大容量視頻數字水印的嵌入和檢測方法及其系統的製作方法

2023-04-23 16:58:21

專利名稱：大容量視頻數字水印的嵌入和檢測方法及其系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於視頻數字水印技術領域，具體涉及一種大容量視頻數字水印的嵌入和檢測方法及其系統。
背景技術：
數字水印是在數字圖像、數字視頻、數字音頻或數字文檔載體中嵌入和檢測數字標記的技術，可以廣泛應用於數字內容檢索、廣告監播、版權標識、盜版追蹤等應用領域。1954 年，Emil Hembrooke 提出了專利 「Identification of sound and likesignals」，宣告了數字水印技術的誕生，該專利通過將一種標識碼以不可感知的方法嵌入到音樂中，從而實現音樂製作人的身份認證。此時數字水印並未成為一門獨立的學科，直到20世紀90年代初，數字水印逐步成為研究課題並受到重視。在1993年，A.Z.Tirkel等在「Electronic watermark」 一文中首次使用了 「Watermark」這一術語，標誌著數字水印技術作為一門正式研究學科的誕生。早期的數 字水印魯棒性比較差，例如1994年Van SChyndel, R.G等提出了修改圖像最低有效位LSB的數字水印嵌入方法，其優點是數字水印隱蔽性較好，但是魯棒性差。此後基於變換域的數字水印算法陸續被提出，包括DFT、DCT、DWT和KLT變換域數字水印算法，提高了數字水印的魯棒性。1997年Cox等人提出一種基於擴頻通信思想的數字水印算法，簡稱擴頻水印算法，該算法具有很好的安全性和很高的魯棒性，成為了數字水印技術中一個比較經典的方案。在提高水印容量方面，2001年Brian Chen等人提出了基於量化索引調製(Quantization Index Modulation)的數字水印算法,提高了大容量數字水印的魯棒性。視頻數字水印是指在數字視頻載體中嵌入和檢測數字標記的技術，視頻水印不僅需要抵抗空間域的圖像失真攻擊，還需要抵抗時間軸的失真攻擊。關於視頻水印技術的實現主要有兩大類方法，前者是將連續視頻幀視為整體，沿時間軸嵌入水印，通過修改相鄰幀的亮度或色度，達到嵌入和檢測視頻水印的目的；後者是將每個視頻幀視為獨立的圖片，通過修改視頻幀的亮度或色度，將水印嵌入在單個視頻幀中。前一類方法通常需要同時獲取和分析若干連續視頻幀，容易受到時間軸失真攻擊的影響，另外水印嵌入容量也比較小，不適合在短視頻中嵌入水印；後一類方法可以在單幀圖像中檢測水印，具有更大的靈活性，水印容量也比較大，本發明屬於後一類方法。水印容量、不可見性、魯棒性是視頻水印領域的三個重要指標，現有視頻數字水印技術主要存在下列四方面的問題:首先，單幀圖像中能夠嵌入的水印容量較小，難以滿足應用的需求，需要利用視頻中的多幀，實現水印容量的擴充；其次，視頻幀通常是連續播放的，一般的水印技術僅僅在I幀中嵌入水印，不在P幀和B幀嵌入水印，導致相鄰幀之間畫面失真度差異巨大，容易出現視頻播放閃爍現象；此外，幀刪除、幀平均、幀率變換、鏡頭裁剪等視頻時間軸失真會導致相鄰幀之間相互幹擾，並破壞視頻幀之間的先後次序，容易引起視頻水印檢測錯誤；最後，平移、剪切、縮放、旋轉等空間域幾何攻擊，容易破壞水印的空間同步，導致水印不能正常檢測。

發明內容
針對現有技術存在的缺陷，本發明提供一種大容量視頻數字水印的嵌入和檢測方法及其系統，用於在視頻中嵌入大容量視頻數字水印，並且能夠有效抵抗空間域幾何攻擊、有損壓縮、視頻幀刪除、視頻幀插入、視頻幀平均和視頻裁剪等攻擊。本發明採用的技術方案如下:本發明提供一種大容量視頻數字水印的嵌入和檢測方法，包括以下步驟:SI，將視頻水印信息W分解為I個水印頭信息WH和M個子水印信息WS⑴，I e {O,1，...，M-1}，M為整數，並且M彡I ;其中，M個子水印信息WS⑴記為WS(O) WS (M-1)；
將原始視頻信號的全體視頻幀F按視頻播放時間順序分為M+1組視頻幀組，分別得到I組視頻幀組FH和M組視頻幀組FS⑴，I e {0,1, , M-1}，M為整數，並且M彡I ;其中，M組視頻幀組FS (I)記為FS (O) FS (M-1)；S2，將內置模板嵌入到視頻幀組!7H中，得到視頻幀組FHT ；將水印頭信息WH嵌入到視頻幀組FHT中，得到視頻幀組FHW ；將M個子水印信息WS⑴分別嵌入到M組視頻幀組FS(I)中，得到M組視頻幀組FSff(I);其中，M組視頻幀組FSW(I)記為FSW(O) FSW(M-1)；S3，按順序組合視頻幀組FHW和M組視頻幀組FSW(O) FSW(M-1)，得到嵌入水印的視頻信號FW ；

S4,利用所述內置模板對視頻信號FW進行幾何校正；S5，在經過幾何校正的視頻信號中檢測水印頭信息WH ；以及，在經過幾何校正的視頻信號中檢測子水印信息WS(I)；S6，融合水印頭信息WH和子水印信息WS (I)，生成完整的視頻水印信息W。優選的，SI，將視頻水印信息W分解為I個水印頭信息WH和M個子水印信息WS(I)具體包括以下步驟:水印頭信息WH獲取方法為:S1-1，將L比特的視頻水印信息W平均分為M段，得到M個局部水印信息W(I);其中，M個局部水印信息W(I)記為W(O) W(M-1);則各個局部水印信息W(I)的長度NI比特=L比特/M比特；S1-2，對局部水印信息的總個數M進行二進位編碼，得到二進位數K;其中，二進位數K的比特位數N2為大於log (M-1)/log⑵的整數；基於L和N3，計算視頻水印信息W的CRC校驗碼，記為視頻水印校驗碼C ;其中，N3為設定值，為視頻水印校驗碼C的比特位數；按先後順序組合K和C，得到水印頭信息WH ;其中，水印頭信息WH的比特位數為N2+N3 ；M個子水印信息WS⑴獲取方法為:分別對M個局部水印信息W(I)的段編號I進行二進位編碼，得到M個二進位數K⑴；其中，二進位數K (I)的比特位數為N2 ;M個二進位數K (I)記為K(O) K(M-1)；計算W(I)和K(I)的CRC校驗碼，得到子水印校驗碼C(I);其中，子水印校驗碼C(I)的比特位數為N4;按先後順序組合W(I)、!(⑴和C(I)，得到(N1+N2+N4)比特的子水印信息WS(I)。優選的，SI中，將原始視頻信號的全體視頻幀按視頻播放時間順序分為M+1組視頻幀組，分別得到I組視頻幀組FH和M組視頻幀組FS (I)，具體包括以下步驟:將原始視頻信號分為固定幀數的視頻段；將每個視頻段再細分為(M+1)個幀數為D的視頻幀組，即得到I組視頻幀組FH和M組視頻幀組FS (I)。優選的，S2中，將內置模板嵌入到視頻幀組FH中，得到視頻幀組FHT，具體包括以下步驟:讀取視頻幀組ra的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域；選取所述DFT域中NT個模板頻點；修改選取到的所述模板頻點位置的DFT係數，然後將所述內置模板嵌入到修改後的DFT係數中；對嵌入內置模板的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入內置模板的視頻幀組FHT。優選的，S2中，將水印頭信息WH嵌入到視頻幀組FHT中，得到視頻幀組FHW，具體包括以下步驟:所述水印頭嵌入包括如下步驟:`讀取視頻幀組FHT的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 選取DFT域中NH個水印頭頻點；修改選取到的所述水印頭頻點位置的DFT係數，然後將所述水印頭信息WH嵌入到修改後的DFT係數中；對嵌入水印頭信息的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入水印頭信息的視頻幀組FHT。優選的，S2中，將M個子水印信息WS(I)分別嵌入到M組視頻幀組FS(I)中，得到M組視頻巾貞組FSW (I),具體包括以下步驟:讀取視頻幀組FS (I)的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域；選取所述DFT域中NS個子水印頻點；修改選取到的所述子水印頻點位置的DFT係數，然後將所述子水印信息WS (I)嵌入到修改後的DFT係數中；對嵌入子水印信息WS (I)的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入子水印信息WS (I)的視頻幀組FSW(I)。優選的，S4，利用所述內置模板對視頻信號FW進行幾何校正，具體包括以下步驟:讀取視頻信號FW的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換；對經全局DFT離散傅立葉變換後得到的DFT係數進行分析，判斷是否包含內置模板；如果沒有檢測到內置模板，則保持原始視頻圖像，退出幾何校正操作；如果檢測到內置模板，則將檢測得到的內置模板與預存的原始內置模板進行對比，計算得出圖像縮放係數和旋轉角度；然後保存計算得出的圖像縮放係數和旋轉角度；根據所述圖像縮放係數和旋轉角度，對後續幀圖像進行反向縮放和反向旋轉，實現對視頻信號FW進行幾何校正。優選的，S5，在經過幾何校正的視頻信號中檢測水印頭信息WH，具體包括以下步驟:讀取經過幾何校正的視頻信號的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域；分析NH個水印頭頻點的DFT係數，提取出水印頭信息WH ；從水印頭信息WH中提取出數據K和校驗碼C，由K得到子水印總數M。優選的，在經過幾何校正的視頻信號中檢測子水印信息WS(I),具體包括以下步驟:讀取經過幾何校正的視頻信號的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域；分析NS個子水印頻點的DFT係數，提取出子水印WS(I)，I e {0，1，...，M_l}；從子水印WS⑴中提取出W(I)、K(I)和C(I)，根據K(I)獲得子水印對應的段編號I ; 驗證C(I)校驗碼，如果校驗碼不正確，則刪除該子水印；反之，如果校驗碼正確，則成功檢測到子水印信息WS(I)。優選的，S6，融合水印頭信息WH和子水印信息WS⑴，生成完整的視頻水印信息W，具體包括以下步驟:從子水印信息WS (O) WS (M-1)中分別提取出局部水印信息W(O) W(M-1)，將提取到的局部水印信息W(O) W(M-1)連接成為視頻水印信息W ;驗證C校驗碼，如果校驗碼不正確，則刪除該視頻水印信息W，重新檢測水印頭信息和子水印信息；反之，如果校驗碼正確，則成功檢測到視頻水印信息W。本發明還提供一種大容量視頻數字水印的嵌入和檢測系統，包括水印嵌入模塊
(100)和水印檢測模塊(110)；所述水印嵌入 模塊(100)包括:視頻幀分組單元(101)，用於將原始視頻信號的全體視頻幀F按視頻播放時間順序分為M+1組視頻幀組，分別得到I組視頻幀組ra和M組視頻幀組FS (I)，I e {0,1,...,M-1}，M為整數，並且M彡I ;其中，M組視頻幀組FS (I)記為FS(O) FS(M-1)；視頻水印分解單元(103)，用於將視頻水印信息W分解為I個水印頭信息WH和M個子水印信息WS(I)，Ie {0,1, , M-l}，M為整數，並且M彡I ;其中，M個子水印信息WS(I)記為 WS (O) WS (M-1)；模板嵌入單元(102)，用於將內置模板嵌入到視頻幀組FH中，得到視頻幀組FHT ；水印頭嵌入單元(104)，將水印頭信息WH嵌入到視頻幀組FHT中，得到視頻幀組FHW ；子水印嵌入單元(105)，將M個子水印信息WS(I)分別嵌入到M組視頻幀組FS(I)中，得到M組視頻幀組FSW⑴;其中，M組視頻幀組FSW(I)記為FSff(O) FSW(M-1)；視頻幀組合單元(106)，用於按順序組合視頻幀組FHW和M組視頻幀組FSW (O) FSW(M-1)，得到嵌入水印的視頻信號FW ；水印檢測模塊(110)包括:幾何校正單元(111)，利用所述內置模板對視頻信號FW進行幾何校正；；水印頭檢測單元(112)，用於在經過幾何校正的視頻信號中檢測水印頭信息WH ；子水印檢測單元(113)，用於在經過幾何校正的視頻信號中檢測子水印信息WS(I)；視頻水印融合單元(114)，用於融合水印頭信息WH和子水印信息WS(I),生成完整的視頻水印信息W。優選的，所述模板嵌入單元(102)具體用於:讀取視頻幀組FH的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域；選取所述DFT域中NT·個模板頻點；修改選取到的所述模板頻點位置的DFT係數，然後將所述內置模板嵌入到修改後的DFT係數中；對嵌入內置模板的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入內置模板的視頻幀組FHT ；所述水印頭嵌入單元(104)具體用於:讀取視頻幀組FHT的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域；選取DFT域中NH個水印頭頻點；修改選取到的所述水印頭頻點位置的DFT係數，然後將所述水印頭信息WH嵌入到修改後的DFT係數中；對嵌入水印頭信息的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入水印頭信息的視頻幀組FHT ；所述子水印嵌入單元(105)具體用於:讀取視頻幀組FS(I)的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域；選取所述DFT域中NS個子水印頻點；修改選取到的所述子水印頻點位置的DFT係數，然後將所述子水印信息WS (I)嵌入到修改後的DFT係數中；對嵌入子水印信息WS (I)的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入子水印信息WS (I)的視頻幀組FSW(I)。優選的，所述視頻幀組合單元(106)具體用於:將原始視頻信號分為固定幀數的視頻段；將每個視頻段再細分為(M+1)個幀數為D的視頻幀組，即得到I組視頻幀FH和M組視頻幀FS (I)。優選的，所述幾何校正單元(111)具體用於:讀取視頻信號FW的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換；對經全局DFT離散傅立葉變換後得到的DFT係數進行分析，判斷是否包含內置模板；如果沒有檢測到內置模板，則保持原始視頻圖像，退出幾何校正操作；如果檢測到內置模板，則將檢測得到的內置模板與預存的原始內置模板進行對比，計算得出圖像縮放係數和旋轉角度；然後保存計算得出的圖像縮放係數和旋轉角度；根據所述圖像縮放係數和旋轉角度，對後續幀圖像進行反向縮放和反向旋轉，實現對視頻信號FW進行幾何校正。優選的，所述子水印檢測單元(113)具體用於:讀取經過幾何校正的視頻信號的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域；分析NS個子水印頻點的DFT係數，提取出子水印WS(I)，I e {0，1，...，M_l}；從子水印WS⑴中提取出W(I)、K(I)和C(I)，根據K(I)獲得子水印對應的段編號I ;驗證C(I)校驗碼，如果校驗碼不正確，則刪除該子水印；反之，如果校驗碼正確，則成功檢測到子水印信息WS (I)；所述視頻水印融合單元(114)具體用於:從子水印信息WS(O) WS(M-1)中分別提取出局部水印信息W(O) W(M-1)，將提取到的局部水印信息W(O) W(M-1)連接成為視頻水印信息W ;驗證C校驗碼，如果校驗碼不正確，則刪除該視頻水印信息W，重新檢測水印頭信息和子水印信息；反之，如果校驗碼正確，則成功檢測到視頻水印信息W。本發明的有益效果如下:(I)水印容量大:通過將視頻水印分解成I個水印頭和若干個子水印，大幅度提高了視頻水印的容量；(2)有效抵抗空間域幾何攻擊:通過在視頻幀中嵌入內置模板，水印檢測時進行模板匹配，校正幾何形變，實現對空間域平移、剪切、縮放、旋轉等攻擊；(3)視頻失真度低:將內置模板與數據量較小的水印頭一起嵌入在FH視頻幀組中，將數據量較大的子水印嵌入在FS (O) FS (M-1)視頻幀組中，所有視頻幀的畫面失真具有較好的一致性，有效防止視頻水印引起的閃爍；(4)能夠抵抗時間同步失真:視頻水印只是在單幀中進行檢測，然後再融合成完整水印，因此水印檢測不依賴於視頻幀之間的時間順序，能夠有效抵抗時間同步失真。


圖1為本發明提供的大容量視頻數字水印的嵌入和檢測系統的框架圖；圖2為本發明提供的大容量視頻數字水印的嵌入和檢測方法的流程示意圖；圖3為本發明提供的視頻水印信息W分解結構示意
圖4為本發明提供的視頻幀分組結構示意圖；圖5為本發明提供的內置模板嵌入頻點示意圖；圖6為本發明提供的水印頭嵌入頻點示意圖；圖7為本發明提供的子水印嵌入頻點示意圖；圖8為本發明提供的視頻數字水印檢測方法的流程示意圖；圖9為本發明提供的視頻水印融合結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明進行詳細說明:如圖1所示，為本發明提供的大容量視頻數字水印的嵌入和檢測系統的框架圖，應用該系統，如圖2所示，本發明提供的大容量視頻數字水印的嵌入和檢測方法的流程示意圖，主要包括數字水印嵌入過程和數字水印檢測過程，下面詳細介紹這兩個過程:(一)數字水印嵌入過程SI，將視頻水印信息W分解為I個水印頭信息WH和M個子水印信息WS⑴，I e {O,1，...，M-1}，M為整數，並且M彡I ;其中，M個子水印信息WS⑴記為WS(O) WS (M-1)；將原始視頻信號的全體視頻幀F按視頻播放時間順序分為M+1個視頻幀組，分別得到I組視頻幀組FH和M組視頻幀組FS⑴，I e {0,1, , M-1}，M為整數，並且M彡I ;其中，M組視頻幀組FS⑴記為FS (O) FS (M-1)。本步驟中 ，將視頻水印信息W分解為I個水印頭信息WH和M個子水印信息WS⑴，如圖3所示，具體包括以下步驟:水印頭信息WH獲取方法為:Sl-Uf L比特的視頻水印信息W平均分為M段，得到M個局部水印信息W(I);其中，M個局部水印信息W(I)記為W(O) W(M-1);則各個局部水印信息W(I)的長度NI比特=L比特/M比特；S1-2，對局部水印信息的總個數M進行二進位編碼，得到二進位數K;其中，二進位數K的比特位數N2為大於log (M-1)/log⑵的整數；基於L和N3，計算視頻水印信息W的CRC校驗碼，記為視頻水印校驗碼C ;其中，N3為設定值，為視頻水印校驗碼C的比特位數；按先後順序組合K和C，得到水印頭信息WH ;其中，水印頭信息WH的比特位數為N2+N3 ；M個子水印信息WS(I)獲取方法為:分別對M個局部水印信息W(I)的段編號I進行二進位編碼，得到M個二進位數K⑴；其中，二進位數K (I)的比特位數為N2 ;M個二進位數K (I)記為K(O) K(M-1)；計算W(I)和K(I)的CRC校驗碼，得到子水印校驗碼C(I);其中，子水印校驗碼C(I)的比特位數為N4 ；按先後順序組合W(I)、!(⑴和C(I)，得到(N1+N2+N4)比特的子水印信息WS⑴。下面以128比特視頻水印信息W為例，描述視頻水印的分解過程。M取值為4，NI取值為32，L取值為128，N2取值為2，N3取值為13，N4取值為8。將視頻水印信息W平均分為4段，段編號分別為0、1、2、3 ;4個局部水印信息W(I)分別記為W(O)、W(1)、W(2)和W(3)，每段局部水印信息長度為32比特，視頻水印信息總長度為128比特；用2比特二進位數K對局部水印信息總段數4進行編碼，用11表示M等於4的編碼；計算視頻水印信息W的CRC校驗，得到13比特的視頻水印校驗碼C ;按先後順序組合K和C，得到15比特的水印頭信息WH。用2比特二進位數K(I)對局部水印信息W(I)的段編號I進行編碼，Ie {0,1,2,3}，00、01、10和11分別表示I等於0、1、2和3 ;計算W(I)和K(I)的CRC校驗，得到8比特的子水印校驗碼，記為C(I);按先後順序組合W(I)、K(I)和C(I)，得到42比特的子水印信息WS⑴。將原始視頻信號的全體視頻幀按視頻播放時間順序分為Μ+1個視頻幀組，分別得到I組視頻幀組FH和M組視頻幀組FS (I)，具體包括以下步驟:將原始視頻信號分為固定幀數的視頻段；將每個視頻段再細分為(Μ+1)個幀數為D的視頻小段，對得到的視頻小段分組，SP得到I個視頻幀組FH和M個視頻幀組FS (I)。如圖4中的實例所示，為視頻幀分組結構示意圖，當M取值為4，D取值為2時，原始視頻信號被分為長度為10幀的視頻段，每個視頻段又被切分為5個長度為2幀的視頻小段，第I個視頻小段為視頻幀組FH，第2 5視頻小段分別為FS (O)、FS (I)、FS (2)、FS (3)。S2，(I)將內置模板嵌入到視頻幀組!7H中，得到視頻幀組FHT。具體的，讀取視頻幀組ra的幀圖像像素數據，像素數據可以是亮度分量或色度分量，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域；數字水印按照嵌入域的可分為像素域、DCT域、DFT域和KLT域。考慮到DFT變換對空間域平移具有不變性，並且空間域縮放和旋轉也只是引起DFT域中對應的縮放和旋轉，對DFT係數的影響很小，本發明基於DFT變換進行視頻水印嵌入和檢測，可以較好地抵抗空間域幾何攻擊。選取所述DFT 域中NT個模板頻點；修改選取到的所述模板頻點位置的DFT係數，然後將所述內置模板嵌入到修改後的DFT係數中；對嵌入內置模板的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入內置模板的視頻幀組FHT。如圖5中的實例所示,為內置模板嵌入頻點示意圖,NT取值為26,模板頻點位置可以靈活選擇，模板確定後需要記錄保存，並保持不變，便於以後通過模板進行幾何校正。該步驟中DFT係數的修改只是增大DFT係數的幅值，保持DFT係數的弧角不變，計
算公式如K所小，公式lIl參數Al圮投版嵌入弧度,可根據應用要求靈活選擇。
權利要求
1.一種大容量視頻數字水印的嵌入和檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟:SI，將視頻水印信息W分解為I個水印頭信息WH和M個子水印信息WS(I)，I e {O，1，...，M-1}，M為整數，並且M彡I ;其中，M個子水印信息WS⑴記為WS (O) WS (M-1)；將原始視頻信號的全體視頻幀F按視頻播放時間順序分為M+1組視頻幀組，分別得到I組視頻幀組ra和M組視頻幀組FS (I)，I e {0,1,...，M_1}，M為整數，並且M彡I ;其中，M組視頻幀組FS⑴記為FS (O) FS (M-1)； S2，將內置模板嵌入到視頻幀組FH中，得到視頻幀組FHT ； 將水印頭信息WH嵌入到視頻幀組FHT中，得到視頻幀組FHW ； 將M個子水印信息WS⑴分別嵌入到M組視頻幀組FS⑴中，得到M組視頻幀組FSff(I);其中，M組視頻幀組FSW(I)記為FSW(O) FSW(M-1)； S3，按順序組合視頻幀組FHW和M組視頻幀組FSW(O) FSW(M-1)，得到嵌入水印的視頻信號FW ； S4，利用所述內置模板對視頻信號FW進行幾何校正； S5，在經過幾何校正的視頻信號中檢測水印頭信息WH ； 以及，在經過幾何校正的視頻信號中檢測子水印信息WS(I)； S6，融合水印頭信息WH和子水印信息WS⑴，生成完整的視頻水印信息W。
2.根據 權利要求1所述的方法，其特徵在於，SI，將視頻水印信息W分解為I個水印頭信息WH和M個子水印信息WS (I)具體包括以下步驟: 水印頭信息WH獲取方法為: Sl-Uf L比特的視頻水印信息W平均分為M段，得到M個局部水印信息W(I);其中，M個局部水印信息W(I)記為W(O) W(M-1);則各個局部水印信息W(I)的長度NI比特=L比特/M比特； S1-2，對局部水印信息的總個數M進行二進位編碼，得到二進位數K ;其中，二進位數K的比特位數N2為大於log (M-1)/log (2)的整數； 基於L和N3，計算視頻水印信息W的CRC校驗碼，記為視頻水印校驗碼C ;其中，N3為設定值，為視頻水印校驗碼C的比特位數； 按先後順序組合K和C，得到水印頭信息WH ;其中，水印頭信息WH的比特位數為N2+N3 ； M個子水印信息WS (I)獲取方法為: 分別對M個局部水印信息W(I)的段編號I進行二進位編碼，得到M個二進位數K (I)；其中，二進位數K (I)的比特位數為N2 ;M個二進位數K (I)記為K(O) K(M-1)； 計算W(I)和K(I)的CRC校驗碼，得到子水印校驗碼C(I);其中，子水印校驗碼C(I)的比特位數為N4 ； 按先後順序組合W (I)、K (I)和C(I)，得到(N1+N2+N4)比特的子水印信息WS⑴。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，SI中，將原始視頻信號的全體視頻幀按視頻播放時間順序分為M+1組視頻幀組，分別得到I組視頻幀組FH和M組視頻幀組FS (I)，具體包括以下步驟: 將原始視頻信號分為固定幀數的視頻段； 將每個視頻段再細分為(M+1)個幀數為D的視頻幀組，即得到I組視頻幀組FH和M組視頻幀組FS (I)。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，S2中，將內置模板嵌入到視頻幀組FH中，得到視頻幀組FHT，具體包括以下步驟: 讀取視頻幀組FH的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 選取所述DFT域中NT個模板頻點； 修改選取到的所述模板頻點位置的DFT係數，然後將所述內置模板嵌入到修改後的DFT係數中； 對嵌入內置模板的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入內置模板的視頻幀組FHT。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，S2中，將水印頭信息WH嵌入到視頻幀組FHT中，得到視頻幀組FHW，具體包括以下步驟: 所述水印頭嵌入包 括如下步驟: 讀取視頻幀組FHT的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 選取DFT域中NH個水印頭頻點； 修改選取到的所述水印頭頻點位置的DFT係數，然後將所述水印頭信息WH嵌入到修改後的DFT係數中； 對嵌入水印頭信息的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入水印頭信息的視頻幀組FHT。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，S2中，將M個子水印信息WS(I)分別嵌入到M組視頻幀組FS (I)中，得到M組視頻幀組FSW (I)，具體包括以下步驟: 讀取視頻幀組FS(I)的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 選取所述DFT域中NS個子水印頻點； 修改選取到的所述子水印頻點位置的DFT係數，然後將所述子水印信息WS(I)嵌入到修改後的DFT係數中； 對嵌入子水印信息WS (I)的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入子水印信息WS (I)的視頻幀組FSW(I)。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，S4，利用所述內置模板對視頻信號FW進行幾何校正，具體包括以下步驟: 讀取視頻信號FW的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換； 對經全局DFT離散傅立葉變換後得到的DFT係數進行分析，判斷是否包含內置模板；如果沒有檢測到內置模板，則保持原始視頻圖像，退出幾何校正操作；如果檢測到內置模板，則將檢測得到的內置模板與預存的原始內置模板進行對比，計算得出圖像縮放係數和旋轉角度；然後保存計算得出的圖像縮放係數和旋轉角度； 根據所述圖像縮放係數和旋轉角度，對後續幀圖像進行反向縮放和反向旋轉，實現對視頻信號FW進行幾何校正。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，S5，在經過幾何校正的視頻信號中檢測水印頭信息WH，具體包括以下步驟: 讀取經過幾何校正的視頻信號的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 分析NH個水印頭頻點的DFT係數，提取出水印頭信息WH ； 從水印頭信息WH中提取出數據K和校驗碼C，由K得到子水印總數M。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在經過幾何校正的視頻信號中檢測子水印信息WS (I)，具體包括以下步驟: 讀取經過幾何校正的視頻信號的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 分析NS個子水印頻點的DFT係數，提取出子水印WS(I)，I e {0,1, , M-1}； 從子水印WS⑴中提取出W (I)、K (I)和C (I)，根據K (I)獲得子水印對應的段編號I ;驗證C(I)校驗碼，如果校驗碼不正確，則刪除該子水印；反之，如果校驗碼正確，則成功檢測到子水印信息WS (I )。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，S6，融合水印頭信息WH和子水印信息WS (I)，生成完整的視頻水印信息W，具體包括以下步驟: 從子水印信息WS(O) WS(M-1)中分別提取出局部水印信息W(O) W(M-1)，將提取到的局部水印信息W(O) W(M-1)連接成為視頻水印信息W ; 驗證C校驗碼，如果校驗碼不正確，則刪除該視頻水印信息W，重新檢測水印頭信息和子水印信息；反之，如果校驗碼正確，則成功檢測到視頻水印信息W。
11.一種大容量視頻數字水印的嵌入和檢測系統，其特徵在於，包括水印嵌入模塊(100)和水印檢測模塊(110)； 所述水印嵌入模塊(100)包括: 視頻幀分組單元(101)，用於將原始視頻信號的全體視頻幀F按視頻播放時間順序分為M+1組視頻幀組，分別得到I組視頻幀組FH和M組視頻幀組FS(I)7I e {0,1,..., M-1}，M為整數，並且M彡I ;其中，M組視頻幀組FS (I)記為FS(O) FS (M-1)； 視頻水印分解單元(103)，用於將視頻水印信息W分解為I個水印頭信息WH和M個子水印信息WS (I)，Ie {0,1, , M-l}，M為整數，並且M彡I ;其中，M個子水印信息WS(I)記為 WS(O) WS (M-1)； 模板嵌入單元(102)，用於將內置模板嵌入到視頻幀組FH中，得到視頻幀組FHT ； 水印頭嵌入單元(104)，將水印頭信息WH嵌入到視頻幀組FHT中，得到視頻幀組FHW ；子水印嵌入單元(105)，將M個子水印信息WS(I)分別嵌入到M組視頻幀組FS(I)中，得到M組視頻幀組FSW⑴;其中，M組視頻幀組FSW(I)記為FSW(O) FSW(M-1)； 視頻巾貞組合單元(106),用於按順序組合視頻巾貞組FHW和M組視頻巾貞組FSW(O) FSW(M-1)，得到嵌入水印的視頻信號FW ； 水印檢測模塊(110)包括: 幾何校正單元(111)，利用所述內置模板對視頻信號FW進行幾何校正；； 水印頭檢測單元(112)，用於在經過幾何校正的視頻信號中檢測水印頭信息WH ； 子水印檢測單元(113)，用於在經過幾何校正的視頻信號中檢測子水印信息WS(I)；視頻水印融合單元(114)，用於融合水印頭信息WH和子水印信息WS(I),生成完整的視頻水印信息W。
12.根據權利要求11所 述的大容量視頻數字水印的嵌入和檢測系統，其特徵在於，所述模板嵌入單元(102)具體用於:讀取視頻幀組FH的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 選取所述DFT域中NT個模板頻點； 修改選取到的所述模板頻點位置的DFT係數，然後將所述內置模板嵌入到修改後的DFT係數中； 對嵌入內置模板的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入內置模板的視頻幀組FHT ； 所述水印頭嵌入單元(104)具體用於:讀取視頻幀組FHT的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 選取DFT域中NH個水印頭頻點； 修改選取到的所述水印頭頻點位置的DFT係數，然後將所述水印頭信息WH嵌入到修改後的DFT係數中； 對嵌入水印頭信息的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入水印頭信息的視頻幀組FHT ； 所述子水印嵌入單元(105)具體用於:讀取視頻幀組FS(I)的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 選取所述DFT域中NS個子水印頻點； 修改選取到的所述子水印頻點位置的DFT係數，然後將所述子水印信息WS(I)嵌入到修改後的DFT係數中； 對嵌入子水印信息WS (I)的所述DFT係數進行IDFT離散反傅立葉變換，得到嵌入子水印信息WS (I)的視頻幀組FSW (I)。
13.根據權利要求11所述的大容量視頻數字水印的嵌入和檢測系統，其特徵在於，所述視頻巾貞組合單元(106)具體用於: 將原始視頻信號分為固定幀數的視頻段； 將每個視頻段再細分為(M+1)個幀數為D的視頻幀組，即得到I組視頻幀FH和M組視頻幀FS (I)。
14.根據權利要求11所述的大容量視頻數字水印的嵌入和檢測系統，其特徵在於，所述幾何校正單元(111)具體用於: 讀取視頻信號FW的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換； 對經全局DFT離散傅立葉變換後得到的DFT係數進行分析，判斷是否包含內置模板；如果沒有檢測到內置模板，則保持原始視頻圖像，退出幾何校正操作；如果檢測到內置模板，則將檢測得到的內置模板與預存的原始內置模板進行對比，計算得出圖像縮放係數和旋轉角度；然後保存計算得出的圖像縮放係數和旋轉角度； 根據所述圖像縮放係數和旋轉角度，對後續幀圖像進行反向縮放和反向旋轉，實現對視頻信號FW進行幾何校正。
15.根據權利要求11所述的大容量視頻數字水印的嵌入和檢測系統，其特徵在於，所述子水印檢測單元(113)具體用於: 讀取經過幾何校正的視頻信號的幀圖像像素數據，對讀取到的所述幀圖像像素數據進行全局DFT離散傅立葉變換，得到DFT域； 分析NS個子水印頻點的DFT係數，提取出子水印WS(I)，I e {O，1，...，M-1}； 從子水印WS⑴中提取出W (I)、K (I)和C (I)，根據K (I)獲得子水印對應的段編號I ;驗證C(I)校驗碼，如果校驗碼不正確，則刪除該子水印；反之，如果校驗碼正確，則成功檢測到子水印信息WS (I)； 所述視頻水印融合單元(114)具體用於: 從子水印信息WS(O) WS(M-1)中分別提取出局部水印信息W(O) W(M-1)，將提取到的局部水印信息W(O) W(M-1)連接成為視頻水印信息W ; 驗證C校驗碼，如果校驗碼不正確，則刪除該視頻水印信息W，重新檢測水印頭信息和子水印信息；反之，如果 校驗碼正確，則成功檢測到視頻水印信息W。
全文摘要
本發明提供一種大容量視頻數字水印的嵌入和檢測方法及其系統，嵌入方法為將視頻水印W分解為1個水印頭WH和M個子水印WS(I)；將原始視頻的全體視頻幀F分為M+1組視頻幀，分別得到1組視頻幀組FH和M組視頻幀組FS(I)；將內置模板嵌入到視頻幀組FH中，得到視頻幀組FHT；將水印頭WH嵌入到視頻幀組FHT中，得到視頻幀組FHW；將M個子水印WS(I)分別嵌入到M組視頻幀FS(I)中，得到M組視頻幀FSW(I)；按順序組合視頻幀組FHW和M組視頻幀FSW(I)，得到嵌入水印的視頻信號FW。在視頻中嵌入大容量視頻數字水印，並且能夠有效抵抗空間域幾何攻擊、有損壓縮、視頻幀刪除、視頻幀插入、視頻幀平均和視頻裁剪等攻擊。
文檔編號H04N21/8358GK103237271SQ201310113228
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月2日 優先權日2013年4月2日
發明者唐小軍, 孫劍 申請人:北京中視廣信科技有限公司