Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1
Розглянуто можливість вкраплення цифрових водяних знаків (ЦВЗ) під час процесу кодування цифрового відео за стандартом MPEG-4. Для пошуку можливостей вкраплення ЦВЗ досліджуються методи та параметри стиску/кодування, які відрізняють цей стандарт від створених раніше стандартів типу MPEG. Запропонова...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2012
|
| Назва видання: | Проблемы управления и информатики |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207492 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 / Л.Л. Никитенко // Проблемы управления и информатики. — 2012. — № 2. — С. 146–154. — Бібліогр.: 9 назв. - рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-207492 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-2074922025-10-09T00:09:55Z Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 Аналіз методів кодування MPEG-4 відео для пошуку можливостей вкраплення цифрових водяних знаків. Частина 1 Analysis of MPEG-4 Video Coding Methods for Finding Possibilities of Embedding Digital Watermarks. Part I Никитенко, Л.Л. Проблемы защиты информации Розглянуто можливість вкраплення цифрових водяних знаків (ЦВЗ) під час процесу кодування цифрового відео за стандартом MPEG-4. Для пошуку можливостей вкраплення ЦВЗ досліджуються методи та параметри стиску/кодування, які відрізняють цей стандарт від створених раніше стандартів типу MPEG. Запропоновано вкраплювати біти ЦВЗ у параметри кодування форми об’єктів, що мають місце у кадрах відео. The digital watermarking embedding possibility is considered while the process of digital video standard MPEG-4 coding. The compression/coding methods and parameters that distinguish this standard from created before MPEG standards are investigated for search of the digital watermarking embedding possibilities. The digital watermarking bits are offered to be built in the coding parameters of the object forms that are present at video. 2012 Article Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 / Л.Л. Никитенко // Проблемы управления и информатики. — 2012. — № 2. — С. 146–154. — Бібліогр.: 9 назв. - рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207492 004.415.24; 519.22 10.1615/JAutomatInfScien.v44.i4.60 ru Проблемы управления и информатики application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Проблемы защиты информации Проблемы защиты информации |
| spellingShingle |
Проблемы защиты информации Проблемы защиты информации Никитенко, Л.Л. Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 Проблемы управления и информатики |
| description |
Розглянуто можливість вкраплення цифрових водяних знаків (ЦВЗ) під час процесу кодування цифрового відео за стандартом MPEG-4. Для пошуку можливостей вкраплення ЦВЗ досліджуються методи та параметри стиску/кодування, які відрізняють цей стандарт від створених раніше стандартів типу MPEG. Запропоновано вкраплювати біти ЦВЗ у параметри кодування форми об’єктів, що мають місце у кадрах відео. |
| format |
Article |
| author |
Никитенко, Л.Л. |
| author_facet |
Никитенко, Л.Л. |
| author_sort |
Никитенко, Л.Л. |
| title |
Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 |
| title_short |
Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 |
| title_full |
Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 |
| title_fullStr |
Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 |
| title_full_unstemmed |
Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 |
| title_sort |
анализ методов кодирования mpeg-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. часть 1 |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Проблемы защиты информации |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207492 |
| citation_txt |
Анализ методов кодирования MPEG-4 видео для поиска возможностей вкрапления цифровых водяных знаков. Часть 1 / Л.Л. Никитенко // Проблемы управления и информатики. — 2012. — № 2. — С. 146–154. — Бібліогр.: 9 назв. - рос. |
| series |
Проблемы управления и информатики |
| work_keys_str_mv |
AT nikitenkoll analizmetodovkodirovaniâmpeg4videodlâpoiskavozmožnostejvkrapleniâcifrovyhvodânyhznakovčastʹ1 AT nikitenkoll analízmetodívkoduvannâmpeg4vídeodlâpošukumožlivostejvkraplennâcifrovihvodânihznakívčastina1 AT nikitenkoll analysisofmpeg4videocodingmethodsforfindingpossibilitiesofembeddingdigitalwatermarksparti |
| first_indexed |
2025-10-09T01:08:08Z |
| last_indexed |
2025-10-12T01:06:56Z |
| _version_ |
1845736207871377408 |
| fulltext |
© Л.Л. НИКИТЕНКО, 2012
146 ISSN 0572-2691
УДК 004.415.24;519.22
Л.Л. Никитенко
АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОДИРОВАНИЯ
MPEG-4 ВИДЕО ДЛЯ ПОИСКА
ВОЗМОЖНОСТЕЙ ВСТРАИВАНИЯ
ЦИФРОВЫХ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ. Часть 1
Введение
Интенсивное развитие информационных технологий требует надежных ме-
тодов защиты цифровой информации. Одним из наиболее перспективных направ-
лений решения такой задачи являются системы цифровых водяных знаков (ЦВЗ).
Поскольку факт наличия ЦВЗ скрывается не всегда, основной особенностью си-
стем ЦВЗ является выполнение требования стойкости к типичным активным ата-
кам, например к атакам сжатия с потерями. Встраивание ЦВЗ в цифровые сигна-
лы может осуществляться в исходный сигнал до применения сжатия/кодирования,
во время сжатия/кодирования или после встраиванием битов ЦВЗ непосредствен-
но в закодированный и сжатый битовый поток.
В данной работе рассматривается возможность встраивания ЦВЗ во время
процесса кодирования цифрового видео по стандарту MPEG-4 на основе исполь-
зуемых методов и параметров сжатия/кодирования, которые отличают этот стан-
дарт от созданных ранее стандартов типа MPEG. Основное отличие стандарта
MPEG-4 от разработанных ранее в том, что в нем большое внимание уделяется
сохранению формы объектов. Принципы работы основных методов кодирования
MPEG-4 описаны в [1].
MPEG-4 — стандарт для аудио-видеосигналов, опубликованный Интернаци-
ональной организацией стандартизации. Одним из основных свойств MPEG-4 ви-
део есть способность представлять двумерные видеообъекты произвольной фор-
мы. С этой целью для кодирования цвета/текстуры MPEG-4 использует традици-
онное дискретное косинус-преобразование (ДКП) с компенсацией движения и
точное сжатое представление формы видеообъектов с использованием арифмети-
ческого кодирования на основе контекста (context-based arithmetic encoding —
САЕ) [2].
Для психовизуальной системы человека огромное значение имеет форма
наблюдаемых объектов. Поэтому сохранности формы объектов при сжатии и пе-
редаче цифровых изображений и видео придают особое значение. В MPEG-4 ин-
формация о форме объекта обрабатывается, кодируется и передается в первую
очередь.
В процессе предварительной обработки кадров видео выделяется форма объ-
екта, объект заключается в прямоугольник (VideoObjectPlane — VOP), который
делится на макроблоки 1616 пикселов (binary alpha block — ВАВ). Информация
о форме объекта кодируется практически независимо от текстуры, яркости и
цветности, передается и восстанавливается в первую очередь.
Исходная информация о форме объектов бинарная, т.е. каждый пиксел либо про-
зрачный, либо темный, 0 или 1. На рис. 1 показан объект «Дети»: а — ребенок и мяч
рассматриваются как отдельный объект видео, объект скомбинирован в картинку
(352240 пикселов); б — бинарная упорядоченная составляющая видеообъекта.
Цветной кадр в стандартах MPEG из формата RGB переводится в формат
YUV (яркостная Y и две цветовые составляющие: U и V).
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2012, № 2 147
а б
Рис. 1
Наиболее известные методы кодирования/сжатия цифровых изображений, ос-
нованные на контурах, включают кодирование углов [3] и кодирование цепочек [4].
Кроме того, они используют сглаживание вдоль линии контура. Существует не-
явный метод кодирования формы [5], в котором двоичные упорядоченные состав-
ляющие объекта реально объединяются в составляющие YUV через управление
цветовой рирпроекцией, т.е. пикселы, которые не являются частью объекта, по-
даются в специальном (другом) цвете. Затем составляющие YUV кодируются как
обычно. При декодировании форма может быть восстановлена с помощью сег-
ментации закодированных пикселов YUV на основе знания специального цвета.
Методы, основанные на битовой карте, к исходному двоичному изображе-
нию применяются напрямую [6, 7]. Они включают модифицированный метод
READ (MR), применяемый в системах сжатия факсов и арифметическое кодиро-
вание на основе контекста (САЕ), этот метод адаптирован как часть стандарта
JBIG для сжатия двоичных изображений.
Главное преимущество метода САЕ в том, что блочные методы на основе би-
товой карты допускают наличие упорядоченной информации о форме внутри бито-
вой последовательности закодированной информации о макроблоках, т.е. в одной
битовой последовательности закодированная информация о форме предшествует
закодированной информации о текстуре.
Самый простой путь выявить возможности встраивания битов ЦВЗ в процес-
се кодирования формы — это рассмотреть основные принципы кодирования в
MPEG-4 и процесс кодирования. Рассматривая порядок кодирования/декодирова-
ния битового потока на уровне VOP и ВАВ [1], также можно выявить возможно-
сти для решения поставленной задачи. В первой части работы рассматривается
порядок кодирования/декодирования битового потока на уровне VOP, во второй
части будет рассмотрен порядок кодирования/декодирования битового потока на
уровне ВАВ и некоторые общие рекомендации для встраивания ЦВЗ.
1. Кодирование двоичной формы в MPEG-4
Принципы кодирования. Принципы кодирования и декодирования исход-
ного бинарного представления сигнала аналогичны принципам, использованным
для кодирования и декодирования данных YUV [1].
1. Кодирование исходного бинарного представления сигнала основывается на
блочной структуре. Двоичные исходные данные группируются внутри бинарных
упорядоченных блоков (ВАВ) с теми же размерами, что и макроблоки, т.е. 1616 пик-
селов. Фактически каждый ВАВ совмещается с макроблоком.
Рирпроекция — визуальное изображение какого-либо объекта съемки, используемое в каче-
стве фона.
Битовая карта (bitmap) — поразрядная карта отображения информации, битовое отображение.
148 ISSN 0572-2691
2. Схожесть в использованных модах сжатия (мода — образ действий, режим
работы) описана в [7, 8]. Макроблок YUV может быть закодирован по-разному,
и закодированная информация о моде должна быть увязана с декодером. Напри-
мер, макроблок YUV можно закодировать так, что в процессе кодирования ис-
пользуются только пикселы текущего блока и ДКП (intra-coding), или с использо-
ванием компенсации движения и кодирования некоторого остатка на основе ДКП
(intеr-coding), когда для кодирования используются векторы движения и для коди-
рования отличий наряду с величинами пикселов текущего блока используются зна-
чения пикселов другого блока, являющегося опорным. Иногда макроблок может
быть восстановлен даже без декодирования остатка, т.е. используется так называе-
мая мода без кодирования. Для эффективного сжатия видео важна возможность
адаптировать моды кодирования на основе макроблок-к-макроблоку, поэтому моды
кодирования ВАВ аналогичны. Первая область пространства закодированной и
сжатой информации о ВАВ, bab_type, несет закодированную информацию о моде.
Соответствующими модами ВАВ могут быть intra-coding с использованием кон-
текстного арифметического кодирования (САЕ), intеr-coding с использованием
компенсации движения и САЕ, или блок может быть восстановлен через компен-
сацию движения (без САЕ). В итоге и YUV, и упорядоченное бинарное декодиро-
вание нуждаются в использовании компенсации движением и в некотором методе
использования пространственной частоты, т.е. обратное ДКП в случае декодиро-
вания YUV и контекстное арифметическое декодирование (САЕ в MPEG-4 ис-
пользует только пространственную частоту, это слегка упрощает ситуацию)
в случае двоичной формы.
3. Порядок макроблоков YUV и порядок ВАВ допускают связь информации
и качества декодирования. Для декодируемого блока качество реконструкции
сильно коррелированно с размером шага квантователя, использованного кодером
для коэффициентов ДКП: больший размер шага — ниже битовая норма и ниже
качество. Для послабления требований контроля битовой нормы кодирования по
ситуации поддерживается некоторый порядок макроблоков, когда каждый макро-
блок может иметь разные шаги квантования. Эти же возможности обеспечиваются
порядком сжатых ВАВ, здесь используется параметр сжатия conv_ratio, который
показывает декодеру, что исходный ВАВ 16х16 пикселов подвергся перевыборке
один раз на период кодирования САЕ (т.е. был сжат, как правило, с потерями).
Этот параметр осуществляет ту же функцию контроля, что и размер шага кванто-
вания макроблока: больше норма сжатия — более низкая битовая норма, более
низкое качество декодирования.
Таким образом, двоичное упорядоченное представление формы в MPEG-4
напоминает принципы традиционной схемы сжатия видео. Адаптированный блоч-
ный порядок позволяет сжатым ВАВ гармонировать с традиционным порядком
видео. Все это помогает обеспечить сохранность таких важных свойств, как стой-
кость к помехам и контроль нормы.
Выполнение кодирования. Объект произвольной формы заключается в
прямоугольник (рис. 2). На рисунке показано определение прямоугольника через
пространственное размещение, ширину и высоту VOP, а также изменения во вре-
мени положения и размеров. Прямоугольник расширяется так, чтобы его размеры
стали кратными 16 пикселам, после чего декодер делит расширенный прямоуголь-
ник на макроблоки размером 1616. Декодер восстанавливает все макроблоки,
начиная с верхнего левого, и обрабатывает образец растровым сканированием сле-
ва направо (рис. 3). Кодер бинарной формы обрабатывает данные бинарной фор-
мы внутри прямоугольника на основе блок-в-блок. Каждый упорядоченный блок
считается блоком ВАВ. На рис. 4 показана блочная диаграмма бинарного кодера
ВАВ формы MPEG-4.
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2012, № 2 149
VOP at time t
VOP at time t 1
width
height
mc_spatial_ref
Рис. 2
Рис. 3
Каждый ВАВ может быть закодирован разными способами. Задачей блока
«решения-о-моде» (mode decision) является выбор эффективного метода для каж-
дого ВАВ и передача моды кодирования декодеру посредством кодера перемен-
ной длины (variable-length coder, VLC). Если все пикселы в ВАВ прозрачные, то
выходом будет короткий код переменной длины. Аналогично если все пикселы
темные, то в битовом потоке используется другой короткий код VLC. В intеr-моде
кодирования возможно использование компенсации движением, когда ВАВ мо-
жет кодироваться со ссылкой на ВАВ, пригодный для прогноза (исходя из ранее
закодированных кадров). В простейшем случае возможен выбор кодирования
только компенсацией движением, т.е. без кодирования какой-либо ошибки пред-
сказания.
При кодировании компенсацией движением кодер оценивает векторы движе-
ния, используя текущий ВАВ и таблицу векторов движения, закодированных и
упорядоченных ранее, и передает декодеру вектор компенсации движения. За ис-
ключением простых случаев, к пикселам ВАВ всегда приходится применять тех-
нологию кодирования САЕ. Для экономного расходования битовой нормы (для
ВАВ с кодированием) кодер может принять решение выполнить перевыборку
150 ISSN 0572-2691
пикселов макроблока ВАВ (т.е. уменьшить размеры ВАВ, сжать с потерями).
В этом случае в битовом потоке передается закодированный множитель сжатия
conv_ratio. Следующим шагом является сканирование всех пикселов ВАВ в гори-
зонтальном или вертикальном растровом порядке. Выбор соответствующего по-
рядка сканирования (scan_type) для заданного блока тоже позволяет при кодиро-
вании экономить битовую норму. Затем ВАВ (сжатый или нет) подвергается САЕ,
которое может быть проведено в intra-coding- или intеr-coding-моде с использова-
нием предсказания ВАВ. Кодер отвечает за выбор лучшей моды САЕ. Заметим,
что кодирование САЕ не вызывает дополнительных потерь.
Subsampling
Frame
Store
Scan Order
Decision
Intra or
inter CAE
VLC
VLC
reconstructed
alpha block
MC MV
arithmetic code
distortion threshold
input BAB
conv ratio
coding mode+MV
scan type
compressed
BAB Mode decision/
motion estimation
Alpha block path
Encoding control path
Bitstream path
Рис. 4
На основании блочной диаграммы кодера ВАВ можно отметить возможности
для встраивания битов ЦВЗ в параметры кодирования формы объектов. Так,
встроенную информацию могут нести такие параметры кодирования, как мода
(увеличение частоты появления intra-coding кадров только улучшит качество ви-
део), множитель сжатия conv_ratio (необходимо следить, чтобы качество видео
оставалось в пределах допустимого) или порядок сканирования scan_type.
Кодирование САЕ выполняется пиксел-к-пикселу. На каждом пикселе фор-
мируется шаблон. Шаблоны для intra- и intеr- кодирования разные (рис. 5:
а — порядок битов контекста для intra-САЕ; б, в — две части шаблона intеr- с бита-
ми с0–с3 из текущего ВАВ относятся к пикселу «?», который должен быть закодиро-
ван, и битами с4–с8, получающимися из компенсации движения с с6 в ячейке «?»).
На пиксел «?», который должен быть закодирован, накладывается маска
шаблона (рис. 6: текущий ВАВ и ВАВ с компенсацией движения с шаблонами для
intra- и intеr-, наложенными на пикселы текущего и опорного блоков). Все числа,
попавшие внутрь маски, являются контекстом пиксела «?»; контекст используется
для сравнения с таблицей вероятностей. Подходящая вероятность (вероятность,
что пиксел равен нулю) и величина пиксела (1 или 0) используются для управле-
ния арифметическим кодером [9].
c9 c8 c7
c6 c5 c4 c3 c2
c1 c0 ?
c3 c2 c1
c0 ?
c6
c8
c7
c4
c5
а б в
Рис. 5
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2012, № 2 151
X
W
Z
Y
Motion
Compensated
BAB
16 pixels
16 pixels
Current
BAB
?
?
Рис. 6
2. Порядок декодирования битового потока на уровне VOP
Рассмотрим упрощенную (в MPEG-4 определена более сложная упорядоченная
иерархия: в терминах видеообъектов — числом уровней видеообъектов, и затем
каждый уровень видеообъектов в терминах последовательности плоскости — ви-
деообъектов) упорядоченную иерархию, в которой видеообъекты рассматриваются
как последовательность плоскоских видеообъектов (VOP), где VOP — краткая ха-
рактеристика видеообъекта, взятая в данный момент времени. По сути VOP является
изображением, представленным четырьмя составляющими: YUV и порядок [1].
Существует четыре типа кодирования VOP:
I-VOP кодируется в intra-coding-моде (аналог I-кадров видео);
P-VOP кодируется с предсказанием по времени от последнего VOP;
В-VOP кодируется с предсказанием по времени от последнего и будущее-
го VOP;
S-VOP кодируется с использованием динамичного графического предска-
зания (S-VOP не поддерживает объекты произвольной формы и далее не упо-
минается).
Тип VOP кодируется двухбитовым кодом vop_coding_type, размещенным в
головной части VOP. Поле головной части VOP имеет большое влияние на весь
процесс кодирования/декодирования VOP произвольной формы. При декодиро-
вании информация из поля головной части VOP позволяет упорядочить восста-
новление последовательности макроблоков, упорядоченных составляющих фор-
мы и YUV.
Параметр vop_coding_type, определяющий моду кодирования VOP, может
использоваться для встраивания дополнительной информации с большой осто-
рожностью, разве что за счет увеличения частоты появления I-VOP.
Размер и положение объекта произвольной формы не остаются неизменным
по времени. В битовом потоке эта информация передается на уровне VOP. Для
определения положения и размеров прямоугольника, в котором заключен VOP
(см. рис. 2), используется четыре области: ширина VOP, высота VOP, положение
по горизонтали от начала координат, положение по вертикали от начала коорди-
нат, каждая по 13 бит.
Ширина (vop_width) и высота (vop_height) VOP определяются количеством
пикселов, но в действительности служат для подсказки декодеру, сколько макро-
блоков по осям х и у должно быть закодировано для реконструкции VOP. Ширина
и высота VOP в макроблоках даются как (vop_width15)/16 и (vop_height15)/16
152 ISSN 0572-2691
соответственно (см. рис. 3). Эта информация позволяет декодеру зарезервировать
нужное количество памяти для реконструкции VOP. Другие две области (vop_
horizontal_mc_ref и vop_vertical_mc_ref) (также в единицах пикселов) относятся
к пространственному положению объекта в направлениях х и у. Информация,
называемая пространственной, используется для определения положения объекта
в композиционном окне. На нее ссылаются, когда необходимо уточнить положе-
ние текущего объекта относительно базового объекта для выполнения компенса-
ции движением. Вектор движения в битовом потоке привязывается к абсолютной
системе координат.
Ширина, высота и положение VOP могут нести встроенную информацию.
Качество видео при этом не пострадает, битовая норма может увеличиться, но не
обязательно. Допустима слепая схема обнаружения встроенной информации.
Следующее поле в головной части VOP занимает 1 бит и называется vop_
shape_coding_ type, оно предназначено для сообщения декодеру моды кодирова-
ния формы в P-VOP. В intеr-моде битовая норма расходуется более экономно, од-
нако такое кодирование более восприимчиво к влиянию ошибок десинхронизации
в битовом потоке. Ошибки десинхронизации остаются до появления следующего
intra-coding VOP (т.е. I-VOP). Чтобы минимизировать распространение ошибок
в данных YUV, кодеры должны периодически с некоторой нормой «восстановле-
ния» вставлять I-VOP. Для бинарных упорядоченных данных формы требуемая
норма восстановления intra- существенно выше, чем для данных YUV. Поэтому
для бинарной упорядоченной информации кодер вынужден вставлять дополни-
тельное intra-восстановление, чтобы обеспечить требуемую стойкость к ошибкам.
Таким образом, кодирование формы в intеr-моде может быть отвергнуто кодером
даже для P-VOP (хотя данные YUV могут кодироваться и в intеr-моде, и в intra-
моде). Поскольку порядок битового потока в intra-моде и порядок битового пото-
ка в intеr-моде взаимно исключаются, необходимо сообщать декодеру, когда в
P-VOP использована intra-мода. Эту функцию выполняет параметр vop_shape_
coding_ type [1]. Он обеспечивает возможность вставлять дополнительное intra-
восстановление в P-VOP для бинарной упорядоченной информации и тем самым
допускает возможность встраивания ЦВЗ. Схема встраивания-обнаружения мо-
жет быть слепой. При этом эффективность кодирования в смысле битовой нормы
может ухудшиться, а качество видео улучшится.
Еще одно поле в головной части VOP называется change_ conv_ratio_disable,
оно используется для определения, действительно ли ВАВ в VOP будут подвер-
гаться перевыборке (сжатию). Как упоминалось ранее, для сжатия макроблок
ВАВ может подвергаться перевыбоке до выполнения кодирования САЕ. Коэффи-
циент сжатия передается параметром conv_ratio. На его кодирование тратится как
минимум 1 бит/(ВАВ). Если во всем VOP ни один ВАВ не подвергался перевы-
борке, то кодер не расходует биты на кодирование conv_ratio для каждого ВАВ
и передает декодеру соответствующее значение параметра change_ conv_ratio_
disable.
Использование поля change_ conv_ratio_disable для встраивания ЦВЗ может
быть приемлемым, но дорогостоящим по отношению к эффективности кодирова-
ния (в смысле расхода битовой нормы) и/или по отношению к качеству видео.
Качество видео может заметно пострадать, если кодирование сжатой формы при-
ведет к заметному искажению формы при декодировании. Однако при этом допу-
стима слепая схема обнаружения.
Примеры использования change_ conv_ratio_disable:
— при эффективном кодировании часть блоков ВАВ данного VOP могли
быть сжаты, но насильственно выбранное (ради встраивания бита ЦВЗ) значение
параметра change_ conv_ratio_disable запрещает сжатие блоков и вызывает допол-
нительный расход битовой нормы;
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2012, № 2 153
— для сохранения лучшего качества видео никакие блоки ВАВ данного VOP
не должны сжиматься, но насильственно выбранное (ради встраивания бита ЦВЗ)
значение параметра change_ conv_ratio_disable допускает возможность сжатия не-
которых блоков ВАВ, вызывая ухудшение качества видео.
В головной части VOP передается информация о размерах блока в единицах
макроблоков, его положение в неподвижной системе координат, тип кодирования
VOP и некоторая дополнительная информация о природе процесса кодирования.
После этого в битовом потоке следует информация на уровне макроблоков, которые
в VOP разделяются на видеопакеты. Внутри VOP видеопакет — это просто группа
последовательных макроблоков. Каждый VOP состоит из одного и более видео па-
кетов. В битовом потоке видеопакеты разделяются специальным уникальными ко-
довыми словами, названными маркерами ресинхронизации (RM). Цель разделения
на видеопакеты состоит в обнаружении ошибок, размещении и восстановлении де-
кодером битового потока. Когда декодер обнаруживает повреждение видеопакета,
он прекращает его декодировать и ищет в битовом потоке начало следующего ви-
деопакета. Внутри поврежденного видеопакета для каждого макроблока декодер
применяет некий вид стратегии маскировки ошибок (и портит встроенный ЦВЗ).
Декодирование возобновляется для первого макроблока следующего видеопакета.
Таким образом, влияние ошибки не выходит за пределы макроблоков нарушенного
видеопакета. Такой подход требует кодировать макроблоки одного видеопакета
независимо от других видеопакетов и информации о них.
С точки зрения встраивания ЦВЗ, следует отметить, что дублирование встро-
енной информации должно осуществляться в разных видеопакетах.
Макроблоки VOP кодируются/декодируются последовательно друг за другом
растровым сканированием сверху вниз и слева направо.
Заключение
В настоящей работе рассмотрены возможности встраивания битов ЦВЗ
в процессе кодирования цифрового видео по стандарту MPEG-4, именно в пара-
метры кодирования формы объектов на уровне VOP. Кодирование и передача ин-
формации о форме объектов осуществляется до кодирования текстурной инфор-
мации, кодирование которой опирается на информацию о форме объектов. Воз-
можности встраивания битов ЦВЗ выявлялись на базе используемых методов и
параметров сжатия/кодирования формы объектов [1]. Более детально, на уровне
ВАВ, возможности встраивания битов ЦВЗ будут рассмотрены во второй части
работы. Кроме того, будут даны общие рекомендации для встраивания ЦВЗ, ка-
сающиеся размеров объектов, использования прозрачных пикселов текстуры и
усредняющей фильтрации.
Л.Л. Нікітенко
АНАЛІЗ МЕТОДІВ КОДУВАННЯ MPEG-4 ВІДЕО
ДЛЯ ПОШУКУ МОЖЛИВОСТЕЙ ВКРАПЛЕННЯ
ЦИФРОВИХ ВОДЯНИХ ЗНАКІВ. Частина 1
Розглянуто можливість вкраплення цифрових водяних знаків (ЦВЗ) під час
процесу кодування цифрового відео за стандартом MPEG-4. Для пошуку мо-
жливостей вкраплення ЦВЗ досліджуються методи та параметри стис-
ку/кодування, які відрізняють цей стандарт від створених раніше стандартів
типу MPEG. Запропоновано вкраплювати біти ЦВЗ у параметри кодування
форми об’єктів, що мають місце у кадрах відео.
154 ISSN 0572-2691
L.L. Nikitenko
THE ANALYSIS OF METHODS
OF CODING MPEG-4 VIDEO
FOR THE SEARCH OF POSSIBILITIES
OF EMBEDDING WATERMARKING. Part I
The digital watermarking embedding possibility is considered while the process of
digital video standard MPEG-4 coding. The compression/coding methods and pa-
rameters that distinguish this standard from created before MPEG standards are in-
vestigated for search of the digital watermarking embedding possibilities. The digital
watermarking bits are offered to be built in the coding parameters of the object forms
that are present at video.
1. Brady N. MPEG-4 standardized method for the compression of arbitrary shaped video objects //
IEEE Trans. Circuits and Systems Video Technol. — 1999. — 9, N 8. — P. 1170–1189.
2. Langdon G., Rissanen J. Compression of black-white images with arithmetic coding // IEEE
Trans. Commun. — 1981. — COM-6. — P. 158–167.
3. Gerken P. Object-based analysis-synthesis coding of image sequences at very low bit rates //
IEEE Circuits and Systems Video Technol. — 1994. — 4, N 3. — P. 228–235.
4. Kaneko T., Okudaira M. Encoding of arbitrary curves based on the chain code representation //
IEEE Trans. Commun. — 1985. — 33, July. — P. 697–707.
5. Chen T., Swain C., Haskell B. Coding of sub-regions for content-based scalable video // IEEE
Trans. Circuits and Systems Video Technol. — 1997. — 7, N 8. — P. 256–260.
6. Information technology — Coding representation of picture and audio information — Progressive
bi-level image compression, ITU-T Rec. T.82.
7. Brady N., Bossen F., Murphy N. Context-based arithmetic encoding of 2D shape sequences //
Proc IEEE Int. Conf. Image Processing — Special Session on Shape Coding, Santa Barbara, CA,
Oct. 1997. — P. 508–511.
8. Brady N., Bossen F. Shape compression of moving objects using context-based arithmetic encod-
ing // Signal Processing: Image Communication. — 2000. — 15, N 7–8. — P. 601–617.
9. Witten I., Neal R., Cleary J. Arithmetic coding for data compression // Commun. ACM. — 1987.
— 30, N 6. — P. 520–540.
Получено 18.10.2011
Статья представлена к публикации членом-корреспондентом НАН Украины В.К. Задиракой
|