CN100544428C - 具有水印加密的编解码设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有水印加密的编解码设备，由编码装置和解码装置组成，编码装置包括用于产生水印信息的水印发生器和用于根据MPEG标准编码并且嵌入水印的编码器；解码装置包括用于解析MPEG码流完成水印提取并重建解码图像的解码器和用于判断码流是否被篡改的水印检测器。本发明编解码设备不仅能使嵌入水印信息的形式多样化(可以为logo图标形式或加密数据形式)，水印信息量大，算法实现简单，而且不影响图像质量，具有较强的抗攻击能力。

Description

具有水印加密的编解码设备
技术领域
本发明涉及数字视频信号压缩领域、信号通信领域及信息隐藏领域，具体来说是指一种具有高健壮性、低复杂度、强隐蔽性水印加密的编解码设备。
背景技术
随着数字化多媒体技术的发展，数字化产品越来越贴近人们的生活。数字化多媒体产品具有存取方便、传输快捷、信息表达简洁等优点，但是也面临着非法拷贝、盗版以及恶意篡改等问题。保护数字化产品的版权越来越多地引起人们的关注，数字水印是保护版权最有效的方法之一。
目前针对数字视频信号主要有三类水印嵌入方案，如图1所示：
第一类水印嵌入方案是将水印信息直接嵌入到原始视频图像中，形成含水印的原始视频信息，然后进行视频编码(如MPEG-2)。虽然该方案可以充分利用多种用于静止图像的数字水印技术和策略，但经过视频编解码处理后，会造成部分水印信息的丢失，从而影响水印的提取和检测。
第二类水印嵌入方案是将嵌入过程引入到视频编码器中。这一方案一般是通过调制DCT变换或量化之后的系数完成信息嵌入过程，虽然该方案具有很好的抗攻击能力，但嵌入的水印信息会扰动DCT变换或量化之后的系数，降低了图像质量。
第三类水印嵌入方案则把水印信息直接嵌入到视频压缩码流中，其优势在于不需要完全解码和再编码的过程，因此对整体视频信号造成的影响较小。但视频系统对视频压缩码率的约束将限制水印嵌入的信息量，同时水印的嵌入还会造成对视频解码系统中运动补偿环路的不良影响，因此该类算法的设计具有一定的复杂度。
现在的视频编码标准如MPEG-X码流的语法中都存在一段user_data区间，这是一段留给使用者自定义应用规格的区间，该区间里的信息在解码时是不会被使用并出现在解码图像里的。这种码流语法结构为我们添加水印提供了方便。
发明内容
本发明提供了一种具有高健壮性、低复杂度、强隐蔽性水印加密的编解码设备，利用视频码流中的user_data区间嵌入水印，提供版权保护、防止篡改等功能。
一种具有水印加密的编解码设备，由编码装置和解码装置组成，编码装置包括：
用于产生水印信息的水印发生器；
用于根据MPEG标准编码并且嵌入水印的编码器；
解码装置包括：
用于解析MPEG码流完成水印提取并重建解码图像的解码器；
用于判断码流是否被篡改的水印检测器。
上述编解码设备的编解码过程包括以下步骤：
1)水印发生器根据嵌入水印的形式产生水印信息，然后将水印信息发送至编码器；
2)编码器接收一帧原始视频画面，进行编码，然后将水印数据按照预先定义的系统水印协议进行封装，将封装好的水印数据添加到码流的user_data区间，编码完毕，发送带有user_data的码流；
3)解码器接收一帧视频码流，提取user_data区间的数据，并按照系统定义的水印协议进行解析，得到原始嵌入的水印信息，然后解码器根据水印位置信息在解码重建过程中保存相应的重建信息，解码完毕，发送原始嵌入的水印信息和重建信息至水印检测器；
4)水印检测器根据原始嵌入的水印信息和重建信息判断码流是否被篡改，若是，则在解码重建图像上叠加特定标记，表明码流已被篡改。
本发明编解码设备不仅能使嵌入水印信息的形式多样化(可以为logo图标形式或加密数据形式)，水印信息量大，算法实现简单，而且不影响图像质量，具有较强的抗攻击能力。
附图说明
图1为目前针对数字视频信号的水印嵌入方案示意图；
图2为本发明编码装置的结构原理示意图；
图3为本发明解码装置的结构原理示意图。
具体实施方式
如图2、3所示，一种具有水印加密的编解码设备，由编码装置和解码装置组成，编码装置包括用于产生水印信息的水印发生器210和用于根据MPEG标准编码并且嵌入水印的编码器220。
解码装置包括用于解析MPEG码流完成水印提取并重建解码图像的解码器310和用于判断码流是否被篡改的水印检测器320。
本发明编解码装置的编解码过程的具体步骤如下：
1)水印发生器210根据嵌入水印的形式产生水印信息，若嵌入水印为logo图标形式，则水印发生器210产生logo图标的yuv数据；若嵌入水印为加密数据形式(如宏块DC系数)，则水印发生器210产生加密数据源的个数、加密数据源的选取位置等信息。然后水印发生器210将产生的水印信息发送至编码器220；
2)编码器220接收一帧原始视频画面完毕，判断嵌入水印的形式，若嵌入水印为logo图标形式，则编码器在编码完毕后，将logo图标的yuv数据按照系统水印协议封装后添加到编码码流的user_data区间，最后发送码流；若嵌入水印为加密数据形式(如宏块DC系数)，则在编码过程中，编码器按照接收到的加密数据源个数、加密数据源的选取位置等信息调整编码器生成码流的过程，保留水印嵌入所需要的数据。一帧编码完成后，将这些数据进行加密，并通过系统定义好的水印协议进行封装，然后添加到编码码流的user_data区间，最后发送码流；
3)解码器310接收一帧码流数据，提取码流中user_data区间里的内容，然后根据系统定义好的水印协议来判断嵌入水印的形式。若嵌入水印为logo图标形式，则从user_data区间中提取logo图标的yuv数据并保存，解码完毕后，将logo图标叠加在解码重建图像上；若嵌入水印为加密数据形式(如宏块DC系数)，则根据系统定义好的水印协议分别提取水印个数、水印位置等信息，将加密数据解密作为原始嵌入的水印信息，然后解码器310根据水印位置信息在解码重建过程中保存相应的重建信息。解码完毕，发送原始嵌入的水印信息和重建信息至水印检测器；
4)水印检测器320根据原始嵌入的水印信息和重建信息判断码流是否被篡改，若是，则在解码重建图像上叠加特定标记，表明码流已被篡改。
以嵌入水印为加密的宏块DC系数为例，水印检测器320判断码流是否被篡改依据为：
如果码流被篡改，即图像解出后再编码，则有如下几种情况发生：
(1)图像再编码时没有加入user_data内容；
(2)图像再编码时保留原user_data内容；
(3)图像再编码时添加新的user_data内容。
对于情况(1)，直接可以证明码流被篡改；对于情况(2)，因为图像经过解码再编码时，质量会下降，DC系数值也会发生变化，这样实际的DC系数就与user_data里的保存的DC系数值不匹配，所以可以证明码流被篡改；对于情况(3)，由于水印加密的编解码设备采用一套系统预先定义好的水印协议，并对嵌入的水印信息进行了加密，不是正当的版权使用者很难同时掌握以上信息，所以解码器使用新添加的user_data内容后，将出现user_data中数据与水印协议不匹配的情况，这样也证明了码流被篡改。

Claims (1)

1.一种具有水印加密的编解码设备，由编码装置和解码装置组成，其特征在于：
编码装置包括：
用于产生水印信息的水印发生器(210)；
用于根据MPEG标准编码并且嵌入水印的编码器(220)；
解码装置包括：
用于解析MPEG码流完成水印提取并重建解码图像的解码器(310)；
用于判断码流是否被篡改的水印检测器(320)。
所述的编码装置和解码装置的编解码过程包括以下步骤：
1)水印发生器(210)根据嵌入水印的形式产生水印信息，然后将水印信息发送至编码器(220)；
2)编码器(220)接收一帧原始视频画面，进行编码，然后将水印数据按照预先定义的系统水印协议进行封装，将封装好的水印数据添加到码流的user_data区间，编码完毕，发送带有user_data的码流；
3)解码器(310)接收一帧视频码流，提取user_data区间的数据，并按照系统定义的水印协议进行解析，得到原始嵌入的水印信息，然后根据水印位置信息在解码重建过程中保存相应的重建信息，解码完毕，发送原始嵌入的水印信息和重建信息至水印检测器(320)；
4)水印检测器(320)根据原始嵌入的水印信息和重建信息判断码流是否被篡改，若是，则在重建的解码图像上叠加特定标记，表明码流已被篡改。
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