高清实时视频流脆弱性数字水印技术研究 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

l 。 n 一 数 据 通 信 2011_2 高清实时视频流脆弱性数字水印技术研究 耿晓宇李 影 ( 1 数据通信科学技术研究所 北京1 0 0 1 9 1 2 石家庄邮电职业技术学院 ) 摘 要：为解决高清实时视频流完整性验证问题， 文章提出了一种H2 6 4 脆弱性数字水印算法， 并基于该算 法提出了认证方案。通过对水印特征的分析 ， 提 出在H_ 2 6 4 视频编码时根据I 帧的低频DCT 量化 系数及密钥生成 水印信息， 嵌入到I 帧的高频DC T 量化 系数 中7 X P 帧的DC T量化系数中， 并在视频的解码阶段进行检测及验证 ， 水印提取不需要原始视频的参与， 属于盲检测。实验结果表明， 该文中所提 出的算法及验证方案对H 2 6 4 视频的 图 像质量、 输出 码率及编码速度影响较小， 并能有效的检测各类攻击， 具有较强的实用性及有效性。 关键词 ：脆弱性视频水印； 完垫 性认证 ； H 2 6 4 1 引言 随着网络技术和多媒体技术 的发展 ，实时传输 的视频信号正在逐步进入高清时代。人们在关注视 频信号的图像质量 、 实时性等基本问题的同时， 也越 来越重视视频数据的安全性。视频数据完蛰 眭的安 全更是可靠通信的基本要求 。脆弱性数字水印就是 通过一定的算法将水印信息嵌入到被保护的数字载 体信号中用以验证数据完整性的技术 。 目前， 数据完整性验证的方法主要有两种 ： 数字 签名技术和脆弱性数字水印技术 。但数字签名技术 对多媒体数据的保护存在一些弊端 。 首先 ， 数字签名 技术只能保证所传输 内容在签名存在状态下不被修 改 ， 签名一旦被解密 ， 数据内容就完全是透 明的。其 次 ，多媒体数据内容的完整性认证往往需要容忍一 定程度的失真 ，而密码学中的认证方法不允许有一 个 比特的改变， 否则将无法恢复正确的信息 。最后 ， 加密后的数字签名需要附在原文后面发送 ，这也无 形 中加大 了发送带宽 。近年来发展起来的数字水印 技术则克服了传统数字签名技术的这些缺点。基于 脆弱性数字水印技术的数据完整性验证为解决视频 数据篡改提示问题提供了一条理想的技术途径。 国内外对基于压缩域 的脆弱性数字水印算法研 。 r 一 _ _一一 4 2 i 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 1 3 】 究主要有两种基本思想。 第一种是在P 、 B 帧的运动矢 量中嵌入， 由于P 、 B 帧的运动矢量对各种处理方式都 比较敏感 ， 故可以用于嵌入脆弱性数字水印。但由于 H 2 6 4 采用 了预测编码，在P 、 B 帧的运动矢量中嵌人 数字水印的方法会造成编解码方的预测基础不同， 导致误差漂移 ， 影响图像质量 ； 基于压缩域嵌入脆弱 性数字水印的第二种基本思想是在D C T 系数中嵌入， 这种方法的优点是水印嵌入后原则上不会增加视频 的比特率 ， 且在编码过程中嵌入水印， 计算复杂度相 对较低 ， 易于添加。 本文所提出的算法是在这种思想 的基础上结合应用场景 的特点对原有算法进行改 进 ，较好地克服了原算法在用于高清实时视频流时 的缺陷。 2 水印特征分析 为高清实时视频流提供完整性验证保护的脆弱 性数字水印需要具备视频水印的一般性特征外 ， 还 需要具有与应用相关的一些特征。可概括如下 ： 脆弱性 ， 即水印算法能够有效地感知各种攻击， 当视频遭受攻击时 ，能够提示用户所接收到的视频 数据完整性遭到质疑。 安全性 ，指攻击者在不知道密钥等信息的情况 万方数据 2 0 1 1 _ 2数 据 通信 下 无法 伪造 或 添加 水 印 ，也 无法 通过 分 析带 有 水 E I J 的H 2 6 4 码流获取密钥信息。 视频速率恒定性 ，由于高清视频在编码后本身 的码率就比较高 ， 同时视频在进行传输时 ， 网络的带 宽资源有 限，所以在水印嵌入后不能增加视频的比 特速率。 水印的盲检测 ， 由于水印是用于完整 验证 ， 存 验证时是无法获取原始图像信息 的，所 以在水印检 测 需要 是盲 检测 。 水印的不可见性 ，高清视频一般对 图像的质量 要求较高 ， 所 以水印嵌入不能影响图像质量。 水印的快速嵌入与提取 ，由于高清视频的数据 量较大 ， 同H ,j H 2 6 4 编码协议本身的计算复杂度也较 高，算法在有实时性要求的系统 中应用时水 印的嵌 入 与提取要快速完成。水 E I J 算法 的低复杂度也是方 案可操作性的有力保证 。 3 实时视频流完整性验证 系统的结构设计 为了保证数字水印的不可见性 ，同时降低水印 算法的复杂度 ，脆弱性数字水印的嵌 入与提取算法 与H 2 6 4 编解码器 的结构 紧密结合起来 ， 水印的嵌入 在编码过程 中进行 ，水 印的提取与认证在解码过程 中进行。图l 给出 r编码器端水印嵌人算法的总体结 构 ， 图2 是解码器端水印提取以及完整性认证过程的 结 构示 意图 图1 水 印 嵌入 算 法 总体 结构 示意 图 # 一一 - 一 m一 一 森 l_ K ) 他 一 l 一_ = ： _ 二 I l 二 图2 水 印提 取 及 完整 性 验 证 结 构 示 意 图 如图所示 ， 在编码过程中 ， 从视频序列 中提取水 印信息 ， 并嵌 回到码流 中； 在解码 时 ， 重新计算 水 T e c h n o fo 。 婪 印信 息 ， 并 与提 取 到水 印信 息 ， 进 行 比较 ， 得 到 完整性 验证 结论 。 4 数字水印算法设计 4 1 水 印信息 生成 算法 本文提取视频序列 中I 帧的特征信息作为水印内 容的基础 ， 通过加密计算生成水 印信息嵌入到I 帧和 P 帧ID C T 系数 中。I 帧的主要特征信息都包含在D C T 系数 中， 对I 帧的剪裁 、 替换等攻 击都会引起部分D C T 系数 的变化。 由于H 2 6 4 的低频D C T 系数具有能量高 、 性质相对稳定的特点 ， 所 以可以利用D C T 系数的低频 部分作为视频的特征信息。为保证在编码端和解码 端两次计算的水印信息 和W 是一致的，本文将I 帧 D C T 系数分成两大部分 ， 一部分片 j 来提取视频载体特 征计算水印信息 ， 另一部分则用来嵌 入水印信息 ， 这 样可以保证用于特征信息提取的那部分D C T 系数在 通信的两端保持稳定。 水印信息的生成步骤如下： 步骤 1 ：选择I 帧44 子块 的两个量化DC T 低频 A C 系数的大小关 系作为视频序列的特征信息 ，计算 公 式 如 下 ： = B ) ? 0 ： 1 A 和B 分别表示 一个4 X 4 子块 的两个低频D C T 系数 ， T 表示提取得到的特征信息序列 ， 表示子块在 宏块内的相对位置 ， 取值范围为0 1 5 。 步骤2 ：根据密钥生成n 长的伪随机序列p=P t P 。 P 并对特征信息进行调制 ， 公式如下 ： M ： M为调制后 的特征信息序列 ， 表示子块在宏块 内的相对位置 ， 取值范围为0 1 5 ， 表示异或操作 。 步骤3 ： 使用置换加密算法对调制后 的特征信息 进行加密。 4 2 水 印嵌 入算 法 水印嵌入算法是在充分考虑 了高清实时视频流 完整性验证 系统 的特殊需求 以及H 2 6 4 编码器 的特 点的基础上设计的。 虽然在H 2 6 4 视频编码标准中I 帧 和P 帧亮度信号的残差最终都会以44 子块为单位 进行 D C T 变换 ， 但 由于I 块 和 P 块 采用 了不 同的 预测 方 式 ， P 块中非零D C T 系数 比I 块相对来说要少 ， 而 且I 帧 中的D c T 系数一部分要用来提取特征码信息 ， 这部分 D C T 系数是不能用于水印嵌入的， 所以本算法I 帧和P 帧水印嵌入采用不同的策略。 4 3 雌 一 _厂 爱 1 _ I _I 万方数据 _ 数 据 通 信 20112 I 帧水印嵌入算法： 由于高频系数具有能量低， 易 受干扰的特点 ， 所以将I 帧水印嵌入到 固定位置的高 频D C T 系数值中。 为保证水印的不可见性 ， I 帧中只对 D C 系数非零的4 4 子块添加水印。为保证视频速率 的恒定性 ， 水印嵌人仅对非零系数进行操作 。 水印嵌 入公 式如下 ： + s g n ( 4 ) A c ； = s g n ( 4 ) 【 A c o ，如果Deo 0 l J O ， 上 C o m o d 2 = =1 ，如果D 。 0 l I A C oO ， 且 C ro o d 2 = ：0 ，其它 其中A G 表示含水印系数， 表示44 子块所对 应的水印信息 ， s ( ) 表示符号函数。 p 帧水印嵌入算法： 为保证P 帧的水印嵌入量 ， 在 P 帧中选取D C 系数不为零的44 子块中， 最后一个非 零的A C 系数进行嵌入 ， 若无这样 的A C 系数则该子块 不嵌入水印， s k ip 宏块不嵌入水印信息。水印嵌入公 式如下 ： ，如果Dc 00 ， c roo d 2： =1 ，如 果DC 。0 ， RA C roo d 2= ：0 ，其它 其中A C 表示含水印系数 ， Wi表示4 4 子块所对 应的水印信息， s ( ) 表示符号函数。 4 3 水 印提取 算 法及 数据 完整性 验证 数据完整性验证流程如下 ： 步骤 1 ： 若当前帧为I 帧 ， 则计算用于验证的水印 信息 ， 计算方法与视频编码方生成水印信息的方 法一致 。 步骤2 ：通过判断相应位置D C T 系数的奇偶性来 提取水印信息 ， 提取公式如下： f 1 ， 如果D 。 0 11 A c o o ， A C u m o d 2 = 0 = 0 ， 如果 D 0 ll o ， A C u m o d 2 = 1 J 一 1， 其它 其 中 为提取到的水印序列 中的对应位置元 素， 表示用于提取水印信息的D C T 系数。 步骤3 ：比较上述两个水印序列的相似程度 ， 计 算水印验证错误率s ，并与设定 的认证精度阈值 相 比较 ， 得到该帧数据完整性验证结论。 水印验证错误 率s 的计算公式如下 ： = 寺 ( 0 ) 其 中 表示水 印嵌入 比特数 ， 7 - 为一 帧图像 中 4 4 子 块 的个 数 。 4 4对 于视频传 输过 程 中误码 现象 的考虑 实际用于视频传输的网络是带宽受限的有误信 道 ， 难免会出现误码或丢包等现象。 这对于基于脆弱 性数字水印技术的视频完整性验证系统来说却是致 命的， 有可能造成完整性验证失败。由于算法本身是 对视频流码流本身进行完整性验证 的，误码和丢包 都是对码流的损失 ，理论上来说对于受损的码流完 整性验证就应该是失败的。但是考虑到在非理想信 道上传输视频数据误码和丢包现象是无法避免的 ， 所 以必须要求视频完整性验证系统对于由网络造成 的码流损失和人为的攻击具有一定的辨识能力 。可 首先通过大量的实验形成一张网络情况与认证精度 阈值相对照的经验值表 ，而通信过程 中实时地获取 当前网络情况的反馈信息，系统可以根据该信息查 表来进行认证精度阈值的动态设置。 对于误码和丢包等现象的处理可根据 网络的实 际情况合理地调节认证精度阈值 下，以避免对在正 常网络中传输视频流的错误认证 ，而对其它他意图 的人为攻击能准确地进行数据完整性验证。 5 实验结果及分析 实验采用开源H 2 6 4 编码器X 2 6 4 及解码器ff m p e g ， 测试序列采用7 2 0 p 的标准高清测试序列p a r k r u n 。 水印嵌入对图像质量的影响 ： 图3 为水印嵌入前 ( a ) l 帧 ， QP = 2 0 ， 未嵌入 水印 ( b ) I 帧 ， QP = 2 O 。 嵌入水印 A S S 十 一 ， I 、 ，L I 】 C A 万方数据 呈 兰通 一 一 一 ! e c n O y 莓 妻 誊 ( C ) p 帧 ， QP = 2 0 ， 未嵌入 水印 ( d ) P 帧 ， Qp = 2 (