一種基于時空域的視頻零水印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于時空域的視頻零水印方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)，包括音頻、圖像和視頻等已進(jìn)入我們?nèi)粘Ｉ?活中。其中，視頻作為重要媒體角色被廣泛應(yīng)用，因而其版權(quán)保護(hù)工作顯得日益重要。在 此背景下，以數(shù)字水印來代表版權(quán)信息，方便有效的實(shí)現(xiàn)了版權(quán)保護(hù)任務(wù)，數(shù)字水印技術(shù) 得到廣泛研究。經(jīng)過多年的發(fā)展，視頻水印技術(shù)作為數(shù)字水印在視頻版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用技 術(shù)，已日趨成熟，且具有強(qiáng)大的魯棒性，可有效抵御各類攻擊，包括幀攻擊、壓縮攻擊、濾波 攻擊，色彩和對比度攻擊等。現(xiàn)有視頻水印技術(shù)按照對幀圖像的處理方式，可分為兩大類， 一類為關(guān)鍵幀技術(shù)，一類為時空域技術(shù)。
[0003] 關(guān)鍵幀技術(shù)：首先以一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)彳丁關(guān)鍵幀選擇，然后從每一關(guān)鍵幀中提取特征 數(shù)據(jù)，最后通過對每一關(guān)鍵幀特征數(shù)據(jù)的改變來實(shí)現(xiàn)水印信息的嵌入。該類技術(shù)又可進(jìn)一 步細(xì)劃為頻域和空間域處理技術(shù)。頻域處理技術(shù)典型代表為DFT，DCT，DWT，PCA，SVD等，在 頻域?qū)崿F(xiàn)特征信息提取以及水印信息的嵌入工作?？沼蛱幚砑夹g(shù)典型代表為SIFT和SURF 算法，利用視頻幀空間特征進(jìn)行水印信息的產(chǎn)生與嵌入。單純使用關(guān)鍵幀技術(shù)未能充分 利用視頻媒體在時域上的特征，單個的關(guān)鍵幀特征數(shù)據(jù)未進(jìn)行覆蓋整個視頻的特征數(shù)據(jù)集 合，從而減弱了水印的抗攻擊能力，特別是對視頻文件的整體攻擊，例如整體色彩變換攻擊 和同步攻擊。
[0004] 時空域技術(shù)：充分利用視頻在時域上的特征，與空間域和頻域相結(jié)合，在時空域 三維空間中提取視頻特征數(shù)據(jù)，形成水印信息。首先進(jìn)行單幀圖像特征數(shù)據(jù)提取，可以是空 間域SIFT算法，也可以是頻域DCT等算法。然后從整體視頻角度，在時間域上生成特征數(shù) 據(jù)向量，形成向量數(shù)據(jù)集。最后，根據(jù)相應(yīng)規(guī)則，以數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，生成水印數(shù)據(jù)。時空域技 術(shù)盡管充分利用了視頻在時域上延續(xù)的特性，但在沒有結(jié)合關(guān)鍵幀技術(shù)的前提下，對視頻 幀進(jìn)行整體的SIFT、SURF等容易造成計算量大的問題，不滿足視頻水印實(shí)時性的要求。
[0005] 零水印技術(shù)：水印的魯棒性和不可見性始終是一對矛盾體。不可見性的增強(qiáng)必然 會削弱其魯棒性，反之亦然。水印另一個問題是容量大小，嵌入大容量水印信息，會對原始 媒體文件造成更大的破壞。零水印技術(shù)很好地解決了這些問題，該技術(shù)利用媒體文件本身 的特征來形成水印信息，并將該水印信息在第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行注冊，作為媒體文件的版權(quán)信 息，從而實(shí)現(xiàn)不破壞原始媒體文件本身基礎(chǔ)上的版權(quán)保護(hù)。當(dāng)然零水印技術(shù)存在二義性問 題，即不同的媒體文件可能會產(chǎn)生同樣的水印信息。
[0006] 魯棒性：魯棒性體現(xiàn)了水印技術(shù)對抗攻擊的能力。視頻作為圖像在時域上的擴(kuò)展， 攻擊者不僅可以對其單幀圖像進(jìn)行操作，也可以對一系列連續(xù)幀圖像進(jìn)行整體操作，其水 印技術(shù)需要抵抗多方面的攻擊。典型的視頻水印攻擊有：幾何攻擊，包括視頻幀圖像的旋 轉(zhuǎn)、綻放、平移以及仿射變換；幀攻擊或同步攻擊，包括幀裁剪、幀插入、幀交換和幀平均等； 色彩攻擊，包括色彩變化、亮度信息變化和對比度變化等；以外還包括壓縮攻擊和濾波攻擊 等。無論是關(guān)鍵幀技術(shù)還是時空域技術(shù)，其魯棒性都有各自的特點(diǎn)，都突出表現(xiàn)在某一方面 或兩方面，不具備同時抵抗多種攻擊的能力，特別是對視頻整體操作的攻擊類型，例如色彩 與對比度變化攻擊和同步攻擊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的問題是：如何提供一種基于時空域的視頻零水印方法，該方法 克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，有效提高視頻水印魯棒性，能夠充分利用視頻整體特性，同時抵 抗幾何攻擊、幀攻擊、同步攻擊、色彩和對比度攻擊。
[0008] 本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的：提供一種基于時空域的視頻零水印方 法，其特征在于，包括以下步驟：
[0009] 步驟1場景分割
[0010] 采用基于灰度值的方法，計算每幀圖像灰度均值，以均值變化過閥值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行 場景分割，且對場景做分組標(biāo)記；
[0011] 步驟2同步機(jī)制設(shè)計與關(guān)鍵幀選取
[0012] 根據(jù)對視頻時域特性的研究，對視頻同步機(jī)制采用有限狀態(tài)機(jī)來設(shè)計，對每一個 視頻場景，該有限狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)和下一時刻狀態(tài)用于決定了形成水印數(shù)據(jù)關(guān)鍵幀所處的 區(qū)域與具體位置，且有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)由區(qū)域內(nèi)幀之間灰度均值關(guān)系決定；
[0013] 步驟33D-Harris角點(diǎn)集構(gòu)建
[0014] 對每一關(guān)鍵幀進(jìn)行Harris角點(diǎn)計算，選取穩(wěn)定點(diǎn)，并將Harris點(diǎn)在時域進(jìn)行擴(kuò) 展、組建，形成三維空間中的Harris角點(diǎn)組合，并記錄時域坐標(biāo)；
[0015] 步驟4灰度均值數(shù)據(jù)集構(gòu)建
[0016] 對3D-Harris角點(diǎn)集以時域?yàn)閱挝贿M(jìn)行角點(diǎn)數(shù)據(jù)灰度均值計算，形成灰度均值數(shù) 據(jù)集；
[0017] 步驟5極值點(diǎn)數(shù)據(jù)集構(gòu)建
[0018] 對灰度均值數(shù)據(jù)集在時域上以規(guī)定距離進(jìn)行分段，在段內(nèi)進(jìn)行極值計算，分別形 成時間域上的極大值和極小值數(shù)據(jù)集；
[0019] 步驟6零水印數(shù)據(jù)生成
[0020] (1)基于灰度均值數(shù)據(jù)集生成水印數(shù)據(jù)，設(shè)定數(shù)值閥值，判定大于和小于閥值的灰 度均值數(shù)目，并將兩個數(shù)目進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果生成水印數(shù)據(jù)；
[0021] (2)基于極值點(diǎn)數(shù)據(jù)集成生水印數(shù)據(jù)，在給定的時域距離內(nèi)對極值進(jìn)行比較，比較 結(jié)果作為水印數(shù)據(jù)生成標(biāo)準(zhǔn)；
[0022] 根據(jù)以上兩條規(guī)則產(chǎn)生的水印數(shù)據(jù)，再進(jìn)行按位隨機(jī)排序操作，生成最終的水印 數(shù)據(jù)。
[0023] 按照本發(fā)明所提供的基于時空域的視頻零水印方法，其特征在于，步驟2中具體 方法為：
[0024] 對每一個場景，根據(jù)狀態(tài)每四幀產(chǎn)生零或一幀關(guān)鍵幀，完成后步進(jìn)一幀，重復(fù)該操 作。有限狀態(tài)機(jī)初始狀態(tài)為指定值，下一時刻狀態(tài)根據(jù)四幀中除關(guān)鍵幀外三幀圖像的灰度 均值大小關(guān)系（共存在6種關(guān)系）來決定，每一種大小關(guān)系代表一種狀態(tài)，并根據(jù)該狀態(tài)來 決定下一段四幀中哪一幀作為關(guān)鍵幀被選取，并記錄關(guān)鍵幀在時域中的位置。
[0025] 重復(fù)整個有限狀態(tài)機(jī)操作，遍歷所有場景，最終產(chǎn)生所有關(guān)鍵幀。
[0026] 按照本發(fā)明所提供的基于時空域的視頻零水印方法，其特征在于，步驟3、4、5中 具體方法為：
[0027] ①提取關(guān)鍵幀中Harris穩(wěn)定點(diǎn)：對場景中每一關(guān)鍵幀圖像進(jìn)行Harris角點(diǎn)運(yùn)算， 并按其響應(yīng)值R進(jìn)行降序排列，選取前N個角點(diǎn)作為穩(wěn)定點(diǎn)，令Η和W分別為幀圖像水平和 垂直坐標(biāo)，則其Harris穩(wěn)定點(diǎn)集合可表示為
[0029] ②時空域3D-Harris角點(diǎn)灰度均值數(shù)據(jù)集構(gòu)建：用MGV表示關(guān)鍵幀圖像Harris穩(wěn) 定點(diǎn)灰度均值，根據(jù)關(guān)鍵幀在時域上的擴(kuò)散，令N表示第t個關(guān)鍵幀中Harris穩(wěn)定點(diǎn)數(shù)量， F表示場景中所有關(guān)鍵幀數(shù)目，則其灰度均值數(shù)據(jù)集在時域中可表達(dá)為MGVT :
[0032]用LEV表示距離為K個關(guān)鍵幀時的極值點(diǎn)，包含極大值和極小值，則其在時域上的 擴(kuò)展可用LEVT進(jìn)行表示，令E為距離K內(nèi)產(chǎn)生的極值點(diǎn)數(shù)目，則
[0035] 按照本發(fā)明所提供的基于時空域的視頻零水印方法，其特征在于，步驟6中具體 方法為：
[0036] 以場景為基本單位，分別根據(jù)時域灰度均值和時域極值數(shù)據(jù)集，生成水印數(shù)據(jù)。
[0037] ①利用灰度均值數(shù)據(jù)集產(chǎn)生水印信息。在場景中，以滿足T檢驗(yàn)的幀距離D值為 lbit水印產(chǎn)生范圍，計算該范圍內(nèi)所有關(guān)鍵幀Harris角點(diǎn)灰度均值（MGV)的平均值，記為 En，設(shè)置兩個閥值，分別為高位閥值和低位閥值，分別記為Thigh和Tlow，
[0040] α、β為〇-1之間的參數(shù)，用于控制閥值的大小。
[0041] 將每一關(guān)鍵幀的MGV值與閥值進(jìn)行比較，令Η為大于Thigh的關(guān)鍵幀數(shù)目，L為小 于Tlow的關(guān)鍵幀數(shù)目。如果Η大于L，則生成水印數(shù)據(jù)" 1"，否則生成水印數(shù)據(jù)"0"。
[0042] ②利用極值點(diǎn)數(shù)據(jù)集產(chǎn)生水印信息。根據(jù)Τ檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在場景中，以滿足Τ檢驗(yàn) 的幀距離D值為lbit水印產(chǎn)生范圍，令Nmax和Nmin表示每一片斷中極大值LEVmax和極小 值LEV_數(shù)目。如果Nmax大于Nmin，則生成水印數(shù)據(jù)" 1"，否則生成水印數(shù)據(jù)"0"。最后， 將兩組水印信息進(jìn)行按位隨機(jī)排序操作，就可以生成最終水印數(shù)據(jù)。
[0043] 本發(fā)明的有益效果：
[0044] 1、充分利用視頻時空域特性，實(shí)現(xiàn)對視頻整體特征數(shù)據(jù)的提取。將Harris角點(diǎn)擴(kuò) 展至?xí)r間域，形成3D-Harris角點(diǎn)集。當(dāng)前數(shù)字水印技術(shù)的研究中，Harris角點(diǎn)由于其穩(wěn) 定性及抗幾何攻擊能力強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用，而實(shí)際應(yīng)用多集中于圖像水印，或視頻水印中 離散單幀圖像中。本發(fā)明充分利用視頻在時間域連續(xù)的特性，將Harris角點(diǎn)擴(kuò)展至整體視 頻域，從單幀圖像Harris角點(diǎn)選取穩(wěn)定點(diǎn)，在時域上形成3D-Harris角點(diǎn)數(shù)據(jù)集，用于提取 代表視頻整體的特征數(shù)據(jù)，為基于時空域的水印信息生成提供了基礎(chǔ)。
[0045] 2、多角度提取特征數(shù)據(jù)，形成雙重水印信息。通常的零水印技術(shù)面臨二義性問題， 不同媒體文件的水印信息可能會存在相同的情況。本發(fā)明從兩個角度提取視頻特征數(shù)據(jù)， 形成兩個獨(dú)立的水印信息，并將兩組水印信息進(jìn)行隨機(jī)融合處理，可以有效降低二義性存 在的概率。
[0046] 3、提高抗同步攻擊能力。本發(fā)明采用有限狀態(tài)機(jī)，以分段遞進(jìn)的方式進(jìn)行關(guān)鍵幀 探測，根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)決定當(dāng)前段中關(guān)鍵幀位置，且根據(jù)當(dāng)前段其余幀平均灰度 值之前的關(guān)系決定下一時刻狀態(tài)。本發(fā)明采用此種方式進(jìn)行關(guān)鍵幀探測，可有效抵抗同步 攻擊，包括幀刪除、幀插入、幀交換等，同時可以有效降低Harris角點(diǎn)計算量，提高水印信 息生成效率。
[0047] 4、提高抗色彩攻擊能力。通常視頻水印技術(shù)的研究，集中在抗幾何變化、幀攻擊、 濾波攻擊和壓縮攻擊方面。本發(fā)中以3D-Harris角點(diǎn)集灰度值為基礎(chǔ)進(jìn)