量（即Y分量，存儲于AVFrame->data[0])。
[0047] 步驟B、利用步驟A獲取的一幀數(shù)據(jù)（Y分量）進行一層小波變換，對低頻小波系 數(shù)，在內(nèi)共24個統(tǒng)計區(qū)間進行直方圖統(tǒng)計處理。相鄰兩個區(qū)間分為一組，共得 到 12 組([似1])。
[0048] 步驟C、獲取步驟B中所得分組中的一組，進行直方圖形狀量化調(diào)制。根據(jù)嵌入水 印的值調(diào)整小波系數(shù)值，使得該組直方圖形狀滿足式（3)。
[0049]
[0050] 其中，N=Delta+Entropy。Delta是人為設(shè)置的一個固定偏移值，表征直方圖形 狀量化調(diào)制的程度。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。
[0051]
(4)
[0052] 式⑷中totalNum為統(tǒng)計入?yún)^(qū)間的DWT低頻系數(shù)的總個數(shù)。水印嵌 入時，Delta取常數(shù)4。
[0053] 直方圖量化之后，通過將處于'(^ +stepx/<, ^ +stepx(fc+ 1)區(qū)間內(nèi)的系數(shù) 置為f+stepx(k+E[0,23])，完成小波系數(shù)的規(guī)整處理。
[0054] 步驟D、如水印沒嵌完，跳回步驟C。
[0055] 步驟E、步驟B中的AVFrame編碼成H. 264視頻格式寫入文件。如水印沒嵌入完 畢，跳回步驟A。
[0056] 步驟F、水印嵌入完成，得到嵌入水印后的H. 264視頻文件。
[0057]圖3(a)是截取的原始視頻幀，圖3(b)是嵌入水印后的該視頻幀。水印的嵌入基 本不影響視頻的觀看質(zhì)量，嵌入水印視頻幀的平均PSNR值為41. 90dB。
[0058] 水印提取過程包括以下步驟：
[0059] 步驟A、打開輸入視頻，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Y分量。
[0060] 步驟B、利用步驟A獲取的一幀數(shù)據(jù)（Y分量）進行一層小波變換，對低頻小波系 數(shù)，在內(nèi)共24個統(tǒng)計區(qū)間進行直方圖統(tǒng)計處理。相鄰兩個區(qū)間分為一組，共得
[0061] 步驟C、獲取步驟3中12組數(shù)據(jù)中的一組，根據(jù)下式判斷嵌入的水印位的比特值。 w表示提取出的二進制水印位。
[0062]
(5)
[0063] 步驟D、如水印未提取完成，并且當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)的12組系數(shù)直方圖分組未被提取 完成，跳回步驟C。
[0064] 步驟E、如水印未提取完成，跳回步驟A。
[0065] 步驟F、水印提取完畢。
[0066] 為了驗證本發(fā)明的水印魯棒性，對嵌完水印的視頻施加高斯噪聲、椒鹽噪聲、均 值濾波、縮放攻擊等外部攻擊，比較受攻擊后提取的水印與原始水印的相似度，數(shù)據(jù)如表 1-表4所示。
[0067] 1)高斯噪聲
[0068] 對嵌入水印的視頻添加均值為0,方差為0. 01、0. 02、0. 03和0. 04的高斯噪聲，表 1為提取出水印的NC值。高斯噪聲攻擊，是對每個像素點進行一個值的疊加，而疊加的值隨 高斯分布，因為是每個像素點都進行高斯分布的值的疊加，所以高斯噪聲攻擊強度與算法 的魯棒性成反比。
[0069] 表1高斯噪聲攻擊后恢復(fù)的水印
[0070]
[0071] 2)椒鹽噪聲
[0072] 對嵌入水印的視頻添加密度為0. 005、0. 01、0. 02、0. 03的椒鹽噪聲，表2為提取出 水印與原始水印的NC值。椒鹽噪聲攻擊僅僅是對某些像素點進行隨機的置0或者置255， 對小波系數(shù)直方圖的形狀影響不大。實驗數(shù)據(jù)表明，發(fā)明所提算法對椒鹽噪聲具有很強的 魯棒性。
[0073] 表2椒鹽噪聲攻擊后恢復(fù)的水印
[0074]
[0075] 3)均值濾波
[0076] 對嵌入水印的視頻分別進行半徑為3像素、5像素、7像素、9像素的均值濾波，表3 為提取出水印與原始水印的NC值。均值攻擊是對一定窗口內(nèi)的像素值進行均值處理，類似 抹平圖像的細節(jié)，DWT變換后的系數(shù)變化較大，發(fā)明提出的算法在均值攻擊下，魯棒性有所 降低，但總體處于一個理想的效果。
[0077] 表3均值濾波攻擊后恢復(fù)的水印
[0078]
[0079] 4)縮放攻擊
[0080] 對嵌入水印的視頻進行95%、90%、80%、70%的縮放，表4為縮放后視頻提取出 的水印與原始水印的NC值?？s放攻擊是對視頻幀像素數(shù)目按比例縮放，縮放前后視頻幀 DWT低頻系數(shù)直方圖形狀基本保持不變，因而算法在各種縮放比例攻擊下均具有良好的魯 棒性。
[0081] 表4縮放攻擊后恢復(fù)的水印
[0082]
[0083] 實驗結(jié)果表明，本發(fā)明結(jié)合移動終端作為應(yīng)用場景，在時頻特性良好的低頻小波 系數(shù)內(nèi)嵌入嵌入水印，保證了良好的水印不可見性；選擇縮放攻擊和線性攻擊不變的低頻 小波系數(shù)直方圖形狀內(nèi)嵌入水印，能夠完全抵御高斯噪聲，椒鹽噪聲，均值濾波，縮放攻擊， 再編碼等攻擊具有很好的魯棒性。實驗結(jié)果顯示，針對此類攻擊，NC值達到0.9以上。本 發(fā)明提出的面向移動終端的視頻水印算法能滿足水印對不可見性和魯棒性的要求。
【主權(quán)項】
1. 一種面向移動終端的視頻水印方法，其特征在于：利用DWT低頻系數(shù)直方圖形狀的 不變性，將水印嵌入至視頻幀亮度分量DWT低頻系數(shù)直方圖形狀內(nèi)部，并對嵌入水印后的 DWT低頻系數(shù)進行規(guī)整；算法復(fù)雜度相對較低，能夠移植到終端設(shè)備真機運行，具體包括以 下幾個步驟： 步驟A、解碼H. 264載體視頻，獲取待嵌水印的視頻幀裸數(shù)據(jù)； 步驟B、采用Haar小波整體變換裸視頻幀亮度分量，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； 步驟C、選取24個低頻系數(shù)直方圖統(tǒng)計區(qū)間，兩兩一組得12個分組，以二值水印量化每 一個直方圖分組，量化后的低頻系數(shù)作系數(shù)規(guī)整； 步驟D、嵌完水印，重新編碼輸出含水印的H. 264視頻； 步驟E、解碼嵌入了水印的載體視頻，獲取嵌入時對應(yīng)的原始視頻幀。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)，對低頻系數(shù)作直方圖分布統(tǒng)計，根據(jù) 統(tǒng)計區(qū)間的相對形狀提取嵌入的水印信息。2. 如權(quán)利要求1所述的面向移動終端的視頻水印方法，其特征在于，采用音視頻快速 轉(zhuǎn)換庫FFMPEG和H. 264編解碼庫X264實現(xiàn)步驟A，具體過程如下： 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)。3. 如權(quán)利要求1所述的面向移動終端的視頻水印方法，其特征在于，所述的步驟B具體 包括以下步驟： 步驟BK MXN原始視頻幀亮度分量水平和豎直方向分別進行奇偶分離、提升小波變換 獲得DWT低頻小波系數(shù)矩陣步驟B2、求取所有系數(shù)的均值A(chǔ)ve:為間距，對 低頻系數(shù)做直方圖分布統(tǒng)計H(k):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)，t e [〇, T]，T = X · y)，T為低頻小波系數(shù)數(shù)目，k e [〇, 23]表示統(tǒng)計 區(qū)間索引。4. 如權(quán)利要求1所述的面向移動終端的視頻水印方法，其特征在于， 在低頻小波系數(shù)直方圖區(qū)間內(nèi)嵌入水印，且嵌入水印后整體系數(shù)規(guī)整，所述步驟C具 體包括以下步驟： 步驟CU步驟B2中所得24個統(tǒng)計區(qū)域，每相鄰兩個區(qū)域劃為一組，共得12個分組。 R(i)定義為相鄰柱狀統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)的統(tǒng)計量之比：偽 i表示該組的分組索引，R(i)為該分組內(nèi)相鄰柱狀統(tǒng)計區(qū)域的統(tǒng)計量之比。 步驟C2、選取Cl中的每一組，結(jié)合二進制水印，進行量化調(diào)制。通過改變DWT(x，y)的 值，使得原來統(tǒng)計在某統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)的系數(shù)統(tǒng)計到其相鄰的區(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：其中，N = Delta+Entropy。Delta是人為設(shè)置的一個固定偏移值，表征直方圖形狀量 化調(diào)制的程度。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。式（4)中totalNum為統(tǒng)計入?yún)^(qū)間的DWT低頻系數(shù)的總個數(shù)。在嵌入水印 時，式（3)中的N是針對當(dāng)前幀數(shù)據(jù)計算的，每在新的一幀數(shù)據(jù)中嵌入水印時，都得重新計 算Entropy，而在提取水印時N取值固定為1。 步驟C3、嵌入水印的低頻小波系數(shù)進行整體規(guī)整，以防止小波系數(shù)微小變化引起的系 數(shù)直方圖統(tǒng)計誤差。直方圖量化完成之后，將處吁間內(nèi)的系數(shù)置為步驟C4、將量化后的DWT低頻系數(shù)與原始DWT高頻系數(shù)組合，進行逆DWT變換，得到嵌 入水印后裸視頻幀。5. 如權(quán)利要求1所述的面向移動終端的視頻水印方法，其特征在于，所述步驟D中 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。6. 如權(quán)利要求1所述的面向移動終端的視頻水印方法，其特征在于，水印嵌入在視頻 幀低頻小波系數(shù)直方圖形狀內(nèi)，根據(jù)恢復(fù)的視頻幀低頻小波系數(shù)直方圖統(tǒng)計可以獲得先前 嵌入的水印信息，所述步驟E具體包括以下步驟： 步驟EU打開輸入視頻幀。 步驟E2、與嵌入時對應(yīng)，解碼得到裸視頻幀亮度分量。 步驟E3、利用步驟E2獲取的一幀數(shù)據(jù)進行一層小波變換，對低頻小波系數(shù)，在內(nèi)共24個統(tǒng)計區(qū)間進行直方圖分布統(tǒng)計。相鄰兩個區(qū)間分為一組，共得到12組步驟E4、依次獲取步驟E3中12組數(shù)據(jù)中的一組，根據(jù)下式判斷嵌入的水印位的比特 值。若水印提取完成，則水印提取工作到此結(jié)束； 若水印未提取完全，則跳回至E2并繼續(xù)往下執(zhí)行。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種面向移動終端的視頻水印方法，選擇H.264視頻幀亮度分量DWT低頻系數(shù)直方圖形狀作為水印嵌入載體，實現(xiàn)移動終端下視頻版權(quán)保護的目的。包括以下步驟：解碼H.264格式載體視頻，獲取裸視頻幀數(shù)據(jù)；采用Haar小波整體變換裸視頻幀亮度分量，獲取一層小波變換低頻系數(shù)；獲取低頻小波系數(shù)直方圖統(tǒng)計區(qū)間，以二值水印為種子量化直方圖統(tǒng)計區(qū)間，最終嵌入水印信息。順序解碼H.264視頻至裸幀數(shù)據(jù)，獲取裸幀亮度分量整體小波變換低頻系數(shù)，統(tǒng)計系數(shù)值分布獲得系數(shù)直方圖，根據(jù)直方圖形狀獲取水印信息。本發(fā)明有效利用了DWT低頻系數(shù)直方圖形狀不變性，提高了視頻水印的抗攻擊性能，結(jié)合DWT系數(shù)良好的時頻特性，有效緩解了水印不可見性與魯棒性之間的矛盾。
【IPC分類】H04N19/63, H04N21/4405, H04N19/467
【公開號】CN105072453
【申請?zhí)枴緾N201510430854
【發(fā)明人】嚴勤, 施杰, 董巒
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月21日