專利名稱：一種基于三維小波和余弦變換在視頻中嵌入大水印的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多媒體信號處理領(lǐng)域，涉及一種基于三維小波變換(3D-DWT)和三維余弦變換(3D-DCT)，在視頻中嵌入大容量數(shù)字水印的方法，具體是一種基于三維小波和余弦變換在視頻中嵌入大水印的方法。
背景技術(shù)：
隨著多媒體技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種數(shù)字媒體如文本、圖像、聲音、視頻等都可以通過互聯(lián)網(wǎng)快速方便地進(jìn)行傳輸和下載，信息化給人們的生活帶了極大的方便；但同時(shí)這也使得這些信息的盜版等變得非常容易。數(shù)字水印是實(shí)現(xiàn)對數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)的有效手段。因此，該技術(shù)成為多媒體信息安全領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。但目前多數(shù)研究方向是在圖像和音頻數(shù)字水印。而數(shù)字視頻中嵌入水印的研究相對較少，但目前的數(shù)字視頻的網(wǎng)上數(shù)量日益增多，因此研究視頻水印具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。對于基于三維小波變換，在數(shù)字視頻中嵌入大容量水印，并要求嵌入的大容量水印有較強(qiáng)的抗幾何攻擊，其實(shí)現(xiàn)難度較大，目前尚未見報(bào)道，尚屬空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于三維小波和余弦變換在視頻中嵌入大水印的方法， 其可在不影響原始視頻的條件下進(jìn)行水印的嵌入，具有較強(qiáng)的魯棒性，既能抗擊幾何攻擊又能抗常規(guī)攻擊，從而較好的保護(hù)了視頻的版權(quán)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣進(jìn)行的先對視頻段進(jìn)行三維小波變換，得到 “近似系數(shù)”和“細(xì)節(jié)系數(shù)”，這類似二維圖像的小波變換，“近似系數(shù)”代表視頻的低頻特性，反映的是視頻的主要輪廓；“細(xì)節(jié)系數(shù)”代表視頻的高頻特性反映的是視頻的高頻信息。由于小波變換本身的抗幾何攻擊能力較差，為此，發(fā)明人先對視頻進(jìn)行三維小波變換 (3D-DWT)，然后再對反映低頻特性的“近似系數(shù)”再進(jìn)行三維全局余弦變換(3D-DCT)，在 3D-DCT系數(shù)中，提取一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量，并將水印技術(shù)與密碼學(xué)中的Hash函數(shù)和 “第三方概念”有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了基于三維小波變換，抗幾何攻擊大容量數(shù)字水印的嵌入。本發(fā)明所采用的方法包括水印嵌入和水印提取兩大部分，第一部分為水印嵌入，包括 (1)通過對視頻段進(jìn)行三維小波變換，然后對近似系數(shù)進(jìn)行全局3D-DCT變換，得到一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量V(j)，(2)將大容量水印W分成k個(gè)子水印Wk(j)，k = 1，2，. . .，η，η 表示子水印的個(gè)數(shù)；再將子水印Wk(j)和從視頻段中提取的特征向量V(j)，通過Hash函數(shù)生成二值邏輯序列Keyk(j)，然后將二值邏輯序列Keyk(j)存在第三方；第二部分為大容量水印的提取，包括(3)求出待測視頻的抗幾何攻擊的特征向量V’ (j)，(4)利用已存在第三方的二值邏輯序列Keyk (j)和待測視頻的特征向量V’(j)，提取出多個(gè)子水印Wk’(j)。現(xiàn)對本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)說明如下第一部分大容量水印的嵌入首先用Wk(j)表示組成大容量水印的一系列子水印，Wk(j) = {wk(j) |w(j) =0,1 ；1彡j彡L，1彡k彡η}，L代表要嵌入的一個(gè)子水印的長度，η為子水印的個(gè)數(shù)。原始視頻記為 F= {f(i, j,k) |f(i, j,k) e R;1 彡 i 彡M，1 彡 j 彡N，1 彡 k彡P(guān))}，其中，f(i，j，k) 表示視頻的體素(Voxel)數(shù)據(jù)值，這里視頻段可以看成是由幀組成的體數(shù)據(jù)。類似二維圖像中的圖像的像素灰度值，設(shè)N = M(設(shè)幀圖像的長寬一樣)，大水印的嵌入步驟如下1)通過對原始視頻進(jìn)行三維小波變換，然后對小波變換的“近似系數(shù)”再進(jìn)行三維全局DCT變換，在3D-DCT的低中頻系數(shù)中，得到該視頻的一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量 V(J)；先對原始視頻F (i，j，k)進(jìn)行三維DWT小波變換，得到系數(shù)矩陣ca_cd (i，j，k)，再對其中的“近似系數(shù)” ca(i，j, k)進(jìn)行全局DCT變換，得到系數(shù)矩陣DF(i，j, k)中，取出低中頻系數(shù)的前L個(gè)值，并通過對DF(i，j, k)系數(shù)進(jìn)行符號運(yùn)算得到該視頻的一個(gè)特征向量 V(j)，具體做法是當(dāng)DCT系數(shù)為正時(shí)用“1”表示，系數(shù)為負(fù)或零時(shí)用“0”表示(原因見下部分)，程序過程描述如下ca_cd(i, j,k) = DWT3(F(i, j, k)) %對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換DF(i，j,k) = DCT3(ca(i, j,k)) ； %對近似系數(shù)進(jìn)行全局余弦變換V(j) = Sign(DF(i, j, k)) ； %求出一個(gè)特征向量2)根據(jù)要嵌入的多個(gè)子水印Wk(j)和已提取的視頻的特征向量V(j)，利用Hash函數(shù)特性，生成二值邏輯序列Keyk (j)Keyk (j)=V(j) Wk (j); k=l,2,...,nKeyk(J)是由視頻的特征向量V(j)和要嵌入的多個(gè)子水印Wk(j)，通過密碼學(xué)常用的Hash函數(shù)生成。保存Keyk(j)，在以后提取多個(gè)子水印時(shí)需用。通過將Keyk(j)作為密鑰向第三方申請，以獲得原視頻的所有權(quán)，達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。第二部分多個(gè)子水印的提取3)求出待測視頻的特征向量V’ (j)設(shè)待測視頻為F’(i，j, k)，經(jīng)過三維小波變換(3D-DWT)，和對其近似系數(shù)進(jìn)行的三維全局余弦變換(3D-DCT)，得到系數(shù)矩陣DF’(丨，」，10，按上述步驟1)的方法，求得待測視頻的特征向量V’(j)，主要步驟，程序描述如下ca_cd，(i，j, k) = DWT3(F' (i，j, k)) %對待測醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維小波變換DF，(i, j,k) = DCT3(ca' (i，j，k)) %對近似系數(shù)進(jìn)行全局余弦變換ψ (j) = Sign(DF’(i，j, k)) %求出一個(gè)特征向量4)從待測視頻中提取出多個(gè)子水印Wk’ (j)根據(jù)存在第三方的在嵌入水印時(shí)生成的Keyk(j)和待測視頻的特征向量V’(j)， 利用Hash函數(shù)性質(zhì)可以提取出待測視頻的多個(gè)子水印Wk’ (j)。Wk,①=Keyk(J)十 γ,①再根據(jù)Wk(j)和Wk’ (j)的相關(guān)程度來判別視頻的所有者。本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)首先由于本發(fā)明是基于3D-DWT、3D_DCT的數(shù)字水印技術(shù)，DffT是下一代圖像壓縮技術(shù)JPEG2000的核心，DCT是目前主流的圖像壓縮算法，因此該水印算法有較好的兼容性， 通過后面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，該水印嵌入方法不僅有較強(qiáng)的抗常規(guī)攻擊能力，而且有較強(qiáng)的抗幾何攻擊能力；其次，重復(fù)嵌入的多個(gè)子水印不影響原始視頻的內(nèi)容，這是是一種零水印技術(shù)。這個(gè)特性尤其是在視頻等方面具有較大的實(shí)用價(jià)值，使用范圍廣。以下從理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明1)三維離散小波變換(3D-DWT)三維小波變換的一層分解過程如

圖1所示，圖1中的L、H分別表示視頻(體數(shù)據(jù)) 經(jīng)過低頻和高頻濾波之后得到的低頻成分和高頻成分，與二維圖像的小波變換類似，視頻段經(jīng)過三維小波變換后，被分解成一個(gè)代表視頻低頻特性的“近似系數(shù)” LLL1 (低頻三維子帶)，和該視頻的高頻信息的“細(xì)節(jié)系數(shù)”(高頻三維子帶)，下標(biāo)“ 1，，表示是三維DWT的第一層分解；視頻的主要能量和低頻特征是集中在低頻系數(shù)中。2)視頻數(shù)據(jù)的抗幾何攻擊的特征向量V(j)提取目前大部分水印算法抗幾何攻擊能力差的主要原因是人們將數(shù)字水印直接嵌入在視頻或變換系數(shù)中，視頻的輕微幾何變換，常常導(dǎo)致視頻數(shù)據(jù)值或其變換系數(shù)值的較大變化。這樣嵌入在視頻中的水印便被輕易攻擊。如果能夠找到一個(gè)反映視頻幾何特點(diǎn)的特征向量，并且當(dāng)視頻發(fā)生小的幾何變換時(shí)，該特征向量值不會(huì)發(fā)生明顯的突變，而把要嵌入的多重水印和該特征向量相關(guān)聯(lián)，就可以較好的解決視頻水印的魯棒性問題。三維小波變換的抗擊幾何攻擊的能力較差，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)將視頻的三維小波變換和三維余弦變換相結(jié)合，可以找到一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量，當(dāng)對一個(gè)視頻進(jìn)行常見的幾何變換時(shí) (這里通過對每個(gè)視頻的幀圖像進(jìn)行幾何變換來實(shí)現(xiàn))，三維DCT低中頻系數(shù)值的大小可能發(fā)生一些變化，但其系數(shù)符號基本保持不變，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的這么一個(gè)規(guī)律，我們先對視頻段進(jìn)行三維小波變換(這里選用一層分解)，然后對其近似系數(shù)再進(jìn)行全局三維DCT變換，我們通過表1的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明。表1中“第1列”顯示的是視頻受到攻擊的類型，受到常規(guī)攻擊后的該視頻的幀圖像見圖2(a) -圖7(d)；受到幾何攻擊后的視頻幀圖像見圖2(e)-圖 2(1)。表1的“第3列”到“第11列”，這是三維DWT-DCT系數(shù)矩陣中取的F (1，1，1)-F (3，3， 1)，9個(gè)低中頻系數(shù)。對于常規(guī)攻擊，這些低中頻系數(shù)值F(l，l，l)-F(3，3，l)基本保持不變； 對于幾何攻擊，大部分系數(shù)有較大變化，但是從表1中可以發(fā)現(xiàn)，大部分DWT-DCT低中頻系數(shù)的大小發(fā)生了變化但其符號基本沒有發(fā)生變化。發(fā)明人將正的DWT-DCT系數(shù)用“1”表示 (含值為零的系數(shù))，負(fù)的系數(shù)用“0”表示，那么對于沒有受到攻擊的“原始視頻”來說，三維DWT-DCT系數(shù)矩陣中的F(l，l，l)-F(3，3，l)系數(shù)，對應(yīng)的系數(shù)符號序列為"1000 1001 1”，具體見表1的第“12”列，我們觀察該列可以發(fā)現(xiàn)，無論常規(guī)攻擊還是幾何攻擊該“符號序列”和原始視頻的保持相似，與原始視頻對應(yīng)的符號序列的歸一化相關(guān)系數(shù)都較大，為1， (見表1的“第13列”)。表1三維DWT-DCT低頻“部分系數(shù)”及受不同攻擊后的變化值
權(quán)利要求
1. 一種基于三維小波和余弦變換在視頻中嵌入大水印的方法，其特征在于基于三維小波、余弦變換及抗幾何攻擊的特征向量的提取，將水印技術(shù)、密碼學(xué)中的Hash函數(shù)特性和“第三方”概念有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了基于三維小波變換、余弦變換在視頻數(shù)據(jù)中嵌入大容量數(shù)字水印的方法，該方法共分兩個(gè)部分，共計(jì)四個(gè)步驟第一部分是大水印的嵌入先將大水印分成多個(gè)小的子水印，然后通過對多個(gè)子水印的重復(fù)嵌入操作，得到相應(yīng)的二值邏輯序列Keyk(j)；1)對原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行三維小波變換，再對近似系數(shù)進(jìn)行三維全局余弦變換，在余弦變換系數(shù)中，根據(jù)低中頻系數(shù)的符號序列來得到該視頻數(shù)據(jù)的一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量 V(J)；2)利用Hash函數(shù)和要嵌入的多個(gè)子水印Wk(J)，k= 0，1，2，· · ·，η ；得到二值邏輯序列 Keyk (j)，Keyk ①=VO Wk ①；保存Keyk(j)，下面提取子水印時(shí)要用到，通過把Keyk(j)作為密鑰向第三方申請，以獲得對原視頻數(shù)據(jù)的所有權(quán)；第二部分是水印的提取通過二值邏輯序列Keyk(j)和待測視頻數(shù)據(jù)的抗幾何攻擊的特征向量V’(j)，提取出所有的子水印Wk’ (j)；3)對待測視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行三維小波變換和對近似系數(shù)進(jìn)行全局DCT變換；在變換系數(shù)中，根據(jù)低中頻系數(shù)的符號提取出待測視頻數(shù)據(jù)的一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量V’ (j)；4)利用Hash函數(shù)性質(zhì)，和存在第三方的Keyk(j)，提取出所有子水印，Wk'G)=KeykG) V'a);將Wk(j)和Wk’ (j)進(jìn)行歸一化相關(guān)系數(shù)計(jì)算，來確定視頻數(shù)據(jù)的所有權(quán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于三維小波和余弦變換在視頻中嵌入大水印的方法，是先進(jìn)行大水印的嵌入，包括(1)對原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行三維小波變換、三維全局余弦變換，在變換系數(shù)中提取一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量；(2)先將大水印分成多個(gè)子水印，然后把視頻數(shù)據(jù)的特征向量和要嵌入的多個(gè)子水印通過Hash函數(shù)運(yùn)算，得到相應(yīng)的二值邏輯序列，并將該二值序列存于第三方；然后進(jìn)行水印提取，包括(3)對待測視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行三維小波變換、三維全局余弦變換，在變換域提取待測對象的特征向量；(4)利用Hash函數(shù)特性和存在第三方的二值邏輯序列提取多個(gè)子水印。本發(fā)明在不影響原始視頻的條件下進(jìn)行水印的嵌入，具有較強(qiáng)的魯棒性，保護(hù)了視頻的版權(quán)。
文檔編號H04N21/8358GK102340669SQ20111029096
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者李京兵, 杜文才, 魏應(yīng)彬 申請人:海南大學(xué)