專利名稱：一種結(jié)合gop幀結(jié)構(gòu)的視頻水印方法與系統(tǒng)的制作方法
一種結(jié)合GOP幀結(jié)構(gòu)的視頻水印方法與系統(tǒng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視頻數(shù)字水印領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合GOP幀結(jié)構(gòu)的視頻水印添加與提取方法，實(shí)現(xiàn)了在GOP幀結(jié)構(gòu)中嵌入以及提取水印信息，構(gòu)造了一種快速安全的方法來(lái)保證視頻序列的數(shù)據(jù)完整性。二、背景技術(shù)
數(shù)字水印是一種有效的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)技術(shù)。在水印處理系統(tǒng)中，盜版者要么試圖去除水印來(lái)破壞版權(quán)要么復(fù)制被篡改后的產(chǎn)品以獲得虛假的內(nèi)容驗(yàn)證。最近幾年，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通訊正在飛速發(fā)展。在這種環(huán)境下，數(shù)字產(chǎn)品很容易被復(fù)制、處理、 傳播和公開(kāi)。盜版者正是利用數(shù)字產(chǎn)品的這些性能來(lái)破壞制造商和用戶的合法權(quán)力以獲得個(gè)人利益。因而，人們必須考慮多媒體產(chǎn)品在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)分布系統(tǒng)中的安全問(wèn)題。
對(duì)數(shù)字多媒體產(chǎn)品的非法操作或行為，通常包括下列三種情況。
(I)非法訪問(wèn)即未經(jīng)允許從某個(gè)網(wǎng)站中非法復(fù)制或翻印數(shù)字產(chǎn)品。
(2)故障纂改盜版者惡意地修改數(shù)字產(chǎn)品以抽取或插入特征并進(jìn)行重新發(fā)送， 從而使原始產(chǎn)品的版權(quán)信息丟失。
(3)版權(quán)破壞盜版者收到數(shù)字產(chǎn)品后未經(jīng)版權(quán)所有者的允許將其轉(zhuǎn)賣。
近年來(lái)數(shù)字水印技術(shù)取得了很大的發(fā)展，但研究方向主要集中于靜止圖像水印技術(shù)，在視頻水印研究方面，由于包括空間掩蔽效應(yīng)等特性在內(nèi)的更為精確的人眼視覺(jué)模型尚未完全建立，使得視頻水印技術(shù)相對(duì)于圖像水印技術(shù)發(fā)展滯后，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼格式又造成了水印技術(shù)引入上的局限性，一些針對(duì)視頻水印的特殊攻擊形式(如幀重組、幀平均、幀間組合、幀刪除等)的出現(xiàn)，以及視頻水印算法的實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)使得視頻水印研究面臨著新的挑戰(zhàn)。
視頻不同于圖片,編碼后有一定的特殊結(jié)構(gòu),如圖It5GOP(Grc)Up Of Picture)是指視頻編碼格式中的幀序列，一般分為I、P、B三種，如排成IBBPBBPBBPBBPBBP……樣式，GOP 是視頻編碼將來(lái)存取的最基本單位，它的排列順序?qū)?huì)一直重復(fù)到影像結(jié)束。在視頻進(jìn)行編碼后，幀的順序?qū)?huì)發(fā)生變化，如原來(lái)經(jīng)過(guò)編碼后為。一個(gè)GOP就是一組連續(xù)的IPB幀。 視頻編碼將幀分為I、P、B三種，I是幀內(nèi)編碼幀，P是前向預(yù)測(cè)幀，B是雙向內(nèi)插幀。簡(jiǎn)單地講，I幀是一個(gè)完整的畫(huà)面，而P幀和B幀記錄的是相對(duì)于I幀的變化。沒(méi)有I幀,P幀和 B幀就無(wú)法解碼。
現(xiàn)有的一些基于空間域的水印嵌入方式，并沒(méi)有考慮到視頻幀本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 只是單獨(dú)地在某一幀中加入了水印，這樣，對(duì)于一些如幀重組，幀刪除等破壞視頻的行為， 這些方法并不能檢測(cè)出視頻是否遭到破壞，且視頻質(zhì)量會(huì)受到一定的影響。而基于壓縮域的水印嵌入方法，過(guò)多地依賴于特定的視頻壓縮算法，只能適用于一些特定的視頻格式。因此，考慮提出一種數(shù)字水印方法，綜合GOP幀結(jié)構(gòu)特征信息，克服了傳統(tǒng)方法無(wú)法保證連續(xù)幀完整性的弱點(diǎn)。三、發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一款結(jié)合GOP幀結(jié)構(gòu)的視頻水印方法與系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的視頻水印方法做了改進(jìn)，根據(jù)視頻編解碼過(guò)程中的GOP幀結(jié)構(gòu)，對(duì)視頻進(jìn)行有效處理，克服了傳統(tǒng)方法無(wú)法保證連續(xù)視頻幀完整性的弱點(diǎn)，對(duì)視頻質(zhì)量不造成任何影響。數(shù)字水印提取和驗(yàn)證的過(guò)程快速方便，切實(shí)有效保證了視頻完整性；支持各種視頻格式，算法簡(jiǎn)單高效。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
(I)嵌入水印信息
嵌入水印信息指的是對(duì)用戶信息和視頻信息通過(guò)一個(gè)約定的算法得到嵌入的信息，根據(jù)視頻的GOP幀結(jié)構(gòu)信息分配待嵌入的水印信息，確定嵌入水印位置和相應(yīng)信息嵌入處理，并保存對(duì)應(yīng)的視頻完整性信息，如圖2所示。
①對(duì)用戶信息和視頻信息通過(guò)一個(gè)約定的算法得到嵌入的信息，不同的用戶和不同的視頻將得到一個(gè)具有保障的嵌入信息，這樣一方面可以保證每個(gè)視頻嵌入的信息都不相同，另一方面又可以保證嵌入信息的安全性和不可知性。
②將視頻文件解碼得到非壓縮域的圖像幀，按照待編碼的GOP幀結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行分組，每個(gè)GOP為一組對(duì)其 進(jìn)行處理，依據(jù)視頻幀的結(jié)構(gòu)確定每一幀中嵌入信息的數(shù)量；
③根據(jù)嵌入的信息經(jīng)過(guò)約定的算法后，確定具體嵌入位置；
④嵌入水印時(shí)，計(jì)算并保存保存相應(yīng)位置的像素信息與水印信息值之間的差值。
實(shí)際上并沒(méi)有真實(shí)地在視頻中嵌入信息，而是保存相應(yīng)位置的像素亮度與水印信息值之間的差，這樣的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是不會(huì)對(duì)視頻文件的質(zhì)量造成破壞，破壞者也就不能單單地掃描圖像從而就找出嵌入的信息。
(2)提取水印信息
提取水印信息指的是將視頻解碼并分組成視頻幀，對(duì)用戶信息和視頻信息求得嵌入信息，通過(guò)此嵌入信息找出水印的位置，在這些位置上讀出視頻信息，然后將其與服務(wù)器差值信息做比較得到水印信息，如圖3所示。
①對(duì)視頻幀進(jìn)行解碼后，依舊是每個(gè)GOP —組；
②根據(jù)用戶信息和視頻信息得到嵌入信息，然后由這些信息得到嵌入的位置；
③根據(jù)視頻信息得到的位置提取出像素的相應(yīng)信息，再與服務(wù)器上保存的差值進(jìn)行差計(jì)算，得到提取的水印息值；
④將提取出的水印值與正確值進(jìn)行對(duì)比，如果所有組的信息都與正確信息相同， 則表明視頻完整性未被破壞；只要有其中某一組不同，就可以判斷視頻受到了一定的損壞。
此方法的優(yōu)點(diǎn)是在空間域添加，實(shí)現(xiàn)的方法較簡(jiǎn)單，速度也非?？?，對(duì)視頻的質(zhì)量更不造成任何影響；同時(shí)保存的額外的差值信息對(duì)于服務(wù)器來(lái)說(shuō)也是相當(dāng)小的，是可以忽略不計(jì)的。四

圖IGOP幀結(jié)構(gòu)圖
圖2水印嵌入流程圖
圖3水印提取流程圖
圖4嵌入信息生成4
圖5嵌入信息分配
圖6嵌入位置的確定
圖7水印嵌入
圖8水印提取五具體實(shí)施方式
在編碼的過(guò)程中，可以采用H264編碼標(biāo)準(zhǔn)，并使用“IBPBIBPB”這樣的幀結(jié)構(gòu)，即一個(gè) GOP 組為 “ IBPB ”。
(I)嵌入水印
嵌入的水印信息由用戶信息和視頻信息通過(guò)一個(gè)不可逆的算法得到，可以采用用戶賬號(hào)和視頻的上傳時(shí)間求散列摘要的方法，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中使用SHA-I算法，這樣就得到了 160位的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)然也可以使用其他類似的方法，這樣處理后就實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一方面保證了嵌入信息的唯一性，另一方面也避免了直接使用明文造成的安全問(wèn)題，如圖4所/Jn ο
對(duì)要添加水印的視頻文件解碼，以一個(gè)GOP結(jié)構(gòu)為一組，在進(jìn)行視頻水印的添加過(guò)程中以其為基本單位進(jìn)行處理。
對(duì)于160位的摘要信息，可以根據(jù)幀的不同類型有選擇地嵌入不同數(shù)量的信息。 如圖5所示，在I幀中嵌入80位數(shù)據(jù)，在P幀中嵌入48位數(shù)據(jù)，在每個(gè)B幀中嵌入16位數(shù)據(jù)，當(dāng)然各幀中嵌入信息的數(shù)量也可選擇其他分配策略，也可以通過(guò)一定的算法動(dòng)態(tài)地確定在各幀中嵌入信息的多少。
在進(jìn)行水印嵌入時(shí)，需要根據(jù)嵌入信息，確定圖像幀的嵌入位置，比如，可以通過(guò) 160位信息之中在嵌入信息之前的那些信息中O和I的個(gè)數(shù)來(lái)確定具體位置是在哪一行哪一列，也可以通過(guò)其他的方法來(lái)確定，但是要保證每一點(diǎn)得到的位置都是不同的。(如圖6 所示，在I幀中嵌入的80位信息位010001001111101010，也，在嵌入第二個(gè)I時(shí)，通過(guò)在其之前的所有這一幀中的數(shù)據(jù)010001來(lái)確定它的嵌入位置，由O的個(gè)數(shù)4確定其嵌在第4行， 由I的個(gè)數(shù)2確定其嵌在第二行；以此類推，即可確定所有數(shù)據(jù)的嵌入位置)
在嵌入水印時(shí)，并沒(méi)有實(shí)際地去改變嵌入位置像素點(diǎn)的信息，而是將該位置像素的某種信息(比如亮度)與要嵌入的值進(jìn)行求差，將其差值保存在服務(wù)器上。這樣一方面保證了視頻質(zhì)量不受破壞，另一方面也加大了篡改假冒視頻的難度，如圖7所示。
例如嵌入位置像素的亮度為128,嵌入水印信息為I,則保存的信息就為127。
(2)提取水印
提取水印是嵌入的逆過(guò)程，如圖8所示。先是對(duì)要驗(yàn)證的視頻文件進(jìn)行解碼，得到其幀結(jié)構(gòu)信息，如之前使用的IBPBIBPB這樣的幀結(jié)構(gòu)，即一個(gè)GOP為IBPB，并將每個(gè)GOP分為一組，以其為基本單位進(jìn)行處理。
—個(gè)重要的步驟就是要得到嵌入信息的位置。首先也是要得到嵌入的信息，然后通過(guò)這個(gè)信息計(jì)算得到嵌入的位置。計(jì)算嵌入位置的方法與嵌入水印時(shí)使用的方法相同， 這樣才能保證提取出的信息的正確性。如前所述可以通過(guò)160位信息之中在嵌入信息之前的那些信息中O和I的個(gè)數(shù)來(lái)確定具體位置是在哪一行哪一列。
讀取得到相應(yīng)位置像素的信息值，將其與服務(wù)器上保存的差值信息求差得到最終提取出的信息。例如讀取位置的像素亮度值為128，服務(wù)器端保存的差值為127，則提取出的水印信息為1，與嵌入的信息相同。
將提取出的信息與正確的嵌入信息進(jìn)行對(duì)比，如果每一組都相同，則可以說(shuō)視頻的完整性未受到破壞；如果有任一組不同，則就可以說(shuō)視頻完整性受到了破壞。
權(quán)利要求
1.結(jié)合GOP幀結(jié)構(gòu)的視頻水印方法與系統(tǒng)，其特征是由用戶信息和視頻信息共同生成數(shù)字水印，結(jié)合GOP幀結(jié)構(gòu)信息分配數(shù)字水印信息，由水印數(shù)據(jù)確定嵌入位置并作相應(yīng)處理，具體包括嵌入水印信息和提取水印信息兩個(gè)部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的結(jié)合GOP幀結(jié)構(gòu)的視頻水印方法與系統(tǒng)，其特征是所述嵌入水印信息部分，具體步驟為 步驟一、對(duì)用戶信息和視頻信息通過(guò)約定算法生成嵌入的信息； 步驟二、將視頻解碼并分組視頻幀，據(jù)視頻的GOP幀結(jié)構(gòu)信息分配待嵌入的水印信息； 步驟三、依據(jù)嵌入信息經(jīng)過(guò)約定算法確定嵌入水印的位置； 步驟四、讀取相應(yīng)位置像素的信息，與嵌入信息求差，對(duì)應(yīng)將其作為完整性信息保存在服務(wù)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的結(jié)合GOP幀結(jié)構(gòu)的視頻水印方法與系統(tǒng)，其特征是所述提取水印信息部分，具體步驟為 步驟一、將視頻解碼并分組成視頻幀； 步驟二、對(duì)用戶信息和視頻信息求得嵌入信息； 步驟三、通過(guò)此嵌入信息確定水印的位置； 步驟四、在這些位置上讀出像素信息，然后將其與服務(wù)器上保存的完整性信息求出差值得到水印信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的嵌入水印信息部分，其特征是所述的約定算法，其具體實(shí)現(xiàn)為對(duì)用戶賬號(hào)和視頻上傳時(shí)間使用散列算法，得到摘要信息，以此作為嵌入的信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的嵌入水印信息部分，其特征是所述的根據(jù)視頻的GOP幀結(jié)構(gòu)信息分配待嵌入的水印信息，具體指對(duì)要添加水印的視頻文件解碼，以一個(gè)GOP結(jié)構(gòu)為一組，可以根據(jù)幀的不同類型或通過(guò)一定的算法動(dòng)態(tài)地確定在各幀中嵌入信息的多少。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的嵌入水印信息部分，其特征是所述的確定嵌入水印的位置，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)是通過(guò)待嵌水印信息之中在嵌入信息之前的那些信息中O和I的個(gè)數(shù)來(lái)確定具體行列位置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種結(jié)合GOP幀結(jié)構(gòu)的視頻水印方法與系統(tǒng)，由用戶信息和視頻信息共同生成數(shù)字水印，結(jié)合GOP幀結(jié)構(gòu)信息分配數(shù)字水印信息，由水印數(shù)據(jù)確定嵌入位置并作相應(yīng)處理，具體包括嵌入水印信息和提取水印信息兩個(gè)部分。包括對(duì)用戶信息和視頻信息通過(guò)一個(gè)約定的算法得到嵌入的信息，根據(jù)視頻的GOP幀結(jié)構(gòu)信息分配待嵌入的水印信息，確定嵌入水印位置和相應(yīng)信息嵌入處理，并保存對(duì)應(yīng)的視頻完整性信息；對(duì)用戶信息和視頻信息求得嵌入信息，通過(guò)此嵌入信息找出水印的位置，在這些位置上讀出視頻信息，然后將其與服務(wù)器差值信息做比較得到水印信息。應(yīng)用本發(fā)明可以簡(jiǎn)單快速地對(duì)視頻進(jìn)行添加和提取水印，同時(shí)保存的額外的差值信息對(duì)于服務(wù)器來(lái)說(shuō)也相當(dāng)小。本發(fā)明的技術(shù)方案具有良好的發(fā)展前景。
文檔編號(hào)H04N7/26GK102946531SQ20121030249
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者王健, 高暉, 葛浩, 杜紅陽(yáng) 申請(qǐng)人:南京大學(xué)