基于模式特征的H.264/AVC可逆视频水印

发布时间：2021-01-08 19:05

　　目的针对当前可逆视频水印隐蔽性和篡改定位能力不足问题,提出一种新颖的基于帧内预测模式的可逆视频水印算法。方法首先,深入分析I帧亮度分量的预测模式对不同类型篡改的敏感性,提取每个帧内编码宏块的预测模式,通过预测模式生成特征码。然后,结合H.264/AVC编码特性和误差补偿算法,在每个亮度4×4残差块中筛选出误差最小系数。最后,运用差值扩展的方法将特征信息作为水印可逆的嵌入到所选系数。结果在含水印视频未受到篡改时,解码端提取水印后可对原始视频进行无损恢复。当视频受到篡改时,算法能精确定位篡改区域并且篡改定位精度达到4×4子块级。由于水印嵌入在误差最小的系数中,能够有效地降低水印嵌入对于视频质量的影响,嵌入水印后图像的PSNR值比现有的基于H.264/AVC可逆水印方案平均提高10%,测试序列的码率增量平均降低了22%左右。结论本文算法较现有算法具有更好的嵌入率、隐蔽性、篡改检测精度,适用于医学、军事、卫星等领域。 

【文章来源】：中国图象图形学报. 2015,20(10)北大核心

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

种亮度Intra_4×4预测方式

李淑芝，张翔，邓小鸿，吴晓燕第20卷/第10期/2015年10月基于模式特征的H.264/AVC可逆视频水印12871)Intra_4×4模式的一种预测方式转变成另一种预测方式;2)Intra_4×4模式与Intra_16×16模式互相转变;3)Intra_16×16模式的一种预测方式转变成另一种预测方式。实验中，分别对各视频序列帧内编码的每个4×4子块进行统计。若发生转移1)，则标记该4×4子块发生模式变化;若发生转移2)，则标记该宏块的16个4×4子块模式发生改变;同理，转移3)也标记为16个4×4子块模式改变。表1给出了统计结果。图19种亮度Intra_4×4预测方式Fig.1NineluminanceIntra_4×4predictionmodes图24种亮度Intra_16×16预测方式Fig.2FourluminanceIntra_16×16predictionmodes从表1可以看出，重压缩对帧内预测模式的影响较校并且，视频序列的纹理复杂度越高，重压缩后的预测模式转移比率越校假设Pr为重压缩后模式转移的平均比率，对表1中5个视频序列的模式转移统计比率求均值，得到重压缩后模式转移的平均比率Pr为19.2%。接下来，分别对上述5个不同的视频序列进行恶意篡改，部分篡改帧如图3所示。实验中，各序列分别选取10郑每帧选择不同位置(中间和边缘区域)进行不同程度和纹理的复制粘贴篡改。对视频编码后分别统计出每个序列篡改区域的模式的转移比率，统计方法与重压缩相同。表2显示了统计后的结果。由表2可知，恶意篡改对预测模式的影响较大，即预测模式对恶意篡改非常敏感。同理，可估算出恶意篡改区域模式转移的平均比率Pm的值为81.2%。对比Pr和Pm可知，预测模式对恶意篡改的敏感性较高，相反，对重压缩篡改的敏感性却很低。因此，通过帧内预测模式生成认证码是可行的。

Vol．20，No．10，Oct.20151288图3部分篡改帧示意图Fig.3Partofthetamperedframes表1重压缩模式转移比率Table1Themodetransitionrateofrecompression视频序列量化参数模式转移比率/%foreman_qcif2826.7container_qcif2816.7mobile_qcif288.9coastguard_qcif2822.4carphone_qcif2821.2表2篡改区域模式转移比率Table2Themodetransitionrateoftamperingregion视频序列量化参数模式转移比率/%foreman_qcif2875.6container_qcif2892.5mobile_qcif2879.4coastguard_qcif2875carphone_qcif2883.61.2模式特征码生成方案基于H.264/AVC的视频认证水印算法中，特征码生成主要有系数哈希值［11］和块组能量关系［12］两种方案。然而，两种生成方案都没有充分地考虑到H.264/AVC编解码特性和算法复杂度等问题。因此，提出一种新的I帧认证码生成方法。首先，根据H.264/AVC宏块编码顺序，提取每个帧内4×4子块的预测模式;然后，将预测模式进行取模运算，得到初始的模式特征序列;最后，对特征序列进行混沌加密和置乱，生成最终的认证序列。具体方法如下:1)设视频帧的大小为N1×N2，则每个I帧的4×4子块数M=(N1/4)×(N2/4)，按照编码顺序得到每个宏块的帧内亮度预测模式。若预测模式为Intra_4×4，转至步骤2);否则转至步骤3)。2)得到第i个4×4子块的预测方式imi∈{0，1，2，…，7，8}，具体的对应规则如图1。根据式(1)生成第i个4×4子块模式特征码Fi=0imimod2=01imimod2={1，0≤i≤M－1(1)3)得到第j个宏块的预测方式nmj∈{0，1，2，3}，具体的对应规则如图2。根据式(2)生成第j个宏块的16个4×4子块模式特征码F16j=F16j+1=…=F16j+15=0nmjmod2=0

【参考文献】：
期刊论文
[1]适用于广播监视的视频水印协议[J]. 刘丽,赵学民,彭代渊,高悦翔.  计算机学报. 2014(11)
[2]一种基于H.264/AVC的视频可逆脆弱水印算法[J]. 张维纬,张茹,刘建毅,伍淳华,钮心忻,杨义先.  电子与信息学报. 2013(01)
[3]基于半脆弱水印的H.264/AVC视频流的内容级认证[J]. 王小静,杨高波,朱宁波.  通信学报. 2009(11)



本文编号：2965135