基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入和提取方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入和提取方法，包括，视频水印嵌入方法，步骤为：读取原始宿主视频，从原始宿主视频中提取出原始宿主视频的亮度分量；将亮度分量的每一帧分为互不重叠的图像块，计算所有帧的运动块比率，提取嵌入帧和参考帧；对当前嵌入帧及其参考帧的图像块进行DCT变换，计算嵌入帧和参考帧的同一位置DCT块中的系数差，调制系数差，在所有嵌入帧中嵌入水印图像，得到含水印帧；将所有含水印帧和其他不含水印的视频帧拼接，得到含水印视频；视频水印提取方法，步骤为：读取含水印视频，从中提取出含水印亮度分量；根据含水印帧的位置，提取出含水印帧和参考帧；对含水印帧及其参考帧的图像块进行DCT变换，根据含水印帧和参考帧的同一位置DCT块中的系数差，得到水印图像，使用投票策略得到最终的水印图像。基于视频帧间的相关性，利用相邻低运动帧系数的差值相对稳定的性质，具有更好的不可感知性和鲁棒性，可有效保护视频的版权。

Video watermark embedding and extraction method and system based on inter frame DCT coefficient correlation

【技术实现步骤摘要】
基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入和提取方法及系统
本专利技术属于数字视频水印领域，具体涉及基于帧间离散余弦变换(DiscreteCosineTransform,DCT)系数相关性的视频水印嵌入和提取方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。随着互联网和多媒体技术的发展，视频与人们的生活越来越紧密，同时，视频获取方式的拓宽使得视频的盗版问题也越来越严重。为保护视频版权，视频水印技术通过将版权信息(即水印)以不可见的形式嵌入视频中，在发生版权纠纷时，提取视频中的水印证明版权所有。然而，目前的视频水印在不可感知性和鲁棒性方面仍有不足，性能有待进一步提高。DCT有良好的能量集中性和计算复杂度低的快速算法，被广泛应用于视频水印中，目前的基于DCT的视频水印大多都是将视频分成的单独帧看作图像，基于帧内的特征修改其DCT系数嵌入水印。H.J.Ko，C.T.Huang，G.Horng，S.J.Wang，2019年在InformationScience上发表的论文“RobustandblindimagewatermarkinginDCTdomainusinginter-blockcoefficientcorrelation”和S.A.Parah，J.A.Sheikh，N.A.Loan，2016年在DigitalSignalProcessing上发表的论文“RobustandblindwatermarkingtechniqueinDCTdomainusinginter-blockcoefficientdifferencing”提出了基于块间系数相关性的水印方法。然而，对于视频而言，视频帧间的系数相关性高于块间的系数相关性，现有方法没有有效地利用视频的相关性。因此，如何利用视频的相关性嵌入水印，是提升视频水印的不可感知性和鲁棒性所需解决的问题之一。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术为了提高视频水印的不可感知性和鲁棒性，利用视频本身存在的相关性，提供了基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入和提取方法，通过修改或判定相邻两帧中前一帧的DCT系数实现嵌入或提取水印。为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：本公开的第一方面，提供基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入和提取方法，包括：视频水印嵌入方法，步骤为：读取原始宿主视频，从原始宿主视频中提取出原始宿主视频的亮度分量；将亮度分量的每一帧分为互不重叠的图像块，计算所有帧的运动块比率，提取嵌入帧和参考帧；对当前嵌入帧及其参考帧的图像块进行DCT变换，计算嵌入帧和参考帧的同一位置DCT块中的系数差，调制系数差，在所有嵌入帧中嵌入水印图像，得到含水印帧；将所有含水印帧和其他不含水印的视频帧拼接，得到含水印视频；视频水印提取方法，步骤为：读取含水印视频，从中提取出含水印亮度分量；根据含水印帧的位置，提取出含水印帧和参考帧；对含水印帧及其参考帧的图像块进行DCT变换，根据含水印帧和参考帧的同一位置DCT块中的系数差，得到水印图像，使用投票策略得到最终的水印图像。进一步的技术方案，所述将亮度分量的每一帧分为互不重叠的图像块，计算所有帧的运动块比率，提取嵌入帧和参考帧，具体为：水平扫描当前帧和下一帧的每个图像块，计算当前帧图像块与下一帧同位置图像块的欧氏距离；通过欧氏距离信息，计算所有帧的运动块比率；如果当前帧的运动块比率同时小于上一帧的运动块比率、下一帧的运动块比率和预设的运动帧阈值，则当前帧为低运动帧，即嵌入帧，同时，下一帧为参考帧。进一步的技术方案，所述嵌入帧和参考帧的同一位置DCT块中的同一位置系数差为：d＝C(u,v)-C′(u,v),1≤u,v≤H其中，C为嵌入DCT块，即实际根据待嵌入的水印比特是“0”或“1”而调制修改系数的DCT块；C′为参考DCT块，不修改，C(u,v)和C′(u,v)是相邻两帧的DCT块C和C′的第u行、第v列的系数，H为块的尺寸。进一步的技术方案，所述调制系数差，具体为：选择修改嵌入块的低频位置，将系数差调制到指定的大小范围，具体过程如下：嵌入水印w＝1时：若d<2T+E&&d≥3T/2，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)+pm，直到d≥2T+E；若d<3T/2&&d>T-E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)-pm，直到d≤T-E；若d<E&&d≥-T/2，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)+pm，直到d≥E；若d<-T/2&&d>-T-E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)-pm，直到d≤-T-E；若d<-2T+E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)+pm，直到d≥-2T+E；嵌入水印w＝0时：若d>2T-E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)-pm，直到d≤2T-E；若d<T+E&&d≥T/2，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)+pm，直到d≥T+E；若d<T/2&&d>-E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)-pm，直到d≤-E；若d<-T+E&&d≥-3T/2，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)+pm，直到d≥-T+E；若d<-3T/2&&d>-2T-E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)-pm，直到d≤-2T-E。嵌入过程中的pm为循环过程中的修改参数：其中，V为尺度变量，ML为当前系数块扫描的低频交流系数绝对值的和，CDC为当前块的直流系数，FMB为运动块标志，T为判决阈值，E为嵌入因子。进一步的技术方案，所述计算当前帧图像块与下一帧同位置图像块的欧氏距离，具体为：其中，Bi,j,k表示第i行、第j列、第k帧的H×H图像块，H为图像块的尺寸，为图像块Bi,j,k的第m行、第n列的元素，范围1≤i≤M/8,1≤j≤N/8,2≤k≤K-1,为Bi,j,k的均值，为Bi,j,k+1的均值。进一步的技术方案，所述通过欧氏距离信息，计算所有帧的运动块比率，具体为：运动块比率即每帧中运动块个数与每帧总块数的比值：其中，S(·)是一个关于运动块阈值T1的阈值函数：其中，S(i,j,k)＝1表示将当前块看作运动块，否则看作非运动块。进一步的技术方案，对于待嵌入的水印图像，使用Arnold置乱对二值水印图像进行预处理，将同一幅水印图像重复嵌入到多个嵌入帧中，每个嵌入帧中嵌入的水印图像随机采用不同的置乱次数；所述嵌入帧在视频中的位置信息被保存为密钥1，不同嵌入帧置乱的次数信息被保存为密钥2。本公开第二方面提供了基于帧间DCT系数相关性的视频水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入和提取方法，其特征是，包括：/n视频水印嵌入方法，步骤为：/n读取原始宿主视频，从原始宿主视频中提取出原始宿主视频的亮度分量；/n将亮度分量的每一帧分为互不重叠的图像块，计算所有帧的运动块比率，提取嵌入帧和参考帧；/n对当前嵌入帧及其参考帧的图像块进行DCT变换，计算嵌入帧和参考帧的同一位置DCT块中的系数差，调制系数差，在所有嵌入帧中嵌入水印图像，得到含水印帧；/n将所有含水印帧和其他不含水印的视频帧拼接，得到含水印视频；/n视频水印提取方法，步骤为：/n读取含水印视频，从中提取出含水印亮度分量；/n根据含水印帧的位置，提取出含水印帧和参考帧；/n对含水印帧及其参考帧的图像块进行DCT变换，根据含水印帧和参考帧的同一位置DCT块中的系数差，得到水印图像，使用投票策略得到最终的水印图像。/n

【技术特征摘要】
1.基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入和提取方法，其特征是，包括：
视频水印嵌入方法，步骤为：
读取原始宿主视频，从原始宿主视频中提取出原始宿主视频的亮度分量；
将亮度分量的每一帧分为互不重叠的图像块，计算所有帧的运动块比率，提取嵌入帧和参考帧；
对当前嵌入帧及其参考帧的图像块进行DCT变换，计算嵌入帧和参考帧的同一位置DCT块中的系数差，调制系数差，在所有嵌入帧中嵌入水印图像，得到含水印帧；
将所有含水印帧和其他不含水印的视频帧拼接，得到含水印视频；
视频水印提取方法，步骤为：
读取含水印视频，从中提取出含水印亮度分量；
根据含水印帧的位置，提取出含水印帧和参考帧；
对含水印帧及其参考帧的图像块进行DCT变换，根据含水印帧和参考帧的同一位置DCT块中的系数差，得到水印图像，使用投票策略得到最终的水印图像。


2.如权利要求1所述的基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入方法，其特征是，所述将亮度分量的每一帧分为互不重叠的图像块，计算所有帧的运动块比率，提取嵌入帧和参考帧，具体为：
水平扫描当前帧和下一帧的每个图像块，计算当前帧图像块与下一帧同位置图像块的欧氏距离
通过欧氏距离信息，计算所有帧的运动块比率；
如果当前帧的运动块比率同时小于上一帧的运动块比率、下一帧的运动块比率和预设的运动帧阈值，则当前帧为低运动帧，即嵌入帧，同时，下一帧为参考帧。


3.如权利要求1所述的基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入方法，其特征是，所述嵌入帧和参考帧的同一位置DCT块中的同一位置系数差为：
d＝C(u,v)-C′(u,v),1≤u,v≤H
其中，C为嵌入DCT块，即实际根据待嵌入的水印比特是“0”或“1”而调制修改系数的DCT块；C′为参考DCT块，不修改，C(u,v)和C′(u,v)是相邻两帧的DCT块C和C′的第u行、第v列的系数，H为块的尺寸。


4.如权利要求1所述的基于帧间DCT系数相关性的视频水印嵌入方法，其特征是，所述调制系数差，具体为：
选择修改嵌入块的低频位置，将系数差调制到指定的大小范围，具体过程如下：
嵌入水印w＝1时：
若d<2T+E&&d≥3T/2，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)+pm，直到d≥2T+E；若d<3T/2&&d>T-E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)-pm，直到d≤T-E；若d<E&&d≥-T/2，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)+pm，直到d≥E；若d<-T/2&&d>-T-E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)-pm，直到d≤-T-E；若d<-2T+E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)+pm，直到d≥-2T+E；
嵌入水印w＝0时：
若d>2T-E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)-pm，直到d≤2T-E；若d<T+E&&d≥T/2，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)+pm，直到d≥T+E；若d<T/2&&d>-E，则循环赋值C(u,v)＝C(u,v)-pm，直到d≤-E；若d&l...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成优，周杨铭，周晓，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37