[发明专利]基于混合编解码的H.264视频水印嵌入及提取方法

摘要

基于混合编解码的H.264视频水印嵌入及提取方法属于多媒体信息安全领域。本方案不需要彻底解码视频数据，在嵌入水印时充分利用原视频的编码参数，最大限度的减少了嵌入水印后的视频与原始视频的差别。在进行解码时，并不是将视频数据全部解码，而是只解码到DCT数据，在其中嵌入水印，同时保留解码过程中出来的编码参数（如：块类型，预测模式，运动矢量等），快速实现水印嵌入。本发明是一种基于264视频压缩标准的视频水印方案，相对于传统的视频水印方案需要全部解码视频数据的方案，采用了一种速度更快、效率更高的方案。

主权项

基于混合编解码的H.264视频水印嵌入及提取方法，其特征在于：其水印的嵌入步骤如下:A.对于原始的H264视频，首先对原始H264视频流进行网络层NAL解码，获得相应的片SLICE解码数据头信息，IDR瞬时解码参考信息，序列参数集信息，图像参数信息集；B.描述H264片信息的数据存放于片的解码数据头信息里；对于片SLICE解码数据头信息，提取其中的描述H264片信息的数据作为H264的视频编码的前导数据予以保存，IDR瞬时解码参考信息，序列参数信息集数据以及图像参数信息集则完整保留原始数据流，并作为H264的图像编码数据集的辅助数据；C1.对于宏块的类型，首先根据片SLICE解码数据头信息来判断编码片数据是否为如下的几种类型之一或者其他：I帧类型，P帧类型，B帧类型，SI类型，SP类型；同时判断是不是需要SKIP模式处理，如是则进入SKIP处理流程，这时要保留一个标志位；C2.根据获得的宏块的数据类型判断是否存在8x8传输模式，如果存在8x8的传输模式，则在编码部分引入8x8DCT编码数据，如果存在16x16的传输模式，则在编码部分引入16x16DCT编码数据，否则采用4x4DCT方式编码数据；并获得交织预测模式，该模式作为下面的编码所使用的预测模式PREM，如果存在子类型则还需要相应计算子类型SUB_P；C3.利用NAL数据即上述步骤A中获得的片SLICE解码数据头信息，IDR瞬时解码参考信息，序列参数集信息，图像参数信息集，解码ref数据以及运动矢量数据MVD，ref数据以及运动矢量数据MVD解码后的数据在H.264解码中应当保留预备下一个宏块处理使用，故放入缓冲中，等待H264解码下一个宏块以及片数据使用；C4.获得编码模式数据CBP，包括亮度的CBP以及色度的 CBP数据以被下面编码部分D6步数据处理使用：C5.解码获得量化步长信息QP；C6解码H264码流获得解码后的DCT数据，该数据在解码过程中为非零的亮度DCT数据，16x16亮度DCT数据，8x8的亮度DCT数据，直流色度数据，交流色度DCT数据，以及非零DCT的位置；这时应按下面式子获得编码用的DCT数据；luma[posluma[i]]=d.dctluma[n]chroma_dc[poschromadc[i]]=d.dctchromadc[n]dct.luma_16x16[posluma16[i]]=d.dctluma16x16[n]dct..luma_8x8[posluma8[i]]=d.dctluma8x8[n]chroma_ac[poschromaac[i]]=d.dctchromaac[n]其中dct.luma是除了8x8和16x16的亮度的DCT信息，d.dctluma是相应的解码获得相应DCT数据，posluma[n]是其中非零的位置数据其他为零；dct.chroma_dc是直流色度DCT数据，d.dctchromadc是相应的解码得到的DCT数据，poschromadc是非零的位置；dct.luma_16x16是16x16类型的DCT数据，d.dctluma16x16是相应解码获得DCT数据，posluma16是其中非零的位置，其他为零；dct.luma_8x8是8x8类型的DCT数据，d.dctluma8x8是相应解码得到的DCT数据，posluma8是其中非零的位置其他为零；dct.chroma_ac是交流色度的DCT数据，d.dctchromaac是解码获得相应DCT数据，poschromaac是其中非零的位置；这个式子实现解码用DCT到编码用DCT的转换；解码首先获得是非零DCT值及非零的位置，而编码用DCT需将这两个结合起来求得编码用图像的DCT数据；C7根据片解码数据的编码类型信息如果是按CABAC编码的则按CABAC方式进行解码处理，否则按CAVLC方式进行解码处理；D下面D1及以下各步完成基于上述解码参数进行的编码；这些数据包含在下面所述的各步中；对这些H264的编码数据按照 H264基础视频流的编码顺序进入熵编码环节处理以及同时加入水印信息；D1.采用基于DCT域的水印嵌入方法，如果上述获得的宏块的DCT数据为dct，待嵌入的水印序列w(N);w(N)表示长度为N的水印序列；m,n为该宏块DCT数据的起始位置；则按照下述算法在亮度信息中嵌入一位水印信息： dct _ w . luma [ m + θ ] [ n + δ ] = max ( dct . luma [ m + θ ] [ n + δ ] , dct . luma [ m + α ] [ n + β ] ) + power ; ifw ( i ) = 1 min ( dct . luma [ m + θ ] [ n + δ ] , dct . luma [ m + α ] [ n + β ] ) - power ; ifw ( i ) = 0 dct _ w . luma [ m + α ] [ n + β ] = min ( dct . luma [ m + θ ] [ n + δ ] , dct . luma [ m + α ] [ n + β ] ) ; ifw ( i ) = 1 max ( dct . luma [ m + θ ] [ n + δ ] , dct . luma [ m + α ] [ n + β ] ) ; ifw ( i ) = 0 其中[θ,δ]和[α,β]是沿H264的zigzigZ字扫描路径上相邻的两个点的位置，power是嵌入强度根据鲁棒性要求在[5‑100]取值，值越小则对应嵌入水印后的视频相对原始视频质量越好，但抗攻击能力反而较低；取值越大则嵌入水印后视频相对原始视频改动较大，抗攻击能力越强；对提取的DCT数据分析加入水印信息后，重新构建原始数据结构，准备进行H264视频流的生成；D2.利用上述获得宏块的解码片slice头信息,IDR瞬时解码参考信息，序列参数集信息，图像参数信息集按原始H264流的序列参数生成编码宏块的头信息，并将该数据写入对应的视频流；D3.根据宏块类型如果是8x8传输模式，则将有该模式的标志信息写入码流；如果是SKIP模式则写入上面C1步获得标志位；D4.根据输入H264码流的预测模型获得输入码流的预测模型PREM，由宏块的类型写入预测模式信息，包括亮度以及色度信息，并将该模式信息写入视频流；如果存在子类型SUB_P，则同样写入视频流；D5.如果该模块的宏块的划分子类型为8x8或4x4之外的其他用于运动补偿的各种类型，其他用于运动补偿的各种类型包括16x16,16x8,8x16,4x8,8x4，则通过输入H264码流相应获得参考ref数据类型以及运动矢量MVD数据类型并顺序写入输出码流；D6.由输入获得的亮度和色度的CBP数据写入输出码流；D7.写入量化步长信息；D8.由输入获得的各个不同类型DCT数据在加入水印信息后，提取其中非零系数的个数，以及每一个非零的DCT系数按照熵编码的编码方法编码后加入到输出的码流中；E重复上面的流程直至每个片的宏块的数据全部处理完毕，然后进行下一帧的处理直到所有帧处理完毕；其水印信息的检查方法如下：由于水印信息只包含在视频中的亮度DCT数据中，因而水印信息的提取部分绝大部分和H264视频的解码部分相同，只是在获得DCT数据时进行检测，其方法如下：1)对于输入的加入水印的H264视频，解码出当前帧中宏块的DCT数据；2)根据水印检测算法的要求对亮度DCT数据进行提取水印信息的操作；按下面方法提取水印，[m,n]为宏块DCT数据起始地址，[θ,δ]和[α,β]为嵌入点的位置 w ( i ) = 1 ; dct . luma [ m + θ ] [ n + δ ] > dct . luma [ m + α ] [ n + β ] ) 0 ; dct . luma [ m + θ ] [ n + δ ] < = dct . luma [ m + α ] [ n + β ] ) 3)重复检测各个嵌入宏块，完成后再进行下一帧的处理直至获得所有的水印信息。