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混合式浮水印技術應用於 H.264/AVC 錯誤偵測及隱匿

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)

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混合式浮水印技術應用於 H.264/AVC 錯誤偵測及隱匿

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  1. 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/

  2. 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

  3. 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 16x16 8x8 8x4 16x8 8x16 4x8 4x4 區塊大小 I P B 圖框內編碼 圖框間編碼 Time I0 B1 B2P3 B4 B5 P6 B7 …

  4. 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 Inv. Quant & Inv. Transform + Split into Macroblocks 16x16 pixels Entropy Coding 16 Intra Prediction Data De-blocking Filter Intra-frame Prediction 16 Output Video Signal Motion Compensation Motion Estimation

  5. MB Types 8x8 Types 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 16x16 8x8 16x8 8x16 0 1 0 Output Video Signal 0 1 0 Motion Compensation 2 1 3 Inter Prediction Data 4x8 8x8 8x4 4x4 0 0 1 0 0 1 1 2 3 Motion Estimation 可變區塊大小及形狀

  6. 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

  7. 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

  8. 數 位 浮 水 印 • 應用上，浮水印分為三類： • 易碎式浮水印技術: • 多媒體認證 • 強健式浮水印技術: • 智慧財產權保護 • 半易碎式浮水印技術: • 多媒體認證 • 容許合理修改 、錯誤偵測 、錯誤隱匿

  9. 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 Top Block Similarity Information Bit First bit Bottom_x 1 0 Second bit Bottom_y 1 Top Left Left Block Right_x Third bit 0 Top Top Right_y Fourth bit

  10. 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

  11. 浮水印嵌入位置 Input Video Signal Transform & Quant. Watermark Embedding Quant.Transf. coeffs - Inv. Quant & Inv. Transform Decoder + Intra Prediction Data Split into Macroblocks 16x16 pixels Entropy Coding De-blocking Filter Intra-frame Prediction Output Video Signal Motion Compensation Inter Prediction Data Intra/Inter Motion Estimation

  12. 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) • 嵌入 1：A > B • 嵌入 0：A <= B X = -3 1：不修改 0：X-Sign(X) = -2 X = 6 1：X-Sign(X) = 5 0：不修改 A = -7, B = -6 1：A = B+2 = -6+2 = -4 0：不修改 A = 7, B = 4 1：不修改 0： A = B = 4

  13. 浮 水 印 架 構 易碎式浮水印 強制偶數法 圖框內編碼圖框 係數對大小關係法圖框像素資訊 強健式浮水印 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

  14. 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)： • 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

  15. 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： • 反半色調轉換[Kite, 1998] • 反離散小波轉換[Haar] 反半色調 反離散小波

  16. 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 係數對大小關係法圖框像素資訊 強健式浮水印 浮水印嵌入/擷取 強制奇、偶數法位移向量 易碎式浮水印 圖框間編碼圖框 係數對大小關係法區塊預測模式、位移向量 強健式浮水印

  17. 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：

  18. 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

  19. 強健式浮水印 • 強健式浮水印 : • 以片段為單位，循環式嵌入

  20. 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

  21. 實 驗 結 果 • Foreman (400 frames) • PSNR 平均值： 41.0 : 38.5 (dB)

  22. 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

  23. 實 驗 結 果

  24. 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

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