混合式浮水印技術應用於H.264/AVC 錯誤偵測及隱匿 研 究 生：游沅勳 指導教授：蔣依吾 博士 中山大學資訊工程學系 http://image.nsysu.edu.tw/
摘 要 H.264/AVC 編解碼技術 視訊資料流錯誤型態 系統架構 實驗結果 成果探討
H.264/AVC 資 料 結 構 H.264/AVC 視訊資料結構，由下而上依序為： 區塊- block 巨區塊- macroblock 片段- slice 圖框- frame 圖框群組- GOP(group of pictures) 視訊序列- video sequence I P B 圖框內編碼 圖框間編碼 8x16 16x16 區塊大小 8x8 16x8 8x4 4x8 4x4 I0 B1 B2 P3 B4 B5 P6 B7 … Time
圖框內預測編碼 - + Input Video Signal Transform & Quant. Quant. Transf. coeffs - 方向性空間預測 (4 types for luma 16x16 block) (9 types for luma 4x4 block) 16x16巨區塊內，像素值由周圍已解碼像素預測。 H 16 Inv. Quant & Inv. Transform + Split into Macroblocks 16x16 pixels Entropy Coding Intra Prediction Data Intra-frame Prediction De-blocking Filter Output Video Signal Motion Compensation Motion Estimation
Inv. Quant & Inv. Transform 圖框間預測編碼 Input Video Signal Transform & Quant. Quant. Transf. coeffs - Inv. Quant & Inv. Transform + Split into Macroblocks 16x16 pixels Entropy Coding De-blocking Filter 可變區塊大小及形狀 8x8 4x8 4x4 8x4 Types 16x16 1 8x16 MB 2 3 16x8 Output Video Signal Motion Compensation Inter Prediction Data Motion Estimation
錯誤擴散與錯誤類型 壓縮後視訊資料，容易受位元錯誤所干擾 熵編碼 預測編碼 錯誤類型 視訊檔頭資料 片段編碼模式 區塊編碼類型、預測模式 參考圖框係數、位移向量 離散餘弦轉換係數
傳 統 偵 錯 方 法 傳統偵錯方法 [Barni, 2000] 位移向量是否超出範圍 不合法 VLC table entry 離散餘弦轉換係數值是否超出範圍 離散餘弦轉換係數個數是否超出範圍 缺點： 錯誤偵測率低 錯誤定位正確率低
數 位 浮 水 印 應用上，浮水印分為三類： 易碎式浮水印技術: 強健式浮水印技術: 半易碎式浮水印技術: 多媒體認證 、錯誤偵測 智慧財產權保護 半易碎式浮水印技術: 容許合理修改 、錯誤偵測 、錯誤隱匿
Similarity Information Bit 相關錯誤偵測及隱匿技術 相關研究[Woonki Park, 2002] 錯誤偵測 強制離散餘弦轉換係數為奇偶數 錯誤隱匿 位移向量資訊 - 4位元 Neighbor Information Bottom_x Bottom_y Right_x Right_y Fourth bit Third bit Second bit First bit Similarity Information Bit Top Block Left Block 1 Top Left
相關錯誤偵測及隱匿技術 相關研究[Adsumilli, 2005] 錯誤偵測 由網路封包驗證 錯誤隱匿 低解析度影像
浮水印嵌入位置 - + Decoder Input Video Signal Transform & Quant. Watermark Embedding Quant. Transf. coeffs - Inv. Quant & Inv. Transform Decoder + Split into Macroblocks 16x16 pixels Intra Prediction Data Entropy Coding Intra-frame Prediction De-blocking Filter Output Video Signal Motion Compensation Inter Prediction Data Intra/Inter Motion Estimation
浮 水 印 技 術 強制奇、偶數法 嵌入 1：強制係數為奇數 嵌入 0：強制係數為偶數 係數對大小關係法，係數對(A, B) X = 6 1：X-Sign(X) = 5 0：不修改 X = -3 1：不修改 0：X-Sign(X) = -2 A = 7, B = 4 1：不修改 0： A = B = 4 A = -7, B = -6 1：A = B+2 = -6+2 = -4 0：不修改
浮 水 印 架 構 易碎式浮水印 強制偶數法 圖框內編碼圖框 強健式浮水印 係數對大小關係法 圖框像素資訊 浮水印嵌入/擷取 易碎式浮水印 圖框間編碼圖框 強健式浮水印
圖框內編碼圖框強健式浮水印 強健式浮水印於圖框內編碼圖框: 圖框像素資訊(低解析度影像)： 於 4x4 區塊中，嵌入 4-bit 資料量 離散小波轉換[Haar] 半色調轉換[Floyd and Steinberg, 1976] 於 4x4 區塊中，嵌入 4-bit 資料量 離散小波 半色調
圖框內編碼圖框強健式浮水印 強健式浮水印於圖框內編碼圖框: 擷取圖框像素資訊： 反半色調 反離散小波 反半色調轉換[Kite, 1998] 反離散小波轉換[Haar] 反半色調 反離散小波
浮 水 印 架 構 易碎式浮水印 強制偶數法 圖框內編碼圖框 區塊位移向量：2, 6 2 = 010 => 1 6 = 110 => 0 10 => 1 區塊位移向量：2, 4 2 = 010 => 1 4 = 100 => 1 11 => 0 強健式浮水印 係數對大小關係法 圖框像素資訊 浮水印嵌入/擷取 易碎式浮水印 強制奇、偶數法 位移向量 圖框間編碼圖框 強健式浮水印 係數對大小關係法 區塊預測模式、位移向量
圖框間編碼圖框強健式浮水印 位移向量，範圍為 ±15 pixels 將水平及垂直方向位移向量分別嵌入於兩區塊離散餘弦轉換係數內 單一位移向量資訊：
圖框間編碼圖框強健式浮水印 以相鄰區塊位移向量作為參考 分別比較水平及垂直方向位移向量： 若與上方區塊較為接近則嵌入 0 若與左方區塊較為接近則嵌入 1
強健式浮水印 強健式浮水印 : 以片段為單位，循環式嵌入
實 驗 測 試 程式版本：JM 11.0 影像名稱：Container, Silent, Foreman 影像格式：QCIF, YUV420 圖框張數 :300, 300, 400 Sequence Type：I B P B P GOP：15 frames Search Range： ±15 pixels 錯誤通道模擬：Gilbert-Elliot 模型 BER：3*10-4, 5*10-4, 8*10-4
實 驗 結 果 Foreman (400 frames) PSNR 平均值： 41.0 : 38.5 (dB)
實 驗 結 果 PSNR 平均值： 29.6 : 33.6 (dB) ， PSNR 變異數：85.4 : 21.7 BER: 5*10-4
Compressed + Watermarking 實 驗 結 果 Average PSNR (dB) Container Silent Foreman PSNR 變異數 Compressed 42.7 0.02 42.0 0.04 41.0 0.4 Compressed + Watermarking 39.2 1.7 39.3 0.5 38.5 0.8 BER: 3*10-4 Damaged 30.1 63.6 26.5 62.0 27.4 70.4 Concealed 36.3 12.6 35.2 13.0 32.8 21.5 BER: 5*10-4 32.5 48.6 32.1 67.0 29.6 85.4 37.2 10.4 36.4 13.1 33.6 21.7 BER: 8*10-4 36.5 64.6 34.0 67.8 29.9 72.1 38.7 4.1 38.2 5.4 17.8
成 果 探 討 所提出混合式浮水印技術： 全盲性 隱匿性 相容性 即時性 通用式 有效應用於錯誤偵測及隱匿