CN115150627B

CN115150627B - 一种基于dst的抗视频压缩鲁棒性盲水印方法

Info

Publication number: CN115150627B
Application number: CN202210757839.4A
Authority: CN
Inventors: 张瑞梅; 李金合; 王宏霞
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-04-19
Anticipated expiration: 2042-06-30
Also published as: CN115150627A

Abstract

本发明公开了一种基于DST的抗视频压缩鲁棒性盲水印方法，涉及视频版权保护和追踪溯源技术。针对视频在传输、分享过程中被重新压缩编码或转码等常规处理后无法成功提取水印的问题，通过利用DST频域变换的技术进行水印的嵌入；通过改进的带符号奇偶区间量化调制嵌入方法实现时域同步，通过对DST高频分量的嵌入修改实现空域同步。本发明方法能够有效抵抗主流视频编码器压缩和各种不同类型的噪声攻击，拥有较好的鲁棒性。本发明还拥有较好的不可感知性，且时间复杂度低，运行效率较快，具有实用价值。

Description

一种基于DST的抗视频压缩鲁棒性盲水印方法

技术领域

本发明涉及视频信息隐藏中的鲁棒水印技术，用于视频版权保护和追踪溯源领域。

背景技术

近年来，以智能手机为代表的多媒体硬件设备的迅猛发展和数字化程度的持续加深，人们在抖音、快手、优酷、B站、YouTube等平台分享视频越来越普遍。视频具有大信息量、强视觉表现和高实时性等优势，被广泛用于视频会议、社交平台、可视电话和网络直播等应用场景。与此同时，视频应用中的版权保护、追踪溯源、数字防伪等安全问题受到广泛关注。解决这些问题的一个有效手段就是鲁棒视频水印技术，通过在视频中添加数字水印进行保护，且不影响视频的视觉质量和使用价值。按照水印嵌入域不同，分为空域、变换域和压缩域视频水印方法。空域视频水印方法虽然复杂度较低，可操作性与实时性较强，但视频在存储与传输过程中通常需要进行压缩编码，因此嵌入的水印信息容易在后续的压缩编码过程中损失。压缩域视频水印方法可以结合视频编解码过程进行水印嵌入，由于不需要完全解码和重新编码，所以嵌入效率较高，但该方法依赖于特定的视频编解码标准(如MPEG-2、MPEG-4、H.264/AVC和H.265/HEVC)，且视频编码技术会导致水印嵌入修改产生的失真在编码视频过程中传播，引起失真漂移问题，难以保证水印的不可见性和鲁棒性。变换域视频水印方法在水印嵌入前先对视频帧进行二维频域变换，然后通过修改频域系数来完成水印的嵌入，复杂度通常高于空域方法，但利用频域变换的不同频带对人类视觉系统敏感度的不同，可获得良好的水印不可见性，相比空域具有更强的鲁棒性。一些常用的频域变换有DCT、DWT、DFT、SVD、DT CWT等。现有算法常常更关注几何攻击的鲁棒性，如：2021年发表在IEEETransactions on Circuits and Systems for Video Technology上的“Exploringstable coefficients on joint sub-bands for robust video watermarking in DTCWT domain”提出使用DT CWT变换来嵌入水印，算法主要关注抗旋转、缩放、裁剪等几何攻击的鲁棒性。而对于类似视频在传输、分享过程中被重新压缩编码或转码的常规处理攻击重视不足，常规处理可能会清除水印信息，从而使得水印算法无法保证其它攻击的鲁棒性。

发明内容

鉴于现有技术的上述局限性，本发明的目的是提供一种基于DST的抗视频压缩鲁棒性盲水印方法，进一步提高现存鲁棒视频水印方案的不可感知性和鲁棒性，通过在DST的高频分量进行水印嵌入来提供水印抗视频压缩的鲁棒性，同时还提出了带符号奇偶区间量化的水印嵌入方法，进一步提高水印算法抗视频压缩的鲁棒性，同时运行效率上相比现有算法也更具优势。

实现本发明目的技术方案如下：

一种基于DST(Discrete SineTransform)的抗视频压缩鲁棒性盲水印方法，用于视频在传输分享过程中被重新压缩编码或转码等常规处理后水印的保持和提取处理，包括嵌入过程和与之相逆的提取过程；

其嵌入过程包括以下步骤：

步骤1：取分辨率为M×N的原始视频，按序读取第n帧的U通道U_n，并对U_n进行不重叠的8×8分块；

步骤2：设水印嵌入起点P的坐标为(a,b)，其中a∈[1,M]、b∈[1,N]，L为水印信息的长度，则可以根据L求得水印信息嵌入的方形区域A_K×K，其中K为方形区域的边长，以像素点为单位。

步骤3：针对水印嵌入区域，对每个8×8块进行DST频域变换，得到每个8×8块DST频域系数；

步骤4：利用改进的带符号奇偶区间量化嵌入方法对每个DST系数块的高频分量(8×8)位置的频域系数进行水印嵌入；

步骤5：对水印嵌入区域的频域系数进行逆DST变换，得到含水印视频帧U'_n，对所有含水印视频帧U'_n与原始Y、V通道视频帧进行合并，并对其进行视频编码得到含水印视频。

其提取过程包括以下步骤：

步骤A：按序读取含水印视频U通道帧U'_n，类似水印嵌入过程，求得水印信息嵌入的方形区域A_K×K；

步骤B：对A_K×K中每个8×8块进行DST变换，得到嵌有水印的DST频域系数块；

步骤C：在嵌有水印的DST频域系数块的(8,8)位置的频域系数s'利用带符号的奇偶区间调制方法进行水印提取。

进一步地，在步骤2中，计算水印嵌入区域的公式如下：

其中，为向下取整运算，保证值为8的整数倍。

进一步地，在步骤2中，水印嵌入区域的起点P的坐标(a,b)可任意选取，一般为了避免边缘裁剪攻击和计算方便，常取视频帧中间位置。坐标P可作为水印系统的密钥，以保证其安全性。

进一步地，在步骤3中，分块DST频域变换的过程如下：假设对一个M×N的二维图像进行DST变换，f(x,y)为空域像素点的值，F(u,v)是频域变换后的系数值，a(u)、a(v)为归一化常数。则DST正变换公式如下：

进一步地，在步骤4中，记控制水印嵌入强度的量化步长为Δ>0，水印比特为w∈{0,1}，则改进的带符号奇偶区间量化嵌入的具体方法为：

(1)当待修改的DST频域系数s＞0时，则修改后的DST频域系数s'为

(2)当待修改的DST频域系数s≤0时，则修改后的DST频域系数s'为

进一步地，在步骤5中，将水印嵌入区域的频域系数进行逆DST变换，得到含水印视频帧U'_n，并对所有含水印视频帧U'_n与原始Y、V通道视频帧进行合并，继而编码得到含水印视频。

采用本发明方法，可使得水印在经受视频重压缩或转码处理后仍能够正常提取，且由于DST变换简单高效，水印算法的运行效率也更有优势，提升了现存水印算法的性能。本发明旨在利用DST技术及人类视觉系统对高频分量变化不敏感的特性保障视频版权安全。

相对于现有技术，本发明的有益效果明显：

1.本发明根据人类视觉系统对高频分量变化不敏感的特性，将水印嵌入在DST频域系数的高频分量中，有效的提升了水印方案的不可感知性；

2.时域同步是通过改进的带符号奇偶区间量化调制的嵌入过程实现的，水印提取时，无需任何附加信息即可准确提取水印；

3.空域同步是由于人类视觉系统对高频变化不敏感的特性，使得高频分量相比低频分量具有更大的修改量，从而增强了水印在抵抗视频压缩时的鲁棒性。

4.由于DST变换简单，且嵌入提取过程仅针对特定的高频分量，因此算法的时间复杂度和空间复杂度都相对更低，在运行效率上更有优势。

附图说明

图1为本发明实施例的嵌入流程图。

图2为本发明实施例的提取流程图。

图3为本发明实施例计算的水印嵌入方形区域的示意图。从左至右依次是原始视频帧、分离的U通道帧、水印嵌入方形区域、单个嵌入宏块。

图4为本发明在公开视频数据集中与已有方法的PSNR、SSIM和EC比较对照表。

图5为本发明实施例的水印嵌入提取效率示意图。

图6为本发明在公开视频数据集中与已有方法的BER比较对照表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

如图1～2所示，本发明实施例实现了基于DST的抗视频压缩鲁棒盲水印方法，其中包括了计算水印嵌入区域、DST频域变换、水印信息量化嵌入提取，构成了整个鲁棒视频水印框架。图1给出了本发明的嵌入流程；图2给出了本发明的提取流程。

本实施例包括以下嵌入步骤：

S1：按序读取视频色度通道U，计算U通道水印嵌入区域，图3中给出了计算的水印嵌入区域示意，其中P为起始点坐标，绿色块代表的宏块用于水印嵌入，白色块代表的宏块不用于水印嵌入，蓝色块代表的其它频域系数不用于量化调制嵌入，红色块代表的频域系数用于量化调制嵌入。

计算水印嵌入区域的公式如下：

其中，为向下取整运算，保证值为8的整数倍。本实施例中，水印信息长度L＝63，起始点坐标P(a,b)＝P(320,180)。

S2：针对水印嵌入的方形区域，对每个8×8宏块进行DST频域变换，得到每个8×8宏块DST频域系数；

分块DST频域变换的过程如下：

假设对一个M×N的二维图像块进行DST变换，则DST正变换公式如下：

其中，f(x,y)为空域像素点的值，F(u,v)是频域变换后的系数值，a(u)、a(v)为归一化常数。本实施例中，M＝N＝8。

S3：利用改进的带符号奇偶区间量化嵌入方法对每个DST系数块的高频分量(8×8)位置的频域系数进行水印嵌入，改进的带符号奇偶区间量化嵌入的具体方法为：

(1)当待修改的DST频域系数s＞0时，则修改后的DST频域系数s'为

(2)当待修改的DST频域系数s≤0时，则修改后的DST频域系数s'为

本实施例中，水印信息w∈{0,1}，量化步长Δ＝240。

S4：对水印嵌入区域的频域系数进行逆DST变换，得到含水印视频帧U'_n，具体方法为：

其中，M、N分别为视频帧的宽、高，F(u,v)是含水印频域系数的值，f(x,y)为含水印频域系数逆变换后的空域像素点的值，a(u)、a(v)为归一化常数，公式如S2中所述。

S5：对所有含水印视频帧U'_n与原始Y、V通道视频帧进行合并，并对其进行视频编码得到含水印视频。

本实施例包括以下提取步骤：

SA：按序读取含水印视频U通道帧U'_n，类似水印嵌入过程，求得水印信息嵌入的方形区域A_K×K；

SB：对A_K×K中每个8×8块进行DST变换，得到嵌有水印的DST频域系数块；

SC：在嵌有水印的DST频域系数块的(8,8)位置的频域系数s'利用带符号的奇偶区间调制方法进行水印提取。

记水印提取比特信息为w'，则根据s'的带符号值所在区间即可判定w'值，本实施例中量化步长Δ＝240。

本实例采用峰值信噪比(PSNR)、结构相似性(SSIM)、嵌入容量(EC)、帧率(fps)以及误码率(BER)作为评价指标：PSNR值和SSIM越高，不可感知性越好，而误码率越低，水印鲁棒性越好。

图4为本发明在公开视频数据集中与已有方法的PSNR、SSIM和EC比较对照表。结果表明：本发明在保证较高嵌入容量的同时，具有比现有方案更好的不可感知性。

图5为本发明在公开视频数据集中与已有方法的嵌入提取效率比较，评价指标采用帧率(fps)。结果表明：本发明具有较高的嵌入提取效率。

图6为本发明在公开视频数据集中与已有方法的BER比较。结果表明：本发明具有较高且稳定的鲁棒性。

Claims

1.一种基于DST的抗视频压缩鲁棒性盲水印方法，用于视频在传输分享过程中被重新压缩编码或转码处理后水印的保持和提取处理，包括嵌入过程和与之相逆的提取过程；

其嵌入过程包括以下步骤：

步骤2：设水印嵌入起点P的坐标为(a,b)，其中a∈[1,M]、b∈[1,N]，L为水印信息的长度，根据L求得水印信息嵌入的方形区域A_K×K，其中K为方形区域的边长，以像素点为单位；

步骤5：对水印嵌入区域的频域系数进行逆DST变换，得到含水印视频帧U'_n，对所有含水印视频帧U'_n与原始Y、V通道视频帧进行合并，并对其进行视频编码得到含水印视频；

其提取过程包括以下步骤：

步骤A：按序读取含水印视频U通道帧U'_n，求得水印信息嵌入的方形区域A_K×K；

步骤C：在嵌有水印的DST频域系数块的(8,8)位置的频域系数s'利用带符号的奇偶区间调制方法进行水印提取；

步骤4中，记控制水印嵌入强度的量化步长为Δ>0，水印比特为w∈{0,1}，则改进的带符号奇偶区间量化嵌入的具体方法为：

(1)当待修改的DST频域系数s＞0时，则修改后的DST频域系数s'为

(2)当待修改的DST频域系数s≤0时，则修改后的DST频域系数s'为

步骤C中，带符号的奇偶区间调制的具体方法为：

2.如权利要求1所述的基于DST的抗视频压缩鲁棒性盲水印方法，其特征在于，步骤2中，水印嵌入区域的起点P的坐标(a,b)为任意选取；坐标P作为水印系统的密钥。

3.如权利要求1所述的基于DST的抗视频压缩鲁棒性盲水印方法，其特征在于，步骤2中，计算水印嵌入区域的公式如下：

其中，为向下取整运算，保证值为8的整数倍。

4.如权利要求1所述的基于DST的抗视频压缩鲁棒性盲水印方法，其特征在于，步骤3中，分块DST频域变换的过程如下：

假设对一个M×N的二维图像块进行DST变换，f(x,y)为空域像素点的值，F(u,v)是频域变换后的系数值，a(u)、a(v)为归一化常数，则DST正变换公式如下：