CN102158768B - 基于mp4文件封装格式的视频认证水印嵌入和提取方法 - Google Patents

Abstract

一种信息安全技术领域的基于MP4文件封装格式的视频认证水印嵌入和提取方法，通过读取待嵌入MP4视频文件中的样本数据，以块为单位计算每个块中包含的样本数据的数字签名S_i，得到水印序列{S₁，S₂，...，S_n}；再利用水印序列{S₁，S₂，...，S_n}构造用户数据子容器并填充至MP4文件中每个轨道的用户数据容器中；然后在每个已嵌入水印轨道的轨道头部信息容器中添加标识，标记该轨道含有水印；将用户数据容器中标识容器大小的数据、轨道容器和影片容器中标识整个MP4文件大小的数据做相应修改。本发明实现对视频信息隐藏的实时性操作；嵌入位置选择为用户数据容器，信息容量可根据视频大小确定，灵活性高，并且可扩展性极好。

Description

基于MP4文件封装格式的视频认证水印嵌入和提取方法

技术领域

本发明涉及的是一种信息安全技术领域的方法，具体是一种基于MP4文件封装格式的视频认证水印嵌入和提取方法。

背景技术

随着信息技术和计算机网络的飞速发展，人们可以通过互联网方便快捷地获取多媒体信息，由于多媒体信息易于复制的特性，使得盗版问题和版权纷争成为日益严重的社会问题。为实现视频的版权保护，有人提出通过加密完成，将视频文件加密后在网络上发布。这样虽然使得非法攻击者无法从密文获得机密信息，但具有相当的局限性，严重破坏了信息的共享性。因此便出现了信息隐藏的概念，可以将秘密信息隐藏于视频文件中，用以跟踪侵权行为并提供法律保护的证据。数字水印技术正是信息隐藏的具体体现。

数字水印技术是将与多媒体内容相关或不相关的一些标示信息直接嵌入多媒体内容当中，但不影响原内容的使用价值，并不易被人类的知觉系统觉察或注意到。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认多媒体内容的完整性并提供法律保护的证据。数字水印作为信息隐藏技术的重要研究方向，越来越受到人们的重视。

对于视频文件而言，MP4视频文件封装格式近来得到较快发展和较为广泛的应用。所述的MP4文件封装格式，对应的标准为ISO/IEC 14496-14。MP4文件格式作为开放容器，几乎可用来描述所有的媒体结构，目前被广泛用于封装H.264视频和AAC音频，是高清视频的代表。同时，由于受到APPLE公司产品的支持，使得该格式发展前景较好。因此，针对MP4文件封装格式的水印研究具有较为广阔的空间。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101325700，公开日2008-12-17，记载了“视频文件中水印嵌入和提取的方法及系统”，该技术通过对视频进行编解码，修改离散余弦变换系数实现水印嵌入。中国专利文献号CN101707708，公开日2010-05-12，则记载了“一种基于一维小波变换的数字视频水印方法”，该技术对连续两个视频帧做一维小波变换，水印信息则通过调整平均像素值嵌入到低频帧的分块中。

上述现有技术都能在一定限度上实现水印的嵌入和提取，但实现效率和计算复杂度上有所欠缺。而隐藏前后的视频保真性、嵌入和提取的实时性、算法的计算复杂度等都是对信息隐藏技术的需求与挑战。因此，基于MP4文件封装格式进行水印的嵌入和提取，仍有很好的发展前景。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于MP4文件封装格式的视频认证水印嵌入和提取方法，实现对视频信息隐藏的实时性操作；嵌入位置选择为用户数据容器，信息容量可根据视频大小确定，灵活性高，并且可扩展性极好。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于MP4文件封装格式的水印嵌入方法，具体包括以下步骤：

第一步、读取待嵌入MP4视频文件中的样本(sample)数据，以块(chunk)为单位计算每个块中包含的样本数据的数字签名S_i，得到水印序列{S₁，S₂，...，S_n}，其中：n为该视频中的总块数；

所述的MP4视频文件是指：符合ISO/IEC 14496-14标准的视频文件，由若干个封装有数据的容器组成，具体由：有且只有一个影片容器(movie box)，包含MP4文件所有内容；影片容器中包含若干个轨道容器(track box)，每个轨道即一个随时间变化的媒体序列，轨道容器中具有轨道头部信息容器(track header box)、媒体容器(media box)，以及多个可选的子容器，如用户数据容器(user data box)用于存放版权等用户信息以及播放控制信息；以样本数据为基本单位的媒体内容数据则存放在媒体数据容器(media data box)中。

所述的计算每个块中包含的样本数据的数字签名S_i是指：将若干个样本组织为一个块，水印生成过程中以块为单位，以该块包含的几个样本为输入，计算得出数字签名。

第二步、利用水印序列{S₁，S₂，...，S_n}构造用户数据子容器并填充至MP4文件中每个轨道的用户数据容器中；

所述的构造用户数据子容器是指：根据MP4文件封装格式标准，构造出一个包含类型、子容器文件大小和子容器数据三部分的用户数据子容器，其中：子容器数据部分包含块的数目以及每个块对应的数字签名S_i。

所述的填充至MP4文件中每个轨道的用户数据容器是指：在轨道原有的用户数据容器中添加一个自定义的子容器，该自定义的子容器将被播放器自动忽略。用户数据容器由容器大小、类型(“udta”)和一系列子容器构成。

第三步、在每个已嵌入水印轨道的轨道头部信息容器(track header box)中添加标识，标记该轨道含有水印；

所述添加标识是指：将轨道头部信息容器的保留位的前半部分全部置为0xFF，后半部分记录水印序列中数字签名的个数，即文件中的块数目。

第四步、将用户数据容器中标识容器大小的数据、轨道容器和影片容器中标识整个MP4文件大小的数据做相应修改，使得嵌入水印后播放器能够正确识别和读取包含隐藏信息的MP4文件。

本发明涉及一种基于MP4文件封装格式的水印提取方法，具体包含以下步骤：

第一步、读取所述的MP4视频文件并提取MP4视频文件中的每个轨道头部信息容器中包含的保留位以判断该轨道容器中是否包含水印信息，具体步骤包括：判断提取的保留位的前半部分是否全为0xFF，若是，则表明该轨道中被嵌入过水印，并且保留位的后半部分即为文件包含的块数目；若并非全为0xFF，则表明该轨道中没有嵌入过水印，或者视频受到攻击。

第二步、在包含水印数据的轨道容器中提取自定义的用户数据子容器，该子容器的数据部分即为嵌入的数字签名序列；

所述的提取自定义的用户数据子容器是指遍历用户数据容器中的各个子容器，定位至自定义类型的子容器，依据容器大小信息提取该自定义容器的数据部分。其中，数据部分中包含块数目和每个块对应的数字签名S_i。

第三步、读取MP4视频文件的媒体数据容器，以块为单位计算出每个块包含的所有样本数据的数字签名S′_i，得到数字签名序列{S′₁，S′₂，...，S′_m}，将该序列与原水印数据进行比对，判断是否一致。至此，隐藏信息检测结束。

所述的将该序列与原水印数据进行比对是指首先判断序列中数字签名的个数是否相同，而后逐一比对序列中的每个数字签名是否一致，若二者均相同则表明隐藏信息未被修改；否则表明隐藏信息遭到破坏，视频文件未通过验证。

本发明的嵌入方法就是构造含有水印信息的用户信息子容器。按照MP4文件封装格式标准构造符合条件的用户数据子容器，容器的数据部分包含水印信息，并且该子容器嵌入到每个轨道的用户数据容器中，一定程度上达到了水印信息的分散性；由于该方法没有对媒体数据进行任何修改，因此不会到视频画面质量及音频质量带来丝毫影响，保真性极高；由于用户数据子容器对数据大小并无限制，嵌入的水印容量可以根据实际需求确定，具体取决于MP4文件中的快数目，灵活性极高，并能根据不同的视频文件实现自适应；水印信息的生成以每个块中包含的样本数据为输入，使用数字签名算法得到数字签名，实现了与视频信息的关联性，能够对视频的完整性进行认证；因该算法无需进行编解码操作，只需对封装格式进行分析，嵌入和提取的效率极高，并且计算复杂度很低，能够实现对视频信息隐藏的实时性操作。

附图说明

图1是本发明嵌入步骤流程图。

图2是本发明提取步骤流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，其具体步骤为：

第一步、读取待嵌入MP4视频文件的样本数据，使用HMAC数字签名算法，用户输入口令作为密钥，以块为单位计算每个块中包含的样本数据的数字签名S_i，得到水印序列{S₁，S₂，...，S_n}，其中n为该视频中的总块数；

所述的MP4视频文件是指：符合ISO/IEC 14496-14标准的视频文件，由若干个封装有数据的容器组成，具体由：有且只有一个影片容器(movie box)，包含MP4文件所有内容；影片容器中包含若干个轨道容器(track box)，每个轨道即一个随时间变化的媒体序列，轨道容器中具有轨道头部信息容器(track header box)、媒体容器(media box)，以及多个可选的子容器，如用户数据容器(user data box)用于存放版权等用户信息以及播放控制信息；以样本数据为基本单位的媒体内容数据则存放在媒体数据容器(media data box)中。

所述的计算每个块中包含的样本数据的数字签名S_i是因为MP4文件封装格式中，为优化数据获取，将若干个样本组织为一个块。水印生成过程中以块为单位，以该块包含的几个样本数据为输入，计算得出数字签名。数字签名算法选用MD5实现的HMAC，以用户口令作为密钥K，按如下公式计算：

$S_i=\mathrm{Hash}\left((\mathrm{opad}\⊕K)\right|\left|\mathrm{Hash}\left((\mathrm{ipad}\⊕K)\right|\left|\mathrm{message}\right)\right)$

其中，K为用户输入口令的ASCII码序列，序列长度为k个字节；opad中每个字节均为0x5C，重复k次；ipad中每个字节均为0x36，重复k次；message即样本数据输入；S_i为128bit数字签名输出。

第二步、利用水印序列构造用户数据子容器，填充至MP4文件中每个轨道的用户数据容器；

所述的构造用户数据子容器是指根据MP4文件封装格式标准，构造出一个完整的用户数据子容器，包含类型“wtmk”(4字节)、子容器大小(4字节)和子容器数据(依具体视频数据自适应)三部分。具体的，数据部分包含块数目(4字节)以及每个块对应的数字签名S_i(16字节)。

所述的填充至MP4文件中每个轨道的用户数据容器是指在轨道原有的用户数据容器中，添加一个自定义的子容器置于子容器列表的末尾，对于播放器而言将会自动忽略自定义的用户数据，因而不会对视频播放带来任何影响。

第三步、在每个已嵌入水印轨道头部信息容器中具有一定的保留位，修改这些保留位作为文件包含水印的标识；

所述的修改保留位是指选取轨道头部信息容器中长度为8个字节的保留位，将前4个字节全部置为0xFF，后4个字节记录水印序列中数字签名的个数，即文件中的块数目。

第四步、修改用户数据容器中标识容器大小的数据(4个字节)，以及轨道容器和影片容器中标识整个MP4文件大小的数据(4个字节)，使得嵌入水印后播放器能够正确识别和读取包含隐藏信息的MP4文件。

提取隐藏信息流程如图2所示，其具体步骤为：

第一步、读取包含隐藏信息的MP4文件，提取每个轨道头部信息容器中长度为8个字节的保留位，确认该轨道中是否包含水印信息。

所述的确认该轨道中是否包含水印信息是指判断提取的8个字节保留位中，前4个字节是否全为0xFF，若是，则表明该轨道中被嵌入过水印，并且保留位的后4个字节即为文件包含的块数目；若并非全为0xFF，则表明该轨道中没有嵌入过水印，或者视频受到攻击。

第二步、在包含水印数据的轨道容器中提取自定义的用户数据子容器，该子容器的数据部分即为嵌入的数字签名序列；

所述的提取自定义的用户数据子容器是指遍历用户数据容器中的各个子容器，定位至类型为“wtmk”的子容器，依据类型字段后面的4个字节得出该子容器的大小，进而提取后续该自定义容器的数据部分。其中，数据部分前4个字节为块数目，后面依次为每个块对应的数字签名S_i(16字节)。

第三步、读取MP4视频文件的媒体数据容器，以块为单位计算出每个块包含的所有样本数据的数字签名S′_i，得到数字签名序列{S′₁，S′₂，...，S′_m}，将该序列与原水印数据进行比对，判断是否一致。至此，隐藏信息检测结束。

所述的计算出每个块包含的所有样本数据的数字签名S′_i是指与水印生成的过程相同，以块中包含的样本数据为输入，以用户口令为密钥K′，计算得出数字签名。数字签名算法选用MD5实现的HMAC，按如下公式计算：

$S_i^{\′}=\mathrm{Hash}\left((\mathrm{opad}\⊕K\′)\right|\left|\mathrm{Hash}\left((\mathrm{ipad}\⊕K\′)\right||\mathrm{message}\′)\right)$

其中，K′为用户输入口令的ASCII码序列，序列长度为k′个字节；opad中每个字节均为0x5C，重复k′次；ipad中每个字节均为0x36，重复k′次；message′即样本数据输入；S′_i为128bit数字签名输出。

所述的将该序列与原水印数据进行比对是指首先判断序列中数字签名的个数是否相同，即m是否等于n，并与保留位中记录的块数目相同，而后逐一比对序列中的每个数字签名S_i与S′_i是否一致，若二者均相同则表明隐藏信息未被修改；否则表明隐藏信息遭到破坏，视频文件未通过验证。

该实例中采用的基于MP4文件封装格式的视频隐藏信息方法主要是针对特定的MP4封装格式标准。根据标准规定的容器格式对用户数据子容器进行自定义，包括容器类型、容器大小和容器数据三部分。得益于MP4播放器的运作方式，自定义的用户数据子容器能够被自动忽视，保证了嵌入水印后的MP4视频文件仍能被播放器正确解析和播放。

本实例最大的改进在于嵌入隐藏信息位置的特殊性和嵌入过程的实时性。嵌入信息时并未对媒体数据进行任何改动，因此不会影响到视频实际的视频画面质量和音频效果，与现有技术相比具有极高的保真性。同时，算法无需对视频进行编解码，只需对封装格式进行分析，因此嵌入和提取的效率极高，并且计算复杂度很低，能够保证嵌入与提取的实时性操作。

另外，本实例中由于MP4文件封装格式标准对用户数据子容器的数据部分大小没有具体限制，因而水印容量具有高度的灵活性，能够自适应于具体的视频文件。同时，水印信息除包含chunk数目和数字签名序列外，后续还可进一步按需增加内容，扩展性极佳。

在构造水印信息的过程中，本实例选取了MD5实现的HMAC数字签名算法，以每个chunk中包含的样本数据为输入，以用户口令的ASCII码为密钥，得出128bit的数字签名输出。这种构造过程实现了水印信息与视频信息的关联性，能够实现视频完整性认证；同时因仅有视频所有者知道口令，所以用户口令作为密钥的方式也在一定程度上实现了对用户的认证。与现有技术相比，这种水印构造方式安全性、保密性更高。

总的来说。采用本实施例的方法利用MP4文件封装格式进行隐藏信息的嵌入，对于新生成的含有隐藏信息的视频在视频画面和音频质量上均没有任何失真，因此从视觉和听觉效果上无法区分出该视频在嵌入隐藏信息前后的差异性；该实例中的水印信息使用HMAC数字签名算法生成数字签名序列，保证了隐藏信息的机密性，并可以有效地实现视频数据完整性认证；该实例中对水印容量具有极高的灵活性和可扩展性，利用后续对水印信息的改进和扩展；另外，该实例方法计算复杂度低，能够实现隐藏信息嵌入和提取的实时性操作。

Claims (3)

1.一种基于MP4文件封装格式的水印嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、读取待嵌入MP4视频文件中的样本数据，以块为单位计算每个块中包含的样本数据的数字签名S_i，得到水印序列{S₁，S₂，...，S_n}，其中：n为该视频中的总块数；所述的计算每个块中包含的样本数据的数字签名S_i是指：将若干个样本组织为一个块，水印生成过程中以块为单位，以该块包含的几个样本为输入，计算得出数字签名；

第二步、利用水印序列{S₁，S₂，...，S_n}构造用户数据子容器并填充至MP4文件中每个轨道的用户数据容器中；所述的填充至MP4文件中每个轨道的用户数据容器是指：在轨道原有的用户数据容器中添加一个自定义的子容器，该自定义的子容器将被播放器自动忽略；

所述的构造用户数据子容器是指：根据MP4文件封装格式标准，构造出一个包含类型、子容器文件大小和子容器数据三部分的用户数据子容器，其中：子容器数据部分包含块的数目以及每个块对应的数字签名S_i；

第三步、在每个已嵌入水印轨道的轨道头部信息容器中添加标识，标记该轨道含有水印；所述添加标识是指：将轨道头部信息容器的保留位的前半部分全部置为0xFF，后半部分记录水印序列中数字签名的个数，即文件中的块数目；

第四步、将用户数据容器中标识容器大小的数据、轨道容器和影片容器中标识整个MP4文件大小的数据做相应修改，使得嵌入水印后播放器能够正确识别和读取包含隐藏信息的MP4文件。

2.一种基于MP4文件封装格式的水印提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、读取所述的MP4视频文件并提取MP4视频文件中的每个轨道头部信息容器中包含的保留位以判断该轨道容器中是否包含水印信息，具体步骤包括：判断提取的保留位的前半部分是否全为0xFF，若是，则表明该轨道中被嵌入过水印，并且保留位的后半部分即为文件包含的块数目；若并非全为0xFF，则表明该轨道中没有嵌入过水印，或者视频受到攻击；

第二步、在包含水印数据的轨道容器中提取自定义的用户数据子容器，该子容器的数据部分即为嵌入的数字签名序列；

第三步、读取MP4视频文件的媒体数据容器，以块为单位计算出每个块包含的所有样本数据的数字签名S′_i，得到数字签名序列{S′₁，S′₂，...，S′_m}，将该序列与原水印数据进行比对，判断是否一致，实现隐藏信息的检测；

所述的提取自定义的用户数据子容器是指遍历用户数据容器中的各个子容器，定位至自定义类型的子容器，依据容器大小信息提取该自定义容器的数据部分，其中，数据部分中包含块数目和每个块对应的数字签名S_i。

3.根据权利要求2所述的基于MP4文件封装格式的水印提取方法，其特征是，所述的将该序列与原水印数据进行比对是指首先判断序列中数字签名的个数是否相同，而后逐一比对序列中的每个数字签名是否一致，若二者均相同则表明隐藏信息未被修改；否则表明隐藏信息遭到破坏，视频文件未通过验证。