CN110135134A - 一种基于视频的数字全息信息隐藏和处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视频的数字全息信息隐藏和处理方法，属于信息安全领域。该方法中，首先实现水印信息全息的计算；然后将视频的视频帧与音频进行分隔，通过将全息水印信息嵌入小波变换系数中，再利用含全息水印小波系数合成含水印的图像帧和音频图像，并将含有水印信息的帧图像与音频合成视频，或将视频图像与含水印音频合成视频。除上述隐藏方法外，处理方法还包括提取方法。所以，采用本发明提供的方法，不仅实现了视频帧与音频的相互隐藏；而且实现了利用部分视频帧残片恢复完整水印信息的功能，从而实现视频信息的认证；极大地提高了视频信息传输的安全及信息来源的可靠性认证。
Description
技术领域
本发明属于信息安全领域，具体涉及一种基于视频的数字全息信息隐藏和处理方法。
背景技术
计算机科学技术的发展不仅极大地促进了整个科学技术的发展，而且明显加快了经济信息化和社会信息化的进程。影视频技术已被普通百姓所掌握，然而如何保护影视频的安全与版权保护已成了信息化时代的今天必须解决的问题，如为防止在传送途中线路被人为攻击而引入基于犯罪目的的骗伪视频，这也需要对视频加以确认，而人工监视不仅耗费人力，且很难保证系统全天候的可靠性。如果线路加入非法视频信号时，能辨别，将给用户带来极大的方便，大大提高监控系统的可靠性。
文件加密作为保护文件数据安全的重要措施一直受到人们的重视，伴随着网络数据安全形势的不断恶化，人们对于文件的加密需求也越来越高。视频文件作为数据流失和数据版权的重灾区，一直都在向外界释放着强烈的渴求数据安全的信号。事实上，就目前的视频加密技术而言，单纯地使用一种加密方式来解决通用性和良好加密性显的不合时宜。为了能保证加密效果，类似于狙击豹这样的视频加密软件采用了256位AES加密变形算法，视频中数据逐帧加密技术，同时采用RING-0层防翻录技术,有效防止翻录行为。但是，目前的视频信息隐藏算法其隐藏量很小，难以满足视频发展的现实需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于视频的数字全息信息隐藏和处理方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
首先，本发明提供了一种基于视频的数字全息信息隐藏方法，包括如下步骤：
S101，利用计算全息技术将水印信息制作成水印全息图；
S102，将视频的视频图像帧与音频进行分隔，得到视频图像帧和一维音频信息；
S103，对所述视频图像帧进行小波变换分解，得到小波变换系数，将所述水印全息图嵌入小波变换系数中，得到含全息水印的小波系数；
S104，利用所述含全息水印的小波系数合成含全息水印的视频图像帧，将所述含全息水印的视频图像帧与所述一维音频信息合成含水印信息的视频。
另外，本发明提供了一种基于视频的数字全息信息隐藏方法，包括如下步骤：
S201，利用计算全息技术将水印信息制作成水印全息图；
S202，将视频的视频图像帧与音频进行分隔，得到视频图像帧和一维音频信息；
S203，将所述一维音频信息转化为二维音频图像，对所述二维音频图像进行小波变换分解，得到小波变换系数，将所述水印全息图嵌入小波变换系数中，得到含全息水印的小波系数；
S204，利用所述含全息水印的小波系数合成含全息水印的二维音频图像，将含全息水印的二维音频图像转化为含全息水印的一维音频，并将所述视频图像帧与所述含全息水印的一维音频合成含水印信息的视频。
优选地，所述水印信息包括图像、音频和签字信息；若水印信息为音频，则所述利用计算全息技术将水印信息制作成水印全息图的步骤包括利用音频转换算法将音频信息转化为二维音频图像并且将二维音频图像制作成水印全息图；所述音频转换算法包括如下步骤：
(1)将一维数字音频信号取振幅绝对值的最大值am＝max[abs(f(i))]，i＝1,2，…N，其中f(i)为声波振幅，N为音频取点个数；
(2)将一维音频信号归一化，F(i)＝f(i)/am，i＝1,2，…N；
(3)去掉音频信号负值G(i)＝[F(i)+1.0]/2；
(4)将一维音频信号利用内置函数转化成二维矩阵的形式；
(5)将二维矩阵形式的音频信号存储为图像格式M(x,y)。
优选地，S203中，利用音频转换算法将所述一维音频信息转化为二维音频图像，所述音频转换算法包括如下步骤：
(1)将一维数字音频信号取振幅绝对值的最大值am＝max[abs(f(i))]，i＝1,2，…N，其中f(i)为声波振幅，N为音频取点个数；
(2)将一维音频信号归一化，F(i)＝f(i)/am，i＝1,2，…N；
(3)去掉音频信号负值G(i)＝[F(i)+1.0]/2；
(4)将一维音频信号利用内置函数转化成二维矩阵的形式；
(5)将二维矩阵形式的音频信号存储为图像格式M(x,y)；
S204中，采用音频转换逆运算将含全息水印的二维音频图像转化为含全息水印的一维音频，所述音频转换逆运算包括如下步骤：
(1)将二维矩阵形式M′(x,y)的音频图像，利用全下标与单下标转变函数将其转化为一维音频信号f′(i)，i＝1,2，…N；
(2)将一维音频信号f′(i)取最大值a′m＝max[f′(i)]，i＝1,2，…N；
(3)按照如下公式将一维音频信号归一化：F′(i)＝f′(i)/a′m，i＝1,2，…N；
(4)按照如下公式恢复成归一化音频信号G′(i)＝2F′(i)-1.0；
(5)按照如下公式恢复成音频信号f″(i)＝amG′(i)。
优选地，小波变换分解是如下进行的：
(1)按照如下公式进行二维小波变换：
其中，x1和x2分别是横坐标和纵坐标，a为尺度因子，a>0,b1和b2为位移因子，ψ为小波基函数，f为图像函数；
(2)对所选取每帧彩色图像作为载体的图像及作为水印的彩色图像进行R、G、B分解，得到R、G、B通道的三张灰度图像；
(3)每个通道的水印图像通过菲涅尔衍射和四步相移法得到四幅全息图I1、I2、I3和 I4，将I4和I2相减得到一幅全息图AR(AG、AB)，将I3和I1相减得到一幅全息图BR(BG、BB)，选取这两幅全息图用作图像；
(4)将载体图像的三个通道图像分别做一级小波变换过程，得到四个细节系数CA1、CH1、 CV1和CD1，将R、G、B每个通道得到的全息图嵌入到垂直分解系数CV1和对角分解系数CD1 中,得到新的细节系数，嵌入公式如下
newCV1(i,j)＝CV1(i,j)+αA(i,j)
newCD1(i,j)＝CD1(i,j)+αB(i,j)
其中，newCV1和newCD1是嵌入水印之后的新的垂直和对角系数，A和B代表嵌入的水印信息，α是水印嵌入的强度，i,j为图像像素点的下标编号。
另外一方面，本发明提供了一种基于视频的数字全息信息处理方法，包括如下步骤：
利用上述的方法将水印信息隐藏到视频中，得到含有水印信息的视频；
将所述含有水印信息的视频进行分隔，得到含水印信息的视频图像帧和一维音频，或得到视频图像帧和含水印信息的一维音频；
从含水印信息的视频图像帧或者含水印信息的一维音频中提取水印全息图；
从所述水印全息图中提取水印信息。
优选地，所述从含水印信息的视频图像帧或者含水印信息的一维音频中提取水印全息图包括：选择含水印信息的视频图像帧并进行小波变换分解，得到小波变换系数，由所述小波变换系数做水印嵌入逆变换提取水印全息图。
优选地，所述从含水印信息的视频图像帧或者含水印信息的一维音频中提取水印全息图包括：将含水印信息的一维音频转换为二维图像并且进行小波变换分解，得到小波变换系数，由所述小波变换系数做水印嵌入逆变换提取水印全息图。
优选地，从所述水印全息图中提取水印信息具体为：对水印全息图做全息计算逆变换提取水印信息，若水印为音频，则将全息计算逆变换得到的音频图像进行音频转换的逆变换以得到一维音频水印信息。
优选地，所述音频转换的逆变换是如下进行的：
(1)将二维矩阵形式M′(x,y)的音频图像，利用全下标与单下标转变函数将其转化为一维音频信号f′(i)，i＝1,2，…N；
(2)将一维音频信号f′(i)取最大值a′m＝max[f′(i)]，i＝1,2，…N；
(3)按照如下公式将一维音频信号归一化：F′(i)＝f′(i)/a′m，i＝1,2，…N；
(4)按照如下公式恢复成归一化音频信号G′(i)＝2F′(i)-1.0；
(5)按照如下公式恢复成音频信号f″(i)＝amG′(i)。
有益效果：本发明首先将视频信息进行视频和音频信息分割,实现对视频帧及音频的全息水印信息嵌入，因为嵌入的水印是以全息图的形式嵌入视频，具有如下重要的特点与优势： (1)隐藏的容量特别大，嵌入量可以超过载体图像或音频本身的信息量，还可以嵌入视频本身，(利用了全息术的多维、大容量特点)；(2)可以实现视频帧与音频的相互隐藏，即在视频帧中可隐藏音频信息(音频以音频全息图形式嵌入视频帧中)，也可在视频的音频部分中嵌入视频帧(以全息图形式嵌入音频图像中，再转换为一维声音)(目前尚未见到在视频帧中嵌音频，在音频中嵌视频帧的报道)；(3)含数字水印视频信息具有较强的鲁棒性，实现了利用适当部分视频帧残片可以恢复完整水印信息的功能(如嵌入语音的完整文字图片全息图，利用视频图像帧残片可恢复完整语音文字的功能—实现完整性认证)，充分利用了全息技术的不可撕毁性(部分残片可携带整个水印信息)；(4)具有很高的保密特性，若不知全息制作参数几乎是不可恢复水印信息的(利用了全息的难破解特性)，不存在穷举法破解的问题，实现了视频信息来源可靠性的认证，这些信息可以充分显示与证明信息的来源及其真伪；(5)根据需要可适当调整全息水印在小波系数中的嵌入强度，可以满足不影响视频的视听效果要求。
附图说明：
图1是在视频图像帧中嵌入全息水印图的方法流程示意图；
图2是在视频的音频中嵌入全息水印图的流程示意图；
图3是在视频帧中含水印的水印提取方法流程示意图；
图4是在视频的音频中含水印的水印提取方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
光学全息技术的数据加密和信息隐藏技术是近几年在国际上开始起步发展的新一代信息安全理论与技术，可在多个自由度空间中进行,具有多维、大容量、高设计自由度、高鲁棒性、难撕裂性、天然的并行性、难以破解等诸多优势。然而这种光全息技术尚未被用于影视频的版权保护与信息隐藏，若将水印全息技术应用于视频的信息隐藏中，其隐藏信息量可远大于视频载体信息本身(全息技术以其巨大的存储能力而著称)。因此本发明提出了视频全息信息隐藏算法，将具有高鲁棒性、难撕裂性的全息技术应用于视频的信息隐藏(目前尚未见到类似算法报道)，可以实现在视频帧中以全息图形式嵌入图像或音频，或在音频中嵌入图像的全息图，甚至可以嵌入完整的视频信息(包括视频图像与音频)，对视频还可以实现利用视频帧残片(一帧的部分图像)恢复出完整水印信息的功能，这可使视频有较大幅度地提高信息的隐藏量和视频的鲁棒性，大大加强视频信息传输的安全性与信息来源的准确性及完整性确认，有效防止视频篡改问题，实现视频信息的安全传输与版权的有效保护，具有不可替代的应用前景。
如图1所示，本发明提供了一种基于视频的数字全息信息隐藏方法，包括如下步骤：
S101，利用计算全息技术将水印信息制作成水印全息图；
S102，将视频的视频图像帧与音频进行分隔，得到视频图像帧和一维音频信息；
S103，对所述视频图像帧进行小波变换分解，得到小波变换系数，将所述水印全息图嵌入小波变换系数中，得到含全息水印的小波系数；
S104，利用所述含全息水印的小波系数合成含全息水印的视频图像帧，将所述含全息水印的视频图像帧与所述一维音频信息合成含水印信息的视频。
另外，如图2所示，本发明还提供了一种基于视频的数字全息信息隐藏方法，包括如下步骤：
S201，利用计算全息技术将水印信息制作成水印全息图；
S202，将视频的视频图像帧与音频进行分隔，得到视频图像帧和一维音频信息；
S203，将所述一维音频信息转化为二维音频图像，对所述二维音频图像进行小波变换分解，得到小波变换系数，将所述水印全息图嵌入小波变换系数中，得到含全息水印的小波系数；
S204，利用所述含全息水印的小波系数合成含全息水印的二维音频图像，将含全息水印的二维音频图像转化为含全息水印的一维音频，并将所述视频图像帧与所述含全息水印的一维音频合成含水印信息的视频。
本发明的该实施例中，首先基于计算全息技术将水印信息(图像，签字等)，利用菲涅耳衍射积分变换实现水印信息全息的计算，若水印为音频信息，则利用音频转换算法将音频信息转变为二维音频图像，再制作为全息图；
然后，将视频的视频帧与音频进行分隔，通过对其中的视频图像帧做小波变换，将全息水印信息嵌入小波变换系数中，再利用含全息水印小波系数合成含水印图像帧，对不同的帧都做相同处理，并将含有水印信息的帧图像与音频合成视频，可嵌入到视频帧中，实现全息水印在视频帧中的嵌入；
也可以采用如下方法将图像(或音频)的全息水印信息，嵌入到视频的音频部分(选择一定帧数所对应的音频内容将其转化为音频图像，将由水印图像制作的水印全息图可用同样嵌入方法嵌入到音频图像中，再将音频图像转化为一维音频)，并将视频图像与含水印音频合成视频，实现全息水印在音频部分中的嵌入。
其中，S101或S201中，所述水印信息包括图像、音频和签字信息。
如本领域技术人员可以理解的，还可以包括其他形似的水印信息，也能够采用本发明提供的方法对水印信息进行隐藏。
本发明实施例中，若水印信息为音频，则所述利用计算全息技术将水印信息制作成水印全息图的步骤包括利用音频转换算法将音频信息转化为二维音频图像并且将二维音频图像制作成水印全息图；所述音频转换算法包括如下步骤：
(1)将一维数字音频信号取振幅绝对值的最大值am＝max[abs(f(i))]，i＝1,2，…N，其中f(i)为声波振幅，N为音频取点个数；
(2)将一维音频信号归一化，F(i)＝f(i)/am，i＝1,2，…N；
(3)去掉音频信号负值G(i)＝[F(i)+1.0]/2；
(4)将一维音频信号利用内置函数转化成二维矩阵的形式；
(5)将二维矩阵形式的音频信号存储为图像格式M(x,y)。
在本发明的一个优选实施例中，S203中，利用音频转换算法将所述一维音频信息转化为二维音频图像，所述音频转换算法包括如下步骤：
(1)将一维数字音频信号取振幅绝对值的最大值am＝max[abs(f(i))]，i＝1,2，…N，其中f(i)为声波振幅，N为音频取点个数；
(2)将一维音频信号归一化，F(i)＝f(i)/am，i＝1,2，…N；
(3)去掉音频信号负值G(i)＝[F(i)+1.0]/2；
(4)将一维音频信号利用内置函数转化成二维矩阵的形式；
(5)将二维矩阵形式的音频信号存储为图像格式M(x,y)；
S204中，采用音频转换逆运算将含全息水印的二维音频图像转化为含全息水印的一维音频，所述音频转换逆运算包括如下步骤：
(1)将二维矩阵形式M′(x,y)的音频图像，利用全下标与单下标转变函数将其转化为一维音频信号f′(i)，i＝1,2，…N；
(2)将一维音频信号f′(i)取最大值a′m＝max[f′(i)]，i＝1,2，…N；
(3)按照如下公式将一维音频信号归一化：F′(i)＝f′(i)/a′m，i＝1,2，…N；
(4)按照如下公式恢复成归一化音频信号G′(i)＝2F′(i)-1.0；
(5)按照如下公式恢复成音频信号f″(i)＝amG′(i)。
本发明实施例中，小波变换分解是如下进行的：
(1)按照如下公式进行二维小波变换：
其中，x1和x2分别是横坐标和纵坐标，a为尺度因子，a>0,b1和b2为位移因子，ψ为小波基函数，f为图像函数；
(2)对所选取每帧彩色图像作为载体的图像及作为水印的彩色图像进行R、G、B分解，得到R、G、B通道的三张灰度图像；
(3)每个通道的水印图像通过菲涅尔衍射和四步相移法得到四幅全息图I1、I2、I3和 I4，将I4和I2相减得到一幅全息图AR(AG、AB)，将I3和I1相减得到一幅全息图BR(BG、BB)，选取这两幅全息图用作图像；
(4)将载体图像的三个通道图像分别做一级小波变换过程，得到四个细节系数CA1、CH1、 CV1和CD1，将R、G、B每个通道得到的全息图嵌入到垂直分解系数CV1和对角分解系数CD1 中,得到新的细节系数，嵌入公式如下
newCV1(i,j)＝CV1(i,j)+αA(i,j)
newCD1(i,j)＝CD1(i,j)+αB(i,j)
其中，newCV1和newCD1是嵌入水印之后的新的垂直和对角系数，A和B代表嵌入的水印信息，α是水印嵌入的强度，i,j为图像像素点的下标编号。
如图3-4所示，本发明实施例还提供了一种基于视频的数字全息信息处理方法，包括如下步骤：
利用实施例一所述的方法将水印信息隐藏到视频中，得到含有水印信息的视频；
将所述含有水印信息的视频进行分隔，得到含水印信息的视频图像帧和一维音频，或得到视频图像帧和含水印信息的一维音频；
从含水印信息的视频图像帧或者含水印信息的一维音频中提取水印全息图；
从所述水印全息图中提取水印信息。
可见，本发明中，除了提供了在视频的图像部分和音频部分隐藏水印信息的方法外，还提供了利用含水印视频提取隐藏的水印信息的方法：将含有水印的视频和音频进行分隔，取得视频图像帧，进行全息水印嵌入的逆变换提取全息水印信息；若视频的音频部分含水印同样先将视频与音频分隔，得到含有水印的音频信息，再做水印嵌入的逆变换提出水印全息图，再由水印全息图做全息计算逆变换提取水印信息。从而实现视频信息的认证【具有利用残缺图像帧提取完整水印信息(如语音的完整文字图片)的功能---这是全息的不可撕毁性】，该方法极大地提高了视频信息传输的安全及信息来源的可靠性认证。
其中，从水印信息所在的视频图像帧或者一维音频提取水印全息图可以包括：选择含水印信息的视频图像帧并进行小波变换分解，得到小波变换系数，由所述小波变换系数做水印嵌入逆变换提取水印全息图。
从含水印信息的视频图像帧或者含水印信息的一维音频中提取水印全息图包括：将含水印信息的一维音频转换为二维图像并且进行小波变换分解，得到小波变换系数，由所述小波变换系数做水印嵌入逆变换提取水印全息图。
从所述水印全息图中提取水印信息具体为：对水印全息图做全息计算逆变换提取水印信息，若水印为音频，则将全息计算逆变换得到的音频图像进行音频转换的逆变换以得到一维音频水印信息。
所述音频转换的逆变换是如下进行的：
(1)将二维矩阵形式M′(x,y)的音频图像，利用全下标与单下标转变函数将其转化为一维音频信号f′(i)，i＝1,2，…N；
(2)将一维音频信号f′(i)取最大值a′m＝max[f′(i)]，i＝1,2，…N；
(3)按照如下公式将一维音频信号归一化：F′(i)＝f′(i)/a′m，i＝1,2，…N；
(4)按照如下公式恢复成归一化音频信号G′(i)＝2F′(i)-1.0；
(5)按照如下公式恢复成音频信号f″(i)＝amG′(i)。
具体实施例：
根据该具体实施例对本发明提供的方法进行更加详细的说明。
一、全息水印在视频信息中的嵌入(信息隐藏)
1、将音频信息转化为音频图像
首先,将视频数字信息读入，将视频文件和音频文件分割，然后提取出视频文件中的视频帧，利用音频转换算法将视频的音频部分转化为音频图像的形式或将音频形式的水印信息转换为音频图像(音频转换算法可以确保负振幅信息不丢失)。音频转换算法具体为：
(1)将一维数字音频信号取振幅绝对值的最大值am＝max[abs(f(i))]，i＝1,2，…N其中 f(i)为声波振幅，N为音频取点个数；
(2)将一维音频信号归一化，F(i)＝f(i)/am，i＝1,2，…N；
(3)去掉音频信号负值G(i)＝[F(i)+1.0]/2；
(4)将一维音频信号利用内置函数转化成2维矩阵的形式；
(5)将2维矩阵形式的音频信号存储为图像格式M(x,y)，经过步骤(3)的处理可以确保音频信号无负值，确保了音频负振幅信息在存储为图像格式时不被丢失。
2、计算水印信息全息图
利用菲涅耳积分的傅里叶变换计算在观测平面的物光分布，具体为：
设U0(x0,y0)，U(x,y)分别为物平面及观测平面的光波复振幅，d为两平面间的距离。根据式
菲涅耳衍射积分的傅立叶变换形式可以写为
式中，λ为光波长，k＝2π/λ。
分析上式可以看出，上式的主要计算包含下述两部分:
(1)利用快速傅立叶变换进行函数与指数相位因子乘积的傅立叶变换计算；
(2)计算结果再乘以积分号前的
令物平面取样宽度为L0，取样数为N×N，即取样间距Δx0＝Δy0＝L0/N
，式(2)可用快速傅立叶变换FFT{}表示为
式中Δx＝Δy是快速傅立叶变换计算后对应的空域取样间隔。
设待记录的物光波复振幅为O(x,y)，离轴的平面参考光波为R(x,y),即
相移法是通过移相器移动参考镜，使得同一介质下测试光和参考光的光程的差值能够尽可能的变小，这样干涉条纹的位置也就有一定的改变，让干涉场中的每一个点的光的强度变化都呈余弦变化，然后记录多幅相位不同的干涉图样。参考光和物光波进行相干干涉，每一幅干涉图样的干涉强度分布为
其中前两项是常数，代表了重建的零级像；中间的共轭项表示重建的共轭像，只有最后一项是我们所需要的重建的原像，r(x,y)，o(x,y)为参考光和物光波振幅。对参考光引入步长为2π/N的相移则有
其中N、n均为整数。当N≥3时到达CCD板上物光相位可由下式求得
选择n＝4则为四步相移法，而四步相移法得到的正好是物光的复振幅，消除了重建像中零级像和共轭像。四步相移是指通过相移器来改变参考光的相位，分别来采取4次不同的相移值，一般是0，π/2，π和3π/2，在CCD板上所记录下的四幅图的强度分布
这样，根据菲涅尔衍射积分和四步相移法两个算法，我们可以清晰的得到原始图像的全息图。
3、嵌入水印信息
二维小波变换为
其中设x1和x2分别是横坐标和纵坐标，a为尺度因子，a>0,b为位移因子，ψ为小波基函数， f表示图像函数。
利用二维连续小波可实现其离散形式的小波正逆变换。
首先将视频分割为视频部分和音频部分,将视频部分分别选择适当的帧，对每一帧图像 (彩色)做如下的操作运算
1)对所选取每帧彩色图像作为的载体图像及作为水印的彩色图像进行R、G、B分解，得到R、G、B通道的三张灰度图像；
2)每个通道的水印图像通过菲涅尔衍射和四步相移法得到四幅全息图I1、I2、I3和I4，将I4和I2相减得到一幅全息图AR(AG、AB)，将I3和I1相减得到一幅全息图BR(BG、BB)，选取这两幅全息图用作图像；
3)将载体图像的三个通道图像分别做一级小波变换过程，会得到四个细节系数CA1、CH1、 CV1和CD1，将R、G、B每个通道得到的全息图嵌入到垂直分解系数CV1和对角分解系数CD1 中,得到新的细节系数，嵌入公式如下
newCV1(i,j)＝CV1(i,j)+αA(i,j)
newCD1(i,j)＝CD1(i,j)+αB(i,j)
其中，newCV1和newCD1是嵌入水印之后的新的垂直和对角系数，A和B代表嵌入的水印信息，α是水印嵌入的强度，i,j为图像像素点的下标编号。再用小波反变换来重构图像，可以得到R、G、B三个通道的嵌入水印之后的图像，实现水印信息在视频图像帧中的嵌入，再将视频图像与音频合成形成含水印视频；
4)若要在音频中嵌入全息水印，则选择一定帧数所对应的音频内容将其转化为音频图像，将水印信息图像计算其全息图，利用步骤3)中的公式可将全息图嵌入音频图像中，实现水印全息信息在音频图像中的嵌入，然后将含水印音频图像转化为一维声音，再将视频图像与含水印音频合成则得音频含水印的视频。
二、全息水印信息的提取
将含水印信息的视频分割为视频部分和音频部分,将视频部分提取出每一帧图像,将每一帧图像做如下处理提取水印全息图
1)选取彩色的载体图像以及彩色的含水印图像进行R、G、B分解，得到R、G、B通道的三张灰度图像；
2)将原始载体图像的三个通道分别做一层小波分解，得到垂直细节系数CV1和对角细节系数CD1；
3)将嵌入水印后的载体图像的三个通道分别做一层小波分解，得到垂直细节系数newCV1 和对角细节系数newCD1；做如下嵌入的逆变换
其中newCV1和newCD1是嵌入水印之后的载体图像进行一层小波分解之后得到的垂直细节系数和对角细节系数，A和B即是我们提取的两张全息图，i,j为图像像素点的下标编号。
4)R、G、B三个通道做嵌入过程的逆变换提取水印全息图，根据菲涅尔衍射逆变换重建原始水印图像的三个通道，然后合成一张彩色图像。
5)若视频为音频部分含水印，首先将视频、语音进行分隔，则选择一定帧数所对应的一维音频内容将其转化为音频图像，再利用步骤3)的公式可提取水印全息图。
三、音频及水印信息复原
将视频中的每一帧(或将音频中)的全息水印提取出，再对全息水印做全息计算逆变换提取水印信息，若水印为音频则将提取出的水印，需做音频转换的逆变换，将音频图像转变为一维音频信息。若嵌入的为一视频水印，则将每一帧提取的水印与提取的音频水印合成则实现视频水印信息的复原。
其中，全息计算逆变换采用菲涅耳积分的傅里叶逆变换，具体为：
与菲涅耳衍射积分变换相对应，存在衍射的逆变换。根据卷积定理有
可以写为
容易证明
因此，(5)可以写为
很明显，该表达式与菲涅耳衍射正向传播表达式完全相似。将积分式内二次相位因子展开后，可以表示成能够利用傅里叶逆变换计算的形式
鉴于衍射的逆运算与衍射正向的表达式有相似的形式，满足取样定理的条件一致，通常情况下，当建立了一个计算正向衍射的程序后，只要将衍射距离d修改为-d,将输入程序的初始光波场修改为到达观测平面的光波场，便能利用原程序进行衍射的逆运算。
音频转换的逆变换具体为：
(1)将2维矩阵形式M′(x,y)的音频数字图像，利用全下标与单下标转变函数将其转化为一维数据f′(i)，i＝1,2，…N；
(2)将一维数字音频信号f′(i)最大值a′m＝max[f′(i)]，i＝1,2，…N；
(3)将一维音频信号归一化，F′(i)＝f′(i)/a′m，i＝1,2，…N；
(4)恢复成归一化音频信号G′(i)＝2F′(i)-1.0；
(5)恢复成音频信号f″(i)＝amG′(i)。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于视频的数字全息信息隐藏方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101，利用计算全息技术将水印信息制作成水印全息图；
S102，将视频的视频图像帧与音频进行分隔，得到视频图像帧和一维音频信息；
S103，对所述视频图像帧进行小波变换分解，得到小波变换系数，将所述水印全息图嵌入小波变换系数中，得到含全息水印的小波系数；
S104，利用所述含全息水印的小波系数合成含全息水印的视频图像帧，将所述含全息水印的视频图像帧与所述一维音频信息合成含水印信息的视频。
2.一种基于视频的数字全息信息隐藏方法，其特征在于，包括如下步骤：
S201，利用计算全息技术将水印信息制作成水印全息图；
S202，将视频的视频图像帧与音频进行分隔，得到视频图像帧和一维音频信息；
S203，将所述一维音频信息转化为二维音频图像，对所述二维音频图像进行小波变换分解，得到小波变换系数，将所述水印全息图嵌入小波变换系数中，得到含全息水印的小波系数；
S204，利用所述含全息水印的小波系数合成含全息水印的二维音频图像，将含全息水印的二维音频图像转化为含全息水印的一维音频，并将所述视频图像帧与所述含全息水印的一维音频合成含水印信息的视频。
3.根据权利要求1或2所述的基于视频的数字全息信息隐藏方法，其特征在于，所述水印信息包括图像、音频和签字信息；若水印信息为音频，则所述利用计算全息技术将水印信息制作成水印全息图的步骤包括利用音频转换算法将音频信息转化为二维音频图像并且将二维音频图像制作成水印全息图；所述音频转换算法包括如下步骤：
(1)将一维数字音频信号取振幅绝对值的最大值am＝max[abs(f(i))]，i＝1,2，…N，其中f(i)为声波振幅，N为音频取点个数；
(2)将一维音频信号归一化，F(i)＝f(i)/am，i＝1,2，…N；
(3)去掉音频信号负值G(i)＝[F(i)+1.0]/2；
(4)将一维音频信号利用内置函数转化成二维矩阵的形式；
(5)将二维矩阵形式的音频信号存储为图像格式M(x,y)。
4.根据权利要求2所述的基于视频的数字全息信息隐藏方法，其特征在于，S203中，利用音频转换算法将所述一维音频信息转化为二维音频图像，所述音频转换算法包括如下步骤：
(1)将一维数字音频信号取振幅绝对值的最大值am＝max[abs(f(i))]，i＝1,2，…N，其中f(i)为声波振幅，N为音频取点个数；
(2)将一维音频信号归一化，F(i)＝f(i)/am，i＝1,2，…N；
(3)去掉音频信号负值G(i)＝[F(i)+1.0]/2；
(4)将一维音频信号利用内置函数转化成二维矩阵的形式；
(5)将二维矩阵形式的音频信号存储为图像格式M(x,y)；
S204中，采用音频转换逆运算将含全息水印的二维音频图像转化为含全息水印的一维音频，所述音频转换逆运算包括如下步骤：
(1)将二维矩阵形式M′(x,y)的音频图像，利用全下标与单下标转变函数将其转化为一维音频信号f′(i)，i＝1,2，…N；
(2)将一维音频信号f′(i)取最大值a′m＝max[f′(i)]，i＝1,2，…N；
(3)按照如下公式将一维音频信号归一化：F′(i)＝f′(i)/a′m，i＝1,2，…N；
(4)按照如下公式恢复成归一化音频信号G′(i)＝2F′(i)-1.0；
(5)按照如下公式恢复成音频信号f″(i)＝amG′(i)。
5.根据权利要求1或2所述的基于视频的数字全息信息隐藏方法，其特征在于，小波变换分解是如下进行的：
(1)按照如下公式进行二维小波变换：
其中，x1和x2分别是横坐标和纵坐标，a为尺度因子，a>0,b1和b2为位移因子，ψ为小波基函数，f为图像函数；
(2)对所选取每帧彩色图像作为载体的图像及作为水印的彩色图像进行R、G、B分解，得到R、G、B通道的三张灰度图像；
(3)每个通道的水印图像通过菲涅尔衍射和四步相移法得到四幅全息图I1、I2、I3和I4，将I4和I2相减得到一幅全息图AR(AG、AB)，将I3和I1相减得到一幅全息图BR(BG、BB)，选取这两幅全息图用作图像；
(4)将载体图像的三个通道图像分别做一级小波变换过程，得到四个细节系数CA1、CH1、CV1和CD1，将R、G、B每个通道得到的全息图嵌入到垂直分解系数CV1和对角分解系数CD1中,得到新的细节系数，嵌入公式如下
newCV1(i,j)＝CV1(i,j)+αA(i,j)
newCD1(i,j)＝CD1(i,j)+αB(i,j)
其中，newCV1和newCD1是嵌入水印之后的新的垂直和对角系数，A和B代表嵌入的水印信息，α是水印嵌入的强度，i,j为图像像素点的下标编号。
6.一种基于视频的数字全息信息处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用权利要求1至5任一项所述的方法将水印信息隐藏到视频中，得到含有水印信息的视频；
将所述含有水印信息的视频进行分隔，得到含水印信息的视频图像帧和一维音频，或得到视频图像帧和含水印信息的一维音频；
从含水印信息的视频图像帧或者含水印信息的一维音频中提取水印全息图；
从所述水印全息图中提取水印信息。
7.根据权利要求6所述的基于视频的数字全息信息处理方法，其特征在于，所述从含水印信息的视频图像帧或者含水印信息的一维音频中提取水印全息图包括：选择含水印信息的视频图像帧并进行小波变换分解，得到小波变换系数，由所述小波变换系数做水印嵌入逆变换提取水印全息图。
8.根据权利要求6所述的基于视频的数字全息信息处理方法，其特征在于，所述从含水印信息的视频图像帧或者含水印信息的一维音频中提取水印全息图包括：将含水印信息的一维音频转换为二维图像并且进行小波变换分解，得到小波变换系数，由所述小波变换系数做水印嵌入逆变换提取水印全息图。
9.根据权利要求6所述的基于视频的数字全息信息处理方法，其特征在于，从所述水印全息图中提取水印信息具体为：对水印全息图做全息计算逆变换提取水印信息，若水印为音频，则将全息计算逆变换得到的音频图像进行音频转换的逆变换以得到一维音频水印信息。
10.根据权利要求9所述的基于视频的数字全息信息提取方法，其特征在于，所述音频转换的逆变换是如下进行的：
(1)将二维矩阵形式M′(x,y)的音频图像，利用全下标与单下标转变函数将其转化为一维音频信号f′(i)，i＝1,2，…N；
(2)将一维音频信号f′(i)取最大值a′m＝max[f′(i)]，i＝1,2，…N；
(3)按照如下公式将一维音频信号归一化：F′(i)＝f′(i)/a′m，i＝1,2，…N；
(4)按照如下公式恢复成归一化音频信号G′(i)＝2F′(i)-1.0；
(5)按照如下公式恢复成音频信号f″(i)＝amG′(i)。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115426537B (zh) * | 2022-09-05 | 2023-10-13 | 上海赛连信息科技有限公司 | 在视频画面中添加隐形水印和对信息溯源的方法及其系统 |
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| CN106653053A (zh) * | 2017-01-10 | 2017-05-10 | 北京印刷学院 | 一种基于全息图像的音频加密解密方法 |
| CN106971366A (zh) * | 2017-02-08 | 2017-07-21 | 北京印刷学院 | 一种在音频信号中加入及提取水印的方法 |
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