CN101272485A - 一种用于数字电影版权保护的数字水印叠加和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于数字电影版权保护的数字水印叠加和检测方法，数字水印通过卷积编码来提高纠错性能，叠加在采用JPEG2000压缩的彩色数字图像Y分量的小波变换域系数上；并根据数字水印叠加的方法提出了对应的数字水印提取方法。本发明能够在保证视觉上分辨不出图像质量变化的基础上，在图像中嵌入版权信息数据；加强数字水印的鲁棒性，使得数字图像在经过压缩、滤波、裁剪等情况下，数字水印信息仍能被完整的保留并提取出来。在算法的优化上，充分考虑并利用JPEG2000算法的特点，使得该数字水印叠加方法可以高效地结合到JPEG2000解压缩硬件电路中，便于实际应用。

Description

一种用于数字电影版权保护的数字水印叠加和检测方法

技术领域

本发明涉及多媒体图像处理技术领域，更具体地，本发明涉及一种用于数字电影版权保护的数字水印叠加和检测方法。

背景技术

2005年7月，迪尼斯、20世纪福克斯、派拉蒙以及索尼电影等公司发起成立的数字电影倡导联盟(DCI)公布了《数字电影系统技术规范(V1.0)》(《Digital Cinema System Specification V1.0》)。这些公司组成的DCI联盟阵容强大，主导着世界数字电影市场的发展走向。在最为核心的视频压缩、解压缩算法中，DCI规范采用代表图像压缩技术前沿的JPEG2000算法。JPEG2000算法在压缩方面的效果较好，相对于以往的JPEG等算法，JPEG2000可以在较低比特率情况下实现较高的图像质量，压缩比相对于JPEG提高30％左右。

DCI规范对于数字电影的版权保护问题做出非常详细、具体的规定，除了对数字视频和音频内容进行AES-128bit加密之外，还要求使用数字水印(Digital Watermark)技术，这项技术使得电影制作商、电影发行商可以对数字电影的整个发行、放映过程进行监控，找出盗版产生的环节。

数字水印技术，是将代表著作权人身份的特定信息，嵌入被保护的数字媒体中，不影响原数字媒体内容的欣赏价值和使用价值，且不容易被人的知觉系统觉察的一种版权保护技术。通过这些隐藏在数字媒体内容中的信息，可以达到验证版权的归属、确保著作权人的合法利益、避免非法盗版侵扰的目的。简单的说，数字水印技术就是在自主知识产权的作品上，加上难以察觉的记号。

在数字电影制作、发行、放映的整个过程中，都可以用到数字水印。一旦出现盗版，就可以根据盗版影片中的水印信息明确地知道在哪个环节出现问题，并追究相应责任。

作为数字水印技术，具有下面几个方面的特点：

安全性：数字水印难以破解或伪造，有较低的误检测率，当原素材内容发生变化时，数字水印应相继发生变化，可以检测原始数据的变更；

不可感知性：数字水印无法被人知觉感知，同时不影响被保护数据的正常使用；

鲁棒性：在经历多种无意或有意的信号处理--信道噪声、滤波、数模-模数转换、几何变换、有损压缩编码等之后，数字水印仍可以被准确鉴别；

容量：可被嵌入到原始载体作品的水印信息量，足以表示多媒体内容的版权特征。

常用的叠加数字水印之一是基于DWT的变换域数字水印算法，在对多媒体数据进行各种变换后将水印嵌入某些指定的频域系数。

现有的基于DWT的变换域数字水印算法为基于图像的水印方法，对于具有非常多帧图像的数字电影，鲁棒性差，在水印的识别上存在一定困难，并且叠加过程复杂，会影响到电影实时播放的效果。

发明内容

为克服现有数字电影水印叠加方法中鲁棒性差和隐蔽性差的缺陷，本发明提供一种用于数字电影版权保护的数字水印叠加和检测方法。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于数字电影版权保护的数字水印叠加方法，包括：

步骤1)、对需要嵌入的数字水印数据进行纠错编码；

步骤2)、在基于JPEG2000对数字电影数据进行多级小波变换后，在数字电影数据的图像YUV色彩空间的Y分量的小波变换域系数上，嵌入数字水印数据；

步骤3)、在基于JPEG2000对数字电影数据进行熵编码的同时，将小波域的数字水印数据整合到压缩码流中。

其中，步骤2)进一步包括：

步骤20)、在JPEG2000码流中Y分量的第L级小波变换后的HL和LH两部分系数中，在每一列中都选取绝对值最大的M个系数；

步骤21)、将编码后的数字水印数据，按照差分信号的形式，分别顺序加入到HL和LH这两部分小波系数中每列选出的M个系数的低位。

其中，步骤20)中，所述M与所述小波系数的列数的乘积大于编码后的数字水印数据的个数。

其中，步骤1)进一步包括：对编码后的数字水印数据进行加密。

其中，步骤1)进一步包括：

步骤10)、根据需要嵌入的数字水印数据的长度，选取纠错编码器；

步骤11)、将所述数字水印数据通过纠错编码器进行编码，生成编码后的数字水印数据。

其中，所述方法进一步包括：

步骤12)、将编码后的数字水印数据转换为一个二维矩阵的数字水印数据，进行加密。

其中，步骤20)进一步包括：

步骤200)、根据加密后的数字水印数据的个数，以及图像第L级小波变换后HL和LH的列数，确定每一列需要嵌入数据位置的个数M；

步骤201)、对JPEG2000码流中Y分量的第L级小波变换后的HL部分系数，在进行码流解码的扫描过程中，记录每一列中高位最先解码出‘1’的M个位置；

步骤202)、对JPEG2000码流中Y分量的第L级小波变换后的LH部分系数，在进行码流解码的扫描过程中，记录每一列中高位最先解码出‘1’的M个位置。

其中，步骤21)进一步包括：

步骤210)、将所述加密后的数字水印数据转化为两个互为相反数的二维矩阵，分别为正矩阵和负矩阵，并转换为差分信号的形式；

步骤211)、将HL每一列中提取出来的M个数，按照数字水印数据正矩阵中对应位置的值，修改最低的K位；

步骤212)、将LH每一列中提取出来的M个数，按照数字水印数据负矩阵中对应位置的值，修改最低的K位。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种用于数字电影版权保护的数字水印检测方法，包括：

步骤1)、将位图形式的RGB数字电影图像转换为YUV的形式；

步骤2)、在基于JPEG2000对数字电影数据进行小波变换后，在数字电影数据的图像YUV色彩空间的Y分量的小波变换域系数上，提取数字水印数据；

步骤3)、将步骤2)中提取的数字水印数据解密、纠错，得到原始数字水印信息。

其中，步骤2)进一步包括：

步骤20)、在JPEG2000码流中Y分量的第L级小波变换后的HL和LH两部分系数中，在每一列中都选取绝对值最大的M个系数；

步骤21)、将所述HL和LH两部分系数中所述的M各系数对应相减，得到经过差分复原后的系数。

其中，步骤2)进一步包括：

步骤22)、从所述HL、LH系数中的每一列中找到最大的M个系数；分别将所有列中找到的系数按照一定顺序排列成二维矩阵；

步骤23)、将从HL和LH中提取的两个二维矩阵相减，得到经过差分复原后的二维矩阵。

其中，步骤3)进一步包括：将复原后的二维矩阵解密；将解密后的二维矩阵展开为一维数据流，通过纠错后得到数字水印。

其中，所述方法进一步包括：

步骤30)、将解密后二维矩阵展开为一维数据流；

步骤31)、将所述一维数据流通过不同软解码参数的卷积解码器进行解码；

步骤32)、判断不同参数下的解码结果是否符合数据格式要求，选择符合数据格式要求的结果进行输出。

其中，步骤3)进一步包括：

步骤30)、将解密后数字水印数据展开为一维数据流；

步骤31)、将所述一维数据流通过不同软解码参数的卷积解码器进行解码；

步骤32)、判断不同参数下的解码结果是否符合数据格式要求，选择符合数据格式要求的结果进行输出。

本发明的数字水印叠加和检测方法，能够在保证视觉上分辨不出图像质量变化的基础上，在图像中嵌入版权信息数据；增强了数字水印的鲁棒性，使得数字图像在经过压缩、滤波、裁剪等情况下，数字水印信息仍然能够被完整的保留并提取出来；在算法的优化上，充分考虑并利用了JPEG2000算法的特点，使得该数字水印叠加方法可以高效地结合到JPEG2000解压缩硬件电路中，便于在实际应用中得到应用。

附图说明

图1是数字水印叠加过程的示意图；

图2是嵌入数字水印流程图；

图3是JPEG2000中EBCOT解码步骤时的数据扫描方式的示意图；

图4是从数字图像中提取数字水印流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种用于数字电影版权保护的数字水印叠加和检测方法作进行详细描述。

一、用于数字电影版权保护的数字水印的叠加

通常，数字水印的叠加过程如图1所示，将原始水印信息和密码通过数字水印算法叠加在原始数字图像上，形成嵌入水印后的数字图像。

现有的一种典型数字水印嵌入方法是基于整数小波的无损图象数字水印方法，该方法首先需要对原图进行灰度直方图调整，直方图调整的计算量很大，会提高算法的复杂度；然后，该方法与其他大多数数字水印算法一样，只使用一次小波变换、在第一级小波变换后的系数上嵌入数字水印；另外，该方法没有使用数字水印的纠错处理和加密处理，只保证了隐蔽性，但鲁棒性不好。

在视频压缩、解压缩算法中，DCI规范采用代表图像压缩前沿技术的JPEG2000算法。JPEG2000的算法包括变换域和压缩域的信号处理过程，可以将数字水印的嵌入与JPEG2000的变换、压缩和解压缩算法结合起来。另外，在JPEG2000算法的小波变换中，可以保证反变换后的灰度仍然在有效范围内，无需进行直方图调整。测试过程中发现，在嵌入方法不变时，小波变换次数越多，数字水印的隐蔽性和鲁棒性就越好，所以在进行多次小波变换后、熵编码之前，可以直接加入变换域的水印。在进行熵编码的同时，将小波域的水印信号整合到压缩码流中。

在数字图像的JPEG2000解压缩流程中，在YUV色彩空间中Y分量的小波变换域上对原始图像进行微量修改，从而嵌入带有纠错能力的数字水印数据，在进行小波逆变换后得到嵌入数字水印后的图像，实现数字水印在数字图像中的嵌入，如图2所示。具体的叠加步骤如下所述。

1、对需要嵌入的数字水印信息进行预处理

根据DCI规范，需要在数字电影的播放过程中，以电影播放时间、地点等信息作为数字水印，实时地嵌入到播放的视频画面中。按照DCI规范，水印信息通常包括：包括电影播放的时间、地点和所播放影院的身份认证号码。这些信息使用32-bit的数据就可以涵盖。例如用4-bit表示年份(电影的发行周期用16年的这样一个范围来覆盖是足够的，例如约定2008年为起点，4-bit数据可以表示2008年到2023年这样的一个范围)，4-bit表示月份(12个月)，5-bit表示日期(一个月最多31天)，5-bit表示小时(一天24小时)，2-bit表示一小时内的四个刻度(15分钟的时间精度对于电影是足够的)，以及12-bit表示电影院的ID(可以表示一个发行商管理下的4096个电影院)。但水印信息数据并不限于32-bit，可以使用更多位数的数据，或者通过不同编码使用不含较少信息的更少位数的数据；其次水印信息的内容可以不限于电影播放的时间、地点和所播放影院的身份认证号码，可以包括用来识别电影播放位置和时间的其它信息。

下面的嵌入过程就以这32-bit作为原始水印信息来进行说明。这32-bit数据必须能够在多种情况下被准确无误的检测出来，因此必须对其进行纠错冗余处理。此外，为了防止非合法者获取这些信息，从而寻找破解数字水印的方法，还需要对水印信息进行加密处理。

具体的步骤如下：

(1)、对于2048×1080分辨率的数字电影，每一帧图像的Y分量经过5级小波变换后，HL和LH部分的系数矩阵大小都为64×34。为了使得原有数据不受到太多的改动而影响影片的视觉效果，只选取HL和LH中各256个数据进行水印的嵌入。由于需要编码的数据长度较小，为了在硬件实现复杂度和纠错编码的性能之间寻找一个平衡点，因此，选择参数为(2，1，7)的卷积编码器，将32-bit的原始数字水印信息进行3次编码后扩展为256-bit带纠错功能的新的数字水印信息序列；

(2)、将这256-bit的一维数字序列按顺序排列为16×16的二维矩阵，矩阵中的每个数据都为1个1-bit数字；

(3)、使用Arnold变换对该16×16二维矩阵进行加密，Arnold变换可以用如下公式进行表达：

$P^{\′}=(\left[\begin{array}{c}1,1\\ \mathrm{1,2}\end{array}\right]\×P)\mathrm{mod}N$

其中P′＝(x′，y′)^T，P＝(x，y)^T分别为同一像素在Arnold变换之前和之后的位置，N表示矩阵的大小为N×N。

Arnold变换具有周期性，假设周期为T，则经过了T次Arnold变换之后，图像将恢复到原来的样式。因此，Arnold变换的反变换通常是通过再进行数次Arnold变换，直到达到一个周期来进行的。对于16×16的矩阵，变换周期为12，在加密时使用6次Arnold变换；在解密时，再进行6次Arnold变换，就可以得到解密后的数据矩阵。Arnold变换主要应用于图像的加密，在原始图像经过合适的Arnold变换次数之后，就可以使得图像看上去杂乱无章形如噪声；

(4)、将经过Arnold变换后的二维矩阵I，表示为两个差分矩阵的形式，即生成两个新的16×16大小的矩阵A和A’，原矩阵中的‘1’在A中仍然为‘1’，而在A’中则表示为‘-1’，原矩阵I中的‘0’在两个矩阵中仍然表示为‘0’；然后将A’进行矩阵转置，这个过程可以用如下公式描述：

A＝I，A′＝(-I)^T

2、对数字水印信息嵌入的位置进行判断

在需要嵌入的数字水印信息的容量一定的情况下，合理的选取数字水印的嵌入位置将直接影响到对于原始图像的图像质量的影响。例如，对于一个8-bit数，如果确定将要修改其低3-bit，当原始的8-bit数的绝对值越大时，修改后数值变化的相对量就越小。因此，尽可能的挑选数值绝对值大的系数来进行数字水印的嵌入。

具体步骤如下：

(1)、计算每一列需要提取的位置个数，对于前例，在第5级小波变换后的HL和LH部分，系数矩阵大小为64×34，而需要嵌入的水印数据共有256个，因此，每一列需要提取最大的4个数据；

(2)、根据DCI规范和JPEG2000算法，在数字电影的播放过程中，会对彩色图像的YUV3个分量分别进行处理；在Y分量的处理流程中，将首先对经过JPEG2000压缩的数据码流进行解码，解码之后会得到Y分量的小波变换域系数矩阵；在JPEG2000解码步骤中的EBCOT解码中，需要按照如图2的顺序对解码中的小波变换域系数进行边扫描边解码；解码的过程是按照位平面的形式进行，即首先解码所有数据的最高位，然后是次高位，直到所有位平面的解码全部完成；在这个过程中，可以记录下在扫描进程中除符号位的高位，最先解码出‘1’的4个位置，这些位置就是绝对值最大的位置。

3、将数字水印信息嵌入到小波系数矩阵中

为了提高抗攻击性能，必须使得图像的小波系数中的数据能够在被修改之后仍然可以从中提取出数字水印信息，为了实现这一目标，对于8-bit的数据，修改其低3-bit。具体步骤如下：

(1)、第5级小波变换的HL系数中，在上面的步骤中已经确定了将要嵌入数字水印信息的256个位置。对这些位置上的数据，将其组成一个一个16×16的二维矩阵I1，其中低3-bit的数据抽取出来组成一个16×16的二维矩阵I2，高5-bit的数据抽取出来组成另一个16×16的二维矩阵I3。

(2)、将I2与A进行逐个位置的比较，并修改I2，具体修改方法如下：

$I_4(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}4,& A(i,j)=1\\ 0,& A(i,j)=0\mathrm{and}{I}_2(i,j)<4\\ 8,& A(i,j)=0\mathrm{and}{I}_2(i,j)\&GreaterEqual;4\end{array}\right.$

(3)、将I3与I2相加得到修改后的第5级小波变换的HL部分，

HL′＝8I₃+I₂

需要注意的是I3代表的是原8-bit数中的高5-bit部分，因此需要乘8。

(4)、对于第5级小波变换的LH系数，重复上述步骤1-3，只是修改方法修改为：

$I_4(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}4,& A^{\&prime;}(i,j)=0\\ 0,& A^{\&prime;}(i,j)=-1\mathrm{and}{I}_2(i,j)<4\\ 8,& A^{\&prime;}(i,j)=-1\mathrm{and}{I}_2(i,j)\&GreaterEqual;4\end{array}\right.$

4、生成嵌入数字水印的图像

在完成上述步骤之后，图像的解码流程将继续按照标准的JPEG2000进行小波逆变换的计算以及其他操作，最终生成原始图像，该图像就是已经嵌入了数字水印的图像，肉眼很难看出数字水印嵌入的痕迹。

二、用于数字电影版权保护的数字水印的检测

如图4所示，数字水印的提取步骤基本上是数字水印嵌入步骤的逆过程，但是有所区别的是，数字水印的嵌入过程在数字电影的播放过程中完成，集成在JPEG2000算法实现的硬件电路上，因此有实时性要求；而数字水印的提取过程则没有实时性的要求。

为了实现数字水印的提取，具体有以下几个步骤：

1、从视频图像中提取单帧图像；

2、将原本按照RGB形式表示的图像转换为YUV形式；

3、对其中的Y分量进行5级小波变换，选取其中的HL和LH两个部分；

4、对于其中的HL部分，仍然沿用上面实例中的数据，在每一列中选取绝对值最大的4个系数，共256个，排列为16×16的二维矩阵B1，矩阵中的每个数据均为一个8-bit数；

5、将矩阵中所有数的低3-bit抽取，按照原来的顺序组成新的矩阵B2；

6、对B2中的数进行判断，从而得到数字水印信息矩阵C1，判决方法如下：

$C_1(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 2<B_2(i,j)<6\\ 0,& \mathrm{else}\end{array}\right.$

7、对于其中的LH部分，重复步骤4-5，并做如下判决后，得到数字水印信息矩阵C2：

$C_2(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}-1,& 2<B_2(i,j)<6\\ 0,& \mathrm{else}\end{array}\right.$

8、将C1与C2相减，从而从差分信号中恢复出原始信号C3：

$C_3=\frac{1}{2}(C_1-C_2)$

9、将C3进行12-6＝6次Arnold变换后，得到解密后的矩阵C4；

10、将C4转换为一维数列，然后3次通过卷积解码器，从而得到最终的32-bit数字水印信息；在卷积编码的解码过程中，有两种算法，分别为硬解码和软解码，硬解码的速度较快，软解码的纠错能力较强，因此选用软解码方式进行解码。

与现有其他数字水印嵌入相比，本发明的方法直接利用了JPEG2000算法的中间过程，省去专门进行小波变换的计算。在设计上，所采用的纠错编码、加密算法都很容易在硬件上实现。而其他基于DWT和DCT的鲁棒性较强的方法，基本都需要使用排序操作，例如NEC算法，而排序是需要多步的系数全扫描才能完成，这样就使得计算时间变得很长。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (15)

1、一种用于数字电影版权保护的数字水印叠加方法，包括：

步骤1)、对需要嵌入的数字水印数据进行纠错编码；

步骤2)、在基于JPEG2000对数字电影数据进行多级小波变换后，在数字电影数据的图像YUV色彩空间的Y分量的小波变换域系数上，嵌入数字水印数据；

步骤3)、在基于JPEG2000对数字电影数据进行熵编码的同时，将小波域的数字水印数据整合到压缩码流中。

2、权利要求1的方法，其中，步骤2)进一步包括：

步骤20)、在JPEG2000码流中Y分量的第L级小波变换后的HL和LH两部分系数中，在每一列中都选取绝对值最大的M个系数；

步骤21)、将编码后的数字水印数据，按照差分信号的形式，分别顺序加入到HL和LH这两部分小波系数中每列选出的M个系数的低位。

3、权利要求2的方法，其中，步骤20)中，所述M与所述小波系数的列数的乘积大于编码后的数字水印数据的个数。

4、权利要求1的方法，其中，步骤1)进一步包括：对编码后的数字水印数据进行加密。

5、权利要求1的方法，其中，步骤1)进一步包括：

步骤10)、根据需要嵌入的数字水印数据的长度，选取纠错编码器；

步骤11)、将所述数字水印数据通过纠错编码器进行编码，生成编码后的数字水印数据。

6、权利要求5的方法，其中，所述方法进一步包括：

步骤12)、将编码后的数字水印数据转换为一个二维矩阵的数字水印数据，进行加密。

7、权利要求2的方法，其中，步骤20)进一步包括：

步骤200)、根据加密后的数字水印数据的个数，以及图像第L级小波变换后HL和LH的列数，确定每一列需要嵌入数据位置的个数M；

步骤201)、对JPEG2000码流中Y分量的第L级小波变换后的HL部分系数，在进行码流解码的扫描过程中，记录每一列中高位最先解码出‘1’的M个位置；

步骤202)、对JPEG2000码流中Y分量的第L级小波变换后的LH部分系数，在进行码流解码的扫描过程中，记录每一列中高位最先解码出‘1’的M个位置。

8、权利要求7的方法，其中，步骤21)进一步包括：

步骤210)、将所述加密后的数字水印数据转化为两个互为相反数的二维矩阵，分别为正矩阵和负矩阵，并转换为差分信号的形式；

步骤211)、将HL每一列中提取出来的M个数，按照数字水印数据正矩阵中对应位置的值，修改最低的K位；

步骤212)、将LH每一列中提取出来的M个数，按照数字水印数据负矩阵中对应位置的值，修改最低的K位。

9、一种用于数字电影版权保护的数字水印检测方法，包括：

步骤1)、将位图形式的RGB数字电影图像转换为YUV的形式；

步骤2)、在基于JPEG2000对数字电影数据进行小波变换后，在数字电影数据的图像YUV色彩空间的Y分量的小波变换域系数上，提取数字水印数据。

10、权利要求9的方法，其中，所述方法进一步包括：

步骤3)、将步骤2)中提取的数字水印数据解密、纠错，得到原始数字水印信息。

11、权利要求9的方法，其中，步骤2)进一步包括：

步骤20)、在JPEG2000码流中Y分量的第L级小波变换后的HL和LH两部分系数中，在每一列中都选取绝对值最大的M个系数；

步骤21)、将所述HL和LH两部分系数中所述的M各系数对应相减，得到经过差分复原后的系数。

12、权利要求11的方法，其中，步骤2)进一步包括：

步骤22)、从所述HL、LH系数中的每一列中找到最大的M个系数；分别将所有列中找到的系数按照一定顺序排列成二维矩阵；

步骤23)、将从HL和LH中提取的两个二维矩阵相减，得到经过差分复原后的二维矩阵。

13、权利要求12的方法，其中，步骤3)进一步包括：将复原后的二维矩阵解密；将解密后的二维矩阵展开为一维数据流，通过纠错后得到数字水印。

14、权利要求13的方法，其中，所述方法进一步包括：

步骤30)、将解密后二维矩阵展开为一维数据流；

步骤31)、将所述一维数据流通过不同软解码参数的卷积解码器进行解码；

步骤32)、判断不同参数下的解码结果是否符合数据格式要求，选择符合数据格式要求的结果进行输出。

15、权利要求10的方法，其中，步骤3)进一步包括：

步骤30)、将解密后数字水印数据展开为一维数据流；

步骤31)、将所述一维数据流通过不同软解码参数的卷积解码器进行解码；

步骤32)、判断不同参数下的解码结果是否符合数据格式要求，选择符合数据格式要求的结果进行输出。

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