一种基于关键帧选取和安全扩频技术的视频水印方法

摘要

本发明公开了一种基于关键帧选取和安全扩频技术的视频水印方法。该方法包括：针对目标视频，在时域内随机且均匀的选取多个关键帧；通过变换操作从所选取的关键帧中提取宿主信号，并且对于每一个选定的关键帧，利用扩频水印算法将水印信息嵌入设定的分布区域。本发明提供安全且鲁棒的新型视频水印技术，使得嵌入的水印信息对一些常用的视频处理技术、噪声以及视频帧的调换、插入和丢弃更具有鲁棒性，并且能够防止他人抹除水印。

说明书

技术领域

本发明涉及多媒体安全技术领域，更具体地，涉及一种基于关键帧选取和安全扩频技术的视频水印方法。

背景技术

随着互联网技术的发展，视频作为一种重要的数字资产在人们的生活中占据着愈加重要的地位。然而，视频极易被盗用，从而严重损害了所有者的权益，这对视频版权的保护产生了极大的需求。数字水印作为一种有效的版权保护手段受到人们的广泛关注。数字水印将水印(版权信息)嵌入到视频中，当侵权行为发生时，可从视频中提取水印来达到维权的目的。在传输过程中，视频通常会受到噪声污染以及被施加压缩、滤波和裁剪等视频处理操作，这要求水印具有良好的鲁棒性，以确保提取出的水印仍然具有意义。此外，视频帧的调换、插入和丢失也可能使水印的提取失败，因此也要求嵌入在视频中的水印对这些操作有良好的鲁棒性。为了规避水印保护版权的作用，攻击者会估计密钥来读取、篡改、甚至抹除水印，这要求水印具有较高的安全性。

现有的视频水印技术主要在空域、压缩域和变换域嵌入水印。在文章“FibonacciBased Key Frame Selection and Scrambling for Video Watermarking in DWT-SVDdomain”中，作者选择在DWT-SVD域中嵌入水印，首先通过斐波那契序列从视频中选取关键帧，并使用Fibonacci-Lucas变换来置乱水印。通过DWT和SVD变换，将置乱后的水印嵌入在关键帧中的R通道。

近年来，扩频水印被广泛用于保护数字媒体的版权。在嵌入水印时，水印信息先被调制到高频载波上生成水印信号，紧接着水印信号被添加到数字媒体中。在提取水印信息时，使用高频载波(与嵌入水印时使用的高频载波相同)从数字媒体中恢复水印信息。水印信息的提取无需原始水印媒体的辅助就能够完成，因此扩频水印的使用非常简便。此外，由于水印的嵌入和提取必须凭借同一高频载波才能完成，高频载波也被称为密钥，这提高了水印的安全性。因为扩频水印具有良好的鲁棒性和安全性，它可被用来保护视频的版权。

对于扩频水印，为了确保密钥无法被他人准确地估计出来，嵌水印相关(watermarked correlation)的分布在嵌入子空间中要具有旋转不变性。此外，为了保证水印的鲁棒性，嵌水印相关要远离解码区域边界。在“Natural watermarking：A secure spreadspectrum technique for WOA”中，作者提出了鲁棒自然水印算法，其实现如下：

其中x为从视频中提取出的宿主信号，y为嵌入水印后的信号，α为嵌入强度参数，m为水印信息，N

然而，经分析，现有的视频水印技术不能同时满足安全性和鲁棒性的需求，即或者鲁棒性好但安全性较差，使所嵌入的水印有被他人移除的风险；或者对视频帧的插入、丢弃和调换不具有鲁棒性但对常见的视频处理操作鲁棒。并且，上述的鲁棒自然水印技术虽然具有良好的安全性，但其鲁棒性较差。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于关键帧选取和安全扩频技术的视频水印方法，该方法包括以下步骤：

针对目标视频，在时域内随机且均匀的选取多个关键帧；

通过变换操作从所选取的关键帧中提取宿主信号，并且对于每一个选定的关键帧，利用扩频水印算法将水印信息嵌入设定的分布区域。

与现有技术相比，本发明的优点在于，提供安全且鲁棒的新型视频水印技术，使得嵌入的水印信息对一些常用的视频处理技术、噪声以及视频帧的调换、插入和丢弃更具有鲁棒性，并且能够防止他人抹除水印。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的基于关键帧选取和安全扩频技术的视频水印方法的流程图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明设计了一种基于关键帧选取和安全扩频技术的视频水印方法，其基本原理是：对所有的视频帧进行均匀且随机的采样，将选定的视频帧作为关键帧来嵌入水印。通过这种方式，即使在嵌入水印后的视频中插入、丢弃或调换视频帧，依然可以从视频中提取出水印。并且，对于所设计的扩频水印嵌入算法，其嵌水印相关在嵌入子空间中均匀地分布在环形上且远离解码区域边界，从而确保了水印的安全性和鲁棒性。

具体地，参见图1所示，所提供的基于关键帧选取和安全扩频技术的视频水印方法包括以下步骤。

步骤S110，针对目标视频，在时域内随机选取关键帧。

例如，对于一段待嵌入水印的目标视频，记为X＝[X(1),X(2),…,X(L)](L为视频的帧数)，从视频X中选取多个关键帧，以将水印信息嵌入在每一个关键帧中。

在一个实施例中，随机且均匀地在区间[1,L]选取N个不同的整数，记为I＝[I(1),I(2),…,I(N)]，则选取的关键帧为X(I(1)),X(I(2)),…,X((N))。通过随机且均匀的选取关键帧，能够是添加的水印对视频帧的调换、插入和丢弃具有良好的鲁棒性，其中N值的选取可根据总视频帧数、对鲁棒性的要求以及添加手印的效率设定。

步骤S120，通过变换操作从关键帧中提取出宿主信号，并利用扩频水印算法在每个关键帧中嵌入水印。

为提供水印信息的隐匿性和抗攻击性，可在频域将水印信息添加到目标视频，如被调制到高频载波上生成水印信号。并且，对于每一个选定的关键帧，可选取R、G、B通道中一个通道或多个通道嵌入水印。例如，选择B通道用于嵌入水印，。

具体地，通过诸如小波变换或短时傅里叶变换等操作从关键帧中提取出宿主信号x，再通过如下所示的扩频水印算法嵌入水印：

其中，y为嵌入水印的信号，α为嵌入强度参数，

在该步骤中，结合随机变量的设置和变换操作，使嵌水印相关远离解码区域边界，从而所嵌入的水印具有较好的鲁棒性。此外，嵌水印相关在嵌入子空间中呈环状分布，在water marked-only attack(仅水印攻击)情景中他人无法准确地估计密钥，因此能够防止水印被他人移除。

步骤S130，接收端提取水印信息。

在接收端，将接收到的视频记为Y′＝[Y′(1),Y′(2),…,Y′(L′)](L′为视频Y′的帧数)。在提取水印时，遍历所有视频帧并使用与嵌入水印时相同的操作从视频帧中提取信号，记为y′。水印信息的提取操作表示为：

综上所述，本发明通过在时域随机选择关键帧，并在变换域设置随机变量等方式嵌入水印信息，对常见的视频处理技术、噪声以及视频帧的调换、插入和丢弃具有良好的鲁棒性，并且所设计的扩频水印嵌入算法，其嵌水印相关均匀地分布在圆环上，且多数嵌水印相关离解码区域边界较远，具有良好的鲁棒性和安全性，可以在water marked-onlyattack情景中防止他人准确地估计密钥，从而防止水印被他人移除。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++、Python等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。