基于非负矩阵分解的视频水印方法研究

摘要

视频水印作为一种能够有效保护视频产品版权和防止视频产品被恶意篡改的方法已受到越来越多的关注，目前大多数视频水印可以抵抗各种常规信号处理，但对几何攻击鲁棒性差，特别是强剪切攻击，嵌入的水印信息直接被大量裁剪，如何在残余视频中恢复提取完整水印，一直是困扰水印研究者的难题。同时，研究及实验分析表明，现有的半脆弱水印方法在保证脆弱性的同时鲁棒性不足，本文在对非负矩阵分解(Non-Negative Matrix Factorization，NMF)深入分析和研究的基础上，提出了以下基于非负矩阵分解的视频水印方法。
　　 (一)一种基于NMFSCPBM(Non-Negative Matrix Factorization with SparsenessConstraints on Parts of the Basis Matrix)的抵抗强剪切攻击视频水印方法。将加密水印嵌入在宿主视频NMFSCPBM分解的基矩阵大系数中，同时用NMFSCPBM方法提取视频运动特征，利用该特征系数大小自适应控制水印嵌入强度。水印检测端，只要残余视频中包含有视频最小剩余子块数，就可以通过对残余视频最小剩余子块的非负矩阵进行NMFSCPBM分解，以恢复出完整基矩阵，进而提取出完整水印。实验表明，本方法抵抗各种规则剪切强度平均值达到95.97％，各种不规则剪切强度平均值达到94.25％，各种情况下的水印正确提取比特数均可达到100％，提取水印不受剪切位置和类型限制，与同类方法相比，抵抗强剪切攻击能力获得了较大程度提升。
　　 (二)一种基于NMFCMN(Non-Negative Matrix Factorization with CoefficientMatrix Normalization)的视频水印构架，能够同时实现版权管理和内容完整性认证的双重功能。首先对宿主视频进行NMFCMN分解，提取帧间能量差分系数，构造零水印；其次将构造的零水印嵌入在系数矩阵最低有效位中，形成脆弱水印。实验结果表明，所构造零水印不但能够抵抗加噪、滤波等常规视频处理攻击，对于旋转、缩放、平移、裁剪等强几何攻击及各种联合攻击，如缩放加旋转、旋转加平移、裁剪加旋转等表现出强的鲁棒性，可在不导致视频任何失真的情况下起到版权保护作用；所嵌入的脆弱水印对各种篡改敏感，能够准确判断内容的完整性。与同类方法相比，鲁棒性及脆弱性均获得了较大程度提升。