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基于水印技術(shù)的MPEG-4形狀錯誤隱藏

發(fā)布時(shí)間:2008/6/5 0:00:00 訪問次數(shù):371

  l 引言

  隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對視頻應(yīng)用提出了新的要求,基于內(nèi)容的交互編碼標(biāo)準(zhǔn)mpeg-4就是適應(yīng)這一要求而提出來的。mpeg-4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)面向內(nèi)容編碼,視頻數(shù)據(jù)以基于內(nèi)容的方式進(jìn)行壓縮、傳輸、編輯、檢索,與以往視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別在于對象的概念,輸入的視頻不再足象素,而是視頻對象,以視頻對象作為操作的單位實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)編碼的所有功能。視頻對象按照時(shí)空關(guān)系組成的場景,但是場景的前景對象和背景對象得以獨(dú)立編碼,如圖1有兩種基本的基于視頻對象的視頻場景的組成方法,每個場景可以由直接從視頻序列中分隔的視頻對象組成((a)分隔場景),也可以是現(xiàn)有的視頻對象進(jìn)行組合((b)組成場景)。另外也有可能場景是由上述的兩種方法結(jié)合組成。

  mpeg-4視頻序列根據(jù)視頻對象進(jìn)行解釋和處理,這些視頻對象是由運(yùn)動信息,紋理信息和形狀信息定義的。mpeg-4視頻包通常是基于數(shù)據(jù)分隔模式編碼的,形狀信息和運(yùn)動信息是獨(dú)立于紋理信息的,是分別傳輸?shù)。如果紋理信息發(fā)生了丟失,利用正確解碼的形狀信息和運(yùn)動信息可以進(jìn)行紋理錯誤隱藏。而如果形狀和運(yùn)動信息都丟失了,則丟棄整個視頻包。

  形狀信息用alpha掩模平面來表示,用二值定義(1表示不透明,0表示透明),或用灰度級定義(象素的透明程度介于0~255之間,1表示不透明,0表示透明)。一般都是使用二值掩模平面,視頻對象的每個象素位置被定義為完全透明或完全不透明。二值的形狀信息對于網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生的錯誤很敏感,并且會很容易發(fā)生錯誤擴(kuò)散,將會影響連續(xù)幀的視頻對象解碼,現(xiàn)有的紋理和運(yùn)動信息錯誤隱藏技術(shù)都是在正確獲得形狀信息的基礎(chǔ)上得到的[1],這說明形狀錯誤隱藏是很必要的。

  2形狀錯誤隱藏技術(shù)回顧

  mpeg-4編碼標(biāo)準(zhǔn)提出了例如插入同步碼,數(shù)據(jù)分割,可逆變長編碼等錯誤隱藏技術(shù)。但是這些技術(shù)對于現(xiàn)在的通信是不能滿足要求的。隨著錯誤隱藏技術(shù)的發(fā)展,并且形狀錯誤隱藏漸漸引起了很多專家的關(guān)注,一些關(guān)于形狀的錯誤隱藏技術(shù)也相繼的被提出。在文獻(xiàn)[2-7]中提出了近年來的一些形狀錯誤隱藏技術(shù)。

  提出的這些技術(shù)不外乎是根據(jù)圖像的自然屬性進(jìn)行錯誤隱藏的,分空間域的錯誤隱藏和時(shí)間域的錯誤隱藏,空間域的主要是針對i幀的視頻對象形狀信息,而時(shí)間域的主要是針對p幀和b幀的視頻對象的形狀信息。時(shí)間域的錯誤隱藏技術(shù)也都是基于i幀的形狀信息正確解碼,所以空間錯誤隱藏更具有意義。文獻(xiàn)[2]提出的方法是利用了自適應(yīng)馬爾可夫域的最大后驗(yàn)估計(jì)(map)模型對圖像進(jìn)行預(yù)先的估計(jì),馬爾可夫是為了二值形狀信息設(shè)計(jì)的,參數(shù)是根據(jù)相鄰塊的信息自適應(yīng)確定的。據(jù)試驗(yàn)表明此方法能夠很精確地恢復(fù)形狀丟失的形狀信息,與中值濾波的方法比較,本文提出的方法能夠多恢復(fù)20%的丟失信息,獲得更好的客觀質(zhì)量。文獻(xiàn)[3,4]是比自適應(yīng)馬爾可夫方法更簡單的曲線插值方法,利用hermite曲線和貝葉斯曲線的特性根據(jù)圖像的空間連續(xù)性來對邊界錯誤塊進(jìn)行錯誤隱藏。文獻(xiàn)[5-7]則是利用時(shí)間和運(yùn)動信息進(jìn)行錯誤隱藏的。

  這些方法都是在解碼端對錯誤塊進(jìn)行修復(fù),并且也取得了很好的效果,但是這些方法針對的錯誤率是有一定限制的,一旦出現(xiàn)了很嚴(yán)重的錯誤,很大的丟包率則很難精確地恢復(fù)出正確的信息。不僅如此如果丟失的是細(xì)節(jié)部分利用曲線的特性并不能很精確地恢復(fù)信息,這些都對視頻對象的解碼很不利,并且如果是i幀的形狀信息沒有恢復(fù),則之后的利用時(shí)間域錯誤隱藏技術(shù)也得不到理想的效果。

  3本文的算法

  針對此問題本文提出了一個新穎的基于數(shù)據(jù)隱藏的方法。此方法是收到數(shù)字水印技術(shù)的啟發(fā)。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一種,廣泛地用于圖像、視頻、音頻等版權(quán)問題,具有透明性、魯棒性和可證明性,因此數(shù)字水印技術(shù)也越來越多地運(yùn)用到內(nèi)容認(rèn)證等其他領(lǐng)域。本文就是利用數(shù)字水印的特性與形狀的錯誤隱藏技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,這也是本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)。本文主要是針對分隔場景視頻的i幀的形狀錯誤隱藏,提出的主要思想是根據(jù)的形狀信息產(chǎn)生待嵌入的水印信息,而人們關(guān)注較少的背景對象則作為嵌入的宿主。

  數(shù)字水印按照嵌入的過程分為時(shí)域/空域水印和頻域/變換域水印,一般情況下頻域水印比時(shí)域水印有更強(qiáng)的魯棒性與透明性。本文則分別利用這兩種不同的實(shí)現(xiàn)方法來進(jìn)行。下面對這兩種方法分別進(jìn)行說明。

  3.1 利用頻域水印嵌入方法

  l 引言

  隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對視頻應(yīng)用提出了新的要求,基于內(nèi)容的交互編碼標(biāo)準(zhǔn)mpeg-4就是適應(yīng)這一要求而提出來的。mpeg-4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)面向內(nèi)容編碼,視頻數(shù)據(jù)以基于內(nèi)容的方式進(jìn)行壓縮、傳輸、編輯、檢索,與以往視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別在于對象的概念,輸入的視頻不再足象素,而是視頻對象,以視頻對象作為操作的單位實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)編碼的所有功能。視頻對象按照時(shí)空關(guān)系組成的場景,但是場景的前景對象和背景對象得以獨(dú)立編碼,如圖1有兩種基本的基于視頻對象的視頻場景的組成方法,每個場景可以由直接從視頻序列中分隔的視頻對象組成((a)分隔場景),也可以是現(xiàn)有的視頻對象進(jìn)行組合((b)組成場景)。另外也有可能場景是由上述的兩種方法結(jié)合組成。

  mpeg-4視頻序列根據(jù)視頻對象進(jìn)行解釋和處理,這些視頻對象是由運(yùn)動信息,紋理信息和形狀信息定義的。mpeg-4視頻包通常是基于數(shù)據(jù)分隔模式編碼的,形狀信息和運(yùn)動信息是獨(dú)立于紋理信息的,是分別傳輸?shù)摹H绻y理信息發(fā)生了丟失,利用正確解碼的形狀信息和運(yùn)動信息可以進(jìn)行紋理錯誤隱藏。而如果形狀和運(yùn)動信息都丟失了,則丟棄整個視頻包。

  形狀信息用alpha掩模平面來表示,用二值定義(1表示不透明,0表示透明),或用灰度級定義(象素的透明程度介于0~255之間,1表示不透明,0表示透明)。一般都是使用二值掩模平面,視頻對象的每個象素位置被定義為完全透明或完全不透明。二值的形狀信息對于網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生的錯誤很敏感,并且會很容易發(fā)生錯誤擴(kuò)散,將會影響連續(xù)幀的視頻對象解碼,現(xiàn)有的紋理和運(yùn)動信息錯誤隱藏技術(shù)都是在正確獲得形狀信息的基礎(chǔ)上得到的[1],這說明形狀錯誤隱藏是很必要的。

  2形狀錯誤隱藏技術(shù)回顧

  mpeg-4編碼標(biāo)準(zhǔn)提出了例如插入同步碼,數(shù)據(jù)分割,可逆變長編碼等錯誤隱藏技術(shù)。但是這些技術(shù)對于現(xiàn)在的通信是不能滿足要求的。隨著錯誤隱藏技術(shù)的發(fā)展,并且形狀錯誤隱藏漸漸引起了很多專家的關(guān)注,一些關(guān)于形狀的錯誤隱藏技術(shù)也相繼的被提出。在文獻(xiàn)[2-7]中提出了近年來的一些形狀錯誤隱藏技術(shù)。

  提出的這些技術(shù)不外乎是根據(jù)圖像的自然屬性進(jìn)行錯誤隱藏的,分空間域的錯誤隱藏和時(shí)間域的錯誤隱藏,空間域的主要是針對i幀的視頻對象形狀信息,而時(shí)間域的主要是針對p幀和b幀的視頻對象的形狀信息。時(shí)間域的錯誤隱藏技術(shù)也都是基于i幀的形狀信息正確解碼,所以空間錯誤隱藏更具有意義。文獻(xiàn)[2]提出的方法是利用了自適應(yīng)馬爾可夫域的最大后驗(yàn)估計(jì)(map)模型對圖像進(jìn)行預(yù)先的估計(jì),馬爾可夫是為了二值形狀信息設(shè)計(jì)的,參數(shù)是根據(jù)相鄰塊的信息自適應(yīng)確定的。據(jù)試驗(yàn)表明此方法能夠很精確地恢復(fù)形狀丟失的形狀信息,與中值濾波的方法比較,本文提出的方法能夠多恢復(fù)20%的丟失信息,獲得更好的客觀質(zhì)量。文獻(xiàn)[3,4]是比自適應(yīng)馬爾可夫方法更簡單的曲線插值方法,利用hermite曲線和貝葉斯曲線的特性根據(jù)圖像的空間連續(xù)性來對邊界錯誤塊進(jìn)行錯誤隱藏。文獻(xiàn)[5-7]則是利用時(shí)間和運(yùn)動信息進(jìn)行錯誤隱藏的。

  這些方法都是在解碼端對錯誤塊進(jìn)行修復(fù),并且也取得了很好的效果,但是這些方法針對的錯誤率是有一定限制的,一旦出現(xiàn)了很嚴(yán)重的錯誤,很大的丟包率則很難精確地恢復(fù)出正確的信息。不僅如此如果丟失的是細(xì)節(jié)部分利用曲線的特性并不能很精確地恢復(fù)信息,這些都對視頻對象的解碼很不利,并且如果是i幀的形狀信息沒有恢復(fù),則之后的利用時(shí)間域錯誤隱藏技術(shù)也得不到理想的效果。

  3本文的算法

  針對此問題本文提出了一個新穎的基于數(shù)據(jù)隱藏的方法。此方法是收到數(shù)字水印技術(shù)的啟發(fā)。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一種,廣泛地用于圖像、視頻、音頻等版權(quán)問題,具有透明性、魯棒性和可證明性,因此數(shù)字水印技術(shù)也越來越多地運(yùn)用到內(nèi)容認(rèn)證等其他領(lǐng)域。本文就是利用數(shù)字水印的特性與形狀的錯誤隱藏技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,這也是本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)。本文主要是針對分隔場景視頻的i幀的形狀錯誤隱藏,提出的主要思想是根據(jù)的形狀信息產(chǎn)生待嵌入的水印信息,而人們關(guān)注較少的背景對象則作為嵌入的宿主。

  數(shù)字水印按照嵌入的過程分為時(shí)域/空域水印和頻域/變換域水印,一般情況下頻域水印比時(shí)域水印有更強(qiáng)的魯棒性與透明性。本文則分別利用這兩種不同的實(shí)現(xiàn)方法來進(jìn)行。下面對這兩種方法分別進(jìn)行說明。

  3.1 利用頻域水印嵌入方法

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