專利名稱：一種基于三維dwt和dft在視頻中嵌入多重水印的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多媒體信號(hào)處理領(lǐng)域，涉及一種基于離散三維小波變換(DWT)和離散三維傅里葉變換(DFT)，在視頻中嵌入多重?cái)?shù)字水印的方法，具體是一種基于三維DWT和 DFT在視頻中嵌入多重水印的方法。
背景技術(shù)：
隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，視頻產(chǎn)品越來越多，視頻產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)急需解決。視頻水印作為視頻數(shù)據(jù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方法正在受到越來越多的重視。視頻水印可理解為針對(duì)數(shù)字視頻載體主觀和客觀的時(shí)間冗余和空間冗余加入信息，既不影響視頻質(zhì)量，又能達(dá)到用于版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容完整性檢驗(yàn)?zāi)康牡臄?shù)字水印技術(shù)。而魯棒性(抗攻擊性)是一個(gè)數(shù)字視頻水印方案能夠保護(hù)版權(quán)的最基本條件。目前大部分的數(shù)字水印方案能夠抵抗常見的信號(hào)處理，如濾波、增強(qiáng)、數(shù)據(jù)壓縮等攻擊，但即使十分微弱的幾何攻擊也能摧毀大多數(shù)的水印方案，特別是在盲水印系統(tǒng)中。因此，如何有效地抵抗幾何攻擊已成為數(shù)字水印技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。目前大多數(shù)水印的研究和文獻(xiàn)集中于圖像水印。數(shù)字視頻水印技術(shù)作為一種視頻數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù)方法也正在受到越來越多的重視。因此，研究數(shù)字視頻水印具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于基于三維小波變換，提取視頻數(shù)據(jù)特征，在數(shù)字視頻中嵌入多重水印，并要求嵌入的多重水印有較強(qiáng)的抗幾何攻擊能力，其實(shí)現(xiàn)難度較大，目前尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于三維DWT和DFT在視頻中嵌入多重水印的方法，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(duì)視頻段進(jìn)行三維小波變換 (3D-DWT)，得到“近似系數(shù)”和“細(xì)節(jié)系數(shù)”，類似二維圖像的小波變換，在對(duì)視頻段進(jìn)行三維小波變換時(shí)，三維DWT的“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(duì)視頻段進(jìn)行三維小波變換，然后再對(duì)反映低頻特性的“近似系數(shù)”再進(jìn)行全局傅里葉變換(DFT)，在DFT系數(shù)中，發(fā)明人提取一個(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，抗幾何攻擊的多重水印嵌入方法。本發(fā)明所采用的方法包括多重水印嵌入和多重水印提取兩大部分，第一部分為多重水印嵌入，包括(1)通過對(duì)視頻段進(jìn)行三維小波變換，然后對(duì)其近似系數(shù)進(jìn)行全局DFT變換，在低中頻系數(shù)中，獲得一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量V(j)，(2)多重水印表示為Wk(j)，k = 1，2，. . .，η，η表示子水印的個(gè)數(shù)；再將水印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；第二部分為多重水印的提取，包括C3)求出待測視頻段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)?，F(xiàn)對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)說明如下第一部分多水印的嵌入首先用Wk(j)表示要嵌入的多重水印，Wk(j) = {wk(j) |w(j) =0,1；1^ j^L, 1 ^ k ^ η}, L代表要嵌入的每個(gè)子水印的長度，η為嵌入的子水印的個(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)}，其中，f(i，j，k)表示視頻的體素(Voxel)數(shù)據(jù)值，這里將視頻段看成是由二維幀圖像組成的三維體數(shù)據(jù)，設(shè)N = M(設(shè)幀圖像的長寬一樣)，多重水印的嵌入步驟如下1)通過對(duì)原始視頻段進(jìn)行三維小波變換，然后對(duì)小波變換的“近似系數(shù)”再進(jìn)行全局DFT變換，在DFT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(duì)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(duì)其中的“近似系數(shù)” ca(i，j, k)進(jìn)行全局DFT變換，得到系數(shù)矩陣FF(i，j, k)中，求出低中頻的前L個(gè)值，并通過對(duì)FF(i，j, k)系數(shù)進(jìn)行符號(hào)運(yùn)算得到該視頻段的特征向量V(j)， 方便起見，這里一個(gè)復(fù)數(shù)看成實(shí)部、虛部(虛部只看系數(shù))兩個(gè)系數(shù)，當(dāng)系數(shù)值為“正”時(shí)用 “1”表示(含系數(shù)值為“0”的情況)，系數(shù)為負(fù)時(shí)用“0”表示，主要過程描述如下 ca_cd (i，j，k) = DWT3 (F (i，j，k)) ； %對(duì)視頻段進(jìn)行三維小波變換FF(i，j,k) = DFT3(ca(i, j,k)) ； %對(duì)近似系數(shù)進(jìn)行全局傅里葉變換V(j) = Sign(FF(i, j, k)) ； %求出視頻的一個(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(qǐng)，以獲得原視頻的所有權(quán)，達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。第二部分多重水印的提取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)過小波變換(DWT)，以及對(duì)其近似系數(shù)進(jìn)行三維的全局傅里葉變換(DFT)，得到系數(shù)矩陣DF’(i，j, k)，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(duì)待測視頻段進(jìn)行三維小波變換FF' (i，j, k) = DFT3(ca' (i，j, k)) ； %對(duì)近似系數(shù)進(jìn)行全局傅里葉變換ψ (j) = Sign(FF‘ (i，j, k)) ； %求出一個(gè)特征向量4)從待測視頻中提取多重Wk，(j)根據(jù)已存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重水印Wk’ (j)。Wk,G)=Keyk (j)十 V，(j)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)明是基于三維DWT、三維DFT的數(shù)字水印技術(shù)，小波變換DWT是下一代圖像壓縮技術(shù)JPEG2000的核心，DFT是在頻率域，可以在其中找到抗幾何攻擊的特征向量，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)水印不影響原始視頻的內(nèi)容，這是一種零水印技術(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。以下我們從理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明1)三維離散小波變換(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水印直接嵌入在視頻中或變換系數(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，然后把要嵌入的多重水印和該特征向量相關(guān)聯(lián)，就可以較好的解決水印的魯棒性問題。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傅里葉變換相結(jié)合， 可以找到一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量，當(dāng)對(duì)一個(gè)視頻段進(jìn)行常見的幾何變換時(shí)(通過對(duì)每個(gè)視頻幀進(jìn)行幾何變換來實(shí)現(xiàn))，發(fā)現(xiàn)如下一個(gè)現(xiàn)象當(dāng)先對(duì)視頻進(jìn)行小波變換，再對(duì)小波的低頻系數(shù)進(jìn)行三維DFT變換后，三維DFT的低中頻系數(shù)值(指實(shí)部、虛部系數(shù))的大小可能發(fā)生一些變化，但其系數(shù)符號(hào)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(duì)視頻段進(jìn)行三維小波變換(這里選用一層)，然后對(duì)其近似系數(shù)再進(jìn)行全局DFT變換，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 (b)-圖2 (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2列”到“第7列”，這是三維DffT-DFT系數(shù)矩陣中取的F(l，1，1)_F(3，2，1)，12個(gè)低中頻系數(shù)(一個(gè)復(fù)數(shù)這里算兩個(gè)系數(shù))。對(duì)于常規(guī)攻擊，這些低中頻系數(shù)值F(l，l，l)-F(3，2，l) 基本保持不變；對(duì)于幾何攻擊，系數(shù)有較大變化，但是從表1中可以發(fā)現(xiàn)，大部分DWT-DFT低中頻系數(shù)的大小發(fā)生了變化但其系數(shù)符號(hào)基本沒有發(fā)生變化。將正的DWT-DFT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(duì)于沒有受到攻擊的“原始視頻數(shù)據(jù)”來說，三維DWT-DFT系數(shù)矩陣中的F(l，l，l)-F(3，2，l)系數(shù)，對(duì)應(yīng)的系數(shù)符號(hào)序列為” 1101 0100 0110”，具體見表1的第“8”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(hào)序列”和原始視頻數(shù)據(jù)的保持相似，與原始視頻數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的符號(hào)序列的歸一化相關(guān)系數(shù)都較大，大于0. 5，(見表1的“第9列”)。表1視頻的DWT-DFT變換低中頻部分系數(shù)及受不同攻擊后的變化值
權(quán)利要求
1. 一種基于三維DWT和DFT在視頻中嵌入多重水印的方法，其特征在于基于三維小波、三維傅里葉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)基于三維小波變換、三維傅里葉變換在視頻數(shù)據(jù)中嵌入多重?cái)?shù)字水印的方法，該方法共分兩個(gè)部分，共計(jì)四個(gè)步驟第一部分是多重水印的嵌入通過對(duì)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(duì)原始視頻進(jìn)行三維小波變換，再對(duì)近似系數(shù)進(jìn)行三維全局傅里葉變換，在傅里葉變換系數(shù)中，根據(jù)低中頻系數(shù)的符號(hào)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)和要嵌入的多重水印Wk(J)，k= 0，1，2，· · ·，η ；得到二值邏輯序列Keyk(J),Keyk (j)=VG) Wk C);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(qǐng)，以獲得對(duì)原視頻數(shù)據(jù)的所有權(quán)；第二部分是多重水印的提取通過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)，提取多重水印Wk’ (j)；3)先對(duì)待測視頻進(jìn)行三維小波變換，然后對(duì)近似系數(shù)進(jìn)行全局三維傅里葉變換；在變換系數(shù)中，根據(jù)低中頻系數(shù)的符號(hào)提取出待測視頻的一個(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)，提取出多重水印，Wk'G)= KeykG) V'G)；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DWT和DFT在視頻中嵌入多重水印的方法，是先進(jìn)行多重水印的嵌入，包括(1)對(duì)原始視頻進(jìn)行三維小波變換、三維全局傅里葉變換，在變換系數(shù)中提取一個(gè)抗幾何攻擊的特征向量；(2)將該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)行多重水印提取，包括(3)對(duì)待測視頻段進(jìn)行三維小波變換、三維全局傅里葉變換，在變換域中提取待測視頻的特征向量；(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)。
文檔編號(hào)H04N7/26GK102510492SQ20111029096
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)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(qǐng)人:海南大學(xué)