CN109447889B - 一种实现隐藏式视频数字水印的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现隐藏式视频数字水印的方法，首先对图像进行小波分解，得到不同空间、频率的子图像，然后对图像的小波系数进行处理；对图像进行分解之后就需要对水印进行预处理，然后将处理后的水印通过一定的算法嵌入到选定的小波系数中，最后对含有水印的小波系数进行小波逆变换得到含有水印的数字图像，检验和提取的过程正好是以上过程的逆变换，解决了视频中直接加入的台标信息会影响视频观看技术问题，本发明在视频中加入隐藏的水印台标信息，所加入的水印很难被肉眼察觉，不会对视频产生任何的遮挡，不会影响视频的观看；采用本技术方案嵌入的水印容易被提取，提取的计算量小，采用三重秘钥进行加密，能够抵抗常见的攻击手段。

Description

一种实现隐藏式视频数字水印的方法
技术领域
本发明属于图像和视频信息处理领域，尤其涉及一种实现隐藏式视频数字水印的方法。
背景技术
目前视频影音资料的生产制作方为了保护自身的权益，通常通过在视频中加入台标信息的办法来标识版权。
这种方法的好处是技术实现上简单易操作，只要在原来的视频帧中叠加台标图像，然后使用视频编码器重新编码即可。但是它的缺点也是非常明显的，即，加入的台标实际上降低了视频的可观赏性。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现隐藏式视频数字水印的方法，解决了视频中直接加入的台标信息会影响视频观看技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种实现隐藏式视频数字水印的方法，包括如下步骤：
步骤1：中心服务器获取录像设备中的源录像文件，设定随机数种子，中心服务器根据随机数种子，在源录像文件中的每一帧图片中选择一组图片作为载体图片组，设定载体图片组中的所有图片均为载体图片；
中心服务器对载体图片组中的所有载体图片均进行色彩格式分解：按照YUV色彩格式，将原始图片的彩色图像分解为表示亮度信息的Y分量以及表示色度信息的U分量和V分量；
将Y分量、U分量和V分量分别以灰度图的形式进行显示，生产Y分量图片、U分量图片和V分量图片；
步骤2：中心服务器在U分量图片和V分量图片中添加水印：将随机数种子作为秘钥1，判断秘钥1产生的随机数序列的奇偶性：当产生的随机数为偶数时，在U分量图片中添加水印；当产生的随机数为奇数时，在V分量图片中添加水印；
步骤3：根据步骤2的对载体图片的U分量图片或V分量图片进行一级和二级小波分解，其步骤如下：
步骤S1：一级小波分解：对U分量图片或V分量图片进行哈尔小波分解，将U分量图片或V分量图片分割成4个频带：水平方向LH、垂直方向HL、对角线方向HH和低频部分LL；
步骤S2：二级小波分解：对低频部分LL再进行哈尔小波分解，得到二级小波分解的低频部分，二级小波分解的低频部分的低频系数为LL2；
步骤4：中心服务器对插入的水印做加密处理，并在二级小波分解的低频部分插入加密后的水印，其步骤如下：
步骤S3：中心服务器根据Arnold置乱算法打乱水印图像的内容：设定一幅N×N的水印图像中任意一个像素点为(x,y)点，其中N为像素的个数，根据以下公式对(x,y)点的位置进行置换：
Figure GDA0004105562570000021
其中，(x′，y′)点为置换后的点坐标，n是进行Arnold置乱算法的置乱次数；
步骤S4：将n作为秘钥2进行保存；
步骤S5：设定一个随机数种子，根据随机数种子的随机数序列在低频系数LL2中选取N×N个系数，并将该随机数种子作为秘钥3；
步骤S6：设定从低频系数LL2中随机选中的第k个系数为ck，水印图像的长和宽均为N，根据以下公式将水印图片嵌入二级小波分解的低频部分：
Zk＝mod(ck，N)；
Figure GDA0004105562570000031
其中，Zk表示LL2中的随机选中的第k个系数ck对水印图像的宽度N做模运算得到的结果；Wk是置乱之后的二值水印图像信息；
步骤S7：使用新的系数c′k替代低频系数LL2中所有的系数ck，得到嵌入水印后的低频系数LL2’，即完成对加密后的水印图片的嵌入；
步骤S8：使用新的小波系数LL2’、LH2、HL2、HH2进行反向小波变换得到LL’，再加上LH、HL、HH进行反向小波变换得到隐藏了水印图像的V分量或U分量，再叠加Y分量和U分量或者叠加Y分量和V分量得到隐藏了水印的彩色图；
步骤5：当需要获取载体图片中的水印图片时，中心服务器对嵌入水印后的二级小波分解的低频部分做逆离散小波变换，从而获取水印图片，其具体步骤如下：
步骤S9：根据步骤1的方法，将包含水印的图片进行YUV色彩格式分解，生产Y分量图片、U分量图片和V分量图片；
步骤S10：秘钥1产生随机数序列选择U分量图片和V分量图片进行处理：秘钥1产生随机数序列为偶数，即，水印就隐藏在U分量中，则选择U分量图片；秘钥1产生随机数序列为奇数，即，水印就隐藏在V分量中，则选择V分量图片；
步骤S11：根据步骤S10的结果，将U分量图片或V分量图片做两级哈尔小波变换，再根据秘钥3从二级低频系数中选择叠加了水印的N×N个系数c′k，然后根据以下公式从系数中提取水印信息：Z’k＝mod(c′k，N)：
Figure GDA0004105562570000041
其中，Z′k表示根据秘钥3从二级低频系数LL2’中选择的第k个系数c′k对水印图像的宽度N做模运算的结果；W′k表示被恢复的水印图像的第k个像素点的值；
步骤S12：根据秘钥2对W′k进行反置乱即可获得恢复出来的水印图像。
优先的，所述随机数种子为由一组随机数组成的随机数序列。
优先的，在执行步骤4时，中心服务器只对二值水印图像进行处理；二值水印图像是指水印图像中只有白色和黑色两种颜色。
优选的，所述低频系数为LL2为二级小波分解的低频部分的像素值。
本发明所述的一种实现隐藏式视频数字水印的方法，解决了视频中直接加入的台标信息会影响视频观看技术问题，本发明在视频中加入隐藏的水印(台标)信息，所加入的水印很难被肉眼察觉，不会对视频产生任何的遮挡，不会影响视频的观看；采用本技术方案嵌入的水印容易被提取，提取的计算量小，采用三重秘钥进行加密，不容易被破解，能够抵抗常见的一些攻击手段，例如Filter攻击、Resize攻击、Crop攻击、Noise攻击、Rotate攻击。
附图说明
图1为背景技术中的一个视频图片示例；
图2是本发明的源录像文件中的载体图片；
图3是本发明的Y分量图片和V分量图片；
图4是本发明的U分量图片；
图5是本发明的V分量图片；
图6是本发明的哈尔小波多级分解示意图；
图7是本发明的一级小波分解结果示意图；
图8是本发明的二级小波分解结果示意图；
图9时本发明的原始水印图；
图10是本发明的置乱后的水印图；
图11是本发明嵌入水印后的载体图片。
具体实施方式
如图2-图11所示的一种实现隐藏式视频数字水印的方法，包括如下步骤：
步骤1：中心服务器获取录像设备中的源录像文件，设定随机数种子，中心服务器根据随机数种子，在源录像文件中的每一帧图片中选择一组图片作为载体图片组，设定载体图片组中的所有图片均为载体图片；
如图2所示，本实施例采用的载体图像分辨率为1920x1080；
中心服务器对载体图片组中的所有载体图片均进行色彩格式分解：按照YUV色彩格式，将原始图片的彩色图像分解为表示亮度信息的Y分量以及表示色度信息的U分量和V分量；
将Y分量、U分量和V分量分别以灰度图的形式进行显示，生产Y分量图片、U分量图片和V分量图片；
如图3-图5所示，为Y分量图片、U分量图片和V分量图片，实际应用中，在Y分量中嵌入水印对图像的破坏程度较高，更容易被肉眼觉察到，在U分量和V分量中嵌入水印对图像的破坏程度较小，更加不易被肉眼察觉。从上面的图中也可以看出UV色彩分量比Y亮度分量更加平坦，更有利于插入水印信息。
步骤2：中心服务器在U分量图片和V分量图片中添加水印：将随机数种子作为秘钥1，判断秘钥1产生的随机数序列的奇偶性：当产生的随机数为偶数时，在U分量图片中添加水印；当产生的随机数为奇数时，在V分量图片中添加水印；
由于在U分量和Y分量中加入水印都能获得较好的隐藏效果，为了减小对载体图像的破坏，在视频的每一帧中随机选择在U分量或V分量中添加水印，设随机数种子为秘钥1，根据秘钥1产生随机数序列，若随机数为偶数就选择在U分量中添加水印，若为奇数就选择在V分量重添加水印。
步骤3：根据步骤2的对载体图片的U分量图片或V分量图片进行一级和二级小波分解，其步骤如下：
步骤S1：一级小波分解：对U分量图片或V分量图片进行哈尔小波分解，将U分量图片或V分量图片分割成4个频带：水平方向LH、垂直方向HL、对角线方向HH和低频部分LL；
步骤S2：二级小波分解：对低频部分LL再进行哈尔小波分解，得到二级小波分解的低频部分，二级小波分解的低频部分的低频系数为LL2；
数字图像经过哈尔(HAAR)小波分解后被分割成4个频带：水平方向(LH)、垂直方向(HL)、对角线方向(HH)和低频部分(LL)，其中低频部分可以继续分解，图像能量主要集中于低频部分，是原始图像的逼近子图，具有较强的抵抗外来影响的能力，稳定性较好；其他三个子带表征了原图像在水平、垂直和对角线部分的边缘细节信息，容易受到外来噪声、图像操作等影响，稳定性较差。
如图7和图8给出了对大象图的U分量进行一级和二级小波分解的结果。一级分解后，4个频带水平方向(LH)、垂直方向(HL)、对角线方向(HH)和低频部分(LL)的长宽缩减为原图像的1/4，例如低频部分LL的尺寸为480x270，图7中一级小波分解的结果为将LL、HL、LH、HH这4个频带的分解系数拼接在一起得到的结果。为了能在图像的低频部分插入水印使得水印具备一定的抗干扰能力，对一级小波分解的低频部分LL再进行一次小波分解，也就是二级小波分解，得到如图8所示的二级小波分解的结果。本发明将在二级小波分解的低频系数LL中插入水印信息
步骤4：中心服务器对插入的水印做加密处理，并在二级小波分解的低频部分插入加密后的水印，其步骤如下：
为了保证水印的安全性，在嵌入水印前需要对水印进行加密处理。本发明采用Arnold置乱算法打乱水印图像的内容，将有意义的水印内容掩盖。
步骤S3：中心服务器根据Arnold置乱算法打乱水印图像的内容：设定一幅N×N的水印图像中任意一个像素点为(x，y)点，其中N为像素的个数，根据以下公式对(x，y)点的位置进行置换：
Figure GDA0004105562570000071
其中，(x′，y′)点为置换后的点坐标，n是进行Arnold置乱算法的置乱次数；
步骤S4：将n作为秘钥2进行保存；
步骤S5：设定一个随机数种子，根据随机数种子的随机数序列在低频系数LL2中选取N×N个系数，并将该随机数种子作为秘钥3；
步骤S6：设定从低频系数LL2中随机选中的第k个系数为ck，水印图像的长和宽均为N，根据以下公式将水印图片嵌入二级小波分解的低频部分：
Zk＝mod(ck，N)；
Figure GDA0004105562570000072
其中，Zk表示LL2中的随机选中的第k个系数ck对水印图像的宽度N做模运算得到的结果；Wk是置乱之后的二值水印图像信息；
步骤S7：使用新的系数c′k替代低频系数LL2中所有的系数ck，得到嵌入水印后的低频系数LL2’，即完成对加密后的水印图片的嵌入；
步骤S8：使用新的小波系数LL2’、LH2、HL2、HH2进行反向小波变换得到LL’，再加上LH、HL、HH进行反向小波变换得到隐藏了水印图像的V分量(或U分量)，再叠加Y分量和U分量(或V分量)得到隐藏了水印的彩色图；
步骤5：当需要获取载体图片中的水印图片时，中心服务器对嵌入水印后的二级小波分解的低频部分做逆离散小波变换，从而获取水印图片，其具体步骤如下：
步骤S9：根据步骤1的方法，将包含水印的图片进行YUV色彩格式分解，生产Y分量图片、U分量图片和V分量图片；
步骤S10：秘钥1产生随机数序列选择U分量图片和V分量图片进行处理：秘钥1产生随机数序列为偶数，即，水印就隐藏在U分量中，则选择U分量图片；秘钥1产生随机数序列为奇数，即，水印就隐藏在V分量中，则选择V分量图片；
步骤S11：根据步骤S10的结果，将U分量图片或V分量图片做两级哈尔小波变换，再根据秘钥3从二级低频系数中选择叠加了水印的N×N个系数c′k，然后根据以下公式从系数中提取水印信息：
Z’k＝mod(c′k，N)；
Figure GDA0004105562570000091
其中，Z′k表示根据秘钥3从二级低频系数LL2’中选择的第k个系数c′k对水印图像的宽度N做模运算的结果；W′k表示被恢复的水印图像的第k个像素点的值；
步骤S12：根据秘钥2对W′k进行反置乱即可获得恢复出来的水印图像。
优先的，所述随机数种子为由一组随机数组成的随机数序列。
优先的，在执行步骤4时，中心服务器只对二值水印图像进行处理；二值水印图像是指水印图像中只有白色和黑色两种颜色。
优选的，所述低频系数为LL2为二级小波分解的低频部分的像素值。
如图11可以看出，嵌入CNTV水印后的图片，肉眼很难发现它与原图的差别。
本发明所述的一种实现隐藏式视频数字水印的方法，解决了视频中直接加入的台标信息会影响视频观看技术问题，本发明在视频中加入隐藏的水印(台标)信息，所加入的水印很难被肉眼察觉，不会对视频产生任何的遮挡，不会影响视频的观看；采用本技术方案嵌入的水印容易被提取，提取的计算量小，采用三重秘钥进行加密，不容易被破解，能够抵抗常见的一些攻击手段，例如Filter攻击、Resize攻击、Crop攻击、Noise攻击、Rotate攻击。

Claims (4)

1.一种实现隐藏式视频数字水印的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：中心服务器获取录像设备中的源录像文件，设定随机数种子，中心服务器根据随机数种子，在源录像文件中的每一帧图片中选择一组图片作为载体图片组，设定载体图片组中的所有图片均为载体图片；
中心服务器对载体图片组中的所有载体图片均进行色彩格式分解：按照YUV色彩格式，将原始图片的彩色图像分解为表示亮度信息的Y分量以及表示色度信息的U分量和V分量；
将Y分量、U分量和V分量分别以灰度图的形式进行显示，生产Y分量图片、U分量图片和V分量图片；
步骤2：中心服务器在U分量图片和V分量图片中添加水印：将随机数种子作为秘钥1，判断秘钥1产生的随机数序列的奇偶性：当产生的随机数为偶数时，在U分量图片中添加水印；当产生的随机数为奇数时，在V分量图片中添加水印；
步骤3：根据步骤2的对载体图片的U分量图片或V分量图片进行一级和二级小波分解，其步骤如下：
步骤S1：一级小波分解：对U分量图片或V分量图片进行哈尔小波分解，将U分量图片或V分量图片分割成4个频带：水平方向LH、垂直方向HL、对角线方向HH和低频部分LL；
步骤S2：二级小波分解：对低频部分LL再进行哈尔小波分解，得到二级小波分解的低频部分，二级小波分解的低频部分的低频系数为LL2；
步骤4：中心服务器对插入的水印做加密处理，并在二级小波分解的低频部分插入加密后的水印，其步骤如下：
步骤S3：中心服务器根据Arnold置乱算法打乱水印图像的内容：设定一幅N×N的水印图像中任意一个像素点为(x,y)点，其中N为像素的个数，根据以下公式对(x,y)点的位置进行置换：
Figure FDA0004105562550000021
其中，(x′，y′)点为置换后的点坐标，n是进行Arnold置乱算法的置乱次数；
步骤S4：将n作为秘钥2进行保存；
步骤S5：设定一个随机数种子，根据随机数种子的随机数序列在低频系数LL2中选取N×N个系数，并将该随机数种子作为秘钥3；
步骤S6：设定从低频系数LL2中随机选中的第k个系数为ck，水印图像的长和宽均为N，根据以下公式将水印图片嵌入二级小波分解的低频部分：
Zk＝mod(ck，N)；
Figure FDA0004105562550000022
其中，Zk表示LL2中的随机选中的第k个系数ck对水印图像的宽度N做模运算得到的结果；Wk是置乱之后的二值水印图像信息；
步骤S7：使用新的系数c’k替代低频系数LL2中所有的系数ck，得到嵌入水印后的低频系数LL2’，即完成对加密后的水印图片的嵌入；
步骤S8：使用新的小波系数LL2’、LH2、HL2、HH2进行反向小波变换得到LL’，再加上LH、HL、HH进行反向小波变换得到隐藏了水印图像的V分量或U分量，再叠加Y分量和U分量或者叠加Y分量和V分量得到隐藏了水印的彩色图；
步骤5：当需要获取载体图片中的水印图片时，中心服务器对嵌入水印后的二级小波分解的低频部分做逆离散小波变换，从而获取水印图片，其具体步骤如下：
步骤S9：根据步骤1的方法，将包含水印的图片进行YUV色彩格式分解，生产Y分量图片、U分量图片和V分量图片；
步骤S10：秘钥1产生随机数序列选择U分量图片和V分量图片进行处理：秘钥1产生随机数序列为偶数，即，水印就隐藏在U分量中，则选择U分量图片；秘钥1产生随机数序列为奇数，即，水印就隐藏在V分量中，则选择V分量图片；
步骤S11：根据步骤S10的结果，将U分量图片或V分量图片做两级哈尔小波变换，再根据秘钥3从二级低频系数中选择叠加了水印的N×N个系数c’k，然后根据以下公式从系数中提取水印信息：
Z’k＝mod(c’k，N)；
Figure FDA0004105562550000031
其中，Z’k表示根据秘钥3从二级低频系数LL2’中选择的第k个系数c’k对水印图像的宽度N做模运算的结果；W’k表示被恢复的水印图像的第k个像素点的值；
步骤S12：根据秘钥2对W’k进行反置乱即可获得恢复出来的水印图像。
2.如权利要求1所述的一种实现隐藏式视频数字水印的方法，其特征在于：所述随机数种子为由一组随机数组成的随机数序列。
3.如权利要求1所述的一种实现隐藏式视频数字水印的方法，其特征在于：在执行步骤4时，中心服务器只对二值水印图像进行处理；二值水印图像是指水印图像中只有白色和黑色两种颜色。
4.如权利要求1所述的一种实现隐藏式视频数字水印的方法，其特征在于：所述低频系数为LL2为二级小波分解的低频部分的像素值。
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