CN107911698B - 视频数字水印信息的嵌入方法和检测方法 - Google Patents

视频数字水印信息的嵌入方法和检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开视频数字水印信息的嵌入方法和检测方法：选取需进行水印嵌入的原始视频帧图像并将其中一通道图像作离散傅里叶变换，得到其幅度谱和相位谱图像；根据水印信息二值图像的像素值修改幅度谱图像或相位谱图像的对应像素值，以进行水印嵌入；对经过图像像素值修改后的幅度谱图像或相位谱图像进行离散傅里叶逆变换，得到已嵌入水印的图像，再与其余两通道图像合并得到嵌入水印的视频帧图像；用已嵌入水印的视频帧图像替换原始视频中的原始视频帧图像，得到嵌入水印的视频。检测：选取视频中已嵌入水印的视频帧及其前一帧图像，分别作离散傅里叶变换，得到对应的幅度谱图像和相位谱图像，将两幅度谱图像或两相位谱图像相减，得到水印信息图像。

Description

视频数字水印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，具体涉及基于傅里叶变换的鲁棒性视频数字水印信息隐藏的实现方法和相应的水印检测方法。
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。
数字水印信息隐藏技术是运用不同的嵌入算法将特定的数字水印信息嵌入到多媒体产品(图片、音频、视频等)中。带有版权信息的数字水印信息可以是数字序列或图像，将水印(带有版权信息的数字序列或图像)通过一些算法嵌入到这些多媒体载体中，它可以嵌入在多媒体载体的任意部分，但是要尽量降低对载体的影响，使得嵌入水印后的载体具有良好的水印不可见性，用人的感官不可感知。
按照数字水印嵌入方式，可将数字水印技术分为空域数字水印技术和变换域数字水印技术。空域数字水印是将水印信息直接加入载体的空间域，比如直接在图像像素值上加入水印；变换域数字水印是先将原始载体做某种变换，比如离散傅里叶变换、小波变换、离散余弦变换等，然后将水印信息加入到变换域中。通过一些特有的算法即可将水印检测出来。如何提高数字水印信息的不可见性和鲁棒性，以及提高嵌入和检出的效率，是业界努力的方向。
发明内容
本发明的主要目的在于利用变换域水印良好的不可见性，结合空域水印空间位置组织关系，将水印加入到视频帧图像的幅度谱图像中，并进行离散傅里叶逆变换得到嵌入水印后的视频帧图像，提出一种不可见性好、鲁棒性强、效率较高的可应用于视频内容版权保护的视频数字水印信息的嵌入方法。
本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：
一种视频数字水印信息的嵌入方法，包括步骤S1至S6：
S1、从原始视频中选取需进行数字水印信息嵌入的原始视频帧图像，从所述原始视频帧图像的RGB三通道图像中，选取其中一通道图像进行离散傅里叶变换，得到所述原始视频帧图像的幅度谱图像和相位谱图像；
S2、将待嵌入的数字水印信息转换为预定尺寸的二值图像；
S3、根据所述二值图像的各像素的像素值，基于所述二值图像与所述幅度谱图像或相位谱图像之间的尺寸对应关系，修改所述幅度谱图像或相位谱图像的相应像素的像素值，以将所述数字水印信息嵌入到所述幅度谱图像或所述相位谱图像中；
S4、若所述数字水印信息是嵌入在幅度谱图像中，则结合所述相位谱图像，对经过图像像素值修改后的幅度谱图像进行离散傅里叶逆变换，得到已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像；若所述数字水印信息是嵌入在相位谱图像中，则结合所述幅度谱图像，对经过图像像素值修改后的相位谱图像进行离散傅里叶逆变换，得到已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像；
S5、将步骤S4得到的已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像与所述原始视频帧图像的另外两通道图像合并，得到已嵌入数字水印信息的视频帧图像；
S6、用所述已嵌入数字水印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，得到嵌入数字水印信息的视频。
本发明提供的上述嵌入方法，将数字水印信息嵌入原始视频帧图像的幅度谱图像或相位谱图像中，经过离散傅里叶逆变换之后，水印信息分散到了视频帧图像的每个像素点，这样不仅保证了水印的不可见性，而且由于傅里叶变换的旋转不变性，即使视频经过旋转，水印信息也能提取出来。另一方面，空域的裁剪也对傅里叶变换影响不大，所以通过本发明的方法嵌入的水印信息，还能对抗裁剪、缩放、滤波等盗版攻击，从而提高了数字水印信息的不可见性和鲁棒性。
本发明的另一目的在于提出一种视频数字水印信息的检测方法，用于检测通过前述嵌入方法嵌入到视频中的数字水印信息，该检测方法包括：
选取视频中已嵌入数字水印信息的视频帧图像及其前一帧图像；
分别对所述视频帧图像和所述前一帧图像进行离散傅里叶变换，得到所述视频帧图像的幅度谱图像和相位谱图像以及所述前一帧图像的幅度谱图像和相位谱图像；
若所述数字水印信息是嵌入在幅度谱图像中，则将所述视频帧图像的幅度谱图像和所述前一帧图像的幅度谱图像相减，并根据数字水印信息嵌入时所述二值图像与所述幅度谱图像之间的位置对应关系，定位到水印嵌入位置，得到水印信息图像；
若所述数字水印信息是嵌入在相位谱图像中，则将所述视频帧图像的相位谱图像和所述前一帧图像的相位谱图像相减，并根据数字水印信息嵌入时所述二值图像与所述相位谱图像之间的位置对应关系，定位到水印嵌入位置，得到水印信息图像。
通过本发明的前述嵌入方法所嵌入的水印信息具有良好的不可见性和鲁棒性，能够有效对抗盗版攻击，并且能通过上述的检测方法，高效、准确地从被盗版的视频中检测出来，提高了版权管理的效率和有效性。上述检测方法不需要像传统的方法一样做嵌入过程的逆过程，从而降低了算法的复杂度，提高了效率，两幅幅度谱或相位谱图像相减得到差值图像，再根据进行水印信息嵌入时二值图像与幅度谱或相位谱之间的位置对应关系，从差值图像中定位到水印嵌入位置，即可得到水印信息图像。实现了快速、准确的水印检测，使得版权所有者可以快速对盗版进行反击。
附图说明
图1是本发明具体实施例的视频数字水印信息的嵌入方法流程图；
图2是本发明具体实施例的视频数字水印信息的检测方法流程图；
图3是进行水印嵌入时水印信息的二值图像与幅度谱图像或相位谱图像之间的位置对应关系。
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。
说明：本发明中所涉及的图像尺寸/大小都是以像素来计的，而非以长度单位(如cm、mm等)来计的。
本发明的一具体实施方式提供了一种视频数字水印信息的嵌入方法，供版权方将一些特定的水印信息嵌入到其多媒体内容尤其是视频中，进行版权管理。参考图1，该嵌入方法包括步骤S1至S6：
步骤S1、从原始视频中选取需进行数字水印信息嵌入的原始视频帧图像，从所述原始视频帧图像的RGB三通道图像中，选取其中一通道图像进行离散傅里叶变换，得到所述原始视频帧图像的幅度谱图像和相位谱图像。
作为一种具体的实施例，步骤S1中所述原始视频帧图像的选取可以采用如下的方式：从所述原始视频的第一帧开始，依次选取相邻的n帧，n＝2,3,4,…,N，N为所述原始视频的总帧数，得到N/n组视频帧，其中每组包含n个帧；分别选取每组视频帧的第k帧来作为需进行数字水印信息嵌入的原始视频帧图像，其中k＝2,3,…,n。例如，将一段具有N＝1000帧的原始视频，从第一帧开始依次选取相邻n＝10帧来进行分组，得到100个组，再分别选取每组视频帧的第k＝3帧作为所述原始视频帧，从而得到100个需嵌入水印的原始视频帧图像，然后分别对每个原始视频帧图像作同样的傅里叶变换处理。例如，将所述原始视频帧图像进行RGB通道分离，分别都得到三通道图像，可以对其中任一通道的图像进行离散傅里叶变换(DFT)，从而得到所述原始视频帧图像的幅度谱图像(可简称“幅度谱”)和相位谱图像(可简称“相位谱”)。
需要说明，以上对视频帧进行分组的n、k等取值仅仅是距离，可根据实际情况由版权所有者自行设置来进行分组。
作为另一种具体的实施例，步骤S1中所述原始视频帧图像的选取还可以采用如下的方式：根据所述原始视频中的场景变换，选定其中至少一个场景变换前的最后一帧图像，作为需进行数字水印信息嵌入的所述原始视频帧图像，从而得到至少一个所述原始视频帧图像；同时，分别复制所述最后一帧图像，用以分别替换各自的前一帧图像。例如，一段原始视频中具有多处场景变换，我们可以选择其中一个或多个场景变换，选定场景变换前的最后一帧来作为所述原始视频帧图像。原始视频帧图像的选取方式在本发明中不作限制。
步骤S2、将待嵌入的数字水印信息转换为预定尺寸的二值图像。待嵌入的数字水印信息可能是用于表征版权的文字、字符串或图像，当其是文字、字符串时，需要先将这些文字或字符串转换成图像，再将水印信息图像二值化，得到所述二值图像。
步骤S3、根据所述二值图像的各像素的像素值，基于所述二值图像与所述幅度谱图像或相位谱图像之间的尺寸对应关系，修改所述幅度谱图像或相位谱图像的相应像素的像素值，以将所述数字水印信息嵌入到所述幅度谱图像或所述相位谱图像中。
步骤S4、若步骤S3是将所述数字水印信息嵌入在幅度谱图像中，则结合所述相位谱图像，对经过图像像素值修改后的幅度谱图像进行离散傅里叶逆变换，得到已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像；若步骤S3是将所述数字水印信息嵌入在相位谱图像中，则结合所述幅度谱图像，对经过图像像素值修改后的相位谱图像进行离散傅里叶逆变换，得到已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像。
将步骤S4得到的已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像与所述原始视频帧图像的另外两通道图像合并，得到已嵌入数字水印信息的视频帧图像。
例如，步骤S1中是对所述原始视频帧图像的B通道图像进行DFT，从而得到所述原始视频帧图像的幅度谱图像和相位谱图像；接着，步骤S3中是根据所述二值图像与所述幅度谱图像之间的尺寸对应关系，以及根据二值图像的像素值，来修改所述幅度谱图像的相应像素的像素值，则，水印信息就是嵌入到幅度谱图像中。接着，在步骤S4中，结合所述相位谱图像，对经过图像像素值修改后的幅度谱图像进行离散傅里叶逆变换，得到已嵌入数字水印信息的B通道图像。在步骤S5中，将得到的已嵌入数字水印信息的B通道图像与原始视频帧图像的R通道、G通道图像进行合并，得到嵌入了数字水印信息的视频帧图像。
步骤S6、用所述已嵌入数字水印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，得到嵌入数字水印信息的视频。
对所述原始视频帧图像的其中一通道图像(例如B通道图像)进行DFT采用如下的公式(1)：
公式(1)中，F(u,v)即表示所述B通道图像经DFT所得到的频谱图像，F(u,v)可以分解为实部和虚部，即F(u,v)＝R(u,v)+jI(u,v)，R(u,v)和I(u,v)分别是傅里叶变换的实部和虚部，j是虚数单位；f(m,n)表示所述B通道图像的二维矩阵中第(m+1)行、第(n+1)列的元素，M、N分别表示所述B通道图像的高和宽，即所述B通道图像的大小为M×N；u、v分别表示所述频谱图像的二维矩阵的第(u+1)行和第(v+1)列。
对B通道图像进行DFT得到的所述幅度谱图像和所述相位谱图像分别为|A(u,v)|和θ(u,v)，其中：
作为一种优选的实施例，步骤S3中可通过如下公式(2)来修改所述幅度谱图像或所述相位谱图像的相应像素的像素值：
上式(2)中，Ix,y和I'x,y分别表示所述幅度谱图像或所述相位谱图像的第x行、第y列的像素的原始像素值和修改后的像素值；所述幅度谱图像和所述相位谱图像的大小均为X×Y，所述二值图像的大小为Hw×Ww，Wp,q表示所述二值图像的第p行、第q列的像素的像素值，p＝1,2,3,…,Hw，q＝1,2,3,…,Ww；α为一大于0的常数。参考图3，所述二值图像与所述幅度谱图像或相位谱图像之间的尺寸对应关系是：所述二值图像位于所述幅度谱图像或所述相位谱图像的边界内，且二值图像各边界与幅度谱图像或相位谱图像的相应边界之间的距离分别为Hu、Hd、Wl、Wr(该四个参数也是以像素为像素为单位)，并且有Hu+Hd+Hw＝X、Wl+Wr+Ww＝Y以及x＝p+Hu、y＝q+Wl。如图3所示的所述尺寸对应关系相当于在进行水印嵌入时(步骤S3)所述二值图像与所述幅度谱图像或相位谱图像之间的位置对应关系。并且，以上参数是版权所有者所设定，只有版权所有者知道。
参考图3，从上述的公式(2)及其相关内容可知，幅度谱图像(或者相位谱图像)的像素值修改只涉及与二值图像重叠的那部分像素，比如，当p＝1且q＝1时，幅度谱图像(或相位谱图像)中的相应像素即是幅度谱图像(或相位谱图像)的第1+Hu行、第1+Wl列的像素，即采用公式(2)，根据二值图像的第1行、第1列的像素的像素值来修改幅度谱图像(或相位谱图像)的该对应像素的像素值。
在该优选的实施例中，根据图像的像素值的不同来调整水印信息嵌入的强度，在同样的水印不可见性前提下，提高了水印信息的不可见性，增强了水印信息检测的鲁棒性。
在一种具体的实施例中，步骤S4中结合所述相位谱图像θ(u,v)，对修改像素值后的幅度谱图像进行离散傅里叶逆变换可通过如下公式(3)实现：
公式(3)中，f′(m,n)表示已嵌入数字水印信息的B通道图像(接前述的例子，前述例子中是对三通道的B通道图像进行DFT。若前述的例子中步骤S1是对R或G通道图像进行DFT，则此处即是R或G通道图像)，|A(u,v)|′为修改像素值后的幅度谱图像，U、V分别表示已嵌入数字水印信息的频谱图像F′(u,v)的高和宽，所述已嵌入数字水印信息的频谱图像F′(u,v)的大小为U×V，其中F′(u,v)＝|A(u,v)|′·ej·θ(u，v)；B通道图像在嵌入数字水印信前后，其大小是不变的，因此，嵌入前后所对应的二维矩阵的大小也相同，m、n分别表示所述B通道图像的二维矩阵的第(m+1)行和第(n+1)列。
在另一种实施例中，步骤S4中结合所述幅度谱图像|A(u,v)|，对修改像素值后的相位谱图像进行离散傅里叶逆变换具体通过如下公式(4)实现：
其中，f′(m,n)表示已嵌入数字水印信息的B通道图像(仍接前述的例子)，θ(u,v)′为修改像素值后的相位谱图像，U、V分别表示已嵌入数字水印信息的频谱图像F′(u,v)的高和宽，所述已嵌入数字水印信息的频谱图像F′(u,v)的大小为U×V，其中F′(u,v)＝θ(u,v)′·ej·A(u，v)；m、n分别表示所述B通道图像的二维矩阵的第(m+1)行和第(n+1)列。
本发明的另一具体实施方式提供了一种视频数字水印信息的检测方法，用于检测通过前述实施例的嵌入方法嵌入到视频中的数字水印信息。
参考图2，所述检测方法包括：选取视频中已嵌入数字水印信息的视频帧图像及其前一帧图像；分别对所述视频帧图像和所述前一帧图像进行离散傅里叶变换，得到所述视频帧图像的幅度谱图像和相位谱图像以及所述前一帧图像的幅度谱图像和相位谱图像；若所述数字水印信息是嵌入在幅度谱图像中，则将所述视频帧图像的幅度谱图像和所述前一帧图像的幅度谱图像相减，并根据数字水印信息嵌入时所述二值图像与所述幅度谱图像之间的位置对应关系(如图3所示例的对应关系)，定位到水印嵌入位置，得到水印信息图像；若所述数字水印信息是嵌入在相位谱图像中，则将所述视频帧图像的相位谱图像和所述前一帧图像的相位谱图像相减，并根据数字水印信息嵌入时所述二值图像与所述相位谱图像之间的位置对应关系(如图3所示例的对应关系)，定位到水印嵌入位置，得到水印信息图像。
通过本发明前述实施方式中所提供的视频数字水印信息的嵌入方法和检测方法来进行视频或图片的版权管理，具有较强的防止盗版攻击的抵抗力，同时，所提供的检测方法能够快速检测出通过该嵌入方法所嵌入的水印信息。
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 (7)

1.一种视频数字水印信息的嵌入方法，包括步骤S1至S6：
S1、从原始视频中选取需进行数字水印信息嵌入的原始视频帧图像，从所述原始视频帧图像的RGB三通道图像中，选取其中一通道图像进行离散傅里叶变换，得到所述原始视频帧图像的幅度谱图像和相位谱图像；
S2、将待嵌入的数字水印信息转换为预定尺寸的二值图像；
S3、根据所述二值图像的各像素的像素值，基于所述二值图像与所述幅度谱图像或相位谱图像之间的尺寸对应关系，修改所述幅度谱图像或相位谱图像的相应像素的像素值，以将所述数字水印信息嵌入到所述幅度谱图像或所述相位谱图像中；
步骤S3中，通过如下公式来修改所述幅度谱图像或所述相位谱图像的相应像素的像素值：
其中，Ix,y和I'x,y分别表示所述幅度谱图像或所述相位谱图像的第x行、第y列的像素的原始像素值和修改后的像素值；所述幅度谱图像和所述相位谱图像的大小均为X×Y，所述二值图像的大小为Hw×Ww，Wp,q表示所述二值图像的第p行、第q列的像素的像素值，p＝1,2,3,…,Hw，q＝1,2,3,…,Ww；α为一大于0的常数；
所述二值图像与所述幅度谱图像或相位谱图像之间的尺寸对应关系是：所述二值图像位于所述幅度谱图像或所述相位谱图像的边界内，且二值图像各边界与幅度谱图像或相位谱图像的相应边界之间的距离分别为Hu、Hd、Wl、Wr，并且有Hu+Hd+Hw＝X、Wl+Wr+Ww＝Y以及x＝p+Hu、y＝q+Wl；
S4、若所述数字水印信息是嵌入在幅度谱图像中，则结合所述相位谱图像，对经过图像像素值修改后的幅度谱图像进行离散傅里叶逆变换，得到已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像；若所述数字水印信息是嵌入在相位谱图像中，则结合所述幅度谱图像，对经过图像像素值修改后的相位谱图像进行离散傅里叶逆变换，得到已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像；
S5、将步骤S4得到的已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像与所述原始视频帧图像的另外两通道图像合并，得到已嵌入数字水印信息的视频帧图像；
S6、用所述已嵌入数字水印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，得到嵌入数字水印信息的视频。
2.如权利要求1所述的视频数字水印信息的嵌入方法，其特征在于：所述原始视频帧图像的选取具体包括：从所述原始视频的第一帧开始，依次选取相邻的n帧，n＝2,3,4,…,N，N为所述原始视频的总帧数，得到N/n组视频帧，其中每组包含n个帧；分别选取每组视频帧的第k帧来作为需进行数字水印信息嵌入的原始视频帧图像，其中k＝2,3,…,n。
3.如权利要求1所述的视频数字水印信息的嵌入方法，其特征在于：所述原始视频帧图像的选取具体包括：根据所述原始视频中的场景变换，选定其中至少一个场景变换前的最后一帧图像，作为需进行数字水印信息嵌入的所述原始视频帧图像，从而得到至少一个所述原始视频帧图像；同时，分别复制所述最后一帧图像，用以分别替换各自的前一帧图像。
4.如权利要求1所述的视频数字水印信息的嵌入方法，其特征在于：所述其中一通道图像的离散傅里叶变换为
其中，F(u,v)表示所述其中一通道图像经离散傅里叶变换得到的频谱图像，F(u,v)＝R(u,v)+jI(u,v)，R(u,v)和I(u,v)分别是傅里叶变换的实部和虚部，j是虚数单位；f(m,n)是所述其中一通道图像的二维矩阵中第(m+1)行、第(n+1)列的元素，M、N分别表示所述其中一通道图像的高和宽，所述其中一通道图像大小为M×N；u、v分别表示所述频谱图像的二维矩阵的第(u+1)行和第(v+1)列；
对所述其中一通道图像进行离散傅里叶变换后得到的幅度谱图像和相位谱图像分别为|A(u,v)|和θ(u,v)，其中：
5.如权利要求4所述的视频数字水印信息的嵌入方法，其特征在于：步骤S4中结合所述相位谱图像θ(u,v)，对修改像素值后的幅度谱图像进行离散傅里叶逆变换具体通过如下公式实现：
其中，f′(m,n)表示已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像，|A(u,v)|′为修改像素值后的幅度谱图像，U、V分别表示已嵌入数字水印信息的频谱图像F′(u,v)的高和宽，所述已嵌入数字水印信息的频谱图像F′(u,v)的大小为U×V，其中F′(u,v)＝|A(u,v)|′·ej ·θ(u,v)；m、n分别表示所述其中一通道图像的二维矩阵的第(m+1)行和第(n+1)列。
6.如权利要求4所述的视频数字水印信息的嵌入方法，其特征在于：步骤S4中结合所述幅度谱图像|A(u,v)|，对修改像素值后的相位谱图像进行离散傅里叶逆变换具体通过如下公式实现：
其中，f′(m,n)表示已嵌入数字水印信息的所述其中一通道图像，θ(u,v)′为修改像素值后的相位谱图像，U、V分别表示已嵌入数字水印信息的频谱图像F′(u,v)的高和宽，所述已嵌入数字水印信息的频谱图像F′(u,v)的大小为U×V，其中F′(u,v)＝θ(u,v)′·ej ·|A(u,v)|；m、n分别表示所述其中一通道图像的二维矩阵的第(m+1)行和第(n+1)列。
7.一种视频数字水印信息的检测方法，其特征在于：用于检测通过权利要求1至6任一项所述的嵌入方法嵌入到视频中的数字水印信息；
所述检测方法包括：
选取视频中已嵌入数字水印信息的视频帧图像及其前一帧图像；
分别对所述视频帧图像和所述前一帧图像进行离散傅里叶变换，得到所述视频帧图像的幅度谱图像和相位谱图像以及所述前一帧图像的幅度谱图像和相位谱图像；
若所述数字水印信息是嵌入在幅度谱图像中，则将所述视频帧图像的幅度谱图像和所述前一帧图像的幅度谱图像相减，并根据数字水印信息嵌入时所述二值图像与所述幅度谱图像之间的位置对应关系，定位到水印嵌入位置，得到水印信息图像；
若所述数字水印信息是嵌入在相位谱图像中，则将所述视频帧图像的相位谱图像和所述前一帧图像的相位谱图像相减，并根据数字水印信息嵌入时所述二值图像与所述相位谱图像之间的位置对应关系，定位到水印嵌入位置，得到水印信息图像。
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