CN104539965A - 一种h.264/avc压缩域视频水印嵌入及提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入及提取方法，将水印图像进行二值化，再经Arnold变换得到二进制水印信息；利用H.264/AVC编码器对原始视频进行压缩编码，对I帧视频的宏块亮度数据，按照H.264/AVC视频编码标准将每个宏块的16个4x4亮度块抽取出来，分别对每个4x4亮度块进行整数离散余弦变换；根据每个4x4亮度块整数离散余弦变换后的系数，将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块；根据二进制水印信息，调制每个宏块的局部能量差；将嵌入二进制水印后的4x4亮度块熵编码，得到含水印视频流。本发明充分考虑视频信息(纹理、能量)，提高水印鲁棒性和不可见性；运算复杂度低，没有复杂的参数选择，具有较高的实时性；提取水印不需要原始视频，属于盲水印方法。

Description

一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入及提取方法

技术领域

本发明涉及一种视频压缩域数字水印，尤其涉及的是一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入及提取方法。

背景技术

视频数字水印技术是多媒体信息安全的关键技术之一，是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支。大量消费类数字视频产品的推出，使得以数字水印为重要组成部分的数字产品产权保护技术的市场需求更加迫切。数字化、网络化的视频监控***大规模建设，如何保护监控信息免遭篡改、泄漏、假冒，使得视频数字水印成为公共安全领域的研究热点。

H.264/AVC是由ISO/IEC与ITU-T制定的新一代的视频压缩编码标准，无论在压缩效率，还是在网络适应性方面比以往的视频编码格式都有明显的提高。H.264/AVC标准在视频压缩领域是压缩效率最高、使用最为广泛的编码方式。

目前已提出的视频数字水印方法有：

Jing Zhang等人提出了Robust video watermarking of H.264/AVC(一种H.264/AVC的鲁棒视频水印方法),IEEE Transactions on Circuits and Systems II:Express Briefs,2007,54(2)：205-209。这种方法通过对某一中频DCT系数修改来嵌入水印。该方法很难确定调制参数，而且经重量化操作后，解码很难准确定位水印嵌入位置。

Ersin Esen等人提出了Robust Video Data Hiding Using Forbidden Zone Data Hidingand Selective Embedding(一种基于不可变区域的鲁棒视频数据隐藏方法)。IEEETransactions on Circuits and Systems for Video Technology,2011,21(8):1130-1137。这种方法通过控制参数结合量化调制和块的选择划定水印嵌入区域，引入RA编码抵抗擦除。该方法具有较好的鲁棒性和不可见性，但没有考虑视频帧本身的特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入及提取方法，为H.264/AVC数字产品提供可靠的水印嵌入和提取。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入方法，包括以下步骤：

(1)将水印图像进行二值化，再经Arnold变换得到二进制水印信息w；

(2)利用H.264/AVC编码器对原始视频进行压缩编码，对I帧视频的宏块亮度数据，按照H.264/AVC视频编码标准将每个宏块的16个4x4亮度块抽取出来，按照从左到右、自上而下的顺序排列，并依次记为d₀,d₁,…,d₁₅，分别对每个4x4亮度块进行整数离散余弦变换；

(3)根据每个4x4亮度块整数离散余弦变换后的系数，将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块；

(4)根据二进制水印信息w，调制每个宏块的局部能量差；

(5)将嵌入二进制水印后的4x4亮度块熵编码，得到含水印视频流。

所述步骤(3)，将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块的方法包括以下步骤：

(3.1)对每个4x4亮度块整数离散余弦变换后交流系数，计算其平方和与直流系数的平方的差值E：

$E=\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\left|C(i,j)\right|}^2-2*{\left|C\left(\mathrm{0,0}\right)\right|}^2$

式中，i,j＝0,1,2,3，C(i,j)为4x4亮度块经整数离散余弦变换得到的第i行第j列处的系数值，C(0,0)为4x4亮度块经整数离散余弦变换得到的第0行第0列处的系数值；

(3.2)如果E<0，则该4x4亮度块是非纹理块，如果E≥0，则该4x4亮度块是纹理块。

所述步骤(4)中，根据二进制水印信息w，调制每个宏块的局部能量差的方法包括以下步骤：

(4.1)如果水印信息w＝1，调制每个宏块量化后的DCT系数的方法如下：

(4.1a)对于4x4亮度块d₀,d₁,d₂,d₃，如果4x4亮度块是纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第9个系数和第15个系数的幅值增加1；如果4x4亮度块是非纹理块，则经量化和Zigzag扫描后的第15个系数的幅值增加1；

(4.1b)对于4x4亮度块d₁₂,d₁₃,d₁₄,d₁₅，如果4x4亮度块是纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第9个系数和第15个系数置零；如果4x4亮度块是非纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第15个系数置零；

(4.2)如果水印信息w＝0，调制每个宏块量化后的DCT系数的方法如下：

(4.2a)对于4x4亮度块d₀,d₁,d₂,d₃，如果4x4亮度块是纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第9个系数和第15个系数置零；如果4x4亮度块是非纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第15个系数置零；

(4.2b)对于4x4亮度块d₁₂,d₁₃,d₁₄,d₁₅，如果4x4亮度块是纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第9个系数和第15个系数的幅值增加1；如果4x4亮度块是非纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第15个系数的幅值增加1。

一种H.264/AVC压缩域视频水印提取方法，包括以下步骤：

1)利用H.264/AVC解码器对含水印H.264/AVC视频码流解码，对I帧视频的宏块亮度数据，按照H.264/AVC视频编码标准将每个宏块的16个4x4亮度块抽取出来，按照从左到右、自上而下的顺序排列，并依次记为d₀,d₁,…,d₁₅，并将16个4x4亮度块分为A部分和B部分，其中，A部分包括d₀,d₁,…,d₇，B部分包括d₈,d₉,…,d₁₅，分别对每个4x4亮度块进行整数离散余弦变换；

2)根据每个4x4亮度块整数离散余弦变换后的系数，将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块；

3)根据4x4亮度块是否纹理块和量化后的DCT系数，计算4x4亮度块的局部能量E_i：

如果4x4亮度块是纹理块，E_i＝u(9)×u(9)+u(15)×u(15)；

如果4x4亮度块是非纹理块，E_i＝u(15)×u(15)；

其中，u(9)和u(15)分别为4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第9个和第15个DCT系数，i∈{0,1,…,15}；

4)根据每个宏块的16个4x4亮度块的局部能量E_i，计算A部分和B部分的局部能量差D：

D＝(E₀+E₁+E₂+E₃+E₄+E₅+E₆+E₇)-(E₈+E₉+E₁₀+E₁₁+E₁₂+E₁₃+E₁₄+E₁₅)；

5)如果D≥0，提取出的水印信息w'＝1；如果D<0，提取出的水印信息w'＝0；

6)利用Arnold逆变换将提取的水印w'进行还原，恢复得到图像水印。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明充分考虑视频信息(纹理、能量)，提高水印鲁棒性和不可见性；运算复杂度低，没有复杂的参数选择，具有较高的实时性；提取水印不需要原始视频，属于盲水印方法。

附图说明

图1是本发明的水印嵌入的流程图；

图2是本发明的水印提取的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例视频水印嵌入步骤如下：

步骤1，将N×N水印图像W进行二值化，生产矩阵W_N×N，经Arnold变换得到二进制水印信息w，变换次数为m，一次Arnold变换步骤如下：

i’＝(i+j)mod N

j'＝(i+2i)mod N

式中，i，j为矩阵W_N×N元素下标，i’，j’为经Arnold变换后的矩阵新下标，i,j＝0,1,…,N-1，mod为求余。

步骤2，利用H.264/AVC编码器对原始视频进行压缩编码，对I帧视频的宏块亮度数据，按照H.264/AVC视频编码标准将每个宏块的16个4x4亮度块抽取出来，按照从左到右、自上而下的顺序排列，并依次记为d₀,d₁,…,d₁₅，分别对每个4x4亮度块进行整数离散余弦变换。

步骤3，根据每个4x4亮度块整数离散余弦变换后的系数，将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块，具体步骤如下：

3.1计算每个4x4亮度块整数离散余弦变换后交流系数的平方和与直流系数的平方的差值E：

$E=\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|C(i,j)\right|}^2-2*{\left|C\left(\mathrm{0,0}\right)\right|}^2$

式中，i,j＝0,1,2,3，C(i,j)为4x4亮度块经整数离散余弦变换得到的第i行第j列处的系数值，C(0,0)为4x4亮度块经整数离散余弦变换得到的第0行第0列处的系数值；

3.2如果E<0，该4x4亮度块是非纹理块，如果E≥0，该4x4亮度块是纹理块。

步骤4，根据二进制水印信息w，调制每个宏块的局部能量差，具体步骤如下：

4.1如果水印信息w＝1，按如下步骤调制每个宏块量化后的DCT系数：

4.1.1对于4x4亮度块d₀,d₁,d₂,d₃，如果4x4亮度块是纹理块，则将4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第9个DCT系数和经量化和Zigzag扫描后的第15个DCT系数的幅值增加1；如果4x4亮度块是非纹理块，则将4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第15个DCT系数的幅值增加1；

4.1.2对于4x4亮度块d₁₂,d₁₃,d₁₄,d₁₅，如果4x4亮度块是纹理块，则将4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第9个DCT系数和经量化和Zigzag扫描后的第15个DCT系数置零；如果4x4亮度块是非纹理块，则将4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第15个DCT系数置零；

4.2如果水印信息w＝0，按如下步骤调制每个宏块量化后的DCT系数：

4.2.1对于4x4亮度块d₀,d₁,d₂,d₃，如果4x4亮度块是纹理块，则将4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第9个DCT系数和经量化和Zigzag扫描后的第15个DCT系数置零；如果4x4亮度块是非纹理块，则将4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第15个DCT系数置零；

4.2.2对于4x4亮度块d₁₂,d₁₃,d₁₄,d₁₅，如果4x4亮度块是纹理块，则将4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第9个DCT系数和经量化和Zigzag扫描后的第15个DCT系数的幅值增加1；如果4x4亮度块是非纹理块，则将4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第15个DCT系数的幅值增加1。

步骤5，将嵌入二进制水印后的4x4亮度块熵编码，得到含水印视频流。

如图2所示，本实施例的视频水印提取方法步骤如下：

步骤一、利用H.264/AVC解码器对含水印H.264/AVC视频码流解码，对I帧视频的宏块亮度数据，按照H.264/AVC视频编码标准将每个宏块的16个4x4亮度块抽取出来，按照从左到右、自上而下的顺序排列，并依次记为d₀,d₁,…,d₁₅，分为A部分和B部分，其中，A部分包括d₀,d₁,…,d₇，B部分包括d₈,d₉,…,d₁₅，分别对每个4x4亮度块进行整数离散余弦变换；

步骤二、根据每个4x4亮度块整数离散余弦变换后的系数，将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块，具体步骤如下：

2.1计算每个4x4亮度块整数离散余弦变换后交流系数的平方和与直流系数的平方的差值E：

$E=\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|C(i,j)\right|}^2-2*{\left|C\left(\mathrm{0,0}\right)\right|}^2$

式中，i,j＝0,1,2,3，C(i,j)为4x4亮度块经整数离散余弦变换得到的第i行第j列处的系数值，C(0,0)为整数离散余弦变换得到的第0行第0列处的系数值；

2.2如果E<0，4x4亮度块是非纹理块，如果E≥0，4x4亮度块是纹理块。

步骤三、根据4x4亮度块是否纹理块和量化后的DCT系数，计算4x4亮度块的局部能量E_i:

3.1如果4x4亮度块是纹理块

E_i＝u(9)×u(9)+u(15)×u(15)；

3.2如果4x4亮度块是非纹理块

E_i＝u(15)×u(15)；

式中，u(9)和u(15)分别为4x4亮度块的经量化和Zigzag扫描后的第9个DCT系数和经量化和Zigzag扫描后的第15个DCT系数，i∈{0,1,…,15}。

步骤四、根据每个宏块的16个4x4亮度块的局部能量E_i，计算A部分和B部分的局部能量差D：

D＝(E₀+E₁+E₂+E₃+E₄+E₅+E₆+E₇)-(E₈+E₉+E₁₀+E₁₁+E₁₂+E₁₃+E₁₄+E₁₅)

步骤五、如果D≥0，提取出的水印信息w'＝1；如果D<0，提取出的水印信息w'＝0。

步骤六、利用Arnold逆变换将提取的水印w'进行还原，恢复得到图像水印。

与其他的水印方式相比，本发明充分利用人眼的视觉特性，在纹理区域比非纹理区域水印嵌入强度大，不会引起明显的图像失真；利用宏块内的局部能量差有选择的嵌入水印，具有较强的鲁棒性；水印提取过程不需要原始视频，属于盲水印；通过整数离散余弦变换判断纹理块和在宏块内有选择的修改中高频系数过程简单，计算复杂度低，不需要参数选择及设置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将水印图像进行二值化，再经Arnold变换得到二进制水印信息w；

(2)利用H.264/AVC编码器对原始视频进行压缩编码，对I帧视频的宏块亮度数据，按照H.264/AVC视频编码标准将每个宏块的16个4x4亮度块抽取出来，按照从左到右、自上而下的顺序排列，并依次记为d₀,d₁,…,d₁₅，分别对每个4x4亮度块进行整数离散余弦变换；

(3)根据每个4x4亮度块整数离散余弦变换后的系数，将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块；

(4)根据二进制水印信息w，调制每个宏块的局部能量差；

(5)将嵌入二进制水印后的4x4亮度块熵编码，得到含水印视频流。

2.根据权利要求1所述的一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入方法，其特征在于，所述步骤(3)，将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块的方法包括以下步骤：

(3.1)对每个4x4亮度块整数离散余弦变换后交流系数，计算其平方和与直流系数的平方的差值E：

$E=\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|C(i,j)\right|}^2-2*{\left|C\left(\mathrm{0,0}\right)\right|}^2$

式中，i,j＝0,1,2,3，C(i,j)为4x4亮度块经整数离散余弦变换得到的第i行第j列处的系数值，C(0,0)为4x4亮度块经整数离散余弦变换得到的第0行第0列处的系数值；

(3.2)如果E<0，则该4x4亮度块是非纹理块，如果E≥0，则该4x4亮度块是纹理块。

3.根据权利要求1所述的一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据二进制水印信息w，调制每个宏块的局部能量差的方法包括以下步骤：

(4.1)如果水印信息w＝1，调制每个宏块量化后的DCT系数的方法如下：

(4.1a)对于4x4亮度块d₀,d₁,d₂,d₃，如果4x4亮度块是纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第9个系数和第15个系数的幅值增加1；如果4x4亮度块是非纹理块，则经量化和Zigzag扫描后的第15个系数的幅值增加1；

(4.1b)对于4x4亮度块d₁₂,d₁₃,d₁₄,d₁₅，如果4x4亮度块是纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第9个系数和第15个系数置零；如果4x4亮度块是非纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第15个系数置零；

(4.2)如果水印信息w＝0，调制每个宏块量化后的DCT系数的方法如下：

(4.2a)对于4x4亮度块d₀,d₁,d₂,d₃，如果4x4亮度块是纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第9个系数和第15个系数置零；如果4x4亮度块是非纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第15个系数置零；

(4.2b)对于4x4亮度块d₁₂,d₁₃,d₁₄,d₁₅，如果4x4亮度块是纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第9个系数和第15个系数的幅值增加1；如果4x4亮度块是非纹理块，则将经量化和Zigzag扫描后的第15个系数的幅值增加1。

4.根据权利要求1所述的一种H.264/AVC压缩域视频水印提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用H.264/AVC解码器对含水印H.264/AVC视频码流解码，对I帧视频的宏块亮度数据，按照H.264/AVC视频编码标准将每个宏块的16个4x4亮度块抽取出来，按照从左到右、自上而下的顺序排列，并依次记为d₀,d₁,…,d₁₅，并将16个4x4亮度块分为A部分和B部分，其中，A部分包括d₀,d₁,…,d₇，B部分包括d₈,d₉,…,d₁₅，分别对每个4x4亮度块进行整数离散余弦变换；

2)根据每个4x4亮度块整数离散余弦变换后的系数，将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块；

3)根据4x4亮度块是否纹理块和量化后的DCT系数，计算4x4亮度块的局部能量E_i：

如果4x4亮度块是纹理块，E_i＝u(9)×u(9)+u(15)×u(15)；

如果4x4亮度块是非纹理块，E_i＝u(15)×u(15)；

其中，u(9)和u(15)分别为4x4亮度块经量化和Zigzag扫描后的第9个和第15个DCT系数，i∈{0,1,…,15}；

4)根据每个宏块的16个4x4亮度块的局部能量E_i，计算A部分和B部分的局部能量差D：

D＝(E₀+E₁+E₂+E₃+E₄+E₅+E₆+E₇)-(E₈+E₉+E₁₀+E₁₁+E₁₂+E₁₃+E₁₄+E₁₅)；

5)如果D≥0，提取出的水印信息w'＝1；如果D<0，提取出的水印信息w'＝0；

6)利用Arnold逆变换将提取的水印w'进行还原，恢复得到图像水印。