本發(fā)明涉及數(shù)字水印，尤其涉及一種基于編碼可微模擬的抗屏攝水印方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、攝錄技術(shù)的普及以及設(shè)備的便攜化，使得屏幕攝錄成為一種新型的跨媒介攻擊手段，攻擊者可以繞過(guò)視頻版權(quán)保護(hù)的相關(guān)技術(shù)，通過(guò)錄制視頻獲得相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行非法傳播，具有隱蔽性強(qiáng)、操作輕便等特點(diǎn)，給版權(quán)保護(hù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，也嚴(yán)重侵害了視頻所有者的合法權(quán)益，因此，加強(qiáng)對(duì)視頻攝錄攻擊的防御、保護(hù)視頻版權(quán)具有重要意義。

2、數(shù)字水印作為一種前沿的信息隱藏技術(shù)，是一種有效的數(shù)據(jù)安全保護(hù)工具。其起源最早可以追溯到1954年，文獻(xiàn)1（frank?h?e.?identification?of?sound?and?likesignals[j/ol].?united?states?patent?3004104,?1954.）提出，目的是保護(hù)音樂(lè)制品免于被盜錄。數(shù)字水印的核心思想是在數(shù)字媒體中嵌入難以察覺(jué)的、有特定含義的水印消息（水印信息），在不影響數(shù)據(jù)使用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字媒體內(nèi)容和版權(quán)的保護(hù)，防止數(shù)據(jù)的惡意盜版和未經(jīng)授權(quán)的使用。視頻水印是數(shù)字水印的重要分支，核心思想與數(shù)字水印技術(shù)一致，且都包含水印嵌入和水印提取兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。

3、在面對(duì)屏幕攝錄攻擊時(shí)，視頻水印相比于其他視頻版權(quán)保護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其與原始數(shù)據(jù)的緊密結(jié)合。即便攻擊者使用設(shè)備錄制屏幕中放映的視頻內(nèi)容，也難以將水印信息與原始數(shù)據(jù)分離開(kāi)。這意味著，即便在面臨屏幕攝錄這種新型攻擊手段時(shí)，數(shù)據(jù)所有者理論上依然能完成水印的檢測(cè)和提取，從而在發(fā)生版權(quán)爭(zhēng)議時(shí)維護(hù)自身合法權(quán)益，因此視頻水印技術(shù)為屏幕攝錄攻擊場(chǎng)景下的視頻版權(quán)保護(hù)提供了更加全面有效的技術(shù)方案。

4、盡管現(xiàn)有視頻水印方法已經(jīng)在抗屏幕攝錄攻擊上取得了令人矚目的成果，但仍然存在以下局限性：（1）大多數(shù)方法是基于變換域的抗屏幕攝錄水印方案，依賴手工設(shè)計(jì)的特征進(jìn)行水印嵌入，算法設(shè)計(jì)復(fù)雜且實(shí)現(xiàn)難度大，難以同時(shí)對(duì)多種攻擊具有魯棒性。（2）大多數(shù)抗屏幕攝錄攻擊的水印方法沒(méi)有考慮到視頻流轉(zhuǎn)過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)視頻編解碼，未能根據(jù)編解碼原理設(shè)計(jì)魯棒的水印方案。（3）現(xiàn)有部分方案沒(méi)有利用好視頻的時(shí)間特征。

5、首先，基于變換域的抗屏幕攝錄水印方案，例如文獻(xiàn)2（gaj?s,?rana?s,?sur?a,et?al.?a?robust?watermarking?scheme?against?frame?blending,?projection?andcontent?adaptation?attacks[c]//2016?international?conference?on?digital?imagecomputing:?techniques?and?applications?(dicta).?ieee,?2016:?1-8.）中提出的一種對(duì)幀混合和投影攻擊都具有魯棒性的盲水印方案。使用尺度不變特征變換算法（sift）和高階奇異值分解（hosvd），實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)視頻和源視頻之間的時(shí)間同步。同時(shí)，使用sift和對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)嵌入位置的空間同步，魯棒性較好。文獻(xiàn)3（dubey?n,?modi?h.?a?robustdiscrete?wavelet?transform?based?adaptive?watermarking?scheme?in?ycbcr?colorspace?against?camcorder?recording?in?cinema/movie?theatres[j].?engineeredscience,?2021,?15:?116-128.）使用基于離散小波變換（dwt）的視頻水印方法，采用ycbcr（y為亮度分量，cb為藍(lán)色濃度偏移量，cr為紅色濃度偏移量）色彩空間對(duì)圖像的亮度系數(shù)進(jìn)行水印處理，對(duì)幾何攻擊和攝錄攻擊具有高魯棒性。文獻(xiàn)4（evsutin?o?o,?melman?a?s,podbolotov?d?i,?et?al.?an?improved?video?watermarking?algorithm?withextraction?using?a?mobile?device?camera[j].?компьютерная?оптика,?2023,?47(6):?972-979.）則關(guān)注屏幕攝錄攻擊場(chǎng)景下對(duì)泄露視頻中原始視頻的定位問(wèn)題。這些方案都高度依賴手動(dòng)設(shè)計(jì)的特征進(jìn)行水印嵌入，這種依賴人工的方式不僅增加了水印設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度，而且還難以同時(shí)抵抗視頻編解碼失真等多種失真，并且難以利用視頻中豐富的時(shí)空信息，導(dǎo)致水印性能欠佳，不能滿足需求。

6、為了克服手工設(shè)計(jì)特征的局限性，并且利用好視頻的時(shí)間特征，一些工作提出基于深度學(xué)習(xí)的視頻水印方案，但此類方案對(duì)屏幕攝錄攻擊沒(méi)有魯棒性。例如文獻(xiàn)5（luo?x,li?y,?chang?h,?et?al.?dvmark:?a?deep?multiscale?framework?for?videowatermarking[j].ieee?transactions?on?image?processing,?2023.）提出了基于深度學(xué)習(xí)的端到端可訓(xùn)練的魯棒視頻水印解決方案dvmark，將水印消息嵌入到視頻序列中，且消息可以魯棒的恢復(fù)。dvmark充分利用了視頻的空域和時(shí)域相關(guān)性，通過(guò)多尺度嵌入的方法，使水印分布在多個(gè)時(shí)空尺度，保證水印在分辨率改變的情況下依然可以被提取。此外，本方案使用了包含模糊、噪聲、剪裁等空域失真和幀丟棄、幀交換、幀平均等時(shí)域失真的模擬噪聲層，并設(shè)計(jì)小型的3d-cnn網(wǎng)絡(luò)（三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）模擬h.264（高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)）編解碼用于端到端網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，使水印對(duì)多種攻擊具有魯棒性。文獻(xiàn)6（zhang?y,?nij,?su?w,?et?al.?a?novel?deep?video?watermarking?framework?with?enhancedrobustness?to?h.?264/avc?compression[c]//proceedings?of?the?31st?acminternational?conference?on?multimedia.?2023:?8095-8104.）提出了魯棒性增強(qiáng)的視頻水印深度框架revmark，設(shè)計(jì)時(shí)間相關(guān)特征提取塊tasblock提取對(duì)齊幀上的時(shí)間相關(guān)特征，并將tasblock作為編碼器和解碼器的一部分，使該方案充分地利用時(shí)間特性。為確保水印的魯棒性，該方案同樣設(shè)計(jì)了包含常見(jiàn)失真的噪聲層。文獻(xiàn)7（fan?y,?li?j,?yan?l.?p‐5.5:?an?optimized?robust?watermarking?algorithm?for?video?based?on?spatio‐temporal?feature?fusion[c]//sid?symposium?digest?of?technical?papers.?2024,55:?908-913.）提出了基于時(shí)空特征融合的視頻優(yōu)化魯棒水印算法，利用resnet（深度殘差網(wǎng)絡(luò)）殘差連接和eam（高效注意力模塊）改進(jìn)了3d-unet（三維u型網(wǎng)絡(luò)）框架，設(shè)計(jì)了具有3dres-eam?unet（與3d-unet相比，該方案用殘差模塊res-eam代替了3d-unet每層中的第二次卷積處理）結(jié)構(gòu)的編解碼器，提高網(wǎng)絡(luò)提取視頻時(shí)空特征的能力。

7、以上列舉的各類現(xiàn)有方案，雖然可以充分利用時(shí)間特征，并且可以同時(shí)對(duì)多種攻擊包括視頻編碼均具有魯棒性，但未關(guān)注屏幕攝錄攻擊，對(duì)該攻擊沒(méi)有魯棒性，不能滿足需求。

8、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于編碼可微模擬的抗屏攝水印方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)，可以抵抗屏幕攝錄攻擊，同時(shí)對(duì)視頻編解碼以及其他多種攻擊具有魯棒性。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種基于編碼可微模擬的抗屏攝水印方法，包括：

4、構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的抵抗屏幕攝錄攻擊的視頻水印模型，包括：編碼器、失真層、解碼器與鑒別器；

5、訓(xùn)練所述視頻水印模型，包括：輸入視頻序列與待嵌入水印消息至所述編碼器，通過(guò)所述編碼器生成自適應(yīng)的水印殘差，并與相應(yīng)視頻序列結(jié)合，獲得水印視頻；通過(guò)鑒別器對(duì)所述視頻序列以及所述水印視頻分別進(jìn)行鑒別，以及通過(guò)所述失真層對(duì)所述水印視頻進(jìn)行失真處理，輸出失真處理的水印視頻，所述失真層包含若干種可微模擬與若干種類的失真；通過(guò)所述解碼器從失真處理的水印視頻中提取出水印消息；利用提取出的水印消息與所述待嵌入水印消息計(jì)算第一部分損失，利用鑒別器的鑒別結(jié)果計(jì)算第二部分損失，結(jié)合兩部分損失構(gòu)建訓(xùn)練損失，對(duì)所述視頻水印模型進(jìn)行訓(xùn)練；

6、訓(xùn)練完畢后，將待保護(hù)視頻序列輸入至編碼器獲得具備抵抗屏幕攝錄攻擊的水印視頻；以及，通過(guò)解碼器從輸入的視頻序列中提取出水印消息，結(jié)合提取出的水印消息實(shí)現(xiàn)視頻信息溯源。

7、一種基于編碼可微模擬的抗屏攝水印系統(tǒng)，包括：

8、模型構(gòu)建單元，用于構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的抵抗屏幕攝錄攻擊的視頻水印模型，包括：編碼器、失真層、解碼器與鑒別器；

9、模型訓(xùn)練單元，用于訓(xùn)練所述視頻水印模型，包括：輸入視頻序列與待嵌入水印消息至所述編碼器，通過(guò)所述編碼器生成自適應(yīng)的水印殘差，并與相應(yīng)視頻序列結(jié)合，獲得水印視頻；通過(guò)鑒別器對(duì)所述視頻序列以及所述水印視頻分別進(jìn)行鑒別以及通過(guò)所述失真層對(duì)所述水印視頻進(jìn)行失真處理，輸出失真處理的水印視頻，所述失真層包含若干種可微模擬與若干種類的失真；通過(guò)所述解碼器從失真處理的水印視頻中提取出水印消息；利用提取出的水印消息與所述待嵌入水印消息計(jì)算第一部分損失，利用鑒別器的鑒別結(jié)果計(jì)算第二部分損失，結(jié)合兩部分損失構(gòu)建訓(xùn)練損失，對(duì)所述視頻水印模型進(jìn)行訓(xùn)練；

10、抗屏攝水印應(yīng)用單元，用于訓(xùn)練完畢后，將待保護(hù)視頻序列輸入至編碼器獲得具備抵抗屏幕攝錄攻擊的水印視頻；以及，通過(guò)解碼器從輸入的視頻序列中提取出水印消息，結(jié)合提取出的水印消息實(shí)現(xiàn)視頻信息溯源。

11、一種處理設(shè)備，包括：一個(gè)或多個(gè)處理器；存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序；

12、其中，當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)程序被所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述一個(gè)或多個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)前述的方法。

13、一種可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)前述的方法。

14、由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，充分考慮視頻流轉(zhuǎn)過(guò)程中視頻編解碼的必要性，使用深度學(xué)習(xí)方法設(shè)計(jì)了基于編碼可微模擬的抗屏攝水印方案，解決抗屏幕錄制視頻水印中，以往方法依賴手工設(shè)計(jì)的特征，無(wú)法同時(shí)對(duì)視頻編解碼以及其他多種攻擊具有魯棒性，以及無(wú)法充分利用視頻時(shí)間特性的問(wèn)題；整個(gè)方案中，充分利用視頻的時(shí)間特性選擇水印嵌入域，減少壓縮失真對(duì)水印的影響，為了進(jìn)一步提升編碼器的生成質(zhì)量，還引入鑒別器并使用了對(duì)抗性訓(xùn)練機(jī)制，用來(lái)區(qū)分原始視頻和生成的水印視頻。通過(guò)對(duì)抗性訓(xùn)練，編碼器和鑒別器交替優(yōu)化，從而提高視頻質(zhì)量。