专利名称：一种基于三维小波和余弦变换在视频中嵌入大水印的方法
技术领域：
本发明属于多媒体信号处理领域，涉及一种基于三维小波变换(3D-DWT)和三维余弦变换(3D-DCT)，在视频中嵌入大容量数字水印的方法，具体是一种基于三维小波和余弦变换在视频中嵌入大水印的方法。
背景技术：
随着多媒体技术和互联网技术的飞速发展，各种数字媒体如文本、图像、声音、视频等都可以通过互联网快速方便地进行传输和下载，信息化给人们的生活带了极大的方便；但同时这也使得这些信息的盗版等变得非常容易。数字水印是实现对数字作品版权保护的有效手段。因此，该技术成为多媒体信息安全领域的一个研究热点。但目前多数研究方向是在图像和音频数字水印。而数字视频中嵌入水印的研究相对较少，但目前的数字视频的网上数量日益增多，因此研究视频水印具有较强的现实意义。对于基于三维小波变换，在数字视频中嵌入大容量水印，并要求嵌入的大容量水印有较强的抗几何攻击，其实现难度较大，目前尚未见报道，尚属空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三维小波和余弦变换在视频中嵌入大水印的方法， 其可在不影响原始视频的条件下进行水印的嵌入，具有较强的鲁棒性，既能抗击几何攻击又能抗常规攻击，从而较好的保护了视频的版权。为了实现上述目的，本发明是这样进行的先对视频段进行三维小波变换，得到 “近似系数”和“细节系数”，这类似二维图像的小波变换，“近似系数”代表视频的低频特性，反映的是视频的主要轮廓；“细节系数”代表视频的高频特性反映的是视频的高频信息。由于小波变换本身的抗几何攻击能力较差，为此，发明人先对视频进行三维小波变换 (3D-DWT)，然后再对反映低频特性的“近似系数”再进行三维全局余弦变换(3D-DCT)，在 3D-DCT系数中，提取一个抗几何攻击的特征向量，并将水印技术与密码学中的Hash函数和 “第三方概念”有机结合起来，实现了基于三维小波变换，抗几何攻击大容量数字水印的嵌入。本发明所采用的方法包括水印嵌入和水印提取两大部分，第一部分为水印嵌入，包括 (1)通过对视频段进行三维小波变换，然后对近似系数进行全局3D-DCT变换，得到一个抗几何攻击的特征向量V(j)，(2)将大容量水印W分成k个子水印Wk(j)，k = 1，2，. . .，η，η 表示子水印的个数；再将子水印Wk(j)和从视频段中提取的特征向量V(j)，通过Hash函数生成二值逻辑序列Keyk(j)，然后将二值逻辑序列Keyk(j)存在第三方；第二部分为大容量水印的提取，包括(3)求出待测视频的抗几何攻击的特征向量V’ (j)，(4)利用已存在第三方的二值逻辑序列Keyk (j)和待测视频的特征向量V’(j)，提取出多个子水印Wk’(j)。现对本发明的方法进行详细说明如下第一部分大容量水印的嵌入首先用Wk(j)表示组成大容量水印的一系列子水印，Wk(j) = {wk(j) |w(j) =0,1 ；1彡j彡L，1彡k彡η}，L代表要嵌入的一个子水印的长度，η为子水印的个数。原始视频记为 F= {f(i, j,k) |f(i, j,k) e R;1 彡 i 彡M，1 彡 j 彡N，1 彡 k彡P)}，其中，f(i，j，k) 表示视频的体素(Voxel)数据值，这里视频段可以看成是由帧组成的体数据。类似二维图像中的图像的像素灰度值，设N = M(设帧图像的长宽一样)，大水印的嵌入步骤如下1)通过对原始视频进行三维小波变换，然后对小波变换的“近似系数”再进行三维全局DCT变换，在3D-DCT的低中频系数中，得到该视频的一个抗几何攻击的特征向量 V(J)；先对原始视频F (i，j，k)进行三维DWT小波变换，得到系数矩阵ca_cd (i，j，k)，再对其中的“近似系数” ca(i，j, k)进行全局DCT变换，得到系数矩阵DF(i，j, k)中，取出低中频系数的前L个值，并通过对DF(i，j, k)系数进行符号运算得到该视频的一个特征向量 V(j)，具体做法是当DCT系数为正时用“1”表示，系数为负或零时用“0”表示(原因见下部分)，程序过程描述如下ca_cd(i, j,k) = DWT3(F(i, j, k)) %对医学图像进行三维小波变换DF(i，j,k) = DCT3(ca(i, j,k)) ； %对近似系数进行全局余弦变换V(j) = Sign(DF(i, j, k)) ； %求出一个特征向量2)根据要嵌入的多个子水印Wk(j)和已提取的视频的特征向量V(j)，利用Hash函数特性，生成二值逻辑序列Keyk (j)Keyk (j)=V(j) Wk (j); k=l,2,...,nKeyk(J)是由视频的特征向量V(j)和要嵌入的多个子水印Wk(j)，通过密码学常用的Hash函数生成。保存Keyk(j)，在以后提取多个子水印时需用。通过将Keyk(j)作为密钥向第三方申请，以获得原视频的所有权，达到版权保护的目的。第二部分多个子水印的提取3)求出待测视频的特征向量V’ (j)设待测视频为F’(i，j, k)，经过三维小波变换(3D-DWT)，和对其近似系数进行的三维全局余弦变换(3D-DCT)，得到系数矩阵DF’(丨，」，10，按上述步骤1)的方法，求得待测视频的特征向量V’(j)，主要步骤，程序描述如下ca_cd，(i，j, k) = DWT3(F' (i，j, k)) %对待测医学图像进行三维小波变换DF，(i, j,k) = DCT3(ca' (i，j，k)) %对近似系数进行全局余弦变换ψ (j) = Sign(DF’(i，j, k)) %求出一个特征向量4)从待测视频中提取出多个子水印Wk’ (j)根据存在第三方的在嵌入水印时生成的Keyk(j)和待测视频的特征向量V’(j)， 利用Hash函数性质可以提取出待测视频的多个子水印Wk’ (j)。Wk,①=Keyk(J)十 γ,①再根据Wk(j)和Wk’ (j)的相关程度来判别视频的所有者。本发明有以下优点首先由于本发明是基于3D-DWT、3D_DCT的数字水印技术，DffT是下一代图像压缩技术JPEG2000的核心，DCT是目前主流的图像压缩算法，因此该水印算法有较好的兼容性， 通过后面的实验数据证实，该水印嵌入方法不仅有较强的抗常规攻击能力，而且有较强的抗几何攻击能力；其次，重复嵌入的多个子水印不影响原始视频的内容，这是是一种零水印技术。这个特性尤其是在视频等方面具有较大的实用价值，使用范围广。以下从理论基础和实验数据说明1)三维离散小波变换(3D-DWT)三维小波变换的一层分解过程如
图1所示，图1中的L、H分别表示视频(体数据) 经过低频和高频滤波之后得到的低频成分和高频成分，与二维图像的小波变换类似，视频段经过三维小波变换后，被分解成一个代表视频低频特性的“近似系数” LLL1 (低频三维子带)，和该视频的高频信息的“细节系数”(高频三维子带)，下标“ 1，，表示是三维DWT的第一层分解；视频的主要能量和低频特征是集中在低频系数中。2)视频数据的抗几何攻击的特征向量V(j)提取目前大部分水印算法抗几何攻击能力差的主要原因是人们将数字水印直接嵌入在视频或变换系数中，视频的轻微几何变换，常常导致视频数据值或其变换系数值的较大变化。这样嵌入在视频中的水印便被轻易攻击。如果能够找到一个反映视频几何特点的特征向量，并且当视频发生小的几何变换时，该特征向量值不会发生明显的突变，而把要嵌入的多重水印和该特征向量相关联，就可以较好的解决视频水印的鲁棒性问题。三维小波变换的抗击几何攻击的能力较差，通过实验数据，发现将视频的三维小波变换和三维余弦变换相结合，可以找到一个抗几何攻击的特征向量，当对一个视频进行常见的几何变换时 (这里通过对每个视频的帧图像进行几何变换来实现)，三维DCT低中频系数值的大小可能发生一些变化，但其系数符号基本保持不变，根据发现的这么一个规律，我们先对视频段进行三维小波变换(这里选用一层分解)，然后对其近似系数再进行全局三维DCT变换，我们通过表1的一些实验数据来说明。表1中“第1列”显示的是视频受到攻击的类型，受到常规攻击后的该视频的帧图像见图2(a) -图7(d)；受到几何攻击后的视频帧图像见图2(e)-图 2(1)。表1的“第3列”到“第11列”，这是三维DWT-DCT系数矩阵中取的F (1，1，1)-F (3，3， 1)，9个低中频系数。对于常规攻击，这些低中频系数值F(l，l，l)-F(3，3，l)基本保持不变； 对于几何攻击，大部分系数有较大变化，但是从表1中可以发现，大部分DWT-DCT低中频系数的大小发生了变化但其符号基本没有发生变化。发明人将正的DWT-DCT系数用“1”表示 (含值为零的系数)，负的系数用“0”表示，那么对于没有受到攻击的“原始视频”来说，三维DWT-DCT系数矩阵中的F(l，l，l)-F(3，3，l)系数，对应的系数符号序列为"1000 1001 1”，具体见表1的第“12”列，我们观察该列可以发现，无论常规攻击还是几何攻击该“符号序列”和原始视频的保持相似，与原始视频对应的符号序列的归一化相关系数都较大，为1， (见表1的“第13列”)。表1三维DWT-DCT低频“部分系数”及受不同攻击后的变化值
权利要求
1. 一种基于三维小波和余弦变换在视频中嵌入大水印的方法，其特征在于基于三维小波、余弦变换及抗几何攻击的特征向量的提取，将水印技术、密码学中的Hash函数特性和“第三方”概念有机结合起来，实现了基于三维小波变换、余弦变换在视频数据中嵌入大容量数字水印的方法，该方法共分两个部分，共计四个步骤第一部分是大水印的嵌入先将大水印分成多个小的子水印，然后通过对多个子水印的重复嵌入操作，得到相应的二值逻辑序列Keyk(j)；1)对原始视频数据进行三维小波变换，再对近似系数进行三维全局余弦变换，在余弦变换系数中，根据低中频系数的符号序列来得到该视频数据的一个抗几何攻击的特征向量 V(J)；2)利用Hash函数和要嵌入的多个子水印Wk(J)，k= 0，1，2，· · ·，η ；得到二值逻辑序列 Keyk (j)，Keyk ①=VO Wk ①；保存Keyk(j)，下面提取子水印时要用到，通过把Keyk(j)作为密钥向第三方申请，以获得对原视频数据的所有权；第二部分是水印的提取通过二值逻辑序列Keyk(j)和待测视频数据的抗几何攻击的特征向量V’(j)，提取出所有的子水印Wk’ (j)；3)对待测视频数据进行三维小波变换和对近似系数进行全局DCT变换；在变换系数中，根据低中频系数的符号提取出待测视频数据的一个抗几何攻击的特征向量V’ (j)；4)利用Hash函数性质，和存在第三方的Keyk(j)，提取出所有子水印，Wk'G)=KeykG) V'a);将Wk(j)和Wk’ (j)进行归一化相关系数计算，来确定视频数据的所有权。
全文摘要
本发明涉及一种基于三维小波和余弦变换在视频中嵌入大水印的方法，是先进行大水印的嵌入，包括(1)对原始视频数据进行三维小波变换、三维全局余弦变换，在变换系数中提取一个抗几何攻击的特征向量；(2)先将大水印分成多个子水印，然后把视频数据的特征向量和要嵌入的多个子水印通过Hash函数运算，得到相应的二值逻辑序列，并将该二值序列存于第三方；然后进行水印提取，包括(3)对待测视频数据进行三维小波变换、三维全局余弦变换，在变换域提取待测对象的特征向量；(4)利用Hash函数特性和存在第三方的二值逻辑序列提取多个子水印。本发明在不影响原始视频的条件下进行水印的嵌入，具有较强的鲁棒性，保护了视频的版权。
文档编号H04N21/8358GK102340669SQ20111029096
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者李京兵, 杜文才, 魏应彬 申请人:海南大学