專利名稱：一種抗幾何攻擊的視頻水印防偽方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機視覺和圖像理解領(lǐng)域，涉及一種抗幾何攻擊的視頻水印防偽方法。
背景技術(shù)：
近年來，更高級和更易操作的視頻編輯/篡改/攻擊工具正逐漸普及，導(dǎo)致偽造的新聞、惡意篡改的用于司法機構(gòu)的證據(jù)視頻等問題層出不窮；另一方面，以論壇、博客、播客、微博、社交網(wǎng)絡(luò)為代表所構(gòu)成的社會信息網(wǎng)絡(luò)成為信息傳播主要載體，其顯著特點就是信息傳播更加迅速。兩者的結(jié)合，更惡劣地挑戰(zhàn)著視頻內(nèi)容的安全。視頻水印是保護(hù)視頻內(nèi)容安全和真實性的有效技術(shù)手段之一。視頻水印是指將水印嵌入到視頻序列中以防止視頻遭受惡意復(fù)制和修改。對于版權(quán)保護(hù)，視頻水印系統(tǒng)旨在抵抗各種惡意和非惡意攻擊。雖 然視頻水印技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)有一段時間，抗幾何攻擊能力仍然是視頻水印技術(shù)的難點。早期的視頻水印方法通過修改視頻單幀的像素來將水印嵌入到空間域。這類方法對常見的幾何攻擊和圖像處理很敏感。隨后水印開始嵌入到頻率域來增強水印系統(tǒng)對圖像處理的魯棒性。這類方法通常通過修改幀序列的變換系數(shù)來嵌入水印，常見的變換方法有離散余弦變換、離散傅里葉變換、離散小波變換等。但是基于頻域的方法還是對幾何變換攻擊敏感?，F(xiàn)有的抗幾何攻擊的視頻水印嵌入方法大致可以分為三大類1.幾何不變法；2.幾何恢復(fù)法；3.基于特征的水印法。在第一類方法中，水印載體是幾何不變域。為了達(dá)到抗平移、旋轉(zhuǎn)、尺度變換的目的，通用隨機變換域被用來嵌入水印并且能在幾何變換下保持同步I。當(dāng)然，還有許多其它幾何不變域2被提出來了，如對數(shù)-極坐標(biāo)域，普通矩，Zernike矩。盡管這些方法在一定程度上能抵抗旋轉(zhuǎn)和尺度攻擊，但水印易受局部幾何變換損壞。第二類方法通過估計幾何變換的參數(shù)來嵌入水印，這些參數(shù)被用來在水印抽取之前對圖片進(jìn)行逆變換。典型的幾何變換參數(shù)可以使用模板來估計34。但是基于模板方法的主要缺陷是模板很容易受到攻擊和移除，這些致命錯誤使得基于幾何恢復(fù)的方法并不實用。以“基于特征的局部水印”為主要特點的第三類水印技術(shù)首先由Kutter等5678較早提出。這類方法的主要觀點是圖片特征不受幾何攻擊的影響，將水印信息和圖片特征關(guān)聯(lián)起來能保證水印信息的完整性?；谔卣鞯乃∏度爰夹g(shù)利用圖片特征的可重復(fù)檢測來確定水印嵌入和抽取的位置。這類技術(shù)首先從圖片中提取特征點，然后基于特征點構(gòu)建局部特征區(qū)域來嵌入水印。Bas等人9提出基于內(nèi)容的同步水印機制。他們使用Harris檢測器提取出圖片特征點并構(gòu)建Delaunay細(xì)分，然后在每個空間域三角區(qū)內(nèi)使用經(jīng)典加性機制來嵌入水印。該機制在遭受攻擊后檢測特征點并重構(gòu)原始的Delaunay細(xì)分以檢測水印。然而,Harris點對尺度變化很敏感，所以這種方法易受尺度攻擊的影響。有一種叫尺度不變特征變換(SIFT)10的局部不變特征，由于其對旋轉(zhuǎn)、尺度的不變性被廣泛用于基于內(nèi)容的水印技術(shù)11。在12中，SIFT特征被用于生成作為嵌入單元的圓形片。水印嵌入在這些單元的空間域中，這種機制能抵抗更一般的幾何攻擊。Harris-Laplace檢測器也被用于構(gòu)建基于Harris角點的圓形區(qū)域以嵌入水印。但是SIFT檢測器和Harris-Laplace檢測器13易受長寬比變形的影響。上述基于內(nèi)容的水印嵌入機制的一個弱點是嵌入?yún)^(qū)域?qū)Ψ菍ΨQ尺度變換非常敏感。為了解決這個問題，仿射不變點檢測器被進(jìn)一步提出來了。Harris仿射區(qū)域檢測器在14中被Hefei Ling等人用來提取仿射協(xié)變區(qū)域。最大穩(wěn)定極值區(qū)域(MSER)具備旋轉(zhuǎn)、尺度、長寬比例變化、光照變化不變性。在這篇專利中，我們提出了一個健壯的基于MSER局部特征的視頻水印機制。我們選擇MSER是因為第一，在絕大都數(shù)情況下，如視角變化、尺度變化、光照變化等，MSER相比其它特征域更穩(wěn)定；第二，MSER效率極高，提取過程中近乎像素級線性復(fù)雜度。此外，MSER有兩個很好的特性第一，獲得的MSER集合在圖片坐標(biāo)連續(xù)變換下是閉合的；第二，獲得的MSER集合在圖片強度的單調(diào)變換下是閉合的。一個高效(近乎線性復(fù)雜度)且實用的快速檢測算法在Matas15原文中被提出來。 鑒于小波域的多分辨率特性能提供空間域和頻率域特征使其與人類視覺系統(tǒng)(HVS)相容，我們集中于離散小波變換(DWT)來添加水印到小波域HL和LH帶而不是空間域。主要參考文獻(xiàn)lDimitrios Simitopoulos, Dimitrios E.Koutsonanos, Michael GerassimosStrintzis《基于通用隨機變換的圖片水印》圖像處理2003.[2] Picard Justin, Zhao Jian 視頻水印美國，US2009220070A1 [P] 2009-09-03·3Shelby Pereira, Thierry Pun《基于模板匹配的抗仿射變換圖片水印》圖像處理2000.4MacyWilliam ff, Holliman Matthew J 水印解碼同步模板美國，US6707926B1[P]2004-03-16.5M. Kutter, S. K. Bhattachar jee, T. Ebrahimi《面向第二代水印機制》圖像處理國際會議1999.6Chih_Wei Tang,Hsueh-Ming Hang《一種基于特征的數(shù)字圖片水印機制》信號處理2003.7Xiang-yang Wang, Liiin Hou, Jun Wu《一種基于特征的抗幾何攻擊的數(shù)字圖片水印》圖片和視覺計算2008.8N.R. Nantha Priya, S. Lenty Stuwart《基于特征的圖片水印過程》計算機應(yīng)用國際期刊2010.9Patrick Bas, Jean-Marc Chassery, and Benoit Macq《使用特征點的幾何不變水印》圖像處理2002.10
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種在抗仿射幾何攻擊方面表現(xiàn)優(yōu)越的視頻水印防偽方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種抗幾何攻擊的視頻水印防偽方法，包括下列步驟第一步提取視頻巾貞的最大穩(wěn)定極值區(qū)域MSER :(I)使用BINS0RT排序算法對視頻幀中像素點按像素值大小進(jìn)行排列，并給排序后的像素點建立位置索引，排序后的每個像素點視為連通組件；(2)使用聯(lián)合-查找算法對連通組件進(jìn)行合并生長，記錄每個連通組件的面積；(3)挑選MSER。在指定閾值下，從(2)得到的連通組件中挑選出組件面積變化隨閾值變化取得局部最小值的連通組件，得到最大穩(wěn)定極值區(qū)域。(4)對于每個最大穩(wěn)定極值區(qū)域，計算均值u和協(xié)方差Σ，再利用橢圓區(qū)域方程(X-U)T Σ ^1(X-U) = 1，根據(jù)實際區(qū)域形狀擬合成橢圓區(qū)域；第二步對擬合出的橢圓區(qū)域進(jìn)行篩選，消除區(qū)域重疊，選取用于最終的水印嵌入的橢圓區(qū)域(I)過濾面積過大過小的橢圓區(qū)域，保留的橢圓區(qū)域面積滿足T1 < Ri < τ2,其中，IRiI表示第i個橢圓區(qū)域的面積，^和τ2分別表示面積大小的下界和上界。(2)構(gòu)建圖模型，在圖模型中，每個橢圓區(qū)域i對應(yīng)一個頂點Vi ；頂點對Vi、Vj之間由邊Eij連接；邊Eij的權(quán)重Wij等于頂點對Vp Vj之間的距離，(V，E)構(gòu)成無向完全圖G ；(3)在無向完全圖G運用最小生成樹)算法得到最小生成樹T ；(4)根據(jù)橢圓方程判斷T中每對特征區(qū)域是否重疊，如果重疊，則這兩個橢圓區(qū)域劃入相同的聚類，否則，劃入不同的聚類；(5)挑選出每個聚類中面積最大的橢圓區(qū)域，這些橢圓區(qū)域?qū)⒂糜谧罱K的水印嵌A ；第三步通過修改小波變換系數(shù)的水平高頻豎直低頻帶(HL)和水平低頻豎直高頻帶(LH)，對選取出的特征區(qū)域進(jìn)行水印嵌入，方法如下(I)橢圓區(qū)域歸一化首先，對挑選出的橢圓區(qū)域的協(xié)方差的逆Σ ―1進(jìn)行奇異值分解，Σ—1 = QAQ'其中，Q表示實對稱正交酉矩陣，Q-1表示Q的逆，Λ表示對角矩陣。然后，令ζ = Qt(χ-μ )得到ζτΛζ = I,其中，τ表示矩陣的轉(zhuǎn)置，ζ表示橢圓坐標(biāo)χ歸一化后的圓坐標(biāo)，尋找變換方程ζ = QT(x_y ),將橢圓坐標(biāo)χ歸一化到圓坐標(biāo)ζ ；(2)在歸一化后的圓形區(qū)域外側(cè)補零，填充成外接正方形區(qū)域；
(3)利用離散小波變換算法對所得到的外接正方形區(qū)域先進(jìn)行行變換再進(jìn)行列變換，得到小波變換系數(shù)矩陣；(4)自適應(yīng)小波系數(shù)修改，方法如下記小波變換系數(shù)矩陣的水平高頻豎直低頻帶LH(X，y)和水平低頻豎直高頻帶HL (X，y)的差值為D (x，y)，設(shè)魯棒性閾值為α，當(dāng)水印位w(x, y)被嵌入時,系數(shù)差值必須滿足下關(guān)系D(x, y) >= a , if w(x, y) = I, D(x, y)< -a, if w (x, y) = 0 ；(5)對修改后的小波系數(shù)矩陣進(jìn)行反向離散小波變換，得到修改后的方形特征區(qū)域；(6)在方形特征區(qū)域內(nèi)部取內(nèi)接圓并反向歸一化，得到嵌入水印后的橢圓形特征區(qū)域；(7)特征區(qū)域替換記嵌入水印后的特征區(qū)域R2與原始特征區(qū)域R1的差值為Rd，將Rd累加到原始視頻幀上。水印提取步驟可以為(I)對嵌有水印的視頻幀，按照第一步的方法提取嵌有水印的視頻幀的最大穩(wěn)定極值區(qū)域MSER ；(2)按照第二步的方法進(jìn)行橢圓區(qū)域篩選，得到可能包含水印的橢圓區(qū)域；(3)對可能包含水印的橢圓區(qū)域，依次執(zhí)行第三步的(I)、(2)和(3);(4)水印位盲檢測(x, y)為在(x, y)檢測到水印位，則水印位盲檢測的方式如下
權(quán)利要求
1.一種抗幾何攻擊的視頻水印防偽方法，包括下列步驟 第一步提取視頻幀的最大穩(wěn)定極值區(qū)域MSER (1)使用BINSORT排序算法對視頻幀中像素點按像素值大小進(jìn)行排列，并給排序后的像素點建立位置索引，排序后的每個像素點視為連通組件； (2)使用聯(lián)合-查找算法對連通組件進(jìn)行合并生長，記錄每個連通組件的面積； (3)挑選MSER。在指定閾值下，從(2)得到的連通組件中挑選出組件面積變化隨閾值變化取得局部最小值的連通組件，得到最大穩(wěn)定極值區(qū)域。
(4)對于每個最大穩(wěn)定極值區(qū)域，計算均值u和協(xié)方差Σ，再利用橢圓區(qū)域方程(x-u)τ Σ ^1(X-U) = 1，根據(jù)實際區(qū)域形狀擬合成橢圓區(qū)域； 第二步對擬合出的橢圓區(qū)域進(jìn)行篩選，消除區(qū)域重疊，選取用于最終的水印嵌入的橢圓區(qū)域； (1)過濾面積過大過小的橢圓區(qū)域，保留的橢圓區(qū)域面積滿足Ri< τ2，其中，RiI表示第i個橢圓區(qū)域的面積，^和τ2分別表示面積大小的下界和上界。
(2)構(gòu)建圖模型，在圖模型中，每個橢圓區(qū)域i對應(yīng)一個頂點Vi;頂點對ViA之間由邊Eij連接；邊Eij的權(quán)重&等于頂點對\、Vj之間的距離，(V，E)構(gòu)成無向完全圖G ； (3)在無向完全圖G運用最小生成樹算法得到最小生成樹T； (4)根據(jù)橢圓方程判斷T中每對特征區(qū)域是否重疊，如果重疊，則這兩個橢圓區(qū)域劃入相同的聚類，否則，劃入不同的聚類； (5)挑選出每個聚類中面積最大的橢圓區(qū)域，這些橢圓區(qū)域?qū)⒂糜谧罱K的水印嵌入； 第三步通過修改小波變換系數(shù)的水平高頻豎直低頻帶(HL)和水平低頻豎直高頻帶(LH)，對選取出的特征區(qū)域進(jìn)行水印嵌入，方法如下 (1)橢圓區(qū)域歸一化首先，對挑選出的橢圓區(qū)域的協(xié)方差的逆Σ1進(jìn)行奇異值分解，Σ ―1 = Q Λ Q-1，其中，Q表示實對稱正交酉矩陣，Q-1表示Q的逆，A表示對角矩陣。然后，令Z = Qt(X-U)得到ZtAZ = 1，其中，Τ表示矩陣的轉(zhuǎn)置，Z表示橢圓坐標(biāo)X歸一化后的圓坐標(biāo)，尋找變換方程Z = Qt (X- μ )，將橢圓坐標(biāo)X歸一化到圓坐標(biāo)ζ ； (2)在歸一化后的圓形區(qū)域外側(cè)補零，填充成外接正方形區(qū)域； (3)利用離散小波變換算法對所得到的外接正方形區(qū)域先進(jìn)行行變換再進(jìn)行列變換，得到小波變換系數(shù)矩陣； (4)自適應(yīng)小波系數(shù)修改，方法如下記小波變換系數(shù)矩陣的水平高頻豎直低頻帶LH(X，y)和水平低頻豎直高頻帶HL(x，y)的差值為D(x，y)，設(shè)魯棒性閾值為α，當(dāng)水印位w(x,y)被嵌入時,系數(shù)差值必須滿足下關(guān)系D(x,y) >= a , if w(x,y) = l,D(x,y) < -a,if w (x, y) = 0 ； (5)對修改后的小波系數(shù)矩陣進(jìn)行反向離散小波變換，得到修改后的方形特征區(qū)域； (6)在方形特征區(qū)域內(nèi)部取內(nèi)接圓并反向歸一化，得到嵌入水印后的橢圓形特征區(qū)域； (7)特征區(qū)域替換記嵌入水印后的特征區(qū)域R2與原始特征區(qū)域R1的差值為Rd，將Rd累加到原始視頻幀上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的抗幾何攻擊的視頻水印防偽方法，其特征在于，所述的防偽方法還包括下面的水印提取步驟(1)對嵌有水印的視頻幀，按照第一步的方法提取嵌有水印的視頻幀的最大穩(wěn)定極值區(qū)域MSER ； (2)按照第二步的方法進(jìn)行橢圓區(qū)域篩選，得到可能包含水印的橢圓區(qū)域； (3)對可能包含水印的橢圓區(qū)域，依次執(zhí)行第三步的(I)、(2)和(3)；(4)水印位盲檢測記w'(x,y)為在(x，y)檢測到水印位，則水印位盲檢測的方式如下
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的抗幾何攻擊的視頻水印防偽方法，其特征在于，魯棒性置閾值α為O. 09。
全文摘要
本發(fā)明屬于計算機視覺和圖像理解領(lǐng)域，涉及一種抗幾何攻擊的視頻水印防偽方法，包括下列步驟第一步提取視頻幀的最大穩(wěn)定極值區(qū)域MSER第二步對擬合出的橢圓區(qū)域進(jìn)行篩選，消除區(qū)域重疊，選取用于最終的水印嵌入的橢圓區(qū)域；第三步通過修改小波變換系數(shù)的水平高頻豎直低頻帶(HL)和水平低頻豎直高頻帶(LH)，對選取出的特征區(qū)域進(jìn)行水印嵌入。增強了抗仿射幾何攻擊能力。本發(fā)明還給出了上述水印嵌入的逆過程即水印提取的方法。本發(fā)明能有效減少對原始視頻的修改，即使在遭受惡意幾何攻擊情況下也能保持極好的視覺效果。
文檔編號H04N21/8358GK102892048SQ20121034951
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者操曉春, 劉洪濱, 張雪娟, 張津弟, 姚鵬海, 宋濤 申請人:天津大學(xué)