CN101252683A

CN101252683A - 多功能水印摄像机

Info

Publication number: CN101252683A
Application number: CNA2008100271794A
Authority: CN
Inventors: 陆哲明; 王员根; 郑赟; 陆震扬
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2008-08-27

Abstract

本发明公开一种基于压缩域数字视频水印概念的新型摄像机——多功能水印摄像机。它由视频采集设备(10)、视频压缩及水印嵌入设备(20)和压缩码流存储及网络传输设备(30)组成。(10)由摄像头和视频采集卡组成；(20)由数字视频压缩(21)和数字水印嵌入(22)组成，(22)在(21)执行的同时以内置方式嵌入用于版权保护、内容认证和保密通信的多功能数字水印；(30)由USB串口(31)、移动硬盘(32)、触摸屏(33)和以太网口(34)组成，(33)通过内置的管理软件提供摄像机系统的人性化操作与控制界面。由于本发明执行实时的视频采集、压缩和水印嵌入，极大提高了视频内容的完整性和版权的置信度。

Description

多功能水印摄像机

技术领域

本发明涉及一种基于压缩域数字视频水印概念的新型多功能水印摄像机。涉及的技术领域包括数字视频采集、数字视频压缩编码、数字水印技术、隐写技术和DSP硬件开发及优化技术。本发明是集数字视频处理、信息隐藏技术和DSP硬件技术于一体的数字视频应用终端。它在对所采集的视频进行压缩编码的同时不可感知地嵌入多种不同功能的水印或秘密信息以实现视频内容的版权保护和内容认证，或者进行保密通信。

背景技术

版权保护是多媒体产业面临的重要问题。由于缺乏有效的版权保护措施，视频产品市场的发展受到了严重制约。对我国正在蓬勃发展的数字电视技术来说，版权管理将成为整个产业发展进程中一个不容忽视的重点。保护不是版权管理的目的，而是在于“合理地使用”；不是为了阻止节目的传输，而是为了保证使用者的合法权益。采用基于加密技术的版权保护方法只能在传输阶段提供对多媒体数据的保护，一旦多媒体数据被解密，多媒体数据便可以被随意复制、传播、篡改和公开。此外，由于原始作品处于加密状态，不便于用户浏览，对于作品的宣传又带来了局限性。近年来，一种新技术--数字水印技术得到了迅速发展。数字水印技术将水印信息不可感知地嵌入到多媒体(载体信息)内容中，然后对含水印多媒体信息进行授权的复制、发布或流通。因此数字水印技术可以在多媒体产品制作、发布、传输和流通等各阶段提供对多媒体内容的版权保护。此外，用于版权保护的水印信息是以不可见的形式嵌入到多媒体，嵌入水印的视频信息的视觉质量不会受到水印的影响。因此，数字水印技术是实现视频信息版权的有效手段。

另一方面，当今的视频编辑和处理软件很容易修改视频内容，使得视频内容的真实性和可靠性受到质疑。这时，在采集的视频中可嵌入实现内容认证功能的脆弱水印。例如，在安防及侦案应用领域，一旦非法人员通过某种途经获得原始视频数据并进行篡改，嵌入的脆弱水印可进行内容认证(篡改提示)和完整性校验，检测出视频数据是否经过恶意攻击，从而保证数据的可靠性。

此外，在多媒体产品中嵌入秘密信息也是保密通信的一个重要应用。在一些军事情报和商业机密的通信中，我们可以借助多媒体载体通过公共信道而非专用的加密通信信道进行保密通信。由于信道中传输的是明文，不容易引起第三方的怀疑，从而减少信息被拦截、破解的概率。相对于其他载体(图像、音频、文本)，选择在视频中嵌信息，具有容量大、隐蔽性好的优点。

目前，数字视频水印算法可以大致分为三类：前置式(在原始视频进行压缩编码之前嵌入水印)、内置式(在压缩的过程中同时嵌入水印)和后置式(在压缩好的码流中嵌入水印)。对于前置式来说，由于视频数据所含的数据量较大，一般都是以压缩的格式存储，所以含水印的原始视频在后续压缩的环节中可能会丢失一部分水印信息。而且，由于水印提取只能在非压缩视频中进行，因此在提取水印时需要首先解压缩含水印视频，再提取出水印。“解压-压缩”操作计算复杂度较高，不适合用于对实时性要求较高的场合，如电话会议，数字电视等。对于后置式来说，直接改变码流虽然可以实时操作，但容量很小，兼容性差、不能抵抗格式转换攻击。内置式方案(压缩域视频水印)直接在压缩的过程中嵌入水印，因此能够抵抗压缩过程的影响，同时水印的提取只需在部分解码的条件下进行，容易实现实时操作。一些国际组织已经制定了一系列的视频压缩标准：如MPEG推出的面向广播级质量的视频压缩标准MPEG-2，4系列，ITU推出的面向低比特率视频传输的压缩标准H.263，H.264。随着数字电视、电话会议、可视电话等视频业务的发展，需要出台针对上述压缩标准设计具有不同功能的压缩域视频水印算法。

目前内置式视频水印算法已经很多，但是几乎没有文献提到在压缩视频中嵌入不能功能的水印或秘密信息来实现版权保护、内容认证和保密通信的算法。另外，除了可嵌入水印的照相机(图片)外，未见有在摄像过程(视频)中嵌入水印的设备的公开报道，更不用说嵌入多功能水印。

发明内容

针对以上的不足，本发明提出了一种多功能水印摄像机，它在已有拍摄、录制与监控等视频采集系统的基础上，提出在视频获取的同时嵌入多功能水印，以达到版权保护、内容认证和保密通信的目的。

本发明采用视频压缩技术与数字水印技术相结合，在压缩域嵌入水印信息，获得嵌入水印的高质量压缩码流。其主要实现技术为：

一种多功能水印摄像机，它包括视频采集设备、压缩码流存储及网络传输设备和视频压缩及水印嵌入设备。其中，视频采集设备由摄像头和视频采集卡组成，摄像头根据用户需要采集HDTV、SDTV、D1、CIF及QCIF不等分辨率的模拟视频信号，由视频采集卡编码成4:4:4、4:2:2或4:2:0三种格式的YUV数字视频序列。视频压缩及水印嵌入设备由数字视频压缩模块和数字水印嵌入模块组成，数字水印嵌入模块在数字视频压缩模块执行的同时以内置方式嵌入多功能数字水印信息。压缩码流存储及网络传输设备由USB串口模块、移动硬盘、触摸屏模块和以太网接口组成，视频压缩及水印嵌入设备通过USB串口模块与移动硬盘和触摸屏模块进行通讯，具体来说，USB串口模块提供2个USB2.0接口，一个执行移动硬盘与视频压缩及水印嵌入设备间的数据通信；另一个执行触摸屏模块与视频压缩及水印嵌入设备间的数据通信。此外，视频码流还可通过以太网口传输到远程终端或服务器。

核心技术：所述数字视频压缩模块采用H.264或MPEG4压缩标准。所述数字水印嵌入模块的版权保护水印算法为压缩域鲁棒视频水印算法。所述数字水印嵌入模块的内容认证水印算法为压缩域脆弱视频水印算法。针对军事和医学特殊场合，所述数字水印嵌入模块的水印算法还可以为压缩域可逆视频水印算法，在提取水印的同时恢复原始的压缩视频。在隐秘通信场合，所述数字水印嵌入模块的水印算法还可以为压缩域视频保密通信算法，秘密信息通过触摸屏模块现场即时输入，经USB2.0接口实时隐藏于压缩视频数据中。

本发明的有益效果为：

1、在已有拍摄、录制与监控等视频采集系统的基础上，提出在视频获取的同时嵌入多功能水印，达到版权保护、内容认证和保密通信的目的。

2、运用内置式压缩域视频水印技术，在视频压缩的同时嵌入水印信息，因此不受压缩过程的影响，同时水印的提取可以直接在部分解码条件下进行，具有更好的实时性和兼容性。

3、在视频获取的最源端——视频拍摄现场对采集的视频序列进行实时压缩和水印嵌入，极大提高了视频内容完整性和版权的置信度，且生成的视频流能适应不同的应用环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施方式结构示意图；

图3为本发明的系统框图；

图4为本发明的执行流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述。

如图1所示，一种多功能水印摄像机，它由视频采集设备(10)、视频压缩及水印嵌入设备(20)和压缩码流存储及网络传输设备(30)组成。视频采集设备(10)由摄像头(11)和视频采集卡(12)组成，摄像头(11)根据用户需要采集HDTV、SDTV、D1、CIF及QCIF不等分辨率的模拟视频信号，由视频采集卡(12)编码成4:4:4、4:2:2或4:2:0三种格式的YUV数字视频序列；视频压缩及水印嵌入设备(20)由数字视频压缩模块(21)和数字水印嵌入模块(22)组成，数字视频压缩模块(21)提供数字电视广播、视频点播、视频会议、远程教育、远程监控、视频存储及直播级的视频压缩质量，数字水印嵌入模块(22)在数字视频压缩模块(21)执行的同时以内置方式嵌入用于版权保护、内容认证和保密通信的多功能数字水印信息，此数字水印信息可以根据需要产生相应的数字水印标签，是不可见的，包括内容标识、所有者、日期和时间等信息，并可由用户在保证长度范围的前提下自行编辑添加此水印标签内容，也可以是用于保密通信的秘密信息的内容；压缩码流存储及网络传输设备(30)由USB串口模块(31)、移动硬盘(32)、触摸屏模块(33)和以太网接口(34)组成，视频压缩及水印嵌入设备(20)输出嵌入水印的压缩码流通过USB串口模块(31)存储在移动硬盘(32)中，USB串口模块(31)提供USB2.0接口(310)和(311)，(310)执行移动硬盘(32)与视频压缩及水印嵌入设备(20)间的数据通信；(311)执行触摸屏模块(33)与视频压缩及水印嵌入设备(20)间的数据通信，提供多功能水印摄像机系统操作及控制命令、用户现场的手写字、指纹或公司标志等水印信息的输入。视频码流还可以通过以太网口(34)传输到远程终端或服务器。由于在视频获取的最源端——视频拍摄现场对采集的视频序列进行压缩和水印嵌入，极大提高了视频内容完整性和版权的置信度，且生成的视频流能适应不同的应用环境。

本发明的视频压缩技术采用H.264或MPEG4压缩标准。例如，将X264代码经部分优化到能实时压缩D1格式25Hz后烧写到DM642的FLASH中脱机运行，当需要采集HDTV或SDTV更大分辨率的视频时，考虑到视频拍摄的片断性特点，在现场不能实时完成的压缩编码与水印嵌入任务，可以选择事后继续处理的方式。

本发明的数字水印算法功能包括：

(1)压缩域鲁棒视频水印算法：在应用较低的区域嵌入水印，使水印算法在保证一定鲁棒性的前提下具有较高的视觉观赏质量。采用互鲁棒性视频水印，即在压缩域视频中嵌入具有互鲁棒性的双重水印。不同的算法对于攻击的鲁棒程度也会有所不同，因此选取两种对不同攻击操作分别具有良好鲁棒性的水印算法，将鲁棒水印采用两种算法分别嵌入到压缩视频的不同区域。在压缩视频经受恶意攻击时，至少有一种算法对于此类攻击鲁棒，因此通过两种水印算法用于版权保护的鲁棒视频水印。一种可行方案是：通过分析DCT系数和运动矢量在视频不同区域对人类视觉系统的空间和时间敏感度，应用H.264编码标准时，把Watson 8×8DCT量化视觉模型推广到4×4整数变换上，在水印嵌入过程中结合区域的视觉敏感度，自适应调整嵌入强度，提高了重建视频的视频效果；或者选择视觉敏感度法的互补性来提高压缩视频对不同攻击的抵抗能力。当应用MPEG4编码标准时，一种可行方案为：通过修改视频对象内容或面部参数来嵌入鲁棒水印，提供对视频中的重要对象的保护，即使一个对象被从一段视频拷贝到其他视频序列中，仍有可能从中提取鲁棒水印。

(2)压缩域脆弱视频水印算法：本算法用于内容认证和视频传输纠错，目前的脆弱水印算法大多只能提供视频压缩码流部分内容的认证(如DCT系数、运动矢量等)，本发明提供一种能够对压缩码流内容进行全面认证的脆弱水印可行方案如下：首先提取运动矢量的特征，然后将运动矢量的特征作为水印嵌入到量化后DCT高频系数中。这样，无论是运动矢量还是DCT系数被篡改，都会引起水印信息的变化，因此可以进行更为全面的内容认证。脆弱水印还可用于视频传输中的纠错与差错复原。传统的压缩视频纠错主要采用针对压缩标准语法规则的方法，只要接收到的视频码流符合标准规定的语法规则，就认为没有误码情况发生。本发明建议的一种采用结合脆弱水印和语法规则相结合的误码检测可行方案如下：首先将脆弱水印嵌入压缩码流中，在解码的同时提取脆弱水印。如果发现提取的水印信息和嵌入水印不同，则认为相应位置有误码发生。这样不仅可以检测出语法错误，而且可以检测出内容错误但语法仍然符合标准的情况。对于发生差错的部分，可以按照满足水印嵌入规则的方式对其进行修改，从而恢复错误并提高视觉质量。

(3)压缩域可逆视频水印算法：可逆水印是指含水印的媒体在检测水印之后可以还原成原始媒体，主要应用于军事和医学领域。可行的水印嵌入方法有：采用DCT域模加的方法，将水印数据利用密钥调制成PN序列，以CDMA的方式加权叠加到量化后的DCT系数上，或可以采取首先修改量化表，将量化表中的一些量化值除以2，然后利用数值扩展操作在量化后的DCT系数中嵌入水印，也可以选择在运动矢量中嵌入可逆水印，利用1/4像素精度运动矢量的特点，实现无损水印嵌入。由于运动矢量在视频码流中占有的比重较大，因此在运动矢量中嵌入可逆水印可以获得较高的水印容量。

(4)压缩域视频保密通信：即通过在视频序列中嵌入秘密信息实现军事情报和商业机密的隐藏通信。秘密信息可以通过(33)设备现场即时输入，经(311)实时隐藏于压缩视频数据中，当多媒体产品被当作明文通过公共信道传输时，受权方通过事先约定的密钥和算法提取出秘密信息，不容易引起第三方的质疑，嵌入算法能抵抗大多数隐写分析软件，从而达到保密通信的目的。

下面结合图2为本发明的数字视频压缩模块和水印嵌入模块的具体执行过程。首先由视频采集设备采集的视频序列进行分块变换和量化进行I帧编码，将量化后的数据进行反变换和反量化与后续的帧执行运动估计和运动补偿得到P帧编码数据，而原始水印信息经水印密钥进行水印编码，将编码后的水信信息，按水印算法选取一部分DCT系数和运动矢量进行水印嵌入，最后将嵌入水印的预测残差数据、运动矢量和控制参数等进行熵编码得到嵌入水印的压缩码流。

结合图3，说明本发明的系统框图实施方式，在拍摄现场，摄像机开机上电引导(60)FLASH中的启动程序，再将固化其中的应用程序导入(30)中，启动(10)开始拍摄原始RGB真彩色视频序列，经(20)进行编码转换成所需要格式的YUV信号，再存储在(70)中，(50)通过高速缓存(40)访问(30)中的数据和程序，进行视频压缩编码，同时(30)通过向(70)中读取原始水印信息，进行水印编码和水印嵌入，最后得到嵌入水印的视频压缩码流写入到(70)中，还可以通过(80)将嵌入水印信息的视频码流传输到远程终端或服务器，完成多功能水印摄像过程。

结合图4，说明本发明的循环执行流程图，水印摄像机上电引导，启动任务1，完成一帧视频数据的采集，给任务2发出任务1已完成消息，任务2启动，进行原始水印信息的读取和编码水印信息生成，完成后向任务3发出任务2已完成消息，任务3启动，进行视频压缩编码和水印嵌入，任务3执行耗时最长，任务最重，占系统资源最多。待任务3执行结束向任务40发出任务3已完成消息，启动任务40，将嵌入水印的压缩码流写入移动硬盘中，当选择远程监控与远程服务器存储时，可启动任务41，完成视频码流的网络传输功能，得到经压缩的嵌入水印的原始视频数据，用于后续的编辑、制作、发布和流通。由于嵌入了鲁棒水印、脆弱水印、可逆水性和秘密信息，因此现场拍摄的数字视频数据具备了版权保护、内容认证与完整和保密通信等多种功能，能够保护合法者的权益。

Claims

1. 一种多功能水印摄像机，它包括视频采集设备(10)、压缩码流存储及网络传输设备(30)，其特征在于，它还包括一个视频压缩及水印嵌入设备(20)，其中，视频采集设备(10)由摄像头(11)和视频采集卡(12)组成，视频压缩及水印嵌入设备(20)由数字视频压缩模块(21)和数字水印嵌入模块(22)组成，压缩码流存储及网络传输设备(30)由USB串口模块(31)、移动硬盘(32)、触摸屏模块(33)和以太网接口(34)组成，视频压缩及水印嵌入设备(20)通过USB串口模块(31)与移动硬盘(32)和触摸屏模块(33)进行通讯，视频码流还可通过以太网口(34)传输到远程终端或服务器。数字水印嵌入模块(22)在数字视频压缩模块(21)执行的同时以内置方式嵌入多功能数字水印信息，在压缩域直接将水印信息嵌入到压缩视频码流中。

2. 根据权利要求1所述的多功能水印摄像机，其特征在于，所述摄像头(11)根据用户需要采集HDTV、SDTV、D1、CIF及QCIF不同分辨率的模拟视频信号，由视频采集卡(12)编码成4:4:4、4:2:2或4:2:0三种格式的YUV数字视频序列。

3. 根据权利要求1所述的多功能水印摄像机，其特征在于，所述USB串口模块(31)提供USB2.0接口(310)和(311)，(310)执行(32)与(20)间的数据通信；(311)执行(32)与(33)间的数据通信；以太网口(34)提供码流的网络传输功能。

4. 根据权利要求1所述的多功能水印摄像机，其特征在于，所述数字视频压缩模块(21)视频压缩技术采用H.264或MPEG4压缩标准。

5. 根据权利要求1所述的多功能水印摄像机，其特征在于，所述数字水印嵌入模块(22)的版权保护水印算法为压缩域鲁棒视频水印算法，它对各种常见的攻击操作具有高鲁棒性，通过修改DCT系数和运动矢量等不同位置来嵌入包含所有者、销售商以及购买者信息的多个鲁棒水印。

6. 根据权利要求1所述的多功能水印摄像机，其特征在于，所述数字水印嵌入模块(22)的内容认证水印算法为压缩域脆弱视频水印算法，它对恶意的篡改攻击具有高度敏感性和定位功能。

7. 根据权利要求1所述的多功能水印摄像机，其特征在于，针对医学、军事等对视频质量要求较高的特殊场合，所述数字水印嵌入模块(22)的水印算法还可以为压缩域可逆视频水印算法，以特殊机制修改部分DCT系数和运动矢量来嵌入可逆水印，在水印提取的同时恢复原始压缩视频，此功能主要用于可恢复原始压缩视频的内容认证。

8. 根据权利要求1所述的多功能水印摄像机，其特征在于，在军事和商业机密通讯领域，所述数字水印嵌入模块(22)的水印算法还可以提供压缩域视频保密通信功能：秘密信息通过触摸屏模块(33)现场即时输入，经USB2.0接口(311)实时隐藏于压缩视频数据中。