一种h.264/avc压缩域视频水印嵌入及提取方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 视频数字水印技术是多媒体信息安全的关键技术之一，是信息隐藏技术研宄领域 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、网络化的视频监控系统大规模建设，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宄热点。
[0003] 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。
[0004] 目前已提出的视频数字水印方法有：
[0005]JingZhang等人提出了RobustvideowatermarkingofH. 264/AVC(-种H.264/ AVC的鲁棒视频水印方法），IEEETransactionsonCircuitsandSystemsII: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。
[0006]ErsinEsen等人提出了RobustVideoDataHidingUsingForbidden ZoneDataHidingandSelectiveEmbedding( 一 种基于不可变区域的鲁棒视 步员数据隐藏方法）°IEEETransactionsonCircuitsandSystemsforVideo 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】
[0007] 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。
[0008] 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：
[0009] (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;
[0010] (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，并依次记为屯，屯，…，d15，分别对每个4x4亮度块进行整数离散余弦 变换；
[0011] (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；
[0012] (4)根据二进制水印信息w，调制每个宏块的局部能量差；
[0013] (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。
[0014] 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：
[0015] (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:
[0016]
【主权项】
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' Cl1，…，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 :
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多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. Ia)对于4x4亮度块' Cl1, 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. Ib)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亮度块屯，Cl1, 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' Cl1，…，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(Itl, (I1，…，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Ei: 如果 4x4 亮度块是纹理块，Ei = u (9) Xu (9)+u (15) Xu (15); 如果4x4亮度块是非纹理块，Ei= u (15) Xu (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 e {〇, 1，…，15}; 4) 根据每个宏块的16个4x4亮度块的局部能量Ei,计算A部分和B部分的局部能量 差D : D= (Ec^EAEjEfEfEjEaE7) _ (E8+E9+E10+En+E12+E 13+E14+E15)； 5) 如果D多0,提取出的水印信息w' = I ;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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H04N19-625, H04N19-467
【公开号】CN104539965
【申请号】CN201510015101
【发明人】张伟, 王啟军, 甘彤, 李武劲
【申请人】中国电子科技集团公司第三十八研究所, 合肥公共安全技术研究院
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月12日