一种面向移动终端的视频水印方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种面向移动终端的视频水印方法，涉及多媒体信息版权保护技术， 信息安全技术领域。
【背景技术】
[0002] 数字水印技术作为信息隐藏的一个重要分支，是实现版权保护的有效手段。随着 移动终端设备、无线网络接入技术的迅猛发展以及UGC模式的兴起，视频媒体日益频繁的 制作和传播滋生了众多盗版、侵权行为。因此如何使用视频水印技术保障版权所有者的合 法权益具有很强的现实基础，而平衡水印算法不可见性和鲁棒性之间的矛盾依旧是所有水 印算法的最终目标。
[0003] 视频较其余媒体数据量较大，在实际的应用场景下视频通常以压缩编码的形式存 在。H. 264/AVC是IS0/IEC[1]的MPEG(运动图像专家组）和ITU-T的VCEG(视频编码专家） 共同制定的频编码标准，H.264/AVC是目前应用范围最广的视频编码标准。数字视频水印 技术作为数字水印技术的一种继承，可以获得早期数字水印技术（比如图片水印技术）的 一些优点 [2]，更能结合视频自身的压缩、编码等技术特点，选择更加高效、稳定的水印算法。
[0004] 小波变换可以对图像进行有效的时频域分解。由于小波变换具有良好的时频局部 分析特性，可以很好的控制水印的嵌入强度及位置。相比于离散余弦变换，DWT变换拥有更 好的时频特性，基于此DWT系数的改变不容易引起人类视觉的注意，因而具有更好的不可 见性[3]。视频水印算法运用小波变换大多基于视频帧的完全解码 [4]，直接对视频帧DWT变 换所得小波系数调制嵌入水印。因为各类移动终端设备分辨率的差异性，以视频文件分辨 率转换为代表的几何攻击将尤为普遍，而现有DWT视频水印算法更多的仅考虑线性攻击的 性能，无法保证此类算法在移动终端下的鲁棒性。
[0005] 参考文献：
[0006] [l]TamhankarA,RaoKR.AnoverviewofH. 264/MPEG~4Part10[C].Video/ ImageProcessingandMultimediaCommunications, 2003. 4thEURASIPConference focusedon.IEEE，2003:186-216.
[0007] [2]PivaA,BarniM,BartoliniE,etal.ADCT-basedWatermarking RecoveringwithoutresortingtotheUncorruptedDigitalImage[C].Proceedings IEEE,InternationalConferenceinImageProcessing,1997:520-523.
[0008] [3]茅耀斌，卓成春，王执铨，等.一种基于人眼视觉特性的图像水印方案[J]. 厦门大学学报：自然科学版，2009(zl):232-235.
[0009] [4]A1-DeenAAB,RamliAR,MarhabanMH,etal.ImprovingInvisibility ofBlindVideoWatermarkingScheme[C].ResearchandDevelopment, 2007.SCOReD 2007.5thStudentConferenceon.IEEE, 1-6〇
【发明内容】
[0010] 发明目的：为了缓解视频水印不可见性和鲁棒性之间的矛盾，针对特别抵御移动 终端下常见的缩放攻击，本发明提供一种面向移动终端的视频水印方法。采用低复杂度的 DWT变换，在拥有良好时频特性的小波系数内嵌入水印，保障算法的不可见性。利用低频小 波系数直方图形状的不变性，使用二值水印调制直方图形状，同时保证算法对常见的诸如 高斯噪声、椒盐噪声、均值滤波等线性攻击和缩放攻击具有良好的鲁棒性。本发明以移动终 端为实际的应用场景，结合场景的特点，设计出一种能够运行于移动终端下的鲁棒视频水 印方法，为现有视频水印技术研究提供新的思路。
[0011] 技术方案：一种面向移动终端的视频水印方法，包括以下几个步骤：
[0012] 步骤A、解码H. 264载体视频，获取原始视频帧；
[0013] 步骤B、采用Haar小波整体变换原始视频帧亮度分量，获取一层小波变换低频系 数，选取所有低频小波系数作系数直方图统计，并对直方图统计相邻区间两两分组。
[0014] 步骤C、根据步骤B获取的系数直方图分组，进行水印的嵌入操作，水印嵌入操作 完成以后，将所有的低频系数规整。
[0015] 步骤D、解码嵌入了水印的载体视频，获取嵌入时对应的原始视频帧。统计原始视 频帧亮度分量的低频小波系数，根据系数直方图的形状提取嵌入的水印信息。
[0016] 采用音视频快速转换库FFMPEG和H. 264编解码库X264实现步骤A，具体过程如 下：
[0017] 采用FFMPEG+X264构建视频水印嵌入、提取仿真程序。利用FFMPEG接口分析 H. 264视频文件，读取码流至包结构，初始化对应的解码器，借助解码器解码包结构的码流， 最终得到待嵌水印的视频帧裸数据。
[0018] 作为本发明的一个优选方案，利用原始视频帧获取低频直方图，选取系数直方图 的形状作为水印嵌入区域，具体步骤如下：
[0019] 步骤B1、利用haar小波对原始视频帧亮度分量水平和竖直方向分别进行奇偶分 离、提升小波变换获得DWT低频小波系数矩阵DWT(x,y) (x￡[0j_]，ye[0. _$])。
[0020] 步骤B2、求取所有低频系数的均值Ave，以,3 xf〗力统计区间，Step 为间距，对低频系数做直方图分布统计H(k):
[0021]
[0022] DWT(t)表示低频小波系数矩阵（二维低频小波系数矩阵DWT(x，y)转换为一维低 频小波系数数组DWT(t)，tG[0,T]，T=x?y)，T为低频小波系数数目，kG[0, 23]表示 统计区间索引。
[0023] 步骤B3、步骤B2中所得24个统计区域，每相邻两个区域划为一组，共得12个分 组。R(i)定义为相邻柱状统计区域内的统计量之比：
[0024]
(2)
[0025]i表示该组的分组索引，R(i)为该分组内相邻柱状统计区域的统计量之比。
[0026] 作为本发明的又一优选方案，利用低频系数直方图形状完成水印嵌入并且对嵌入 水印的低频系数进行规整，具体方法如下：
[0027] 步骤C1、利用二值水印，量化低频系数直方图统计分组嵌入水印。通过改变 DWT(x，y)的值，使得原来统计在某统计区间内的系数统计到其相邻的区间，以此改变H(k) 的分布，最终每一组直方图分布都满足下式：
[0028]
0)
[0029] 其中，N=Delta+Entropy。Delta是人为设置的一个固定偏移值，表征直方图形 状量化调制的程度。Water[i]表示当前待嵌二进制水印位。Entropy为表征当前帧DWT系 数直方图形状的参数，通过下式求得。
[0030]
U、
[0031] 式⑷中totalNum为统计入丨区间的DWT低频系数的总个数。在嵌入 水印时，式（3)中的N是针对当前帧数据计算的，每在新的一帧数据中嵌入水印时，都得重 新计算Entropy，而在提取水印时N取值固定为1。
[0032] 步骤C2、嵌入水印的低频小波系数进行整体规整，以提高算法的鲁棒性。直 方图量化完成之后，将处于_($+stepxfc, -Af+stepx(/c+l)区间内的系数置为 +step X (k +-)(kE [0,23])〇
[0033] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0034] 本发明通过改变视频帧小波系数嵌入水印，小波系数具有良好的时频特性，保障 算法具有良好的不可见性；本发明选择视频帧低频小波系数直方图形状作为水印嵌入区 域，利用直方图形状的不变性，确保算法除了抵御常见线性攻击之外，对于缩放攻击同样具 有良好的鲁棒性。
【附图说明】
[0035] 图1是本发明水印嵌入视频的流程图；
[0036] 图2是本发明应用的界面示意图；
[0037] 图3 (a)是原始视频帧，图3 (b)是嵌入水印后的视频帧；
[0038] 图4(a)是未嵌水印视频帧的低频小波系数直方图，图4(b)是嵌入水印后视频帧 低频小波系数直方图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0040] 利用DWT低频系数直方图形状攻击不变性，在此特性基础上，发明一个基于DWT低 频系数调制的视频水印算法。对任意连续视频帧进行DWT系数直方图统计，以二进制水印 为种子，调制相邻统计区间的直方图形状。采用归一化相关系数NC衡量提取的水印图像与 原始水印图像之间的相似程度，NC越大，鲁棒性越高。同时采用峰值信噪比PSNR衡量嵌入 水印视频和原始视频的质量差别，PSNR值越大表示水印的不可见性越好，视频质量变化越 小。实验结果表明本发明具有良好的不可见性，同时能抵抗线性和缩放攻击。
[0041] 采用亮度分量一层小波变换系数直方图作为水印嵌入区域以及量化后小波系数 规整是本发明最重要的创新点，两者确保本发明具备优异的不可见性和鲁棒性。发明构建 的应用在I0S7. 1.1、iPhone5C(苹果A6处理器、双核、1GRAM)环境下运行。选择分辨率 为352X288的motheranddaughterCIF标准测试序列经FFMPEG编码得到的H. 264码流 作为载体视频，视频共300帧，G0P大小为12,直方图形状量化调制参数N取4。
[0042] 采用音视频快速转换库FFMPEG和H. 264编解码库X264实现步骤A，具体过程如 下：
[0043] 采用FFMPEG+X264构建视频水印嵌入、提取仿真程序。利用FFMPEG接口分析H. 264 视频文件，读取码流至包结构，初始化对应的解码器，借助解码器解码包结构的码流，最终 得到待嵌水印的视频帧裸数据。
[0044] X264依次编码嵌入水印后的裸视频帧至包结构，包结构混入视频码流。所有的裸 视频全部混入视频码流之后，将视频码流写入本地视频文件。
[0045] 如图1所示，水印嵌入具体实现过程包括以下步骤：
[0046] 步骤A、当解码到第M帧数据开始，从视频格式上下文（AVFormatContext)中获取 一帧数据，提取其中的亮度分