MPEG-4视频数字水印技术的设计与实现

·视频系统对视频压缩码率的约束将限制水印的嵌入量；

·水印的嵌入可能造成对视频解码系统中运动补偿环路的不良影响；

·该类算法设计具有一定的复杂度。

基于上述的各种方案，本文在方案二的基础上提出了一种针对ＭＰＥＧ－４视频编码系统的扩展频谱数字水印技术改进方案，将扩频调制后的水印信息嵌入到视频流ＩＶＯＰ(Ｉｎｔｒａ Ｖｉｄｅｏ Ｏｂｊｅｃｔ Ｐｌａｎｅ)中色度ＤＣＴ直流系数的最低位。本方案不需要完全解码，大大减少了运算的复杂度，提高了实时性。同时由于水印嵌入在直流系数中，在保证视频效果不失真的前提下，水印具有很强的鲁棒性。

２．１ ＭＰＥＧ－４视频的特点

ＭＰＥＧ－４视频编解码基于ＶＯＰ(Ｖｉｄｅｏ Ｏｂｊｅｃｔ Ｐｌａｎｅ)。

从时间上看,ＶＯＰ分为内部ＶＯＰ(ＩＶＯＰ)、前向因果预测ＶＯＰ(ＰＶＯＰ)、双向非因果预测ＶＯＰ（ＢＶＯＰ）、全景的灵影ＶＯＰ（ＳＶＯＰ）。ＩＶＯＰ只用本身的信息进行编码；ＰＶＯＰ利用过去的参考ＶＯＰ进行运动补偿的预测编码；ＢＶＯＰ利用过去和将来的参考ＶＯＰ进行双向运动补偿的预测编码；ＳＶＯＰ一系列运动图像中的静止背景。因此ＩＶＯＰ的图像信息较独立?熏最适合嵌入水印信息。

从空间上看,它由若干个大小为１６×１６的宏块(Ｍａｃｒｏ Ｂｌｏｃｋ)组成，每个宏块包括大小为８×８的６个子块。其中４个亮度子块Ｙ，１个色差子块Ｕ，１个色差子块Ｖ。ＩＶＯＰ编码基本流程如图３所示。

为了不受量化过程的影响，本方案将水印嵌入在量化后的ＤＣＴ系数中，从而提高了水印生存的稳定性。在ＭＰＥＧ－４压缩算法中，ＤＣＴ系数的量化是关键，它直接影响视频的质量和码流控制算法。为此，ＭＰＥＧ－４提供了一个供参考的标准量化表。该表根据人类视觉模型(ＨＶＳ)建立。考虑到人眼对高频信息损失的敏感度较低频损失小很多，因此通常把水印嵌入到中低频信息中，提高了水印信息的鲁棒性。另外, 根据人眼对亮度信息的变化比色度信息较敏感这一特性，为最大限度地保持视频质量，本方案将水印嵌入到色度?穴Ｕ子块?雪ＤＣＴ系数中。由于ＤＣＴ是目前多媒体视频压缩中被广泛采用的技术基础，因此基于ＤＣＴ的视频水印方案具有显著的优势。将水印信息嵌入到ＩＶＯＰ色度量化后的ＤＣＴ直流系数中，不但无需引入额外的变换以获取视频的频谱分布，且水印信息不受ＤＣＴ系数量化带来的影响。

２．２ 视频数字水印算法与实现

在ＭＰＥＧ－４视频中，由于ＩＶＯＰ中色度子块的ＤＣＴ直流系数是一个在视频流中始终存在且很鲁棒的参数，本方案将水印信息经ｍ序列(最长线性反馈移存器序列)调制后嵌入到ＩＶＯＰ的色度子块ＤＣＴ的直流系数中。这样水印信息在不影响视频效果的情况下难以去除，所以鲁棒性足够强。本方案采用扩频的方法，以方便有效地检测水印，抵抗各种攻击和干扰，保密性好。关键问题是色度ＤＣＴ的直流系统是一个对视觉系统很敏感的参数，本方案在色度ＤＣＴ的直流系数上加水印相当于对其加入微量干扰，必须使这种干扰低于一定的门限值，使人眼的视觉系统对视频中色度的微小变化感觉不到。经过试验将水印嵌入到ＩＶＯＰ的色度ＤＣＴ的直流系数的最低位能满足要求。

２．２．１ 视频数字水印的嵌入

伪随机的扩展序列长度为２５５(２８－１)，每一水印信息位通过伪随机扩展序列的调制嵌入到相应的ＩＶＯＰ色度对应的ＤＣＴ直流系数(量化后、预测前)的最低位,这样水印信息在不影响视频效果的情况下一般难以去除。同时，嵌入在直流系数的最低位，带来的误差非常小。

伪随机的扩展序列产生代码如下：

＃ｄｅｆｉｎｅ Ｍ＿ＬＥＮ ２５５

＃ｄｅｆｉｎｅ Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ ８

ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＋＋) ｍ[ｉ]＝１;

ｆｏｒ(ｉ＝Ｍ＿ＳＥＲＩＥＳ;ｉ＜Ｍ＿