Watermarking of MPEG 4 videos

Tóm lược. Phương pháp thủy vân số miền video MPEG4 nén được đề xuất và hiệu suất của nó được nghiên cứu ở bit rate từ 64 Kb s đến 900 Kb s. Hình mờ được chèn bằng cách sửa đổi hệ số biến đổi Cosin rời rạc (DCT). Độ mạnh của hình mờ được thay đổi theo đặc điểm khung cục bộ để giảm tác động đến chất lượng hình ảnh. Hiệu suất của thuật toán cũng được nghiên cứu để đánh dấu các bit trong khung hình khác nhau, từ 1 Kb khung hình đến 3 Kb khung hình. Hình mờ không bị tấn công trước các kĩ thuật như chia tỷ lệ, xoay và cắt ngay cả khi sử dụng kỹ thuật mù

Thủy vân số cho tệp video MPEG-4 Abhinav Gupta Phalguni Gupta Khoa Khoa học Kỹ thuật Máy tính Viện Công nghệ Ấn Độ, Kanpur, Ấn Độ - 208016 {abhigupt,pg}@cse.iitk.ac.in Tóm lược Phương pháp thủy vân số miền video MPEG-4 nén đề xuất hiệu suất nghiên cứu bit rate từ 64 Kb / s đến 900 Kb / s Hình mờ chèn cách s ửa đ ổi hệ số biến đổi Cosin rời rạc (DCT) Độ mạnh hình mờ thay đổi theo đặc điểm khung cục để giảm tác động đến chất lượng hình ảnh Hiệu suất thuật toán nghiên cứu để đánh dấu bit khung hình khác nhau, từ Kb / khung hình đến Kb / khung hình Hình mờ không bị t ấn công tr ước kĩ thuật chia tỷ lệ, xoay cắt sử d ụng kỹ thu ật mù Giới thiệu Hartung [1, 2] mô tả kỹ thuật nhúng thủy vân trải phổ vào video nén MPEG2 [3] vào video không nén Đối với thủy vân miền nén, h ọ gi ải mã video để thu hệ số DCT khung hình chèn thủy vân cách sửa đổi hệ số DCT Langelaar [4] mô tả kỹ thuật tạo th ủy vân mi ền nén gọi Thủy vân Năng lượng Vi phân (Differential Energy Watermark DEW), video chia thành nhóm khối, kh ối chia thành hai nhóm có kích thước xác định khóa nhúng th ủy vân Bằng cách so sánh lượng hệ số DCT chọn hai b ộ, m ột bit tải trọng biểu thị Jordan cộng sự,[5] đề xuất ph ương pháp tạo hình mờ cho video nén để nhúng thông tin vào vect chuy ển đ ộng Hsu Wu trình bày phương pháp cho thủy vân [6] ều ch ỉnh t ần s ố trung bình hệ số DCT liên quan đến khối lân cận mặt không gian thời gian Nicholson [7] đánh giá độ bền thủy vân ch ất lượng video sau video tạo thủy vân nén MPEG-4 Tuy nhiên, kỹ thu ật số giải thủy vân trực tiếp video MPEG-4 Trong tài liệu này, kỹ thuật thủy vân miền nén cho lu ồng video MPEG-4 [8] trình bày Cách tiếp cận tương tự [1] th ủy vân đ ược chèn vào hệ số DCT Tuy nhiên, sử dụng mẫu đồng hóa làm cho trở nên mạnh mẽ phương pháp tăng cục giúp cải thiện chất lượng 2 Abhinav Gupta and Phalguni Gupta Trong Phần 2, tổng quan kỹ thuật MPEG-4 trình bày Ti ếp theo phương pháp đề xuất kết Phần Phần tương ứng Ph ần đề xuất giao thức để đánh giá ch ủ quan hệ thống k ết lu ận Phần Tổng quan MPEG-4 MPEG-4 [8] mã hóa thơng tin hình ảnh dạng đối t ượng (video t ự nhiên, tổng hợp kết cấu tĩnh) MPEG-4 mã hóa mơ t ả cảnh đ ể hi ển th ị phù hợp tất đối tượng Một MPEG-4 cảnh trực quan bao gồm nhiều đối tượng video Mỗi đối tượng video đặc trưng thông tin không gian thời gian dạng hình dạng, chuy ển động kết cấu t ương ứng với đối tượng 2D cảnh Mặt phẳng Đối tượng Video (Video Object Plane -VOP) mẫu thời gian đối tượng video VOP có th ể đ ược mã hóa độc lập với phụ thuộc vào cách bù chuy ển đ ộng VOP chứa liệu video mã hóa dạng macroblock Macroblock chứa phần thành phần độ chói thành phần sắc độ lấy mẫu theo khơng gian Trong tiêu chuẩn hình ảnh MPEG-4, hỗ trợ định dạng sắc đ ộ cho macroblock, định dạng 4: 2: Ở định dạng này, macroblock ch ứa kh ối đ ộ chói khối sắc độ Mỗi khối chứa 8x8 pixel mã hóa cách sử d ụng phép biến đổi DCT Các hệ số DCT sau lượng tử hóa cách thích ứng để đạt tốc độ bit thấp Phương pháp đề xuất Trong phương pháp đề xuất, tín hiệu thủy vân chèn trực tiếp vào luồng bit nén MPEG-4 trình phát th ực hi ện b ằng luồng bit nén mà khơng có tín hiệu thủy vân Phần 3.1 th ảo lu ận v ề hình thành tín hiệu thủy vân từ mẫu đồng tín hi ệu thơng ệp g ốc Phần 3.2 đề cập đến trình mà tín hiệu thủy vân nhúng vào video MPEG-4 Phần 3.3 thảo luận phương pháp khuếch đại thích ứng cục để tăng chất lượng video 3.1 Tín hiệu Thủy vân Trải phổ Tín hiệu thủy vân thường giới hạn giá trị nhỏ để đảm bảo tính khơng nhạy cảm chống nhiễu từ tín hiệu chủ nhi ễu bổ sung phát sinh từ q trình xử lý Tín hiệu trải phổ dễ bị l ỗi đ ồng b ộ hóa x ảy sau chia tỷ lệ, cắt xén xoay nên cặp mẫu áp dụng cho tín hi ệu trải phổ để chống lại đồng hóa Mẫu hạn chế tín hiệu th ủy vân để có cấu trúc tuần hồn đặn Đặc biệt, tín hi ệu th ủy vân w(x,y) xây dựng cách lặp lại ô thủy vân sơ cấp ( x,y) theo kiểu không chồng chéo Nếu việc lặp lại thực cách, đỉnh n ằm tâm c m ỗi ô Nếu phép biến đổi tuyến tính A áp d ụng cho VOP đ ược tạo th ủy vân, hệ số tự tương quan h(x,y), đỉnh di chuyển đến x’ y’ theo Watermarking of MPEG-4 Videos (1) Mẫu đồng hóa thứ hai buộc w(x,y) phải chứa tập hợp đỉnh miền tần số Yêu cầu đáp ứng cách tạo ( x,y) kết hợp ký hiệu mang tin m(x,y) tín hiệu đồng g(x,y) Trong miền tần số g(x,y) chứa đỉnh dải tần trung bình, đỉnh chiếm hệ s ố tần s ố có độ lớn thống Sau biến đổi hình học A áp d ụng cho hình ảnh, h ệ số FFT F(u,v) di chuyển đến vị trí ( , ) theo phương trình (2) Sử dụng hai phương trình trên, thu phép bi ến đ ổi tuyến tính A áp dụng cho hình ảnh đảo ngược phép bi ến đ ổi đ ể th ực phương pháp phát Hình (a) phác thảo q trình t ạo tín hi ệu th ủy vân 3.2 Nhúng thủy vân Phần mô tả việc nhúng thủy vân trực tiếp vào luồng bit đ ược tạo theo Trắc đồ Đơn giản Nâng cao (Advanced Simple Profile - ASP) tiêu chuẩn MPEG-4 Tín hiệu hình mờ w(x,y) thêm vào mặt phẳng độ chói VOP Vì DCT phép biến đổi tuyến tính, việc thêm tín hi ệu th ủy vân bi ến đổi trực tiếp vào hệ số DCT khối độ chói tương đương với phép c ộng miền không gian Một luồng bit phân tích cú pháp xu ống c ấp kh ối để thu vectơ chuyển động mã hóa có độ dài biến đổi với h ệ s ố DCT Các vectơ chuyển động tái tạo cách sử dụng gi ải mã VLC đảo ngược bước dự đốn Sau nhúng tín hiệu hình m ờ, mã VLC tạo lại dịng bit tái tạo Hình (b) mơ tả tồn phác thảo Vì tín hiệu 96x96 nhúng hình ảnh 192x192 nên kh ối 8x8 đ ược nhúng khối 16x16 Do đó, tổng số hốn vị có Thuộc tính giúp giới thiệu Số Giấy phép Kỹ thuật số (Digital License Number) Mỗi người dùng ủy quyền có khóa ánh xạ tới c ấu hình c tất hốn vị có Chuỗi bậc hai phương pháp lặp lại ( i + i2)Kmod256, K số giấy phép, mang lại 64 vị trí để chèn thủy vân Bảng băm cách tiếp cận khác để làm điều tương tự Luồng bit chưa thủy vân Abhinav Gupta and Phalguni Gupta Luồng bit thủy vân B I P T A S R Tín hiệu chưa thủy vân Chia tỉ lệ nhúng Tín hiệu thủy vân T S R I E N A G M R P E A C Mở rộng bổ sung Lát gạch I Tải trọng/ Tín hiệu Thủy vân Sửa lỗi B R I E T C R S A T L R C O E N A S M T R U I P A Y L O A D Véctơ di chuyển R O T N T Mẫu Đồng Thông tin Header Shape U T Nhúng thủy vân Hệ số DCT Hệ số DCT sau thủy vân O N O N (a) (b) Fig.1 a) Sơ đồ giản đồ để chuẩn bị tín hiệu thủy vân b) Phác thảo cho m ột trình nhúng thủy vân Trình nhúng theo giải mã MPEG-4 3.3 Phương pháp luận khuếch đại thích ứng cục Phương pháp luận khuếch đại thích ứng cục cải thiện hiệu suất thủy vân Đối với vùng tương đối mịn video, nơi chí nhìn thấy lượng nhỏ biến dạng, điều khiển khuếch đại cục giảm công suất nhúng thủy vân để giảm thiểu khả cảm nhận Đối với vùng t ương đối bận rộn có kết cấu hình ảnh, điều khiển khuếch đại c ục b ộ làm tăng sức mạnh nhúng để cải thiện độ rõ Phương pháp tăng c ục sử d ụng thước đo hoạt động cục để điều chỉnh công suất thủy vân sở khối, thu trực tiếp từ hệ số DCT cho kh ối dự đoán cách sử dụng thông tin vectơ chuyển động cho khối dự đốn Mơ hình độ tăng cho tăng cục L(x,y) Các hệ số thủy vân sau tính trọng số L(x,y) để tạo tín hiệu thủy vân nhúng vào video: W∗(x,y) = αL(x,y)W(x,y) (3) W* thủy vân nhúng, α mức tăng global người dùng lựa chọn W tín hiệu thủy vân ưu tiên điều chỉnh mức tăng Đ ối v ới VOP, trọng số tăng thêm cục định dựa hoạt động ước tính VOP Đối với Mã hóa trong-VOP, L(x,y) L(x,y) = DCT(f(x),g(y))2ΣDCT(i,j)2 I (4) f(x) g(y) ánh xạ pixel thứ ( x,y) thành hệ số DCT ( f(x),g(y)) Đối với VOP dự đốn, sử dụng cơng thức thay Tổng lượng ΣDCT(i,j)2 (5) Watermarking of MPEG-4 Videos Trong N1, N2, N3 N4 số pixel di chuyển từ Khu vực A, B, C, D đến khối xem xét Bản phác thảo cho khuếch đại thích ứng cục thể Hình (a) Locally Salient Watermark Hệ số DCT biến đổi W* Thông tin Header Shape Mơ hình tăng Tăng cục L(x,y) X aW Dữ liệu véctơ chuyển động Thủy vân (a) (b) (c) Fig.2 a) Bản phác thảo cho phương pháp khuếch đại thích ứng c ục b ộ b) Tín hi ệu thủy vân gốc chèn c) Tín hiệu thủy vân cu ối sau s dụng lát g ạch (a) Video I(900 Kb/giây) (b) Video II(64 Kb/giây) Fig.3 a) Video nhúng thủy vân có tốc độ bit 900 Kb / giây t ốc đ ộ bit t ải trọng Kb / khung hình b) Video nhúng thủy vân có t ốc đ ộ bit 64 Kb / giây tốc độ bit tải trọng Kb / khung hình Kết Thuật tốn thử với hai video (một video có nhiều kết c ấu – texture, so với video khác) quay Viện cơng nghệ Kanpur với khơng có chuẩn liệu video cho thủy vân chuẩn bị trước Các video nén tốc độ bit khác (64-900 Kb / giây) t ốc độ bit c tín hi ệu th ủy vân thay đổi từ kb / khung hình đến Kb / khung hình Các khung có kích th ước 192 x 192 thủy vân 32 x 32 chèn vào Việc chuẩn bị tín hi ệu thủy vân thể hình (b), (c) Kết nhúng th ủy vân Kb / Abhinav Gupta and Phalguni Gupta khung hình với video 900 kb / s 64 kb / s th ể hi ện Hình Hình cho thấy hiệu suất mơ-đun khuếch đại thích ứng cục (a) Khơng sử dụng khuếch đại thích ứng cục bộ (b) Sử dụng khuếch đại thích ứng cục Fig.4 a) Video nhúng thủy vân có tốc độ bit 900 Kb / giây t ốc đ ộ t ải tr ọng thủy vân 3Kb / giây với mơ-đun khuếch đ ại thích ứng c ục b ộ b) Video đ ược nhúng thủy vân có tốc độ bit 900 Kb / giây tốc đ ộ tr ọng 3Kb / giây có áp d ụng m ức tăng thích ứng cục Sự khác biệt chất lượng rõ ràng vùng có k ết c ấu th ấp bầu trời tường Đánh giá chủ quan Một giao thức để đánh giá chất lượng khung video có th ủy vân xác định dựa khuyến nghị P.910 ITU-T [9] BT.500 [10] c ITUR Các khuyến nghị đề xuất giao thức khác dựa m ục tiêu c đánh giá sẵn có thật tảng Trong giao thức Xếp hạng Danh mục Tuyệt đối (Absolute Category Rating - ACR), hình ảnh hiển thị sau câu hỏi liên quan đến chất lượng đ ược đặt Thang đo rời rạc với giá trị 1-5 Trong giao thức Xếp hạng Phân loại Suy thoái (Degradation Category Rating - DCR), nguồn trình bày, sau hệ thống thử nghiệm T đo sử dụng thang điểm suy giảm rời rạc Các thang đo ACR, DCR khơng sử dụng chúng dùng thang đo r ời rạc làm tự phân biệt vi ệc sử dụng Một giao thức thiết kế đối tượng hiển thị thật tảng với hệ thống thử nghiệm quy mô liên t ục Trong m ỗi phiên ki ểm tra, người dùng làm quen với giao di ện Tiếp theo ph ần kiểm tra thử để kiểm tra độ quen thuộc Sau đó, chúng tơi có m ột phiên ki ểm tra, bắt đầu với số trình tự ổn định Điểm số cao mức bình thường hóa điểm số trung bình tính tốn Bài kiểm tra chủ quan thực đối tượng người dùng cu ối chuyên gia Xử lý hình ảnh Thang ểm mà đ ối t ượng bình chọn liên tục Trong phiên kiểm tra, video bên d ưới có t ốc đ ộ Watermarking of MPEG-4 Videos bit 900 Kb / s Trong phiên thứ hai, tốc độ bit đ ược thay đ ổi khung riêng lẻ hiển thị Tốc độ thủy vân Kb / khung hình Các bi ểu đ sau (fig (a) fig 5(b)) cho thấy hiệu suất hai video (a) Tốc độ bit tải trọng thay đổi (b) Tốc độ bit video thay đổi Fig.5 a) Đánh giá chủ quan cho video với t ốc độ t ải trọng đ ược thay đ ổi b) Đánh giá chủ quan cho video với tốc độ bit video thay đ ổi Tổng kết Đưa kĩ thuật dành cho nhúng thủy vân vào lu ồng bit mi ền nén MPEG-4 Kĩ thuật không mạnh mẽ với lỗi đồng mà c ải thi ện chất lượng video việc sử dụng khuếch đại thích ứng cục Tài liệu tham khảo [1] Hartung, F., Girod, B.: Watermarking of uncompressed and compressed video Signal Processing 66 (1998) 283–301 [2] Hartung, F.: Watermarking and fingerprinting of uncompressed and compressed video Signal Processing 66 (1998) 283–301 [3] ISO: Information technology - generic coding of moving pictures and associated audio information ISO/IEC 13818-2 (1994) [4] Langelaar, G., R.Lagendijk: Optimal differential energy watermarking of dct encoded images and video IEEE Transactions on image Processing 10 (2001) 148– 158 [5] F Jordan, M.K., Ebrahimi, T.: Proposal of a watermarking technique for hiding/retrieving data in compressed and decompressed video ISO/IEC document JTC1/SC29/WG11 MPEG97/M2281 (1997) [6] Hsu, C., Wu, J.: Hidden digital watermarks in images IEEE Transactions on Image Processing (1999) 58–68 [7] D Nicholson, P.K., Delaigle, J.: Watermarking in mpeg4 context European Conference on Multimedia Application Services and Techniques (1999) 472–492 [8] ISO: Information technology - coding of audio/video objects:video ISO/IEC 144862 (October 1998) [9] ITU-T: Methodology for subjective assesment of the quality of television pictures Recommendation P.910 (1996) [10] ITU-R: Subjective video quality assesment methods for multimedia applications Recommendation BT 500-11 (1995) ... DCT(f(x),g(y))2ΣDCT(i,j)2 I (4) f(x) g(y) ánh xạ pixel thứ ( x,y) thành hệ số DCT ( f(x),g(y)) Đối với VOP dự đốn, sử dụng cơng thức thay Tổng lượng ΣDCT(i,j)2 (5) Watermarking of MPEG- 4 Videos Trong N1, N2, N3 N4 số... quan kỹ thuật MPEG- 4 trình bày Ti ếp theo phương pháp đề xuất kết Phần Phần tương ứng Ph ần đề xuất giao thức để đánh giá ch ủ quan hệ thống k ết lu ận Phần Tổng quan MPEG- 4 MPEG- 4 [8] mã hóa... P.K., Delaigle, J.: Watermarking in mpeg4 context European Conference on Multimedia Application Services and Techniques (1999) 47 2? ?49 2 [8] ISO: Information technology - coding of audio/video objects:video