CN104735409B - 一种单光路监控视频水印物理隐藏装置与数字检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视频监控防伪水印实时拍摄隐藏装置及检测方法，具体包括成像透镜组、e指数双随机相位调制水印掩膜、和监控相机CCD等。其中包括两个实现结构，一种是讲水印掩膜胶合在CCD玻璃盖板表面的固化结构，还有一种是不将透射掩膜胶合固定的可更换调节结构。水印物理隐藏是通过一个e指数双随机相位调制透射式水印掩膜对光学像进行强度调制实现的，其装置只包含一个成像光路，非常简洁。其水印数字检测方法是通过一个生成水印掩膜的随机相位图进行解调实现，其中包含一个取图像对数和傅里叶变换纯相位函数的过程。

Description

一种单光路监控视频水印物理隐藏装置与数字检测方法

【技术领域】

本发明属于监控视频防伪水印隐藏与检测技术领域，特别涉及一种单光路监控视频水印物理隐藏装置与数字检测方法，具体针对监控视频的防伪水印实时拍摄物理隐藏装置与监控视频中隐藏水印的自动检测新方法。

【背景技术】

视频监控是安全防范系统的重要组成部分。传统的监控系统包括前端摄像机、传输线缆、视频监控平台。摄像机可分为网络数字摄像机和模拟摄像机，可作为前端视频图像信号的采集。它是一种防范能力较强的综合系统。视频监控以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有了长足的发展。

视频监控充分利用多媒体特征，结合实时捕捉，硬盘录像等技术，对罪犯起到了强大的威慑力，能更有效地防止犯罪；实时跟踪每一个监控现场，迅速的反映能力，能有效地打击犯罪。由于不法分子的抵赖与狡辩，视频监控的录像往往作为最重要的法律证据。录像中最重要的部分由于被恶意地删除引发的案件也屡见不鲜。视频监控的应用非常的广泛，小区安保，购物广场，高速公路，公共汽车以及现在的60年国庆大典等，所以对视频监控的录像准确性和可靠性做出一个最准确地判断显得尤为重要。由于监控视频的广泛使用，其作为法律上最可靠的证据，不法分子起初是通过删除硬盘上的数据将所有的监控视频文件全部销毁。但这些大量数据的丢失肯定会露出很大的破绽，牵扯出一批相关人员，那不法分子就难逃法网。但目前有些不法分子则是采用更高明的手段，将视频中的关键部分帧删除或替换。

为了提高视频的防伪性能，中国专利CN104168484A公开了一种基于视觉注意机制的视频水印方法，该发明选择MPEG-2视频关键帧的视觉非显著区域的DCT域嵌入二进制水印信息，实现视频防伪和侵权目的。中国专利CN103997652A公开了一种视频水印嵌入方法及装置，该发明根据待嵌入水印信息的二进制数据以及预设的编码规则，确定待嵌入水印信息所需的编码块数量以及对各个编码块进行编码所需的运动矢量，并根据所确定的编码块数量以及运动矢量，从起始编码块开始，对目标视频帧中需嵌入带嵌入水印信息的各个编码块编码，以在目标视频帧中嵌入待嵌入水印信息。中国专利CN102892048A公开了一种抗几何攻击的视频水印防伪方法，该发明通过提取视频帧的最大稳定极值区域MSER，对拟合出的椭圆区域进行筛选，消除区域重叠，选取用于最终的水印嵌入的椭圆区域，然后通过修改小波变换系数的水平高频竖直低频带(HL)和水平低频竖直高频带(LH)，对选取出的特征区域进行水印嵌入，增强了抗仿射几何攻击能力。据调研，目前已公开的视频水印隐藏技术都基于数字图像处理来实现，提出了许多不同的隐藏算法，而未见有采用物理手段实现实时水印隐藏的技术

为此，本发明公开了一种单光路监控视频水印物理隐藏装置与数字检测方法，其隐藏方法是通过单光路物理手段来实现的，并提供了相应的水印检测方法。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种可为监控视频实时拍摄隐藏水印的装置和视频水印检测方法，借此发明可提高监控视频的防伪性和可靠性，进而从技术角度确保监控视频的公信力。

本发明的技术方案：本发明内容包括两部分：单光路监控视频水印物理隐藏装置和该隐藏装置的视频水印数字检测方法。

一种单光路监控视频水印物理隐藏装置，包括商业安防镜头和相机，所述相机的CCD防护玻璃盖板表面胶合了一个薄的透射式水印掩膜，该水印掩膜为e指数双随机相位调制透射式水印掩膜，该隐藏装置只包含一个成像光路，该光路的工作过程是监控现场图像由安防监控摄像镜头拍摄进来，在CCD表面附近经水印掩膜调制后成像到CCD面，产生一个隐藏有水印信息的监控视频图像。

一种单光路监控视频水印物理隐藏装置，包括成像透镜组、e指数双随机相位调制水印掩膜、安防监控摄像镜头和监控相机CCD，该隐藏装置只包含一个成像光路；其光路布置顺序安成像发生顺序依次是安防监控摄像头、水印掩膜、成像透镜组和监控相机CCD，其工作过程是安防监控摄像镜头将监控现场图像拍摄进来，成像到水印掩膜表面，光学图像受水印掩膜做强度调制，然后经成像透镜组成像到监控相机CCD面，从而在CCD表面产生隐藏有水印信息的监控现场光学图像。

优选地，所述安防镜头和CCD探测器均采用通用商业产品，所述成像透镜组是一个短焦距接力成像模块，安装在CCD探测器与安防镜头之间，所述安防镜头的像面和CCD面相对成像透镜形成一对物像共轭面。

优选地，所述水印掩膜安装在成像透镜组与安防镜头之间，并且位于安防镜头的像面位置，并且可以被灵活更换或调节。

优选地，所述的e指数双随机相位透射式水印掩膜是通过两次随机相位调制生成，并且是通过取最后调制图实部的e指数运算得到的。

优选地，所述e指数双随机相位调制透射式水印掩膜的隐蔽性是通过调制图实部乘以一个系数来控制的。

一种单光路监控视频水印物理隐藏装置的水印隐藏数字检测方法，首先提取监控视频图并做灰度化或提取各颜色分量得到灰度图，然后对带水印的灰度视频图像取对数，再进行傅里叶变换，并提取傅里叶变换图的相位生成纯相位函数；然后将上述纯相位函数乘以生成水印掩膜用的第二个频域随机相位函数，最后做傅里叶逆变换并取模即为视频图像中隐藏的水印图像。

优选地，隐藏水印的图像是依据视频图做对数运算和傅里叶变换后取其纯相位函数的基础上检测出来的，即在检测过程中需要一个求对数运算和傅里叶变换的纯相位函数的步骤。

本发明的单光路监控视频水印物理隐藏装置包括两种实现结构，一种是固化结构，将制作好的透射式水印掩膜直接胶合在CCD防护玻璃盖的表面实现。其工作过程是监控现场图像由安防监控摄像镜头拍摄进来，在CCD表面附近经水印掩膜调制后成像到CCD面，产生一个隐藏有水印信息的监控视频图像。由于水印掩膜与CCD面非常接近，因此水印掩膜可视为对安防监控摄像镜头所拍摄的光学像进行强度调制。由于水印掩膜是胶合在CCD防护玻璃盖表面的，因此不可被更换或调节。另一种是可更换调节结构，其装置包括成像透镜组、e指数双随机相位调制水印掩膜片、安防监控摄像镜头和监控相机CCD。其光路布置顺序安成像发生顺序依次是安防监控摄像镜头、水印掩膜、成像透镜组和监控相机CCD。其工作过程是安防监控摄像镜头将监控现场图像拍摄进来，成像到水印掩膜表面，光学图像受水印掩膜做强度调制，然后经成像透镜组成像到监控相机CCD面，从而在CCD表面产生隐藏有水印信息的监控现场光学图像。由于水印掩膜未被胶合，因此可以被灵活更换或调节。

所述水印掩膜是待隐藏的水印图经双随机相位调制后形成的近似白噪声的透光片，该透光片位于摄像头像面位置，其作用是对摄像头拍摄进来的光学像进行强度调制，从而把水印信息加载到视频当中。其图像的调制度可通过掩膜片的生成参数进行调节，具体以水印被有效加载的同时以提高水印隐蔽性为准。

所述成像透镜组是用于光学成像，其焦距可通过其中若干个镜片的位置微调进行调节，以方便调节像的大小以及匹配不同型号的安防监控摄像镜头。

所述单光路透射式双随机相位调制水印掩膜，其制作过程包括以下几个步骤：

(1)将待隐藏的水印图进行灰度化W(m,n)；

(2)生成两个在0－2π范围平均分布的随机数阵列和以该随机数阵列为相位构建两个纯相位图和

(3)用上述其中一个纯相位图乘以灰度化水印图并做傅里叶变换，即

(4)将上述傅里叶变换图乘以另一个纯随机相位图并做傅里叶逆变换，即

(5)取上述逆傅里叶变换的实部构建一个新的近似白噪声的灰度图像M(m,n)；

(6)将上述构建的近似白噪声图像M(m,n)乘以一个调制系数α，并做e指数运算得到一个新的白噪声水印图像，即exp{αM(m,n)},其中α的取值在0.5-1.2之间。

(7)将该图调制到透射空间光调制器或模压到透明胶片上，从而制作成所述的双随机相位调制水印掩膜。

2、监控视频水印检测方法

水印检测是水印隐藏的逆过程，其具体方法包括以下几个步骤：

(1)将视频图像灰度化，或通过提取各颜色通道的图像得到灰度图像I(m,n)；

(2)将图像做对数运算，即ln(I(m,n)+0.00001)；

(3)对上述对数运算图像做傅里叶变换，并提取傅里叶变换图的相位ψ(m,n)，生成纯相位函数exp{jψ(m,n)}；

(4)将上述纯相位函数exp{jψ(m,n)}乘以上述第二个随机相位函数，即

(5)对上述相位函数做傅里叶逆变换，并取模即为视频图像中隐藏的水印图像，即

【附图说明】

图1为本发明单光路监控视频水印物理隐藏装置的固化结构示意图。

图2透射式水印掩膜胶合在CCD防护玻璃盖表面的结构示意图。

图3第一个空域随机相位图。

图4第二个频域随机相位图。

图5经双随机相位调制的白噪声化水印图。

图6隐藏有水印的监控视频图像序列

图7从监控视频图像中检测到的水印图像序列

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，但并不是对本发明保护范围的限制。

请参见附图1，本发明用于监控视频单光路隐藏水印的固化结构新装置包括安防监控摄像镜头1、胶合有水印掩膜的CCD探测器12和安防相机13三部分组成。其中安防监控摄像镜头用于拍摄监控现场，其具体参数没有特殊要求，可采用通用的商业安防监控摄像镜头，胶合有水印掩膜的CCD探测器用于对来自安防镜头的光学像进行水印隐藏和图像探测，安装于安防监控摄像镜头的像面位置，监控相机CCD具体参数也没有特殊要求，可采用通用的商业监控相机CCD传感器。具体的水印掩膜与监控相机CCD之间的装配关系请参见图2。其中包括CCD探测器4、CCD防护玻璃盖21、水印掩膜2。其中水印掩膜胶合在CCD防护玻璃盖的表面，水印掩膜的厚度约为0.05～0.3mm，水印掩膜与玻璃盖板之间是无缝胶合，而CCD防护玻璃盖罩在CCD探测器的上面，两者之间的间隙约为0.1～0.5mm。其水印隐藏的具体工作过程是来自安防监控摄像镜头的光学像首先入射到水印掩膜表面，其强度经过水印掩膜调制后透过玻璃盖进入监控相机CCD探测面，最后经光电转换被转换为带水印信息数字视频图像。其中水印掩膜对光学像的强度调制是通过一个类似白噪声的强度图像实现的，其具体图像是经过精密计算与设计的，以确保其信息不对原始视频图像造成显著干扰，又能被后续的数字检测算法检测出来。

请参见图3，本发明用于监控视频单光路隐藏水印的可更换调节结构新装置包括成像透镜组、e指数双随机相位调制水印掩膜片、安防监控摄像镜头和监控相机CCD。其光路布置顺序按成像发生顺序依次是安防监控摄像镜头1、水印掩膜2、成像透镜组3和监控相机CCD4。其中安防监控摄像镜头和监控相机CCD均采用通用商业产品，具体参数和规格没有限制，成像透镜组是一个短焦距接力成像模块，其焦距约为2～10mm,具体安装在监控相机CCD与安防监控摄像镜头之间，而且安防监控摄像镜头的像面和监控相机CCD面相对成像透镜组来说是一对物像共轭面。水印掩膜安装在成像透镜组与安防监控摄像镜头之间，并且位于安防监控摄像镜头的像面位置，由于水印掩膜未被胶合，因此可以被灵活更换或调节。其水印隐藏的工作过程是安防监控摄像镜头将监控现场图像拍摄进来，成像到水印掩膜表面，光学图像受水印掩膜做强度调制，然后经成像透镜组成像到监控相机CCD面，从而在监控相机CCD表面产生隐藏有水印信息的监控现场光学图像，最后经光电转换被转换为带水印信息的数字视频图像。其中水印掩膜对光学像的强度调制是通过一个类似白噪声的强度图像实现的，其具体图像是经过精密计算与设计的，以确保其信息不对原始视频图像造成显著干扰，又能被后续的数字检测算法检测出来。

本发明中所述水印掩膜的制作实施过程如下：(1)制作一个待隐藏的原始水印灰度化图，其图像和像素规模可根据需要自由选择，本案例选择500×500像素，如图4所示。(2)生成两个随机相位图，其相位值平均分布在0-2π之间，如图5和图6所示，第一个随机相位图称为空域随机相位图，第二随机相位图称为频域随机相位图。(3)将水印图4乘以空域随机相位图5然后做傅里叶变换，再乘以频域随机相位图6并做傅里叶逆变换，取其实部得到近似白噪声的水印图。(4)将上述构建的近似白噪声图像乘以一个调制系数α，并做e指数运算得到一个新的白噪声水印图像，如图7,其中α的取值在0.5-1.2之间。(5)将图7调制到透射型液晶空间光调制器或模压到透明胶片上，从而完成所述水印透射掩膜的制作。

利用本发明装置得到的隐藏有水印的视频图像如图8所示。

本发明所述水印检测方法的具体实施过程如下：(1)提取监控视频帧序列，得到安时间顺序排列的数字图像序列如图8；(2)若是彩色图像则对图像进行灰度化，然后对其进行对数运算和傅里叶变换，并提取傅里叶变换图的相位，生成纯相位函数；(3)将上述纯相位函数乘以频域随机相位图6；(4)对上述相位函数做傅里叶逆变换，并取模即为视频图像图8中隐藏的水印图像如图9。

Claims (7)

1.一种单光路监控视频水印物理隐藏装置，包括安防监控摄像镜头和相机，其特征在于：所述相机的CCD防护玻璃盖板表面胶合了一个薄的透射式水印掩膜，该水印掩膜为e指数双随机相位调制透射式水印掩膜，是将双随机相位调制生成的水印图的实部乘以加权系数，然后进行以e为底的指数变换得到，该隐藏装置只包含一个成像光路，该光路的工作过程是监控现场图像由安防监控摄像镜头拍摄进来，在CCD表面附近经水印掩膜调制后成像到CCD面，产生一个隐藏有水印信息的监控视频图像。

2.一种单光路监控视频水印物理隐藏装置，包括成像透镜组、e指数双随机相位调制水印掩膜、安防监控摄像镜头和监控相机CCD，其特征在于：该e指数双随机相位调制水印掩膜是将双随机相位调制生成的水印图的实部乘以加权系数，然后进行以e为底的指数变换得到；该隐藏装置只包含一个成像光路；其光路布置顺序按成像发生顺序依次是安防监控摄像镜头、水印掩膜、成像透镜组和监控相机CCD，其工作过程是安防监控摄像镜头将监控现场图像拍摄进来，成像到水印掩膜表面，光学图像受水印掩膜做强度调制，然后经成像透镜组成像到监控相机CCD面，从而在CCD表面产生隐藏有水印信息的监控现场光学图像。

3.根据权利要求2所述的一种单光路监控视频水印物理隐藏装置，其特征在于：所述安防监控摄像镜头和监控相机CCD均采用通用商业产品，所述成像透镜组是一个短焦距接力成像模块，安装在监控相机CCD与安防镜头之间，所述安防镜头的像面和监控相机CCD面相对成像透镜形成一对物像共轭面。

4.根据权利要求2所述的一种单光路监控视频水印物理隐藏装置，其特征在于：所述水印掩膜安装在成像透镜组与安防监控摄像镜头之间，并且位于安防监控摄像镜头的像面位置，并且可以被灵活更换或调节。

5.根据权利要求2所述一种单光路监控视频水印物理隐藏装置，其特征在于：所述的e指数双随机相位透射式水印掩膜是通过两次随机相位调制生成，并且是通过取最后调制图实部的e指数运算得到的。

6.根据权利要求5所述一种单光路监控视频水印物理隐藏装置，其特征在于：所述e指数双随机相位调制透射式水印掩膜的隐蔽性是通过调制图实部乘以一个系数来控制的。

7.根据权利要求5所述的一种单光路监控视频水印物理隐藏装置所生成隐藏有水印信息的监控视频图像进行的水印数字检测方法，其特征在于：首先提取监控视频图对其进行灰度化处理得到灰度视频图，然后对灰度视频图取对数，再进行傅里叶变换，并提取傅里叶变换图的相位生成纯相位函数；然后将上述纯相位函数乘以生成水印掩膜用的第二个频域随机相位函数，最后做傅里叶逆变换并取模即为视频图像中隐藏的水印图像。