基于小波变换和HVS的视频水印算法研究.pdf

计 算 机 与 网 络技术论坛计 算 机 与 网 络技术论坛基于小波变换和HVS的视频水印算法研究罗成娥1，严威2，苏永红1（1.武汉华夏理工学院 信息工程学院，湖北 武汉430073；2.湖北省生态环境监测中心站，湖北 武汉430079）摘要：为解决视频数据的版权保护问题，提出了一种以二进制图像为视频水印信号，使用混沌序列和ARnold置乱处理加密水印，结合人体视觉系统（Human Vision System，HVS）对图像纹理区域、运动区域的掩蔽特性，通过小波变换将其嵌入到视频自适应频带的一种隐水印视频水印算法。该算法采用Matlab编程仿真，通过实验结果数据分析，证明该算法具有较好的隐秘性、随机检测性、保密性、实时性和鲁棒性。关键词：视频水印；混沌序列；ARnold置乱；离散小波变换；人体视觉系统；隐秘性；鲁棒性中图分类号：TP31文献标志码：A文章编号：1008-1739（2023）17-48-5LUO Chenge1,YAN Wei2,SU Yonghong1(1.College of Information Engineering,Wuhan Huaxia Institute of Technology,Wuhan 430073,China;2.Hubei Provincial Ecological Environment Monitoring Center Station,Wuhan 430079,China)In order to solve the copyright protection problem of the video data,a video watermarking algorithm is proposed,inwhich binary images are regarded as video watermarking signals and chaotic sequences and ARnold scrambling are used to encryptwatermarks.Meanwhile,in this watermark-hiding algorithm,the masking characteristics of the Human Vision System(HVS)on theimage texture area and motion area are also embedded into the video adaptive frequency band through the wavelet transform.Thealgorithm is programmed and simulated in Matlab,and through the analysis of the experimental data,it is proved that this real-timealgorithm has good performance in concealment,random detection,confidentiality and robustness.video watermark;chaotic sequence;ARnold scrambling;discrete wavelet transform;human vision system;concealment;robustness收稿日期：2023-05-11基金项目：武汉华夏理工学院校级科研基金项目（16038）；湖北省教育厅科学技术计划指导性项目（B2017397）0引言数字多媒体的广泛应用，推进了数字产品版权保护的进程。当下，研究水印技术实施对数字图像、数字视频的版权保护，已是信息安全领域的一个热门。视频可以看作是时间域上一系列等时间间隙的静态图像，因此，视频水印技术是图像水印在更多维度的拓展延伸，但与图像水印技术相比，视频水印技术有自身特点：具有更高的安全性、鲁棒性要求，视频信号要经受更多的帧丢失、帧平均、噪声、压缩等攻击，对嵌入水印的安全性要求更高；实时性，视频实时性的特点对视频水印技术具备更高的实时性要求，因此视频水印技术算法不宜太复杂；随机检测性，大量时间域上的视频要求能检测到水印信号，对视频水印的随机检查性要求更高；速率恒定性，嵌入的水印信号不能改变视频原有的传输速率；编码标准的兼容性，嵌入的水印要能兼容视频要求的编码标准。文献1分析了近些年视频水印鲁棒性问题解决方案的发展进程，介绍了多种技术48计 算 机 与 网 络技术论坛计 算 机 与 网 络技术论坛方案，但目前没有一个方案能解决所有问题。文献2分析了视频水印算法鲁棒性优化方案，该方案提出一种基于空域最小可觉差（Just-Noticeable Difference，JND）模型的视觉优化图像水印方法，解决了水印图像的非纹理区域存在明显视觉失真的问题。文献3提出了一种基于小波变换的数字多媒体视频水印盲检测方法。该方案利用小波变换嵌入水印，具有盲检性和一定抗攻击能力。文献4提出了一种基于小波变换的数字多媒体视频水印盲检测方法。文献5提出了一种基于相邻块DCT系数差值的水印方法，通过修改2个相邻块同一位置的DCT系数差值实现水印嵌入。文献6提出了基于DCT和 离散小波变换（DWT）的彩色图像水印方法，对彩色图像R、G、B三个颜色空间分别进行DCT和DWT变换，将Arnold置乱后的灰度水印图像做DCT变换，其DCT系数等分嵌入到宿主图像不同颜色空间的4个DWT子带中，该方法具有一定抗攻击能力。文献7将纠错编码技术应用到视频水印方案中，该方案采用纠错编码技术对水印信号做二次编码，而水印信号嵌入的位置是视频信号的音频通道，方案的水印嵌入位置决定了它对视频信号的版权保护力度不足。文献8基于三维小波变换和HVS的视频水印算法，采用三维小波变换与HVS相结合，水印信号先用混沌加密技术和Arnold置乱技术做处理，视频信号嵌入水印前先做场景分割，然后经过三维离散小波变换，最后将处理后的水印信号按照HVS技术嵌入到对应的视频场景信号中，此方案在水印的不可见性方面表现良好，有一定鲁棒性，但算法有些复杂。文献9-10介绍了采用混合数字视频水印方案，或采用完备字典的改进扩频水印安全性能，或基于深度网络的残余扩散水印方案，或失真无关的深度水印方案等。以上方案各有优势，但也存在各自不足。鉴于此，本文提出一种基于离散小波变换和HVS算法的视频水印算法研究方案。首先对视频信号做格式转换，将视频从RGB格式转换成YUV格式，提取出视频亮度分量信号即分量信号；然后对分量信号的每个视频帧做空间上的二阶二维离散小波变换，结合HVS对图像纹理区域、运动区域的掩蔽特性，再将经过混沌加密和Arnold置乱加密处理后的二值图像水印信号嵌入到每个视频帧信号的中频和低频子带的某个重要系数中；最后，通过Matlab仿真实验结果证明，该算法嵌入的水印信号具有较好的隐秘性、随机检测性、保密性、实时性和鲁棒性。1水印信号加密处理使用具有“华夏理工”文字版权标识的二值图像作为嵌入的水印信号，为了保证水印的隐秘性，将水印信号嵌入视频之前，先使用一维的混沌序列值调整二值水印信号的像素值，然后用Arnold变换对其进行置乱处理。2视频信号处理原始视频信号嵌入水印前做如下处理：将原始视频信号从RGB格式转换成YUV格式，视频信号帧被被转换为YUV帧，得到分量帧；对分量的每个视频帧信号做空间上的二阶二维离散小波变换。二维DWT是一维DWT在水平方向和垂直方向上的一种拓展，本方案使用二维DWT将视频信号帧分解为子图像、3个细节和1个近似值。二维DWT后，视频图像信号被划分在低频子带（LL）、水平子带（HL）、垂直子带（LH），以及对角线子带（HH）几个频带区域中。Y分量的每个视频帧信号经过第一阶二维DWT后的视频信号频段如表1所示。图1一阶二维DWT后视频信号频段分量的每个视频帧信号经过第二阶二维DWT后视频信号频段如表2所示。图2二阶二维DWT后的视频信号频段3水印信号嵌入视频信号算法3.1预处理后水印信号嵌入预处理后视频算法将加密处理后的水印信号嵌入到视频信号分量经过二阶二维DWT分解得到的中频和低频子带信号中。具体嵌入到21、21、23、23、22、22、24、24中频和低频子带位置中。二值图像水印信号嵌入视频信号低频子带计算如下：，（1）式中：为水印信号，为视频信号，为水印嵌入强度，其中(,)表示图像纹理复杂性，(,)表示不同层(=1,2)、不同方向(,)子带的像素值(,)的亮度敏感特性，(,)为子带频率掩蔽特性。人眼对高亮度区域、纹理高密集区域、高频率区域敏感弱，此区域嵌入的水印49计 算 机 与 网 络技术论坛计 算 机 与 网 络技术论坛信号难以感知。图像经过二阶二维DWT后，相同级别子带的图的能量和均值大体相同，故可考虑将(,)、(,)、(,)作为嵌入的强度因子。是针对不同的层自适应选取的，取值越大，鲁棒性和隐秘性越好；反之，取值越小，鲁棒性和隐秘性越差。本方案中，取值为0.1。用表示图像经DWT后在不同层、不同子带小波图像的相应位置(,)的像素值。和分别表示不同层子带的宽和高，层次不同大小不同，不同层、不同子带的能量和纹理掩蔽因子用表示11：，（2）式中：=1,2，,，和分别表示二阶二维DWT后的低高频子带和高低频子带8。（1）对于图像来说，人眼对图像的纹理高密集区域敏感弱，此区域嵌入的水印信号难以感知。图像的纹理复杂性11可表示为：，（3）式中：、是归一化参数，由实验根据不同层、不同子带确定取值。（2）人眼对高亮度区域敏感弱，此区域嵌入的水印信号难以感知。(,)表示不同层(=1,2)、不同方向(,)子带的像素值(,)的亮度敏感特性11用式（4）表示，具体如下：，（4）（3）人眼对高频率区域敏感弱，此区域嵌入的水印信号难以感知。(,)为不同层(=1,2)、不同方向(,)子带对噪声的掩盖因子11，子带的频率掩蔽特性可近似表示为：，（5）LL21,LH21,LL23,LH23,LL22,LH22,LL24,LH2时，(,)取，其他情况取1。=1时，=1.00；=2时，=0.32。3.2视频重建执行二阶二维离散小波逆变换（IDWT）得到了视频的亮度分量即分量信号，将分量与原来的分量和分量合成，得到YUV帧，再将YUV格式的视频信号转换成原来的RGB视频格式，得到嵌入水印后可以播放使用的视频信号。此嵌入水印的算法使嵌入水印具有较好的随机检测性，同时能抵抗帧平均、帧丢失、视频剪切、视频编码等攻击，使潜入的水印具有较好的鲁棒性，算法简洁，也使嵌入水印的实时性高。水印信号嵌入过程详细步骤如下：（1）水印信号预处理：将原始水印图像做二值图像处理，得到原始水印信号的二值图像信号；对二值图像水印信号做混沌加密和ARnold置乱处理，得到加密处理后的水印信号；（2）视频信号预处理：将原始视频信号从RGB格式转换成YUV格式，并提取出分量信号；对分量信号的每个视频帧信号做空间上的二阶二维DWT；（3）水印嵌入：将步骤得到的水印信号按照水印信号嵌入视频信号算法嵌入到步骤得到的视频信号中；将步骤得到的嵌入水印后的视频信号执行二阶二维IDWT，得到视频亮度分量即分量信号；视频重建。将分量信号与原来的分量和分量合成，得到YUV帧，再将YUV格式的视频信号转换成原来的RGB视频格式，得到嵌入水印后可以播放使用的视频信号。4水印信号提取算法水印信号提取是水印信号嵌入的逆操作过程。水印信号提取算法过程如下：将视频从RGB格式转换成YUV格式，并提取出分量。对分量的视频的每个视频帧信号做空间上的二阶二维DWT。采用如下公式提取二值图像水印信号：=(-)/(,)(,)(i,j)。(6)对提取的水印信号做混沌解密和ARnold置乱逆变换处理，得到提取的解析后的水印信号。5水印信号相似性比对算法提取并还原的水印信号是否与原始视频嵌入的指定的水印信号一样，需要将提取出并还原的水印信号与嵌入时的水印信号做相似性算法比对。本文采用峰值信噪比（PSNR）和 归一化互相关（NC）2个影响因子参数来定量分析提取的水印信号与被嵌入的原始水印信号的相似特性。PSNR影响因子参数定义如下：，（7）式中：，(,)是原始的帧图像的像素值，(,)是嵌入水印后的帧图像的像素值，为均方误差，、分别表示图像的宽和高8。NC影响因子参数定义如下：，（8）式中：(,)为原始二值水印信号的像素值，(,)为提取出的水印信号的像素值，为均方误差，、分别表示二值图像水印信号的高和宽。50计 算 机 与 网 络技术论坛计 算 机 与 网 络技术论坛6实验测试与结果实验中选取一个分辨率为256pixel256pixel的视频作为原始视频信号，帧数为331，帧速率为25帧/秒。水印信号选取具有“华夏理工”文字版权标识的64pixel64pixel的二值图像作为嵌入的水印信号。通过Matlab建立仿真模型和编码，实现水印信号加密处理、原始视频信号格式转换、水印信号嵌入视频信号算法、从嵌入水印信号的视频中提取出水印信号算法。整个水印嵌入到提取还原2 min左右，视频水印的实时性有保障。6.1隐秘性测试验证水印信号嵌入视频信号算法的隐秘性要求嵌入水印信号后的视频信号不能直观地看到或感知被嵌入水印信号的存在。本文算法将加密后的二值图像水印信号嵌入到视频信号中，从结果上可以看到，人无法看到或感知被嵌入的水印信号的存在。将水印信号嵌入视频信号前后做对比，图1为原始视频信号，图2为嵌入水印信号后的视频信号。图1原始视频信号图2嵌入水印信号后的视频信号6.2水印信号的安全性测试验证嵌入视频信号中的水印信号要保障不能被截取篡改，未获得授予水印提取权限的用户不能检测和提取出被嵌入的水印信号。本文采用ARnold置乱算法实现水印信号加密处理，图3是原始水印信号，图4是加密后的水印信号。图3原始水印信号图4加密后的水印信号6.3水印信号的相似性测试验证将提取出的水印信号与原始水印信号进行相似性算法比对验证。实验相似性算法PSNR值为5455 dB，比合格参数值30 dB好；NC值仿真数据值为1。图5为原始水印信号，图6为提取出的解密后的水印信号。图5原始水印信号图6提取出的水印信号从实验结果可以看出，提取出的水印信号与原始水印信号完全一致。6.4水印信号的鲁棒性测试验证嵌入水印的视频经过帧平均、帧丢失、视频压缩、视频剪切抗攻击测试，提取出的水印信号如图6所示，从实验结果可以看出，该方案具有一定的抗攻击性能，满足视频水印鲁棒性要求。7结束语针对视频数据的版权保护问题，提出了一种基于小波变换的视频水印算法研究方案，依据实验结果数据，证明该方案具有如下优势：对嵌入的水印信号做混沌加密和ARnold置乱加密处理，使嵌入的水印即使遭受截取也无法证实版权，需要匹配的秘钥才能解析出被加密的水印信号，加强了水印信号的保密性。采用小波变换与人体视觉系统的融合算法嵌入水印。小波变换较好的可逆性能，使水印信号能容易地还原出来，从实验的相似性参数PSNR值和NC值看出，研究方案具有可行性。人体视觉系统算法融合使水印信号能自适应地嵌入相应频带中，水印信号具有良好的隐秘性。将水印信号嵌入到视频信号分量的每个视频帧信号中，此种嵌入方法使每一个帧信号都被嵌入了水印信号，具有较好的鲁棒性，尤其对帧丢失、帧平均、帧剪切、帧编码具有较好的鲁棒性。此外，每帧嵌入水印信号使水印信号被检测到的概率接近100%，水印信号随机检测性能很好地得到了满足。本方案水印信号的嵌入算法和提取算法复杂度不高，较好地保障了视频信号的实时性要求。参考文献1王翌妃,周杨铭,钱振兴,等.鲁棒视频水印研究进展J.中国图象图形学报,2022,27(1):27-42.2秦莉文,赵耀.鲁棒数字水印性能优化方法研究D.北京:北京交通大学,2021.3郑庆祥.基于小波变换的数字多媒体视频水印盲检测方法J.宝山大学学报,2021,40（5）:1-6.51计 算 机 与 网 络技术论坛计 算 机 与 网 络技术论坛广告习近平总书记指出：“历史是最好的教科书。学习党史、国史，是坚持和发展中国特色社会主义、把党和国家各项事业继续推向前进的必修课。”为纪念中国共产党成立 95 周年，我们特组织权威党建专家编写了 光辉的历程：中国共产党党史知识读本 一书。本书具体内容如下：（一）中国共产党的创立及其艰苦卓绝的斗争历程；（二）新中国的成立和对建设社会主义道路的探索；（三）十年“文化大革命”的内乱和两年的徘徊不前；（四）历史的伟大转折与改革开放；（五）中国特色社会主义事业迈向新世纪；（六）进入全面建设小康社会的新阶段；（七）高举中国特色社会主义伟大旗帜继续前进；（八）坚定不移沿着中国特色社会主义道路前进。本书亮点：本书用客观翔实的信息，从党史的角度回顾党的光辉历程和成就；从理论的角度总结建党 95 年来党的理论创新和探索；从党建的角度深入学习习近平总书记关于全面从严治党的重要思想。全方位地展现了中国共产党成立 95年来领导人民革命、建设、改革的伟大历程和光辉岁月。光辉的历程台海出版社定价：39.00元开本：16K订书电话：[phone]KO H J,HUANG C T,HONG G,et al.Robust and Blind ImageWatermarking in DCT Domain Using Inter-block CoefficientCorrelationJ.Information Sciences,2020,517:128-147.5 ABDULRAHMAN A K,OZTURK S.A Novel Hybrid DCTand DWT Based Robust Watermarking Algorithm for ColorImagesJ.Multimedia Tools andApplications,2019,78(12):17027-17049.6 LIU Q L,YANG S G,LIU J,et al.A Discrete WaveletTransform and Singular Value Decomposition-based DigitalVideo Watermark MethodJ.Applied MathematicalModelling,2020,85:273-293.7 HUA G.Over-complete-dictionary-based Improved SpreadSpectrum Watermarking SecurityJ.IEEE Signal ProcessingLetters,2020,27:770-774.8 AHMADI M，NOROUZI A，KARIMI N,et al.ReDMark:Framework for Residual Diffusion Watermarking Based onDeep NetworksJ.Expert Systems with Applications，2020,146:113157.9 LUO X Y,ZHAN R H,Chang H W,et al.Distortion AgnosticDeep WatermarkingC/2020 IEEE/CVF Conference onComputer Vision and Pattem Recognition.Seattle:IEEE,2020:13545-13554.10 MERCAT A,VITANEN M,VANNE J.UVG Dataset:50/120fps 4K Sequences for Video Codec Analysis andDevelopmentC/Proceedings of the 11th ACM MultimediaSystems Conference.New York:ACM,2020:297-302.11 YANG S G,LIU Q L.Research on Image and VideoWatermarking Algorithm Based on Wavelet Transform andHVS C/2017 IEEE 2nd International Conference on Signaland Image Processing(ICSIP).Singapore:IEEE,2017:116-121.52