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基于关键帧和小波变换的湖水印算法

2024-09-02 来源:易榕旅网
li d吲 【本文献信息】李淑芝,晏放明,杨书新.基于关键帧和小波变换的盲视频水印算法[J].电视技术,2013,37(9) 啊鞠教囊 i c o n Ai n EI rin口 基于关键帧和小波变换的 李淑芝,晏殷明,杨书新 (江西理工大学信息工程学院,江西赣州341000) 水印算法 【摘要】针对现有视频水印算法在抗几何攻击能力方面的一些不足,提出一种基于关键帧和小波变换的盲视频水印算法。依 据视频帧间差欧氏距离提取视频关键帧并分块,结合人类视觉系统特性,从关键帧不同的块中选择亮度敏感性和纹理敏感性最 高的块构成三维体块,进行三维小波变换,将置乱的水印图像以不同的嵌入强度嵌入到小波系数的低频区域,利用阈值门限实 现水印的盲提取。结果表明,该算法提高了水印嵌入容量,对于针对视频水印的攻击具有较好的不可见性和稳健性。 【关键词】视频水印;关键帧;人类视觉系统;视频分块 【中图分类号】TN918.91 【文献标志码】A Blind Video Watermarking Algorithm Based on Key Frames and Wavelet LI Shuzhi,YAN Qiming,YANG Shuxin (School ofInformation Engineering,Jiangxi University fScoience and Technology,Jiangxi C.anzhou 341000,China) 【Abstract】A blind video watermarking algorithm based on key lfames and 3D wavelet is proposed in this paper in order to improve the ability of the wa— termark to resist geometric attacks.The key frames are selected based on Euclid distance of Video fame difference,the key frames are segmented to blocks,and the key blocks are selected based on the video characteristics such as luminance sensitivity and texture sensitivity.Then,the key blocks are reconstructed to three dimension blocks and the scrambled watermark is adaptively embedded into the low frequency domain of the three dimension wave— let decomposed coefficients of the blocks.The watermark is retrieved blindly based on JND.Resuhs demonstrate that the algorithm improves the water— mark embedding capacity,and obtain a good imperceptible and robustness to video attacks. 【Key words】video watermarking;key flames;human visual system;video segmentation 视频水印技术是解决视频信息版权保护的有效技术 击能力不够,没有根据人类视觉系统(Human Visual Sys— 手段,已经成为近年来多媒体信息安全领域研究的热点。 tem,HVS)来调整水印嵌入强度。吕安强 提出的抵抗多 根据嵌入域的不同,基于原始视频的水印算法一般分为空 种攻击的视频水印算法,采用Zemike矩阵提取视频的旋  域水印和频域水印,空域水印是直接将水印信息嵌入到原 转、缩放不变信息的新方法,具有很好的抗视频攻击能力,计算量很大。目前基于原始 始视频流中,实现容易,但稳健性和不可感知性较差 。 但是关键帧的选择不够精确,频域水印是将水印嵌入到原始视频的变换域系数中,实 视频的视频水印算法大都是对整个视频帧进行三维变 使得视频水印的嵌入和提取需要较长时间,而且运 现信息隐藏,其中小波变换在信息处理方面有着良好的 换 ,时频特性,而且小波多分辨分析方法可以在小波多层系 算量较大,不能满足视频水印的实时『生要求 。 本文提出基于关键帧和小波变换的盲视频水印算 数中嵌入相同的信息,增强视频抵抗多种攻击的能 力 ,因此,基于小波变换的视频水印技术成为研究的 法。依据帧间差欧氏距离提取关键帧,对关键帧进行分 一个重要方向。频域算法还可以综合利用人类视觉特 块,然后结合人类视觉对视频帧纹理复杂性和亮度强弱的 将水印以不同强度嵌入到关键 性、视频序列固有的时间和空间特性等,相比于空域水 不同敏感度,寻找关键块,最后实现水印的盲提取。实验表明,该算法提高了 印,特别在有损压缩、添加噪声、帧删除、帧交换、帧剪切 块中,等方面拥有相对较好的稳健性。 水印嵌入效率,降低了计算复杂度,达到实时提取的要求。 键帧中,提高了对多种攻击的稳健性。 嵌入在关 Coxl4 等人提出的扩展频谱的水印嵌入和检测方法 利用人的视觉特性对水印的嵌入强度进行优化,很好地解决了保真度和稳健性方面的矛盾,极大地增强了 水印的稳健l生。徐达文 等提出的基于分块三维小波变 换的盲视频水印算法,水印信息经过码分多址(Code Divi— 系数中,可以抵抗常见的基于视频的攻击,但是抗几何攻 基金项目:江西省教育厅科技项目(G.IJ12345;GJJ12349) 1 水印嵌入算法 图像置乱就是用一种方法将图像各个像素间的次序 sion Muhiple Access,CDMA)扩频编码后嵌入到小波低频 1.1水印图像Arnold置乱 12 《电视技术》第37卷第9期(总第411期)l投稿网址http://www.VideoE.ca DIL-,TGI LA 字VI视DE频O 鬻|_■ 首先,将64帧关键帧图像 分成大小为64 X64、互 打乱,但像素总数不变,以消除图像像素之间的相关性,提 高水印图像的稳健性和安全性 J。本文嵌入的水印图像 不叠加的块,每帧图像大小为352 x288,每帧可得20块大 是二维二值图像,故采用二维Arnold变换,定义为 :Y 『 1(modⅣ) 1 2 Y 小为64×64的数据块Z ( =1,2,…,20)。为抵抗帧内裁 江理 剪攻击,依据亮度敏感性 计算公式(4)和纹理敏感性D (1) 计算公式(5),在每帧中选择一个二者和值最大的块作为 西工 式中:( ,Y)是原图像的像素点;( ,Y )是变换后新图像 水印嵌入块,共64块,构成一个大小为64×64 X64的三 的像素点;Ⅳ是图像阶数,即图像的尺寸大小,一般多为正 维体块z 。 方形图像。由于Arnold变换具有周期性,因此可利用其 z ( ) (4) 周期性来对图像进行反变换恢复水印图像。Arnold变换 的周期性与图像的大小相关,通过实验得出,N=64时,置 M )× ] 乱周期为48,二值水印图像Arnold变换的最佳置乱度为 l5,此时图像纹理效果最差,如图1所示。 (5) 式中:k为块的编号; ,Ⅳ分别为块的行、列大小; (m,n) 是块数据;调节系数a(t )=(1 ) ,参数P取值范围 为0.6—0.7。 1.4水印嵌入过程 水印的嵌入过程可以看作是信息叠加的过程,只要 a原水印图像 b置乱后的水印图像 嵌入信号低于HVS的对比度门限,人眼视觉就无法感知 图1 Arnold置乱前后水印图像 信号的存在。根据视频帧图像的局部纹理复杂性,尽可能 1.2视频关键帧提取 提高嵌入水印的强度,这是提高水印稳健性的有效办法。 视频信号一般信息量比较大,由在时空上连续的视 门限值受背景照度、背景纹理复杂性和信号频率的影响, 一频帧构成,而且在一定时间段内视频内容没有显著变化, 般背景越亮,纹理越复杂,门限值就越高,嵌入水印信号 若将这些帧都存储到内存中数据量过大。关键帧包含视 的强度就越大。具体嵌入过程如图2所示。 频的主要信息,提取视频关键帧进行处理,可以降低计算 复杂度。 』 将视频进行分帧处理,提取视频序列亮度分量l,,通 过式(2)、式(3)计算帧间差欧氏距离s,选择s值较大的 前64帧为视频关键帧 (i=1,2,…,64)。 f (x,y)= +。( ,Y)一 ( ,Y)]一 ( ,Y)一 /=一。( ,Y)] (2) 图2水印嵌入过程 S = 352 1 288×× 互 (至茎 ( ) '  (3) 先把置乱大小为64 X64的二维水印图像 重构成大 小为16 X 16×16的三维图像,再对选取的三维体块z~ 式中:t为帧的编号; 为视频帧间帧差;s 为视频帧问差 进行二级三维小波分解,将水印嵌入到大小为16 X 16× 欧氏距离。 16的低频小波系数中,提高抗压缩攻击能力。根据人类 1.3选择水印嵌入位置 视觉系统,不同块通常具有不同的特征,对于背景亮度越 视频对于人眼是运动的画面,充分利用视频信息所 大、纹理越复杂的块,嵌人的水印越多。因此,每块依据可 具有的三维特性,即在空间和时间上被人眼所感知的强 见陛阈值JND(Just Noticeable Difference) 。。来决定嵌入 弱和掩蔽效应,可以在保证视觉质量情况下,提高水印 水印的强度,给定块c 的JND定义为 的稳健性和水印容量。由人类视觉系统(HVS)可知,背 JND(k)=round[Ix Xmeo ̄n(6' )] (6) 景亮度越大,背景纹理越复杂,可嵌人的信号就越多,因 式中: o (c )为该块的均值;参数 为强度调节系数。 此,依据亮度敏感性和纹理敏感性来选择水印嵌入 水印按式(7)进行嵌入,即 位置。 投稿网址hnp://www.VideoE.cnI《电视技术》第37卷第9期(总第411期) 13 li D吲 C(i√,k)一c(i√, )mod JND(k)+T1, w(i√,k)=1且C(i√,k)≥0 C(i√,k)一c(i√,k)mod JND(k)+ , w(i ,k)=0且c(i√, )≥0 熬 大小为64×64的二值图像,并根据式(9)计算提取水印图 像与原水印图像的相似度NC(Normalized Correlation),式 (10)计算嵌入水印帧和原始帧之间的峰值信噪比PSNR,即 M N C(iJ, )+I C(i ,k)I mod JND(k)一 , W(i√, )=1且C(i√, )<0 C(i√, )+l C(i ,k)I mod JNO(k)一 , NC=∑∑( ( √)× ( √))/ i=1 J=1 【^/∑∑w(id)× ( √)× Y =1 J=I W(i√, )=0且c(i√,k)<0 (7) ^/∑∑叫( √) ×Wt( √)J P5ⅣR=101g[max (i√))/ 1 厂 — ——————————一1 (9) 式中:W(i√,k)是水印图像数据;c(i√, )是小波变换后低 频子带LLL2(2阶三维小波变换的低频子带)中的系数; 。, ^f ( )一f(id)) )](10) 为嵌入门限,其中T =JND(1,)/4, :3T1,水印嵌 3.1不可感知性 水印嵌人到视频当中,要保证水印不影响到视频的 入过程用到的参数需作为密钥保存。水印嵌入以后,通过 二阶三维小波逆变换,得到嵌入水印的视频帧,再放回原 质量,即从视觉上无法感知水印的存在。图4为本文水印 嵌入前后的视频帧图像,从主观上判断,关键帧图像质量 来位置当中,得到嵌入水印的视频。 2盲提取水印算法 水印信息的提取算法是嵌入算法的逆执行,本文水 印信息提取时无须原始视频数据的参与,利用嵌入过程中 保存的密钥,实现水印的盲提取,具体步骤如图3所示。 几乎没有下降。 I1寄印 H惹取直H 视频r_1度分量r]关键帧广1维体块rH黎 H I 波变换l 提取出I I Arnold l 1提取的置乱I I水印 a未嵌入水即的原始帧图像 b嵌入水印后的视频帧图像 ( =53.331 8 dB) 图4水印嵌入前后视频帧图像 的水印r-1变换r__.1水印图像r__1提取 图3水印提取过程 3.2稳健性性能 稳健性指视频水印能够承受各种常见的信号处理攻 击、几何攻击和针对视频特有的帧操作攻击,保证从受到 首先,从待检测视频序列中提取亮度分量y ,根据密 攻击的视频中也能提取较清晰的水印信息。在没有受到 钥提取64帧关键帧Y ;然后对关键帧进行分块,选择嵌 攻击时,提取水印的相似度NC为1,视频帧图像的峰值信 入过程相同的块构成三维体块,进行二阶三维小波变换, 水印数据 ,即 噪比为53.331 8 dB,水印效果良好。 对嵌入水印的视频进行多种强度的高斯白噪声攻 依据式(8)提取算法从低频小波系数C (i√,k)中提取出 3.2.1高斯白噪声攻击 f0,r c'( rmod JND(k)≥ 击,并比较提取的水印图像。图5显示在不同峰值信噪比 下,提取水印与原水印的相似度变换曲线,并且给出在 PSNR=26.059 6 dB时提取的水印图像。 {l11…, }c,ij),南){ mod JND(k)< (8) 最后,将提取出的水印数据重构成大小为64 X 64的 图像,并进行Arnold变换,得到最终提取的水印。 3 实验结果与分析 本文选取352×288的视频流foreman(289帧)作为 原始视频进行实验,采用YUV彩色空间,嵌入的水印图像 PsN dB a PSNR与^rC变化曲线 b 旧=26.O59 6 dB 时提取的水印图像 图5高斯噪声对视频的攻击 14《电视技术》第37卷第9期(总第411期)I投稿网址http://www.VideoE.crl ■翻教囊 idr.0 ngi n efri ng D吲 2008,31(7):1082-1091. 锄 [7]张光卫,何锐,刘禹,等.基于云模型的进化算法[J].计算机学报, 。一 一 [8]阎岩,唐振民.基于云模型的地面智能机器人自主性评价方法[J].南 京理工大学学报:自然科学版,2012,36(3):420-426. 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