CN1937769B - 用于数字视频信号的水印方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种用于数字视频信号的水印方法和设备，在保证视频质量没有明显下降的前提下，通过自适应调整视频每一帧的亮度分量的部分中频系数，使得视频每一帧的亮度分量的中频能量发生显著变化，以此来嵌入水印信息。通过计算相邻帧的亮度分量的中频能量的大小关系来提取特征向量，利用特征向量和水印向量的相关性来判断视频内容是否添加了水印。本发明方案在基本保持原有视频质量的前提下，不但可以抵抗光度失真、空间同步失真，而且可以抵抗这两类失真的组合。此外该方法也可以抵抗一定程度的时间同步失真。

Description

用于数字视频信号的水印方法和设备

技术领域

本发明涉及数字视频处理领域，更具体地涉及到往数字视频信号里加水印的方法和设备，以及检测数字视频信号是否嵌入了水印的设备。

背景技术

互联网的迅猛发展使得数字视频的消费需求不断增长，随之而来的各种版权问题也日益突出。虽然在传输过程中，可以通过加密技术有效保护数字内容不被非法使用，然而一旦数字内容到达最终用户并被合法解密之后，加密技术就不能对其进行任何保护了。人们迫切需要一种新的技术在数字内容被解密后，仍能保护其内容。数字水印技术则有能力满足这些要求。

作为版权保护的一种最新技术，数字水印在真正应用之前，必须解决很多问题。这其中一个核心问题是水印的鲁棒性，就是经历了常规的信号处理后，仍能准确检测出水印的能力。对于视频而言，常规的信号处理包括：光度失真(如有损压缩、噪声、滤波、对比度/亮度调整等)、空间同步失真(如裁剪、放缩、平移、旋转、透视、非线性变换、球形变换、局部几何变换等各种几何变换)、时间同步失真(如帧插入、帧删除、帧交换、帧频转换等)等几类处理。

在水印鲁棒性研究的成果中，Cox等提出的扩展频谱的嵌入和检测思想，很好地解决了保真度和鲁棒性方面的矛盾，成为了鲁棒性水印的奠基性思想。此外，一般提高水印鲁棒性常用的思想方法还有：冗余嵌入、在感知上的重要系数中嵌入、在已知鲁棒性的系数中嵌入等技术。而对抗时间和空间同步失真的一般思想则是穷举搜索、同步模板、自相关、不变水印等。不过，这些只是一些基本的提高水印鲁棒性的思想和方法，并不是专门解决水印抵抗某一类失真的鲁棒性问题的完整方案。

目前不少鲁棒水印方法是为了有效抵抗三类失真中的某一类失真。如在变换域中频系数里嵌入水印，可以在相当程度上抵抗轻度的光度失真；利用RST不变嵌入子空间等，抵抗因为简单几何变换(RST)带来的轻度的空间同步失真；Eugene T.L.用有限状态机作为帧水印密钥生成器，可抵抗随机的帧删除、帧插入、帧交换等时间同步攻击等。

目前国际上关于鲁棒水印的研究成果里，也有部分能同时抵抗多种类型的失真问题的方法。如：

Jaap Haitsma提出了通过调制每一帧的平均亮度，按帧嵌入水印信息的水印方法。该方法可以较好地抵抗多种类型的空间同步失真，但是抗有损压缩等光度失真的能力较弱。Zhao Yao等对Jaap Haitsma方法进行了改进，提高了检测准确率，但是抗有损压缩等光度失真的能力仍然较弱。Song Maodong等提出的基于能量的水印方法，可以抵抗多种几何变换导致的空间同步失真，但是不能抵抗裁剪导致的空间同步失真，对于光度失真的抵抗力一般。此外，该方法需要对每一帧图像做整体离散傅立叶变换，计算量很大。

牛夏牧等提出的沿时间轴嵌入水印的方法，可以抵抗一定频率的丢帧导致的时间同步失真，可以抵抗多种几何变换导致的空间同步失真，对于有损压缩导致的光度失真，也有较好的抵抗力.但是该方法选择水印嵌入点的方法太复杂，而且不能抵抗各类能导致水印嵌入点在帧内产生相对偏移的空间同步失真.陈真勇等提出了能同时较好地抵抗空间同步失真和轻度的时间同步失真的水印方法.但是当视频画面变化较快、或者视频水印序列较长时，水印相关性检测失效概率非常高.这样实际有效的视频水印序列必然很短，这就导致水印空间很小，容易遭受穷举方式的攻击，而且检测的虚警率就比较高.此外，该方法对于抵抗光度失真的能力较弱.

Hans Jung等提出的基于“场景”的视频水印方法，可以较好地抵抗多种类型的时间同步失真和简单几何变换导致的空间同步失真。但是该方法计算量大，且视频质量下降明显。孙建德等提出的基于ICA提取视频特征的水印方法，可以较好地抵抗多种类型的时间同步失真，还可以抵抗常见的光度攻击，如压缩等。但对于空间同步失真，则没有抵抗力。

此外，基于三维变换的方法，如基于3D DCT变换、3D DWT变换等方法，在不同程度上能抵抗这3大类失真中的部分类型的处理引起的失真，但都存在计算复杂性高等问题。张立和的3D Gabor变换对于帧删除和视频压缩有一定的效果，但是计算太复杂，且几乎不能抵抗空间同步失真。

有上述论述可见，虽然上述方法可以在一定程度上抵抗一类或者多类失真，但是都不能有效地同时抵抗空间同步失真和光度失真。而在实际应用时，如视频编辑等，视频可能经历多种变换和处理，光度失真、空间同步失真往往是同时发生的。因此，迫切需要研究能同时有效抵抗空间同步失真和光度失真的视频水印方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种新的为数字视频信号加水印和检测数字视频信号是否嵌入了水印的方法及装置。用以解决现有技术中存在的方案不能有效地抵抗空间同步失真和光度失真的问题。

一种用于数字视频信号的水印方法，包括以下步骤：

将水印信息编码调制为双极性二值水印向量W_r＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，N为大于1的正整数；

在选定水印嵌入的起始帧，连续N次向后选取视频帧，每次选取R帧，R为大于1的正整数；

调整第n次选取的R个帧中视频帧的亮度分量的中频能量，嵌入W_r的第n个分量，n＝0～N-1。

较佳地，所述调整R个帧中视频帧的亮度分量的中频能量时，每一个视频帧的亮度分量的中频能量的变化方向不完全相同。

较佳地，所述调整视频帧的亮度分量的中频能量包括以下步骤：

(1)将亮度分量分裂成大小相等的方形图像块；

(2)对所述图像块进行离散余弦变换DCT，得到DCT变换系数；

(3)在图像块对应的DCT变换系数中，选择部分中频系数；

(4)对选中的中频系数进行自适应调整，嵌入W_r的第n个分量；

(5)对调整后的每个图像块，进行逆向离散余弦变换(IDCT)。

较佳地，所述步骤(3)中，所述的中频系数是对于一个图像块的DCT变换系数，按“之”字型(ZigZag)排列时，位于队列第S至第T个AC系数，满足0＜S＜T.

较佳地，所述步骤(3)中，选择DCT中频系数时，按照水印嵌入密钥进行选择，选择的系数不少于1个。

较佳地，所述步骤(4)中，对选中的DCT中频系数进行自适应调整时，采用不嵌入或者加性嵌入或者乘性嵌入方式。

较佳地，所述步骤(4)中，对选中的DCT中频系数进行自适应调整时，根据如下规则来决定采用不嵌入或者加性嵌入或者乘性嵌入方式进行：

记当前选中的DCT中频系数为DCT(p，m，i)，其中p为当前帧号，m为当前块在该帧中的序号，i为该系数在ZigZag顺序中的序号，T_A为正常数，MultiT是大于T_A的正数：

当DCT(p，m，i)绝对值小于T_A时，采取不嵌入的方式；

当DCT(p，m，i)绝对值大于或者等于T_A，但是小于MultiT时，采用加性嵌入方式；

当DCT(p，m，i)绝对值大于或者等于MultiT时，采用乘性嵌入方式。

较佳地，MultiT随当前视频帧以及图像块的位置变化，记为T(p，m)。

较佳地，所述T(p，m)是两个常数T_m和T_M的线性组合，且T_A≤T_m≤T(p，m)≤T_M，T(p，m)＝α(p，m)·T_m+(1-α(p，m))·T_M，其组合系数α(p，m)是与当前帧相对于前一帧的变化量，当前块相对于前一帧同位置块的变化量相关。

较佳地，所述步骤(4)中，对选中的某一帧亮度分量对应的DCT中频系数进行调整时，根据当前帧亮度分量相对于前一帧亮度分量的变化程度，改变其调整幅度。

较佳地，所述步骤(4)中，对选中某图像块的DCT中频系数进行自适应调整时，根据当前图像块相对于前一帧同位置的图像块的变化幅度，改变其调整幅度；或

根据DCT变换系数的敏感度的模型，改变该系数的调整幅度。

较佳地，所述步骤(4)中，对选中的DCT中频系数进行自适应调整时，保证帧内各个图像块的DCT中频能量往同一个方向变化。

较佳地，对某个图像块，其DCT中频能量是其DCT变换的所有中频系数的绝对值的和；

一帧的亮度分量的中频能量是该帧亮度分量的所有图像块的DCT中频能量之和。

较佳地，水印检测时包括以下步骤：

选择检测起点帧，并从该帧开始，连续N次往后选取视频帧，每次选取R帧；

通过计算第n次选取的R帧中每一帧的亮度分量的中频能量的大小来计算特征向量的第n个分量，n＝0～N-1；

计算特征向量和水印向量的相关性；

根据相关性大小和检测阈值来判定视频内容是否含有视频水印。

一种用于将水印信息嵌入到数字视频信号中的设备，包括：

用于将水印信息编码调制为双极性二值向量W_r的调制装置，W_r＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，N为大于1的正整数；

用于选取视频帧进行水印嵌入的帧选取装置，在选定水印嵌入的起始帧，连续N次向后选取视频帧，每次选取R帧，R为大于1的正整数；

用于嵌入水印的水印嵌入装置，用于调整第n次选取的R个帧中视频帧的亮度分量的中频能量，嵌入Wr的第n个分量，n＝0～N-1。

较佳地，所述水印嵌入装置，进一步包括：

用于将视频帧亮度分量进行分块，然后进行离散余弦变换的亮度分块变换装置；

用于根据水印密钥选取DCT中频系数的中频系数选择装置；

用于根据所述视频帧相对于前一帧的变化程度、当前图像块相对于前一帧同位置图像块的变化程度、当前图像块的中频能量、以及当前中频系数绝对值大小，确定当前中频系数调整加权量的加权量确定装置；

用于将当前中频系数调整加权量加到所述视频内容上的调整装置；

用于将调整了中频系数后的视频帧亮度分量进行逆向离散余弦变换的分块逆变换装置。

较佳地，所述确定中频系数调整加权量的装置进一步包括：

用于分析视频数据，并计算当前帧相对于前一帧变化量和当前块相对于前一帧对应块的变化量的视频数据分析装置；

用于根据当前帧相对于前一帧变化量，计算当前帧的全局调整强度的全局强度系数确定装置；

用于根据当前块的特征和/或当前块相对于前一帧对应块的变化量，计算当前图像块的局部调整强度的局部强度系数确定装置；

用于根据中频系数选取结果，和变换系数的敏感度模型，计算待调整系数加权强度的待调整系数加权强度确定装置；

用于根据全局调整强度系数、局部调整强度系数、所述待调整系数加权强度，最终确定中频系数的调整方法和加权系数的中频系数调整方法和加权系数确定装置。

一种用于检测数字视频信号是否含有水印的设备，包括：

用于将水印信息编码调制为双极性二值水印向量的调制装置；

用于从当前的检测起点帧开始，依次连续N次读取视频，每次选取R帧，并对选取的视频帧进行水印检测的视频帧选取装置，其中N为大于1的正整数；

用于计算第n次选取的R帧中每一帧的亮度分量的中频能量的中频能量计算装置，其中n＝0～N-1；

用于根据所计算的每一帧的中频能量提取检测特征向量的特征向量提取装置；

用于计算特征向量和水印向量的相关性，并根据相关性大小判断是否含有水印的判定装置。

本发明在保证视频质量没有明显下降的前提下，通过自适应调整视频每一帧的亮度分量的分块DCT变换的部分中频系数，使得视频每一帧的亮度分量的中频能量发生显著变化，以此来嵌入水印信息。通过计算相邻帧的亮度分量的中频能量的大小关系来提取特征向量，利用特征向量和水印向量的相关性来判断视频内容是否添加了水印。

本发明方案在基本保持原有视频质量的前提下，不但可以抵抗光度失真、空间同步失真，而且可以抵抗这两类失真的组合。此外该方法也可以抵抗一定程度的时间同步失真。

附图说明

图1为本发明用于将水印信息嵌入到数字视频信号中的设备的结构示意图；

图2为图1中确定中频系数的加权量确定装置的结构示意图；

图3为本发明检测视频里是否含有水印的设备结构示意图；

图4为本发明用于数字视频信号的水印方法的流程示意图。

具体实施方式

通过对水印技术的研究可知：

通过调整DCT中频系数来嵌入水印，可以在视频质量的保真度和水印的鲁棒性之间取得较好的平衡；

Watson给出了二维DCT变换系数的敏感度的模型，对于不同的系数，敏感度不同。利用这一特性，可以自适应调整每个系数的变化程度，而不被人所察觉。

相邻视频帧沿时间轴的密切相关性是视频可理解的基础。相关性越强的视频帧，其对应的中频能量的相关性也越强，相互预测的误差也越小。在保证保真度的前提下，可以显著修改视频帧的中频能量，从而可以利用相邻视频帧中频能量的差的符号来嵌入和检测水印。

由于人类的视觉暂留特性，当视频图像序列中相邻画面的变化剧烈时，人眼的分辨力会快速下降。这就是人类对于视频画面感知的时域中的掩蔽效应。因此，在保证人眼不可感知的情况下，变化剧烈的画面比变化平缓的画面可以允许更大的变化量。利用这一特性，可以根据每一帧画面相对于前一帧的变化程度，自适应调整画面的变化强度，而不被人所察觉。

下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明方案将水印嵌入到数字视频信号中的设备包括了：

用于将水印信息编码调制为双极性二值向量W_r的调制装置10，其中W_r＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，N为大于1的正整数；

用于选取视频帧进行水印嵌入的视频帧选取装置20，在选定水印嵌入的起始帧，连续N次向后选取视频帧，每次选取R帧，R为大于1的正整数；

用于嵌入水印的水印嵌入装置30，用于调整第n次选取的R个帧中视频帧的亮度分量的中频能量，嵌入W_r的第n个分量，n＝0～N-1。

其中，用于嵌入水印的水印嵌入装置30进一步包括：

用于将视频帧亮度分量进行分块，然后进行离散余弦变换的亮度分块变换装置310；

用于根据水印密钥选取DCT中频系数的中频系数选择装置320；

用于根据所述视频帧相对于前一帧的变化程度、当前图像块相对于前一帧同位置图像块的变化程度、当前图像块的中频能量、以及当前中频系数绝对值大小，确定当前中频系数调整加权量的加权量确定装置330；

用于将计算调整量加到所述视频内容上的调整装置340；

用于将调整了中频系数后的视频帧亮度分量进行逆向离散余弦变换的分块逆变换装置350。

从数字视频信号源中产生的数字视频信号，进入视频帧选取装置20，产生出多帧视频，以备嵌入水印.对于视频选取装置20选出的每一帧，经过亮度分块变换装置310处理，把亮度分量进行分块离散余弦变换，然后从变换系数里，按照由水印密钥决定的中频系数选取装置320的要求，选择出合适的中频系数，以准备进行调整.同时根据视频帧选取装置20的输出结果和中频系数选取装置320的选取结果，通过加权量确定装置330确定每个中频系数调整量的权重.

待嵌入的水印信息经过调制装置10调制后，得到水印向量。调整装置340根据该向量、加权量确定装置330得到的权重、以及亮度分块变换装置310得到的变换系数，确定每个中频系数的调整量，并对中频系数进行调整。调整后的结果经过分块逆变换装置350进行逆变换，得到嵌入水印信息的数字视频信号，保存到合适的存储介质40上。

如图2所示，图1中确定中频系数的加权量确定装置330进一步包括：

用于分析视频数据，并计算当前帧相对于前一帧变化量和当前块相对于前一帧对应块的变化量的视频数据分析装置331；

用于根据当前帧相对于前一帧变化量，计算当前帧的全局调整强度的全局强度系数确定装置332；

用于根据当前块的特征和/或当前块相对于前一帧对应块的变化量，计算当前图像块的局部调整强度的局部强度系数确定装置333；

用于根据中频系数选取结果，和变换系数的敏感度模型，计算待调整系数加权强度的待调整系数加权强度确定装置334；

用于根据全局强度系数确定装置332输出的全局调整强度系数、局部强度系数确定装置333输出的局部调整强度系数、以及待调整系数加权强度确定装置334输出的单个调整强度加权系数，最终确定中频系数的调整方法和加权系数的中频系数调整方法和加权系数确定装置335。

如图3所示，是本发明对应的检测视频里是否含有水印的设备，包括：

用于将水印信息编码调制为双极性二值水印向量的调制装置10；

用于选取视频帧进行水印检测的视频帧选取装置50；

用于计算视频帧亮度分量的中频能量的中频能量计算装置60；

用于根据所计算的每一帧的中频能量提取检测特征向量的特征向量提取装置70；

用于将计算特征向量和水印向量的相关性，并根据相关性大小判断是否含有水印的判定装置80。

依据上述设备，从待检测数字视频信号源里产生的数字视频信号，经过视频帧选取装置50的选取，得到待检测的视频片段。经过中频能量计算装置60计算出这个视频片段里的每一视频帧的中频能量。特征向量提取装置70根据每一视频帧的中频能量，提取出当前视频片段的特征向量。同时把水印信息经由调制装置10调制，得到水印向量。判定装置80根据特征向量和水印向量进行判断当前视频片段是否含有水印。

下面结合上述装置来说明本发明用于数字视频信号的水印方法。如图4所示，是该方法的流程示意图，从图中可见，主要包括以下步骤：

步骤401、将水印信息编码调制为双极性二值水印向量；

该步骤将待嵌入的水印信息经过调制装置10调制为双极性二值水印向量W_r＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，其中w(n)∈{-1，1}，n＝0～N-1；N为大于1的正整数。

步骤402、在选定水印嵌入的起始帧，连续N次向后选取视频帧，每次选取R帧，R为大于1的正整数；

由视频帧选取装置20从数字视频信号源产生的数字视频信号里选择合适的帧，以用于水印的嵌入。选择时，首先选定嵌入的起始点帧。然后从嵌入起点帧开始，连续N次依次往后读取视频帧，本发明实施例中，每次读取R＝3帧。对于第n次获取的3帧视频，准备用来嵌入水印向量的第n个分量w(n)，其中n＝0～N-1。

步骤403、调整第n次选取的R个帧中视频帧的亮度分量的中频能量，嵌入W_r的第n个分量，n＝0～N-1。

对于视频帧选取装置20选取的视频帧，经过亮度分块变换装置310进行变换。变换时，可以将选择视频帧的亮度分量进行8×8分块的DCT变换，图像分块的大小为8×8。以下的讨论中的DCT变换除非特别指明，都是指视频的亮度分量的按8×8分块的DCT变换，但本发明方案并不排除使用其他的图像分块方法，使用其他变换方式同样也可以实现本发明方案。

变换后得到DCT分块变换系数，经过中频系数选取装置320选取部分中频系数用于调整。

根据水印密钥，选择8×8块的DCT变换系数按照ZigZag顺序的第i个系数，其中i＝S，...，T，0＜S＜T＜32。

上述方案中，确定每个系数的最终加权量采用如下方法进行：

对于第n次获取的3帧视频，准备用来嵌入水印向量的第n个分量w(n)，其中n＝0～N-1，设其中间帧相对于当前嵌入起点的帧序号为p，有p＝n×3+1。

设系数DCT(p，m，i)对应的加权系数为Ω(p，m，i)，其计算方法如下：

Ω(p，m，i)＝λ(i)·φ(p，m，i)

$\mathrm{\&phi;}(p,m,i)=\left\{\begin{array}{cc}0,& \left|\mathrm{DCT}(p,m,i)\right|<=T_A\\ 1,& T_A<\mathrm{DCT}(p,m,i)<T(p,m)\\ -1,& -T(p,m)<\mathrm{DCT}(p,m,i)<-T_A\\ \frac{\mathrm{DCT}(p,m,i)}{T(p,m)},& T(p,m)\&le;\left|\mathrm{DCT}(p,m,i)\right|\end{array}\right.$

λ(i)＝max(1，DCT_Freq_Sensitivity(i)×Scale_D)

其中DCT_Freq_Sensitivity(i)为DCT频率敏感度表按ZigZag顺序的第i个敏感度值，Scale_D为一调节系数，max(·)为取最大值的函数。T_A为一正常数，T(p，m)为两个常数T_m和T_M的线性组合，且T_A≤T_m≤T(p，m)≤T_M。T(p，m)计算方法如下：

T(p，m)＝α(p，m)·T_m+(1-α(p，m))·T_M

其中α(p，m)为组合系数，它由帧p相对于p-1的变化量、块B(p，m)相对于B(p-1，m)的变化量、块B(p，m)的中频能量来确定。

根据加权量确定装置330计算出的加权量，亮度分块变换装置310得到的变换系数，调制装置340得到的水印向量，调整装置340将计算每个系数的实际调整量，并进行调整，调整方法如下：

设DCT(p，m，i)为第p帧的第m个8×8块的DCT变换系数按照zigzag顺序的第i个系数，系数DCT(p，m，i)调整后的新值为DCT(p，m，i)′，其计算方法为：

DCT(p，m，i)′＝DCT(p，m，i)+Δ(p，m，i)

其中Δ(p，m，i)为改变量，Δ(p，m，i)＝Ω(p，m，i)×w(n)。

为了保持水印的不可感知性，保持水印嵌入后视频的质量，我们用区间[-C(p，i)，C(p，i)]来对Δ(p，m，i)进行限制性截取。其中C(p，i)可以按如下方法计算：

其中D(p)为第p帧相对于第p-1帧的变化量。

对于视频第p-1帧的DCT变换的中频系数的调整，可以采用如下方法：

用p-1替换上述步骤中的p，并用-w(n)替换上述步骤中的w(n)，按照上述步骤，调整视频第p-1帧的DCT变换的中频系数。

对于视频第p+1帧的DCT变换的中频系数的调整，可以采用如下方法：

用p+1替换上述步骤中的p，并用-w(n)替换上述步骤中的w(n)，按照上述步骤，调整视频第p+1帧的DCT变换的中频系数。

把调整装置340调整后的结果，经分块逆变换装置350进行变换得到加入水印后的视频，变换方法为对亮度分量的调整后的DCT系数，进行8×8分块逆离散余弦变换。

本发明方案在接收端，对于待检测是否含有水印的数字视频信号，可以包括如下步骤：

由视频帧选取装置50选择出合适的视频帧；

从当前的检测起点帧开始，依次往后连续N次读取视频，本发明实施例中，采用每次读取3帧。对于第n次读取的连续的3帧视频，选择中间帧，记其相对于当前检测起点的帧序号为p，则有p＝n×3+1。其中n＝0～N-1。

对于选取的视频帧，经过中频能量计算装置60计算中频能量，计算中频能量时采用如下方法：

设M为视频一帧内8×8块的个数，B(p，m)为第p帧的第m个块，DCT(p，m，i)为第p帧的第m个8×8块的DCT变换系数按照zigzag顺序的第i个系数，其中i＝S，...，T，0＜S＜T＜32。设E_m(p)为视频第p帧的中频能量，计算方法如下：

$E_m\left(p\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=S}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|\mathrm{DCT}(p,m,i)\right|$

计算了中频能量之后，要用特征向量提取装置70提取特征向量。提取特征向量的方法如下：

特征向量V＝(v(0)，v(1)，...v(n)，...，v(N-1))的分量v(n)的计算方法如下：

$v\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{\&epsiv;}\left(n\right)>{\mathrm{\&epsiv;}}_0\\ -1,& \mathrm{\&epsiv;}\left(n\right)<-{\mathrm{\&epsiv;}}_0\\ 0,& -{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&le;\mathrm{\&epsiv;}\left(n\right)\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_0\end{array}\right.$

其中，ε₀为一正常数，ε(n)计算方法如下：

$\mathrm{\&epsiv;}\left(n\right)=E_m\left(p\right)-\frac{E_m(p-1)+E_m(p+1)}{2}$

根据特征向量提取装置70输出的特征向量，以及由调制装置10输出的水印向量，判定装置80进行判断选取的视频段是否含有水印，判断方式如下：

首先计算特征向量V与水印向量W_r的归一化相关性τ。

$\mathrm{\&tau;}=\frac{V{\&CenterDot;W}_r}{\left|V\right|\left|\right|W_r|}$

设τ_nc为检测阈值。如果τ≥τ_nc，则表明被检测的该段视频有水印；否则，被检测的该段视频没有有水印。

经试验表明，本发明所公开的方案对于非等比放缩、透视、1/4×1/4的等比缩小和4×4的等比放大等都达到了100％的检测准确率，对于组合的几何变换，如裁剪和非等比放缩，同样达到100％的检测准确率。这是其他方法难以达到的，这说明本发明方案可以有效抵抗空间同步失真。

本发明所公开的方案对于4种主要类型的光度失真：噪声、幅度变化、滤波、有损压缩的检测准确率都达到了100％。尤其是有损压缩，在VCD级质量的压缩下(低于VCD质量的视频一般是人们无法接受的)，检测准确率仍然为100％，这是其他方法法难以实现的。

当空间同步失真和光度失真同时发生时，本发明所公开的方案仍然能达到100％的检测准确率，这也是其他方法难以做到的。

此外，本发明所公开的视频水印方法对于随机帧插入和帧删除导致的时间同步失真也具有一定的鲁棒性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (18)

1.一种用于数字视频信号的水印方法，包括以下步骤：

将水印信息编码调制为双极性二值水印向量W_r＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，其中，w(n)∈{-1，1}，N为大于1的正整数；

在选定水印嵌入的起始帧，连续N次向后选取视频帧，每次选取R帧，R为大于1的正整数；

调整第n次选取的R个帧中视频帧的亮度分量的中频能量，嵌入W_r的第n个分量，n＝0～N-1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述调整R个帧中视频帧的亮度分量的中频能量时，每一个视频帧的亮度分量的中频能量的变化方向不完全相同。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整视频帧的亮度分量的中频能量包括以下步骤：

(1)将亮度分量分裂成大小相等的方形图像块；

(2)对所述图像块进行离散余弦变换DCT，得到DCT变换系数；

(3)在图像块对应的DCT变换系数中，选择部分中频系数；

(4)对选中的中频系数进行自适应调整，嵌入W_r的第n个分量；

(5)对调整后的每个图像块，进行逆向离散余弦变换(IDCT)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述的中频系数是对于一个图像块的DCT变换系数，按“之”字型(ZigZag)排列时，位于队列第S至第T个AC系数，满足0＜S＜T。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，选择DCT中频系数时，按照水印嵌入密钥进行选择，选择的系数不少于1个。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对选中的DCT中频系数进行自适应调整时，采用加性嵌入或者乘性嵌入方式。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对选中的DCT中频系数进行自适应调整时，根据如下规则来决定采用加性嵌入或者乘性嵌入方式进行：

记当前选中的DCT中频系数为DCT(p，m，i)，其中p为当前帧号，m为当前块在该帧中的序号，i为该系数在ZigZag顺序中的序号，T_A为正常数，MultiT是大于T_A的正数：

当DCT(p，m，i)绝对值大于或者等于T_A，但是小于MultiT时，采用加性嵌入方式；

当DCT(P，m，i)绝对值大于或者等于MultiT时，采用乘性嵌入方式。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，MultiT随当前视频帧以及图像块的位置变化，记为T(p，m)。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述T(p，m)是两个常数T_m和T_M的线性组合，且T_A≤T_m≤T(p，m)≤T_M，T(p，m)＝α(p，m)·T_m+(1-α(p，m))·T_M，其组合系数α(p，m)是与当前帧相对于前一帧的变化量，当前块相对于前一帧同位置块的变化量相关。

10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对选中的某一帧亮度分量对应的DCT中频系数进行调整时，根据当前帧亮度分量相对于前一帧亮度分量的变化程度，改变其调整幅度。

11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对选中某图像块的DCT中频系数进行自适应调整时，根据当前图像块相对于前一帧同位置的图像块的变化幅度，改变其调整幅度；或

根据DCT变换系数的敏感度的模型，改变该系数的调整幅度。

12.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对选中的DCT中频系数进行自适应调整时，保证帧内各个图像块的DCT中频能量往同一个方向变化。

13.如权利要求3至12任意一项所述的方法，其特征在于，

对某个图像块，其DCT中频能量是其DCT变换的所有中频系数的绝对值的和；

一帧的亮度分量的中频能量是该帧亮度分量的所有图像块的DCT中频能量之和。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，水印检测时包括以下步骤：

选择检测起点帧，并从该帧开始，连续N次往后选取视频帧，每次选取R帧；

通过计算第n次选取的R帧中每一帧的亮度分量的中频能量的大小来计算特征向量的第n个分量，n＝0～N-1；

计算特征向量和水印向量的相关性；

根据相关性大小和检测阈值来判定视频内容是否含有视频水印。

15.一种用于将水印信息嵌入到数字视频信号中的设备，包括：

用于将水印信息编码调制为双极性二值向量W_r的调制装置，W_r＝(w(0)，...，w(n)...，w(N-1))，其中，w(n)∈{-1，1}，N为大于1的正整数；

用于选取视频帧进行水印嵌入的帧选取装置，在选定水印嵌入的起始帧，连续N次向后选取视频帧，每次选取R帧，R为大于1的正整数；

用于嵌入水印的水印嵌入装置，用于调整第n次选取的R个帧中视频帧的亮度分量的中频能量，嵌入Wr的第n个分量，n＝0～N-1。

16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述水印嵌入装置，进一步包括：

用于将视频帧亮度分量进行分块，然后进行离散余弦变换的亮度分块变换装置；

用于根据水印密钥选取DCT中频系数的中频系数选择装置；

用于根据所述视频帧相对于前一帧的变化程度、当前图像块相对于前一帧同位置图像块的变化程度、当前图像块的中频能量、以及当前中频系数绝对值大小，确定当前中频系数调整加权量的加权量确定装置；

用于将当前中频系数调整加权量加到视频内容上的调整装置；

用于将调整了中频系数后的视频帧亮度分量进行逆向离散余弦变换的分块逆变换装置。

17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述确定中频系数调整加权量的装置进一步包括：

用于分析视频数据，并计算当前帧相对于前一帧变化量和当前块相对于前一帧对应块的变化量的视频数据分析装置；

用于根据当前帧相对于前一帧变化量，计算当前帧的全局调整强度的全局强度系数确定装置；

用于根据当前块的特征和/或当前块相对于前一帧对应块的变化量，计算当前图像块的局部调整强度的局部强度系数确定装置；

用于根据中频系数选取结果，和变换系数的敏感度模型，计算待调整系数加权强度的待调整系数加权强度确定装置；

用于根据全局调整强度系数、局部调整强度系数、所述待调整系数加权强度，最终确定中频系数的调整方法和加权系数的中频系数调整方法和加权系数确定装置。

18.一种用于检测数字视频信号是否含有水印的设备，包括：

用于将水印信息编码调制为双极性二值水印向量的调制装置；

用于从当前的检测起点帧开始，依次连续N次读取视频，每次选取R帧，并对选取的视频帧进行水印检测的视频帧选取装置，其中N为大于1的正整数，R为大于1的正整数；

用于计算第n次选取的R帧中每一帧的亮度分量的中频能量的中频能量计算装置，其中n＝0～N-1；

用于根据所计算的每一帧的中频能量提取检测特征向量的特征向量提取装置；

用于计算特征向量和水印向量的相关性，并根据相关性大小判断是否含有水印的判定装置。

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