專利名稱：一種通用的視頻數(shù)字水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通用的視頻數(shù)字水印方法，更具體地說，尤其涉及一種可靈活選 擇兩種以上算法隨機(jī)嵌入水印的方法，該方法在低嵌入量、低檢測(cè)量的情況下，可以準(zhǔn)確提 取水印信息，并能夠顯著提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字技術(shù)和因特網(wǎng)的發(fā)展，多媒體數(shù)字作品(圖像，視頻，音頻等)的發(fā)表和 傳播變得更為簡(jiǎn)單和快速，其版權(quán)保護(hù)成為一個(gè)亟待解決的問題。由于數(shù)字水印(digital watermarking)是實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的有效辦法，如今已成為多媒體信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè) 熱點(diǎn)，也是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支。理論模型研究也是數(shù)字水印基礎(chǔ)研究中的重要部分。數(shù)字水印理論模型的建立將 有助于建立該領(lǐng)域的理論體系，為技術(shù)實(shí)用化提供理論支持。2001年劉瑞禎等人就提出了 基于變換域的通用數(shù)字水印模型(CBWM Content-Based Watermarking Model)，其基本原 理是水印向量被嵌入到圖像的特征向量中，且兩者相互正交，它可和其他任何基于變換域 的水印方法相結(jié)合有效提高算法魯棒性和安全性。賈英江融合信息加密技術(shù)、擴(kuò)頻通信技 術(shù)、視覺識(shí)別特性及噪聲理論提出一種通用數(shù)字水印模型，該模型具有一定的普遍意義。許 多水印方法，如直接序列法、跳頻法等，均可由此模型直接得到。此外，尹德輝和張勇也都針對(duì)圖像數(shù)字水印提出框架模型。對(duì)于數(shù)字水印的模型 研究起到了積極的推動(dòng)作用，一定程度上也推動(dòng)了數(shù)字水印的系統(tǒng)化、規(guī)范化進(jìn)程。但是這 些模型基本都是針對(duì)圖像數(shù)字水印進(jìn)行的。除此之外，還有一些廣泛意義上的數(shù)字水印模型。I. J. Cox提出了最早的信息隱藏 模型，采用通信理論模型，將原始圖像和有意無意的攻擊看作噪聲，特別是將擴(kuò)頻通信理論 引入后，水印的魯棒性大大提高，隨后提出結(jié)合感知模型、自適應(yīng)的魯棒水印算法，在此基 礎(chǔ)上，更精確的communication with side information水印模型提出，并且這種模型得到 了較為廣泛的應(yīng)用。之后Cachin和Moulin等人研究了基于信息論的信息隱藏模型，為該 領(lǐng)域的研究也提供了很好的思路。姜楠等人提出了信息隱藏的最優(yōu)化模型，該模型重點(diǎn)考 慮了信息隱藏系統(tǒng)實(shí)際存在的魯棒性和透明性，全面綜合了信息隱藏的嵌入、提取和攻擊 模型，對(duì)以往信息隱藏理論模型不能描述能夠引起栽體尺寸變化的幾何攻擊的缺點(diǎn)做了徹 底改進(jìn)。這些信息隱藏的模型基本都可以輕松應(yīng)用于圖像水印中，但是如果要應(yīng)用視頻數(shù) 字水印中，并指導(dǎo)其具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，則需要進(jìn)行修改。目前專門針對(duì)視頻數(shù)字水印的通用模型方法研究并不多見，隨著數(shù)字視頻技術(shù)的 發(fā)展，視頻數(shù)字水印的研究顯得越來越重要，盡管圖像數(shù)字水印和視頻數(shù)字水印有相通之 處，針對(duì)圖像水印的模型仍然不能直接照搬使用，必須研究可以指導(dǎo)視頻數(shù)字水印系統(tǒng)設(shè) 計(jì)和實(shí)用化的模型。盡管目前也有些針對(duì)視頻水印的研究出現(xiàn)，但是基本都是以實(shí)現(xiàn)某一 種算法為目的的，并沒有對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供切實(shí)可行的通用方案。現(xiàn)有的解決視 頻數(shù)字水印魯棒性較為普遍的方法是將水印分成若干部分并附加索引信息或同步信息后大量重復(fù)嵌入，這種方法即使選擇部分幀嵌入，其嵌入比例也比較高，而且只有在水印所有 子部分全部檢測(cè)到以后才可結(jié)束檢測(cè)過程，存在時(shí)間和效果上的先天不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點(diǎn)，提供了一種通用的視頻數(shù)字水印方法，包 括系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析、嵌入和提取過程。所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析包括以下步驟(1)確定系統(tǒng)功能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，確定系統(tǒng)應(yīng)具備的特性，重點(diǎn)體現(xiàn)在抗攻 擊方面，具體分析系統(tǒng)應(yīng)該需要抵抗哪種攻擊；(2)確定系統(tǒng)參數(shù)包括選擇水印算法Ai、確定各算法嵌入比例1^及最小提取幀數(shù) F . ·
1 mm， 針對(duì)需要抵抗的每一種攻擊，從眾多的可用算法中選擇能抵抗的最佳算法Ai, (i = 1,2,…，1)，設(shè)定共選擇1種算法，1彡2; 根據(jù)各算法在系統(tǒng)中的重要性確定各自的嵌入比例ki; Iii為相應(yīng)算法的嵌入幀 數(shù)占總幀數(shù)的比值； 根據(jù)專利CN200610055129. 8公開的內(nèi)容，可以由各算法的嵌入比例得到檢測(cè) 水印時(shí)所需的最少提取幀數(shù)Fi,則系統(tǒng)檢測(cè)水印時(shí)需要的最少提取幀數(shù)應(yīng)該取各算法對(duì)應(yīng) 的最少提取幀數(shù)Fi的最大值，即Fmin = Hiax(Fi)，才可以保證對(duì)于每種算法都能找到至少1 幀嵌入幀；所述的嵌入過程包括以下步驟(1)視頻文件分幀首先把待加入水印的原始視頻文件進(jìn)行分幀，并獲得視頻總 幀數(shù)N;(2)水印信息預(yù)處理為了使水印信息利用所選各種算法Ai均能完整嵌入，需要 將水印信息進(jìn)行預(yù)處理，包括尺寸縮放、維數(shù)調(diào)整及二值化等處理；(3)按照以下方法利用各個(gè)算法依次進(jìn)行水印嵌入，設(shè)定當(dāng)前嵌入算法為Ai,具體 步驟如下 計(jì)算當(dāng)前算法的嵌入幀數(shù)根據(jù)之前確定的嵌入比例Iii計(jì)算其嵌入幀數(shù)為 NXki ； 隨機(jī)選擇嵌入幀從視頻文件的總視頻幀中無重復(fù)地隨機(jī)選取數(shù)量為NXki的 視頻幀作為水印嵌入幀； 嵌入水印信息對(duì)于每一個(gè)嵌入幀按照算法Ai進(jìn)行水印嵌入；(4)將水印嵌入幀與其余未嵌水印的視頻幀按照原來的順序合并，形成含水印的 視頻文件；所述的提取過程包括以下步驟(1)視頻文件分幀首先把待檢測(cè)視頻文件進(jìn)行分幀，獲得視頻總幀數(shù)N ；(2)隨機(jī)選擇待檢測(cè)視頻幀從視頻幀中無重復(fù)地隨機(jī)選取Fmin個(gè)待檢測(cè)視頻幀；(3)提取水印信息在知道嵌入算法的情況下，利用嵌入算法對(duì)應(yīng)的檢測(cè)算法分 別在待檢測(cè)視頻幀中提取信息；在不知道嵌入算法的情況下，利用所有可能的嵌入算法對(duì) 應(yīng)的檢測(cè)算法分別在待檢測(cè)視頻幀中提取信息；直至所有待檢測(cè)視頻幀提取完畢；
(4)水印信息比較分別計(jì)算各提取信息與原始水印的相似度，根據(jù)相似度判斷 是否含水印信息或版權(quán)歸屬。所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析步驟(2)的最小提取幀數(shù)Fmin的確定，是依據(jù)專利號(hào)為 CN200610055129.8的發(fā)明專利中所公開的算法求得各算法對(duì)應(yīng)的最少提取幀數(shù)Fi, Fmin取 各算法對(duì)應(yīng)的最少提取幀數(shù)Fi的最大值；在水印嵌入的過程中，所選各種方法依次嵌入，直 至所有算法嵌入完畢；在水印提取步驟中，當(dāng)Fmin個(gè)待檢測(cè)視頻幀被選取之后，利用待檢測(cè) 算法在當(dāng)前幀內(nèi)分別提取信息，然后再在下一個(gè)待檢測(cè)視頻幀中依次提取水印信息。進(jìn)一步地，本方法可以根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的具體功能不同，選擇任何可行的水印算 法，使多種水印算法共同作用于水印系統(tǒng)中，以便顯著提升系統(tǒng)性能。不同算法所針對(duì)的作 用不同，可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)出含有多種水印算法的系統(tǒng)。更進(jìn)一步地，以上所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析步驟(2)中所述的最小提取幀數(shù)Fmin 確定方法如下設(shè)定視頻文件的總幀數(shù)為N，選取的嵌入水印算法數(shù)量為1，1 ^ 2，每種水印算法 的嵌入比例分別為ki、k2、…、Ic1 ；則1個(gè)水印算法需要的嵌入幀數(shù)量分別為N*ki、N*k2、…、 N^k1 ；根據(jù)專利CN200610055129. 8的內(nèi)容，最低檢測(cè)數(shù)量η' 2與標(biāo)記比例k的關(guān)系為
權(quán)利要求
一種通用的視頻數(shù)字水印方法，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析、嵌入和提取過程，其特征在于所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析包括以下步驟(1)確定系統(tǒng)功能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，確定系統(tǒng)應(yīng)具備的特性，重點(diǎn)體現(xiàn)在抗攻擊方面，具體分析系統(tǒng)應(yīng)該需要抵抗哪種攻擊；(2)確定系統(tǒng)參數(shù)包括選擇水印算法Ai、確定各算法嵌入比例ki及最小提取幀數(shù)Fmin；●針對(duì)需要抵抗的每一種攻擊，從眾多的可用算法中選擇能抵抗的最佳算法Ai，(i＝1，2，…，l)，設(shè)定共選擇l種算法，l≥2；●根據(jù)各算法在系統(tǒng)中的重要性確定各自的嵌入比例ki，ki為相應(yīng)算法的嵌入幀數(shù)占總幀數(shù)的比值；●根據(jù)專利CN200610055129.8公開的內(nèi)容，可以由各算法的嵌入比例得到檢測(cè)水印時(shí)所需的最少提取幀數(shù)Fi，則系統(tǒng)檢測(cè)水印需要的最少提取幀數(shù)應(yīng)該取各算法對(duì)應(yīng)的最少提取幀數(shù)Fi的最大值，即Fmin＝max(Fi)，才可以保證對(duì)于每種算法都能找到至少1幀嵌入幀；所述的嵌入過程包括以下步驟(1)視頻文件分幀首先把待加入水印的原始視頻文件進(jìn)行分幀，獲得視頻總幀數(shù)N；(2)水印信息預(yù)處理為了使水印信息利用所選各種算法Ai均能完整嵌入，需要將水印信息進(jìn)行預(yù)處理，包括尺寸調(diào)整、降維或二值化等；(3)按照以下方法利用各個(gè)算法依次進(jìn)行水印嵌入，設(shè)定當(dāng)前嵌入算法為Ai，具體步驟如下●計(jì)算當(dāng)前算法的嵌入幀數(shù)根據(jù)之前確定的嵌入比例ki計(jì)算其嵌入幀數(shù)N×ki；●隨機(jī)選擇嵌入幀從視頻文件的總視頻幀中無重復(fù)地隨機(jī)選取數(shù)量為N×ki的視頻幀作為水印嵌入幀；●嵌入水印信息對(duì)于每一個(gè)嵌入幀按照算法Ai進(jìn)行水印嵌入；(4)將水印嵌入幀與其余未嵌水印的視頻幀按照原來的順序合并，形成含水印的視頻文件；所述的提取過程包括以下步驟(1)視頻文件分幀首先把待檢測(cè)視頻文件進(jìn)行分幀，并獲得視頻總幀數(shù)N；(2)隨機(jī)選擇待檢測(cè)視頻幀從視頻幀中無重復(fù)地隨機(jī)選取Fmin個(gè)待檢測(cè)視頻幀；(3)提取水印信息在知道嵌入算法的情況下，利用嵌入算法對(duì)應(yīng)的檢測(cè)算法分別在待檢測(cè)視頻幀中提取信息；在不知道嵌入算法的情況下，利用所有可能的嵌入算法對(duì)應(yīng)的檢測(cè)算法分別在待檢測(cè)視頻幀中提取信息；直至所有待檢測(cè)視頻幀信息提取完畢；(4)水印信息比較分別計(jì)算各提取信息與原始水印的相似度，根據(jù)相似度判斷是否含水印信息或版權(quán)歸屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用的視頻數(shù)字水印方法，其特征在于本方法可以根據(jù)系 統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的具體功能不同，選擇任何可行的水印算法，使多種水印算法共同作用于水印系 統(tǒng)中，以便顯著提升系統(tǒng)性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的通用的視頻數(shù)字水印方法，其特征在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析步驟(2)中所述的最小提取幀數(shù)Fmin確定方法如下設(shè)定視頻文件的總幀數(shù)為N，選取的嵌入水印算法數(shù)量為1，1 ^ 2，每種水印算法的嵌 入比例分別為H ...Λ ；則1個(gè)水印算法需要的嵌入幀數(shù)量分別為N*k”N*k2、…、N^k1 ； 根據(jù)專利CN200610055129. 8的內(nèi)容，最低檢測(cè)數(shù)量η' 2與標(biāo)記比例k的關(guān)系為其中，上述公式中的ceil表示向大數(shù)取整。則根據(jù)上式，由各算法的嵌入比例kpk2、…、Ic1，可以確定各算法檢測(cè)水印時(shí)所需的最 少檢測(cè)幀數(shù)F”F2、…、F1，為了保證每種算法的嵌入幀都能至少被檢測(cè)到一幀，則要求系統(tǒng) 檢測(cè)水印時(shí)最低檢測(cè)幀數(shù)為Fmin = max(Fi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種通用的視頻數(shù)字水印方法，其特征在于所述的提 取步驟(3)中，分別計(jì)算各提取信息與原始水印相似度，若存在相似度高于75%即可認(rèn)為 視頻幀中含有水印，否則不含水印。
全文摘要
本發(fā)明的通用的視頻數(shù)字水印方法，主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析、嵌入和提取過程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析包括確定系統(tǒng)功能、待嵌入水印算法Ai、各算法嵌入比例以及最小提取幀數(shù)Fmin；水印嵌入過程包括視頻文件分幀、水印信息預(yù)處理、水印算法嵌入和形成含水印的視頻文件，其中水印算法嵌入包括計(jì)算嵌入幀數(shù)、選擇嵌入幀和嵌入水印；水印提取過程包括視頻文件分幀、待檢測(cè)視頻幀選取、水印信息提取以及計(jì)算相似度。本發(fā)明的水印方法，采用多種水印算法同時(shí)嵌入，并可選擇嵌入比例，使系統(tǒng)抗攻擊特性明顯增強(qiáng)；水印嵌入采用非逐幀嵌入，保證了視頻文件的觀賞性及嵌入速度；在水印提取過程中，檢測(cè)幀數(shù)量少，提高了檢測(cè)效率；此外，還強(qiáng)化了抗幀剪輯攻擊的能力。
文檔編號(hào)H04N5/913GK101938618SQ20101025559
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者丁元玉, 劉廣起, 廖盧方, 李娜, 趙彥玲, 鄭曉勢(shì) 申請(qǐng)人:山東省計(jì)算中心