專利名稱：在運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)中嵌入和檢測(cè)水印的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與在運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)中嵌入水印的一種方法和設(shè)備相關(guān)。本發(fā)明還與檢測(cè)所述水印的方法和設(shè)備相關(guān)。
背景技術(shù)：
在運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)中嵌入水印的現(xiàn)有技術(shù)方法在國(guó)際專利申請(qǐng)WO-A-99/45705中公開。在該現(xiàn)有技術(shù)方法中，一種兩維序列的水印樣本完整地，甚至多次地，嵌入視頻信號(hào)的圖像中。
嵌入水印是版權(quán)保護(hù)策略的一個(gè)重要方面。盡管大多數(shù)版權(quán)保護(hù)方案涉及采用電子方式傳播的內(nèi)容(廣播、存儲(chǔ)媒介)的保護(hù)，但對(duì)于在電影院內(nèi)放映的電影也需要進(jìn)行保護(hù)。在電影院中利用手持式視頻相機(jī)非法拷貝的現(xiàn)象是很普遍的。盡管拷貝的質(zhì)量通常很低，但是這種非法VHS帶子、CD-視盤、DVD的經(jīng)濟(jì)影響是很大的。
將來(lái)，數(shù)字影院格式，1920×1080×24×36(像素/線×線/幀×幀/秒×位/像素)將出現(xiàn)在電影院內(nèi)。引入這種高質(zhì)量的數(shù)字格式后，利用手持式視頻相機(jī)非法拷貝的威脅會(huì)更加嚴(yán)重。因此，電影院的經(jīng)營(yíng)者不得不防止視頻相機(jī)出現(xiàn)在他們的電影院內(nèi)。不遵守這條禁令將可能被罰以將來(lái)獲得內(nèi)容的限制。于是，設(shè)想在放映時(shí)加入水印。該水印用于識(shí)別電影院、出現(xiàn)時(shí)間、操作者等信息。
大多數(shù)水印方案，包括在開頭一段中提到的，都對(duì)檢測(cè)時(shí)間的對(duì)準(zhǔn)誤差很敏感。已經(jīng)發(fā)表的解決方法是要么在對(duì)于某一類特定幾何變換恒定的域中插入水印，要么在檢測(cè)過程中找回對(duì)準(zhǔn)。這些方法的缺點(diǎn)是它們通常只能應(yīng)對(duì)數(shù)量有限的幾何變換。此外，這些方法通常降低了對(duì)于其它攻擊的魯棒性。
數(shù)字電影院水印的要求與任何其它水印方案的要求相似，是(i)魯棒性，(ii)不可見性，(iii)低錯(cuò)誤率。獲得足夠的魯棒性是最具挑戰(zhàn)性的要求。手持相機(jī)不僅通過濾波(從屏幕到相機(jī)的光學(xué)路徑，傳送到帶子等)嚴(yán)重降低了視頻質(zhì)量，而且使視頻產(chǎn)生嚴(yán)重的幾何扭曲(移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)、剪取，透視的改變等)。此外，這些幾何扭曲在不同的幀之間可能改變。
發(fā)明的目的和概述本發(fā)明的目的是提供一種在運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)中嵌入水印的方法，該方法滿足上述提到的要求，特別是關(guān)于對(duì)幾何扭曲的魯棒性方面。
為此，本發(fā)明提供的方法包括這些步驟對(duì)于每一幀，判斷構(gòu)成所述圖像的像素的全局屬性，和按照相應(yīng)的水印樣本修改圖像序列中每個(gè)圖像的全局屬性。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述全局屬性是圖像的平均亮度。
利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了組成水印的水印樣本序列分布在對(duì)應(yīng)的圖像序列中，每個(gè)圖像嵌入一個(gè)水印樣本。這種方法沿著時(shí)間軸嵌入水印，于是具有對(duì)所有幾何扭曲的固有魯棒性。
由于人類的視覺系統(tǒng)對(duì)低空間頻率中的閃爍敏感，水印信號(hào)可能遭受人為因素的影響，特別是在不移動(dòng)的單調(diào)區(qū)域。通過在一定數(shù)目的連續(xù)幀中嵌入相同的水印樣本，當(dāng)水印的閃爍頻率降低時(shí)，人為因素的影響能夠大大降低。此外，建議使用自適應(yīng)方法，其中像素亮度的改變?nèi)Q于局部比例系數(shù)，該比例系數(shù)根據(jù)每個(gè)像素決定。局部比例系數(shù)在移動(dòng)字符區(qū)域應(yīng)該大一些而在非移動(dòng)單調(diào)區(qū)域應(yīng)小一些。
通過在檢測(cè)端判斷全局屬性，全局屬性序列與參考水印樣本序列做相關(guān)運(yùn)算，如果相關(guān)值超過了預(yù)先設(shè)定的門檻值就產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，就檢測(cè)到嵌入的水印。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示出了本發(fā)明的水印嵌入器的示意圖。
圖2示出了本發(fā)明的水印檢測(cè)器的示意圖。
實(shí)施例描述圖1示出了按照本發(fā)明水印嵌入器的原理框圖。嵌入器接收一個(gè)電影，該電影的格式是高清晰電視(HDTV)視頻信號(hào)，在第n幀空間位置x處具有亮度F(x，n)。嵌入器還接收長(zhǎng)度為N的偽隨機(jī)序列W(n)的水印，其中W(n)∈[-1，1]。對(duì)于本申請(qǐng)，N的合適取值為1024。
在水印嵌入器最簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，序列W(n)直接應(yīng)用于嵌入級(jí)1，該級(jí)在每一幀中都嵌入水印樣本。在優(yōu)選實(shí)施例中，嵌入過程是這樣進(jìn)行的如果水印樣本W(wǎng)(n)＝+1，就將第n幀每個(gè)像素的亮度加1；如果水印樣本W(wǎng)(n)＝-1，就將第n幀每個(gè)像素的亮度減1。這樣，幀序列的平均亮度就被水印所調(diào)制。每N幀水印重復(fù)一次。
可以被水印信號(hào)調(diào)制的幀參數(shù)的其它例子有畫面的柱形圖(畫面中量度值的相對(duì)頻率列表)，或從中導(dǎo)出的特征，如高階瞬間(moment)(平均亮度值比冪k)。平均亮度是后者的一個(gè)特例(k＝1)。
由于人的視覺系統(tǒng)(HVS)對(duì)低頻閃爍敏感，該簡(jiǎn)單的實(shí)施例尤其在非運(yùn)動(dòng)的單調(diào)區(qū)域會(huì)受人為因素的影響。通過降低水印的閃爍頻率可以大大減小這些人為因素的影響。這由在連續(xù)幀的預(yù)定數(shù)目T期間重復(fù)每個(gè)水印樣本的重復(fù)級(jí)2來(lái)執(zhí)行。
圖1所示的嵌入器優(yōu)選實(shí)施例還根據(jù)圖像內(nèi)容調(diào)整嵌入深度。為此，嵌入器包括了乘法器3，用于將每個(gè)水印樣本乘以局部比例系數(shù)v(x，n)。局部比例系數(shù)數(shù)值在移動(dòng)的變形(textured)區(qū)域大而在非移動(dòng)的單調(diào)區(qū)域小。為此，局部比例系數(shù)v(x，n)是空間比例系數(shù)λ(x，n)和運(yùn)動(dòng)比例系數(shù)μ(x，n)中最小的。此外，如果結(jié)果超過了最大允許亮度改變Vmax，將被削波。這個(gè)操作由選擇器11來(lái)執(zhí)行。
空間匹配是通過一個(gè)空間匹配級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該級(jí)包括一個(gè)拉普拉斯濾波器4、乘法器5、絕對(duì)值計(jì)算裝置6?？臻g匹配級(jí)接收亮度值F(x，n)，并根據(jù)下式使用拉普拉斯濾波器的輸出絕對(duì)值與全局系數(shù)s的乘積產(chǎn)生局部比例系數(shù)λ(x，n)λ(χ‾,n)=S·|F(χ‾,n)*-1-1-1-18-1-1-1-1|]]>其中全局比例系數(shù)的選取是可視性與魯棒性之間的折中。
運(yùn)動(dòng)比例系數(shù)μ(x，n)由運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器產(chǎn)生，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器包括幀存儲(chǔ)器7、減法器8、絕對(duì)值計(jì)算裝置9。檢測(cè)器通過判斷本幀與前一幀的絕對(duì)差異，為每個(gè)像素計(jì)算運(yùn)動(dòng)比例系數(shù)μ。為了能夠在非移動(dòng)序列中嵌入水印，一個(gè)小的偏移μmin被加法器10加到絕對(duì)幀差異中。
水印幀F(xiàn)w(x，n)通過向原始幀F(xiàn)(x，n)中加入結(jié)果水印W(x，n)而得到。投射到屏幕上的就是該加了水印的信號(hào)Fw(x，n)。
圖2示出了按照本發(fā)明水印檢測(cè)器的原理圖。盡管在檢測(cè)期間原始信號(hào)是存在的，但是檢測(cè)器不利用任何有關(guān)原始信號(hào)的知識(shí)。檢測(cè)器接收嵌入水印的信號(hào)Fw(x，n)的錄制版本Fw(x，n)。該裝置包括亮度抽取裝置21，用于計(jì)算每個(gè)圖像n的平均亮度Y(n)。抽取出來(lái)的N.T個(gè)圖像的亮度值Y(n)被分配給T個(gè)緩沖區(qū)221、222，...，其中如上所述，T是嵌入相同水印的連續(xù)圖像的數(shù)目。每個(gè)緩沖區(qū)存儲(chǔ)N個(gè)平均亮度值。水印長(zhǎng)度N的典型值和每個(gè)水印樣本的幀數(shù)T分別是1024和5。所以，第一個(gè)緩沖區(qū)221包含平均亮度值Y(1)，Y(6)，Y(11)，...，第二個(gè)緩沖區(qū)222包含平均亮度值Y(2)，Y(7)，Y(12)，...，等。這意味著對(duì)于PAL視頻信號(hào)水印檢測(cè)的粒度大約是3分鐘25秒。為了加快檢測(cè)速度，緩沖區(qū)的內(nèi)容可以用FIR濾波器[-12-1]濾波，然后為了均衡緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，將結(jié)果限制在-10和+10之間。所述濾波和均衡步驟未在圖中示出。
通過判斷每個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)容與一個(gè)或可能多個(gè)參考水印的相似性來(lái)檢測(cè)水印。例如，每一個(gè)水印可以標(biāo)識(shí)一個(gè)電影院。一個(gè)著名的檢測(cè)相似性的手段是交叉相關(guān)，但是也可能使用其它手段。每個(gè)緩沖區(qū)的內(nèi)容與參考水印在相應(yīng)的相關(guān)器231、231，...，中做交叉相關(guān)。相關(guān)最好使用只對(duì)稱相位匹配濾波(Symmetrical Phase Only MatchedFiltering)(SPOMF)執(zhí)行。關(guān)于SPOMF的描述，可以參考國(guó)際專利申請(qǐng)WO 99/45/45706。在該文件中，在兩維空間域中執(zhí)行相關(guān)運(yùn)算。NxN的圖像像素塊與NxN的參考水印塊進(jìn)行相關(guān)。SPOMF運(yùn)算的結(jié)果是一個(gè)NxN型相關(guān)數(shù)值，如果嵌入了水印，就會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)或多個(gè)尖峰。
T個(gè)相關(guān)器231、232，...，運(yùn)行在一維時(shí)域。每個(gè)相關(guān)器的輸出是存儲(chǔ)在T個(gè)緩沖區(qū)241、242，...，之一中的一系列N個(gè)相關(guān)值。尖峰檢測(cè)器25在T個(gè)緩沖區(qū)中搜索最大的相關(guān)值，將該峰值應(yīng)用于門檻電路26。如果至少一個(gè)緩沖區(qū)的峰值大于給定的門檻值，就可以確定存在水印。否則，內(nèi)容就被分類為沒有水印。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)合適的門檻數(shù)值是5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，對(duì)應(yīng)于1.43.10-6的錯(cuò)誤告警概率。
可以使用與國(guó)際專利申請(qǐng)WO-A-99/45705類似的方式嵌入移位版本來(lái)將有效載荷(payload)編碼，所述國(guó)際專利申請(qǐng)開頭一段中提到了。還應(yīng)當(dāng)注意強(qiáng)調(diào)，盡管在圖2中示出了T個(gè)并行相關(guān)器，但有可能以時(shí)間順序方式執(zhí)行相應(yīng)的操作。
以上公開了一種視頻水印方案，該方案為將用于電影院內(nèi)的大放映機(jī)屏幕的數(shù)字電影格式設(shè)計(jì)。水印的設(shè)計(jì)使其對(duì)視頻質(zhì)量的影響最小，但是當(dāng)使用手持式照相機(jī)拍攝以及轉(zhuǎn)換為例如VHS、CD視盤或DVD格式后仍能被檢測(cè)出來(lái)。上述水印系統(tǒng)只使用了時(shí)間軸。這使得其不受通常由拍攝所引起的幾何變形的影響。按照水印樣本，通過對(duì)幀的全局屬性(例如，平均亮度)的調(diào)制來(lái)把水印嵌入到視頻信號(hào)中去。嵌入深度最好在每幀與相應(yīng)圖像的局部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間進(jìn)行調(diào)整。通過做水印序列與從幀序列中取出的平均亮度值的相關(guān)來(lái)執(zhí)行水印檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種在運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)中嵌入水印的方法，該方法包括如下步驟用水印樣本序列表現(xiàn)所述水??；對(duì)相應(yīng)圖像序列的每個(gè)圖像，判斷構(gòu)成該圖像的像素的全局屬性；按照相應(yīng)水印樣本，修改所述圖像序列中每個(gè)圖像的全局屬性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包括按照相同的水印樣本，修改預(yù)定數(shù)目的連續(xù)圖像的序列。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述全局屬性是指構(gòu)成一個(gè)圖像的像素的平均亮度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包括在所述圖像中根據(jù)空間活動(dòng)性自適應(yīng)修改圖像中的像素。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述修改步驟包括根據(jù)在連續(xù)圖像之間檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)地修改圖像的像素。
6.一種在運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)中檢測(cè)水印的方法，該方法包括如下步驟提供一個(gè)參考水印作為一個(gè)參考水印樣本序列；對(duì)于相應(yīng)圖像序列中的每個(gè)圖像，判斷構(gòu)成該圖像的像素的全局屬性；使參考水印樣本序列與所述全局屬性的相應(yīng)序列進(jìn)行相關(guān)；如果相關(guān)步驟產(chǎn)生的相關(guān)值超過了預(yù)定的門檻值就產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括如下步驟提供一系列全局屬性的交叉序列，其中進(jìn)行相關(guān)的步驟包括參考水印樣本序列與所述全局屬性的每個(gè)交叉序列進(jìn)行相關(guān)，從而獲得一系列相關(guān)值；且產(chǎn)生輸出信號(hào)的步驟包括如果最大的相關(guān)值超過了預(yù)定的門檻值就產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述全局屬性是指構(gòu)成圖像幀的像素的平均亮度。
9.一種在運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)中嵌入水印的設(shè)備，該設(shè)備包括提供所述水印作為水印樣本序列的裝置；對(duì)相應(yīng)圖像序列的每個(gè)圖像，判斷構(gòu)成該圖像的像素的全局屬性的裝置；按照相應(yīng)水印樣本，修改所述圖像序列中每個(gè)圖像的全局屬性的裝置。
10.一種在運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)中檢測(cè)水印的設(shè)備，該設(shè)備包括提供參考水印作為參考水印樣本序列的裝置；對(duì)于相應(yīng)圖像序列中的每個(gè)圖像，判斷構(gòu)成該圖像的像素的全局屬性的裝置；使參考水印樣本序列與所述全局屬性的相應(yīng)序列進(jìn)行相關(guān)的裝置；如果相關(guān)步驟產(chǎn)生的相關(guān)值超過了預(yù)定的門檻值就產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)的裝置。
11.一個(gè)帶嵌入水印的運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)，水印由水印樣本序列來(lái)表示，其特征在于對(duì)于圖像系列的每個(gè)圖像，構(gòu)成所述圖像的像素的全局屬性已經(jīng)按照對(duì)應(yīng)水印樣本序列中的相應(yīng)水印樣本進(jìn)行了修改。
12.一種存儲(chǔ)媒介，其上記錄如權(quán)利要求11所述的運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)。
全文摘要
公開了一種視頻水印算法，該算法為將用于電影院內(nèi)大放映機(jī)屏幕的數(shù)字電影格式設(shè)計(jì)。水印的設(shè)計(jì)使其對(duì)視頻質(zhì)量的影響最小，但是當(dāng)使用手持式照相機(jī)拍攝并轉(zhuǎn)換為VHS、CD視盤或DVD格式后仍能被檢測(cè)出來(lái)。上述水印系統(tǒng)只使用了時(shí)間軸。這使得其不受通常由拍攝所引起的幾何變形的影響。按照水印樣本，通過對(duì)幀的全局屬性(例如，平均亮度)的調(diào)制來(lái)把水印嵌入到視頻信號(hào)中去。嵌入深度最好在每幀中根據(jù)相應(yīng)圖像的局部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。通過做水印序列與從幀序列中取出的平均亮度值的相關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)水印檢測(cè)。
文檔編號(hào)H04N1/387GK1608376SQ02812397
公開日2005年4月20日 申請(qǐng)日期2002年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月21日
發(fā)明者A·A·C·M·卡爾克, J·A·海特斯馬 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司