一种基于DCT变换的视频盲水印添加与提取方法

技术领域

本发明涉及计算机安全技术领域，尤其是涉及一种基于DCT变换的视频盲水印添加与提取方法。

背景技术

视频盲水印技术是将标识信息直接嵌入视频RGB或YUV的频域中，基本不影响原视频的观看质量，也不容易被人觉察或注意，通过这些隐藏在载体中的信息，可确认内容创建者、使用者或者判断视频是否被篡改，该技术通常由专业的版权保护服务商提供，用于广播电视版权保护，商业性较强，盲水印技术是数字水印技术的一种，主要通过在载体中嵌入特定信息达到来源标识的作用，因为其不破坏原始数据的展示效果，因而逐渐被人们采用，目前的盲水印技术，主要是通过将信息码打散，并直接叠加在图像的频域上以达到图像加载水印的目的。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：现有方法在对频域进行操作时，有些是人工设计规则来保证了水印的传输，但是对图像影响较大，而部分方法用深度学习算法在空域加载水印，对原图质量影响较大，上述方法都因为对图像质量的影响而无法应用于对图像质量要求较高的场景。

发明内容

本发明的目的是提供一种安全性高、隐蔽性强、鲁棒性好的视频水印添加与提取方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于DCT变换的视频盲水印添加与提取方法，包括以下步骤：

步骤一：图片水印添加；

步骤二：水印图提取；

步骤三：视频水印添加；

步骤四：视频水印提取。

进一步的，所述步骤一中的图片水印添加，具体包括：

首先对水印图像置乱加密并进行二值化处理，其次将载体图像YUV色彩空间域Y通道数据按水印图大小进行分块，各分块进行DCT变换，变换后选取每块位于(1，2)和(2，1)的两个像素按对应二值化水印像素点做处理，之后进行DCT逆变换，将所有DCT逆变换后的分块合并得到二维数组P′

进一步的，所述步骤一中的图片水印添加，具体包括有：

S1.1：水印图置乱加密，选取宽高一样的黑白水印图

S1.2：载体图像分块，将载体图像YUV色彩空间域的Y通道数据P

P

进一步的，所述步骤一中的图片水印添加，具体还包括有：

S1.3：分块DCT变换，Y通道数据P

S1.4：各分块进行IDCT变换，完成第一次水印嵌入得到二维数组P′

进一步的，所述步骤一中的图片水印添加，具体还包括有：

S1.5：转置二值化水印，两两交换二值化数组W″的元素w″

转置前：

转置后：

S1.6：将第一次嵌入水印的数组P′

S1.7：将P″

进一步的，所述步骤二中的水印图提取，具体包括：

将加密载体图像的Y通道数组按水印图大小分块(载体图长宽不够时补零)，每个分块都对应水印图的一个像素，各分块进行DCT变换后选取位于(1，2)和(2，1)的像素按公式IV做阈值化处理得到一个像素点，组装所有像素点得到水印图W″，之后进行元素转置、二进制数值反置化、Arnold逆变换得到原始水印图。

进一步的，所述步骤二中的水印图提取，具体还包括：

S2.1：载体分块处理，将加水印载体图像YUV色彩空间域的Y通道数据P″

S2.2：对二维数组P″

进一步的，所述步骤二中的水印图提取，具体还包括有：

S2.3：反置换，两两交换二维数组W″的元素w″

转置前：

转置后：

S2.4：反二值化，将二维数组W'的元素按公式进行二进制数值反置化处理，公式如下：

将反置化处理后的数组W'进行k次逆Arnold变换得到原始水印图W。

进一步的，所述步骤三中的视频水印添加，具体包括：

FFmpeg取抽出取载体视频每一帧图像与音频，每间隔m张图片进行一次水印添加，最后将混有水印的载体图与原始音频合成视频，得到添加水印的视频，其中m<视频码率。

进一步的，所述步骤四中的视频水印提取，具体包括：

通过FFmpeg提取载体视频的每帧图像与音频，选取一秒内所有帧图片依次进行水印提取过程，直至提取出原始水印。

综上，本发明的有益技术效果为：

1.本发明利用离散余弦变换(DCT变换)的去相关性、无损性以及对称性，结合猫脸变换(Arnold变换)的周期性与对称性，将水印信息隐式嵌入视频特定帧图像，由于离散余弦变换能够将空域信号转换到频域上，因此具有良好的去相关性。相对于空间域方法，频域手段隐匿性更强，抗攻击性更高；

2.本发明的隐蔽性强，水印添加方法是通过离散余弦变换得到载体图像频谱数据，再将加密置乱后的水印信息隐式嵌入到频谱数据，之后进行离散余弦逆变换恢复数据到空域，重复以上过程两次，生成的图片就带有几乎无法检测、但又可以确切还原出来的盲水印了；

鲁棒性好，通过Arnold变换对原始水印进行加密置乱预处理，在不同分块载体中嵌入不同水印信息，可以有效抵抗统计分析攻击，同时利用Arnold变换的可逆性，在提取水印时只需要将提取出的数据进行逆变换，即可得到原始水印图，降低提取水印算法复杂度；

安全性高，水印的安全性要求未授权者不能发现数字作品中含有水印信息，或者算法安全性仅仅依赖于密钥而不依赖于算法的保密性。因此在不知道几次置乱水印图和二值化阈值p的情况下，未授权者即使知道含有水印信息和知道水印算法，也不能提取出水印信息或者破坏水印信息。

附图说明

图1为本发明视频水印添加流程图；

图2为本发明视频水印提取流程图；

图3为本发明载体图像分块示意图；

图4为本发明载体分块处理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：请参照图1-4，一种基于DCT变换的视频盲水印添加与提取方法，包括步骤一中的图片水印添加：

S1.1：水印图置乱加密，选取宽高一样的黑白水印图

S1.2：载体图像分块，将载体图像YUV色彩空间域的Y通道数据P

P

S1.3：分块DCT变换，Y通道数据P

S1.4：各分块进行IDCT变换，完成第一次水印嵌入得到二维数组P′

S1.5：转置二值化水印，两两交换二值化数组W″的元素w″

转置前：

转置后：

S1.6：将第一次嵌入水印的数组P′

S1.7：将P″

具体地，首先对水印图像置乱加密并进行二值化处理，其次将载体图像YUV色彩空间域Y通道数据按水印图大小进行分块，各分块进行DCT变换，变换后选取每块位于(1，2)和(2，1)的两个像素按对应二值化水印像素点做处理，之后进行DCT逆变换，将所有DCT逆变换后的分块合并得到二维数组P′

实施例2：请参照图1-4，一种基于DCT变换的视频盲水印添加与提取方法，包括步骤二中的水印图提取：

S2.1：载体分块处理，将加水印载体图像YUV色彩空间域的Y通道数据P″

S2.2：对二维数组P″

S2.3：反置换，两两交换二维数组W″的元素w″

转置前：

转置后：

S2.4：反二值化，将二维数组W′的元素按公式进行二进制数值反置化处理，公式如下：

将反置化处理后的数组W′进行k次逆Arnold变换得到原始水印图W。

具体地，将加密载体图像的Y通道数组按水印图大小分块(载体图长宽不够时补零)，每个分块都对应水印图的一个像素，各分块进行DCT变换后选取位于(1，2)和(2，1)的像素按公式IV做阈值化处理得到一个像素点，组装所有像素点得到水印图W″，之后进行元素转置、二进制数值反置化、Arnold逆变换得到原始水印图。

实施例3：请参照图1-4，一种基于DCT变换的视频盲水印添加与提取方法，包括步骤三和步骤四中的视频水印添加和视频水印提取：

FFmpeg取抽出取载体视频每一帧图像与音频，每间隔m张图片进行一次水印添加，最后将混有水印的载体图与原始音频合成视频，得到添加水印的视频，其中m<视频码率，通过FFmpeg提取载体视频的每帧图像与音频，选取一秒内所有帧图片依次进行水印提取过程，直至提取出原始水印。

具体地，将视频水印降级为图片水印，降低算法复杂度，本算法在水印添加阶段利用FFmpeg抽取载体视频图像与音频，选取特定间隔的图像添加水印，最后将混有水印的图像与音频通过FFmpeg合成视频，得到加水印的视频，视频水印提取阶段，通过FFmpeg抽取视频每帧图像，随机选取一秒内的所有图像，依次进行水印提取过程直至抽取出原始水印。

综合上述实施例1-3，本发明通过FFmpeg抽取载体视频图像，选取特定图像YUV空间域Y通道数据，利用分块DCT变换结合Arnold变换隐式嵌入水印，最后将混有水印信息的图像与原始音频通过FFmpeg合成视频，得到嵌入水印的视频，载体图像嵌入水印前，会将水印图进行k次Arnold变换，置乱加密水印防止被篡改，之后进行二值化处理，根据二值化后的水印值分别处理对应载体分块，相当于分散地添加水印到各个分块，减少了对载体图像的影响；

同时，本发明区别于按8*8分块的传统方法，选择按水印图大小对载体图像分块。分块后，各编号载体分别进行离散余弦变换，变换后选取每块位于(1，2)和(2，1)的两个像素点按对应水印二值化像素点做处理，实现隐式水印图的添加，之后进行离散余弦逆变换，完成第一次隐式水印的添加。组合逆变换各分块数据后，重新按水印大小进行分块、离散余弦变换、水印值处理、逆变换操作，完成第二次隐式水印添加。本文进行了两次隐式水印添加，增加了水印被篡改的难度，提高水印算法的安全性；

最后，本发明提到的数字水印技术可以应用在图像标记、版权识别、假冒保护和对图像数据的受控访问等中，在版权识别应用中，数字水印可以提供所有权证据，在用户识别或指纹应用中，合法用户的身份嵌入水印，用于识别非法复制，通过隐藏在内容载体中的水印，可以达到确认内容的创作人、版权所有人、传播者，达到判断视频内容是否被篡改的目的，也不容易被探知和再次修改，并且不破坏视频与图文载体的完整性与可观赏性。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。