CN106131373A - 基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法及系统，其中，方法包括：提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度；采用离散小波变换将关键帧中的数字图像信号由时域转到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将低频信号由频域转为时域后进行Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵计算其特征矩阵和特征值；将水印图像加密生成水印密文；将水印密文与计算的特征值进行异或处理，形成零水印并注册到知识产权信息数据库中。本发明在不修改原始视频的基础上能够克服已有的视频零水印构造算法的速度问题，并在保证视频水印鲁棒性的同时有效抵挡住旋转、缩放、平移等几何攻击。

Description

基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法及系统
技术领域
本发明涉及信息隐藏和数字图像处理技术领域，尤其涉及一种基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法及系统。
背景技术
目前，随着科技的发展和人类生活的不断进步，多媒体技术得到了越来越广泛的应用，多媒体(如视频、音频、图像、文本等)信息在我们的日常生活中也扮演着越来越重要的角色。由此，视频的产权保护渐渐成为人们研究的焦点。零水印作为一种不对原视频图像数据进行修改的新型数字水印技术得到了人们的广泛关注。但零水印技术目前发展还不够成熟，视频作为一种复杂的传播媒体其变化性很大，我们需要研究的地方还很多。
数字水印技术是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。
零水印技术：首先把表征图像特征的某种信息通过某种特定的算法提取出来，然后以某种规定的方式将作者的标识信息与该信息结合，形成一个注册的水印信息，最后将该水印信息注册到第三方的知识产权信息数据库中。由于零水印方案中的数字水印是注册到第三方的数字水印信息数据库中，而不是嵌入到数字媒体中，因此也就不存在数字媒体质量下降或水印量受限制等问题。当有数字载体作品需要作版权判定时，首先通过一定的算法方式提取待检测作品的特征量，然后将原作者的标识信息与提取出的作品特征量以原规定算法方式结合，得到一个新的水印信息，判断这个水印信息与第三方知识产权信息数据库中注册的水印信息的相似性，如果相似性极小，则认为待检测作品不是原注册过的作品，反之认为是原作者的作品。
鉴于此，如何提供一种视频零水印实现方法及系统，在不修改原始视频的基础上能够克服已有的视频零水印构造算法的速度问题，并在保证视频水印鲁棒性的同时，有效抵挡住旋转、缩放、平移等几何攻击成为目前需要解决的技术问题。
发明内容
为解决上述的技术问题，本发明提供一种基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法及系统，在不修改原始视频的基础上能够克服已有的视频零水印构造算法的速度问题，并在保证视频水印鲁棒性的同时，有效抵挡住旋转、缩放、平移等几何攻击。
第一方面，本发明提供一种基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法，包括：
提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度；
采用离散小波变换，将提取的关键帧中的数字图像信号由时域转变到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将获得的低频信号由频域转为时域，将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵计算其特征矩阵和特征值；
将水印图像进行加密，生成水印密文；
将所述水印密文与计算得到的特征值进行异或处理，形成零水印，并将所述零水印注册到知识产权信息数据库中。
可选地，所述提取视频中的关键帧，包括：
采用像素帧平均法提取视频中的关键帧；
其中，所述像素帧平均法，包括：
将视频分为多个视频段，取视频段中所有帧的某一位置上的像素值求其平均值，将该视频段中该位置上的像素值与该平均值之差最小的帧作为该视频段的关键帧。
可选地，所述将获得的低频信号由频域转为时域，包括：
将获得的低频信号进行去噪；
将去噪后的低频信号由频域转为时域。
可选地，所述将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵算出其特征矩阵和特征值，包括：
将转为时域的低频信号进行表象加权高精度双曲线radon变换，根据表象加权高精度双曲线radon变换生成的矩阵算出其特征矩阵和特征值。
可选地，所述将水印图像进行加密，生成水印密文，包括：
将水印图像进行Arnold置乱加密，生成水印密文。
第二方面，本发明提供一种基于小波和Radon变换的视频零水印实现系统，包括：关键帧提取模块、关键帧处理模块、水印图像加密模块和零水印构造及注册模块；其中：
所述关键帧提取模块，用于提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度；
所述关键帧处理模块，包括：小波变换单元和拉东变换单元；
所述小波变换单元，用于采用离散小波变换，将提取的关键帧中的数字图像信号由时域转变到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将获得的低频信号由频域转为时域；
所述拉东变换单元，用于将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵计算其特征矩阵和特征值；
所述水印图像加密模块，用于将水印图像进行加密，生成水印密文；
所述零水印构造及注册模块，用于将所述水印密文与计算得到的特征值进行异或处理，形成零水印，并将所述零水印注册到知识产权信息数据库中。
可选地，所述关键帧提取模块，具体用于采用像素帧平均法提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度；
其中，所述像素帧平均法，包括：
取视频段中所有帧的某一位置上的像素值求其平均值，将该视频段中该位置上的像素值与该平均值之差最小的帧作为该视频段的关键帧。
可选地，所述小波变换单元，具体用于
采用离散小波变换，将提取的关键帧中的数字图像信号由时域转变到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将获得的低频信号进行去噪，将去噪后的低频信号由频域转为时域。
可选地，所述拉东变换单元，具体用于
将转为时域的低频信号进行表象加权高精度双曲线radon变换，根据表象加权高精度双曲线radon变换生成的矩阵算出其特征矩阵和特征值。
可选地，所述水印图像加密模块，具体用于
将水印图像进行Arnold置乱加密，生成水印密文。
由上述技术方案可知，本发明的基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法及系统，在不修改原始视频的基础上能够克服已有的视频零水印构造算法的速度问题，并在保证视频水印鲁棒性的同时，有效抵挡住旋转、缩放、平移等几何攻击。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种基于小波和Radon变换的视频零水印实现系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明一实施例提供的基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法的流程示意图，如图1所示，本实施例的基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法，包括下述步骤101-104：
101、提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度。
应说明的是，步骤101提取关键帧的目的有两个方面：(1)静态表示视频节目的主题和主要内容，而不是动态的细节；(2)从关键帧中提取颜色、纹理和形状特征，以作为视频摘要和数据库索引的数据源，而不需要对每个画面都重复。因此，关键帧应该具有代表性，不仅应代表主题方面的特征，还应该视特征的不同而不同。因此，在代表特征不具体的情况一下，一般去掉重复(或冗余)帧。当选取多幅关键帧时，用于关键帧选取的准则是优先考虑关键帧之间的不相似性，即以帧之间的相似度作为衡量依据，每次寻找关键帧都保证各关键帧之间具有最小相似度，以使关键帧带有最大信息量。
在具体应用中，所述步骤101可以采用像素帧平均法提取视频中的关键帧。
其中，所述像素帧平均法，包括：
将视频分为多个视频段，取视频段中所有帧的某一位置上的像素值求其平均值，将该视频段中该位置上的像素值与该平均值之差最小的帧作为该视频段的关键帧。
这里使用的像素帧平均法是取一视频段中所有帧的某位置上的像素值求其平均来作为比较的标准，将视频段中此位置像素值最为接近平均值的帧，作为该视频段的关键帧。
102、采用离散小波变换，将提取的关键帧中的数字图像信号由时域转变到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将获得的低频信号由频域转为时域，将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵计算其特征矩阵和特征值。
在具体应用中，所述步骤102中的“将获得的低频信号由频域转为时域”，可以具体包括：
将获得的低频信号进行去噪；
将去噪后的低频信号由频域转为时域。
可理解的是，转为时域的低频信号具有较高的信噪比。
在具体应用中，将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换时，由于矩阵庞大，程序所需的内存、运算量成倍增长，而抛物线radon毕竟精度受限，且在频域上存在稳定性等问题，此时宜选用在时间-空间域中计算较为妥当；所以步骤102中的Radon变换可优选为表象加权高精度双曲线radon变换，步骤102中的“将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵算出其特征矩阵和特征值，可以具体为：
将转为时域的低频信号进行表象加权高精度双曲线radon变换，根据表象加权高精度双曲线radon变换生成的矩阵算出其特征矩阵和特征值。
可理解的是，在时间-空间域中对表象加权高精度双曲线radon变换求解，比在频域中使用它的求解过程稳定，计算精度高，节省内存，计算速度也大大加快，更能抗抗旋转、缩放、平移等几何攻击，也更适用于构造视频中的零数字水印。
103、将水印图像进行加密，生成水印密文。
优选地，所述步骤103可以将水印图像进行Arnold置乱(即猫脸置乱)加密，生成水印密文。
104、将所述水印密文与计算得到的特征值进行异或处理，形成零水印，并将所述零水印注册到知识产权信息数据库中。
在具体应用中，举例来说，所述知识产权信息数据库可以为IPR(知识产权Intellectual Property Rights)信息数据库。
可理解的是，离散小波变换DWT：余弦变换DCT是经典的谱分析工具，他考察的是整个时域过程的频域特征或整个频域过程的时域特征，因此对于平稳过程，他有很好的效果，但对于非平稳过程，他却有诸多不足。在JPEG中，离散余弦变换将图像压缩为8×8的小块，然后依次放入文件中，这种算法靠丢弃频率信息实现压缩，因而图像的压缩率越高，频率信息被丢弃的越多。在极端情况下，JPEG图像只保留了反映图像外貌的基本信息，精细的图像细节都损失了。离散小波变换是现代谱分析工具，他既能考察局部时域过程的频域特征，又能考察局部频域过程的时域特征，因此即使对于非平稳过程，处理起来也得心应手。他能将图像变换为一系列小波系数，这些系数可以被高效压缩和存储，此外，小波的粗略边缘可以更好地表现图像，因为他消除了DCT压缩普遍具有的方块效应。小波变换可以有效的将数字信号由时域转换到频域上，进行低频信号和高频信号的分离。再将信号由频域转换到时域上。
本实施例的基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法，可以实现不直接在视频中嵌入数字水印，而是构造了一种特定的方法将水印生成在数据库中，小波变换可以有效过滤掉图像的噪声，使用radon变换则可以有更好的几何变换不变性。这样构造出来的视频零水印不仅可以有效抵抗噪声等干扰，能够平衡传统视频数字水印嵌入时出现的水印鲁棒性和视频清晰度之间的矛盾，不更改任何视频数据，在不修改原始视频的基础上能够克服已有的视频零水印构造算法的速度问题，改善了零水印构造算法，提高了算法的构造效率及准确性，保证视频水印鲁棒性，离散小波变换后的信号具有较高的信噪比，radon变换后能够有效抵挡住旋转、缩放、平移等几何攻击。节省内存，计算速度也大大加快，所以更适用于构造视频中的零数字水印。
图2示出了本发明一实施例提供的基于小波和Radon变换的视频零水印实现系统的结构示意图，如图2所示，本实施例的基于小波和Radon变换的视频零水印实现系统，包括：关键帧提取模块21、关键帧处理模块22、水印图像加密模块23和零水印构造及注册模块24；其中：
所述关键帧提取模块21，用于提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度；
所述关键帧处理模块22，包括：小波变换单元22a和拉东变换单元22b；
所述小波变换单元22a，用于采用离散小波变换，将提取的关键帧中的数字图像信号由时域转变到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将获得的低频信号由频域转为时域；
所述拉东变换单元22b，用于将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵计算其特征矩阵和特征值；
所述水印图像加密模块23，用于将水印图像进行加密，生成水印密文；
所述零水印构造及注册模块24，用于将所述水印密文与计算得到的特征值进行异或处理，形成零水印，并将所述零水印注册到知识产权信息数据库中。
在具体应用中，所述关键帧提取模块21，可具体用于采用像素帧平均法提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度；
其中，所述像素帧平均法，包括：
取视频段中所有帧的某一位置上的像素值求其平均值，将该视频段中该位置上的像素值与该平均值之差最小的帧作为该视频段的关键帧。
在具体应用中，所述小波变换单元22a，可具体用于
采用离散小波变换，将提取的关键帧中的数字图像信号由时域转变到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将获得的低频信号进行去噪，将去噪后的低频信号由频域转为时域。
在具体应用中，所述拉东变换单元22b，可具体用于
将转为时域的低频信号进行表象加权高精度双曲线radon变换，根据表象加权高精度双曲线radon变换生成的矩阵算出其特征矩阵和特征值。
在具体应用中，所述水印图像加密模块23，可具体用于
将水印图像进行Arnold置乱加密，生成水印密文。
本实施例的基于小波和Radon变换的视频零水印实现系统，可以实现不直接在视频中嵌入数字水印，而是构造了一种特定的方法将水印生成在数据库中，小波变换可以有效过滤掉图像的噪声，使用radon变换则可以有更好的几何变换不变性。这样构造出来的视频零水印不仅可以有效抵抗噪声等干扰，能够平衡传统视频数字水印嵌入时出现的水印鲁棒性和视频清晰度之间的矛盾，不更改任何视频数据，在不修改原始视频的基础上能够克服已有的视频零水印构造算法的速度问题，改善了零水印构造算法，提高了算法的构造效率及准确性，保证视频水印鲁棒性，离散小波变换后的信号具有较高的信噪比，radon变换后能够有效抵挡住旋转、缩放、平移等几何攻击。节省内存，计算速度也大大加快，所以更适用于构造视频中的零数字水印。
本实施例所述的系统可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
需要说明的是，对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于小波和Radon变换的视频零水印实现方法，其特征在于，包括：
提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度；
采用离散小波变换，将提取的关键帧中的数字图像信号由时域转变到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将获得的低频信号由频域转为时域，将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵计算其特征矩阵和特征值；
将水印图像进行加密，生成水印密文；
将所述水印密文与计算得到的特征值进行异或处理，形成零水印，并将所述零水印注册到知识产权信息数据库中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取视频中的关键帧，包括：
采用像素帧平均法提取视频中的关键帧；
其中，所述像素帧平均法，包括：
将视频分为多个视频段，取视频段中所有帧的某一位置上的像素值求其平均值，将该视频段中该位置上的像素值与该平均值之差最小的帧作为该视频段的关键帧。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将获得的低频信号由频域转为时域，包括：
将获得的低频信号进行去噪；
将去噪后的低频信号由频域转为时域。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵算出其特征矩阵和特征值，包括：
将转为时域的低频信号进行表象加权高精度双曲线radon变换，根据表象加权高精度双曲线radon变换生成的矩阵算出其特征矩阵和特征值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将水印图像进行加密，生成水印密文，包括：
将水印图像进行Arnold置乱加密，生成水印密文。
6.一种基于小波和Radon变换的视频零水印实现系统，其特征在于，包括：关键帧提取模块、关键帧处理模块、水印图像加密模块和零水印构造及注册模块；其中：
所述关键帧提取模块，用于提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度；
所述关键帧处理模块，包括：小波变换单元和拉东变换单元；
所述小波变换单元，用于采用离散小波变换，将提取的关键帧中的数字图像信号由时域转变到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将获得的低频信号由频域转为时域；
所述拉东变换单元，用于将转为时域的低频信号进行拉东Radon变换，根据Radon变换生成的矩阵计算其特征矩阵和特征值；
所述水印图像加密模块，用于将水印图像进行加密，生成水印密文；
所述零水印构造及注册模块，用于将所述水印密文与计算得到的特征值进行异或处理，形成零水印，并将所述零水印注册到知识产权信息数据库中。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述关键帧提取模块，具体用于采用像素帧平均法提取视频中的关键帧，保证各关键帧之间具有最小相似度；
其中，所述像素帧平均法，包括：
取视频段中所有帧的某一位置上的像素值求其平均值，将该视频段中该位置上的像素值与该平均值之差最小的帧作为该视频段的关键帧。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述小波变换单元，具体用于
采用离散小波变换，将提取的关键帧中的数字图像信号由时域转变到频域上进行高频信号和低频信号的分解，将高频信号滤出，将获得的低频信号进行去噪，将去噪后的低频信号由频域转为时域。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述拉东变换单元，具体用于
将转为时域的低频信号进行表象加权高精度双曲线radon变换，根据表象加权高精度双曲线radon变换生成的矩阵算出其特征矩阵和特征值。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述水印图像加密模块，具体用于
将水印图像进行Arnold置乱加密，生成水印密文。
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WO2022048330A1 (zh) * 2020-09-01 2022-03-10 腾讯科技（深圳）有限公司 视频的水印添加和提取方法、装置、设备及存储介质

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