

1 背景

隨著技術的發展，信息化在教學中的應用越來越廣泛，教學的方式方法不斷改變，其中微課在信息化教學中起到非常重要的作用。微課是以視頻為載體的微型化課程模式，教學內容一般是某個具體的知識點、技能點或者一個實驗過程等，區別于時長為45分鐘的教學視頻，微課視頻的時長一般是5-8分鐘[1]。微課視頻具有教學內容集中、知識點突出和展現形式多樣等特點。

知識管理是以知識為核心的管理[2]，貫穿知識從獲取到應用的全過程。知識管理視角用于微課視頻可以對微課中的知識進行更加有效的組織管理，并且可以讓知識的傳播和呈現方式更加靈活和豐富，增強了教與學的交互性。

視頻數字水印技術是信息隱藏的一個分支[3]，是將一些標識數字水印通過相應的算法嵌入到視頻當中，但不影響原視頻的外觀和使用價值，數字水印具有版權保護、內容認證、標題和注釋、篡改定位、拷貝控制和隱蔽通信等應用[4]。

將視頻數字水印應用于知識管理視角下的微課開發中，主要基于視頻數字水印的數據內容認證和標題注釋這兩個方面。數據內容認證方面將脆弱水印加入微課視頻中，能夠提供數據是否被改動和改動位置的信息，通過這個功能可以知道學習者是否看過微課視頻，以及觀看進度情況;標題注釋方面則將微課視頻相關的知識點和教學設計的內容以水印的形式加入視頻中，從而能被微課管理平臺搜索引擎搜索時使用，方便從知識管理視角對微課視頻進行組織和管理。

2 知識管理視角下微課視頻

微課的特點集中體現在一個“微”字上，也就是一個微課視頻的內容單一、高度濃縮，且時間短，這就對微課內容的設計提出了較高的要求。將知識管理的視角應用于微課視頻開發的全過程，可以有效地組織微課的內容。單個微課視頻的知識點具有碎片化這一缺陷，而教學的全過程具有系統化、結構化的特點，通過知識管理將微課視頻有機聯系起來，從而使得碎片化的微課視頻具有系統化結構化的優點。

微課開發一般分為三個階段，教學設計、素材準備和視頻制作，知識管理視角主要體現在教學設計階段。教學設計階段有五個任務：教學主題、教學目標、教學結構、教學大綱和教學腳本。教學主題即該微課視頻所講的具體的知識點或技能點，定好一個教學主題需要將教學集中于一個點，具有高度的概括性、準備性，并且對于視頻觀看者來說具有一定的吸引力。教學目標則是學習者通過微課視頻的學習能學到什么，好的教學目標對于學習的促進有很大作用，對于微課視頻來說，教學目標不適宜制定過多，選擇一兩個即可。教學結構是指微課視頻的教學順序或步驟，這不同于面授講課的結構，在微課的開發過程中要選擇適合的教學結構，常用的結構有問題為中心結構、時間順序結構、重點結構和因果關系結構等。教學大綱不同于教學目標，大綱是微課開發的總體思路和總體規劃，教學腳本則是微課制作的詳細步驟，腳本編寫好后，后續的微課開發完全按照腳本開發，好的腳本對微課開發成功與否非常重要。

知識管理視角下微課視頻的開發就是將知識管理應用于微課開發的全過程，重點在教學設計階段，教學設計階段的五個任務都是基于知識管理視角下進行的，同時將該階段形成的教學主題、教學目標、教學結構、教學大綱和教學腳本濃縮為文本，作為水印嵌入到微課視頻中，尤其涉及主題、目標等關鍵性內容，需要精簡為數個單詞，便于系統檢測歸類相應的微課視頻。因為還需要通過數字水印來檢測學習者的學習進度，還需要增加相應的檢測內容。

3 基于DCT變換域視頻數字水印技術

視頻數字水印技術源于圖像水印技術，經過多年發展，視頻水印技術越來越成熟。不過視頻水印相對于圖像水印來說更加復雜，其中涉及預處理視頻、水印生成、水印嵌入視頻的方法、水印嵌入視頻后的效果如何和水印提取的方法。

視頻水印方案可以根據嵌入的類型分為三個[5]：第一是基于原始視頻的水印方案，在這個方案中，直接將水印信息嵌入到未處理的視頻中，然后再選擇一種視頻編碼方案進行編碼，具體分為空域水印和變換域水印兩種;第二是基于視頻編碼的水印方案，此方案中水印的操作都是在視頻編碼器中實現的;第三是基于壓縮視頻的水印方案，此方案直接將水印嵌入到編碼壓縮流中。

本文將基于DCT變換域視頻水印技術引入微課的開發，基于DCT變換域水印技術屬于原始視頻的編碼方案，此方案嵌入算法多樣且成熟，水印的嵌入和提取算法都比較簡單，在微課視頻中使用該方案簡單易行，在知識管理視角下，對于知識的管理和組織更加有效。

視頻水印嵌入和提取過程如圖1和圖2所示。

3.1 H.264視頻編碼標準

3.2 DCT變換域視頻水印的嵌入和提取

DCT離散余弦變換是多媒體信號（圖片、音頻、視頻等）處理中的簡便的變換方式，與離散傅里葉變換相似，DCT變換基于對實部函數的傅里葉級數展開式做傅里葉變換，離散化處理得到的余弦項，生成整個離散余弦變換。DCT變換相較于離散傅里葉變換具有髙壓縮率、低誤碼率和計算簡單等優勢。

3.2.1 嵌入位置的確定

通過DCT變換生成的系數矩陣，有兩個分量信號，分別是直流分量DC和交流分量AC，圖像序列幀的信號平均值表示為交流分量，表示為亮度;占據圖像序列幀大部分信號的則是直流分量。對圖像序列其中的一幀畫面，取亮度信號值，對其進行4×4分塊后產生16個子塊，再對這16個子塊做DCT變換后產生16個DCT參數，再用一個具體的值表示之前產生的DCT參數。水印的嵌入算法就是按照固定的方式讀取所有子塊的DCT參數，再將水印嵌入在合適的位置。

本文將水印嵌入H.264視頻的I幀，首先需要確定一個水印插入的位置，設為Pk，每個I幀有N個4×4分塊，從而得到N個數量為16子塊，每一個子塊都可以通過修改其系數嵌入水印。

3.2.2 水印的嵌入

根據前文確定的嵌入位置Pk嵌入水印，水印嵌入后再對4×4個子塊進行DCT變換，將這16個DCT變換后的系數組成系數矩陣Uk，再對該系數矩陣做SVD奇異值變換[6]，使用該方法對每個圖像都做SVD變換，將需要嵌入的水印計為[WN（n）]，當[WN（n）=0]時，就修改SVD矩陣的值[SVD（x，y）]為0;當[WN（n）=1]時，就修改SVD矩陣的值[SVD'（x，y）]為1，[SVD'（x，y）]為改變后的矩陣值。

使用該方法嵌入的水印，對原始視頻的質量影響很小，具有自適應性。

3.2.3 水印的提取

在提取視頻中嵌入的數字水印時，首先確認水印的嵌入位置，然后對H.264視頻進行解碼，將視頻中的I幀按照4×4的分塊分為16個子塊，對每一個子塊做逆DCT變換得到一個矩陣，再對該矩陣做SVD分解變換得出分解矩陣。當[SVD'（x，y）]為0時，則沒有水印，[SVD'（x，y）]為1，表示視頻中有水印的嵌入，然后再掃描16個子塊的信息，從而提取出完整的水印。

4 小結

本文介紹了DCT視頻數字水印技術在知識管理視角下微課開發中的應用。知識管理視角貫穿于微課開發的全過程，在完成微課教學設計階段的五個任務后，形成內容精簡的文本水印，將水印通過DCT技術嵌入到后續開發的微課視頻中，學習者在學習微課視頻時可以讀取水印管理學習者的學習進度，同時微課管理平臺可以通過水印中的內容關鍵字，基于知識管理視角下對微課視頻進行管理和組織。將DCT視頻數字水印技術應用在微課中，可以使得微課的開發更加科學，增強了微課視頻的交互性，學習者可以更加有效的學習，對于微課的管理也更加有效。在以后的研究中，將會拓展研究方向，擴大應用范圍。

參考文獻：

[1] 赫英迪. “微課導學”教學模式構建與實踐—以高職數學建模課程教學為例[J]. 高教學刊， 2018（22）： 165-167.

[2] 劉祖珉， 魏琴， 李思明. 知識管理在大學計算機實驗教學中應用研究[J]. 教育現代化， 2017（34）： 182-183.

[3] 黃羽. 基于信息隱藏技術的數字印章認證算法的設計與實現[D]. 重慶： 重慶大學， 2015.

[4] 劉慶亮. 面向云計算的視頻水印技術研究[D]. 青島： 青島科技大學， 2018.

[5] 楊義先， 鈕心忻. 數字水印理論與技術[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[6] 吳大勝， 彭飛. SVD網頁數字水印技術在教務成績錄入系統中的應用[J]. 揚州職業大學學報， 2017（3）： 38-41.

【通聯編輯：謝媛媛】