基于脆弱水印的錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)在H.264中的應(yīng)用

摘  要：針對(duì)H.264編碼比特流，本文提出了一種在壓縮比特流中使用脆弱水印技術(shù)來(lái)檢測(cè)傳輸中錯(cuò)誤宏塊的檢測(cè)方案。在編碼端的DCT非零系數(shù)的最低有效位(LSB)以數(shù)字水印的形式嵌入特定的信息，然后在解碼端提取這些信息來(lái)判斷所接收的比特流是否出錯(cuò)。
關(guān)鍵詞：錯(cuò)誤檢測(cè)；脆弱水??；最低有效位；比特流

引言
    在壓縮視頻流中，每個(gè)比特都是非常重要的，在傳輸過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤會(huì)嚴(yán)重影響解碼后的視頻效果。所以，在所接收的視頻流中進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)在實(shí)際工作中是非常重要的。只有解碼器在所接收的比特流中檢測(cè)到誤碼，才能采用相應(yīng)的策略對(duì)它進(jìn)行錯(cuò)誤恢復(fù)和錯(cuò)誤隱藏，因此，選擇一種行之有效的誤碼檢測(cè)方法是致關(guān)重要的。

    數(shù)字水印技術(shù)在近年來(lái)發(fā)展很快，已發(fā)展出用于數(shù)據(jù)監(jiān)控的脆弱水印，以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。本文提出了一種基于脆弱水印的錯(cuò)誤檢測(cè)方法。

錯(cuò)誤檢測(cè)方案
    為了克服傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，本文采用在編碼端嵌入水印信息的辦法，并使水印信息和視頻數(shù)據(jù)之間建立某些強(qiáng)制關(guān)系。如果在解碼時(shí)發(fā)現(xiàn)這些約定關(guān)系不被滿(mǎn)足，則可判斷接收到的數(shù)據(jù)遭到篡改，即發(fā)生傳輸錯(cuò)誤。本文根據(jù)H.264的協(xié)議語(yǔ)句設(shè)計(jì)水印信息，并把水印信息嵌入到非零DCT系數(shù)中。

檢測(cè)原理
    在H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，一個(gè)宏塊的壓縮數(shù)據(jù)可以分為兩個(gè)部分。第一部分包括圖像頭、宏塊類(lèi)型、幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式以及運(yùn)動(dòng)矢量等；第二部分包括塊編碼模式(CBP,Coded Block Pattern)和該塊的所有DCT系數(shù)。如果第一部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，將對(duì)解碼端的圖像解碼過(guò)程造成非常嚴(yán)重的影響，甚至不能解碼。但值得慶幸的是，第一部分的數(shù)據(jù)與CBP數(shù)據(jù)在碼流中的比特?cái)?shù)非常少，所以其發(fā)生錯(cuò)誤的概率與DCT系數(shù)相比非常小。數(shù)字水印檢測(cè)技術(shù)正是針對(duì)每個(gè)DCT變換塊進(jìn)行一些特殊處理，使編碼后的碼流數(shù)據(jù)攜帶一些特定的特征，即水印。而碼流中的這些特征對(duì)信道的干擾非常敏感，在信號(hào)傳輸過(guò)程中，即使遇到輕微的信道干擾，這些特征也會(huì)丟失。解碼端通過(guò)檢測(cè)解碼數(shù)據(jù)是否存在水印，就能達(dá)到錯(cuò)誤檢測(cè)的目的。

圖1 嵌入水印流程圖

水印設(shè)計(jì)和嵌入位置
    在編碼端，首先對(duì)每個(gè)DCT塊內(nèi)的非零系數(shù)的最低有效位進(jìn)行判別，DCT塊經(jīng)過(guò)字變換(zia-zia)掃描之后，如果非零系數(shù)在偶數(shù)位置，則將最低有效位置0，即LSB=0；如果非零系數(shù)在奇數(shù)位置，則將最低有效位置1，即LSB=1。因?yàn)镈CT系數(shù)中直流分量攜帶的信息量很大，如果對(duì)直流分量進(jìn)行處理，將會(huì)導(dǎo)致圖像的PSNR值急劇下降，嚴(yán)重影響解碼后的圖像效果，所以，本文只對(duì)交流系數(shù)進(jìn)行處理。在解碼端，對(duì)這些位置的交流系數(shù)進(jìn)行檢查。在奇數(shù)位置，如果DCT系數(shù)為偶數(shù)，則說(shuō)明該編碼塊出錯(cuò)；在偶數(shù)位置，如果DCT系數(shù)為奇數(shù)，則說(shuō)明該編碼塊出錯(cuò)。其方法如下：
非零DCT交流系數(shù)在偶數(shù)位置時(shí)：                                   

非零DCT交流系數(shù)在奇數(shù)位置時(shí)：

    AC為DCT變換后的交流系數(shù)，ACW為加載脆弱數(shù)字水印后的DCT交流系數(shù)，為符號(hào)函數(shù)。本方案采用在最低有效位嵌入水印模式，因此不需要額外的比特進(jìn)行編碼。圖1即為幀內(nèi)宏塊嵌入水印模式的流程圖。
由于H.264標(biāo)準(zhǔn)采用了幀內(nèi)和幀間預(yù)測(cè)來(lái)參與對(duì)某一宏塊的編解碼。為了保證編解碼端參與預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)一致性(因?yàn)榻獯a端不可能使用未嵌入水印的原始數(shù)據(jù)參與預(yù)測(cè))，避免數(shù)據(jù)失配造成圖像質(zhì)量惡化，水印嵌入操作必須放到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償循環(huán)內(nèi)，即量化之后、熵編碼之前進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 數(shù)字水印檢測(cè)編碼器的實(shí)現(xiàn)流程圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    本文的編解碼系統(tǒng)以H.264的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型JM86為測(cè)試平臺(tái)，在編碼端加入了數(shù)字水印，加入起始點(diǎn)為DCT系數(shù)的第6個(gè)數(shù)。本文采用VCEG模擬信道傳輸模型來(lái)模擬碼流錯(cuò)誤。

    圖3為取標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試集foreman.yuv的前30幀，在碼率為128Kbps、逐幀編碼條件下，對(duì)嵌入數(shù)字水印和未嵌入數(shù)字水印這兩種情況下在沒(méi)有傳輸錯(cuò)誤時(shí)重建圖像PSNR值的對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，水印對(duì)圖像質(zhì)量的影響很小。

    表1和表2為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列在不同編碼比特率下對(duì)兩種錯(cuò)誤檢測(cè)方案的對(duì)比。每個(gè)序列選取30幀，圖像格式為QCIF(采樣比率為4:2:0)。首先用嵌入水印后的編碼器得到一個(gè)基準(zhǔn)碼流，然后用VCEG模擬信道引入錯(cuò)誤，最后在解碼端提取這些信息來(lái)判斷相應(yīng)的語(yǔ)法元素是否滿(mǎn)足語(yǔ)法結(jié)構(gòu)或約定關(guān)系。

   由表1和表2可以看出，基于脆弱水印方法和基于語(yǔ)法的錯(cuò)誤檢測(cè)相比，前者在付出較小的PSNR值代價(jià)的情況下，其錯(cuò)誤檢測(cè)率提高了近一倍。但隨著編碼序列運(yùn)動(dòng)復(fù)雜度的增加，細(xì)節(jié)更多的情況下，數(shù)字水印的PSNR值會(huì)下降。

圖3 無(wú)錯(cuò)情形下PSNR值對(duì)比

結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)編碼端的非零DCT系數(shù)加入脆弱水印信息，形成傳輸數(shù)據(jù)與加入信息的特定強(qiáng)制關(guān)系，在解碼端校驗(yàn)約定的強(qiáng)制關(guān)系來(lái)判斷數(shù)據(jù)的完整性這種錯(cuò)誤檢測(cè)方法，相對(duì)基于語(yǔ)法的傳統(tǒng)錯(cuò)誤檢測(cè)方法有更高的錯(cuò)誤檢測(cè)率，而且這種檢測(cè)方法在傳輸比特流中不會(huì)增加額外的開(kāi)銷(xiāo)而影響傳輸效率，但該方法的PSNR值會(huì)有少量降低，若從人眼視覺(jué)分辨能力考慮，少量的PSNR值降低不會(huì)影響視頻效果。

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