专利名称：在运动图像信号中嵌入和检测水印的制作方法
技术领域：
本发明与在运动图像信号中嵌入水印的一种方法和设备相关。本发明还与检测所述水印的方法和设备相关。
背景技术：
在运动图像信号中嵌入水印的现有技术方法在国际专利申请WO-A-99/45705中公开。在该现有技术方法中，一种两维序列的水印样本完整地，甚至多次地，嵌入视频信号的图像中。
嵌入水印是版权保护策略的一个重要方面。尽管大多数版权保护方案涉及采用电子方式传播的内容(广播、存储媒介)的保护，但对于在电影院内放映的电影也需要进行保护。在电影院中利用手持式视频相机非法拷贝的现象是很普遍的。尽管拷贝的质量通常很低，但是这种非法VHS带子、CD-视盘、DVD的经济影响是很大的。
将来，数字影院格式，1920×1080×24×36(像素/线×线/帧×帧/秒×位/像素)将出现在电影院内。引入这种高质量的数字格式后，利用手持式视频相机非法拷贝的威胁会更加严重。因此，电影院的经营者不得不防止视频相机出现在他们的电影院内。不遵守这条禁令将可能被罚以将来获得内容的限制。于是，设想在放映时加入水印。该水印用于识别电影院、出现时间、操作者等信息。
大多数水印方案，包括在开头一段中提到的，都对检测时间的对准误差很敏感。已经发表的解决方法是要么在对于某一类特定几何变换恒定的域中插入水印，要么在检测过程中找回对准。这些方法的缺点是它们通常只能应对数量有限的几何变换。此外，这些方法通常降低了对于其它攻击的鲁棒性。
数字电影院水印的要求与任何其它水印方案的要求相似，是(i)鲁棒性，(ii)不可见性，(iii)低错误率。获得足够的鲁棒性是最具挑战性的要求。手持相机不仅通过滤波(从屏幕到相机的光学路径，传送到带子等)严重降低了视频质量，而且使视频产生严重的几何扭曲(移动、缩放、旋转、剪取，透视的改变等)。此外，这些几何扭曲在不同的帧之间可能改变。
发明的目的和概述本发明的目的是提供一种在运动图像信号中嵌入水印的方法，该方法满足上述提到的要求，特别是关于对几何扭曲的鲁棒性方面。
为此，本发明提供的方法包括这些步骤对于每一帧，判断构成所述图像的像素的全局属性，和按照相应的水印样本修改图像序列中每个图像的全局属性。在优选实施例中，所述全局属性是图像的平均亮度。
利用本发明实现了组成水印的水印样本序列分布在对应的图像序列中，每个图像嵌入一个水印样本。这种方法沿着时间轴嵌入水印，于是具有对所有几何扭曲的固有鲁棒性。
由于人类的视觉系统对低空间频率中的闪烁敏感，水印信号可能遭受人为因素的影响，特别是在不移动的单调区域。通过在一定数目的连续帧中嵌入相同的水印样本，当水印的闪烁频率降低时，人为因素的影响能够大大降低。此外，建议使用自适应方法，其中像素亮度的改变取决于局部比例系数，该比例系数根据每个像素决定。局部比例系数在移动字符区域应该大一些而在非移动单调区域应小一些。
通过在检测端判断全局属性，全局属性序列与参考水印样本序列做相关运算，如果相关值超过了预先设定的门槛值就产生一个输出信号，就检测到嵌入的水印。
附图简述
图1示出了本发明的水印嵌入器的示意图。
图2示出了本发明的水印检测器的示意图。
实施例描述图1示出了按照本发明水印嵌入器的原理框图。嵌入器接收一个电影，该电影的格式是高清晰电视(HDTV)视频信号，在第n帧空间位置x处具有亮度F(x，n)。嵌入器还接收长度为N的伪随机序列W(n)的水印，其中W(n)∈[-1，1]。对于本申请，N的合适取值为1024。
在水印嵌入器最简单的实施例中，序列W(n)直接应用于嵌入级1，该级在每一帧中都嵌入水印样本。在优选实施例中，嵌入过程是这样进行的如果水印样本W(n)＝+1，就将第n帧每个像素的亮度加1；如果水印样本W(n)＝-1，就将第n帧每个像素的亮度减1。这样，帧序列的平均亮度就被水印所调制。每N帧水印重复一次。
可以被水印信号调制的帧参数的其它例子有画面的柱形图(画面中量度值的相对频率列表)，或从中导出的特征，如高阶瞬间(moment)(平均亮度值比幂k)。平均亮度是后者的一个特例(k＝1)。
由于人的视觉系统(HVS)对低频闪烁敏感，该简单的实施例尤其在非运动的单调区域会受人为因素的影响。通过降低水印的闪烁频率可以大大减小这些人为因素的影响。这由在连续帧的预定数目T期间重复每个水印样本的重复级2来执行。
图1所示的嵌入器优选实施例还根据图像内容调整嵌入深度。为此，嵌入器包括了乘法器3，用于将每个水印样本乘以局部比例系数v(x，n)。局部比例系数数值在移动的变形(textured)区域大而在非移动的单调区域小。为此，局部比例系数v(x，n)是空间比例系数λ(x，n)和运动比例系数μ(x，n)中最小的。此外，如果结果超过了最大允许亮度改变Vmax，将被削波。这个操作由选择器11来执行。
空间匹配是通过一个空间匹配级来实现的，该级包括一个拉普拉斯滤波器4、乘法器5、绝对值计算装置6。空间匹配级接收亮度值F(x，n)，并根据下式使用拉普拉斯滤波器的输出绝对值与全局系数s的乘积产生局部比例系数λ(x，n)λ(χ‾,n)=S·|F(χ‾,n)*-1-1-1-18-1-1-1-1|]]>其中全局比例系数的选取是可视性与鲁棒性之间的折中。
运动比例系数μ(x，n)由运动检测器产生，运动检测器包括帧存储器7、减法器8、绝对值计算装置9。检测器通过判断本帧与前一帧的绝对差异，为每个像素计算运动比例系数μ。为了能够在非移动序列中嵌入水印，一个小的偏移μmin被加法器10加到绝对帧差异中。
水印帧Fw(x，n)通过向原始帧F(x，n)中加入结果水印W(x，n)而得到。投射到屏幕上的就是该加了水印的信号Fw(x，n)。
图2示出了按照本发明水印检测器的原理图。尽管在检测期间原始信号是存在的，但是检测器不利用任何有关原始信号的知识。检测器接收嵌入水印的信号Fw(x，n)的录制版本Fw(x，n)。该装置包括亮度抽取装置21，用于计算每个图像n的平均亮度Y(n)。抽取出来的N.T个图像的亮度值Y(n)被分配给T个缓冲区221、222，...，其中如上所述，T是嵌入相同水印的连续图像的数目。每个缓冲区存储N个平均亮度值。水印长度N的典型值和每个水印样本的帧数T分别是1024和5。所以，第一个缓冲区221包含平均亮度值Y(1)，Y(6)，Y(11)，...，第二个缓冲区222包含平均亮度值Y(2)，Y(7)，Y(12)，...，等。这意味着对于PAL视频信号水印检测的粒度大约是3分钟25秒。为了加快检测速度，缓冲区的内容可以用FIR滤波器[-12-1]滤波，然后为了均衡缓冲区中的数据，将结果限制在-10和+10之间。所述滤波和均衡步骤未在图中示出。
通过判断每个缓冲区内容与一个或可能多个参考水印的相似性来检测水印。例如，每一个水印可以标识一个电影院。一个著名的检测相似性的手段是交叉相关，但是也可能使用其它手段。每个缓冲区的内容与参考水印在相应的相关器231、231，...，中做交叉相关。相关最好使用只对称相位匹配滤波(Symmetrical Phase Only MatchedFiltering)(SPOMF)执行。关于SPOMF的描述，可以参考国际专利申请WO 99/45/45706。在该文件中，在两维空间域中执行相关运算。NxN的图像像素块与NxN的参考水印块进行相关。SPOMF运算的结果是一个NxN型相关数值，如果嵌入了水印，就会表现出一个或多个尖峰。
T个相关器231、232，...，运行在一维时域。每个相关器的输出是存储在T个缓冲区241、242，...，之一中的一系列N个相关值。尖峰检测器25在T个缓冲区中搜索最大的相关值，将该峰值应用于门槛电路26。如果至少一个缓冲区的峰值大于给定的门槛值，就可以确定存在水印。否则，内容就被分类为没有水印。已经发现一个合适的门槛数值是5个标准偏差，对应于1.43.10-6的错误告警概率。
可以使用与国际专利申请WO-A-99/45705类似的方式嵌入移位版本来将有效载荷(payload)编码，所述国际专利申请开头一段中提到了。还应当注意强调，尽管在图2中示出了T个并行相关器，但有可能以时间顺序方式执行相应的操作。
以上公开了一种视频水印方案，该方案为将用于电影院内的大放映机屏幕的数字电影格式设计。水印的设计使其对视频质量的影响最小，但是当使用手持式照相机拍摄以及转换为例如VHS、CD视盘或DVD格式后仍能被检测出来。上述水印系统只使用了时间轴。这使得其不受通常由拍摄所引起的几何变形的影响。按照水印样本，通过对帧的全局属性(例如，平均亮度)的调制来把水印嵌入到视频信号中去。嵌入深度最好在每帧与相应图像的局部统计数据之间进行调整。通过做水印序列与从帧序列中取出的平均亮度值的相关来执行水印检测。
权利要求
1.一种在运动图像信号中嵌入水印的方法，该方法包括如下步骤用水印样本序列表现所述水印；对相应图像序列的每个图像，判断构成该图像的像素的全局属性；按照相应水印样本，修改所述图像序列中每个图像的全局属性。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述修改步骤包括按照相同的水印样本，修改预定数目的连续图像的序列。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述全局属性是指构成一个图像的像素的平均亮度。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述修改步骤包括在所述图像中根据空间活动性自适应修改图像中的像素。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述修改步骤包括根据在连续图像之间检测到的运动自适应地修改图像的像素。
6.一种在运动图像信号中检测水印的方法，该方法包括如下步骤提供一个参考水印作为一个参考水印样本序列；对于相应图像序列中的每个图像，判断构成该图像的像素的全局属性；使参考水印样本序列与所述全局属性的相应序列进行相关；如果相关步骤产生的相关值超过了预定的门槛值就产生一个输出信号。
7.如权利要求6所述的方法，还包括如下步骤提供一系列全局属性的交叉序列，其中进行相关的步骤包括参考水印样本序列与所述全局属性的每个交叉序列进行相关，从而获得一系列相关值；且产生输出信号的步骤包括如果最大的相关值超过了预定的门槛值就产生一个输出信号。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述全局属性是指构成图像帧的像素的平均亮度。
9.一种在运动图像信号中嵌入水印的设备，该设备包括提供所述水印作为水印样本序列的装置；对相应图像序列的每个图像，判断构成该图像的像素的全局属性的装置；按照相应水印样本，修改所述图像序列中每个图像的全局属性的装置。
10.一种在运动图像信号中检测水印的设备，该设备包括提供参考水印作为参考水印样本序列的装置；对于相应图像序列中的每个图像，判断构成该图像的像素的全局属性的装置；使参考水印样本序列与所述全局属性的相应序列进行相关的装置；如果相关步骤产生的相关值超过了预定的门槛值就产生一个输出信号的装置。
11.一个带嵌入水印的运动图像信号，水印由水印样本序列来表示，其特征在于对于图像系列的每个图像，构成所述图像的像素的全局属性已经按照对应水印样本序列中的相应水印样本进行了修改。
12.一种存储媒介，其上记录如权利要求11所述的运动图像信号。
全文摘要
公开了一种视频水印算法，该算法为将用于电影院内大放映机屏幕的数字电影格式设计。水印的设计使其对视频质量的影响最小，但是当使用手持式照相机拍摄并转换为VHS、CD视盘或DVD格式后仍能被检测出来。上述水印系统只使用了时间轴。这使得其不受通常由拍摄所引起的几何变形的影响。按照水印样本，通过对帧的全局属性(例如，平均亮度)的调制来把水印嵌入到视频信号中去。嵌入深度最好在每帧中根据相应图像的局部统计数据进行调整。通过做水印序列与从帧序列中取出的平均亮度值的相关来实现水印检测。
文档编号H04N1/387GK1608376SQ02812397
公开日2005年4月20日 申请日期2002年6月18日 优先权日2001年6月21日
发明者A·A·C·M·卡尔克, J·A·海特斯马 申请人:皇家菲利浦电子有限公司