CN108040189B

CN108040189B - 一种基于视频的数字水印实现方法

Info

Publication number: CN108040189B
Application number: CN201711062783.6A
Authority: CN
Inventors: 徐劲; 李阳春; 金涛; 米允洪
Original assignee: Guangzhou Zhongshan University Press Co Ltd
Current assignee: LOLAAGE TECHNOLOGIES Inc
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2037-11-02
Also published as: CN108040189A

Abstract

本发明提供的方法根据视频分辨率、码率等特点，利用离散傅里叶变换进行水印嵌入。算法复杂度低，在水印鲁棒性和视频保真度、视频的水印容量之间取得较好的平衡，水印嵌入速度和提取速度快。

Description

一种基于视频的数字水印实现方法

技术领域

本发明涉及数字水印嵌入领域，更具体地，涉及一种基于视频的数字水印实现方法。

背景技术

现有技术在对视频嵌入水印时，并没有根据视频分辨率、码率等进行考虑，从而不能在水印鲁棒性和视频保真度、视频的水印容量之间取得较好的平衡。

发明内容

本发明为解决以上现有技术无法在水印鲁棒性和视频保真度、视频的水印容量之间取得较好的平衡的技术缺陷，提供了一种基于视频的数字水印实现方法。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种基于视频的数字水印实现方法，包括以下步骤：

S1.利用AES256算法对原始数字水印进行加密，得到加密水印；

S2.利用RSA公钥对AES密钥进行加密处理，将加密后的AES密钥命名为传输密钥；

S3.数字水印的嵌入对象为视频的关键帧，将向一个关键帧中嵌入的水印信息定义为一段信息；一段信息包含段头和段数据，段数据包含的字符数设为N；传输密钥包含的字符数设为TEC，加密水印包含的字符数设为EWC，两者相加的字符数设为TC；传输密钥和加密水印需要的段数设为IC，IC的最大值设为IC_max，最小值设为IC_min；

S4.求取视频的分辨率分量：

其中W、H分别表示视频的分辨率的宽度和高度；

S5.求取视频的码率分量：

S6.令N的初始值为f(x)*f(b)，IC_max和IC_min初始值为视频关键帧的总数量；然后对N进行调整：

1)if(N*IC_max<TC)，为嵌入完整水印，将调小N或者TC，直到N*IC_max>TC；

2)if(N*IC_max>TC)，先求出IC可以取到的最小整数值即IC_min，设

if(IC2<5)，则不再做调整；

if(IC2>＝5)，设则IC_max＝n*IC_min，最终N为大于等于的最小偶数；

S7.根据字符数N确定传输密钥和加密水印所占的段数，然后为传输密钥和加密水印生成摘要信息段；

S8.对视频中的关键帧从1开始进行编号，然后使用随机函数获取随机数R，编号与随机数R对应的关键帧作为选中的关键帧进行后续的水印嵌入处理，使用以上的方法总共选中IC+1个关键帧；

S9.将传输密钥、加密水印、摘要信息段总共IC+1段信息通过离散傅里叶变换分别嵌入IC+1个关键帧中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

附图说明

图1为本发明提供的水印实现方法的流程示意图。

图2为原始数字水印的部分数据编码示意图。

图3为AES加密后的数据示意图。

图4为传输密钥的示意图。

图5为检测摘要信息段的示意图。

图6为检测传输密钥段的示意图。

图7为检测加密水印段的示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，本发明提供的水印实现方法具体包括有以下步骤：

一、加密原始数字水印

采用AES256算法加密，这样不会增加水印信息数据量。采用CBC模式，根据原始数字水印做SHA-256处理，得到256b数据，即32个字节数据，取其中的第7个字节到第22个字节一共16个字节，再加上原始数字水印的前16个字节共32个字节作为AES加密密钥，命名为AES密钥；取AES密钥的第5个字节到第20个字节共16个字节作为AES初始化向量，将原始数字水印以16个字节为单位进行分组，最后不足16个字节的用00代替，使用AES加密CBC模式，利用AES密钥和AES初始化向量加密原始数字水印。原始数字水印加密后得到的水印信息命名为加密水印。

二、计算传输密钥

每个数字产品在发布的时候都设计出其特有的RSA公钥和私钥，将这些信息保存到RSA密钥库里。以便数字水印嵌入和提取时读取。利用RSA算法加密，采用密钥长度为1024位，使用PKCS8Padding标准，在水印嵌入时候，利用公钥对AES密钥进行加密处理，命名为传输密钥。在水印检测时，利用私钥将传输密钥解密，得到AES密钥。

三、确定段基本信息

原始水印信息采用unicode编码，根据原始水印信息我们得到传输密钥、加密后的水印信息(简称加密水印)。因为我们是采用离散傅里叶变换(DFT)来嵌入水印，嵌入的是字符水印，这些字符信息就是水印信息的编码。我们把这些信息嵌入在关键帧上。我们把一个关键帧上嵌入的水印信息，叫做一段信息。

一段信息包含段头和段数据，段数据包含的字符数设为N。传输密钥包含的字符数设为TEC，加密水印包含的字符数设为EWC，两者相加的字符数设为TC。传输密钥和加密水印包含的段数我们设为IC，IC的最大值设为IC_max，最小值设为IC_min。

我们算法的宗旨是在水印鲁棒性和视频保真度，视频的水印容量之间取得较好的平衡。嵌入算法与视频的分辨率，码率等因素相关，根据分辨率、码率等因素来确定N和IC值。

1、视频分辨率

视频分辨率越大，其他参数一样，那么该视频一个关键帧的数据量会越大，一般水印容量可以适当提高，同时对水印保真度影响不大。我们把视频分辨率对水印嵌入的影响叫做分辨率分量。用下面的函数来表示。W*H，就是视频的分辨率的宽度和高度。

可以看出，如果视频是720p的，那么我们取分辨率分量是8个字符。

2、视频码率

视频码率越大，其他参数一样，同样也可以适当提高水印容量。我们把视频码率对水印嵌入的影响叫做码率分量，用下面的函数来表示。bitrate表示码率。

可以看出，如果视频的码率是1200Kbps，那么我们取码率分量是8个字符。

3、计算段数据包含的字符数N

设段信息包含的字符数N初始值为f(x)*f(b)，IC_max和IC_min的初始值设为视频关键帧总数量。为了取得水印鲁棒性和视频保真度，视频的水印容量之间取得较好的平衡，我们对N按照下面的算法进行调整。

1)if(N*IC_max<TC)，为嵌入完整水印，将调小N或者TC，直到N*IC_max>TC。

2)if(N*IC_max>TC)，先求出IC可以取到的最小整数值即IC_min，可以看出设

if(IC2<5)，则不再做调整；

if(IC2>＝5)，设则IC_max＝n*IC_min。为了降低单位帧的水印容量，这个时候我们还可以减小N。但注意N不能太小，否则嵌入效率过低。我们取N的最小值为4，同时为了方便水印嵌入和检测，N为偶数，最终N为大于等于的最小偶数。

经过以上步骤，我们就得到了N。

4、段信息分类

段信息包含段头和段数据，先存储段头，再存储段数据。最终嵌入的段信息除了上面介绍的传输信息，加密水印，还包括摘要信息，三者的具体信息格式如下：

1)摘要信息

摘要信息段，它比较特殊，字符数是固定的(7个字符数)，而且只有一个摘要信息段。段头占1个字符，段数据占6个字符。

段头的内容是字符@。

段数据第1个和第2个字符表示N，十六进制表示，N为先前提到的段数据包含的字符数(注意N只是针对传输密钥段和加密水印段的段数据包含的字符数)。

段数据第3个到6个字符表示IC，十六进制表示，IC为先前提到的传输密钥段和加密水印段包含的段数。

比如：@1800A6，第一个字符是@，表示此信息是摘要信息段，18(十六进制)表示N的值为26(十进制)。00A6表示IC的值为166(十进制)。

2)传输密钥

段头占两个字符，段数据最多占N个字符。N的值从摘要信息段获取。

段头第1个字符是美元符号$。

段头第2个字符表示传输密钥的索引号，索引号以0开始，考虑到尽量减少嵌入数据量，索引号使用三十六进制。

段数据表示传输密钥的具体内容。

比如：$HB1CF98D2，第一个字符是$，表示此信息是传输密钥段，H(三十六进制)表示传输密钥的第17(十进制)段数据。B1CF98D2为传输密钥的具体内容。

3)加密水印

加密水印段，即AES加密后的水印信息。

段头占两个字符，段数据最多占N个字符。

段头的两个字符表示加密水印的索引号，索引号以0开始，索引号使用三十六进制。

段数据表示加密水印的具体内容。

比如：Q8E93AD67B，Q8(三十六进制)，其十进制是26*36+8＝944，表示加密水印的第944段数据，E93AD67B表示加密水印的具体内容。

5、计算IC值

根据N和TEC，得到传输密钥段占个段。根据N和EWC，加密水印占个段，这样IC的最终值就确定了，另外加上1个摘要信息段，所以我们总共需要IC+1个段，才能把整个水印信息嵌入。

四、确定段具体内容

根据N和IC，摘要信息段的具体内容就确定下来了。

根据N和传输密钥的内容，所有传输密钥段的具体内容也可以确定下来了。

根据N和加密水印的内容，所有加密水印段的具体内容也可以确定下来了。

五、形成映射表

根据视频的关键帧总数量，从1开始进行编号，使用随机函数，获取随机数R，求得嵌入的帧编号Nu＝(R)mod(关键帧总数量)，mod为取模运算，一共需要获取IC+1个互不相等的帧编号。

这样我们就可以形成一张关于帧编号和其对应的段内容的映射表。

六、利用离散傅里叶变换(DFT)进行水印嵌入。

根据帧编号的大小，升序排列映射表，得到新的映射表，这样可以按顺序读取视频数据，不需要反复跳转内存，以加快嵌入速度。

读取映射表，获取映射表的整体大小，开始读取映射表第一行数据，获取到帧编号，根据帧编号定位到视频相应的关键帧，获取映射表第一行嵌入内容，利用离散傅里叶变换(DFT)，将嵌入内容嵌入到关键帧中，保存关键帧数据。重复进行以上操作，直到所有的水印信息嵌入完成。

实施例2

本实施例为对水印实现方法的一个实例，本实例中，需要嵌入的原始数字水印为：“我司独家拥有授权视频中的视频素材以及作品内容版权，即拥有该视频内容的完整、无瑕疵著作权。包括但不限于享有该节目永久使用和播出(包括但不限于在移动通信网、固定通信网、微波通信网、有限电视网、数字电视网、无线网络)的权利、采取其他载体或方式出版或传播或授权他人使用的权利等。保证所提供的内容具有合法的来源与渠道，并保证该作品不违反任何应予适用法律规范、政策，不包含反动、色情、侮辱或诽谤等不良信息，亦不侵犯任何第三方的合法权利。

则其具体的嵌入过程如下：

一、加密原始水印信息

1、使用unicode编码，使用小端存储，原始数字水印的部分数据编码如图2所示。

2、AES密钥

原始水印信息的SHA-256的十六进制是：

8C 1A C1 B1 2C 4B 5E D1 6A D0 F2 54 2D 93 C9 32

B4 F9 94 0C AE C9 D3 E6 0E 99 CE 6C 36 3A F1 A6

共32个字节，取第7到22个字节，再加上原始水印信息的前16个字节的unicode编码，共32个字节作为AES密钥。即

5E D1 6A D0 F2 54 2D 93 C9 32 B4 F9 94 0C AE C9

11 62 F8 53 EC 72 B6 5B E5 62 09 67 88 63 43 67

3、AES初始化向量

取上面AES密钥的第5个字节到第20个字节，共16个字节，即：F2 54 2D 93 C9 32B4 F9 94 0C AE C9 11 62 F8 53

4、应用AES加密CBC模式，利用AES密钥和初始化向量进行加密处理，加密后的数据，即加密水印占544个字节，如图3所示。

二、计算传输密钥

由于AES初始向量是AES密钥的第5个字节到第20个字节，AES密钥包含了AES初始化向量，所以只需要加密AES密钥就好了，根据事先准备好的RSA公钥文件，利用RSA算法，把AES密钥进行加密，得到传输密钥，一共128个字节，如图4所示。

三、确定段基本信息

1)计算段数据包含的字符数N

假定视频载体的分辨率是1280*720，码率是1852Kbps，一共有关键帧836帧。由第一步可知加密水印占544个字节，由第二步可知传输密钥占128个字节。由于我们最终的水印信息是他们的编码形式，每个字节由2个字符来表示。所以

TC＝(128*2+544*2)＝256+1088＝1344。

根据上面给出的参数，可以知道

f(x)＝8，f(b)＝8，IC_max＝IC_min＝836，TC＝1344

N＝f(x)*f(b)＝64，

N*IC_max＝64*836＝53504，所以N*IC_max>TC，先求出IC可以取到的最小整数值(即IC_min)，

再计算

因为IC2>＝5，所以计算再计算IC_max＝n*IC_min＝8*21＝168，最终N为大于等于的最小偶数，所以N就取8。

经过上面的计算，最终的N是8。

2)计算IC

N值是8，传输密钥需要个段。即个段。加密水印需要个段，即个段。IC的值就是32+136＝168，另外加上1个摘要信息段，所以我们总共需要169个段。

四、确定段具体内容

视频载体的关键帧是836个，从1开始进行编号，使用随机函数，获取随机数R，求得嵌入的帧编号Nu＝R％836，一共需要获取169个互不相等的帧编号，假如我们求得的169个编号是(479，222，789，...，53，483，409，680，...，118，447)。

下面我们确定段的具体内容，

1)摘要信息段

N的值是8，IC的十进制是168，转换为十六进制就是A8，所以摘要信息段就是@0800A8。

2)传输密钥段

$开头，再接上索引号，再接上具体内容。传输密钥的第一个段的索引号是0，具体内容(见图4)就是传输密钥的前4个字节的编码。所以第一个段就是$0AD2CD066。其他段依次可以推算出。

3)加密水印段

先是索引号，再接上具体内容。加密水印的最后一个段的索引号的十进制是135，其三十六进制就是87，具体内容(见图3)就是加密水印的最后4个字节的编码，即E320D4A4。所以加密水印的最后一个段就是87E320D4A4。其他段也可以很容易推算出。

五、形成映射表。

通过以上步骤，就可以形成映射表。如下所示

六、利用离散傅里叶变换(DFT)进行水印嵌入

按帧编号升序排列形成新的映射表，读取映射表信息，利用离散傅里叶变换(DFT)，将嵌入内容嵌入到相应的关键帧中，保存关键帧数据。重复进行嵌入操作，直到所有的水印信息嵌入完成。

水印提取过程

利用反离散傅里叶变换(IDFT)，将每一个关键帧进行IDFT，

一、获取N和IC值

查找到以@开头的水印信息段，由第2个和第3个字符求取N值，由第4个到7个字符求取IC值。下面的图5是摘要信息段。可以很清晰的看到相关数据，N值为8，IC的十六进制是A8，其十进制就是168。

二、拼接传输密钥

查找$开头的传输密钥段。由第2个字符获得传输密钥的索引号，第三个字符开始是传输密钥的具体内容。具体内容的长度不超过N。查找所有的传输密钥段，根据索引号依次排序，就可以拼接出传输密钥。下面的图6是传输密钥段。

三、计算AES密钥

根据RSA密钥库的数据，查找到视频对应的RSA私钥。解密由第2步获取到的传输密钥，得到的结果就是AES密钥。

四、拼接加密水印

剩下的段就是加密水印段了，段的前2个字符表示加密水印的索引号，从第3个字符开始表示加密水印的具体内容。具体内容的长度不超过N。根据索引号依次排序，就可以拼接出加密水印。下面的图7是加密水印段。

五、获取原始水印信息

根据第3步获取到的AES密钥，解密加密水印，就可以获取到原始水印信息。到此，水印检测完成。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于视频的数字水印实现方法，其先利用AES256算法对原始数字水印进行加密，得到加密水印；然后利用RSA公钥对AES密钥进行加密处理，将加密后的AES密钥命名为传输密钥；其特征在于：还包括以下步骤：

S1.数字水印的嵌入对象为视频的关键帧，将向一个关键帧中嵌入的水印信息定义为一段信息；一段信息包含段头和段数据，段数据包含的字符数设为N；传输密钥包含的字符数设为TEC，加密水印包含的字符数设为EWC，两者相加的字符数设为TC；传输密钥和加密水印需要的段数设为IC，IC的最大值设为IC_max，最小值设为IC_min；

S2.求取视频的分辨率分量：

其中W、H分别表示视频的分辨率的宽度和高度；

S3.求取视频的码率分量：

S4.令N的初始值为f(x)*f(b)，IC_max和IC_min初始值为视频关键帧的总数量；然后对N进行调整：

2)if(N*IC_max>TC)，先求出IC可以取到的最小整数值即IC_min，设

if(IC2<5)，则不再做调整；

S5.根据字符数N确定传输密钥和加密水印所占的段数，然后为传输密钥和加密水印生成摘要信息段；

S6.对视频中的关键帧从1开始进行编号，然后使用随机函数获取随机数R，编号与随机数R对应的关键帧作为选中的关键帧进行后续的水印嵌入处理，使用以上的方法总共选中IC+1个关键帧；

S7.将传输密钥、加密水印、摘要信息段总共IC+1段信息通过离散傅里叶变换分别嵌入IC+1个关键帧中。

2.根据权利要求1所述的基于视频的数字水印实现方法，其特征在于：所述对原始数字水印进行加密的具体过程如下：

根据原始数字水印做SHA-256处理，得到256b数据，即32个字节数据，取其中的第7个字节到第22个字节一共16个字节，再加上原始数字水印的前16个字节共32个字节作为AES加密密钥，命名为AES密钥；取AES密钥的第5个字节到第20个字节共16个字节作为AES初始化向量，将原始数字水印以16个字节为单位进行分组，最后不足16个字节的用00代替，使用AES加密CBC模式，利用AES密钥和AES初始化向量加密原始数字水印。

3.根据权利要求1所述的基于视频的数字水印实现方法，其特征在于：所述摘要信息段，段头的内容是字符@，段数据第1个和第2个字符表示N，十六进制表示；段数据第3个到6个字符表示IC，十六进制表示。

4.根据权利要求3所述的基于视频的数字水印实现方法，其特征在于：所述传输密钥段，段头第1个字符是美元符号$；段头第2个字符表示传输密钥的索引号，索引号使用三十六进制；段数据表示传输密钥的具体内容。

5.根据权利要求4所述的基于视频的数字水印实现方法，其特征在于：所述加密水印段，段头的两个字符表示加密水印的索引号，索引号使用三十六进制，段数据表示加密水印的具体内容。

6.根据权利要求1～5任一项所述的基于视频的数字水印实现方法，其特征在于：所述步骤S6中，选中IC+1个关键帧后，建立起IC+1个关键帧与对应段内容的映射表，然后按照帧编号对映射表进行升序排列，读取映射表信息，根据帧编号定位到视频相应的关键帧，获取映射表中帧编号对应的嵌入内容，利用离散傅里叶变换将嵌入内容嵌入到相应的关键帧中；重复进行嵌入操作，直到所有的水印信息嵌入完成。