用於數字視頻信號的水印方法和設備的製作方法

2023-09-22 11:14:45 3

專利名稱：用於數字視頻信號的水印方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及數字視頻處理領域，更具體地涉及到往數字視頻信號裡加水印的方法和設備，以及檢測數字視頻信號是否嵌入了水印的設備。
背景技術：
網際網路的迅猛發展使得數字視頻的消費需求不斷增長，隨之而來的各種版權問題也日益突出。雖然在傳輸過程中，可以通過加密技術有效保護數字內容不被非法使用，然而一旦數字內容到達最終用戶並被合法解密之後，加密技術就不能對其進行任何保護了。人們迫切需要一種新的技術在數字內容被解密後，仍能保護其內容。數字水印技術則有能力滿足這些要求。
作為版權保護的一種最新技術，數字水印在真正應用之前，必須解決很多問題。這其中一個核心問題是水印的魯棒性，就是經歷了常規的信號處理後，仍能準確檢測出水印的能力。對於視頻而言，常規的信號處理包括光度失真(如有損壓縮、噪聲、濾波、對比度/亮度調整等)、空間同步失真(如裁剪、放縮、平移、旋轉、透視、非線性變換、球形變換、局部幾何變換等各種幾何變換)、時間同步失真(如幀插入、幀刪除、幀交換、幀頻轉換等)等幾類處理。
在水印魯棒性研究的成果中，Cox等提出的擴展頻譜的嵌入和檢測思想，很好地解決了保真度和魯棒性方面的矛盾，成為了魯棒性水印的奠基性思想。此外，一般提高水印魯棒性常用的思想方法還有冗餘嵌入、在感知上的重要係數中嵌入、在已知魯棒性的係數中嵌入等技術。而對抗時間和空間同步失真的一般思想則是窮舉搜索、同步模板、自相關、不變水印等。不過，這些只是一些基本的提高水印魯棒性的思想和方法，並不是專門解決水印抵抗某一類失真的魯棒性問題的完整方案。
目前不少魯棒水印方法是為了有效抵抗三類失真中的某一類失真。如在變換域中頻係數裡嵌入水印，可以在相當程度上抵抗輕度的光度失真；利用RST不變嵌入子空間等，抵抗因為簡單幾何變換(RST)帶來的輕度的空間同步失真；Eugene T.L.用有限狀態機作為幀水印密鑰生成器，可抵抗隨機的幀刪除、幀插入、幀交換等時間同步攻擊等。
目前國際上關於魯棒水印的研究成果裡，也有部分能同時抵抗多種類型的失真問題的方法。如Jaap Haitsma提出了通過調製每一幀的平均亮度，按幀嵌入水印信息的水印方法。該方法可以較好地抵抗多種類型的空間同步失真，但是抗有損壓縮等光度失真的能力較弱。Zhao Yao等對Jaap Haitsma方法進行了改進，提高了檢測準確率，但是抗有損壓縮等光度失真的能力仍然較弱。Song Maodong等提出的基於能量的水印方法，可以抵抗多種幾何變換導致的空間同步失真，但是不能抵抗裁剪導致的空間同步失真，對於光度失真的抵抗力一般。此外，該方法需要對每一幀圖像做整體離散傅立葉變換，計算量很大。
牛夏牧等提出的沿時間軸嵌入水印的方法，可以抵抗一定頻率的丟幀導致的時間同步失真，可以抵抗多種幾何變換導致的空間同步失真，對於有損壓縮導致的光度失真，也有較好的抵抗力。但是該方法選擇水印嵌入點的方法太複雜，而且不能抵抗各類能導致水印嵌入點在幀內產生相對偏移的空間同步失真。陳真勇等提出了能同時較好地抵抗空間同步失真和輕度的時間同步失真的水印方法。但是當視頻畫面變化較快、或者視頻水印序列較長時，水印相關性檢測失效概率非常高。這樣實際有效的視頻水印序列必然很短，這就導致水印空間很小，容易遭受窮舉方式的攻擊，而且檢測的虛警率就比較高。此外，該方法對於抵抗光度失真的能力較弱。
Hans Jung等提出的基於「場景」的視頻水印方法，可以較好地抵抗多種類型的時間同步失真和簡單幾何變換導致的空間同步失真。但是該方法計算量大，且視頻質量下降明顯。孫建德等提出的基於ICA提取視頻特徵的水印方法，可以較好地抵抗多種類型的時間同步失真，還可以抵抗常見的光度攻擊，如壓縮等。但對於空間同步失真，則沒有抵抗力。
此外，基於三維變換的方法，如基於3D DCT變換、3D DWT變換等方法，在不同程度上能抵抗這3大類失真中的部分類型的處理引起的失真，但都存在計算複雜性高等問題。張立和的3D Gabor變換對於幀刪除和視頻壓縮有一定的效果，但是計算太複雜，且幾乎不能抵抗空間同步失真。
有上述論述可見，雖然上述方法可以在一定程度上抵抗一類或者多類失真，但是都不能有效地同時抵抗空間同步失真和光度失真。而在實際應用時，如視頻編輯等，視頻可能經歷多種變換和處理，光度失真、空間同步失真往往是同時發生的。因此，迫切需要研究能同時有效抵抗空間同步失真和光度失真的視頻水印方法。

發明內容
針對現有技術中存在的缺陷，本發明公開了一種新的為數字視頻信號加水印和檢測數字視頻信號是否嵌入了水印的方法及裝置。用以解決現有技術中存在的方案不能有效地抵抗空間同步失真和光度失真的問題。
一種用於數字視頻信號的水印方法，包括以下步驟將水印信息編碼調製為雙極性二值水印向量Wr＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，N為大於1的正整數；在選定水印嵌入的起始幀，連續N次向後選取視頻幀，每次選取R幀，R為大於1的正整數；調整第n次選取的R個幀中視頻幀的亮度分量的中頻能量，嵌入Wr的第n個分量，n＝0～N-1。
較佳地，所述調整R個幀中視頻幀的亮度分量的中頻能量時，每一個視頻幀的亮度分量的中頻能量的變化方向不完全相同。
較佳地，所述調整視頻幀的亮度分量的中頻能量包括以下步驟(1)將亮度分量分裂成大小相等的的方形圖象塊；(2)對所述圖象塊進行離散餘弦變換(DCT)，得到DCT變換係數；(3)在圖象塊對應的DCT變換係數中，選擇部分中頻係數；(4)對選中的中頻係數進行自適應調整；(5)對調整後的每個圖象塊，進行逆向離散餘弦變換(IDCT)。
較佳地，所述步驟(3)中，所述的中頻係數是對於一個圖象塊的DCT變換係數，按「之」字型(ZigZag)排列時，位於隊列第S至第T個AC係數，滿足0＜S＜T。
較佳地，所述步驟(3)中，選擇DCT中頻係數時，按照水印嵌入密鑰進行選擇，選擇的係數不少於1個。
較佳地，所述步驟(4)中，對選中的DCT中頻係數進行自適應調整時，採用不嵌入或者加性嵌入或者乘性嵌入方式。
較佳地，所述步驟(4)中，對選中的DCT中頻係數進行自適應調整時，根據如下規則來決定採用不嵌入或者加性嵌入或者乘性嵌入方式進行記當前選中的DCT中頻係數為DCT(p，m，i)，其中p為當前幀號，m為當前塊在該幀中的序號，i為該係數在ZigZag順序中的序號，TA為正常數，MultiT是大於TA的正數當DCT(p，m，i)絕對值小於TA時，採取不嵌入的方式；當DCT(p，m，i)絕對值大於或者等於TA，但是小於MultiT時，採用加性嵌入方式；當DCT(p，m，i)絕對值大於或者等於MultiT時，採用乘性嵌入方式。
較佳地，MultiT隨當前視頻幀以及圖象塊的位置變化，記為T(p，m)。
較佳地，所述T(p，m)是兩個常數Tm和TM的線性組合，且TA≤Tm≤T(p，m)≤TM。T(p，m)＝α(p，m)·Tm+(1-α(p，m))·TM，其組合係數α(p，m)是與當前幀相對於前一幀的變化量，當前塊相對於前一幀同位置塊的變換量相關。
較佳地，所述步驟(4)中，對選中的某一幀亮度分量對應的DCT中頻係數進行調整時，根據當前幀亮度分量相對於前一幀亮度分量的變化程度，改變其調整幅度。
較佳地，所述步驟(4)中，對選中某圖像塊的DCT中頻係數進行自適應調整時，根據當前圖象塊相對於前一幀同位置的圖象塊的變化幅度，改變其調整幅度；或根據DCT變換係數的敏感度的模型，改變該係數的調整幅度。
較佳地，所述步驟(4)中，對選中的DCT中頻係數進行自適應調整時，保證幀內各個圖象塊的DCT中頻能量往同一個方向變化。
較佳地，對某個圖像塊，其DCT中頻能量是其DCT變換的所有中頻係數的絕對值的和；或一幀的亮度分量的中頻能量是該幀亮度分量的所有圖象塊的DCT中頻能量之和。
較佳地，水印檢測時包括以下步驟選擇檢測起點幀，並從該幀開始，連續N次往後選取視頻幀，每次選取R幀；通過計算第n次選取的R幀中每一幀的亮度分量的中頻能量的大小來計算特徵向量的第n個分量，n＝0～N-1；計算特徵向量和水印向量的相關性；根據相關性大小和檢測閾值來判定視頻內容是否含有視頻水印。
一種用於將水印信息嵌入到數字視頻信號中的設備，包括用於將水印信息編碼調製為雙極性二值向量Wr的調製裝置，Wr＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，N為大於1的正整數；用於選取視頻幀進行水印嵌入的幀選取裝置，在選定水印嵌入的起始幀，連續N次向後選取視頻幀，每次選取R幀，R為大於1的正整數；用於嵌入水印的水印嵌入裝置，用於調整第n次選取的R個幀中視頻幀的亮度分量的中頻能量，嵌入Wr的第n個分量，n＝0～N-1。
較佳地，所述水印嵌入裝置，進一步包括用於將視頻幀亮度分量進行分塊，然後進行離散餘弦變換的亮度分塊變換裝置；用於根據水印密鑰選取DCT中頻係數的中頻係數選擇裝置；用於根據所述視頻幀相對於前一幀的變化程度、當前圖象塊相對於前一幀同位置圖象塊的變化程度、當前圖象塊的中頻能量、以及當前中頻係數絕對值大小，確定當前中頻係數調整加權量的加權量確定裝置；用於將計算調整量加到所述視頻內容上的調整裝置；用於將調整了中頻係數後的視頻幀亮度分量進行逆向離散餘弦變換的分塊逆變換裝置。
較佳地，所述確定中頻係數調整加權量的裝置進一步包括用於分析視頻數據，並計算當前幀相對於前一幀變化量和當前塊相對於前一幀對應塊的變化量的視頻數據分析裝置；用於根據當前幀相對於前一幀變化量，計算當前幀的全局調整強度的全局強度係數確定裝置；用於根據當前塊的特徵和/或當前塊相對於前一幀對應塊的變化量，計算當前圖像塊的局部調整強度的局部強度係數確定裝置；用於根據中頻係數選取結果，和變換係數的敏感度模型，計算待調整係數加權強度的待調整係數加權強度確定裝置；用於根據全局調整強度係數、局部調整強度係數、單個調整強度加權係數，最終確定中頻係數的調整方法和加權係數的中頻係數調整方法和加權係數確定裝置。
一種用於檢測數字視頻信號是否含有水印的設備，包括用於將水印信息編碼調製為雙極性二值水印向量的調製裝置；用於選取視頻幀進行水印檢測的視頻幀選取裝置；
用於計算視頻幀亮度分量的中頻能量的中頻能量計算裝置；用於根據所計算的每一幀的中頻能量提取檢測特徵向量的特徵向量提取裝置；用於將計算特徵向量和水印向量的相關性，並根據相關性大小判斷是否含有水印的判定裝置。
本發明在保證視頻質量沒有明顯下降的前提下，通過自適應調整視頻每一幀的亮度分量的分塊DCT變換的部分中頻係數，使得視頻每一幀的亮度分量的中頻能量發生顯著變化，以此來嵌入水印信息。通過計算相鄰幀的亮度分量的中頻能量的大小關係來提取特徵向量，利用特徵向量和水印向量的相關性來判斷視頻內容是否添加了水印。
本發明方案在基本保持原有視頻質量的前提下，不但可以抵抗光度失真、空間同步失真，而且可以抵抗這兩類失真的組合。此外該方法也可以抵抗一定程度的時間同步失真。


圖1為本發明用於將水印信息嵌入到數字視頻信號中的設備的結構示意圖；圖2為圖1中確定中頻係數的加權量確定裝置的結構示意圖；圖3為本發明檢測視頻裡是否含有水印的設備結構示意圖；圖4為本發明用於數字視頻信號的水印方法的流程示意圖。
具體實施例方式
通過對水印技術的研究可知通過調整DCT中頻係數來嵌入水印，可以在視頻質量的保真度和水印的魯棒性之間取得較好的平衡；Watson給出了二維DCT變換係數的敏感度的模型，對於不同的係數，敏感度不同。利用這一特性，可以自適應調整每個係數的變化程度，而不被人所察覺。
相鄰視頻幀沿時間軸的密切相關性是視頻可理解的基礎。相關性越強的視頻幀，其對應的中頻能量的相關性也越強，相互預測的誤差也越小。在保證保真度的前提下，可以顯著修改視頻幀的中頻能量，從而可以利用相鄰視頻幀中頻能量的差的符號來嵌入和檢測水印。
由於人類的視覺暫留特性，當視頻圖像序列中相鄰畫面的變化劇烈時，人眼的分辨力會快速下降。這就是人類對於視頻畫面感知的時域中的掩蔽效應。因此，在保證人眼不可感知的情況下，變化劇烈的畫面比變化平緩的畫面可以允許更大的變化量。利用這一特性，可以根據每一幀畫面相對於前一幀的變化程度，自適應調整畫面的變化強度，而不被人所察覺。
下面結合說明書附圖來說明本發明的具體實施方式
。
如圖1所示，本發明方案將水印嵌入到數字視頻信號中的設備包括了用於將水印信息編碼調製為雙極性二值向量Wr的調製裝置10，其中Wr＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，N為大於1的正整數；用於選取視頻幀進行水印嵌入的視頻幀選取裝置20，在選定水印嵌入的起始幀，連續N次向後選取視頻幀，每次選取R幀，R為大於1的正整數；用於嵌入水印的水印嵌入裝置30，用於調整第n次選取的R個幀中視頻幀的亮度分量的中頻能量，嵌入Wr的第n個分量，n＝0～N-1。
其中，用於嵌入水印的水印嵌入裝置30進一步包括用於將視頻幀亮度分量進行分塊，然後進行離散餘弦變換的亮度分塊變換裝置310；用於根據水印密鑰選取DCT中頻係數的中頻係數選擇裝置320；用於根據所述視頻幀相對於前一幀的變化程度、當前圖象塊相對於前一幀同位置圖象塊的變化程度、當前圖象塊的中頻能量、以及當前中頻係數絕對值大小，確定當前中頻係數調整加權量的加權量確定裝置330；
用於將計算調整量加到所述視頻內容上的調整裝置340；用於將調整了中頻係數後的視頻幀亮度分量進行逆向離散餘弦變換的分塊逆變換裝置350。
從數字視頻信號源中產生的數字視頻信號，進入視頻幀選取裝置20，產生出多幀視頻，以備嵌入水印。對於視頻選取裝置20選出的每一幀，經過亮度分塊變換裝置310處理，把亮度分量進行分塊離散餘弦變換，然後從變換係數裡，按照由水印密鑰決定的中頻係數選取裝置320的要求，選擇出合適的中頻係數，以準備進行調整。同時根據視頻幀選取裝置20的輸出結果和中頻係數選取裝置320的選取結果，通過加權量確定裝置330確定每個中頻係數調整量的權重。
待嵌入的水印信息經過調製裝置10調製後，得到水印向量。調整裝置340根據該向量、加權量確定裝置330得到的權重、以及亮度分塊變換裝置310得到的變換係數，確定每個中頻係數的調整量，並對中頻係數進行調整。調整後的結果經過分塊逆變換裝置350進行逆變換，得到嵌入水印信息的數字視頻信號，保存到合適的存儲介質40上。
如圖2所示，圖1中確定中頻係數的加權量確定裝置330進一步包括用於分析視頻數據，並計算當前幀相對於前一幀變化量和當前塊相對於前一幀對應塊的變化量的視頻數據分析裝置331；用於根據當前幀相對於前一幀變化量，計算當前幀的全局調整強度的全局強度係數確定裝置332；用於根據當前塊的特徵和/或當前塊相對於前一幀對應塊的變化量，計算當前圖像塊的局部調整強度的局部強度係數確定裝置333；用於根據中頻係數選取結果，和變換係數的敏感度模型，計算待調整係數加權強度的待調整係數加權強度確定裝置334；用於根據全局強度係數確定裝置332輸出的全局調整強度係數、局部強度係數確定裝置333輸出的局部調整強度係數、以及待調整係數加權強度確定裝置334輸出的單個調整強度加權係數，最終確定中頻係數的調整方法和加權係數的中頻係數調整方法和加權係數確定裝置335。
如圖3所示，是本發明對應的檢測視頻裡是否含有水印的設備，包括用於將水印信息編碼調製為雙極性二值水印向量的調製裝置10；用於選取視頻幀進行水印檢測的視頻幀選取裝置50；用於計算視頻幀亮度分量的中頻能量的中頻能量計算裝置60；用於根據所計算的每一幀的中頻能量提取檢測特徵向量的特徵向量提取裝置70；用於將計算特徵向量和水印向量的相關性，並根據相關性大小判斷是否含有水印的判定裝置80。
依據上述設備，從待檢測數字視頻信號源裡產生的數字視頻信號，經過視頻幀選取裝置50的選取，得到待檢測的視頻片段。經過中頻能量計算裝置60計算出這個視頻片段裡的每一視頻幀的中頻能量。特徵向量提取裝置70根據每一視頻幀的中頻能量，提取出當前視頻片段的特徵向量。同時把水印信息經由調製裝置10調製，得到水印向量。判定裝置80根據特徵向量和水印向量進行判斷當前視頻片段是否含有水印。
下面結合上述裝置來說明本發明用於數字視頻信號的水印方法。如圖4所示，是該方法的流程示意圖，從圖中可見，主要包括以下步驟步驟401、將水印信息編碼調製為雙極性二值水印向量；該步驟將待嵌入的水印信息經過調製裝置10調製為雙極性二值水印向量Wr＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，其中w(n)∈{-11，1}，n＝0～N-1；N為大於1的正整數。
步驟402、在選定水印嵌入的起始幀，連續N次向後選取視頻幀，每次選取R幀，R為大於1的正整數；由視頻幀選取裝置20從數字視頻信號源產生的數字視頻信號裡選擇合適的幀，以用於水印的嵌入。選擇時，首先選定嵌入的起始點幀。然後從嵌入起點幀開始，連續N次依次往後讀取視頻幀，本發明實施例中，每次讀取R＝3幀。對於第n次獲取的3幀視頻，準備用來嵌入水印向量的第n個分量w(n)，其中n＝0～N-1。
步驟403、調整第n次選取的R個幀中視頻幀的亮度分量的中頻能量，嵌入Wr的第n個分量，n＝0～N-1。
對於視頻幀選取裝置20選取的視頻幀，經過亮度分塊變換裝置310進行變換。變換時，可以將選擇視頻幀的亮度分量進行8×8分塊的DCT變換，圖像分塊的大小為8×8。以下的討論中的DCT變換除非特別指明，都是指視頻的亮度分量的按8×8分塊的DCT變換，但本發明方案並不排除使用其他的圖像分塊方法，使用其他變換方式同樣也可以實現本發明方案。
變換後得到DCT分塊變換係數，經過中頻係數選取裝置320選取部分中頻係數用於調整。
根據水印密鑰，選擇8×8塊的DCT變換係數按照ZigZag順序的第i個係數，其中i＝S...，T，0＜S＜T＜32。
上述方案中，確定每個係數的最終加權量採用如下方法進行對於第n次獲取的3幀視頻，準備用來嵌入水印向量的第n個分量w(n)，其中n＝0～N-1，設其中間幀相對於當前嵌入起點的幀序號為p，有p＝n×3+1。
設係數DCT(p，m，i)對應的加權係數為Ω(p，m，i)，其計算方法如下Ω(p，m，i)＝λ(i)·φ(p，m，i)(p,m,i)0,|DCT(p,m,i)|=TA1,TADCT(p,m,i)T(p,m)-1-T(p,m)DCT(p,m)DCT(p,m,i)-TADCT(p,m,i)T(p,m),T(p,m)|DCT(p,m,i)|]]>λ(i)＝max(1，DCT_Freq_Sensitivity(i)×ScaleD)其中DCT_Freq_Sensitivity(i)為DCT頻率敏感度表按ZigZag順序的第i個敏感度值，ScaleD為一調節係數，max(·)為取最大值的函數。TA為一正常數，T(p，m)為兩個常數Tm和TM的線性組合，且TA≤Tm≤T(p，m)≤TM。T(p，m)計算方法如下T(p，m)＝α(p，m)·Tm+(1-α(p，m))·TM其中α(p，m)為組合係數，它由幀p相對於p-1的變化量、塊B(p，m)相對於B(p-1，m)的變化量、塊B(p，m)的中頻能量來確定。
根據加權量確定裝置330計算出的加權量，亮度分塊變換裝置310得到的變換係數，調製裝置340得到的水印向量，調整裝置340將計算每個係數的實際調整量，並進行調整，調整方法如下設DCT(p，m，i)為第p幀的第m個8×8塊的DCT變換係數按照zigzag順序的第i個係數，係數DCT(p，m，i)調整後的新值為DCT(p，m，i)′，其計算方法為DCT(p，m，i)′＝DCT(p，m，i)+Δ(p，m，i)其中Δ(p，m，i)為改變量，Δ(p，m，i)＝Ω(p，m，i)×w(n)。
為了保持水印的不可感知性，保持水印嵌入後視頻的質量，我們用區間[-C(p，i)，C(p，i)]來對Δ(p，m，i)進行限制性截取。其中C(p，i)可以按如下方法計算 其中D(p)為第p幀相對於第p-1幀的變化量。
對於視頻第p-1幀的DCT變換的中頻係數的調整，可以採用如下方法用p-1替換上述步驟中的p，並用-w(n)替換上述步驟中的w(n)，按照上述步驟，調整視頻第p-1幀的DCT變換的中頻係數。
對於視頻第p+1幀的DCT變換的中頻係數的調整，可以採用如下方法用p+1替換上述步驟中的p，並用-w(n)替換上述步驟中的w(n)，按照上述步驟，調整視頻第p+1幀的DCT變換的中頻係數。
把調整裝置340調整後的結果，經分塊逆變換裝置350進行變換得到加入水印後的視頻，變換方法為對亮度分量的調整後的DCT係數，進行8×8分塊逆離散餘弦變換。
本發明方案在接收端，對於待檢測是否含有水印的數字視頻信號，可以包括如下步驟由視頻幀選取裝置50選擇出合適的視頻幀；從當前的檢測起點幀開始，依次往後連續N次讀取視頻，本發明實施例中，採用每次讀取3幀。對於第n次讀取的連續的3幀視頻，選擇中間幀，記其相對於當前檢測起點的幀序號為p，則有p＝n×3+1。其中n＝0～N-1。
對於選取的視頻幀，經過中頻能量計算裝置60計算中頻能量，計算中頻能量時採用如下方法設M為視頻一幀內8×8塊的個數，B(p，m)為第p幀的第m個塊，DCT(p，m，i)為第p幀的第m個8×8塊的DCT變換係數按照zigzag順序的第i個係數，其中i＝S，...，T，0＜S＜T＜32。設Em(p)為視頻第p幀的中頻能量，計算方法如下Em(p)=m=0M-1i=sT|DCT(p,m,i)|]]>計算了中頻能量之後，要用特徵向量提取裝置70提取特徵向量。提取特徵向量的方法如下特徵向量V＝(v(0)，v(1)...v(n)，...，v(N-1))的分量v(n)的計算方法如下v(n)=1,(n)>0-1,(n)-00,-0(n)0]]>其中，ε0為一正常數，ε(n)計算方法如下(n)=Em(p)-Em(p-1)+Em(p+1)2]]>根據特徵向量提取裝置70輸出的特徵向量，以及由調製裝置10輸出的水印向量，判定裝置80進行判斷選取的視頻段是否含有水印，判斷方式如下首先計算特徵向量V與水印向量Wr的歸一化相關性τ。
=VWr|V||Wr|]]>設τnc為檢測閾值。如果τ≥τnc，則表明被檢測的該段視頻有水印；否則，被檢測的該段視頻沒有有水印。
經試驗表明，本發明所公開的方案對於非等比放縮、透視、1/4×1/4的等比縮小和4×4的等比放大等都達到了100％的檢測準確率，對於組合的幾何變換，如裁剪和非等比放縮，同樣達到100％的檢測準確率。這是其他方法難以達到的，這說明本發明方案可以有效抵抗空間同步失真。
本發明所公開的方案對於4種主要類型的光度失真噪聲、幅度變化、濾波、有損壓縮的檢測準確率都達到了100％。尤其是有損壓縮，在VCD級質量的壓縮下(低於VCD質量的視頻一般是人們無法接受的)，檢測準確率仍然為100％，這是其他方法法難以實現的。
當空間同步失真和光度失真同時發生時，本發明所公開的方案仍然能達到100％的檢測準確率，這也是其他方法難以做到的。
此外，本發明所公開的視頻水印方法對於隨機幀插入和幀刪除導致的時間同步失真也具有一定的魯棒性。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種用於數字視頻信號的水印方法，包括以下步驟將水印信息編碼調製為雙極性二值水印向量Wr＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，N為大於1的正整數；在選定水印嵌入的起始幀，連續N次向後選取視頻幀，每次選取R幀，R為大於1的正整數；調整第n次選取的R個幀中視頻幀的亮度分量的中頻能量，嵌入Wr的第n個分量，n＝0～N-1。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述調整R個幀中視頻幀的亮度分量的中頻能量時，每一個視頻幀的亮度分量的中頻能量的變化方向不完全相同。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述調整視頻幀的亮度分量的中頻能量包括以下步驟(1)將亮度分量分裂成大小相等的的方形圖象塊；(2)對所述圖象塊進行離散餘弦變換(DCT)，得到DCT變換係數；(3)在圖象塊對應的DCT變換係數中，選擇部分中頻係數；(4)對選中的中頻係數進行自適應調整；(5)對調整後的每個圖象塊，進行逆向離散餘弦變換(IDCT)。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述步驟(3)中，所述的中頻係數是對於一個圖象塊的DCT變換係數，按「之」字型(ZigZag)排列時，位於隊列第S至第T個AC係數，滿足0＜S＜T。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述步驟(3)中，選擇DCT中頻係數時，按照水印嵌入密鑰進行選擇，選擇的係數不少於1個。
6.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述步驟(4)中，對選中的DCT中頻係數進行自適應調整時，採用不嵌入或者加性嵌入或者乘性嵌入方式。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述步驟(4)中，對選中的DCT中頻係數進行自適應調整時，根據如下規則來決定採用不嵌入或者加性嵌入或者乘性嵌入方式進行記當前選中的DCT中頻係數為DCT(p，m，i)，其中p為當前幀號，m為當前塊在該幀中的序號，i為該係數在ZigZag順序中的序號，TA為正常數，MultiT是大於TA的正數當DCT(p，m，i)絕對值小於TA時，採取不嵌入的方式；當DCT(p，m，i)絕對值大於或者等於TA，但是小於MultiT時，採用加性嵌入方式；當DCT(p，m，i)絕對值大於或者等於MultiT時，採用乘性嵌入方式。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，MultiT隨當前視頻幀以及圖象塊的位置變化，記為T(p，m)。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述T(p，m)是兩個常數Tm和TM的線性組合，且TA≤Tm≤T(p，m)≤TM。T(p，m)＝α(p，m)·Tm+(1-α(p，m))·TM，其組合係數α(p，m)是與當前幀相對於前一幀的變化量，當前塊相對於前一幀同位置塊的變換量相關。
10.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述步驟(4)中，對選中的某一幀亮度分量對應的DCT中頻係數進行調整時，根據當前幀亮度分量相對於前一幀亮度分量的變化程度，改變其調整幅度。
11.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述步驟(4)中，對選中某圖像塊的DCT中頻係數進行自適應調整時，根據當前圖象塊相對於前一幀同位置的圖象塊的變化幅度，改變其調整幅度；或根據DCT變換係數的敏感度的模型，改變該係數的調整幅度。
12.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述步驟(4)中，對選中的DCT中頻係數進行自適應調整時，保證幀內各個圖象塊的DCT中頻能量往同一個方向變化。
13.權利要求3--12任意一項所述的方法，其特徵在於，對某個圖像塊，其DCT中頻能量是其DCT變換的所有中頻係數的絕對值的和；或一幀的亮度分量的中頻能量是該幀亮度分量的部分圖象塊的DCT中頻能量之和。
14.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，水印檢測時包括以下步驟選擇檢測起點幀，並從該幀開始，連續N次往後選取視頻幀，每次選取R幀；通過計算第n次選取的R幀中每一幀的亮度分量的中頻能量的大小來計算特徵向量的第n個分量，n＝0～N-1；計算特徵向量和水印向量的相關性；根據相關性大小和檢測閾值來判定視頻內容是否含有視頻水印。
15.一種用於將水印信息嵌入到數字視頻信號中的設備，包括用於將水印信息編碼調製為雙極性二值向量Wr的調製裝置，Wr＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，N為大於1的正整數；用於選取視頻幀進行水印嵌入的幀選取裝置，在選定水印嵌入的起始幀，連續N次向後選取視頻幀，每次選取R幀，R為大於1的正整數；用於嵌入水印的水印嵌入裝置，用於調整第n次選取的R個幀中視頻幀的亮度分量的中頻能量，嵌入Wr的第n個分量，n＝0～N-1。
16.如權利要求15所述的設備，其特徵在於，所述水印嵌入裝置，進一步包括用於將視頻幀亮度分量進行分塊，然後進行離散餘弦變換的亮度分塊變換裝置；用於根據水印密鑰選取DCT中頻係數的中頻係數選擇裝置；用於根據所述視頻幀相對於前一幀的變化程度、當前圖象塊相對於前一幀同位置圖象塊的變化程度、當前圖象塊的中頻能量、以及當前中頻係數絕對值大小，確定當前中頻係數調整加權量的加權量確定裝置；用於將計算調整量加到所述視頻內容上的調整裝置；用於將調整了中頻係數後的視頻幀亮度分量進行逆向離散餘弦變換的分塊逆變換裝置。
17.如權利要求16所述的設備，其特徵在於，所述確定中頻係數調整加權量的裝置進一步包括用於分析視頻數據，並計算當前幀相對於前一幀變化量和當前塊相對於前一幀對應塊的變化量的視頻數據分析裝置；用於根據當前幀相對於前一幀變化量，計算當前幀的全局調整強度的全局強度係數確定裝置；用於根據當前塊的特徵和/或當前塊相對於前一幀對應塊的變化量，計算當前圖像塊的局部調整強度的局部強度係數確定裝置；用於根據中頻係數選取結果，和變換係數的敏感度模型，計算待調整係數加權強度的待調整係數加權強度確定裝置；用於根據全局調整強度係數、局部調整強度係數、單個調整強度加權係數，最終確定中頻係數的調整方法和加權係數的中頻係數調整方法和加權係數確定裝置。
18.一種用於檢測數字視頻信號是否含有水印的設備，包括用於將水印信息編碼調製為雙極性二值水印向量的調製裝置；用於選取視頻幀進行水印檢測的視頻幀選取裝置；用於計算視頻幀亮度分量的中頻能量的中頻能量計算裝置；用於根據所計算的每一幀的中頻能量提取檢測特徵向量的特徵向量提取裝置；用於將計算特徵向量和水印向量的相關性，並根據相關性大小判斷是否含有水印的判定裝置。
全文摘要
本發明涉及了一種用於數字視頻信號的水印方法和設備，在保證視頻質量沒有明顯下降的前提下，通過自適應調整視頻每一幀的亮度分量的部分中頻係數，使得視頻每一幀的亮度分量的中頻能量發生顯著變化，以此來嵌入水印信息。通過計算相鄰幀的亮度分量的中頻能量的大小關係來提取特徵向量，利用特徵向量和水印向量的相關性來判斷視頻內容是否添加了水印。本發明方案在基本保持原有視頻質量的前提下，不但可以抵抗光度失真、空間同步失真，而且可以抵抗這兩類失真的組合。此外該方法也可以抵抗一定程度的時間同步失真。
文檔編號G06T1/00GK1937769SQ20061011360
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月9日 優先權日2006年10月9日
發明者楊列森, 郭宗明 申請人:北京北大方正電子有限公司, 北京大學, 北大方正集團有限公司