CN107888925A - 一种视频数字隐藏信息的嵌入方法和检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了视频数字隐藏信息的嵌入方法和检测方法，嵌入方法：从原始视频中选取需进行数字隐藏信息嵌入的原始视频帧图像；将待嵌入的数字隐藏信息转换为隐藏信息二值图像；对原始视频帧图像进行分块DCT；根据各图像子块对应的于隐藏信息二值图像中的像素，分别对进行DCT后的各图像子块的中频系数进行修改，以进行数字隐藏信息的嵌入；将修改后的DCT系数进行分块离散余弦逆变换，得到已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像；用已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像替换原始视频中的原始视频帧图像。检测方法：选取视频中已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像及其前一帧图像并直接相减得到差值图像；对差值图像依次进行下采样和二值化得到隐藏信息二值图像。

Description

一种视频数字隐藏信息的嵌入方法和检测方法
技术领域
本发明涉及数字媒体内容版权管理领域，具体涉及一种鲁棒性视频数字信息隐藏的实现方法和相应的隐藏信息检测方法。
背景技术
视频内容极大方便了人们的生活，但技术的发展使得视频内容的复制、篡改、侵权变得更加容易，这给视频版权厂商带来很大的经济损失，因此视频版权保护越来越受到关注。
数字信息隐藏是在数字多媒体内容中，比如图片、音频、视频等内容中，将隐藏信息(带有版权信息的数字序列或图像)通过一些信息隐藏的算法嵌入到多媒体内容中，而嵌入后的隐藏信息具有良好的不可见性，用人的感官不可感知，但是通过特定的软件可以检测出来。这样一来，即使带隐藏信息的数字多配体内容被复制或者录屏等拷贝，甚至被盗版攻击(例如丢帧、帧率变化、剪裁、旋转、压缩、转码、比特率降低、模糊、亮化、马赛克、长宽比改变、放大缩小等)，隐藏信息依旧能从拷贝或盗版攻击后的副本中检测出来。
现阶段已有研究者将数字隐藏信息和离散傅里叶变换、离散余弦变换、离散小波变换等相结合，提出了基于变换域的数字信息隐藏技术，其为了提高隐藏信息的不可见性，将宿主图像变换到变换域上，并在变换域上嵌入较低浓度的隐藏信息。如何提高数字隐藏信息的不可见性和鲁棒性，减少数字隐藏信息检出时长，提高数字隐藏信息容量成为一个需要解决的问题。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种不可见性好、鲁棒性强并且效率较高的可应用于视频内容版权保护的视频数字隐藏信息的嵌入方法，该嵌入方法具有较强的鲁棒性，可有效抵抗水平中轴旋转、视频转码、分辨率缩放、旋转、剪裁、滤波、长宽比改变、帧率变化以及录屏拷贝等盗版攻击，并且还提高了隐藏信息的检测效率。
本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：
一种视频数字隐藏信息的嵌入方法，包括步骤S1至S6：
S1、从原始视频中选取需进行数字隐藏信息嵌入的原始视频帧图像；以及，将待嵌入的数字隐藏信息转换为隐藏信息二值图像；
S2、对选取的原始视频帧图像进行分块，得到多个图像子块；其中，每个图像子块对应于所述隐藏信息二值图像中的一个像素；
S3、分别对各图像子块进行离散余弦变换；
S4、根据各图像子块对应的所述像素，分别对进行离散余弦变换后的各图像子块的中频系数进行修改，以进行所述数字隐藏信息的嵌入；
S5、将修改后的离散余弦变换系数进行分块离散余弦逆变换，得到已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像，其中，所述离散余弦变换系数包括低频系数、中频系数和高频系数；
S6、用已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像替换原始视频中的所述原始视频帧图像。
本发明提供的上述技术方案，利用变换域隐藏信息良好的不可见性，结合空域隐藏信息空间位置组织关系，将隐藏信息二值图像映射到视频宿主帧图像，然后通过修改离散余弦变换的变换块的中频系数来嵌入数字隐藏信息，之后进行离散余弦逆变换得到嵌入数字隐藏信息后的视频帧图像；另一方面，本发明不对数字隐藏信息进行置乱等预处理，这样使得隐藏信息图像像素之间的空间位置关系也得以映射到嵌入数字隐藏信息的视频帧图像中，从而使得嵌入的数字隐藏信息具有较高的不可见性与鲁棒性，可抵抗水平中轴旋转、视频转码、分辨率缩放、旋转、剪裁、滤波、长宽比改变、帧率变化以及视频录制等攻击；并使得数字隐藏信息嵌入和检测的效率得以提升。
本发明的另一目的在于提出一种视频数字隐藏信息的检测方法，用于检测通过前述嵌入方法嵌入到视频中的数字隐藏信息，该检测方法包括：
选取视频中已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像及其前一帧图像；
计算选取的视频帧图像及其前一帧图像的差值图像；
对所述差值图像依次进行下采样处理和二值化处理，得到隐藏信息二值图像。
本发明提出的上述视频数字隐藏信息的检测方法，专门用于检测通过前述嵌入方法嵌入到视频中的数字隐藏信息。在前述数字隐藏信息的嵌入过程中，修改了中频系数的图像子块之间的空间位置关系恰好对应着数字隐藏信息图像像素的空间位置关系，所以经过修改中频系数后的图像子块组合起来就是一个放大的隐藏信息图像，这种关系的保留直接提高了检测数字隐藏信息的效率。由于嵌入数字隐藏信息的视频帧图像是由前一帧图像的复制帧嵌入数字隐藏信息而来，因此直接将嵌入数字隐藏信息的视频帧图像与前一帧图像相减，再做下采样即可得到隐藏信息图像。这就使得本发明的检测方法不需要通过做嵌入过程的逆过程来检测，因此具有较高的检测效率和较小的计算量，得到隐藏信息二值图像后即可从中肉眼观察到我们所嵌入的数字隐藏信息。整个检测过程无需像传统的变换域信息隐藏实现方法那样，必须通过做隐藏信息嵌入的逆过程来检测提取隐藏信息。
附图说明
图1是本发明实施例提供的视频数字隐藏信息的嵌入流程图；
图2是本发明实施例提供的视频数字隐藏信息的检测流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明的一具体实施方式提供了一种视频数字隐藏信息的嵌入方法，供版权方将一些特定的信息嵌入到其多媒体内容尤其是视频中，实现版权的有效管理。参考图1，该嵌入方法大致包括步骤S1至S6：
步骤S1、从原始视频中选取需进行数字隐藏信息嵌入的原始视频帧图像；以及，将待嵌入的数字隐藏信息转换为隐藏信息二值图像。在一优选的实施例中，根据原始视频中的场景变换，选定场景变换前的最后一帧图像作为关键帧图像，然后复制所述关键帧图像的前一帧图像，用以替换所述关键帧图像来作为需进行数字隐藏信息嵌入的原始视频帧图像。在一段视频中，往往会有多个场景变换，则可以针对其中任一场景变换来选取关键帧图像。所述隐藏信息二值图像通过以下方法获得：将待嵌入的数字隐藏信息转换为隐藏信息图像，再将所述隐藏信息图像二值化，得到所述隐藏信息二值图像。待嵌入的数字隐藏信息例如可以是字符串或图像：当其是字符串的时候，需先将字符串转换为所述隐藏信息图像，再将所述隐藏信息图像二值化；当其本身就是图像的，则直接将图像二值化。
步骤S2、对选取的原始视频帧图像进行分块，得到多个图像子块；其中，每个图像子块对应于所述隐藏信息二值图像中的一个像素。分块的依据则是：根据所述原始视频帧图像和所述隐藏信息二值图像之间的尺寸对应关系，将所述原始视频帧图像进行分块，使得分块得到的每个所述图像子块分别对应于所述隐藏信息二值图像中的一个像素。
进行分块的具体方法见如下的公式(1a)、(1b)、(1c)、(1d)、(1e)、(1f)、(1g)和(1h)：
sh＝Ih/Wh (1a)
sw＝Iw/Ww (1b)
bh＝[sh] (1c)
bw＝[sw] (1d)
x_left＝[q*sw] (1e)
x_right＝[q*sw]+bw (1f)
y_up＝[j*sh] (1g)
y_down＝[j*sh]+bh (1h)
其中，公式(1c)至(1h)中的符号[]表示向下取整函数，Ih和Iw是所述原始视频帧图像(也就是原始视频中用于嵌入隐藏信息的宿主图像)的高和宽，Wh和Ww是数字隐藏信息的二值图像的高和宽，bh和bw为分块后每个图像子块的高和宽；x_left,x_right,y_up,y_down是数字隐藏信息二值图像像素(q,j)对应的图像子块的四个边界。例如，使用大小512×512的原始视频帧图像来嵌入数字隐藏信息，而数字隐藏信息的二值图像大小为64×128，则每个图像子块的大小为8×4。
步骤S3、分别对各图像子块进行离散余弦变换。具体见公式(2)：
在上述公式(2)中，X(u,v)是图像子块经离散余弦变换后得到的系数矩阵，u,v是广义频率，0≤u≤M-1，0≤v≤N-1；当u＝0时否则当v＝0时否则M、N分别表示一图像子块的行数和列数，row＝0,1,…,M-1表示图像子块的各行号，col＝0,1,…,N-1表示图像子块的各列号；xrow,col表示图像子块的第row行第col列的像素值。
步骤S4、根据各图像子块对应的所述像素，分别对进行离散余弦变换后的各图像子块的中频系数进行修改，以进行所述数字隐藏信息的嵌入。
步骤S5、将修改后的离散余弦变换系数进行分块离散余弦逆变换，得到已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像，其中，所述离散余弦变换系数包括低频系数、中频系数和高频系数。对于某一图像子块而言，其中频系数在该图像子块经离散余弦变换后得到的离散余弦变换系数矩阵中的位置可以通过如下方法来确定：σ/2＜mi+mj＜σ，σ＝min(bh,bw)；其中，mi表示中频系数在离散余弦变换系数矩阵中的行号，mj表示中频系数在离散余弦变换系数矩阵中的列号；bh是离散余弦变换系数矩阵的行数，bw是离散余弦变换系数矩阵的列数。
步骤S6、用已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像替换原始视频中的所述原始视频帧图像，即得到嵌入了数字隐藏信息的视频。所嵌入的数字隐藏信息即代表了版权所属。
在一种具体的实施例中，步骤S4具体包括S41和S42：
S41、计算各图像子块的隐藏信息嵌入强度；其中，当一图像子块对应的所述像素为黑色时，隐藏信息嵌入强度为SB；当一图像子块对应的所述像素为白色时，隐藏信息嵌入强度为SW，并且，SW设定为0；
S42、当一图像子块对应的所述像素为黑色时，将该图像子块进行离散余弦变换后的中频系数加上对应的隐藏信息嵌入强度SB以更新中频系数；当一图像子块对应的所述像素为白色时，将该图像子块进行离散余弦变换(后面简称“DCT”)后的中频系数加上对应的隐藏信息嵌入强度SW以更新中频系数。
其中，每个对应于一黑色像素的图像子块都有其相应的SB，例如，某一图像子块F对应于二值图像中的某一黑色像素T，则隐藏信息在该图像子块F的嵌入强度SB通过以下公式(3)计算：
公式(3)中，θ＝1+exp(0.08736*B-0.07429*G-0.01645*R+0.02269)；R、G、B分别为图像子块F进行DCT后的红、绿、蓝三通道的平均值(灰度均值)；μ为图像子块F进行DCT后的纹理复杂度，并且有：
在公式(4)中，i＝0,1,2,…,L-1；L为灰度级的总数量，zi为第i个灰度级的灰度值，p(zi)为相应的直方图，
公式(3)中的其中，h1(zR,G,B)表示所述关键帧图像的归一化彩色直方图矩阵，h2(zR,G,B)表示所述关键帧图像的前一帧图像的归一化彩色直方图矩阵，归一化彩色直方图矩阵通过下式求解：
其中，E＝1,2；p(zr,g,b)为相应的帧图像中RGB颜色值分别为r、g、b的像素个数，p(zR,G,B)为相应的帧图像中RGB颜色值分别为R、G、B的像素个数。hist_diff即表征了前后视频帧图像的变化大小。
通过上述方法求得相应的隐藏信息嵌入强度后，加到对应的中频系数上。例如，图像子块F在经过DCT变换后的中频系数为α，则修改更新后的中频系数为α+SB，SB为通过前述公式(3)求得的图像子块F的隐藏信息嵌入强度。
按照上述的方式修改中频系数，把隐藏信息二值图像映射到图像子块中，相当于将隐藏信息嵌入到所述原始视频帧图像中。并且，通过上述修改中频系数的方法进行隐藏信息嵌入，引入了嵌入强度的自适应，即根据图像子块的颜色、纹理复杂度和前后视频帧图像变化幅度控制数字隐藏信息的嵌入强度，采用逻辑回归算法对颜色和数字隐藏信息嵌入强度之间的关系建模，用图像统计灰度直方图方差衡量了图像的纹理复杂度，并用前后视频帧图像归一化的彩色直方图的差的绝对值之和hist_diff表征前后视频帧图像的变化的大小。在做到数字隐藏信息不可见的同时最大化地利用了载体信息进行了信息隐藏，相比于采用固定嵌入强度嵌入数字隐藏信息，在同样的不可见性前提下，自适应强度算法嵌入了更大强度的数字隐藏信息，增强了数字隐藏信息检测的鲁棒性。
按照上述的方法对每一个经过DCT的图像子块的中频系数都进行修改，再分别将修改后的离散余弦变换系数进行分块离散余弦逆变换，得到已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像，其中，所述离散余弦变换系数包括低频系数、中频系数和高频系数。需要说明，对于对应白色像素的图像子块而言，即便SW为0，中频系数的值实际上并没有改变，但也需要将其对应的离散余弦变换系数进行分块离散余弦逆变换。离散余弦逆变换通过以下公式进行：
如图2所示，本发明的另一具体实施方式提供了一种视频数字隐藏信息的检测方法，专门用于检测通过前述实施方式的嵌入方法嵌入到视频中的数字隐藏信息。该检测方法包括：选取视频中已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像(优选为视频场景变换前的最后一帧图像)及其前一帧图像；计算选取的视频帧图像及其前一帧图像的差值图像；再对所述差值图像依次进行下采样处理和二值化处理，得到隐藏信息二值图像。从得到的隐藏信息二值图像可以很容易地用肉眼分辨出通过前述嵌入方法嵌入到视频中的数字隐藏信息。
由前述嵌入方法的过程可知，由于嵌入数字隐藏信息的视频帧图像是由前一帧图像的复制帧嵌入数字隐藏信息而来，因此直接将嵌入数字隐藏信息的视频帧图像与前一帧图像相减，再做下采样和二值化即可得到数字隐藏信息的二值图像，从该二值图像中可肉眼读取到我们嵌入的数字隐藏信息。可见，该检测方法的效率之高；而且具有很好的鲁棒性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种视频数字隐藏信息的嵌入方法，包括步骤S1至S6：
S1、从原始视频中选取需进行数字隐藏信息嵌入的原始视频帧图像；以及，将待嵌入的数字隐藏信息转换为隐藏信息二值图像；
S2、对选取的原始视频帧图像进行分块，得到多个图像子块；其中，每个图像子块对应于所述隐藏信息二值图像中的一个像素；
S3、分别对各图像子块进行离散余弦变换；
S4、根据各图像子块对应的所述像素，分别对进行离散余弦变换后的各图像子块的中频系数进行修改，以进行所述数字隐藏信息的嵌入；
S5、将修改后的离散余弦变换系数进行分块离散余弦逆变换，得到已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像，其中，所述离散余弦变换系数包括低频系数、中频系数和高频系数；
S6、用已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像替换原始视频中的所述原始视频帧图像。
2.如权利要求1所述的视频数字隐藏信息的嵌入方法，其特征在于：所述原始视频帧图像的选取具体包括：根据原始视频中的场景变换，选定场景变换前的最后一帧图像作为关键帧图像；以及，复制所述关键帧图像的前一帧图像，用以替换所述关键帧图像来作为需进行数字隐藏信息嵌入的原始视频帧图像。
3.如权利要求1所述的视频数字隐藏信息的嵌入方法，其特征在于：所述隐藏信息二值图像通过以下方法获得：将待嵌入的数字隐藏信息转换为隐藏信息图像，再将所述隐藏信息图像二值化，得到所述隐藏信息二值图像。
4.如权利要求1所述的视频数字隐藏信息的嵌入方法，其特征在于：步骤S2具体包括：根据所述原始视频帧图像和所述隐藏信息二值图像之间的尺寸对应关系，将所述原始视频帧图像进行分块，使得分块得到的每个所述图像子块分别对应于所述隐藏信息二值图像中的一个像素。
5.如权利要求2所述的视频数字隐藏信息的嵌入方法，其特征在于：步骤S4具体包括：
S41、计算各图像子块的隐藏信息嵌入强度；
S42、分别将各图像子块进行离散余弦变换后的中频系数加上对应的隐藏信息嵌入强度，以更新中频系数。
6.如权利要求5所述的视频数字隐藏信息的嵌入方法，其特征在于：
步骤S41具体包括：当一图像子块对应的所述像素为黑色时，隐藏信息嵌入强度为SB；当一图像子块对应的所述像素为白色时，隐藏信息嵌入强度为SW，并且，SW设定为0；
步骤S42具体包括：当一图像子块对应的所述像素为黑色时，将该图像子块进行离散余弦变换后的中频系数加上对应的隐藏信息嵌入强度SB；当一图像子块对应的所述像素为白色时，将该图像子块进行离散余弦变换后的中频系数加上对应的隐藏信息嵌入强度SW。
7.如权利要求6所述的视频数字隐藏信息的嵌入方法，其特征在于：对应于一黑色像素的一图像子块的隐藏信息嵌入强度SB通过以下公式计算得到：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mi>&amp;theta;</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>,</mo> <mfrac> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>100</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>*</mo> <mi>h</mi> <mi>i</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，θ＝1+exp(0.08736*B-0.07429*G-0.01645*R+0.02269)，R、G、B分别为所述对应于一黑色像素的图像子块进行离散余弦变换后的红、绿、蓝三通道的平均值；
μ为所述对应于一黑色像素的图像子块进行离散余弦变换后的纹理复杂度，并且有：
其中，i＝0,1,2,…,L-1；L为灰度级的总数量，zi为第i个灰度级的灰度值，p(zi)为相应的直方图，
其中，h1(zR,G,B)表示所述关键帧图像的归一化彩色直方图矩阵，h2(zR,G,B)表示所述关键帧图像的前一帧图像的归一化彩色直方图矩阵，并且有：
其中，E＝1,2；p(zr,g,b)为相应的帧图像中RGB颜色值分别为r、g、b的像素个数，p(zR,G,B)为相应的帧图像中RGB颜色值分别为R、G、B的像素个数。
8.如权利要求1所述的视频数字隐藏信息的嵌入方法，其特征在于：在所述图像子块经离散余弦变换后得到的离散余弦变换系数矩阵中，所述中频系数的位置通过以下方法确定：
σ/2＜mi+mj＜σ
其中，mi表示中频系数在离散余弦变换系数矩阵中的行号，mj表示中频系数在离散余弦变换系数矩阵中的列号；σ＝min(bh,bw)，bh是离散余弦变换系数矩阵的行数，bw是离散余弦变换系数矩阵的列数。
9.一种视频数字隐藏信息的检测方法，其特征在于：用于检测通过权利要求1至8任一项所述的嵌入方法嵌入到视频中的数字隐藏信息；
所述检测方法包括：
选取视频中已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像及其前一帧图像；
计算选取的视频帧图像及其前一帧图像的差值图像；
对所述差值图像依次进行下采样处理和二值化处理，得到隐藏信息二值图像。
10.如权利要求9所述的视频数字隐藏信息的检测方法，其特征在于：已嵌入数字隐藏信息的视频帧图像为视频场景变换前的最后一帧图像。
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