CN101325700B - 视频文件中水印嵌入和提取的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及视频文件中水印嵌入和提取的方法及系统，该方法包括步骤：获取在播放视频文件的解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；通过修改所述离散余弦变换系数将水印数据嵌入视频数据中；将嵌入水印数据的视频数据重新编码并保存，得到嵌入水印的视频文件；播放嵌入水印的视频文件，获取在其解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；在由嵌入水印的视频文件得到的离散余弦变换系数中提取水印数据，该系统包括通过修改由原始视频文件得到的离散余弦变换系数将水印嵌入/提取的水印嵌入/提取单元。本发明中的水印可以根据载体作品的内容自适应地进行调整，在达到较高的水印鲁棒性和容量的同时确保嵌入水印后的视频质量不受影响。

Description

视频文件中水印嵌入和提取的方法及系统

技术领域

本发明涉及视频信号处理领域，具体涉及视频文件中水印嵌入和提取方法及系统。

背景技术

随着信息技术和计算机互联网技术的飞速发展，多媒体信息成为人类获取信息的最主要载体。多媒体信息经数字化处理后具有易于加密、抗干扰能力强、可再生等优点。在当前互联网环境里，视频、音频、图像、文字等交流方式和交互内容都得到了极大的发展。其中，作为视频交互内容载体的MPEG系列压缩编码技术已经成为了视频交互中的主体形式，在互联网中得到了广泛应用。

MPEG是国际标准化组织ISO(International Organization forStandardization)制订的一系列用于视频压缩编码的格式标准，目前包括了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21等数个标准。其中，MPEG-4是当前倍受推崇使用广泛的一个编码标准。MPEG-4编码技术是基于对象的第二代压缩编码技术，它充分利用了人眼视觉特性，抓住了图像信息传输的本质，从轮廓、纹理思路出发，支持基于视觉内容的交互功能，适应了多媒体信息的应用由播放型转向基于内容的访问、检索及操作的发展趋势。MPEG-4的压缩率可以超过100倍，而仍保有极佳的音质和画质，可以利用最少的数据，获取最佳的图像质量，能够满足低码率应用的需求，而且适合于交互式音视频服务及远程监控。MPEG-4标准的使用范围相当大，具有广泛的适应性和可扩展性。

目前，基于MPEG-4标准的视频内容在互联网上应用广泛，除了电影下载共享，近来愈加火热的小视频(类似YouTube、优酷等)在线观看等都采用了这一技术。不过，随着MPEG-4应用愈加广泛，带来的内容版权保护的问题和困扰也愈加明显。对于视频内容提供厂商和视频内容推广厂商而言，视频内容、版权信息的保护成为迫切需要解决的问题。

通常，对多媒体内容的保护分为两个部分：一是版权保护，二是内容完整性(真实性)保护，即认证。传统的加密方法对内容的保护只局限在加密通信的信道中或其他加密状态下，一旦解密，则毫无保护可言；密码学中的认证方法由于不容许信息有任何的改变，因此对多媒体内容的版权保护也无能为力。

数字水印技术的出现为这一问题提供了另一种解决方案。数字水印技术的核心思想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，但不影响原内容的价值，并不能被人的知觉系统觉察或注意到。但同时，水印与载体作品密不可分，随着作品一起传输，经历和作品相同的处理。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者，或者是否真实完整。其中确认内容创建者、购买者，是通过提取后的数字水印信息(如水印为公司标识或者其它标志信息)实现，真实完整性的确认是通过比较嵌入前的水印信息与提取后的水印信息是否一致来实现，如果一致则表明作品在传输过程中没有经历修改，作品真实可靠，否则无法得出相同的结论。

水印技术应用于当前图像以及音视频技术已经有几年的历史了。从最初的出现开始，水印技术就是作为一种安全传输手段，为所附属的应用提供必要的保护。目前，图像水印技术的应用已经非常广泛，而在音视频领域里，水印技术的应用还并不成熟，主要体现在：1)应用的模式比较单一，目前基本上只是将水印用作验证版权真伪的工具，用于其它目的的非常少；2)研究结果的实用性不够，相关的论文已经有很多，但从质量、可用性、水印鲁棒性几个方面很少有符合实际需求的方案。

发明内容

本发明的目的是提供视频文件中水印嵌入和提取方法及系统，所采用的水印嵌入/提取方法不影响视频文件的质量，实用性高，且嵌入的水印具有很好的鲁棒性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

提供视频文件中水印嵌入和提取的方法，该方法包括以下步骤：获取在播放原始视频文件的解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；通过修改所述离散余弦变换系数将水印数据嵌入原始视频文件的视频数据中，具体包括：读取一帧视频数据的离散余弦变换系数；设定该帧视频数据的离散余弦变换系数矩阵中被修改的离散余弦变换系数的个数b；修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，使修改后的b个离散余弦变换系数仍为该离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，将b个水印数据嵌入该帧视频数据；读取下一帧视频数据的离散余弦变换系数，重复上述步骤，直到将所有水印数据嵌入原始视频文件的视频数据；将嵌入水印数据的视频数据重新编码并保存，得到嵌入水印的视频文件；播放所述嵌入水印的视频文件，获取在其解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；在由嵌入水印的视频文件得到的离散余弦变换系数中提取水印数据，具体包括：

读取一帧视频数据的离散余弦变换系数；获取已设定的该帧视频数据中被修改的离散余弦变换系数的个数b；修改该帧视频数据的绝对值最大的b个离散余弦变换系数，提取b个水印数据；读取下一帧视频数据的离散余弦变换系数，重复上述步骤，直到将所有水印数据提取出来；其特征在于，在将水印数据嵌入原始视频文件的视频数据的步骤中，在设定该帧视频数据的离散余弦变换系数矩阵中被修改的离散余弦变换系数的个数b后，还包括：获取原始视频文件的解码过程中该帧视频数据的量化矩阵中不同值的个数；根据所述量化矩阵中不同值的个数动态调整所述个数b，所述b与所述量化矩阵中不同值的个数成正比；在提取水印数据的步骤中，获取已设定的该帧视频数据的离散余弦变换系数矩阵中被修改的离散余弦变换系数的个数b后，还包括：获取嵌入水印的视频文件的解码过程中该帧视频数据的量化矩阵中不同值的个数；根据所述量化矩阵中不同值的个数动态调整所述个数b，所述b与所述量化矩阵中不同值的个数成正比。

其中，所述水印数据为二进制码流数据，修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，将b个水印数据嵌入该帧视频数据的方法包括步骤：逐一读取要嵌入的b个二进制数据；当读取的二进制数据为0时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数，则其自增修改为正偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负奇数，则其自减修改为负偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数或负偶数，则其不变；当读取的二进制数据为1时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数，则其自增修改为正奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负偶数，则其自减修改为负奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数或负奇数，则其不变；修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，提取b个水印数据的方法包括步骤：逐一判断该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数的奇偶，若其为正奇数或负奇数，则提取水印数据1，若其为正偶数或负偶数，则提取水印数据0。

其中，所述水印数据为二进制码流数据，修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，将b个水印数据嵌入该帧视频数据的方法包括步骤：逐一读取要嵌入的b个二进制数据；当读取的二进制数据为1时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数，则其自增修改为正偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负奇数，则其自减修改为负偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数或负偶数，则其不变；当读取的二进制数据为0时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数，则其自增修改为正奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负偶数，则其自减修改为负奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数或负奇数，则其不变；修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，提取b个水印数据的方法包括步骤：逐一判断该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数的奇偶，若其为正奇数或负奇数，则提取水印数据0，若其为正偶数或负偶数，则提取水印数据1。

其中，所述水印数据为二进制码流数据，修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，将b个水印数据嵌入该帧视频数据的方法包括步骤：逐一读取要嵌入的b个二进制数据；当读取的二进制数据为1时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数，则其自增修改为正奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负奇数，则其自减修改为负偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数或负偶数，则其不变；当读取的二进制数据为0时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数，则其自增修改为正偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负偶数，则其自减修改为负奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数或负奇数，则其不变；修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，提取b个水印数据的方法包括步骤：逐一判断该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数的正负及奇偶，若其为正奇数或负偶数，则提取水印数据1，若其为正偶数或负奇数，则提取水印数据0。

本发明还提供了视频文件中水印嵌入和提取的系统，该系统包括：离散余弦变换系数获取单元，用于获取在播放原始视频文件的解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数，及获取在播放嵌入水印的视频文件解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；水印数据嵌入单元，用于通过修改由原始视频文件得到的离散余弦变换系数，将水印数据嵌入原始视频文件的视频数据中；视频文件保存单元，用于将嵌入水印数据的视频数据重新编码并保存，得到嵌入水印的视频文件；水印数据提取单元，用于在由嵌入水印数据的视频文件得到所述离散余弦变换系数中提取水印数据。

利用本发明的方法及系统具有以下有益效果：

1)通过在视频文件中嵌入/提取水印实现视频文件的版权保护，由于水印文件具有不易察觉和修改的特点，因此安全性很高；

2)所采用的水印嵌入/提取方法是通过修改视频文件解码过程的中间数据，即离散余弦变换系数实现的，由于离散余弦变换被视频编解码广泛使用且不易改变，因此具有较高的水印鲁棒性；

3)由于从频域的角度描述了视频的一些信息，如画面的精细程度、内容变化程度等，结合人类视觉模型在离散余弦变换系数中嵌入水印，因此基本不会影响画面的质量，实用性较高。

附图说明

图1为本发明视频文件中水印嵌入和提取的方法的流程

图2为现有技术中常用的视频文件解码流程；

图3为实施例1中水印数据嵌入的流程图；

图4为实施例1中水印数据提取的流程图；

图5为现有MPEG-4视频压缩编码的视频文件的解码流程图；

图6为实施例2中水印数据嵌入的流程图；

图7为实施2所采用的水印数据嵌入方法流程图；

图8为实施例2中水印数据提取的流程图；；

图9为实施2所采用的水印数据提取方法流程图；

图10为本发明视频文件中水印嵌入和提取的系统的组成框图。

具体实施方式

本发明提出的视频文件中水印嵌入和提取的方法及系统，结合附图和实施例说明如下。

如图1所示为本发明提供的视频文件中水印嵌入和提取的方法，该方法包括以下步骤：s101，获取在播放原始视频文件的解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；s102，通过修改所述离散余弦变换系数将水印数据嵌入原始视频文件的视频数据中；s103，将嵌入水印数据的视频数据重新编码并保存，得到嵌入水印的视频文件；s104，播放所述嵌入水印的视频文件，获取在其解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；s105，在由嵌入水印的视频文件得到的离散余弦变换系数中提取水印数据，根据提取的水印数据判断所述嵌入水印的视频文件的版权。

如图10所示为本发明视频文件中水印嵌入和提取的系统的组成框图，该系统包括：离散余弦变换系数获取单元，用于获取在播放原始视频文件的解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数，及获取在播放嵌入水印的视频文件解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；水印数据嵌入单元，用于通过修改由原始视频文件得到的离散余弦变换系数，将水印数据嵌入原始视频文件的视频数据中；视频文件保存单元，用于将嵌入水印数据的视频数据重新编码并保存，得到嵌入水印的视频文件；水印数据提取单元，用于在由嵌入水印数据的视频文件得到所述离散余弦变换系数中提取水印数据。

每一个视频文件都采用某种视频压缩编码标准进行编码和解码，已保存的视频文件为编码后的文件，在视频文件的播放过程中被解码得到可以观看的图像。视频文件不管采用什么视频压缩编码标准进行编码，其在解码过程中都会对每帧数据进行离散余弦变换DCT，得到DCT系数矩阵，DCT系数从频域的角度描述了视频的一些信息，如画面的精细程度、内容变化程度等。

如图2所示为常用的视频文件解码流程，该解码过程包括：步骤s201，首先从视频文件中读取每帧视频数据；步骤s202，然后将读取的视频数据对照VLC(Variable Length Code)码表，利用熵解码器进行VLC解码，解压后得到反映该帧视频数据对应的图像信息；步骤s203，然后使用量化器进行反量化，反量化后可以得到该帧视频数据的DCT系数；步骤s204，根据DCT系数进行离散余弦反变换；步骤s205，将离散余弦反变化过程中的图像数据进行显示，实现视频播放，上述过程为现有技术中常用解码流程，编码过程为上述过程的逆过程，整个过程为现有常用的编解码流程，这里不再详述。

现有的视频文件的水印算法过程中，水印的嵌入/提取是在步骤s202和步骤s203之间完成，但得到的效果是往往会影响视频画面的质量，实用性不高。本发明最大的特点是不影响也不破坏上述正常视频文件的编解码过程，而是利用视频文件正常解码过程中产生的数据，即每帧视频数据解码过程产生的DCT系数，在DCT系数中嵌入/提取水印数据。图2中显示的在步骤s203与步骤s204之间插入的黑线，即表示嵌入/提取水印数据的步骤。通过对DCT系数的修改可以达到较高的水印鲁棒性，同时确保基本不影响嵌入水印后的视频质量。下面给出本发明两种优选的实施方式。

实施例1

本实施例中的水印嵌入与提取都是在步骤s202和步骤s203之间完成的，在解码过程中经反量化得到DCT系数后，通过修改DCT系数实现水印数据的嵌入/提取，如图3所示为本实施例中水印数据嵌入的过程，该过程包括：步骤s301，开始；步骤s302，判断是否已处理完所有的视频数据，即是否已完成所有视频的解码，若是，则执行步骤s308，若否，执行步骤s303；步骤s303，在视频文件解码过程中读取一帧视频数据的DCT系数；步骤s304，根据解码过程中得到的该帧的帧头信息判断其为视频数据类型还是音频数据类型(视频文件中也包含音频数据类型)，如果为音频数据类型则不进行任何处理，转去执行步骤s302，若为视频数据类型，则执行步骤s305；步骤s305，判断嵌入水印是否已嵌入完毕，该方法中可以设定一个变量来记录已经嵌入的水印数据的数量，如果是，则转去执行步骤s302，如果否，则执行步骤s306；步骤s306，修改该帧视频数据的DCT系数将水印数据嵌入视频数据；步骤307，将嵌入水印数据的视频数据重新编码写入视频文件；步骤s308，结束。上述步骤s307的过程实际就是执行步骤步骤203、步骤s202的逆过程，即将修改后的DCT系数通过量化器进行量化，通过熵编码器进行编码，得到重新编码后的视频文件。

如图4所示为本实施例中水印数据提取实现视频文件保护的过程，重新播放嵌入水印的视频文件，该过程包括：步骤s401，开始；步骤s402，判断是否已处理完所有的视频数据，即是否已完成所有嵌入水印的视频文件的解码，若是，则执行步骤s407，若否，执行步骤s403；步骤s403，在视频文件解码过程中读取一帧视频数据的DCT系数；步骤s404，根据解码过程中得到的该帧的帧头信息判断其为视频数据类型还是音频数据类型(视频文件中也包含音频数据类型)，如果为音频数据类型则不进行任何处理，转去执行步骤s402，若为视频数据类型，则执行步骤s405；步骤s405，判断嵌入水印是否已提取完毕，该方法中可以设定一个变量来记录已经提取的水印数据的数量，如果是，则转去执行步骤s402，如果否，则执行步骤s406；步骤s406，修改该帧视频数据的DCT系数将水印数据提取出来，提取后转去执行步骤s402；然后可以根据提取的水印数据判断该视频文件的版权，并结束。

根据上述内容可知，在水印数据未嵌入/提取完毕前，读取的每帧视频数字都要进行水印数据嵌入/提取，因此视频文件水印数据嵌入/提取是一个动态嵌入/提取的过程。

本实施例中对音频数据类型的帧视频不作处理，是由于视频文件中的音频处理流程非常简单，而水印嵌入/提取是结合视频解码过程中的一系列特性以及人类视觉模型，这些特性无法在音频中找到对应的部分，因此嵌入时不对音频数据进行处理。

本实施例中的水印数据在整个流程的实现里表现为一个二进制文件，可以是任意的信息，如图片、文本，甚至是视频音频，即为计算机里面的一个任意文件。

水印数据嵌入的具体过程，简单来说就是用水印数据来替换被嵌入对象中的已有信息，现有技术中在具备需要嵌入的数字水印文件和被嵌入对象的已有信息时，可以采用各种嵌入/提取方法选择修改被嵌入对象中的数据。

水印数据的嵌入过程，宏观上来看，是将一个文件(水印数据)嵌入至另一个文件(原始视频)中，微观上来看，则是将一串二进制比特流(水印数据)嵌入至另一串二进制比特流(原始视频文件的DCT系数)中。本实施例与现有/提取方法的不同在于，嵌入/提取方法作用的具体对象是每帧视频数据解码得到的一个个DCT矩阵中的DCT系数，因此，本实施例可以使用现有的各种嵌入/提取方法完成水印信息的嵌入/提取。

另外，与现有技术相同，在将水印数据嵌入被嵌入对象的已有信息时，并不是全部修改被嵌入对象的已有信息，因为这样会使被嵌入对象的内容发生明显改变，破坏了水印嵌入的不易察觉的特点。如何选择被修改的DCT系数，使得DCT系数被修改后的视频文件播放时质量不受影响，应根据视频文件的特点来确定每帧视频文件的DCT矩阵中被修改的DCT系数。

本实施例中具体为事先设定每帧视频数据的DCT矩阵中需要被修改的DCT系数的个数b，在水印嵌入过程中读取一帧视频数据的DCT系数，修改该帧视频数据的每个DCT矩阵中绝对值最大的b个DCT系数，使修改后的b个DCT系数仍为该DCT矩阵中绝对值最大的前b个，对应将b个水印数据嵌入该帧视频数据；然后读取下一帧视频数据的离散余弦变换系数，重复上述步骤，直到将所有水印数据被嵌入视频数据。

同样，提取嵌入水印的视频文件中的水印数据时，并不是将DCT矩阵中的所有DCT全部修改来提取水印数据，而是有选择被修改过的DCT系数来恢复嵌入的水印数据，具体为读取一帧视频数据的DCT系数，从该帧视频数据的每个DCT矩阵中绝对值最大的b个DCT系数中提取水印数据，对应将b个水印数据从视频数据中提取出来；然后读取下一帧视频数据的离散余弦变换系数，重复上述步骤，直到将所有水印数据被提取出来。

上述DCT矩阵中需要被修改的DCT系数的个数b的优选取值范围为0到10。

实施例2

常用的视频编解码标准有MPEG全系列标准以及H.26x(H.263/H.264)全系列标准等，本发明视频文件中的水印嵌入和提取遵循基本的视频编解码流程，即可以在MPEG全系列标准以及H.26x(H.263/H.264)全系列标准中应用，且不限于上述视频标准。

本实施例的实验平台使用了MPEG-4压缩的视频文件，向MPEG-4视频文件中嵌入数字水印信息并能够正确将数字水印信息提取出来，在不影响视频质量的情况下实现视频文件的版权保护。

本实施例与实施例1中水印数据嵌入/提取水印相同的是，都是在视频文件解码过程的步骤s202与步骤s203之间完成，不同就在于是针对MPEG-4压缩的视频文件，且给出了具体的水印嵌入/提取方法，及通过分析MPEG-4编码模型与人类视觉模型，动态调整每帧视频数据的DCT矩阵中被修改的DCT系数的个数b。

本实施例的详细过程如下：

1)获取MPEG-4视频文件解码中得到的DCT系数矩阵

采用MPEG-4视频压缩编码的视频文件，如图5所示，在播放时详细的解码过程如下：

步骤s501，初始化视频数据比特流，初始化指的是为即将开始的解码操作设置缓冲buffer，目的是保存解码产生的中间数据，为进一步的处理进行缓存，初始化是所有视频标准在解码时都必须具备的，保证了解码器的通用性；步骤s502，分析MPEG-4视频数据每帧的帧头信息，确定该视频帧的类型为I/P/B中的哪一种，如果是I帧则执行步骤s503，如果是B帧则执行步骤s504，如果是P帧则执行步骤s505；步骤s503，使用Intra_code解码方法进行解码，解码后执行步骤s508；步骤s504，使用Inter_code解码方法进行解码，解码后执行步骤s508；步骤s505，分析该帧视频数据的纹理细节，当细节信息较复杂时执行步骤s506，当细节较简单时执行步骤s507；步骤s506选择Intra_code进行解码，解码后执行步骤s508；步骤s507，选择使用Inter_code进行解码，解码后执行步骤s508；步骤s508，选择量化器进行反量化处理；步骤s509，将反量化的结果即DCT系数矩阵作为水印嵌入的输入。

关于MPEG-4标准中的I帧、P帧和B帧叙述如下：

根据MPEG-4标准，将视频帧分为三种类型：I帧、P帧、B帧。视频编码过程是将一帧图像数据编码成为一帧视频数据，I帧指的是在编码时所需的所有数据全部来自当前处理的一帧图像的帧，与之前和之后的图像无关；P帧指的是编码所需的数据来源于当前处理的一帧图像，同时还需要参考之前的某一帧图像(前一个I帧)；B帧指的是编码所需的数据来源于之前某一帧图像(前一个I帧)与之后的某一帧图像(后一个I帧)。编码时，I帧只与当前处理的数据有关，P帧则由当前数据与之前的数据合成，B帧则由之前的数据与之后的数据合成。I帧用于画面变化剧烈的情况，相邻的图像帧之间差异明显，因此需要单独编码；P帧用于画面变化较小的情况，此时当前编码的数据与之前的数据差异较小，因此只需要以前面的数据作参考，辅以当前数据与前面数据的差值即可完成；B帧类似P帧，只是还参考了之后的某些数据。

因此，根据MPEG-4视频帧的头信息确定帧的类型后，如果是I帧则使用Intra_code解码进行处理，是I帧的解码方式的具体体现，即只依靠当前的图像数据；如果是B帧则使用Inter_code编码进行处理，是B帧的解码方式的具体体现，既需要当前处理的图像数据，也需要参考之前或者之后的图像数据；如果是P帧则还要分析纹理细节，当细节信息较多时选择Intra_code进行解码，否则使用Inter_code进行解码处理。

上述整个MPEG-4视频文件的解码过程为现有技术，上述过程保证了视频文件解码后图像的实用性。

2)修改视频数据的DCT系数矩阵嵌入水印数据

如图6所示为本实施例中嵌入水印数据的方法流程图，该方法包括步骤：步骤s601，开始；步骤s602，将该帧视频数据的每个DCT系数矩阵的系数按降序排列，本实施例中MPEG-4视频标准中的DCT变换的基本尺寸或者说变换单元是8*8的矩阵，因此反量化后一帧视频数据得到若干个大小为8*8的DCT系数矩阵，对这若干个8*8的DCT系数矩阵逐一处理，具体为根将每个DCT矩阵的64个DCT系数按值大小进行降序排列；步骤s603，判断水印数据是否嵌入完，若是，转去执行步骤s608，若否，执行步骤s604；步骤s604，初始化结果矩阵系数，本实施例中在嵌入水印前，首先将该帧视频数据的每个结果系数矩阵中的DCT系数初始化为0；步骤s605，统计每个DCT系数矩阵中DCT系数不同值对应的非零DCT系数；步骤s606，根据MPEG-4视频文件的特性确定每个DCT系数矩阵中被可以修改的DCT系数的数目b1，将该矩阵中绝对值最大的前b1个DCT系数选择为被修改的DCT系数；步骤s607，将水印数据嵌入每个DCT系数矩阵被选择的DCT系数中，返回执行步骤s603；步骤608，该帧视频数据嵌入水印数据过程结束，将嵌入水印数据的视频数据重新编码并保存，重新读取下一帧。通过重复执行步骤601～步骤608可以完成对每帧的处理。

本实施例在步骤s606中，每个DCT系数矩阵中被可以修改的DCT系数的数目b1与视频文件的内容有关，其原理参考了MPEG-4编解码模型与人类视觉模型，详细分析如下：

MPEG-4编码模型与人类视觉模型(HVS)，指的是MPEG-4中使用的编码标准，它充分考虑了视频编码特点，并结合人眼的视觉特性，选择适合的参数来对编码进行量化和视觉质量控制。在对图像数据进行压缩编码时充分考虑了相对人眼重要与不重要的因素。需要在编码量化时将人眼较不敏感的区域压得差一点，将人眼较容易注意到的区域压得好一点，提升肉眼看起来的视觉品质。MPEG-4编码模型编码时结合人类视觉模型重点考虑了以下几点：

①动态的I/P/B帧编码分配决策，视画面变化的情形变动地构造编码分配决策。画面内容变化越大，减少B帧类型的编码，画面内容变化越小，增加B帧类型的编码。

②动态的半像素(HPEL)和四分之一像素(QPEL)使用决策。先侦测画面边缘，来判断画面是锐利的还是平滑的，锐利的画面才使用精度高的QPEL，否则使用HPEL。

③人眼对图像的亮度分量比较敏感，对色度分量不太敏感。因此如果使用较低的色度分辨率，不会明显影响人眼的感官质量。

④人眼对于图像中的低频系数比较敏感，而对高频系数不太敏感。因此在进行量化时，相对的低频的系数就比较重要，利用量化矩阵来量化，把高频的系数削掉多一点。保留比较重要的低频系数，在有限的修改幅度的情况下，可以增进肉眼看起来的品质。量化时一个宏块(MB)切成4个8*8的子块，对高频子块的DCT系数使用大的量化值，对低频子块的DCT系数使用较小的量化值，这可以在尽量保持视觉质量不明显下降的前提下将压缩后的MPEG-4视频文件体积压至最小。

⑤利用量化器参数来调整量化的误差，控制最后量化的品质和档案的大小，量化的系数会再乘上这个量化器的倍数。可以自订、编辑矩阵的量化系数，可以依照影片内容、码率，定义最适当的量化矩阵。

以上MPEG-4编码模型的分析可以得出以下结论：

使用四分之一像素QPEL是锐利的画面，是非平缓区域，信息的改变对视觉影响小；量化系数越大，量化参数越大，信息的改变对视觉的影响越小；使用B_VOP(B帧编码方式)：画面比较平缓，动态小；B_VOP：不被用作参考画面，信息的改变对视觉质量的影响小；色度平面对视觉的影响比较小。

在对原始视频进行编码时，MPEG-4编码器充分考虑了上述信息，在编码码流大小和视觉质量之间做了权衡。因此，利用MPEG-4视频流作为载体作品时，可以充分利用这些特性，确定数字水印信息嵌入的位置，达到尽可能少地降低视觉质量的目的。

本实施例中选择每个矩阵中被修改的DCT，包括根据影响视觉质量的因子确定被修改的DCT系数的数目b1与水印信息嵌入位置的计算，根据前面的方法，在确定了b1后，嵌入的位置为DCT矩阵中最大的b1个DCT系数的位置，下面说明根据影响视觉质量的因子确定被修改的DCT系数的数目b1的方法。

上述影响视觉质量的因子，在MPEG-4编码器对视频进行编码和解码时获得。其需要根据人类视觉模型对原始视频流进行分析，原始视频的视觉特征反映在量化矩阵、量化矩阵所选择的量化参数、是否使用QPEL、是否使用B-VOP等因素上。以MPEG-4视频作为水印的载体时，为了在嵌入数字水印信息后，尽可能少地引起视觉质量的下降，综合考虑上述因素确定数字水印嵌入的位置。

本实施例中确定被修改的DCT系数的数目b1考虑了以下因素：

量化矩阵中不同值的个数，该量化矩阵是指解码过程中量化器使用的量化矩阵，具体指量化矩阵中所有系数里包含不同值的系数的数目x，b1与x成正比关系；

量化器的值，根据编码标准中制定的量化器，对每一种编码标准而言，其量化器的值仅为几个，量化器的值越大，修改引起的视觉质量的降低越小，可供修改的中高频系数越多；

是否为色度平面z，通过查询当前解码的帧的信息，根据该帧的数据结构中专门记录其为色度平面还是亮度平面的数据，如果是色度平面，可修改的中高频系数越多；

画面锐利程度t，根据视频数据就可以获得画面锐利程度，例如某DCT矩阵中非零值的个数多少，如果多，说明画面信息丰富，较锐利，否则说明矩阵中大部分都是零值，说明画面平缓，画面锐利程度反映了运动是否强烈，如果画面锐利，修改的系数就增加，如果画面平缓，修改的系数就少一些；

帧类型f。具体是在解码过程中根据每帧的帧头获得，如果是B-VOP，修改的系数可以多一些，因为不存在累积误差，如果是P-VOP或I-VOP，修改的系数少一些，因为存在累积误差。

本实施例中影响数目b1大小的上述5个因素与视频文件内容有关，根据视频文件的内容动态调整，保证了视频的质量。

在步骤s606中选择了被修改的DCT系数后，步骤s607中将水印数据嵌入每个DCT系数矩阵中被选择的DCT系数中，如图7所示为本实施例所采用的水印数据嵌入方法流程图，该方法具体包括步骤：步骤s701，逐一读取一个DCT系数矩阵中被选择修改的DCT系数值V1；步骤s702，判断V1大于0、小于0还是等于0，如果V1大于0，转去执行步骤s703，若V1等于0，转去执行步骤s704，若V1大于零，转去执行步骤s705；步骤s703，读取要嵌入的水印数据相应位的数值V2，判断V1与V2是否同奇偶，若同奇偶，转去执行步骤s706，若不同奇偶，转去执行步骤s707；步骤s704，对V1则不作处理；步骤s705，读取要嵌入的水印数据相应位的数值V2，判断V1与V2是否同奇偶，若不同奇偶，转去执行步骤s708，若同奇偶，转去执行步骤s709；步骤s706，V1保持不变；步骤s707，V1的值增1；步骤s708，V1的值保持不变；步骤s709，V1的值减1。

通过以上过程可以被选择修改的DCT系数经嵌入过程后，对应嵌入0的DCT系数中正数全部为偶数，负数全部为奇数；对应嵌入1的DCT系数中正数全部为奇数，负数全部为偶数。且保证在DCT被选择修改后的b1仍为DCT系数矩阵中绝对值最大的b1个系数。

3)在将水印数据嵌入完毕后，将嵌入水印数据的视频数据按现有的方法重新编码写回视频文件并保存；

4)重新播放嵌入水印后的视频文件，在解码过程中提取水印

采用与步骤2)中相同的方法实现嵌入水印的视频文件解码，获取每帧数据的DCT系数矩阵，然后进入水印提取过程。

如图8所示为本实施例中提取水印数据的方法流程图，该方法包括步骤：步骤s801，开始；步骤s802，将该帧视频数据的每个DCT系数矩阵的系数按降序排列，具体为根将每个DCT矩阵的64个DCT系数按值大小进行降序排列；步骤s803，判断水印数据是否提取完，若是，转去执行步骤s807，若否，执行步骤s804；步骤s804，统计每个DCT系数矩阵中DCT系数的不同值对应的非零DCT系数；步骤s805，根据MPEG-4视频文件的特性确定每个DCT系数矩阵中已被可以修改的DCT系数的数目b2，将该矩阵中绝对值最大的前b1个DCT系数确定为已被修改的DCT系数；步骤s806，从确定的已被修改的DCT系数中提取水印数据，返回执行步骤s803；步骤807，该帧视频数据提取水印数据过程结束。通过重复执行步骤801～步骤807可以完成对每帧的处理，将完整的水印数据提取出来，判断该视频文件的版权。

本实施例中步骤s805确定已被可以修改的DCT系数的数目b2的方法相同，由于嵌入水印数据的特性没有发生实质性的改变，即上述量化矩阵中值不同的系数的个数x、量化器的值、是否为色度平面z、画面锐利程度t及帧类型f均不受水印嵌入的影响，因此水印提取过程得到的b2与水印嵌入得到的b1是完全相同的，可以保证准确的确定已被修改的DCT系数。

在确定已被修改的DCT系数后，采用如图9所示的方法提取水印数据，该方法具体包括步骤：逐一读取DCT系数矩阵中确定的已被修改的DCT系数值V3；判断V3大于0、小于0还是等于0；如果V3大于0，判断V3的奇偶，若V3为奇数，则提取水印数据1，若V3为偶数，则提取水印数据0；如果若V3小于0，判断V3的奇偶，若V3为奇数，则提取水印数据1，若V3为偶数，则提取水印数据0。

可见，本实施例中嵌入过程与提取过程都需要对视频进行解码，嵌入操作与提取操作作用的对象也相同，都是对解码得到的一个个8*8DCT矩阵中的DCT系数。不同的是处理DCT系数的方法，嵌入时用水印信息替换DCT系数，提取时则将某些DCT系数选择出来，作为提取出的水印信息。

本实施例中嵌入/提取水印的方法不限于图7和图9中的方法，还可以采用其它的水印嵌入/提取方法。

本实施例以10个MPEG-4编码的视频文件为测试用例，测试分为主观测试与客观测试两组。两组测试都包括对原始MPEG-4视频文件进行水印的嵌入和提取处理。对这两种方法分别进行评价。

●主观评价

主观评价主观测试邀请多人分别观看数字水印信息嵌入前后的10段视频文件，嵌入前后的MPEG-4视频文件由通用视频播放器KMPlayer进行播放。

主观评价结果表明，对嵌入水印信息后的MPEG-4文件进行播放观看，反复数次，参与测试的人始终无法分辨出它们之间差异。即以MPEG-4文件作为载体，采用本实施例的方法嵌入数字水印信息，不会明显降低MPEG-4文件的视觉质量。

●客观评价

客观评价使用了峰值信噪比PSNR来评价嵌入水印前后的视频质量。本发明中通过现有方法计算嵌入前与嵌入后视频文件的PSNR，对嵌入数字水印后的MPEG-4视频做了客观的质量评价。客观测试结果见表1：

表1  10个MPEG-4视频文件在阈值为7时下进行数字水印嵌入测试的结果

文件名	原始文件大小(byte)	水印容量(byte)	嵌入水印后文件大小(byte)	关键帧的峰值信噪比(db)	平均峰值信噪比(db)
						Y1.avi	129024	780	118698	39.7345	45.9551
Y2.avi	59392	657	48690	37.8042	36.6340
						Y3.avi	401408	22452	416220	42.6251	42.8211
Y4.avi	65536	483	56186	41.5613	43.3359
						Y5.avi	40960	367	29668	40.7551	40.7544
Y6.avi	644544	38234	1705280	44.2153	28.9999
						Y7.avi	1284096	26952	1319410	40.4854	40.0987
Y8.avi	290816	2077	282694	38.0443	43.3863
						Y9.avi	638976	21891	650372	36.5038	21.7828
Y10.avi	202752	3137	193906	37.6158	40.5330

表1中的水印容量指该视频文件可以嵌入水印数据的数量，阈值指程序运行时用于控制水印容量的参数。

提取水印时的测试统一进行，使用相同的方法对嵌入过水印信息的10个MPEG-4视频文件进行提取操作，检验提取出来的水印文件与原始的水印文件是否存在误差，如有误差，计算提取的误差程度与发生误差的机率。

提取测试的结果为通过10个MPEG-4视频文件提取得到的10个水印文件分别与各自嵌入之前的文件相同，即水印文件长度，水印文件内容都完全相同，表明本发明的嵌入与提取方法具有非常高的可靠性和实用性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.视频文件中水印嵌入和提取的方法，该方法包括以下步骤：

获取在播放原始视频文件的解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；

通过修改所述离散余弦变换系数将水印数据嵌入原始视频文件的视频数据中，具体包括：

读取一帧视频数据的离散余弦变换系数；

设定该帧视频数据的离散余弦变换系数矩阵中被修改的离散余弦变换系数的个数b；

修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，使修改后的b个离散余弦变换系数仍为该离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，将b个水印数据嵌入该帧视频数据；

读取下一帧视频数据的离散余弦变换系数，重复上述步骤，直到将所有水印数据嵌入原始视频文件的视频数据；

将嵌入水印数据的视频数据重新编码并保存，得到嵌入水印的视频文件；

播放所述嵌入水印的视频文件，获取在其解码过程中得到的视频数据的离散余弦变换系数；

在由嵌入水印的视频文件得到的离散余弦变换系数中提取水印数据，具体包括：

读取一帧视频数据的离散余弦变换系数；

获取已设定的该帧视频数据的离散余弦变换系数矩阵中被修改的离散余弦变换系数的个数b；

修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，提取b个水印数据；

读取下一帧视频数据的离散余弦变换系数，重复上述步骤，直到将所有水印数据提取出来；其特征在于，在将水印数据嵌入原始视频文件的视频数据的步骤中，在设定该帧视频数据的离散余弦变换系数矩阵中被修改的离散余弦变换系数的个数b后，还包括：

获取原始视频文件的解码过程中该帧视频数据的量化矩阵中不同值的个数；

根据所述量化矩阵中不同值的个数动态调整所述个数b，所述b与所述量化矩阵中不同值的个数成正比；

在提取水印数据的步骤中，获取已设定的该帧视频数据的离散余弦变换系数矩阵中被修改的离散余弦变换系数的个数b后，还包括：

获取嵌入水印的视频文件的解码过程中该帧视频数据的量化矩阵中不同值的个数；

根据所述量化矩阵中不同值的个数动态调整所述个数b，所述b与所述量化矩阵中不同值的个数成正比。

2.如权利要求1所述的视频文件中水印嵌入和提取的方法，其特征在于，所述水印数据为二进制码流数据，修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，将b个水印数据嵌入该帧视频数据的方法包括步骤：

逐一读取要嵌入的b个二进制数据；

当读取的二进制数据为0时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数，则其自增修改为正偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负奇数，则其自减修改为负偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数或负偶数，则其不变；

当读取的二进制数据为1时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数，则其自增修改为正奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负偶数，则其自减修改为负奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数或负奇数，则其不变；

修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，提取b个水印数据的方法包括步骤：

逐一判断该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数的奇偶，若其为正奇数或负奇数，则提取水印数据1，若其为正偶数或负偶数，则提取水印数据0。

3.如权利要求1所述的视频文件中水印嵌入和提取的方法，其特征在于，所述水印数据为二进制码流数据，修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，将b个水印数据嵌入该帧视频数据的方法包括步骤：

逐一读取要嵌入的b个二进制数据；

当读取的二进制数据为1时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数，则其自增修改为正偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负奇数，则其自减修改为负偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数或负偶数，则其不变；

当读取的二进制数据为0时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数，则其自增修改为正奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负偶数，则其自减修改为负奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数或负奇数，则其不变；

修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，提取b个水印数据的方法包括步骤：

逐一判断该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数的奇偶，若其为正奇数或负奇数，则提取水印数据0，若其为正偶数或负偶数，则提取水印数据1。

4.如权利要求1所述的视频文件中水印嵌入和提取的方法，其特征在于，所述水印数据为二进制码流数据，修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，将b个水印数据嵌入该帧视频数据的方法包括步骤：

逐一读取要嵌入的b个二进制数据；

当读取的二进制数据为1时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数，则其自增修改为正奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负奇数，则其自减修改为负偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数或负偶数，则其不变；

当读取的二进制数据为0时，判断嵌入位置的离散余弦变换系数的正负及奇偶，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正奇数，则其自增修改为正偶数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为负偶数，则其自减修改为负奇数，若嵌入位置的离散余弦变换系数为正偶数或负奇数，则其不变；

修改该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数，提取b个水印数据的方法包括步骤：

逐一判断该帧视频数据的每个离散余弦变换系数矩阵中绝对值最大的b个离散余弦变换系数的正负及奇偶，若其为正奇数或负偶数，则提取水印数据1，若其为正偶数或负奇数，则提取水印数据0。

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