基于三维Gabor变换的视频水印算法

基于三维Gabor变换的视频水印算法

1000-9825/2004/15(08)1252 ©2004 Journal of Software 软 件 学 报 Vol.15, No.8 基于三维Gabor变换的视频水印算法

张立和+, 伍宏涛, 胡昌利

(北京邮电大学 信息安全中心,北京 100876)

A Video Watermarking Algorithm Based on 3D Gabor Transform

ZHANG Li-He+, WU Hong-Tao, HU Chang-Li

(Information Security Center, Beijing University of Posts and Telecommunication, Beijing 100876, China)

+ Corresponding author: E-mail: zhanglihe@http://doc.guandang.net, http://doc.guandang.net

Received 2003-04-01; Accepted 2003-05-27

Zhang LH, Wu HT, Hu CL. A video watermarking algorithm based on 3D Gabor transform. Journal of Software, 2004,15(8):1252~1258.

Abstract: Watermarking technique is a method by hiding copyright information into covering signals to discourage unauthorized copying. Because the profiles of two-dimension Gabor base functions are similar to those of human visual cortical cell receptive field and the middle frequency of visual channels has octave relationship, a video watermarking algorithm is proposed based on spatio-temporal multi-channel model using 3D Gabor transform in this paper. Experimental results indicate that the Gabor domain watermarks have greater robustness and imperceptibility.

Key words: Gabor transform; visual channel; pyramid expansion; digital watermark

摘　　要: 水印技术是把版权信息隐藏于载体信号中达到版权认证的一种版权保护技术.利用Gabor基函数波形类似人视觉皮层简单细胞的感受野波形的特性,结合视觉通道中心频率具有对数频程关系的特点,从视觉系统时-空多通道模型角度出发,提出一种三维塔式Gabor变换视频水印算法.实验表明,该水印算法具有较好的鲁棒性和不可感知性.

关键词: Gabor变换;视觉通道;塔式分解;数字水印

中图法分类号: TP309　　　文献标识码: A

计算机网络和多媒体技术的迅速发展,使得在数字产品版权保护方面具有巨大商业潜力的水印技术日益为学术界和商业界所关注.静态图像和运动图像序列都是用人眼来观察,因而针对图像或图像序列水印的不可感知性也是由人眼来衡量,充分利用人视觉系统的特性是解决视频水印不可感知性的重要手段之一.现在很多 　Supported by the National Natural Science Foundation of China under Grant Nos.60073049, 90204017 (国家自然科学基金); the National Grand Fundamental Research 973 Program of China under Grant No.G1999035804 (国家重点基础研究发展规划(973)); the National High-Tech Research and Development Plan of China under Grant No.2002AA143041 (国家高技术研究发展计划(863))

作者简介: 张立和(1976－),男,山西朔州人,博士,讲师,主要研究领域为信息安全,信息伪装,数字水印;伍宏涛(1973－),男,博士生,工程师,主要研究领域为密码学,信息伪装,数字水印;胡昌利(1977－),男,工程师,主要研究领域为信息安全,信息伪装,数字水印.

基于三维Gabor变换的视频水印算法

已发表的关于视频水印的文章虽然也考虑了视觉特性,但大多数都是把视频看作独立二维图像序列处理,水印嵌入到人眼不敏感的图像帧最低比特位、中高频分量或者是用视觉敏感函数来调制水印的强度等.本文则根据心理物理学的视觉模型把水印信息隐藏在视频中,进一步提高了水印的性能.

人类视觉的多通道和多分辨率特征首先由Campbell和Robson提出[1],并得到了心理物理学实验的证实.基于Gabor滤波器是窄带带通滤波器,有明显的方向选择和频率选择特性,能在空域和频域同时达到最优的联合分辨率,尤其是因为二维Gaobr基函数波形类似于绝大多数哺乳动物的视觉皮层简单细胞的感受野波形[2]的特性,Daugman于1980年首先提出视觉通道的Gabor滤波模型[3].研究表明,动物视觉系统的几种不同机制都可以用不同形式的Gabor变换来表示,比如视觉的空间选择特性用与位置相关的Gabor采样表示,视觉皮层相邻单细胞感知域重叠特性用过采样的Gabor滤波表示[4],视觉系统的频率响应的对数频程特性用塔式Gabor变换来表示等等.总之,Gabor滤波感知模型的提出不仅为研究动物视觉的空间特性提供了一种有效的方式,而且也为图像处理提供了一种重要的手段.正是由于Gabor变换的上述优点,它已经被迅速广泛地应用到图像压缩、纹理分析和图像分割等领域中[5~7].

本文利用心理物理学研究成果:Gaobr基函数波形类似人视觉皮层简单细胞的感受野波形的特性,视觉通道中心频率对数频程特性和视觉方向选择特性,从时空多通道模型角度出发,提出一种基于三维塔式Gabor变换的视频水印算法.该算法模型把视频序列看作三维信号,区别于那些把视频序列当作独立的二维图像序列,然后分别用图像水印算法把水印隐藏在每帧图像的视频水印算法,而且该模型尽可能充分地体现了人类视觉的各种生理特性.实验表明,该水印算法具有较强的鲁棒性和较好的不可感知性.本文第1节讲述三维塔式Gabor变换,并与普通Gabor变换进行比较,阐明其频谱的对数分布关系,用以仿真视觉通道中心频率对数频程特性.第2节讲述视觉系统的时空相互作用.第3节具体讲述视频水印隐藏和提取算法以及Gabor变换系数的修改原则.

第4节给出实验结果.最后给出本文的结论.

1 三维Gabor变换

如果s(k,l,t)表示大小为L1×L2的图像序列,那么该图像序列的Gabor基函数展开式为

其中,

n1kn2ln3t ~~(k m M,l m M,t m M)exp 2ðj =gkltg(,,) m1n1m2n2m3n3112233 N+N+N 23 1

nknlnt =∑∑∑g(k m1 M1 mL1,l m2 M2 nL2,t m3 M3 iL3)exp 2ðj(1+2+3 ,N1N2N3 m= ∞n= ∞i= ∞

g(k,l,t)为三维窗函数.时频采样间隔( Mi, Ni)满足 MiMi= NiNi=Li,i=1,2,3. ∞∞∞M1 1N1 1M2 1N2 1M3 1N3 1m1=0n1=0m2=0n2=0m3=0n3=0s(k,l,t)=∑∑∑∑∑∑cmnmnmn112233~gm1n1m2n2m3n3(k,l,t) (1)

Gabor展开系数:

其中,

n1kn2ln3t ~~(k m M,l m M,t m M)exp 2ðj (,,)γklt=γ++ 112233m1n1m2n2m3n3 NNN 1 23

=1∑∑∑γ(k m1 M1 mL1,l m2 M2 nL2,t m3 M3 iL3)exp 2ðj N∞∞∞cm1n1m2n2m3n3=L1 1L2 1L3 1k=0l=0t=0~*mnmnmns(k,l,t)γ∑∑∑~112233(k,l,t) (2) nk 1+m= ∞n= ∞i= ∞

γ( )为Bastiaans解析法中定义的辅助函数.

如果窗函数g(k,l,t)是时空可分离的,即有g(k,l,t)=g1(k,l)g2(t),则根据Bastiaans解析法,辅助函数也是可[8]n2ln3t ,+N2N3 分离的,

基于三维Gabor变换的视频水印算法

γ(k,l,t)=γ1(k,l)γ2(t),

且gi( )和γi( )(i=1,2)满足双正交关系[9].

为了阐明视觉系统的方向选择性,在时空分离的情况下用极坐标(r,θ)表示式(1)和式(2):

tan 1(lk),k≥0, r=k2+l2, θ= 1tan(lk)+sign(l) ð,k<0

∑cmrnrmθnθmtntg1(r mrDr,θ mθDθ)g2(t mtDt)exp(jrnrWr+jθnθWθ+jtntWt),

*s(k,l,t)=mrnrmθnθmtnt*cmrnrmθnθmtnt=∑∑∑s(rcosθ,rsinθ,t)γ1(r mrDr,θ mθDθ)γ2(t mtDt)exp( jrnrWr jθnθWθ jt …… 此处隐藏：9631字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……