数字水印处理方法和装置 【技术领域】
本发明涉及数字水印领域， 具体而言， 涉及一种数字水印处理方法和装置。背景技术 近年来对于水印的研究领域在逐渐扩展， 从对载体为图像的水印研究， 拓展到对 音频、 视频、 文档、 3D 网格、 软件等载体的水印技术的研究， 从水印信息的生成、 嵌入到水印 的检测提出了许多方法， 也有一些初步的理论结果。一般提高水印鲁棒性常用的方法有 ： 冗余嵌入、 扩频编码、 在感知上的重要系数中嵌入、 在已知鲁棒性的系数中嵌入、 检测器失 真补偿、 嵌入器失真补偿等技术。 而对抗时间和几何失真的一般策略则是穷举搜索、 同步模 板、 自相关模板、 不变水印和绝对同步等技术。 但是这些方法并不是解决鲁棒性问题的完整 方案。
目前各种常用的图像、 视频处理技术对于水印嵌入和检测的影响分为以下几种或 其组合 ： 光度失真 ： 改变象素点值。如噪声、 滤波、 对比度 / 亮度调整、 有损压缩等 ； 空间同 步失真 ： 改变象素点位置， 从而引起空间同步关系的改变。如裁剪、 放缩、 平移、 旋转、 透视、 非线性变换、 球形变换、 局部几何变形等各种几何变换 ； 时间同步失真 ： 改变象素点位置， 从而引起的时间同步关系的改变。如帧插入、 帧删除、 帧交换、 帧频转换等。
但目前的情况是， 数字水印没有对所有可能的失真都具有鲁棒性， 因此不能够预 测介于嵌入和检测之间的信号处理， 也不能确保水印安全以防止敌手攻击。
针对相关技术中数字水印鲁棒性差的问题， 目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容 本发明的主要目的在于提供一种数字水印处理方法和装置， 以解决数字水印鲁棒 性差的问题。
为了实现上述目的， 根据本发明的一个方面， 提供了一种数字水印处理方法和装 置。
根据本发明的数字水印处理方法包括 ： 提取原始视频数据中的特征区域 ； 根据特 征区域内每个点的局部方向嵌入版权保护信息， 以及在原始数据除特征区域之外的部分嵌 入数据真伪鉴定信息， 以得到数字水印。
进一步地， 根据特征区域内每个点的局部方向嵌入版权保护信息包括 ： 将特征区 域由椭圆形区域转换成圆形区域 ； 获取圆形区域的梯度方向 ； 将圆形区域的梯度方向映射 至预设方向 ； 将版权保护信息嵌入到映射梯度方向后的圆形区域 ； 以及将嵌入版权保护信 息的圆形区域转换为椭圆形区域。
进一步地， 获取圆形区域的梯度方向包括 ： 计算圆形区域内各点的梯度 ； 比较各 点的梯度的大小 ； 以及确定圆形区域的梯度方向， 其中， 圆形区域的梯度方向为圆形区域内 梯度最大的点的梯度方向。
进一步地， 在将版权保护信息嵌入到旋转梯度方向后的圆形区域之前， 方法还包
括： 通过伪随机序列生成器和安全密钥生成版权保护信息序列 ； 以及将版权保护信息序列 中的所有元素映射到预设数值域内以生成版权保护信息。
进一步地， 将版权保护信息嵌入到映射梯度方向后的圆形区域包括 ： 结合噪声可 视函数将版权保护信息嵌入到旋转梯度方向后的圆形区域。
为了实现上述目的， 根据本发明的另一方面， 提供了一种数字水印处理装置。
根据本发明的数字水印处理装置包括 ： 提取模块， 用于提取原始视频数据中的特 征区域 ； 以及嵌入模块， 用于根据特征区域中每个点的局部方向嵌入版权保护信息， 以及在 原始数据除特征区域之外的部分嵌入数据真伪鉴定信息， 以得到数字水印。
进一步地， 嵌入模块包括 ： 第一转换子模块， 用于将特征区域由椭圆形区域转换成 圆形区域 ； 获取子模块， 用于获取圆形区域的梯度方向 ； 第一映射子模块， 用于将圆形区域 的梯度方向映射至预设方向 ； 嵌入子模块， 用于将版权保护信息嵌入到映射梯度方向后的 圆形区域 ； 以及第二转换子模块， 用于将嵌入版权保护信息的圆形区域转换为椭圆形区域。
进一步地， 获取子模块包括 ： 计算单元， 用于计算圆形区域内各点的梯度 ； 比较单 元， 用于比较各点的梯度的大小 ； 以及确定单元， 用于确定圆形区域的梯度方向， 其中， 圆形 区域的梯度方向为圆形区域内梯度最大的点的梯度方向。 进一步地， 第一嵌入模块还包括 ： 第一生成子模块， 用于通过伪随机序列生成器和 安全密钥生成版权保护信息序列 ； 以及第二生成子模块， 用于将版权保护信息序列中的所 有元素映射到预设数值域内以生成版权保护信息。
进一步地， 嵌入子模块还用于结合噪声可视函数将版权保护信息嵌入到旋转梯度 方向后的圆形区域。
通过本发明， 采用包括以下步骤的数字水印处理方法 ： 提取原始视频数据中的特 征区域 ； 根据特征区域中每个点的局部方向嵌入版权保护信息， 以及在原始数据除特征区 域之外的部分嵌入数据真伪鉴定信息， 以得到数字水印， 解决了数字水印鲁棒性差的问题， 进而达到了提高数字水印鲁棒性的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解， 本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明， 并不构成对本发明的不当限定。在附图中 ：
图 1 是根据本发明第一实施例的数字水印处理方法的流程图 ；
图 2 是根据本发明第一实施例的数字水印数据生成的流程图
图 3 是根据本发明第二实施例的数字水印处理方法的流程图 ；
图 4 是根据本发明实施例的数字水印检测方法的流程图 ；
图 5 是根据本发明第一实施例的数字水印处理装置的框图 ； 以及
图 6 是根据本发明第二实施例的数字水印处理装置的框图。 具体实施方式
需要说明的是， 在不冲突的情况下， 本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图 1 是根据本发明第一实施例的数字水印处理方法的流程图， 如图 1 所示， 该方法包括如下的步骤 S102 至步骤 S106 ：
步骤 S102 ： 提取原始视频数据中的特征区域。
步骤 S104 ： 根据特征区域中每个点的局部方向嵌入版权保护信息。
步骤 S106 ： 在原始数据除特征区域之外的部分嵌入数据真伪鉴定信息。通过上述 三个步骤， 得到数字水印。
其中， 视频数据由原始数据至包含水印的数据变化过程如图 2 所示， 综合特征检 测器对原始数据进行特征区域选择， 然后嵌入版权保护信息和真伪鉴定信息， 得到包含水 印的数据。
在该实施例中， 可通过综合特征检测器提取原始视频数据中的特征区域， 接着根 据特征区域中每个点的局部方向嵌入版权水印信息 ( 即版权保护信息 )， 最后向除特征区 域之外的部分嵌入脆弱水印信息 ( 即数据真伪鉴定信息 )， 能够抵抗旋转、 裁剪等各种几何 篡改， 并能够对数据遭受篡改的区域给出准确的定位， 从而提高了数字水印的鲁棒性。
本发明中综合特征检测器， 用于检测时域和能量两种特征。 在时域特征方面， 本发 明侧重研究分析了视频的时域特征， 实现了以时域特性为基础， 从多个不同的角度， 可以得 到视频特征的不同描述。 在能量特征方面， 本发明基于能量特征进行水印的嵌入和检测， 利 用这一视觉特性， 提升了水印算法的鲁棒性。 本发明采用了综合这二者的方案， 但就时域和 能量角度而言， 本发明等同于基于时域的鲁棒性数字水印， 或基于能量的鲁棒性数字水印。
图 3 是根据本发明第二实施例的数字水印处理方法的流程图， 如图 3 所示， 该方法 包括如下的步骤 S201 至步骤 S206 ：
步骤 S201 ： 提取原始视频数据中的特征区域。
步骤 S202 ： 通过使用特征点所对应的特征矩阵将选择的每一处特征区域由椭圆 形转换成圆形。
步骤 S203 ： 计算圆形区域内每个点的梯度。
步骤 S204 ： 比较比较各点的梯度的大小， 找到区域内最大梯度作为该区域的梯 度。
步骤 S205 ： 确定圆形区域的梯度方向， 其中， 圆形区域的梯度方向为圆形区域内 梯度最大的点的梯度方向。
步骤 S206 ： 将圆形区域的梯度方向映射至预设方向， 也即旋转该区域方向至一个 特定的方向。
步骤 S207 ： 使用伪随机序列生成器并结合一个安全密钥 keys 生成版权保护信息 序列 WC(j)， 并将序列中的所有元素映射到预设数值域内以生成版权保护信息， 优选地， 将 所有元素映射到 {-1， 1} 域内。
步骤 S208 ： 将生成的版权保护信息嵌入到旋转梯度方向的圆形特征区域内， 优选 地， 结合 NVF 噪声可视函数将版权保护信息嵌入到旋转梯度方向后的圆形区域。
步骤 S209 ： 将整个版权水印信息值嵌入到所选区域之后， 对每个特征区域逆变换 到椭圆形区域得到含水印数据。
步骤 S210 ： 在原始数据除特征区域之外的部分嵌入数据真伪鉴定信息。通过上述 十个步骤， 以得到数字水印。
在该实施例中， 综合特征检测器用了基于时域特征的鲁棒性视频水印算法， 从视频的时域特征入手， 充分考虑视频帧在时间轴上的密切相关性和时序性等时域特征。和那 些把视频看成一帧帧独立的图像， 采用研究图像水印方法来研究视频水印的方法不同。
图 4 是根据本发明实施例的数字水印检测方法的流程图， 该过程是水印嵌入的逆 过程， 如图所示， 除了版权信息检测和数据真伪鉴定信息检测两个过程之外， 其他过程与水 印嵌入过程是类似的。特征区域选择好之后， 使用版权信息检测和内容真伪鉴定信息检测 功能来分别进行版权保护信息和脆弱水印信息的检测。 下面对这两个部分的执行过程做详 细介绍。
版权信息检测过程可分以下几步完成 ：
1) 通过使用特征点所对应的特征矩阵将选择的每一处特征区域由椭圆形转换成 圆形。
2) 计算圆形区域内每个点的梯度方向， 找到区域内最大梯度作为该区域的梯度， 旋转该区域方向至一个特定的方向。
3) 计算嵌入水印后数据和该数据经过 Wiener 滤波后数据这两幅数据的差值， 并 从数据中提取隐藏的水印信息。
4) 比较提取的水印数据和原始水印数据之间的位错误率， 若位错误率小于一个事 先给定的阈值， 则表明版权保护信息已被正确地提取出来。 数字版权和内容真伪鉴定检测结果是由提取出来的两类水印信息决定， 即对数据 的篡改会通过提取出的水印信息检测出来。 如果数据本身没被篡改而提取的水印信息存在 错误， 则称此错误类型为虚警。
通过该实施例， 不但对其中的数字水印进行了嵌入和检测， 而且在其中增加了真 伪鉴定信息检测方法， 即对图像的篡改会通过提取出的水印信息检测出来。如果图像本身 没被篡改而提取的水印信息存在错误， 则定性为虚警。
图 5 是根据本发明第一实施例的数字水印处理装置的框图， 如图 5 所示， 该数字水 印处理装置包括 ： 提取模块 20， 第一嵌入模块 40 以及第二嵌入模块 60。
其中， 提取模块 20 用于提取原始视频数据中的特征区域， 第一嵌入模块 40 用于根 据特征区域中每个点的局部方向嵌入版权保护信息， 第二嵌入模块 60 用于在原始数据除 特征区域之外的部分嵌入数据真伪鉴定信息， 通过该实施例提供的数字水印处理装置得到 数字水印。
在该实施例中， 提取模块 20 可通过综合特征检测器提取原始视频数据中的特征 区域， 接着第一嵌入模块 40 根据特征区域中每个点的局部方向嵌入鲁棒水印信息 ( 即版权 保护信息 )， 最后第二嵌入模块 60 向除特征区域之外的部分嵌入脆弱水印信息 ( 即数据真 伪鉴定信息 )， 能够抵抗旋转、 裁剪等各种几何篡改， 并能够对数据遭受篡改的区域给出准 确的定位， 从而提高了数字水印的鲁棒性。
图 6 是根据本发明第二实施例的数字水印处理装置的框图， 如图 6 所示， 该数字水 印处理装置包括 ： 提取模块 20， 第一嵌入模块 40 以及第二嵌入模块 60。其中， 第一嵌入模 块 40 包括 ： 第一转换子模块 41， 获取子模块 43， 第一映射子模块 45， 嵌入子模块 47 以及第 二转换子模块 49。
其中， 第一转换子模块 41 用于将特征区域由椭圆形区域转换成圆形区域， 即通过 使用特征点所对应的特征矩阵将选择的每一处特征区域由椭圆形转换成圆形。
获取子模块 43 用于获取圆形区域的梯度方向， 其中， 优选地， 获取子模块包括 ： 计 算单元， 用于计算圆形区域内各点的梯度 ； 比较单元， 用于比较各点的梯度的大小， 找到区 域内最大梯度作为该区域的梯度 ； 以及确定单元， 用于确定圆形区域的梯度方向， 其中， 圆 形区域的梯度方向为圆形区域内梯度最大的点的梯度方向。
第一映射子模块 45 用于将圆形区域的梯度方向映射至预设方向， 也即旋转该区 域方向至一个特定的方向。
嵌入子模块 47 用于将版权保护信息嵌入到映射梯度方向后的圆形区域， 优选地， 嵌入子模块 47 用于结合 NVF 噪声可视函数将版权保护信息嵌入到旋转梯度方向后的圆形 区域。其中， 第一嵌入模块 40 还包括第一生成子模块和第二生成子模块， 通过两个生成子 模块生成版权保护信息。 第一生成子模块用于通过伪随机序列生成器并结合一个安全密钥 keys 生成版权保护信息序列 WC(j) ； 第二生成子模块用于将版权保护信息序列中的所有元 素映射到预设数值域内以生成版权保护信息， 其中， 预设数值域优选为 {-1， 1} 域。
第二转换子模块 49 用于将嵌入版权保护信息的圆形区域转换为椭圆形区域， 将 整个版权水印信息值嵌入到所选区域之后， 对每个特征区域逆变换到椭圆形区域得到含水 印数据。 在该实施例中， 实现了基于视频时域特征的近似不变量， 全面考虑了针对视频在 不同应用过程中出现的光度失真、 空间同步失真和时间同步失真等 3 大类失真情况， 而不 是仅仅针对某一类失真情况进行研究。实现了针对时间同步失真和空间同步失真， 从视频 的时域特征入手， 充分考虑视频帧在时间轴上的密切相关性和时序性等时域特征， 开发出 基于时域特征的鲁棒性数字水印处理方法， 不同于那些把视频看成一帧一帧独立单位的图 像水印处理方法。
从以上的描述中， 可以看出， 本发明实现了如下技术效果 ： 通过在特征区域中嵌入 版权保护信息， 向除特征区域之外的部分嵌入数据真伪鉴定信息， 从而能够抵抗旋转、 裁剪 等各种几何篡改， 并能够对视频数据遭受篡改的区域给出准确的定位， 从而提高了数字水 印的鲁棒性。
需要说明的是， 在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的 计算机系统中执行， 并且， 虽然在流程图中示出了逻辑顺序， 但是在某些情况下， 可以以不 同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
显然， 本领域的技术人员应该明白， 上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用 的计算装置来实现， 它们可以集中在单个的计算装置上， 或者分布在多个计算装置所组成 的网络上， 可选地， 它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现， 从而， 可以将它们存储 在存储装置中由计算装置来执行， 或者将它们分别制作成各个集成电路模块， 或者将它们 中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样， 本发明不限制于任何特定的 硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对于本领域的技 术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修 改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。