水印设计和嵌入位置

      在编码端，首先对每个DCT块内的非零系数的最低有效位进行判别，DCT块经过字变换(zia-zia)扫描之后，如果非零系数在偶数位置，则将最低有效位置0，即LSB=0；如果非零系数在奇数位置，则将最低有效位置1，即LSB=1。因为DCT系数中直流分量携带的信息量很大，如果对直流分量进行处理，将会导致图像的PSNR值急剧下降，严重影响解码后的图像效果，所以，本文只对交流系数进行处理。在解码端，对这些位置的交流系数进行检查。在奇数位置，如果DCT系数为偶数，则说明该编码块出错；在偶数位置，如果DCT系数为奇数，则说明该编码块出错。其方法如下：

      非零DCT交流系数在偶数位置时：                                   

      非零DCT交流系数在奇数位置时：

      AC为DCT变换后的交流系数，ACW为加载脆弱数字水印后的DCT交流系数，为符号函数。本方案采用在最低有效位嵌入水印模式，因此不需要额外的比特进行编码。图1即为帧内宏块嵌入水印模式的流程图。
由于H.264标准采用了帧内和帧间预测来参与对某一宏块的编解码。为了保证编解码端参与预测的数据一致性(因为解码端不可能使用未嵌入水印的原始数据参与预测)，避免数据失配造成图像质量恶化，水印嵌入操作必须放到运动补偿循环内，即量化之后、熵编码之前进行，如图2所示。

图2 数字水印检测编码器的实现流程图

      实验结果

      本文的编解码系统以H.264的标准测试模型JM86为测试平台，在编码端加入了数字水印，加入起始点为DCT系数的第6个数。本文采用VCEG模拟信道传输模型来模拟码流错误。

      图3为取标准测试集foreman.yuv的前30帧，在码率为128Kbps、逐帧编码条件下，对嵌入数字水印和未嵌入数字水印这两种情况下在没有传输错误时重建图像PSNR值的对比图。由图可见，水印对图像质量的影响很小。

      表1和表2为标准测试序列在不同编码比特率下对两种错误检测方案的对比。每个序列选取30帧，图像格式为QCIF(采样比率为4:2:0)。首先用嵌入水印后的编码器得到一个基准码流，然后用VCEG模拟信道引入错误，最后在解码端提取这些信息来判断相应的语法元素是否满足语法结构或约定关系。

      由表1和表2可以看出，基于脆弱水印方法和基于语法的错误检测相比，前者在付出较小的PSNR值代价的情况下，其错误检测率提高了近一倍。但随着编码序列运动复杂度的增加，细节更多的情况下，数字水印的PSNR值会下降。

图3 无错情形下PSNR值对比

      结语

      通过对编码端的非零DCT系数加入脆弱水印信息，形成传输数据与加入信息的特定强制关系，在解码端校验约定的强制关系来判断数据的完整性这种错误检测方法，相对基于语法的传统错误检测方法有更高的错误检测率，而且这种检测方法在传输比特流中不会增加额外的开销而影响传输效率，但该方法的PSNR值会有少量降低，若从人眼视觉分辨能力考虑，少量的PSNR值降低不会影响视频效果。