CN101442657A - 流媒体分布式数字水印体系结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流媒体分布式数字水印体系结构的设计方法，该方法采用“分布式”技术和“GOP分割技术”实现对流媒体视频并行嵌入水印，通过“动态调度技术”提高嵌入效率；采用“加密”技术实现对水印信息加密，提高安全性；通过“DCT域水印”技术对多媒体视频嵌入水印实现版权保护。该系统保持了视频图像质量，提高了嵌入效率，为海量视频数据添加水印提供了一种行之有效的方法。

Description

流媒体分布式数字水印体系结构设计方法

技术领域

本发明属于视频编码及数字版权保护方法，具体涉及到一种流媒体分布式数字水印体系结构的设计方法。

背景技术

随着数字电视的普及和DVD等数字流媒体的广泛应用，标清，高清的高质量视频成为了基本的需求。图像视频质量的大幅提高，使得视频文件的大小也成倍增长，几百个小时的高清电视节目的数据量是惊人的。目前的数字电视和DVD等流媒体，其存储格式仍以MPEG2和H.264等标准为主。盗版等非法复制、传播对数字流媒体所有者造成很大危害，海量数据的版权保护成为了一个迫在眉睫的问题。数字水印技术是用信号处理的方法在声音，图像或视频等数字化多媒体数据中嵌入隐蔽信息的行为。通过隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者，购买者或判断内容是否真实完整的目的。是保护数字媒体信息安全的有效方法。现有的视频数字水印方法对海量数据虽然仍能进行处理，但在处理速度和时间的需求上是越来越不能满足海量数据用户的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种流媒体分布式数字水印体系结构设计方法，该方法能够保持视频图像质量，提高嵌入效率，为海量流媒体视频数据添加水印提供了一种行之有效的方法。

为了实现上述任务，本发明采用的技术解决方案是：

1)建立流媒体分布式数字水印体系结构系统构架；构建由控制服务器和客户机群组成的分布式系统，通过控制服务器以完整的GOP为分割边界分割原始视频，再由客户机并行的对流媒体视频嵌入水印，最后发回控制服务器合成原视频；

2)利用GOP分割技术实现流媒体视频码流的无缝分段；

3)通过动态调度技术，提高对流媒体视频文件嵌入水印的效率；

4)采用加密算法对需嵌入的水印文字信息或图像信息加密操作，经过加密的水印如果没有正确密钥，则不能正确显示水印信息；

5)利用加密后的数字水印信息选择流媒体视频中DCT域满足条件的非零AC系数嵌入水印。

所述GOP分割技术是指，依据时间标签和客户机数量，结合分割片段的长度自适应查找分割点以完整的GOP为分割边界无缝分割视频；

所述动态调度技术是，结合Linux操作系统的网络特性和需嵌入水印的流媒体视频大小，根据系统各个客户机的空闲情况，采用动态调度算法，根据客户机数量把流媒体视频分为若干片段，实时监控各个客户机的任务进度，某台客户机的任务完成空闲时，分发新的未嵌入水印视频段。

本发明是流媒体分布式数字水印体系结构的设计方案。通过研究流媒体视频的码流结构，结合分布式架构，提出一种由控制服务器对流媒体视频文件进行分割，再由客户机并行对其DCT域添加水印，最后再合并成原始视频的方法，保持了视频图像质量，提高了嵌入效率，为海量流媒体视频数据添加水印提供了一种行之有效的方法。

附图说明

图1是本发明分布式水印体系结构示意图。

图2是本发明分割流媒体视频数据示意图。

图3是本发明系统动态调度示意图。

图4是本发明DCT域水印嵌入算法。

图5是本发明流媒体视频数据编码流程示意图。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明不限于这个实施例。

本发明提供一种流媒体分布式数字水印体系结构设计方法，针对流媒体视频码流结构本身特点，结合分布式构架，提高处理速度并兼顾了视频图像质量。本实例以MPEG2为例。

参照图1所示，流媒体分布式数字水印体系结构，由一台控制服务器和若干台客户机组成。通过控制服务器将流媒体视频文件分割成片段放入等待队列。之后采用动态调度技术，进行视频片段的发送，同时将控制参数传递给各个客户机，在收到视频片段与控制参数后，客户机开始对视频嵌入水印，完成后，客户机将嵌入水印后的视频片段传回控制服务器，控制服务器将视频片段进行拼接。

参照图2所示，流媒体视频按完整GOP分割，MPEG2视频序列由GOP组成，若GOP中B帧引用前一个GOP的，这种GOP称为Open GOP，不引用则称为Close GOP，其中GOP中每一帧都有具体的时间标签，其在视频文件中符合线性分布。对需处理的视频依据客户机的数量，按时间标签用多尺度思想进行分析，在粗尺度下，大致定位，然后遍历其附近的视频帧，查找需要截断的精确位置，以完整GOP分割边界，分成若干部分，分割过程中，若分割边界在Open GOP处，向前寻找，直到找到一个Close GOP停止，把其作为流媒体视频的分割边界。

参照图3所示，客户机接收控制服务器中的视频片段以及客户机向控制服务器发送嵌入水印的流媒体片段都是建立在网络文件系统(NFS)技术基础上的。未嵌水印的视频文件与中间过程的视频片段都存放在NFS目录下。客户机传递给客户机的调度命令和控制参数都是通过安全命令行解释器(SSH)来实现的。根据系统各个客户机的空闲情况，采用动态调度算法，根据客户机数量把流媒体视频分为若干片段，实时监控各个客户机的任务进度，某台客户机的任务完成空闲时，分发新的未嵌入水印视频段，充分利用硬件资源，同时可以动态增加和减少客户机的数量，使嵌入水印的总时间达到最小。

参照图4所示，流媒体视频编码标准均采用基于块的混合视频编码结构，每个视频帧被分成固定大小的块，且每个块是联合用运动补偿时间预测和变化编码进行编码的。关键步骤如下：首先，用先基于块的运动估计由前面已编码的参考帧对块进行预测。运动矢量(MV)确定当前块和最佳匹配块之间的位移。预测是由前面的帧基于估计的MV用运动补偿获得的，然后，用DCT对预测误差块进行变换，量化DCT系数，并有可变长编码把它们转化成二进制码字。

参照图5所示，基于DCT的编码已被所有的视频编码标准所采用，本例具体以MPEG2视频为例，为保证嵌入速度和避免对原始视频视觉效果造成影响，选择存在非零AC系数个数大于60的8 x 8块，对最后非零一个AC系数，添加水印。对原始的水印信息进行加密处理，首先为了增强水印的安全性，先对水印信息进行置乱或加密操作。假设V为视频数据，置乱操作的密钥为K，水印信号集合为W，G为水印信号生成函数，则对水印数据进行相应处理，生成的数字水印为

w＝G(W，K)     (1)

本实施例并不规定加密算法，在本实施例中采用Logistic映射作为G函数实现对水印信息加密，根据给定密钥对水印信息进行混沌置乱。Logistic映射方程如下：

x_n+1＝μ·x_n(1-x_n)   (2)

μ为控制参数，其中x n∈(0，1)，μ∈(0，4)。Logistic映射的遍历统计特性等同于零均值白噪声，具有良好的随机性、相关性和复杂性，使得对于混沌序列进行正确的长期预测成为不可能，从而增强数字水印的安全性。

其次，在编码过程中DCT变换后对每帧的所有8×8块的AC系数进行遍历，寻找满足存在非零AC系数数目大于60的8×8块，对其中最后一个非零系数v，嵌入水印，然后再继续完成编码，其具体过程如下：

if w＝0

$v\′=\left\{\begin{array}{cc}v& \mathrm{if\; v}\mathrm{mod}2=0\\ v+1& \mathrm{if\; v}\mathrm{mod}2=1\\ v-1& \mathrm{if\; v}\mathrm{mod}2=-1\end{array}\right.---\left(3\right)$

if w＝1

$v\′=\left\{\begin{array}{cc}v& \mathrm{if\; v}\mathrm{mod}2=1\\ v+1& \mathrm{if\; v}\mathrm{mod}2=0\\ v-1& \mathrm{if\; v}\mathrm{mod}2=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

第三，在嵌入水印数据之前先嵌入标志位和水印长度信息，使之能够循环提取，提高了水印算法的鲁棒性。

提取水印过程为嵌入的逆过程，对嵌入水印的MPEG2编码视频流进行解码获得8×8块数据，寻找满足存在非零AC系数数目大于60的8×8块，对其中最后一个非零系数，按照式(5)分别提出’0’和’1’，得到嵌入水印信息：

$w=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if\; v}\mathrm{mod}2=0\\ 1& \mathrm{if\; v}\mathrm{mod}2=\±1\end{array}\right.---\left(5\right)$ 根据密钥将得到的水印信息进行反置乱得到最终的数字水印信息。提取水印过程不需要原始视频数据，能够实现视频水印的盲检测。

Claims (1)

1、流媒体分布式数字水印体系结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)建立流媒体分布式数字水印体系结构系统构架；构建由控制服务器和客户机群组成的分布式系统，通过控制服务器以完整的GOP为分割边界分割原始视频，再由客户机并行的对流媒体视频嵌入水印，最后发回控制服务器合成原视频；

2)利用GOP分割技术实现流媒体视频码流的无缝分段；依据时间标签和客户机数量，结合分割片段的长度自适应查找分割点以完整的GOP为分割边界无缝分割视频；

3)通过动态调度技术，提高对流媒体视频文件嵌入水印的效率，结合Linux操作系统的网络特性和需嵌入水印的流媒体视频大小，根据系统各个客户机的空闲情况，采用动态调度算法，根据客户机数量把流媒体视频分为若干片段，实时监控各个客户机的任务进度，某台客户机的任务完成空闲时，分发新的未嵌入水印视频段；

4)采用加密算法对需嵌入的水印文字信息或图像信息加密操作，经过加密的水印如果没有正确密钥，则不能正确显示水印信息；

5)利用加密后的数字水印信息选择流媒体视频中DCT域满足条件的非零AC系数嵌入水印。

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