基于水印的视频内容保护方法及装置与流程

本发明涉及视频水印装置及方法，更具体地说，涉及一种基于水印的视频内容保护方法及装置。

背景技术：

数字水印(Digital Watermarking)技术是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体当中(包括多媒体、文档、软件等)或是间接表示(修改特定区域的结构)，且不影响原载体的使用价值，也不容易被探知和再次修改，但可以被生产方识别和辨认。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印是保护信息安全、实现防伪溯源、版权保护的有效办法，是信息隐藏技术研究领域的重要分支和研究方向。

数字水印技术基本上具有下面几个方面的特点：

安全性：数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率，当原内容发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；当然数字水印同样对重复添加有很强的抵抗性

隐蔽性：数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用；不会降质；

鲁棒性：是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。

嵌入容量(embedding capacity)：是指载体在不发生形变的前提下可嵌入的水印信息量。尤其是隐蔽通信领域的特殊性，对水印的容量需求很大。

技术实现要素：

针对现有技术中数字水印适用性有限的问题，本发明的目的是提供一种基于水印的视频内容保护方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于水印的视频内容保护方法，包括：水印信息生成步骤：根据水印容量阈值，将审核标识和版权标识生成二值图像，对二值图像进行Arnold变换，生成图像比特串，使用私钥对图像比特串进行加密，生成水印信息。水印信息嵌入步骤：对视频对象解码，获得视频流，根据水印强度阈值，在关键帧变换域中频系数中嵌入合适强度的水印信息。

根据本发明的一实施例，还包括水印预处理步骤：将水印信息进行扩频，使水印信息分布在关键帧变换域中频系数中；将水印信息进行交织。

根据本发明的一实施例，水印信息嵌入步骤进一步包括：将视频对象解码成视频流；在视频流中搜索与视频流相匹配的水印强度阈值的亮度分量；利用定位方法寻找嵌入位置数据；在嵌入位置嵌入预处理的水印信息；修改亮度分量；输出带水印的视频流。

根据本发明的一实施例，还包括水印提取步骤：解码视频文件，获得每一帧的亮度分量；对亮度分量进行分块；对每个分块进行DCT变换，获得中频系数，并根据嵌入的关系，提取水印；将提取的水印进行反交织和解扩频，得出最终的水印信息。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种基于水印的视频内容保护装置，包括水印信息生成模块、水印信息嵌入模块。水印信息生成模块根据水印容量阈值，将审核标识和版权标识生成二值图像，对二值图像进行Arnold变换，生成图像比特串，使用私钥对图像比特串进行加密，生成水印信息。水印信息嵌入模块对视频对象解码，获得视频流，根据水印强度阈值，在关键帧变换域中频系数中嵌入合适强度的水印信息。

根据本发明的一实施例，还包括水印预处理模块，水印预处理模块将水印信息进行扩频，使水印信息分布在关键帧变换域中频系数中，再将水印信息进行交织。

根据本发明的一实施例，水印信息嵌入模块进一步包括：将视频对象解码成视频流；在视频流中搜索与视频流相匹配的水印强度阈值的亮度分量；利用定位方法寻找嵌入位置数据；在嵌入位置嵌入预处理的水印信息；修改亮度分量；输出带水印的视频流。

根据本发明的一实施例，还包括水印提取模块，水印提取模块执行以下操作：解码视频文件，获得每一帧的亮度分量；对亮度分量进行分块；对每个分块进行DCT变换，获得中频系数，并根据嵌入的关系，提取水印；将提取的水印进行反交织和解扩频，得出最终的水印信息。

在上述技术方案中，本发明的基于水印的视频内容保护方法及装置能够较好地实现视频内容的数字水印，并且本发明的数字水印具有较高的加密性和安全性。

附图说明

图1是水印嵌入的流程图；

图2是水印提取的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明公开一种基于水印的视频内容保护装置及其方法，本发明的装置主要包括水印容量及强度阈值计算模块、水印信息生成模块、水印信息嵌入模块、水印预处理模块、水印提取模块等。下面来详细说明上述装置的功能及其执行的方法步骤。

水印容量及强度阈值计算模块：

为了保证视频水印的不可见性，水印的容量和强度必须低于一定的阈 值；为了提高视频水印的鲁棒性，水印的容量和强度应该尽可能大。通过深入研究影响感知的两方面的心理生理学概念：视觉敏感度和视觉注意力，根据其机理找到注意力模型，在此基础上，研究基于多级小波分解和注意力调制下的最小可察觉失真(JND)模型，从而获得水印容量和强度的阈值度量模式。

水印信息生成模块：

根据水印容量阈值，将审核标识和版权标识生成二值图像，对图像进行Arnold变换，然后使用播控平台私钥对图像比特串进行加密，生成鲁棒性水印信息。综合考虑视频的空域、时域和频域数据特征，提取视频关键帧灰度均值和变换系数特征，使用纠错码技术对关键帧特征信息进行编码，在水印容量阈值前提下，生成半脆弱水印信息。

DCT水印嵌入可分为DC分量和AC分量的嵌入。DC系数包含了整个图像能量的主要部分，远离直流系数的高频交流系数大多数为零或趋于零。DC系数的振幅大，可改变的绝对值大，有更好的稳健性，并且通过实验发现，每个slice的所有块的DC系数的平均值可以较好的反映视频是否变化或者是否重编码，所以选择在每个slice的DC平均值上嵌入水印。但是DC系数是图像能量主要集中的部分，可嵌入的容量小，而且对DC系数的改变容易导致块效应，所以采用放缩的方法，只在每个slice的最后一个块的DC系数上进行微调(及赋予一个矫正系数)，可以通过这个矫正系数得到想要的slice上的DC平均值。

水印信息嵌入模块：

对视频对象解码，获得视频帧序列，根据水印强度阈值，分析常见攻击手段，研究视频内容自适应的鲁棒性视频水印技术，在关键帧变换域中频系数中嵌入合适强度地鲁棒性水印技术。研究半脆弱视频水印技术，兼顾水印嵌入的强度、性能和攻击手段，获得水印嵌入的位置策略，并在相应的运动向量中嵌入半脆弱水印信息。

水印嵌入就是将水印信号嵌入到原始视频中，这样在发生版权纠纷时， 可以利用数字水印确定版权所属。尽管对水印的定义不尽相同，但一般都认为水印应具有如下特性：

鲁棒性：数字水印必须对信号的处理具有很强的鲁棒性，能在多种有意和无意的信号处理后仍能保持水印的完整性和鉴别的准确性。

不可感知性：是指利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，在视觉或听觉上具有不可感知性。

安全性：数字水印的安全性包含两方面的含义：一是隐藏的位置安全，数字水印不应固定在某个位置，应该随机分布在数字作品中，能够对抗非法的探测和解码；二是不可去除、伪造和复制，嵌入水印和提取水印的方法对没有授权的第三方是绝对保密的，是不易被检测盒破解的。

为了保证水印的上述性能，采用了离散余弦变换(DCT)技术，为了保证不可感知性和水印鲁棒性，在DCT变换后的中频系数中嵌入水印。同时为了加强水印的鲁棒性，将水印嵌入在视频的亮度分量上。

例如，设：一个slice中块数总和为slice_block_num(包括Y\U\V三种类型的数据块)；一个slice中第一个块到倒数第二个块的DC系数总和为total_last_but_one；一个slice中的倒数第一个块的DC系数为last_block

现在，求希望得到的平均值，也就是平均值的二进制的最低两位为嵌入的水印。

last_block&＝0xfff8；

/*将最后一块DC系数的二进制表示的后三位置0，将来存放矫正系数*/

avg＝(total_last_but_one+last_block)/slice_block_num；

假设，将希望从avg(平均值)中提取出的二进制水印信息为“10”，

avg2＝avg&0xfffc+0x0002/*avg2就是矫正后的平均值*/

最后，将(avg2-avg)嵌入last_block的二进制第三位，其中第三位存符号位，“1”表示负数，“0”表示正数。

水印提取模块：

根据水印嵌入算法，设计相应的水印提取算法，对于提取出的鲁棒性水印信息，使用播控平台公钥进行解密，设计合理的水印信息相似度阈值，对解密后的水印信息进行判别，确定视频内容的合法性和版权方。对待检测视频，使用半脆弱水印生成算法，计算视频特征值，并与提取出的半脆弱水印信息进行比对，当两者相似度小于研究获得的合理阈值，即可判断视频遭到篡改。两种水印检测，有一种不通过，即可对视频进行下线处理，检测全部通过，可将视频交付使用。

在水印提取的时候，同样不将last_block的最低三位二进制数带入求平均值的运算，而是取出二进制最低三位的矫正系数，求得矫正值：

deviation＝(last_block&0x0007)*slice_block_num

avg＝(total_last_but_one+last_block&0xfff8+deviation)/slice_block_num

最后，avg&00002得到嵌入的水印值。

水印预处理模块：

为了提高水印的鲁棒性，水印的预处理是必不可少的。在这里，水印的预处理采用了扩频和交织两种方法。

扩频作为一种新型的通信方式，具有抗干扰、低功率谱密度、保密性好等优点。扩频技术中使用的序列具有类似白噪声的性质，但又是周期的、有规律的，可以自动的产生和复制。在扩频系统中，信息将会分布在许多数据频域系数中，加入每个频域系数的信号能量很小，这样就会很难检测到。然而，水印检测过程知道水印的位置和内容，它能将许多微弱的信号集中起来形成具有较高信噪比的输出值，要破坏水印需要很强的噪声信号加入所有频域系数中，破坏水印的同时也会造成原始数据质量严重下降。只要水印信号能量足够小，嵌入的水印就不可能被看见或听到，因此利用扩频原理的数字水印技术具有较好的鲁棒性和安全性。

采用交织技术的目的是减小随机化突发错误造成的后果。交织就是用 某种一一对应的确定性方法重新排列序列的顺序的过程。它的逆过程是将交织后的序列还原回原来的顺序。

如图1所示，综合水印预处理模块执行的方法操作，水印信息嵌入模块执行的操作可以总结为以下流程：

将视频对象解码成视频流；

在视频流中搜索与视频流相匹配的水印强度阈值的亮度分量；

利用定位方法寻找嵌入位置数据；

在嵌入位置嵌入预处理的水印信息；

修改亮度分量；

输出带水印的视频流。

如图2所示，对应于水印信息嵌入模块，水印提取模块执行的操作可以总结为以下流程：

解码视频文件，获得每一帧的亮度分量；

对亮度分量进行分块，形成互不覆盖的8*8块；

对每个分块进行DCT变换，获得中频系数，并根据嵌入的关系，提取水印；

将提取的水印进行反交织和解扩频，得出最终的水印信息。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。