一種面向移動終端的視頻水印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向移動終端的視頻水印方法，涉及多媒體信息版權(quán)保護(hù)技術(shù)， 信息安全技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字水印技術(shù)作為信息隱藏的一個(gè)重要分支，是實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的有效手段。隨著 移動終端設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的迅猛發(fā)展以及UGC模式的興起，視頻媒體日益頻繁的 制作和傳播滋生了眾多盜版、侵權(quán)行為。因此如何使用視頻水印技術(shù)保障版權(quán)所有者的合 法權(quán)益具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，而平衡水印算法不可見性和魯棒性之間的矛盾依舊是所有水 印算法的最終目標(biāo)。
[0003] 視頻較其余媒體數(shù)據(jù)量較大，在實(shí)際的應(yīng)用場景下視頻通常以壓縮編碼的形式存 在。H. 264/AVC是IS0/IEC[1]的MPEG(運(yùn)動圖像專家組）和ITU-T的VCEG(視頻編碼專家） 共同制定的頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264/AVC是目前應(yīng)用范圍最廣的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字視頻水印 技術(shù)作為數(shù)字水印技術(shù)的一種繼承，可以獲得早期數(shù)字水印技術(shù)（比如圖片水印技術(shù)）的 一些優(yōu)點(diǎn) [2]，更能結(jié)合視頻自身的壓縮、編碼等技術(shù)特點(diǎn)，選擇更加高效、穩(wěn)定的水印算法。
[0004] 小波變換可以對圖像進(jìn)行有效的時(shí)頻域分解。由于小波變換具有良好的時(shí)頻局部 分析特性，可以很好的控制水印的嵌入強(qiáng)度及位置。相比于離散余弦變換，DWT變換擁有更 好的時(shí)頻特性，基于此DWT系數(shù)的改變不容易引起人類視覺的注意，因而具有更好的不可 見性[3]。視頻水印算法運(yùn)用小波變換大多基于視頻幀的完全解碼 [4]，直接對視頻幀DWT變 換所得小波系數(shù)調(diào)制嵌入水印。因?yàn)楦黝愐苿咏K端設(shè)備分辨率的差異性，以視頻文件分辨 率轉(zhuǎn)換為代表的幾何攻擊將尤為普遍，而現(xiàn)有DWT視頻水印算法更多的僅考慮線性攻擊的 性能，無法保證此類算法在移動終端下的魯棒性。
[0005] 參考文獻(xiàn)：
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 發(fā)明目的：為了緩解視頻水印不可見性和魯棒性之間的矛盾，針對特別抵御移動 終端下常見的縮放攻擊，本發(fā)明提供一種面向移動終端的視頻水印方法。采用低復(fù)雜度的 DWT變換，在擁有良好時(shí)頻特性的小波系數(shù)內(nèi)嵌入水印，保障算法的不可見性。利用低頻小 波系數(shù)直方圖形狀的不變性，使用二值水印調(diào)制直方圖形狀，同時(shí)保證算法對常見的諸如 高斯噪聲、椒鹽噪聲、均值濾波等線性攻擊和縮放攻擊具有良好的魯棒性。本發(fā)明以移動終 端為實(shí)際的應(yīng)用場景，結(jié)合場景的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種能夠運(yùn)行于移動終端下的魯棒視頻水 印方法，為現(xiàn)有視頻水印技術(shù)研究提供新的思路。
[0011] 技術(shù)方案：一種面向移動終端的視頻水印方法，包括以下幾個(gè)步驟：
[0012] 步驟A、解碼H. 264載體視頻，獲取原始視頻幀；
[0013] 步驟B、采用Haar小波整體變換原始視頻幀亮度分量，獲取一層小波變換低頻系 數(shù)，選取所有低頻小波系數(shù)作系數(shù)直方圖統(tǒng)計(jì)，并對直方圖統(tǒng)計(jì)相鄰區(qū)間兩兩分組。
[0014] 步驟C、根據(jù)步驟B獲取的系數(shù)直方圖分組，進(jìn)行水印的嵌入操作，水印嵌入操作 完成以后，將所有的低頻系數(shù)規(guī)整。
[0015] 步驟D、解碼嵌入了水印的載體視頻，獲取嵌入時(shí)對應(yīng)的原始視頻幀。統(tǒng)計(jì)原始視 頻幀亮度分量的低頻小波系數(shù)，根據(jù)系數(shù)直方圖的形狀提取嵌入的水印信息。
[0016] 采用音視頻快速轉(zhuǎn)換庫FFMPEG和H. 264編解碼庫X264實(shí)現(xiàn)步驟A，具體過程如 下：
[0017] 采用FFMPEG+X264構(gòu)建視頻水印嵌入、提取仿真程序。利用FFMPEG接口分析 H. 264視頻文件，讀取碼流至包結(jié)構(gòu)，初始化對應(yīng)的解碼器，借助解碼器解碼包結(jié)構(gòu)的碼流， 最終得到待嵌水印的視頻幀裸數(shù)據(jù)。
[0018] 作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，利用原始視頻幀獲取低頻直方圖，選取系數(shù)直方圖 的形狀作為水印嵌入?yún)^(qū)域，具體步驟如下：
[0019] 步驟B1、利用haar小波對原始視頻幀亮度分量水平和豎直方向分別進(jìn)行奇偶分 離、提升小波變換獲得DWT低頻小波系數(shù)矩陣DWT(x,y) (x￡[0j_]，ye[0. _$])。
[0020] 步驟B2、求取所有低頻系數(shù)的均值A(chǔ)ve，以,3 xf〗力統(tǒng)計(jì)區(qū)間，Step 為間距，對低頻系數(shù)做直方圖分布統(tǒng)計(jì)H(k):
[0021]
[0022] DWT(t)表示低頻小波系數(shù)矩陣（二維低頻小波系數(shù)矩陣DWT(x，y)轉(zhuǎn)換為一維低 頻小波系數(shù)數(shù)組DWT(t)，tG[0,T]，T=x?y)，T為低頻小波系數(shù)數(shù)目，kG[0, 23]表示 統(tǒng)計(jì)區(qū)間索引。
[0023] 步驟B3、步驟B2中所得24個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域，每相鄰兩個(gè)區(qū)域劃為一組，共得12個(gè)分 組。R(i)定義為相鄰柱狀統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的統(tǒng)計(jì)量之比：
[0024]
(2)
[0025]i表示該組的分組索引，R(i)為該分組內(nèi)相鄰柱狀統(tǒng)計(jì)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)量之比。
[0026] 作為本發(fā)明的又一優(yōu)選方案，利用低頻系數(shù)直方圖形狀完成水印嵌入并且對嵌入 水印的低頻系數(shù)進(jìn)行規(guī)整，具體方法如下：
[0027] 步驟C1、利用二值水印，量化低頻系數(shù)直方圖統(tǒng)計(jì)分組嵌入水印。通過改變 DWT(x，y)的值，使得原來統(tǒng)計(jì)在某統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)的系數(shù)統(tǒng)計(jì)到其相鄰的區(qū)間，以此改變H(k) 的分布，最終每一組直方圖分布都滿足下式：
[0028]
0)
[0029] 其中，N=Delta+Entropy。Delta是人為設(shè)置的一個(gè)固定偏移值，表征直方圖形 狀量化調(diào)制的程度。Water[i]表示當(dāng)前待嵌二進(jìn)制水印位。Entropy為表征當(dāng)前幀DWT系 數(shù)直方圖形狀的參數(shù)，通過下式求得。
[0030]
U、
[0031] 式⑷中totalNum為統(tǒng)計(jì)入丨區(qū)間的DWT低頻系數(shù)的總個(gè)數(shù)。在嵌入 水印時(shí)，式（3)中的N是針對當(dāng)前幀數(shù)據(jù)計(jì)算的，每在新的一幀數(shù)據(jù)中嵌入水印時(shí)，都得重 新計(jì)算Entropy，而在提取水印時(shí)N取值固定為1。
[0032] 步驟C2、嵌入水印的低頻小波系數(shù)進(jìn)行整體規(guī)整，以提高算法的魯棒性。直 方圖量化完成之后，將處于_($+stepxfc, -Af+stepx(/c+l)區(qū)間內(nèi)的系數(shù)置為 +step X (k +-)(kE [0,23])〇
[0033] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：
[0034] 本發(fā)明通過改變視頻幀小波系數(shù)嵌入水印，小波系數(shù)具有良好的時(shí)頻特性，保障 算法具有良好的不可見性；本發(fā)明選擇視頻幀低頻小波系數(shù)直方圖形狀作為水印嵌入?yún)^(qū) 域，利用直方圖形狀的不變性，確保算法除了抵御常見線性攻擊之外，對于縮放攻擊同樣具 有良好的魯棒性。
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發(fā)明水印嵌入視頻的流程圖；
[0036] 圖2是本發(fā)明應(yīng)用的界面示意圖；
[0037] 圖3 (a)是原始視頻幀，圖3 (b)是嵌入水印后的視頻幀；
[0038] 圖4(a)是未嵌水印視頻幀的低頻小波系數(shù)直方圖，圖4(b)是嵌入水印后視頻幀 低頻小波系數(shù)直方圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià) 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0040] 利用DWT低頻系數(shù)直方圖形狀攻擊不變性，在此特性基礎(chǔ)上，發(fā)明一個(gè)基于DWT低 頻系數(shù)調(diào)制的視頻水印算法。對任意連續(xù)視頻幀進(jìn)行DWT系數(shù)直方圖統(tǒng)計(jì)，以二進(jìn)制水印 為種子，調(diào)制相鄰統(tǒng)計(jì)區(qū)間的直方圖形狀。采用歸一化相關(guān)系數(shù)NC衡量提取的水印圖像與 原始水印圖像之間的相似程度，NC越大，魯棒性越高。同時(shí)采用峰值信噪比PSNR衡量嵌入 水印視頻和原始視頻的質(zhì)量差別，PSNR值越大表示水印的不可見性越好，視頻質(zhì)量變化越 小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明具有良好的不可見性，同時(shí)能抵抗線性和縮放攻擊。
[0041] 采用亮度分量一層小波變換系數(shù)直方圖作為水印嵌入?yún)^(qū)域以及量化后小波系數(shù) 規(guī)整是本發(fā)明最重要的創(chuàng)新點(diǎn)，兩者確保本發(fā)明具備優(yōu)異的不可見性和魯棒性。發(fā)明構(gòu)建 的應(yīng)用在I0S7. 1.1、iPhone5C(蘋果A6處理器、雙核、1GRAM)環(huán)境下運(yùn)行。選擇分辨率 為352X288的motheranddaughterCIF標(biāo)準(zhǔn)測試序列經(jīng)FFMPEG編碼得到的H. 264碼流 作為載體視頻，視頻共300幀，G0P大小為12,直方圖形狀量化調(diào)制參數(shù)N取4。
[0042] 采用音視頻快速轉(zhuǎn)換庫FFMPEG和H. 264編解碼庫X264實(shí)現(xiàn)步驟A，具體過程如 下：
[0043] 采用FFMPEG+X264構(gòu)建視頻水印嵌入、提取仿真程序。利用FFMPEG接口分析H. 264 視頻文件，讀取碼流至包結(jié)構(gòu)，初始化對應(yīng)的解碼器，借助解碼器解碼包結(jié)構(gòu)的碼流，最終 得到待嵌水印的視頻幀裸數(shù)據(jù)。
[0044] X264依次編碼嵌入水印后的裸視頻幀至包結(jié)構(gòu)，包結(jié)構(gòu)混入視頻碼流。所有的裸 視頻全部混入視頻碼流之后，將視頻碼流寫入本地視頻文件。
[0045] 如圖1所示，水印嵌入具體實(shí)現(xiàn)過程包括以下步驟：
[0046] 步驟A、當(dāng)解碼到第M幀數(shù)據(jù)開始，從視頻格式上下文（AVFormatContext)中獲取 一幀數(shù)據(jù)，提取其中的亮度分