专利名称：一种抗几何攻击的视频水印防伪方法
技术领域：
本发明属于计算机视觉和图像理解领域，涉及一种抗几何攻击的视频水印防伪方法。
背景技术：
近年来，更高级和更易操作的视频编辑/篡改/攻击工具正逐渐普及，导致伪造的新闻、恶意篡改的用于司法机构的证据视频等问题层出不穷；另一方面，以论坛、博客、播客、微博、社交网络为代表所构成的社会信息网络成为信息传播主要载体，其显著特点就是信息传播更加迅速。两者的结合，更恶劣地挑战着视频内容的安全。视频水印是保护视频内容安全和真实性的有效技术手段之一。视频水印是指将水印嵌入到视频序列中以防止视频遭受恶意复制和修改。对于版权保护，视频水印系统旨在抵抗各种恶意和非恶意攻击。虽 然视频水印技术的研发已经有一段时间，抗几何攻击能力仍然是视频水印技术的难点。早期的视频水印方法通过修改视频单帧的像素来将水印嵌入到空间域。这类方法对常见的几何攻击和图像处理很敏感。随后水印开始嵌入到频率域来增强水印系统对图像处理的鲁棒性。这类方法通常通过修改帧序列的变换系数来嵌入水印，常见的变换方法有离散余弦变换、离散傅里叶变换、离散小波变换等。但是基于频域的方法还是对几何变换攻击敏感。现有的抗几何攻击的视频水印嵌入方法大致可以分为三大类1.几何不变法；2.几何恢复法；3.基于特征的水印法。在第一类方法中，水印载体是几何不变域。为了达到抗平移、旋转、尺度变换的目的，通用随机变换域被用来嵌入水印并且能在几何变换下保持同步I。当然，还有许多其它几何不变域2被提出来了，如对数-极坐标域，普通矩，Zernike矩。尽管这些方法在一定程度上能抵抗旋转和尺度攻击，但水印易受局部几何变换损坏。第二类方法通过估计几何变换的参数来嵌入水印，这些参数被用来在水印抽取之前对图片进行逆变换。典型的几何变换参数可以使用模板来估计34。但是基于模板方法的主要缺陷是模板很容易受到攻击和移除，这些致命错误使得基于几何恢复的方法并不实用。以“基于特征的局部水印”为主要特点的第三类水印技术首先由Kutter等5678较早提出。这类方法的主要观点是图片特征不受几何攻击的影响，将水印信息和图片特征关联起来能保证水印信息的完整性。基于特征的水印嵌入技术利用图片特征的可重复检测来确定水印嵌入和抽取的位置。这类技术首先从图片中提取特征点，然后基于特征点构建局部特征区域来嵌入水印。Bas等人9提出基于内容的同步水印机制。他们使用Harris检测器提取出图片特征点并构建Delaunay细分，然后在每个空间域三角区内使用经典加性机制来嵌入水印。该机制在遭受攻击后检测特征点并重构原始的Delaunay细分以检测水印。然而,Harris点对尺度变化很敏感，所以这种方法易受尺度攻击的影响。有一种叫尺度不变特征变换(SIFT)10的局部不变特征，由于其对旋转、尺度的不变性被广泛用于基于内容的水印技术11。在12中，SIFT特征被用于生成作为嵌入单元的圆形片。水印嵌入在这些单元的空间域中，这种机制能抵抗更一般的几何攻击。Harris-Laplace检测器也被用于构建基于Harris角点的圆形区域以嵌入水印。但是SIFT检测器和Harris-Laplace检测器13易受长宽比变形的影响。上述基于内容的水印嵌入机制的一个弱点是嵌入区域对非对称尺度变换非常敏感。为了解决这个问题，仿射不变点检测器被进一步提出来了。Harris仿射区域检测器在14中被Hefei Ling等人用来提取仿射协变区域。最大稳定极值区域(MSER)具备旋转、尺度、长宽比例变化、光照变化不变性。在这篇专利中，我们提出了一个健壮的基于MSER局部特征的视频水印机制。我们选择MSER是因为第一，在绝大都数情况下，如视角变化、尺度变化、光照变化等，MSER相比其它特征域更稳定；第二，MSER效率极高，提取过程中近乎像素级线性复杂度。此外，MSER有两个很好的特性第一，获得的MSER集合在图片坐标连续变换下是闭合的；第二，获得的MSER集合在图片强度的单调变换下是闭合的。一个高效(近乎线性复杂度)且实用的快速检测算法在Matas15原文中被提出来。 鉴于小波域的多分辨率特性能提供空间域和频率域特征使其与人类视觉系统(HVS)相容，我们集中于离散小波变换(DWT)来添加水印到小波域HL和LH带而不是空间域。主要参考文献lDimitrios Simitopoulos, Dimitrios E.Koutsonanos, Michael GerassimosStrintzis《基于通用随机变换的图片水印》图像处理2003.[2] Picard Justin, Zhao Jian 视频水印美国，US2009220070A1 [P] 2009-09-03·3Shelby Pereira, Thierry Pun《基于模板匹配的抗仿射变换图片水印》图像处理2000.4MacyWilliam ff, Holliman Matthew J 水印解码同步模板美国，US6707926B1[P]2004-03-16.5M. Kutter, S. K. Bhattachar jee, T. Ebrahimi《面向第二代水印机制》图像处理国际会议1999.6Chih_Wei Tang,Hsueh-Ming Hang《一种基于特征的数字图片水印机制》信号处理2003.7Xiang-yang Wang, Liiin Hou, Jun Wu《一种基于特征的抗几何攻击的数字图片水印》图片和视觉计算2008.8N.R. Nantha Priya, S. Lenty Stuwart《基于特征的图片水印过程》计算机应用国际期刊2010.9Patrick Bas, Jean-Marc Chassery, and Benoit Macq《使用特征点的几何不变水印》图像处理2002.10
David G. Lowe《基于局部尺度不变特征的物体识别》计算机视觉1999.[ 11 ] Lee Hae Yeoun, Lee Heung Kyu使用尺度不变特征变换的图片水印韩国，KR20070073332A[P]2007-07-10.[12] Viet Quoc PHAM, Takashi MIYAKI, Toshihiko YAMASAKI, KiyoharuAIZAWAf使用SIFT特征的基于几何不变物体的水印机制》图像处理国际会议2007.
[ 13]Krystian Mikolajczyk, Cordelia Schmid《尺度和仿射不变兴趣点检测器》计算机视觉国际期刊2004.[ 14]Hefei Ling, Liyun Wang, Fuhao Zou, Zhengding Lu, Ping Li《基于仿射不变域的压缩域视频水印》信号处理2006.15J Matas, O Chum, M Urban, T P ajdla《基于最大稳定极值区域的宽基线立体》图像和视觉计算2004.[16] Chun-Shien Lu, Hong-Yuan Mark Liao《基于视频物体的水印一种抗旋转和翻转的机制》图像处理国际会议2001.·
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种在抗仿射几何攻击方面表现优越的视频水印防伪方法。本发明的技术方案如下一种抗几何攻击的视频水印防伪方法，包括下列步骤第一步提取视频巾贞的最大稳定极值区域MSER :(I)使用BINS0RT排序算法对视频帧中像素点按像素值大小进行排列，并给排序后的像素点建立位置索引，排序后的每个像素点视为连通组件；(2)使用联合-查找算法对连通组件进行合并生长，记录每个连通组件的面积；(3)挑选MSER。在指定阈值下，从(2)得到的连通组件中挑选出组件面积变化随阈值变化取得局部最小值的连通组件，得到最大稳定极值区域。(4)对于每个最大稳定极值区域，计算均值u和协方差Σ，再利用椭圆区域方程(X-U)T Σ ^1(X-U) = 1，根据实际区域形状拟合成椭圆区域；第二步对拟合出的椭圆区域进行筛选，消除区域重叠，选取用于最终的水印嵌入的椭圆区域(I)过滤面积过大过小的椭圆区域，保留的椭圆区域面积满足T1 < Ri < τ2,其中，IRiI表示第i个椭圆区域的面积，^和τ2分别表示面积大小的下界和上界。(2)构建图模型，在图模型中，每个椭圆区域i对应一个顶点Vi ；顶点对Vi、Vj之间由边Eij连接；边Eij的权重Wij等于顶点对Vp Vj之间的距离，(V，E)构成无向完全图G ；(3)在无向完全图G运用最小生成树)算法得到最小生成树T ；(4)根据椭圆方程判断T中每对特征区域是否重叠，如果重叠，则这两个椭圆区域划入相同的聚类，否则，划入不同的聚类；(5)挑选出每个聚类中面积最大的椭圆区域，这些椭圆区域将用于最终的水印嵌A ；第三步通过修改小波变换系数的水平高频竖直低频带(HL)和水平低频竖直高频带(LH)，对选取出的特征区域进行水印嵌入，方法如下(I)椭圆区域归一化首先，对挑选出的椭圆区域的协方差的逆Σ ―1进行奇异值分解，Σ—1 = QAQ'其中，Q表示实对称正交酉矩阵，Q-1表示Q的逆，Λ表示对角矩阵。然后，令ζ = Qt(χ-μ )得到ζτΛζ = I,其中，τ表示矩阵的转置，ζ表示椭圆坐标χ归一化后的圆坐标，寻找变换方程ζ = QT(x_y ),将椭圆坐标χ归一化到圆坐标ζ ；(2)在归一化后的圆形区域外侧补零，填充成外接正方形区域；
(3)利用离散小波变换算法对所得到的外接正方形区域先进行行变换再进行列变换，得到小波变换系数矩阵；(4)自适应小波系数修改，方法如下记小波变换系数矩阵的水平高频竖直低频带LH(X，y)和水平低频竖直高频带HL (X，y)的差值为D (x，y)，设鲁棒性阈值为α，当水印位w(x, y)被嵌入时,系数差值必须满足下关系D(x, y) >= a , if w(x, y) = I, D(x, y)< -a, if w (x, y) = 0 ；(5)对修改后的小波系数矩阵进行反向离散小波变换，得到修改后的方形特征区域；(6)在方形特征区域内部取内接圆并反向归一化，得到嵌入水印后的椭圆形特征区域；(7)特征区域替换记嵌入水印后的特征区域R2与原始特征区域R1的差值为Rd，将Rd累加到原始视频帧上。水印提取步骤可以为(I)对嵌有水印的视频帧，按照第一步的方法提取嵌有水印的视频帧的最大稳定极值区域MSER ；(2)按照第二步的方法进行椭圆区域筛选，得到可能包含水印的椭圆区域；(3)对可能包含水印的椭圆区域，依次执行第三步的(I)、(2)和(3);(4)水印位盲检测(x, y)为在(x, y)检测到水印位，则水印位盲检测的方式如下
权利要求
1.一种抗几何攻击的视频水印防伪方法，包括下列步骤 第一步提取视频帧的最大稳定极值区域MSER (1)使用BINSORT排序算法对视频帧中像素点按像素值大小进行排列，并给排序后的像素点建立位置索引，排序后的每个像素点视为连通组件； (2)使用联合-查找算法对连通组件进行合并生长，记录每个连通组件的面积； (3)挑选MSER。在指定阈值下，从(2)得到的连通组件中挑选出组件面积变化随阈值变化取得局部最小值的连通组件，得到最大稳定极值区域。
(4)对于每个最大稳定极值区域，计算均值u和协方差Σ，再利用椭圆区域方程(x-u)τ Σ ^1(X-U) = 1，根据实际区域形状拟合成椭圆区域； 第二步对拟合出的椭圆区域进行筛选，消除区域重叠，选取用于最终的水印嵌入的椭圆区域； (1)过滤面积过大过小的椭圆区域，保留的椭圆区域面积满足Ri< τ2，其中，RiI表示第i个椭圆区域的面积，^和τ2分别表示面积大小的下界和上界。
(2)构建图模型，在图模型中，每个椭圆区域i对应一个顶点Vi;顶点对ViA之间由边Eij连接；边Eij的权重&等于顶点对\、Vj之间的距离，(V，E)构成无向完全图G ； (3)在无向完全图G运用最小生成树算法得到最小生成树T； (4)根据椭圆方程判断T中每对特征区域是否重叠，如果重叠，则这两个椭圆区域划入相同的聚类，否则，划入不同的聚类； (5)挑选出每个聚类中面积最大的椭圆区域，这些椭圆区域将用于最终的水印嵌入； 第三步通过修改小波变换系数的水平高频竖直低频带(HL)和水平低频竖直高频带(LH)，对选取出的特征区域进行水印嵌入，方法如下 (1)椭圆区域归一化首先，对挑选出的椭圆区域的协方差的逆Σ1进行奇异值分解，Σ ―1 = Q Λ Q-1，其中，Q表示实对称正交酉矩阵，Q-1表示Q的逆，A表示对角矩阵。然后，令Z = Qt(X-U)得到ZtAZ = 1，其中，Τ表示矩阵的转置，Z表示椭圆坐标X归一化后的圆坐标，寻找变换方程Z = Qt (X- μ )，将椭圆坐标X归一化到圆坐标ζ ； (2)在归一化后的圆形区域外侧补零，填充成外接正方形区域； (3)利用离散小波变换算法对所得到的外接正方形区域先进行行变换再进行列变换，得到小波变换系数矩阵； (4)自适应小波系数修改，方法如下记小波变换系数矩阵的水平高频竖直低频带LH(X，y)和水平低频竖直高频带HL(x，y)的差值为D(x，y)，设鲁棒性阈值为α，当水印位w(x,y)被嵌入时,系数差值必须满足下关系D(x,y) >= a , if w(x,y) = l,D(x,y) < -a,if w (x, y) = 0 ； (5)对修改后的小波系数矩阵进行反向离散小波变换，得到修改后的方形特征区域； (6)在方形特征区域内部取内接圆并反向归一化，得到嵌入水印后的椭圆形特征区域； (7)特征区域替换记嵌入水印后的特征区域R2与原始特征区域R1的差值为Rd，将Rd累加到原始视频帧上。
2.根据权利要求I所述的抗几何攻击的视频水印防伪方法，其特征在于，所述的防伪方法还包括下面的水印提取步骤(1)对嵌有水印的视频帧，按照第一步的方法提取嵌有水印的视频帧的最大稳定极值区域MSER ； (2)按照第二步的方法进行椭圆区域筛选，得到可能包含水印的椭圆区域； (3)对可能包含水印的椭圆区域，依次执行第三步的(I)、(2)和(3)；(4)水印位盲检测记w'(x,y)为在(x，y)检测到水印位，则水印位盲检测的方式如下
3.根据权利要求I所述的抗几何攻击的视频水印防伪方法，其特征在于，鲁棒性置阈值α为O. 09。
全文摘要
本发明属于计算机视觉和图像理解领域，涉及一种抗几何攻击的视频水印防伪方法，包括下列步骤第一步提取视频帧的最大稳定极值区域MSER第二步对拟合出的椭圆区域进行筛选，消除区域重叠，选取用于最终的水印嵌入的椭圆区域；第三步通过修改小波变换系数的水平高频竖直低频带(HL)和水平低频竖直高频带(LH)，对选取出的特征区域进行水印嵌入。增强了抗仿射几何攻击能力。本发明还给出了上述水印嵌入的逆过程即水印提取的方法。本发明能有效减少对原始视频的修改，即使在遭受恶意几何攻击情况下也能保持极好的视觉效果。
文档编号H04N21/8358GK102892048SQ20121034951
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者操晓春, 刘洪滨, 张雪娟, 张津弟, 姚鹏海, 宋涛 申请人:天津大学