本發(fā)明涉及視頻水印裝置及方法，更具體地說(shuō)，涉及一種基于水印的視頻內(nèi)容保護(hù)方法及裝置。

背景技術(shù)：

數(shù)字水印(Digital Watermarking)技術(shù)是將一些標(biāo)識(shí)信息(即數(shù)字水印)直接嵌入數(shù)字載體當(dāng)中(包括多媒體、文檔、軟件等)或是間接表示(修改特定區(qū)域的結(jié)構(gòu))，且不影響原載體的使用價(jià)值，也不容易被探知和再次修改，但可以被生產(chǎn)方識(shí)別和辨認(rèn)。通過(guò)這些隱藏在載體中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購(gòu)買(mǎi)者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。數(shù)字水印是保護(hù)信息安全、實(shí)現(xiàn)防偽溯源、版權(quán)保護(hù)的有效辦法，是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支和研究方向。

數(shù)字水印技術(shù)基本上具有下面幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

安全性：數(shù)字水印的信息應(yīng)是安全的，難以篡改或偽造，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測(cè)率，當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化，從而可以檢測(cè)原始數(shù)據(jù)的變更；當(dāng)然數(shù)字水印同樣對(duì)重復(fù)添加有很強(qiáng)的抵抗性

隱蔽性：數(shù)字水印應(yīng)是不可知覺(jué)的，而且應(yīng)不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用；不會(huì)降質(zhì)；

魯棒性：是指在經(jīng)歷多種無(wú)意或有意的信號(hào)處理過(guò)程后，數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘?hào)處理過(guò)程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。

嵌入容量(embedding capacity)：是指載體在不發(fā)生形變的前提下可嵌入的水印信息量。尤其是隱蔽通信領(lǐng)域的特殊性，對(duì)水印的容量需求很大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)字水印適用性有限的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種基于水印的視頻內(nèi)容保護(hù)方法及裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于水印的視頻內(nèi)容保護(hù)方法，包括：水印信息生成步驟：根據(jù)水印容量閾值，將審核標(biāo)識(shí)和版權(quán)標(biāo)識(shí)生成二值圖像，對(duì)二值圖像進(jìn)行Arnold變換，生成圖像比特串，使用私鑰對(duì)圖像比特串進(jìn)行加密，生成水印信息。水印信息嵌入步驟：對(duì)視頻對(duì)象解碼，獲得視頻流，根據(jù)水印強(qiáng)度閾值，在關(guān)鍵幀變換域中頻系數(shù)中嵌入合適強(qiáng)度的水印信息。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，還包括水印預(yù)處理步驟：將水印信息進(jìn)行擴(kuò)頻，使水印信息分布在關(guān)鍵幀變換域中頻系數(shù)中；將水印信息進(jìn)行交織。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，水印信息嵌入步驟進(jìn)一步包括：將視頻對(duì)象解碼成視頻流；在視頻流中搜索與視頻流相匹配的水印強(qiáng)度閾值的亮度分量；利用定位方法尋找嵌入位置數(shù)據(jù)；在嵌入位置嵌入預(yù)處理的水印信息；修改亮度分量；輸出帶水印的視頻流。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，還包括水印提取步驟：解碼視頻文件，獲得每一幀的亮度分量；對(duì)亮度分量進(jìn)行分塊；對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行DCT變換，獲得中頻系數(shù)，并根據(jù)嵌入的關(guān)系，提取水??；將提取的水印進(jìn)行反交織和解擴(kuò)頻，得出最終的水印信息。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案：

一種基于水印的視頻內(nèi)容保護(hù)裝置，包括水印信息生成模塊、水印信息嵌入模塊。水印信息生成模塊根據(jù)水印容量閾值，將審核標(biāo)識(shí)和版權(quán)標(biāo)識(shí)生成二值圖像，對(duì)二值圖像進(jìn)行Arnold變換，生成圖像比特串，使用私鑰對(duì)圖像比特串進(jìn)行加密，生成水印信息。水印信息嵌入模塊對(duì)視頻對(duì)象解碼，獲得視頻流，根據(jù)水印強(qiáng)度閾值，在關(guān)鍵幀變換域中頻系數(shù)中嵌入合適強(qiáng)度的水印信息。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，還包括水印預(yù)處理模塊，水印預(yù)處理模塊將水印信息進(jìn)行擴(kuò)頻，使水印信息分布在關(guān)鍵幀變換域中頻系數(shù)中，再將水印信息進(jìn)行交織。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，水印信息嵌入模塊進(jìn)一步包括：將視頻對(duì)象解碼成視頻流；在視頻流中搜索與視頻流相匹配的水印強(qiáng)度閾值的亮度分量；利用定位方法尋找嵌入位置數(shù)據(jù)；在嵌入位置嵌入預(yù)處理的水印信息；修改亮度分量；輸出帶水印的視頻流。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，還包括水印提取模塊，水印提取模塊執(zhí)行以下操作：解碼視頻文件，獲得每一幀的亮度分量；對(duì)亮度分量進(jìn)行分塊；對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行DCT變換，獲得中頻系數(shù)，并根據(jù)嵌入的關(guān)系，提取水?。粚⑻崛〉乃∵M(jìn)行反交織和解擴(kuò)頻，得出最終的水印信息。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明的基于水印的視頻內(nèi)容保護(hù)方法及裝置能夠較好地實(shí)現(xiàn)視頻內(nèi)容的數(shù)字水印，并且本發(fā)明的數(shù)字水印具有較高的加密性和安全性。

附圖說(shuō)明

圖1是水印嵌入的流程圖；

圖2是水印提取的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)明公開(kāi)一種基于水印的視頻內(nèi)容保護(hù)裝置及其方法，本發(fā)明的裝置主要包括水印容量及強(qiáng)度閾值計(jì)算模塊、水印信息生成模塊、水印信息嵌入模塊、水印預(yù)處理模塊、水印提取模塊等。下面來(lái)詳細(xì)說(shuō)明上述裝置的功能及其執(zhí)行的方法步驟。

水印容量及強(qiáng)度閾值計(jì)算模塊：

為了保證視頻水印的不可見(jiàn)性，水印的容量和強(qiáng)度必須低于一定的閾 值；為了提高視頻水印的魯棒性，水印的容量和強(qiáng)度應(yīng)該盡可能大。通過(guò)深入研究影響感知的兩方面的心理生理學(xué)概念：視覺(jué)敏感度和視覺(jué)注意力，根據(jù)其機(jī)理找到注意力模型，在此基礎(chǔ)上，研究基于多級(jí)小波分解和注意力調(diào)制下的最小可察覺(jué)失真(JND)模型，從而獲得水印容量和強(qiáng)度的閾值度量模式。

水印信息生成模塊：

根據(jù)水印容量閾值，將審核標(biāo)識(shí)和版權(quán)標(biāo)識(shí)生成二值圖像，對(duì)圖像進(jìn)行Arnold變換，然后使用播控平臺(tái)私鑰對(duì)圖像比特串進(jìn)行加密，生成魯棒性水印信息。綜合考慮視頻的空域、時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)特征，提取視頻關(guān)鍵幀灰度均值和變換系數(shù)特征，使用糾錯(cuò)碼技術(shù)對(duì)關(guān)鍵幀特征信息進(jìn)行編碼，在水印容量閾值前提下，生成半脆弱水印信息。

DCT水印嵌入可分為DC分量和AC分量的嵌入。DC系數(shù)包含了整個(gè)圖像能量的主要部分，遠(yuǎn)離直流系數(shù)的高頻交流系數(shù)大多數(shù)為零或趨于零。DC系數(shù)的振幅大，可改變的絕對(duì)值大，有更好的穩(wěn)健性，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每個(gè)slice的所有塊的DC系數(shù)的平均值可以較好的反映視頻是否變化或者是否重編碼，所以選擇在每個(gè)slice的DC平均值上嵌入水印。但是DC系數(shù)是圖像能量主要集中的部分，可嵌入的容量小，而且對(duì)DC系數(shù)的改變?nèi)菀讓?dǎo)致塊效應(yīng)，所以采用放縮的方法，只在每個(gè)slice的最后一個(gè)塊的DC系數(shù)上進(jìn)行微調(diào)(及賦予一個(gè)矯正系數(shù))，可以通過(guò)這個(gè)矯正系數(shù)得到想要的slice上的DC平均值。

水印信息嵌入模塊：

對(duì)視頻對(duì)象解碼，獲得視頻幀序列，根據(jù)水印強(qiáng)度閾值，分析常見(jiàn)攻擊手段，研究視頻內(nèi)容自適應(yīng)的魯棒性視頻水印技術(shù)，在關(guān)鍵幀變換域中頻系數(shù)中嵌入合適強(qiáng)度地魯棒性水印技術(shù)。研究半脆弱視頻水印技術(shù)，兼顧水印嵌入的強(qiáng)度、性能和攻擊手段，獲得水印嵌入的位置策略，并在相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)向量中嵌入半脆弱水印信息。

水印嵌入就是將水印信號(hào)嵌入到原始視頻中，這樣在發(fā)生版權(quán)糾紛時(shí)， 可以利用數(shù)字水印確定版權(quán)所屬。盡管對(duì)水印的定義不盡相同，但一般都認(rèn)為水印應(yīng)具有如下特性：

魯棒性：數(shù)字水印必須對(duì)信號(hào)的處理具有很強(qiáng)的魯棒性，能在多種有意和無(wú)意的信號(hào)處理后仍能保持水印的完整性和鑒別的準(zhǔn)確性。

不可感知性：是指利用人類視覺(jué)系統(tǒng)或人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)屬性，經(jīng)過(guò)一系列隱藏處理，使目標(biāo)數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象，在視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)上具有不可感知性。

安全性：數(shù)字水印的安全性包含兩方面的含義：一是隱藏的位置安全，數(shù)字水印不應(yīng)固定在某個(gè)位置，應(yīng)該隨機(jī)分布在數(shù)字作品中，能夠?qū)狗欠ǖ奶綔y(cè)和解碼；二是不可去除、偽造和復(fù)制，嵌入水印和提取水印的方法對(duì)沒(méi)有授權(quán)的第三方是絕對(duì)保密的，是不易被檢測(cè)盒破解的。

為了保證水印的上述性能，采用了離散余弦變換(DCT)技術(shù)，為了保證不可感知性和水印魯棒性，在DCT變換后的中頻系數(shù)中嵌入水印。同時(shí)為了加強(qiáng)水印的魯棒性，將水印嵌入在視頻的亮度分量上。

例如，設(shè)：一個(gè)slice中塊數(shù)總和為slice_block_num(包括Y\U\V三種類型的數(shù)據(jù)塊)；一個(gè)slice中第一個(gè)塊到倒數(shù)第二個(gè)塊的DC系數(shù)總和為total_last_but_one；一個(gè)slice中的倒數(shù)第一個(gè)塊的DC系數(shù)為last_block

現(xiàn)在，求希望得到的平均值，也就是平均值的二進(jìn)制的最低兩位為嵌入的水印。

last_block&＝0xfff8；

/*將最后一塊DC系數(shù)的二進(jìn)制表示的后三位置0，將來(lái)存放矯正系數(shù)*/

avg＝(total_last_but_one+last_block)/slice_block_num；

假設(shè)，將希望從avg(平均值)中提取出的二進(jìn)制水印信息為“10”，

avg2＝avg&0xfffc+0x0002/*avg2就是矯正后的平均值*/

最后，將(avg2-avg)嵌入last_block的二進(jìn)制第三位，其中第三位存符號(hào)位，“1”表示負(fù)數(shù)，“0”表示正數(shù)。

水印提取模塊：

根據(jù)水印嵌入算法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的水印提取算法，對(duì)于提取出的魯棒性水印信息，使用播控平臺(tái)公鑰進(jìn)行解密，設(shè)計(jì)合理的水印信息相似度閾值，對(duì)解密后的水印信息進(jìn)行判別，確定視頻內(nèi)容的合法性和版權(quán)方。對(duì)待檢測(cè)視頻，使用半脆弱水印生成算法，計(jì)算視頻特征值，并與提取出的半脆弱水印信息進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)兩者相似度小于研究獲得的合理閾值，即可判斷視頻遭到篡改。兩種水印檢測(cè)，有一種不通過(guò)，即可對(duì)視頻進(jìn)行下線處理，檢測(cè)全部通過(guò)，可將視頻交付使用。

在水印提取的時(shí)候，同樣不將last_block的最低三位二進(jìn)制數(shù)帶入求平均值的運(yùn)算，而是取出二進(jìn)制最低三位的矯正系數(shù)，求得矯正值：

deviation＝(last_block&0x0007)*slice_block_num

avg＝(total_last_but_one+last_block&0xfff8+deviation)/slice_block_num

最后，avg&00002得到嵌入的水印值。

水印預(yù)處理模塊：

為了提高水印的魯棒性，水印的預(yù)處理是必不可少的。在這里，水印的預(yù)處理采用了擴(kuò)頻和交織兩種方法。

擴(kuò)頻作為一種新型的通信方式，具有抗干擾、低功率譜密度、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)頻技術(shù)中使用的序列具有類似白噪聲的性質(zhì)，但又是周期的、有規(guī)律的，可以自動(dòng)的產(chǎn)生和復(fù)制。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，信息將會(huì)分布在許多數(shù)據(jù)頻域系數(shù)中，加入每個(gè)頻域系數(shù)的信號(hào)能量很小，這樣就會(huì)很難檢測(cè)到。然而，水印檢測(cè)過(guò)程知道水印的位置和內(nèi)容，它能將許多微弱的信號(hào)集中起來(lái)形成具有較高信噪比的輸出值，要破壞水印需要很強(qiáng)的噪聲信號(hào)加入所有頻域系數(shù)中，破壞水印的同時(shí)也會(huì)造成原始數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)重下降。只要水印信號(hào)能量足夠小，嵌入的水印就不可能被看見(jiàn)或聽(tīng)到，因此利用擴(kuò)頻原理的數(shù)字水印技術(shù)具有較好的魯棒性和安全性。

采用交織技術(shù)的目的是減小隨機(jī)化突發(fā)錯(cuò)誤造成的后果。交織就是用 某種一一對(duì)應(yīng)的確定性方法重新排列序列的順序的過(guò)程。它的逆過(guò)程是將交織后的序列還原回原來(lái)的順序。

如圖1所示，綜合水印預(yù)處理模塊執(zhí)行的方法操作，水印信息嵌入模塊執(zhí)行的操作可以總結(jié)為以下流程：

將視頻對(duì)象解碼成視頻流；

在視頻流中搜索與視頻流相匹配的水印強(qiáng)度閾值的亮度分量；

利用定位方法尋找嵌入位置數(shù)據(jù)；

在嵌入位置嵌入預(yù)處理的水印信息；

修改亮度分量；

輸出帶水印的視頻流。

如圖2所示，對(duì)應(yīng)于水印信息嵌入模塊，水印提取模塊執(zhí)行的操作可以總結(jié)為以下流程：

解碼視頻文件，獲得每一幀的亮度分量；

對(duì)亮度分量進(jìn)行分塊，形成互不覆蓋的8*8塊；

對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行DCT變換，獲得中頻系數(shù)，并根據(jù)嵌入的關(guān)系，提取水??；

將提取的水印進(jìn)行反交織和解擴(kuò)頻，得出最終的水印信息。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)。