一种基于版权保护的一种基于版权保护的HEVC视频水印算法视频水印算法
随着硬件条件的不断改善,通过网络传输的数据量近年来有着突飞猛进的增长,尤其是数字媒体的传播数量。
2013年1月,为了满足人们对高清视频的需求,视频压缩标准高性能视频编码HEVC(High Efficiency Video
Coding)作为可替代H.264编码标准的新一代国际标准被正式提出使用。HEVC是ITU-T组织和ISO/IEC组织联合
开发的视频编码标准,对以前的视频格式进行了多方面的改革,其仅需H.264/AVC一半带宽就可播放相同质量
的视频[1],因此数字视频也将更容易被复制和修改,与此同时,数字视频的保护问题也得到了研究者们的注
意。
摘 要: 针对新的HEVC高效视频编码标准特性,提出了一种基于
关键词:
随着硬件条件的不断改善,通过网络传输的数据量近年来有着突飞猛进的增长,尤其是数字媒体的传播数量。2013年1
月,为了满足人们对高清视频的需求,视频压缩标准高性能视频编码HEVC(High Efficiency Video Coding)作为可替代
H.264编码标准的新一代国际标准被正式提出使用。HEVC是ITU-T组织和ISO/IEC组织联合开发的视频编码标准,对以前的视
频格式进行了多方面的改革,其仅需H.264/AVC一半带宽就可播放相同质量的视频[1],因此数字视频也将更容易被复制和修
改,与此同时,数字视频的保护问题也得到了研究者们的注意。
由于版权保护的需要,过去十几年里对多媒体水印的研究如火如荼,范围触及版权控制、图像印刷、广播监控、视频授权
等,这方面的应用量飞速上涨。数字水印技术是通过在原始数据中嵌入秘密信息证实该数据的所有权,这种被嵌入的水印可以
是一段文字、标识、图片等,而且这种水印通常是不可见或不可察的,它与原始数据(如图像、音频、视频数据)紧密结合,
并隐藏其中,成为宿主数据的一部分,并可以经历一些不破坏宿主数据使用价值或商用价值的操作而保存下来。
针对各种格式的视频水印算法国内外学者都已经研究了很多年,并且取得了丰硕的成果。HARTUNG F和KUTTER M[2]
阐述了水印的现实需求和应用领域,介绍了水印系统的基本概念,并详细讨论了水印安全性和鲁棒性。PREDA R O和
VIZIREANU D N[3]提出了一种多分辨率下的水印算法,以二进制图像做水印,水印的每一位都扩展进小波系数里。Zhang
Jing等人[4]针对H.264/AVC提出了一个鲁棒性强的水印算法,首先生成灰度图像,然后嵌入压缩域,可以抵抗帧压缩、高斯滤
波、反差增强等攻击。VERMA A K、SINGHAL M、PATVARDHAN C[5]提出了一个基于YCbCr颜色空间和小波变换的数字视
频水印算法,水印被嵌入时域空间平面。国内对水印的研究也很透彻,几乎涉及水印嵌入、提取的各个领域。张江等人[6]分
析了视频水印技术的特点和面临的挑战,阐述了视频水印的模型及算法分类,探讨了视频水印的发展趋势。张维纬等人[6]提
出了一种基于H.264/AVC的视频可逆脆弱水印算法,能对认证通过的视频数据进行还原和对认证失败的视频I帧遭篡改区域进
行有效的定位。同鸣等人[7]提出了一种部分基矩阵稀疏约束的非负矩阵分解方法,将水印嵌入在分解后的基矩阵大系数中,
可以较好地抵抗强剪切攻击。李亚文[8]对压缩视频的图像帧的亮度分量进行小波提升分解,利用混沌系统对水印图像进行置
乱,提升了算法的安全性和抗攻击能力。
为了保护HEVC视频编码格式的数字视频,本文以新的HEVC视频格式为研究对象,以为其设计水印算法为目的,分析了
HEVC同上一版视频格式标准H.264/AVC之间的编码差别及这些差别对现有水印算法思想的影响,在仔细研究HEVC格式的基
础上为其设计了一个独特的水印算法。实验结果证明,该算法对HEVC有很好的嵌入和提取效果,并可以抵抗多种形式的视频
攻击。
1 HEVC概述
为了弥补H.264/AVC难以满足当前人们对高清视频需求的不足,HEVC在其基础上进行了大量变革,使得压缩率大幅提
高。与H.264相似,HEVC的编码架构主要包括帧内预测、帧间预测、转换、量化、熵编码等模块,但与AVC基于宏块不
同,HEVC中类似的结构为编码树单元(CTU),其尺寸由编码器进行指定,可以比传统的宏块大。一个CTU包含一个亮度
CTB和多个对应的色度CTB及句法元素。一个L×L的亮度CTB,L可以设置为16、32或者64[9]。预测类型是在CU内编码,CU
是HEVC中用于帧间预测和帧内预测的判决点。
H.265引入了名为合并模式的帧间预测方法,原理是PU之间的移动信息非常相似,因此可以就近采用附近PU的形式而不
作运动评估等计算。H.265也提供了1/2、2/4、3/4[9]像素非整数点位置运动评估,不过有8点插值滤波,而H.264只有6点。预
测动作完成后,要采用类似DCT的整数变换算法对残差进行编码来进一步降低码率。H.265在进行变换操作时会先把CU拆开
成若干个TU(变换单元),这些TU并不需要和PU对齐。拆为TU的原因是CU中可能同时包含高频部分和低频部分,直接用于
变换处理量太大。除此之外,HEVC的改进之处还包括熵编码处理、去块滤波处理。结合四叉树的超大去块编码方式和新增的
SAO去块滤波被认为是HEVC和AVC的两个重大区别。
HEVC帧内编码方案包括分块变换编码操作,为了研究数字水印算法,必须要弄清分块变换编码操作。当压缩视频序列通
过HEVC编码器时,编码单元CU是执行每个视频帧编码的基本单元,一个视频帧首先被分成64×64个非重叠的CU单元,每个
CU单元按照四叉树[10]的分割方式继续分成更小的单元,如图1所示。