基于全相位双正交变换的HEVC视频编码与水印算法研究

As the new generation of video coding standard, the high efficiency video coding (HEVC) is being widely used in our daily lives. However, there are few researches on the information security technology for the video encoded by HEVC, such as copyright protection, content authentication and other related researches. To further improve the quality of video coding, this project will make an in-depth analysis for the related technologies in HEVC standard. The all phase biorthogonal transform (APBT) is used to replace the discrete cosine transform (DCT) in original video coding standard to promote video coding gains. Considering the problem of video copyright protection and content authentication, this project aims to research the video watermarking scheme for HEVC standard. Given the fact that most video watermarking schemes cannot resist recompression, this project proposes a novel video watermarking algorithm by combining with APBT and singular value decomposition (SVD), which can resist HEVC compression effectively. At the same time, the GPU-based parallel computing is adopted in the algorithms to improve the operation efficiency of the algorithms. This project has great innovation in theory and the proposed video compression algorithm can improve the coding performance without changing the original framework of HEVC. Therefore, it can be broadly used in video storage, intelligent surveillance, mobile internet, and so on. In addition, the proposed video watermarking scheme breaks the limitations of the most existing algorithms which cannot resist recompression and have bad real-time performance. In conclusion, this project can promote the healthy and sustainable development of the video watermarking technology and information security industry.

新一代视频编码标准HEVC正被广泛应用，但与之相应的信息安全技术如版权保护、内容认证等相关研究甚少。为进一步提高视频编码质量，本项目拟对HEVC标准中的相关技术进行深入剖析，使用全相位双正交变换(APBT)替代原标准中的离散余弦变换(DCT)，来提升视频编码增益。为解决HEVC视频版权保护和内容认证问题，研究基于HEVC的视频水印技术。针对目前大多数的水印算法不能抵抗重压缩问题，结合APBT和奇异值分解(SVD)，提出一种可抵抗HEVC重压缩的视频水印算法。同时，为提高算法的运行效率，采用基于GPU的并行计算技术，对所提算法进行加速。本项目理论上有较大创新，所提视频压缩算法不改变HEVC编码原有框架即可提升编码性能，可广泛用于视频存储、智能监控、移动互联网等领域；所提视频水印算法突破了现有大多数算法不能抵抗重压缩以及实时性差等局限，将推动我国视频水印技术和信息安全产业的健康持续发展。

视频编码标准高效视频编码(HEVC)正被广泛应用，但HEVC中基于分块离散余弦变换(DCT)的编码方式在低码率时具有较差的主客观性能。此外，随着多媒体信息的爆发，信息安全问题日益突出。为了保证未来视频领域的健康发展，结合HEVC视频编码标准的视频水印研究具有重要意义。完成的主要研究工作包括：(1) 在深入分析HEVC框架的基础上，提出了一种基于混合全相位双正交变换(APBT)的最优HEVC视频编码算法。根据APBT和DCT的关系，推导出整数APBT来代替原HEVC标准中的DCT和离散正弦变换(DST)，改进了编码性能。(2) 为提高视频水印对HEVC压缩的抵抗能力，提出了一种基于混合变换的鲁棒视频零水印算法。将离散小波变换(DWT)的多分辨率特性、APBT更好的低频能量聚集特性和奇异值分解(SVD)的稳定性结合起来，从视频序列中提取稳定的特征，并构造零水印信息，能够有效抵抗HEVC压缩攻击，同时还可抵抗多种常见的信号处理攻击。(3) 为解决已有的HEVC压缩域水印算法无法同时实现无帧内失真漂移和抵抗重压缩及信号处理攻击的问题，使用多系数修改方法将水印嵌入到空间域的4×4亮度变换块的帧内预测残差像素中，提出了一种无帧内漂移的鲁棒水印算法。实验结果表明，与已有算法相比，本算法具有更好的不可感知性和对重压缩攻击及信号处理攻击的鲁棒性。(4) 借鉴APBT的构造过程，结合DST，提出了全相位离散正弦双正交变换(APDSBT)，将其用于类JPEG图像压缩编码，并使用CUDA开发工具实现了基于GPU并行的APDSBT-JPEG，在解决低码率下传统JPEG编码带来的块效应问题的同时提升了算法效率。(5) 此外，在图像水印、图像篡改检测、图像去马赛克及信道估计等方面取得了多项科研成果。本项目共发表SCI/EI学术论文31篇，授权1项国家发明专利，资助参加了2次国际会议，培养了硕士生8人。依托本项目，建设了“计算机视觉与无线通信”科研团队，解决了HEVC视频编码和水印领域的一些关键问题。