本發(fā)明涉及數字水印，尤其涉及一種基于編碼可微模擬的抗屏攝水印方法、系統(tǒng)、設備及介質。

背景技術：

1、攝錄技術的普及以及設備的便攜化，使得屏幕攝錄成為一種新型的跨媒介攻擊手段，攻擊者可以繞過視頻版權保護的相關技術，通過錄制視頻獲得相關內容進行非法傳播，具有隱蔽性強、操作輕便等特點，給版權保護帶來了巨大挑戰(zhàn)，也嚴重侵害了視頻所有者的合法權益，因此，加強對視頻攝錄攻擊的防御、保護視頻版權具有重要意義。

2、數字水印作為一種前沿的信息隱藏技術，是一種有效的數據安全保護工具。其起源最早可以追溯到1954年，文獻1（frank?h?e.?identification?of?sound?and?likesignals[j/ol].?united?states?patent?3004104,?1954.）提出，目的是保護音樂制品免于被盜錄。數字水印的核心思想是在數字媒體中嵌入難以察覺的、有特定含義的水印消息（水印信息），在不影響數據使用的同時，實現對數字媒體內容和版權的保護，防止數據的惡意盜版和未經授權的使用。視頻水印是數字水印的重要分支，核心思想與數字水印技術一致，且都包含水印嵌入和水印提取兩個重要環(huán)節(jié)。

3、在面對屏幕攝錄攻擊時，視頻水印相比于其他視頻版權保護技術的優(yōu)勢在于其與原始數據的緊密結合。即便攻擊者使用設備錄制屏幕中放映的視頻內容，也難以將水印信息與原始數據分離開。這意味著，即便在面臨屏幕攝錄這種新型攻擊手段時，數據所有者理論上依然能完成水印的檢測和提取，從而在發(fā)生版權爭議時維護自身合法權益，因此視頻水印技術為屏幕攝錄攻擊場景下的視頻版權保護提供了更加全面有效的技術方案。

4、盡管現有視頻水印方法已經在抗屏幕攝錄攻擊上取得了令人矚目的成果，但仍然存在以下局限性：（1）大多數方法是基于變換域的抗屏幕攝錄水印方案，依賴手工設計的特征進行水印嵌入，算法設計復雜且實現難度大，難以同時對多種攻擊具有魯棒性。（2）大多數抗屏幕攝錄攻擊的水印方法沒有考慮到視頻流轉過程中需要經過視頻編解碼，未能根據編解碼原理設計魯棒的水印方案。（3）現有部分方案沒有利用好視頻的時間特征。

5、首先，基于變換域的抗屏幕攝錄水印方案，例如文獻2（gaj?s,?rana?s,?sur?a,et?al.?a?robust?watermarking?scheme?against?frame?blending,?projection?andcontent?adaptation?attacks[c]//2016?international?conference?on?digital?imagecomputing:?techniques?and?applications?(dicta).?ieee,?2016:?1-8.）中提出的一種對幀混合和投影攻擊都具有魯棒性的盲水印方案。使用尺度不變特征變換算法（sift）和高階奇異值分解（hosvd），實現了攝像機視頻和源視頻之間的時間同步。同時，使用sift和對數極坐標變換實現嵌入位置的空間同步，魯棒性較好。文獻3（dubey?n,?modi?h.?a?robustdiscrete?wavelet?transform?based?adaptive?watermarking?scheme?in?ycbcr?colorspace?against?camcorder?recording?in?cinema/movie?theatres[j].?engineeredscience,?2021,?15:?116-128.）使用基于離散小波變換（dwt）的視頻水印方法，采用ycbcr（y為亮度分量，cb為藍色濃度偏移量，cr為紅色濃度偏移量）色彩空間對圖像的亮度系數進行水印處理，對幾何攻擊和攝錄攻擊具有高魯棒性。文獻4（evsutin?o?o,?melman?a?s,podbolotov?d?i,?et?al.?an?improved?video?watermarking?algorithm?withextraction?using?a?mobile?device?camera[j].?компьютерная?оптика,?2023,?47(6):?972-979.）則關注屏幕攝錄攻擊場景下對泄露視頻中原始視頻的定位問題。這些方案都高度依賴手動設計的特征進行水印嵌入，這種依賴人工的方式不僅增加了水印設計的復雜性和難度，而且還難以同時抵抗視頻編解碼失真等多種失真，并且難以利用視頻中豐富的時空信息，導致水印性能欠佳，不能滿足需求。

6、為了克服手工設計特征的局限性，并且利用好視頻的時間特征，一些工作提出基于深度學習的視頻水印方案，但此類方案對屏幕攝錄攻擊沒有魯棒性。例如文獻5（luo?x,li?y,?chang?h,?et?al.?dvmark:?a?deep?multiscale?framework?for?videowatermarking[j].ieee?transactions?on?image?processing,?2023.）提出了基于深度學習的端到端可訓練的魯棒視頻水印解決方案dvmark，將水印消息嵌入到視頻序列中，且消息可以魯棒的恢復。dvmark充分利用了視頻的空域和時域相關性，通過多尺度嵌入的方法，使水印分布在多個時空尺度，保證水印在分辨率改變的情況下依然可以被提取。此外，本方案使用了包含模糊、噪聲、剪裁等空域失真和幀丟棄、幀交換、幀平均等時域失真的模擬噪聲層，并設計小型的3d-cnn網絡（三維卷積神經網絡）模擬h.264（高度壓縮數字視頻編解碼器標準）編解碼用于端到端網絡訓練，使水印對多種攻擊具有魯棒性。文獻6（zhang?y,?nij,?su?w,?et?al.?a?novel?deep?video?watermarking?framework?with?enhancedrobustness?to?h.?264/avc?compression[c]//proceedings?of?the?31st?acminternational?conference?on?multimedia.?2023:?8095-8104.）提出了魯棒性增強的視頻水印深度框架revmark，設計時間相關特征提取塊tasblock提取對齊幀上的時間相關特征，并將tasblock作為編碼器和解碼器的一部分，使該方案充分地利用時間特性。為確保水印的魯棒性，該方案同樣設計了包含常見失真的噪聲層。文獻7（fan?y,?li?j,?yan?l.?p‐5.5:?an?optimized?robust?watermarking?algorithm?for?video?based?on?spatio‐temporal?feature?fusion[c]//sid?symposium?digest?of?technical?papers.?2024,55:?908-913.）提出了基于時空特征融合的視頻優(yōu)化魯棒水印算法，利用resnet（深度殘差網絡）殘差連接和eam（高效注意力模塊）改進了3d-unet（三維u型網絡）框架，設計了具有3dres-eam?unet（與3d-unet相比，該方案用殘差模塊res-eam代替了3d-unet每層中的第二次卷積處理）結構的編解碼器，提高網絡提取視頻時空特征的能力。

7、以上列舉的各類現有方案，雖然可以充分利用時間特征，并且可以同時對多種攻擊包括視頻編碼均具有魯棒性，但未關注屏幕攝錄攻擊，對該攻擊沒有魯棒性，不能滿足需求。

8、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于編碼可微模擬的抗屏攝水印方法、系統(tǒng)、設備及介質，可以抵抗屏幕攝錄攻擊，同時對視頻編解碼以及其他多種攻擊具有魯棒性。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現的：

3、一種基于編碼可微模擬的抗屏攝水印方法，包括：

4、構建基于深度學習的抵抗屏幕攝錄攻擊的視頻水印模型，包括：編碼器、失真層、解碼器與鑒別器；

5、訓練所述視頻水印模型，包括：輸入視頻序列與待嵌入水印消息至所述編碼器，通過所述編碼器生成自適應的水印殘差，并與相應視頻序列結合，獲得水印視頻；通過鑒別器對所述視頻序列以及所述水印視頻分別進行鑒別，以及通過所述失真層對所述水印視頻進行失真處理，輸出失真處理的水印視頻，所述失真層包含若干種可微模擬與若干種類的失真；通過所述解碼器從失真處理的水印視頻中提取出水印消息；利用提取出的水印消息與所述待嵌入水印消息計算第一部分損失，利用鑒別器的鑒別結果計算第二部分損失，結合兩部分損失構建訓練損失，對所述視頻水印模型進行訓練；

6、訓練完畢后，將待保護視頻序列輸入至編碼器獲得具備抵抗屏幕攝錄攻擊的水印視頻；以及，通過解碼器從輸入的視頻序列中提取出水印消息，結合提取出的水印消息實現視頻信息溯源。

7、一種基于編碼可微模擬的抗屏攝水印系統(tǒng)，包括：

8、模型構建單元，用于構建基于深度學習的抵抗屏幕攝錄攻擊的視頻水印模型，包括：編碼器、失真層、解碼器與鑒別器；

9、模型訓練單元，用于訓練所述視頻水印模型，包括：輸入視頻序列與待嵌入水印消息至所述編碼器，通過所述編碼器生成自適應的水印殘差，并與相應視頻序列結合，獲得水印視頻；通過鑒別器對所述視頻序列以及所述水印視頻分別進行鑒別以及通過所述失真層對所述水印視頻進行失真處理，輸出失真處理的水印視頻，所述失真層包含若干種可微模擬與若干種類的失真；通過所述解碼器從失真處理的水印視頻中提取出水印消息；利用提取出的水印消息與所述待嵌入水印消息計算第一部分損失，利用鑒別器的鑒別結果計算第二部分損失，結合兩部分損失構建訓練損失，對所述視頻水印模型進行訓練；

10、抗屏攝水印應用單元，用于訓練完畢后，將待保護視頻序列輸入至編碼器獲得具備抵抗屏幕攝錄攻擊的水印視頻；以及，通過解碼器從輸入的視頻序列中提取出水印消息，結合提取出的水印消息實現視頻信息溯源。

11、一種處理設備，包括：一個或多個處理器；存儲器，用于存儲一個或多個程序；

12、其中，當所述一個或多個程序被所述一個或多個處理器執(zhí)行時，使得所述一個或多個處理器實現前述的方法。

13、一種可讀存儲介質，存儲有計算機程序，當計算機程序被處理器執(zhí)行時實現前述的方法。

14、由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，充分考慮視頻流轉過程中視頻編解碼的必要性，使用深度學習方法設計了基于編碼可微模擬的抗屏攝水印方案，解決抗屏幕錄制視頻水印中，以往方法依賴手工設計的特征，無法同時對視頻編解碼以及其他多種攻擊具有魯棒性，以及無法充分利用視頻時間特性的問題；整個方案中，充分利用視頻的時間特性選擇水印嵌入域，減少壓縮失真對水印的影響，為了進一步提升編碼器的生成質量，還引入鑒別器并使用了對抗性訓練機制，用來區(qū)分原始視頻和生成的水印視頻。通過對抗性訓練，編碼器和鑒別器交替優(yōu)化，從而提高視頻質量。