专利名称：一种基于一维小波变换的数字视频水印方法
技术领域：
本发明设计一种基于一维小波变换的数字视频水印方法，属于视频信号处理、多
媒体信号处理技术领域。
(二)
背景技术：
随着多媒体技术和网络技术的飞速发展和广泛应用，图像、音频、视频和其它各种 多媒体作品都能以数字形式获得，制作其完美拷贝也变得非常容易，这给人们的工作、学习 和生活带来了很多便利。但是同时也可能会导致大规模的非授权拷贝，这很可能会损害音 乐、电影、书籍和软件等出版业的健康发展。在这种背景下，数字水印技术作为信息保护的 重要手段，被广泛应用于数字产品的版权保护，发布追踪，及身份认证等课题中去。
现在数字视频水印已经成为数字水印理论研究和实际应用的重点，很多方案的安 全性和鲁棒性已经取得了不错的效果，然而在视频技术的研究中还有许多实际的技术问题 没有得到较好的解决。比如，由于视频的数据量极大，在视频水印的处理中，如果进行简单 的运算处理，则不能较好的利用视频的空间和时间的特性实现一个鲁棒性比较好的水印方 案；反之，如果进行复杂的运算处理，则不能满足实时嵌入和提取的要求，现在很多方案为 了获得鲁棒性比较好的水印方案，以复杂的理论和运算为代价，很难实际应用。同时，原始 视频作为静态图像的序列，不仅针对图像的水印攻击对视频有效，而且还出现了一些额外 的攻击，比如帧重排、帧平均等。武汉大学的彭川，蒋天发(参见彭川，蒋天发，一种基于三 维小波变换的视频水印方法，武汉大学学报(工学版)，2000，40(6) :136 138)通过对视 频序列进行分割，然后作三维DWT变换，在变换帧的DWT系数上嵌入水印。该算法对帧内裁 剪、帧平均、MPEG编码等攻击具有较强的鲁棒性，但是算法较为复杂，很难满足视频水印的 实时性要求。上海交通大学的徐炳文，周源华(参见徐炳文，周源华，基于数字电视条件接 收的视频水印算法，上海交通大学学报，2005， 39 (4) :550 552)在机顶盒中通过将个人分 配密钥PDK重复的嵌入到电视节目的码流中，来追查非法拷贝的来源，从而实现对数字电 视节目版权的保护。该算法能够实时的嵌入到视频序列中，但是算法的稳健性还需要进一
步提咼o
(三)
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点，本发明提出了一种基于一维小波变换的视频水印 方法，利用一维小波变换提取出视频的低频分量，在这些低频分量上嵌入水印，有较强的鲁 棒性，使水印嵌入和提取的复杂度大大降低，能够实时的进行水印的嵌入和提取，提高了效 率，同时对帧重排攻击有明显的鲁棒性。 本发明主要是通过嵌入水印和提取水印两个过程来实现的。
—种基于一维小波变换的数字视频水印方法，步骤如下 1)水印图像预处理，采用置乱变换技术，打乱像 的空间位置，使加载了水印的视 频具有抗剪切能力，并增强了水印算法的保密性；
2) —维小波变换，在原始视频序列中，取连续的两帧，进行一维小波变换； 3)嵌入水印，将水印嵌入到经步骤1)得到的低频帧的各个分块中，并实现水印的
实时嵌入； 4)检测水印，从待检测的水印中取连续的两帧进行帧间一维小波变换，将得到的
低频帧进行分块操作，按照嵌入算法进行水印提取。 上述步骤2)所述的一维小波变换，步骤如下 b.提取视频中固定的相邻两帧第nl帧和第n2的亮度信息； b.把每帧图像相同位置上的亮度像素点在时间轴上排成一维信号，如nl帧中的 (l，l)点，n2帧中的(l，l)点，对这两个离散的信号进行一维小波变换，则得到一个低频信 号L和一个高频信号H ; c.低频信号L组成低频帧tl，高频信号H组成高频帧t2，均与原始视频帧大小一 致，这样完成一维小波变换； 上述步骤3)所述的嵌入水印，步骤如下 a.将水印图像转化成二值图像，并经过置乱处理，每个位置上的像素值记为W(i， j)，值域为{0，1}; b.根据视频帧及水印图像的大小，将步骤2)中得到的低频帧tl进行aXa分块；
c.确定0-255像素值的一个量化步长L，则可以分为n(不小于255/L的最小整 数)个像素区间，分别对应的标志代码为0， l，O， l…； d.对每一个分块求平均像素值K(i， j)，确定在c中的哪一个像素区间，并记录相 应的标志代码0或1到矩阵M(i， j); e.比较M(i， j)和W(i， j)，若相等，则调整平均像素值K(i， j)为对应像素区间的 中心值；若不相等，则调整K(i， j)为下一像素区间的中心值；
f.重复步骤d， e，直到水印全部嵌入； g.进行一维小波反变换，得到嵌入水印后的视频帧，每隔10帧重复步骤b，d，e嵌 入一次水印。 对于步骤b中的分块大小，通常a^3，随着a的增大，嵌入水印的鲁棒性会越来越 来好，但同时水印的不可见性也会越来越差，通常根据视频帧及水印图像的大小应当选取 一个合适的a的取值。 对于步骤c中的量化步长L，通常4《L《20，随着L的增大，嵌入水印的鲁棒性
会越来越来好，但同时水印的不可见性也会越来越差，根据不同的视频，L的取值会有所不
同，可以通过测试选取合适的L的取值。 上述步骤(4)所述的检测水印，步骤如下 a.提取待检测视频第nl帧和第n2帧的亮度信息； b.对亮度图像在时间轴上进行一维小波变换，得到低频帧，并aXa分块处理；
c.根据量化步长判断每一分块的平均像素值K' (i， j)在哪一个像素区间，并记录 相对应的标志代码0或1到矩阵M' (i， j); d.对M， (i， j)进行反置乱处理，则得到嵌入的水印W，。 上述数字图像置乱技术作为一种有效的图象加密方法，已成为数字图象安全传输 和保密存储的重要手段之一，对图象置乱后再隐藏可以增加非法破译的复杂度。
本发明大大降低了视频水印算法的复杂度，通过调整分块大小及其量化步长的大 小，使得嵌入水印的不可见性及其鲁棒性都取得了不错的效果，尤其对于帧重排攻击，交换 嵌入水印的两帧，也不会影响嵌入水印的提取，能够实现水印的实时嵌入和提取。
(四)
图1是本发明方法的流程框图。其中1-4为该方法中的每一个步骤。 图2是本发明方法中步骤(2)所述的一维小波变换的流程框图。其中5-7为该过
程中的每一个步骤。 图3是本发明方法中步骤(3)所述的嵌入水印的流程框图。其中8-14为该过程 中的每一个步骤。 图4是本发明方法中步骤(4)所述的检测水印的流程框图。其中15-18为该过程 中的每一个步骤。
(五)
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例 本发明实施例如图1所示，一种基于一维小波变换的数字视频水印方法，步骤如 下 1、水印图像预处理，采用置乱变换技术，打乱像素的空间位置，使加载了水印的视 频具有抗剪切能力，并增强了水印算法的保密性； 2、一维小波变换，在原始视频序列中，取连续的两帧，进行一维小波变换； 3、嵌入水印，将水印嵌入到经步骤1得到的低频帧的各个分块中，并实现水印的
实时嵌入； 4、检测水印，从待检测的水印中取连续的两帧进行帧间一维小波变换，将得到的
低频帧进行分块操作，按照嵌入算法进行水印提取。 上述步骤2所述的一维小波变换，如图2所示，步骤如下 5.提取视频中固定的相邻两帧第nl帧和第n2的亮度信息； 6.把每帧图像相同位置上的亮度像素点在时间轴上排成一维信号，如nl帧中的 (l，l)点，n2帧中的(l，l)点，对这两个离散的信号进行一维小波变换，则得到一个低频信 号L和一个高频信号H ; 7.低频信号L组成低频帧tl，高频信号H组成高频帧t2，均与原始视频帧大小一 致，这样完成一维小波变换； 上述步骤3所述的嵌入水印，如图3所示，步骤如下 8.将水印图像转化成二值图像，并经过置乱处理，每个位置上的像素值记为W(i， j)，值域为{0，1}; 9.根据视频帧及水印图像的大小，将步骤2中得到的低频帧tl进行aXa分块；
10.确定0-255像素值的一个量化步长L，则可以分为n(不小于255/L的最小整 数)个像素区间，分别对应的标志代码为0， l，O， l…； 11.对每一个分块求平均像素值K(i，j)，确定在c中的哪一个像素区间，并记录相应的标志代码0或1到矩阵M(i， j); 12.比较M(i， j)和W(i， j)，若相等，则调整平均像素值K(i， j)为对应像素区间 的中心值；若不相等，则调整K(i， j)为下一像素区间的中心值；
13.重复步骤11、12，直到水印全部嵌入； 14.进行一维小波反变换，得到嵌入水印后的视频帧，每隔10帧重复步骤b， d， e 嵌入一次水印。 上述步骤4所述的检测水印，如图4所示，步骤如下
15.提取待检测视频第nl帧和第n2帧的亮度信息； 16.对亮度图像在时间轴上进行一维小波变换，得到低频帧，并aXa分块处理；
17.根据量化步长判断每一分块的平均像素值K' (i， j)在哪一个像素区间，并记 录相对应的标志代码0或1到矩阵M' (i， j);
18.对M， (i， j)进行反置乱处理，则得到嵌入的水印W，。
权利要求
一种基于一维小波变换的数字视频水印方法，步骤如下1)水印图像预处理，采用置乱变换技术，打乱像素的空间位置，使加载了水印的视频具有抗剪切能力，并增强了水印算法的保密性；2)一维小波变换，在原始视频序列中，取连续的两帧，进行一维小波变换；3)嵌入水印，将水印嵌入到经步骤1)得到的低频帧的各个分块中，并实现水印的实时嵌入；4)检测水印，从待检测的水印中取连续的两帧进行帧间一维小波变换，将得到的低频帧进行分块操作，按照嵌入算法进行水印提取。
2. 如权利要求1所述步骤2)中所述的一维小波变换，步骤如下a. 提取视频中固定的相邻两帧第nl帧和第n2的亮度信息；b. 把每帧图像相同位置上的亮度像素点在时间轴上排成一维信号，如nl帧中的(1， 1)点，n2帧中的(l，l)点，对这两个离散的信号进行一维小波变换，则得到一个低频信号L 和一个高频信号H ;c. 低频信号L组成低频帧tl，高频信号H组成高频帧t2，均与原始视频帧大小一致，这 样完成一维小波变换；
3. 如权利要求1所述步骤3)中所述的嵌入水印，步骤如下a. 将水印图像转化成二值图像，并经过置乱处理，每个位置上的像素值记为W(i， j)， 值域为{0，1};b. 根据视频帧及水印图像的大小，将步骤2)中得到的低频帧tl进行aXa分块；c. 确定0-255像素值的一个量化步长L，则可以分为n个像素区间，分别对应的标志代码为O，l，O，l...;d. 对每一个分块求平均像素值K(i， j)，确定在c中的哪一个像素区间，并记录相应的标志代码O或l到矩阵M(i， j);e. 比较M(i， j)和W(i， j)，若相等，则调整平均像素值K(i， j)为对应像素区间的中心 值；若不相等，则调整K(i， j)为下一像素区间的中心值；f. 重复步骤d， e，直到水印全部嵌入；g. 进行一维小波反变换，得到嵌入水印后的视频帧，每隔lO帧重复步骤b，d，e嵌入一 次水印。
4. 如权利要求1所述步骤(4)中所述的检测水印，步骤如下a. 提取待检测视频第nl帧和第n2帧的亮度信息；b. 对亮度图像在时间轴上进行一维小波变换，得到低频帧，并aXa分块处理；c. 根据量化步长判断每一分块的平均像素值K'(i，j)在哪一个像素区间，并记录相对 应的标志代码0或1到矩阵M' (i， j);d. 对M' (i， j)进行反置乱处理，则得到嵌入的水印W'。
全文摘要
一种基于一维小波变换的数字视频水印方法，属于视频信号处理、多媒体信号处理技术领域。步骤为1)水印图像预处理，采用置乱变换技术，打乱像素的空间位置，使加载了水印的视频具有抗剪切能力，并增强了水印算法的保密性；2)一维小波变换，在原始视频序列中，取连续的两帧，进行一维小波变换；3)嵌入水印，将水印嵌入到步骤(1)得到的低频帧的各个分块中，并实现水印的实时嵌入；4)检测水印，从待检测的水印中取连续的两帧进行帧间一维小波变换，将得到的低频帧进行分块操作，按照嵌入算法进行水印提取。本发明使水印嵌入和提取的复杂度大大降低，能够实时的进行水印的嵌入和提取，提高了效率，同时对帧重排攻击有明显的鲁棒性。
文档编号H04N7/16GK101707708SQ20091022977
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者季伟, 田虎 申请人:山东大学