一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法技术

本发明专利技术涉及一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法，该方利用H.264/SVC编解码框架所引入的层间预测模块，首先将水印信息进行二值化处理，利用二值化后的水印序列指定编码端输入视频序列帧图像在编码过程中不同宏块的层间预测用法。在解码端，通过判断帧图像每个宏块的层间预测用法将水印信息提取出来，形成水印二值序列。与现有技术相比，本发明专利技术解决了现有水印嵌入算法在嵌入水印后经过视频编解码处理造成部分水印信息的丢失的问题，具有更好的鲁棒性和更高的水印提取效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法
本专利技术涉及一种视频水印嵌入及提取方法，尤其是涉及一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法。
技术介绍
现如今，数字化信息时代早已到来，多媒体技术发展迅速，能否有效保护互联网的信息安全以及维护数字化产品的版权现已变成研究者们研究的热点之一。日常生活中使用的数字视频绝大多数都是经过压缩编码处理的，视频终端的多样化使视频可伸缩编码也成为一种新的需求。因此，针对MEPG-4中H.264的可扩展部分-可伸缩编码(ScalableVideoCode，SVC)的视频的数字水印技术也成为了当前研究的一大趋势。目前已有的H.264/SVC水印算法中，基于编解码框架本身的水印算法成果较少，传统的视频水印的实现算法都借鉴于图像算法，直接将图像水印算法移植到视频水印中去，缺点是经过视频编解码处理后，可能会造成部分水印信息的丢失，同时需要独立编写算法处理。同时已有成果中其多数算法在鲁棒性差，即便微小的攻击都会使得水印遭受破坏，导致提取失败或提取的水印与原始水印相比较相似程度低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种保证水印信息完整、具有强鲁棒性的基于层间预测的水印嵌入及提取方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法，该方法包括以下步骤：S1：获取原始视频序列及水印图像，对水印图像进行预处理。S2：采用基于H.264/SVC编码器所引入的层间预测模块对原始视频序列嵌入水印图像。具体步骤包括：21)将原始视频序列输入H.264/SVC编码器的帧内预测模块，选择预测残差最小的帧内模块作为候选的帧内模式编码；22)对输入的原始视频序列进行判断，若输入的原始视频序列是I帧，则对预测得到的残差信号进行变换和量化，并对量化后的系数进行编码，生成重建图像，将重建图像作为后续帧编码的参考图像，若输入的原始视频序列是P帧或B帧，则对原始视频序列的当前图像进行运动估计，基于H.264/SVC编码器所引入的层间预测模块获取帧间编码模式，并从候选的帧内模式编码与帧间编码模式中选择当前宏块的最佳编码模式后，对残差进行变换和量化。本专利技术采用强制选择编码过程中以何种层间预测方式进行的方法，利用了二值化的水印指定层间预测。具体包括以下内容：221)将原始视频序列进行下采样，获取两个不同分辨率的视频序列；222)将原始视频序列作为增强层，将下采样后的分辨率最低的视频序列作为基本层输入编码器；223)对水印图像进行置乱，并对置乱后的水印图像进行二值化，获取二值序列；224)对视频进行编码，判断当前宏块是否在基本层，若是，则进行下一步，否则，不进行处理；225)利用二值序列设置自适应的值，若二值序列为1，则当前宏块采用层间预测，选择帧间编码模式，若二值序列为0，当前宏块选择默认编码方式。23)选取最佳编码模式后，在编码过程中嵌入水印。优选地，采用Arnold方法对水印图像进行置乱。S3：获取视频解码端的当前帧间编码模式，根据当前帧间编码模式进行水印提取。具体包括以下步骤：31)将含有水印信息的视频序列输入按嵌入水印的方式进行下采样后输入编码端；32)对视频进行解码，并判断当前宏块是否属于基本层，若是，则执行下一步，否则，不进行处理；33)对输入的视频序列进行空间层的解码操作；34)获取当前帧间编码模式，将解码结果保存至一个新的二值序列中；35)将二值序列通过变换和反置乱提取水印信息，进而获取提取的水印图像。优选地，采用Arnold方法将二值序列进行反置乱。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：一、本专利技术方法在水印嵌入时将水印信息进行了编码端的下采样、基本层编码、上采样、增强层编码，使水印信息与帧图像编码端的编码一致，解决了现有水印嵌入算法在嵌入水印后经过视频编解码处理，造成部分水印信息的丢失的问题；二、本专利技术方法在视频编码时进行水印嵌入，该方式不会产生错误的累积效应，此外，水印嵌入算法只与视频帧图像宏块数量有关而与视频质量无关，因此对于针对视频质量攻击，算法具有很好的抵抗性，水印信息可以被完整的提取出来，提取的水印的NC值均大于0.877，针对不同量化步长的重量化、噪声攻击等视频质量攻击都具有很好的鲁棒性，可满足不同攻击提取的水印信息要求；三、本专利技术方法在水印的提取过程中无需原始图像的参与，实现了盲检测，提高了水印提取的效率。附图说明图1为单层视频序列水印嵌入的流程示意图；图2为本专利技术方法中水印嵌入的原理示意图；图3为初始水印图像；图4为水印嵌入前进行变换置乱的水印图像；图5为本专利技术方法中水印提取的原理示意图；图6为本专利技术实施例中一个GOP的帧图像添加水印和未添加水印的PSNR比较图；图7为本专利技术实施例中不同攻击情况下提取的水印图像，其中，图7(a)为未受攻击情况的水印图像，图7(b)为抗重量化攻击情况下，QP步长为20所提取的水印图像，图7(c)为抗重量化攻击情况下，QP步长为24所提取的水印图像，图7(d)为抗重量化攻击情况下，QP步长为32所提取的水印图像，图7(e)为抗重量化攻击情况下，QP步长为36所提取的水印图像，图7(f)为高斯噪声攻击情况下所提取的水印图像，图7(g)为椒盐噪声攻击情况下所提取的水印图像，图7(h)为旋转攻击情况下，且旋转度数为10度所提取的水印图像，图7(i)为剪切攻击情况下，且剪切大小为1/16所提取的水印图像，图7(j)为缩放攻击情况下，且缩放大小为10度所提取的水印图像。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术涉及一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法，该方法基于H.264/SVC编解码框架所引入的层间预测模块，该方法包括以下步骤：步骤一、获取水印图像，对水印图像进行预处理。步骤二、在视频编码时嵌入水印。采用基于H.264/SVC编码器所引入的层间预测模块进行水印的嵌入。H.264有帧内(Intra)和帧间(Inter)两种编码模式。输入的视频序列都要经过帧内预测模块，选择预测残差最小的帧内模作为候选的帧内模式编码。如果输入的是I帧，则对预测得到的残差信号进行变换和量化，再对量化后的系数进行编码、滤波后生成重建图像，用作后续帧编码的参考图像，参考图像经过运动补偿后从候选帧内和帧间中选择该宏块的最佳编码模式。如果输入的帧是P帧或者B帧，则需要对当前图像进行运动估计来选择最佳的帧间编码模式，然后从候选帧内和帧间中选择该宏块的最佳编码模式，之后对残差进行变换和量化。本专利技术采用强制选择编码过程中以何种层间预测方式进行的方法，利用了二值化的水印指定层间预测，首先将层级设为2，当前层在宏块及通过一个率失真优化框架自适应选择层间预测技术。此时，利用二值化的水印信息强制设置自适应的值，即当前宏块是否采用层间预测，如图1所示。水印嵌入算法如图2所示，在编码端处理宏块时，针对帧间编码模式，默认为不进行帧间编码模式处理，当水印信息为0时，当前宏块按默认方式不选择编码帧间编码模式；当水印为1时，强制当前宏块选择使用帧间编码模式。本实施例水印嵌入使用的水印图像如图3所示，水印嵌入之前，利用Arnold变换技术对水印信息进行了加密，增强水印的保密性。一般地，在水印预处理阶段运用Arnold变换置乱的水印本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取原始视频序列及水印图像，对水印图像进行预处理；2)采用基于H.264/SVC编码器所引入的层间预测模块对原始视频序列嵌入水印图像；3)获取视频解码端的当前帧间编码模式，根据当前帧间编码模式进行水印提取。

【技术特征摘要】
1.一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取原始视频序列及水印图像，对水印图像进行预处理；2)采用基于H.264/SVC编码器所引入的层间预测模块对原始视频序列嵌入水印图像；3)获取视频解码端的当前帧间编码模式，根据当前帧间编码模式进行水印提取。2.根据权利要求1所述的一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：21)将原始视频序列输入H.264/SVC编码器的帧内预测模块，选择预测残差最小的帧内模块作为候选的帧内模式编码；22)对输入的原始视频序列进行判断，若输入的原始视频序列是I帧，则对预测得到的残差信号进行变换和量化，并对量化后的系数进行编码，生成重建图像，将重建图像作为后续帧编码的参考图像，若输入的原始视频序列是P帧或B帧，则对原始视频序列的当前图像进行运动估计，基于H.264/SVC编码器所引入的层间预测模块获取帧间编码模式，并从候选的帧内模式编码与帧间编码模式中选择当前宏块的最佳编码模式后，对残差进行变换和量化；23)选取最佳编码模式后，在编码过程中嵌入水印。3.根据权利要求2所述的一种基于层间预测的视频水印嵌入及提取方法，其特征在于，步骤22)具体包括以下步骤：221)将原始视频序列进行下采样，获取两个不同分辨率的视频序列；222)将原始视频序列作...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈青，孙彦飞，陈祥，郭功勋，宗偲琦，伍东升，高贺，司旭，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31