CN102065287B - T型视频水印嵌入和提取方法 - Google Patents

Abstract

一种T型视频水印嵌入和提取方法，包括水印嵌入和水印提取两大步骤，水印嵌入步骤为，在编码时根据视频帧的运动矢量求出编码端运动速度图；将所述的编码端运动速度图划分为多个T型分割区，得到所述多个T型分割区的中心宏块V[i][j]的位置；确定各个T型分割区的编码端速度比较值J；将水印序列嵌入所述中心宏块V[i][j]；提取水印步骤为：在解码时根据视频帧的运动矢量求出解码端运动速度图；根据所述的解码端运动速度图，得到多个T型分割区的中心宏块V[i][j]的位置；确定各个T型分割区的解码端速度比较值J；在解码端提取水印序列。提供一种容量大、鲁棒性高的视频水印的嵌入方案和简单有效的嵌入规则，增大水印嵌入量。

Description

T型视频水印嵌入和提取方法

技术领域

本发明涉及多媒体数字水印嵌入和提取方法，特别涉及一种基于运动速度图的T型视频水印嵌入和提取方法。

背景技术

随着网络和多媒体信息技术迅速发展，视频、电子书籍等传播和获取变得十分简单，因而版权保护越来越必要。静态数字水印作为版权保护的最重要的方式之一，已得到充分的发展，但视频水印作为视频版权保护的最主要技术的发展却相对滞后。目前视频水印技术从嵌入位置可分为三种：(1)在原始域中嵌入水印，这种算法可以直接从静止数字图像水印移植过来，因而简单，但未利用人眼的视觉特性且未考虑后续压缩对水印的影响，故鲁棒性不强，嵌入的水印很脆弱；(2)在视频编码中嵌入水印，这中算法主要是修改DCT系数，其优点是不会增加视频流的数据比特，但该类算法复杂，往往实时性不高；(3)在压缩域中嵌入水印，该类算法实时性较高。若根据嵌入帧类型不同又可分为：无运动预测补偿的I帧嵌入和有运动预测补偿的P帧和B帧嵌入，因为在视频序列中B或P帧的数量要远大于I帧的数量，即使单个的I帧嵌入水印的量大于单个B或P帧，但就总体而言还是B或P帧所嵌入的水印容量大。

在视频水印技术的研究中还有很多技术问题没有得到较好的解决，比如，由于视频的数据量极大，在视频水印的处理中，如果运算处理较简单，则不能充分利用人类视觉系统的空域和时域的掩盖效应而实现一个鲁棒的水印方案；反之，如果运算处理较复杂，则不能满足实时处理的要求。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有视频水印技术中水印嵌入的运算处理较复杂，嵌入的水印数量少的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供一种T型视频水印嵌入和提取方法，包括水印嵌入和水印提取两大步骤，所述的水印嵌入步骤为，

步骤a，在编码时根据视频帧的运动矢量求出编码端运动速度图；

步骤b，将所述的编码端运动速度图划分为多个T型分割区，得到所述多个T型分割区的中心宏块V[i][j]的位置；

步骤c，确定各个T型分割区的编码端速度比较值J；

步骤d，依据水印的嵌入规则，通过修改V[i][j]嵌入水印；

所述提取水印的步骤为：

步骤e，在解码时根据视频帧的运动矢量求出解码端运动速度图；

步骤f，根据所述的解码端运动速度图，得到多个T型分割区的中心宏块V[i][j]的位置；

步骤g，确定各个T型分割区的解码端速度比较值J；

步骤h，在解码端提取水印序列。

本发明的有益效果在于，提供一种容量大、鲁棒性高的视频水印的嵌入方案和一套简单有效的嵌入规则。该方案在运动速度图上，当宏块运动速度较大的采取T型嵌入，保留了在运动速度嵌入水印能够抵抗一些视频格式的变换和数据比特率达变化带来的攻击放入特点，该方案不仅增大了水印的嵌入量，而且提高了嵌入水印后的视频质量和算法的鲁棒性。

附图说明

图1为应用本发明T型视频水印嵌入和提取方法的视频系统示意图；

图2为运动速度图；

图3a为倒T型分割区示意图；

图3b为正T型分割区示意图；

图4为将运动速度图分割为多个重合的T型分割区的示意图；

图5为图4所示多个T型分割区中心宏块的位置示意图；

图6a为水印嵌入流程图；

图6b为水印提取流程图；

图7a至图7c为football.Cif视频序列经过H.264编码后重建的视频(第7帧)以及提取的水印图像；

图8a至图8c为stefan_299.cif视频序列经过H.264编码后重建的视频(第29帧)以及提取的水印图像；

图9a至图9c为foreman.qcif视频序列经过H.264编码后重建的视频(第95帧)以及提取的水印图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为应用本发明T型视频水印嵌入和提取方法的视频系统示意图。所述视频系统包括编码端和解码端。在编码端，将水印图像转化为水印序列，送入视频压缩编码器，视频压缩编码器将水印序列嵌入视频帧，形成视频压缩流。在解码端，视频压缩解码器提取嵌入的水印序列，恢复水印图像和视频帧。

在对水印的嵌入与提取过程进行详细说明之前，对本发明的思想进行阐明。在运动速度图中，通过改变视频序列中宏块运动速度的大小来嵌入水印，即，将运动速度图分割为多个重合的T型分割区，在T型分割区域的中心宏块中嵌入水印。本发明的方法应用于B帧和P帧的编解码中。

所述的运动速度图如图2所示，计算的方法为：

其中

表示宏块的运动矢量；T表示参考帧时间间隔；

表示宏块的运动速度。当参考帧的时间间隔足够小时，宏块的运动速度在这段时间间隔内可以认为不变，在B帧和P帧图像中，在宏块的位置处置以宏块的运动速度而得到的图就是运动速度图V[x][y]，其中坐标[x][y]表示以宏块为单位的宏块位置。在同一参考帧下，B帧或P帧与参考帧的时间间隔取得足够小时，运动速度图基本没有变化。需要指明的是，图2中的V[0][1]、V[0][2]、V[0][3]、V[1][2]......表示的是该宏块的运动速度矢量。

所述的T型分割区如图3a、图3b所示，其中图3a所示为正T型分割区，图3b所示为倒T型分割区。每个T型分割区包含四个宏块，呈正T型或倒T型分布。如图3a所示，宏块V[i][j]为中心宏块，正T型分割区域内其他宏块分别表示为V[i][j-1]、V[i][j+1]、V[i-1][j]。同样，如图3b所示，宏块V[i][j]为中心宏块，倒T型分割区域内其他宏块分别表示为V[i][j-1]、V[i][j+1]、V[i+1][j]。

如图4所示为将运动速度图分割为多个重合的T型分割区的示意图，T型分割区1由宏块V[0][1]、V[0][2]、V[0][3]、V[1][2]构成，宏块V[0][2]为中心宏块。T型分割区2由宏块V[1][0]、V[1][1]、V[1][2]、V[2][1]构成，宏块V[1][1]为中心宏块。其中，T型分割区1与T型分割区2在V[2][1]处重合。

T型分割区3由宏块V[1][2]、V[1][3]、V[1][4]、V[2][3]构成，宏块V[1][3]为中心宏块。其中，T型分割区3与T型分割区2、T型分割区1在V[2][1]处重合。

在运动速度图中，可以采用正T型或倒T型嵌入方案，图4和图5所示的实施例中是以T型嵌入方案进行说明。

图5所示为多个T型分割区中心宏块的位置示意图，图中标示“W”的宏块为水印可能嵌入的位置，若运动速度图大小为M×N则最多可嵌入水印的宏块数目n，即最多可嵌入水印的数目n为：

其中

为取下整号。

图4和图5所示实施例为M＝5，N＝8，图7中最多可嵌入的水印为n＝12。

下面对水印的嵌入与提取过程进行详细说明。

本发明视频水印的嵌入过程为：

步骤101，对水印图像进行预处理，如图1中所示的系统图二值水印图像“U”，首先将其转换成0和1二值序列，得到欲嵌入的水印序列ω_k＝{0，1}，k＝0......m。

步骤102，在编码时，根据B帧或P帧的运动矢量，求出运动速度图(如图2所示)。

步骤103，确定水印的嵌入位置与数目n，由运动速度图，根据T型嵌入方案，得到T型分割区的中心宏块V[i][j]的位置，即为嵌入水印的位置(如图5所示)。

步骤104，确定T型分割区的速度比较值J。

对中心宏块V[i][j]周围的三个宏块V[i][j-1]、V[i][j+1]、V[i+1][j]按其运动速度大小进行快速排序，并令最大值为A_max，最小值A_min，即：

A_max＝max{|V[i-1][j]|，|V[i][j-1]|，|V[i][j+1]|}

A_min＝min{|V[i-1][j]|，|V[i][j-1]|，|V[i][j+1]|}

得到T型分割区的速度比较值 $J=\sqrt{A_{\max }\×A_{\min }}.$ 其中，|V[i-1][j]|、|V[i][j-1]|、|V[i][j+1]|表示运动速度的幅值。

步骤105，依据水印的嵌入规则，通过修改V[i][j]嵌入水印，

首先，将水印序列ω_k＝{0，1}，k＝0......m中的数值依照一定的对应规则一一对应到中心宏块V[i][j]，所述的对应规则可以为从左至右，从上至下或者其他方式，但并不以对应规则限定本发明的保护范围；

当ω_k＝1时，比较V[i][j]与J，若J＞|V[i][j]|，则中心宏块的运动速度V[i][j]保持不变；若J≤|V[i][j]|，则减小中心宏块的运动速度V[i][j]，使得J＞|V[i][j]|；

当ω_k＝0时，比较V[i][j]与J，若J≤|V[i][j]|，则中心宏块的运动速度V[i][j]保持不变；若J＞|V[i][j]|，则增大中心宏块的运动速度V[i][j]，使得J≤|V[i][j]|。

本发明视频水印的提取过程为：

步骤201，在解码B帧或P帧时，求出水印B帧或P帧所对应的运动速度图。

步骤202，确定水印的嵌入位置与数目n，由运动速度图，根据T型嵌入方案，得到T型分割区的中心宏块V[i][j]的位置，即为嵌入水印的位置。

步骤203，确定T型分割区的速度比较值J。

与步骤104类似，对中心宏块V[i][j]周围的三个宏块V[i][j-1]、V[i][j+1]、V[i+1][j]按其运动速度大小进行快速排序，并令最大值为A_max，最小值A_min，即：

A_max＝max{|V[i-1][j]|，|V[i][j-1]|，|V[i][j+1]|}

A_min＝min{|V[i-1][j]|，|V[i][j-1]|，|V[i][j+1]|}

得到T型分割区的速度比较值 $J=\sqrt{A_{\max }\×A_{\min }}.$ 其中，|V[i-1][j]|、|V[i][j-1]|、|V[i][j+1]|表示运动速度的幅值。

步骤204，在解码端提取水印序列。比较中心宏块的运动速度的幅值|V[i][j]|与速度比较值J的大小，若J＞|V[i][j]|，则ω_k＝1；否则ω_k＝0。即

识别水印的依据为 ${\mathrm{\ω}}_k=\left\{\begin{array}{cc}1& J>\left|V\right[i\left]\right[j\left]\right|\\ 0& J\≤\left|V\right[i\left]\right[j\left]\right|\end{array}\right..$

步骤205，根据提取的二值水印序列生成水印图像。

为了检测视频水印的嵌入效果，对三个视频序列进行测试，图7为football.Cif视频序列经过H.264编码后重建的视频(第7帧)以及提取的水印图像，图8为stefan_299.cif视频序列经过H.264编码后重建的视频(第29帧)以及提取的水印图像，图9为foreman.qcif视频序列经过H.264编码后重建的视频(第95帧)以及提取的水印图像。

嵌入水印的视频效果见图7(b)、图8(b)、图9(b)，图7(a)、图8(a)、图9(a)则是未加水印经过H.264编码解码后的视频效果。表1中为上述三组视频序列的水印嵌入实验结果比较。

表1三组视频序列的水印嵌入实验结果比较

表1列出含有水印视频序列的峰值信噪比PSNR(Peak Signal Noise Ratio)值，基本达到了不可见性的要求，其中PSNR_un表示未嵌入水印，视频序列经过H.264编码直接重建后的峰值信噪比；PSNR_wm表示嵌入水印，视频序列经过H.264编码后的峰值信噪比；δ_psnr＝PSNR_un-PSNR_wm，表示嵌入水印后，对视频的峰值信噪比PSNR的影响。

实验表明，本发明的视频水印的嵌入方法在帧删除、帧插入、椒盐噪声以及帧平均等攻击的情况下均能提取水印的图像，即对水印是否存在的检测率到达100％。说明该方法能够有效地够抵抗一定的视频攻击如时间同步失真(帧删除、帧插入)、光度失真(如椒盐噪声)以及帧平均等，算法具有较好的鲁棒性。

在运动速度图(图2所示)中实质通过改变视频序列中宏块运动速度的大小来嵌入水印。运动速度嵌入水印的优点为：能够抵抗一些视频格式的变换和数据比特率达变化带来的攻击，这是因为运动矢量是描述帧中宏块运动的参量，是一个反映宏块运动位移信息的绝对量，在作视频格式变换时其值将随着变化。运动速度是动矢量除以当前帧与参考帧时间间隔的值，是一个相对量，在作视频格式变化的时候其值具有相对不变性。在视频编码过程中，要保持视频运动画面的时间连续性，视频经过重新编解码后，在相同的帧间时间间隔内，宏块运动矢量应该基本保持不变，也就是宏块运动速度不变。

本发明对欲嵌入水印的宏块的周围三个宏块进行排序预处理，规则简单，计算复杂小，可以满足视频实时处理的要求；在嵌入水印时采用T型嵌入方案，并且T型分割区可部分重叠，从而提高了水印的嵌入量。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种T型视频水印嵌入和提取方法，包括水印嵌入和水印提取两大步骤，其特征在于，所述的水印嵌入步骤为：

步骤a，在编码时根据视频帧的运动矢量求出编码端运动速度图；

步骤b，将所述的编码端运动速度图划分为多个T型分割区，得到所述多个T型分割区的中心宏块V[i][j]的位置；

步骤c，确定各个T型分割区的编码端速度比较值J，该编码端速度比较值J为

其中A_max为编码端运动速度图中T型分割区中除去中心宏块外，其他宏块运动速度幅值的最大值，A_min为编码端运动速度图中T型分割区中除去中心宏块外，其他宏块运动速度幅值的最小值；

步骤d，依据水印的嵌入规则，通过修改V[i][j]嵌入水印，所述水印的嵌入规则为：

当ω_k＝1时，比较V[i][j]与J，若J＞|V[i][j]|，则中心宏块的运动速度V[i][j]保持不变；若J≤|V[i][j]|，则减小中心宏块的运动速度V[i][j]，使得J＞|V[i][j]|；

当ω_k＝0时，比较V[i][j]与J，若J≤|V[i][j]|，则中心宏块的运动速度V[i][j]保持不变；若J＞|V[i][j]|，则增大中心宏块的运动速度V[i][j]，使得J≤|V[i][j]|；

所述提取水印的步骤为：

步骤e，在解码时根据视频帧的运动矢量求出解码端运动速度图；

步骤f，根据所述的解码端运动速度图，得到多个T型分割区的中心宏块V[i][j]的位置；

步骤g，确定各个T型分割区的解码端速度比较值J，该解码端速度比较值J为

其中A_max为解码端运动速度图中T型分割区中除去中心宏块外，其他宏块运动速度幅值的最大值，A_min为解码端运动速度图中T型分割区中除去中心宏块外，其他宏块运动速度幅值的最小值；

步骤h，在解码端提取水印序列，若J＞|V[i][j]|，则ω_k＝1；否则ω_k＝0；

其中：ω_k＝{0，1}，k＝0......m，为嵌入式水印序列。

2.如权利要求1所述的T型视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述步骤b中，所述的各个T型分割区包含四个宏块，呈正T型或倒T型分布。

3.如权利要求2所述的T型视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述的各个T型分割区为部分重叠。

4.如权利要求1所述的T型视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述步骤d中还包括将水印序列中的数值依照一定的对应规则一一对应到中心宏块V[i][j]。

5.如权利要求1所述的T型视频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述视频帧为B帧或P帧。

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