一種基于二維碼的壓縮域數(shù)字視頻水印方法

王朝慶 ，賈立平

（1.山東廣播電視臺(tái)，山東 濟(jì)南 250062；2.山東大學(xué) 軟件學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；3.大眾報(bào)業(yè)集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250014）

0 引 言

數(shù)字水印技術(shù)是數(shù)字版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域的常用技術(shù)，它通常在數(shù)字作品中嵌入帶有版權(quán)信息的數(shù)據(jù)以防止數(shù)字版權(quán)遭到不法侵害，或者在數(shù)字版權(quán)遭到侵害后提供法律依據(jù)。數(shù)字水印技術(shù)通常具有透明性、魯棒性及安全性的特征。透明性是指數(shù)字水印數(shù)據(jù)不應(yīng)該干擾到數(shù)字作品的可觀賞性，不能夠被觀賞人的視覺(jué)或者聽(tīng)覺(jué)明顯察覺(jué)，從而影響作品的主觀評(píng)價(jià)；魯棒性是指數(shù)字作品中的水印信息不能輕易被破壞和干擾，要能抵御一定水平的轉(zhuǎn)碼、復(fù)制及翻拍等；安全性是指數(shù)字水印不能夠被未授權(quán)的人輕易地提取和篡改。

數(shù)字視頻水印技術(shù)是近年來(lái)興起的一種數(shù)字視頻領(lǐng)域的版權(quán)保護(hù)技術(shù)，在視頻版權(quán)保護(hù)方面應(yīng)用廣泛。數(shù)字視頻水印可以分為原始域水印和壓縮域水印。原始域水印是把水印直接嵌入原始視頻的圖像序列中，壓縮域數(shù)字水印是把水印嵌入到經(jīng)過(guò)編碼壓縮的碼流上。壓縮域水印技術(shù)近年來(lái)是數(shù)字視頻水印應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)[1-2]。

壓縮域的視頻水印技術(shù)目前常用的方法是在視頻中嵌入一副簡(jiǎn)單的黑白圖像，這種二值圖像是肉眼可見(jiàn)的，用黑白塊的方式拼接出簡(jiǎn)單的字符或者特殊標(biāo)志，所承載的信息量很少，通常只有幾個(gè)字符[3]。

1 基于二維碼的壓縮域數(shù)字水印算法

本文提出一種基于二維碼的壓縮域視頻水印方法，利用編碼后視頻的文件特征，在視頻的關(guān)鍵幀（I幀）中嵌入一副二維碼圖像。二維碼是一種新型的技術(shù)手段，它不依賴(lài)人的視覺(jué)進(jìn)行信息的傳遞，主要通過(guò)信息設(shè)備進(jìn)行信息的識(shí)別和提取，具有容錯(cuò)率高和信息密度大的特點(diǎn)。本文采用QR Code編碼的二維碼，容錯(cuò)級(jí)別為25%，可以輕松地在一幅100*100的圖像中承載50個(gè)有效字符。

根據(jù)《高清晰度電視節(jié)目素材交換格式》標(biāo)準(zhǔn)[4]，高清晰度視頻素材可以采用MPEG-2編碼，本文以MPEG-2編碼格式為例，利用該編碼標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，將二位碼水印信息嵌入到經(jīng)過(guò)MPEG-2編碼的高清晰度視頻節(jié)目中。

1.1 水印嵌入位置

MPEG-2編碼包含I幀、B幀及P幀共3種視頻幀[5]。I幀即幀內(nèi)編碼，其幀內(nèi)容全部來(lái)自于該幀對(duì)應(yīng)的原始圖像，I幀編碼類(lèi)似于JPEG圖像編碼，可以理解為一幅靜態(tài)圖像，其幀壓縮比較低，一般充當(dāng)關(guān)鍵幀的角色。B幀即雙向預(yù)測(cè)編碼幀，它將位于自身前面和后面的幀作為參考幀，對(duì)前面的幀進(jìn)行前向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)，對(duì)后面的幀做后續(xù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)。P幀即預(yù)測(cè)編碼幀，它根據(jù)它前面的I幀或者P幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算得來(lái)，依賴(lài)于其他幀的數(shù)據(jù)。I幀數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立，數(shù)量相對(duì)較少，可以將水印數(shù)據(jù)嵌入到I幀中，以降低運(yùn)算復(fù)雜度，提高魯棒性。

離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）的作用是將色彩域的信號(hào)變換為頻率域信號(hào)[6]。通過(guò)DCT變換，可以將圖像中主要的直流分量和低頻分量集中到矩陣的左上角。人眼對(duì)圖像中的這部分?jǐn)?shù)據(jù)比較敏感，應(yīng)該重點(diǎn)保留；對(duì)于位于右下角的高頻分量則可以選擇性忽略，以達(dá)到視頻壓縮的目的。

MPEG-2中I幀的DCT變換采用8*8像素塊，以8*8為最小單位進(jìn)行變換運(yùn)算。變換完成后，得到一組DCT系數(shù)，利用DCT數(shù)據(jù)冗余的特點(diǎn)，將水印數(shù)據(jù)嵌入到DCT系數(shù)中。

1.2 在REC.709色彩標(biāo)準(zhǔn)視頻中嵌入水印

REC.709色彩標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定高清晰度電視（HDTV）的色彩標(biāo)準(zhǔn)，其亮度方程為：

可以根據(jù)此方程推導(dǎo)出紅色差信號(hào)Cr和藍(lán)色差信號(hào)Cb，分別為Cr=R-Y，Cb=R-B。

亮度及色差信號(hào)是廣播電視領(lǐng)域常用的信號(hào)處理方法，其表示方法為YCbCr。在視頻的編解碼過(guò)程中，這3個(gè)分量信號(hào)都是獨(dú)立進(jìn)行處理的。人眼對(duì)于亮度信號(hào)較為敏感，對(duì)色度信號(hào)相對(duì)不那么敏感，因此，數(shù)字水印數(shù)據(jù)不應(yīng)該嵌入到亮度信號(hào)中。本文所用方法將水印數(shù)據(jù)嵌入到藍(lán)差色度信號(hào)Cb中。具體的水印疊加過(guò)程如下。

（1）根據(jù)MPEG-2視頻文件特點(diǎn)，提取出對(duì)應(yīng)的I幀圖像P。

（2）按照REC.709標(biāo)準(zhǔn)將彩色信號(hào)分離成Y、Cb、Cr共3組信號(hào)數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)Cb信號(hào)進(jìn)行水印數(shù)據(jù)的疊加，得到帶水印的藍(lán)色差信號(hào)Cb’。

（4）將Y、Cb’、Cr3組分量信號(hào)合稱(chēng)為新的I幀圖像P’。

（5）用圖像P’替換掉原視頻中的圖像P。

1.3 數(shù)字水印提取方法

數(shù)字水印提取步驟如下。

（1）利用FFMPEG工具，提取帶水印的I幀圖像P’。

（2）分離出3個(gè)分量信號(hào)，然后將藍(lán)色差信號(hào)Cb’提取出來(lái)。

（3）將Cb’與Cb進(jìn)行減運(yùn)算，得到水印數(shù)據(jù)。

（4）對(duì)水印數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以可視化圖片的方式呈現(xiàn)出來(lái)。

2 算法實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該算法的實(shí)現(xiàn)主要借助了FFMPEG和MATLAB兩個(gè)工具。FFMPEG用于對(duì)I幀數(shù)據(jù)提取和嵌入，MATLAB進(jìn)行水印信號(hào)的疊加和提取。MATLAB具有強(qiáng)大的圖像處理功能，能夠進(jìn)行圖像分量的生成和DCT域的各種運(yùn)算，并且能夠?qū)⒎至啃盘?hào)合成為彩色信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)用的視頻片段采用1 920*1 020分辨率，時(shí)長(zhǎng)10 s。視頻內(nèi)容為新聞節(jié)目，畫(huà)面幀間的變化緩慢，畫(huà)面色彩簡(jiǎn)單，亮度較高，背景畫(huà)面相對(duì)純凈。水印數(shù)據(jù)采用135*135的QR Code二維碼，容錯(cuò)等級(jí)25%，數(shù)據(jù)內(nèi)容為“abcdefghijklmnopqrstuvw xyz123456”，共計(jì)32個(gè)字符。

未疊加水印的原始圖像如圖1所示，疊加水印后的圖像如圖2所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在疊加了水印信號(hào)后，原始的畫(huà)面并未受到明顯影響，肉眼幾乎無(wú)法察覺(jué)出視頻的變化。

圖1 未疊加水印的原始圖像

圖2 疊加水印后的圖像

對(duì)嵌入了數(shù)字水印的視頻圖像進(jìn)行水印提取，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 原始二維碼水印圖像

圖4 從水印視頻中提取出的水印圖像

由圖3和圖4可以看出，再次提取出的水印產(chǎn)生了誤碼，造成部分像素的反轉(zhuǎn)，黑色區(qū)域出現(xiàn)白色噪點(diǎn)，而白色區(qū)域也有部分像素變黑。盡管發(fā)生了一定數(shù)量的誤碼，但借助于二維碼本身的容錯(cuò)機(jī)制，使得二維碼的機(jī)器可讀性沒(méi)有受到影響，仍然可以借助掃描工具輕松掃描出相關(guān)信息。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種基于二維碼的壓縮域視頻數(shù)字水印方法，并結(jié)合相關(guān)工具進(jìn)行了算法實(shí)現(xiàn)。基于二維碼的數(shù)字水印技術(shù)能夠在有限尺寸的水印圖像中嵌入更多的版權(quán)信息，本文采用的135*135的水印圖像承載了32個(gè)字符，并有承載更大數(shù)據(jù)量的可能，方便水印信息的擴(kuò)展。采用REC.709色彩標(biāo)準(zhǔn)，將彩色信號(hào)分解成分量信號(hào)，只在藍(lán)色差信號(hào)中進(jìn)行水印的嵌入，極大地避免了水印信號(hào)對(duì)原始畫(huà)面的視覺(jué)干擾，并且為復(fù)雜畫(huà)面內(nèi)容的水印嵌入強(qiáng)度提供冗余。在畫(huà)面相對(duì)純凈的視頻素材中，可以降低嵌入強(qiáng)度，以防止不必要的畫(huà)質(zhì)損失；在畫(huà)面細(xì)節(jié)復(fù)雜、變換劇烈的視頻素材中，可以適度地提高嵌入強(qiáng)度，以增加水印的魯棒性。

實(shí)驗(yàn)證明，該算法可以以較低的水印信息承載更多的版權(quán)信息，并且不顯著影響畫(huà)面質(zhì)量。算法只針對(duì)I幀進(jìn)行嵌入運(yùn)算，運(yùn)算量大幅降低，滿足了實(shí)效性要求。