基于DCT变换的数字视频水印嵌入与提取系统

资 源 简 介

该项目提供了一套完整的基于离散余弦变换（DCT）的数字视频水印解决方案，旨在实现视频版权保护和数字媒体溯源。系统首先将输入的原始视频分解为独立的视频序列帧，并对选定的特定视频帧进行分块DCT变换。在嵌入阶段，系统将预处理后的水印信息（如二值图像或文本标识）通过调制算法嵌入到视频帧DCT系数的中频区域，这种方法能够在保证水印不可见性的同时，有效抵抗各种常见的视频处理攻击，如压缩、剪辑、加噪和滤波。

详 情 说 明

基于离散余弦变换（DCT）的数字视频水印嵌入与提取系统

项目介绍

本项目是一套基于离散余弦变换（DCT）的数字视频水印实用方案。其核心目标是解决数字视频流的版权保护与数字媒体溯源问题。系统能够将特定的二值化信息（如图像标识或文本转化后的矩阵）隐蔽地嵌入到视频序列帧的频域分量中，在确保视频画面视觉质量基本无损的前提下，实现水印信息的稳健隐藏与准确提取。

功能特性

1. 自动化仿真环境构建：系统运行伊始会自动清理工作空间，并具备缺失资源自修复功能，即在无外部素材时可自动生成测试用的动态合成视频及二值水印图像。
2. 频域中频系数嵌入：利用DCT变换的频域特性，通过调制中频系数的相对大小来载入水印，有效平衡了视觉不可见性与算法的鲁棒性。
3. 盲提取技术方案：水印的提取过程不需要原始视频的参与，仅凭含水印的视频帧即可完成信息的还原。
4. 逐帧质量与一致性评估：系统会对处理过程中的每一帧进行实时评估，反映图像畸变程度与水印还原的准确度。
5. 直观的可视化界面：通过多子图图形界面，同步展示原始素材、处理后的素材、水印原图及其提取结果，并动态绘制性能趋势曲线。

使用方法

1. 环境配置：准备好安装有图像处理工具箱的MATLAB环境。
2. 脚本运行：启动主程序脚本，系统将按照预设参数（如嵌入强度、处理帧数等）自动开始执行全流程。
3. 过程监控：在命令行窗口中可以实时观测到“正在嵌入”与“正在提取”的进度提示。
4. 结果解读：程序运行结束后，会自动弹出一个综合评估窗口。用户可以通过评估窗口对比原始帧与带水印帧的差异，并查看水印提取效果及其对应的量化指标。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
2. 必备工具箱：Image Processing Toolbox（图像处理工具箱）。
3. 编解码支持：支持标准未压缩AVI视频格式的读取与写入。

详细实现逻辑

主程序脚本严格按照预处理、嵌入、提取、评估四个阶段实现功能： 第一阶段：初始化与数据准备。程序首先清理环境，定义嵌入强度因子（默认为15）和DCT分块大小（8x8）。若系统检测到工作目录下无指定素材，则生成一段20帧的仿真视频和一张32x32像素的二值图像作为水印载体，并将水印图像调整为一维向量格式。 第二阶段：水印嵌入流程。系统逐帧读取视频，提取出当前帧的R通道（红色分量）。对R通道图像进行8x8的互不重叠分块，并对每个块实施二维DCT变换。在该阶段，逻辑算法会挑选DCT系数矩阵中坐标为(4,5)和(5,4)的两个中频位置。如果当前水印位为1，则通过调整使(4,5)处的系数显著大于(5,4)处；若为0，则反向调整。调整后的块经由逆DCT变换还原至空间域，最后写回生成新的视频文件。 第三阶段：水印提取流程。系统读取嵌入水印后的视频文件，同样采取8x8分块及DCT变换。通过简单比较(4,5)位置与(5,4)位置系数的大小关系，逆向判定该块载入的是0还是1，最后将所有判定位重新组合成二维矩阵，还原出水印图像。 第四阶段：系统效能评估。系统对每一帧计算峰值信噪比（PSNR）来衡量视频质量的透明性，并计算原始水印与提取水印之间的归一化相关系数（NC）来衡量算法的鲁棒性。

关键算法与技术细节

1. 差值调制算法：系统中通过引入alpha强度因子来强制拉开两个特定DCT系数的差距。这种方法不仅增强了水印在面对视频压缩时的存活能力，还通过对中频位置的选择，避开了解析度最高的低频区（保证视觉质量）和易受滤波影响的高频区。
2. R分量处理策略：代码中针对色彩空间的红色分量进行操作，这是一种简化且高效的演示方式，能够验证算法在单通道频域中的有效性。
3. PSNR计算逻辑：通过均方误差（MSE）计算原始像素与修改后像素的差异，将其转化为对数分贝值。通常PSNR值越高，代表水印的不可见性越好。
4. 相关系数（NC）函数：系统内置了一个辅助子函数用于计算两个矩阵的相似度。该算法通过减去原始数据的均值并进行归一化互相关运算，得出的数值范围在0到1之间，数值越接近1，表示提取的水印越接近原图。
5. 自适应分块遍历：代码实现了两层嵌套循环，能够根据视频分辨率自动完成对全画面的8x8区域扫描，直到水印向量的所有位均已嵌入完毕。