CN101527830A - 水印信息嵌入方法及装置和水印信息认证方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种水印信息嵌入方法及装置和水印信息认证方法及装置，其中水印信息嵌入方法包括：生成待嵌入的水印信息；获取视频数据中当前宏块的参考帧索引；在所述参考帧索引中嵌入所述水印信息。上述水印信息嵌入方法及装置和水印信息认证方法及装置，可以较好地利用水印信息进行保护和认证视频内容，且实现简单，对视频质量影响小。

Description

水印信息嵌入方法及装置和水印信息认证方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及多媒体技术领域，尤其涉及一种水印信息嵌入方法及装置和水印信息认证方法及装置。

背景技术

随着互联网和视频编码技术的不断发展，数字视频不仅会逐步取代模拟视频成为视频存储传输的主要形式，还将促使更多基于视频(如非特别指出，视频即数字视频)的应用出现，在视频应用不断发展的同时，针对视频内容的认证技术也得到快速的发展，其中，数字水印技术是视频内容保护和认证中比较有效的方法，因为视频内容是以编码的形式存储和传输的，所以视频水印方案最好与视频编码标准紧密结合，目前大部分的视频应用，特别是新出现的视频应用，都采用了最新的视频编码标准H.264/高级视频编码(Advanced Video Coding，AVC)。

水印嵌入是数字水印方案中的关键技术，不仅会决定水印提取等技术方案的选取，还会直接影响最终的检测效果；目前，国内外已经出现了多种基于数字水印技术的H.264视频认证方案，其中水印嵌入方法主要包括以下几种：

1、脆弱水印嵌入方法：通过运动估计获得运动矢量，通过修改运动矢量的最低有效位来嵌入水印信号，其中，运动向量的奇偶性表明嵌入了0或1。

具体而言，普通编码器在进行运动估计时，需要计算匹配的最优位置，获得运动矢量，本技术是在所有奇偶性与水印信号相同的运动矢量中，选取最优的一个作为当前编码块的运动矢量进行编码。

2、可擦除水印方案：在嵌入过程中，码流中的部分“跳过(skipped)宏块”会被修改，而修改的结果用于体现嵌入水印信息；水印提取之后修改随即会被擦除，对视频质量没有影响；如图1所示，为现有技术可擦除水印方法的水印嵌入和提取过程示意图，其中，内部画有斜线的小正方代表skipped宏块，内部画有圆球的小正方形代表嵌入水印的宏块，原始码流中skipped宏块除一个标记信息外没有其他的信息，嵌入算法选择合适的skipped宏块写入水印信息，选择的标准不能对视频质量和比特率产生较大的影响。

但是，对于第一种方法，通过修改运动向量来嵌入水印信息是经典的视频水印嵌入方法，虽然已经被广泛应用于基于运动图像专家组(MPEG)系列标准中的MPEG-2和MPEG-4标准的水印认证方案中，但在H.264/AVC标准中首次引入的多参考帧方案中，运动向量必须结合参考帧索引(Reference FrameIndex)才能正确指示预测块的位置，所以与MPEG-2方案相比，单纯在运动向量中嵌入水印难以达到较好的认证效果；对于第二种方案，由于通常情况下，H.264视频码流中skipped宏块的数量较少，所以单帧嵌入水印信息负载会比较低，而对没有嵌入水印的宏块，必须要有额外的方法认证其内容，增加了方案的复杂性。

发明内容

本发明实施例提供一种水印信息嵌入方法及装置和水印信息认证方法及装置，以实现较好地利用水印信息进行保护和认证视频内容。

本发明实施例提供一种水印信息嵌入方法，该方法包括：

生成待嵌入的水印信息；

获取视频数据中当前宏块的参考帧索引；

在所述参考帧索引中嵌入所述水印信息。

本发明实施例提供一种水印信息嵌入装置，该装置包括：

生成单元，用于生成待嵌入的水印信息；

第一获取单元，用于获取视频数据中当前宏块的参考帧索引；

嵌入单元，用于在所述参考帧索引中嵌入所述水印信息。

上述水印信息嵌入方法及装置，通过在H.264/AVC标准中新出现的码流元素即参考帧索引中嵌入水印信息，可以较好地保护视频内容，且只需修改参考索引帧的末位比特信息，对视频质量影响小。

本发明实施例提供一种水印信息认证方法，该方法包括：

解析视频数据得到参考帧索引值；

提取所述参考帧索引值的末位比特信息；

获取嵌入所述视频数据的水印信息；

比较所述末位比特信息与所述水印信息是否相同，若相同，判定所述视频没有被篡改，否则，判定所述视频被篡改。

本发明实施例提供一种水印信息认证装置，该装置包括：

解析单元，用于解析视频数据得到参考帧索引值；

提取单元，提取所述参考帧索引值的末位比特信息；

第二获取单元，用于获取嵌入所述视频数据的水印信息；

认证单元，用于比较所述末位比特信息与所述水印信息是否相同，若相同，判定所述视频没有被篡改，否则，判定所述视频被篡改。

上述水印信息认证方法及装置，通过比较嵌入的水印信息和提取的参考帧索引值的末位比特信息，对视频内容进行有效认证，实现非常简单。

下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术可擦除水印方法的水印嵌入和提取过程示意图；

图2为本发明水印信息嵌入方法实施例的流程图；

图3为本发明获取次优参考帧索引实施例的流程图；

图4为本发明水印信息嵌入装置实施例的结构示意图；

图5为本发明水印信息认证方法实施例的流程图；

图6为本发明水印信息认证装置实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供的水印信息嵌入方法，通过在视频的绝大部分宏块中嵌入了水印信息，较好地保护了视频内容；同时通过只修改最优参考帧的末位比特位来嵌入水印信息，使得编码效率大大提高，实现非常简单。

本发明实施例水印信息嵌入方法包括：

生成待嵌入的水印信息；

获取视频数据中当前宏块的参考帧索引；

在所述参考帧索引中嵌入所述水印信息。

如图2所示，为本发明水印信息嵌入方法实施例的流程图，该方法具体包括：

步骤101、生成待嵌入的水印信息；

生成待嵌入的水印信息的方法有多种，例如可以根据密钥生成随机数，上述随机数即为待嵌入的水印信息，也可以根据哈希函数生成视频内容摘要，上述视频内容摘要即为待嵌入的水印信息；上述水印信息为0/1比特串；

步骤102、对当前宏块进行运动估计获取最优参考帧索引和次优参考帧索引；

上述操作可以从编码视频序列中的预定帧开始，对当前宏块进行运动估计获取最优参考帧索引(ref_Idx)和次优参考帧索引，上述预定帧为第二个前向时间预测帧P帧，编码器在寻找最优参考帧索引的同时将次优参考帧索引记录在一新增的存储单元中，获取次优参考帧的原则是编码效率仅次于最优参考帧而高于其他所有参考帧，且和最优参考帧的奇偶性不同，即末位比特位不同；在遍历所有参考帧索引值以确定最优参考帧索引值的过程中，获取次优参考帧索引，如图3所示为本发明获取次优参考帧索引实施例的流程图，该过程包括以下步骤：

步骤1021、比较当前参考帧的编码代价是否小于最优参考帧的编码代价，若是，则执行步骤1022，否则，执行步骤1023；

步骤1022、判断当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性是否相同，若不同，执行步骤1024，否则，操作结束；

步骤1023、比较当前参考帧的编码代价是否小于次优参考帧的编码代价，若是，则执行步骤1025，否则，操作结束；

步骤1024、将最优参考帧索引作为次优参考帧索引；

步骤1025、判断当前参考帧索引与次优参考帧索引的奇偶性是否相同，若是，执行步骤1026，否则，操作结束；

步骤1026、将当前参考帧索引作为次优参考帧索引。

由此可见，次优参考帧索引是所有奇偶性与ref_Idx不同的参考帧索引中，编码效率最好的索引值。

由于水印信息是嵌入到参考帧索引码流元素中，所以只有P/双向预测帧(B)帧中嵌入了水印信息，但并非所有P/B帧的宏块都嵌入了水印信息，以下两种情况宏块中不能嵌入水印信息：如果当前宏块写入码流的模式是跳过宏块(Skipped Macro-block)或者是帧内宏块(Intra Macro-block)，将不存在运动信息，所以就无法嵌入水印信息；另外，因为立即解码刷新(Instantaneous Decoding Refresh，IDR)帧后的第一个P帧只有一个参考帧，没有嵌入水印的空间，所以该帧的所有宏块也不能嵌入信息；

步骤103、判断最优参考帧索引的末位比特位与待嵌入的水印信息的当前比特位是否相同，若不同，则执行步骤104，否则，保持最优参考帧索引值不变；

步骤104、用次优参考帧索引代替最优参考帧索引，即将最优参考帧的值更新为次优参考帧索引的值。

若最优参考帧索引的末位比特位与待嵌入的水印信息的当前比特位相同，则不需要嵌入水印信息；若最优参考帧索引的末位比特位与待嵌入的水印信息的当前比特位不相同，则用次优参考帧索引代替最优参考帧索引，此时次优参考帧索引与最优参考帧索引只差1，编码效率最好，通过该法获得的最优参考帧索引即为嵌入水印后的参考帧索引。

为了检验采用上述方法嵌入水印信息的视频质量，该实施例选择4组内容有较大差异的视频，每组视频包括100帧图像，将每10帧作为一个编码视频序列，所以总共有40个编码视频序列；编码器选择基本档(BaselineProfile)，在不同的量化参数条件下嵌入水印，观察其对视频质量的影响，如表1所示，通过对比嵌入水印前后峰值信噪比(PSNR)和比特率的变化，可以看出水印嵌入对视频质量影响较小。

表1嵌入水印后对视频质量影响情况

上述实施例只是嵌入水印信息的一个例子，对于通过需要将水印信息嵌入到载体中的其它情况也可应用该方法，例如对于隐写技术，需要将秘密信息嵌入到载体信号内部，以隐秘的方式通过公共通信特别是互联网传递信息。

上述水印信息嵌入方法，通过在H.264/AVC标准中新出现的码流元素即参考帧索引中嵌入水印信息，通过修改参考帧索引的奇偶性达到嵌入水印信息的目的，从奇偶性与最优参考帧索引不同的索引值中选择最为接近的次优值代替最优参考帧索引值写入码流。且从第二个P帧开始嵌入水印信息，由于在嵌入水印的P/B帧中，除去少量的Skipped宏块和帧内预测宏块外，其它宏块都嵌入了水印信息，因而可以较好地保护视频内容；另外，该方法只需修改参考索引帧的末位比特信息，对视频质量的影响较小，相应地进行水印认证时只需要将参考帧索引的末位比特信息提取出来与嵌入的水印信息比较，即可实现水印认证。。

如图4所示，为本发明水印信息嵌入装置实施例的结构示意图，该装置包括：生成单元11，用于生成待嵌入的水印信息；第一获取单元12，用于获取视频数据中当前宏块的参考帧索引；嵌入单元13，用于在所述参考帧索引中嵌入所述水印信息。

其中，上述水印信息可以为根据密钥生成的随机数，也可以为根据哈希函数生成的视频内容摘要等；上述参考帧索引包括最优参考帧索引和次优参考帧索引，上述第一获取单元用于对当前宏块进行运动估计获取最优参考帧索引和次优参考帧索引。上述第一获取单元可以包括：比较单元，用于比较当前参考帧的编码代价是否小于最优参考帧的编码代价和当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性是否相同；第一更新单元，用于当当前参考帧的编码代价小于最优参考帧的编码代价且当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性不同时，用最优参考帧索引值更新次优参考帧索引；第二更新单元，用于当当前参考帧的编码代价大于等于最优参考帧的编码代价且当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性不同时，比较当前参考帧的编码代价是否小于次优参考帧的编码代价和当前参考帧索引与次优参考帧索引的奇偶性是否相同，若当前参考帧的编码代价小于次优参考帧的编码代价且当前参考帧索引与次优参考帧索引的奇偶性相同，则用当前参考帧索引值更新次优参考帧索引值；上述嵌入单元包括：判断单元，用于判断最优参考帧索引的末位比特位与待嵌入的水印信息的当前比特位是否相同；第三更新单元，用于在所述判断单元判断所述最优参考帧索引的末位比特位与待嵌入的水印信息的当前比特位不同时，用所述次优参考帧索引值更新所述最优参考帧索引值。

上述水印信息嵌入装置，通过生成单元生成待嵌入的水印信息，通过获取单元获取编码视频序列中从第二个P帧开始的所有帧的宏块的最优参考帧索引和次优参考帧索引，通过代替模块将水印信息嵌入到参考帧索引中，且因为在嵌入水印的P/B帧中，除去少量的Skipped宏块和帧内预测宏块外，其它宏块都嵌入了水印信息，因而可以较好地保护视频内容；另外，因只需修改参考索引帧的末位比特信息，对视频质量影响小，且实现简单。

如图5所示，为本发明水印信息认证方法实施例的流程图，该方法具体包括：

步骤201、解析视频数据得到参考帧索引值；

解析码流得到参考帧索引值ref_Idx；

步骤202、提取上述参考帧索引值的末位比特信息；

通过求模取余的方法提取上述参考帧索引值的末位比特信息，即ref_Idx mod 2的结果为提取的水印信息，上述提取的水印信息可以构成一个比特序列；

步骤203、获取嵌入上述视频数据的水印信息；

根据生成待嵌入水印信息的密钥重新生成随机数，该随机数即为水印信息；

步骤204、比较上述比特序列与上述水印信息是否相同，若相同，则判定上述视频没有被篡改，否则，判定上述视频被篡改。

将提取的比特序列与上述水印信息进行比较，若相同则说明视频数据的内容没有发生变化，若不同，则说明视频数据的内容被篡改，另外，还可以利用发生变化的比特位置确定篡改发生的位置。

视频篡改操作很容易引起运动特征发生改变，进而造成参考帧索引值发生变化，通过检测水印信息发生变化的位置，就可以确定视频内容发生变化的位置，上述认证方法可以检测常见的视频篡改操作，例如通过P/B帧的插入与删除进行时间轴篡改或通过修改某一P/B帧的内容进行空间篡改。

另外，为了增加认证过程的安全性，需要抵抗各种攻击例如拷贝攻击，对于拷贝攻击可以选择使用哈希(HASH)函数生成待嵌入的水印信息和采用同样的函数重新生成视频内容摘要作为水印信息进行认证，采用HASH函数从一个码流的视频编码序列(CVS)中提取摘要信息，提取的对象是I帧和其后的第一个P帧，预先设定其长度为L，作为待嵌入的水印信息W，利用本发明水印信息嵌入方法将水印信息W嵌入到其他的P/B帧中，由于该方法嵌入量较大且实现简单，适应视频信息量大且需要实时处理的要求，因为伪造视频摘要内容比较困难，攻击者不能获得篡改之后视频的摘要信息，也就无法将其重新嵌入到码流中掩盖篡改操作，因而相应的拷贝攻击也就无效了。

上述水印信息认证方法，通过比较嵌入前和提取后的水印信息，对视频内容进行有效认证，且实现计算复杂度低，实现非常简单。

如图6所示，为本发明水印信息认证装置实施例的结构示意图，该装置具体包括：解析单元21，用于解析视频数据得到参考帧索引值；提取单元22，提取上述参考帧索引值的末位比特信息；第二获取单元23，用于获取嵌入上述视频数据的水印信息；认证单元24，比较上述末位比特信息与上述水印信息是否相同，若相同，判定所述视频没有被篡改，否则，判定所述视频被篡改。

其中，上述提取单元具体为计算提取单元，用于通过求模取余的方法提取上述参考帧索引值的末位比特信息；上述水印信息可以为根据密钥生成的随机数，也可以为根据哈希函数生成的视频内容摘要；另外，上述装置还可以包括确定单元，用于根据发生变化的比特位置确定篡改发生的位置。

上述水印信息认证装置，通过解析单元解析码流得到参考帧索引值，通过提取单元提取上述参考帧索引值的末位比特信息，通过第二获取单元获取嵌入的水印信息，最后通过确定单元比较嵌入前和提取后的水印信息，对视频内容进行有效认证。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (20)

1、一种水印信息嵌入方法，其特征在于包括：

生成待嵌入的水印信息；

获取视频数据中当前宏块的参考帧索引；

在所述参考帧索引中嵌入所述水印信息。

2、根据权利要求1所述的水印信息嵌入方法，其特征在于所述生成待嵌入的水印信息包括：

根据密钥生成随机数，将所述随机数确定为待嵌入的水印信息；或

根据哈希函数生成视频内容摘要，将所述视频内容摘要确定为待嵌入的水印信息。

3、根据权利要求1或2所述的水印信息嵌入方法，其特征在于所述获取视频数据中当前宏块的参考帧索引包括：

对当前宏块进行运动估计获取最优参考帧索引和次优参考帧索引。

4、根据权利要求3所述的水印信息嵌入方法，其特征在于所述对当前宏块进行运动估计获取最优参考帧索引和次优参考帧索引包括：

从编码视频序列中的预定帧开始，对当前宏块进行运动估计获取最优参考帧索引和次优参考帧索引。

5、根据权利要求4所述的水印信息嵌入方法，其特征在于所述预定帧为第二个前向时间预测帧P帧。

6、根据权利要求5所述的水印信息嵌入方法，其特征在于所述对当前宏块进行运动估计获取次优参考帧索引包括：

比较当前参考帧的编码代价是否小于最优参考帧的编码代价和当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性是否相同；

若当前参考帧的编码代价小于最优参考帧的编码代价且当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性不同，则将最优参考帧索引作为次优参考帧索引；

若当前参考帧的编码代价大于等于最优参考帧的编码代价且当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性不同，则比较当前参考帧的编码代价是否小于次优参考帧的编码代价和当前参考帧索引与次优参考帧索引的奇偶性是否相同，若当前参考帧的编码代价小于次优参考帧的编码代价且当前参考帧索引与次优参考帧索引的奇偶性相同，则将当前参考帧索引作为次优参考帧索引。

7、根据权利要求6所述的水印信息嵌入方法，其特征在于所述在所述参考帧索引中嵌入所述水印信息包括：

判断最优参考帧索引的末位比特位与待嵌入的水印信息的当前比特位是否相同，若不同，则用所述次优参考帧索引值更新所述最优参考帧索引值。

8、一种水印信息嵌入装置，其特征在于包括：

生成单元，用于生成待嵌入的水印信息；

第一获取单元，用于获取视频数据中当前宏块的参考帧索引；

嵌入单元，用于在所述参考帧索引中嵌入所述水印信息。

9、根据权利要求8所述的水印信息嵌入装置，其特征在于所述水印信息为根据密钥生成的随机数或根据哈希函数生成的视频内容摘要。

10、根据权利要求8或9所述的水印信息嵌入装置，其特征在于所述参考帧索引包括最优参考帧索引和次优参考帧索引，所述第一获取单元用于对当前宏块进行运动估计获取所述最优参考帧索引和所述次优参考帧索引。

11、根据权利要求10所述的水印信息嵌入装置，其特征在于所述第一获取单元包括：

比较单元，用于比较当前参考帧的编码代价是否小于最优参考帧的编码代价和当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性是否相同；

第一更新单元，用于当当前参考帧的编码代价小于最优参考帧的编码代价且当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性不同时，用最优参考帧索引值更新次优参考帧索引值；

第二更新单元，用于当当前参考帧的编码代价大于等于最优参考帧的编码代价且当前参考帧索引与最优参考帧索引的奇偶性不同时，比较当前参考帧的编码代价是否小于次优参考帧的编码代价和当前参考帧索引与次优参考帧索引的奇偶性是否相同，若当前参考帧的编码代价小于次优参考帧的编码代价且当前参考帧索引与次优参考帧索引的奇偶性相同，则用当前参考帧索引值更新次优参考帧索引值。

12、根据权利要求11所述的水印信息嵌入装置，其特征在于所述嵌入单元包括：判断单元，用于判断最优参考帧索引的末位比特位与待嵌入的水印信息的当前比特位是否相同；第三更新单元，用于在所述判断单元判断所述最优参考帧索引的末位比特位与待嵌入的水印信息的当前比特位不同时，用所述次优参考帧索引值更新所述最优参考帧索引值。

13、一种水印信息认证方法，其特征在于，包括：

解析视频数据得到参考帧索引值；

提取所述参考帧索引值的末位比特信息；

获取嵌入所述视频数据的水印信息；

比较所述末位比特信息与所述水印信息是否相同，若相同，判定所述视频没有被篡改，否则，判定所述视频被篡改。

14、根据权利要求13所述的水印信息认证方法，其特征在于所述提取所述参考帧索引值的末位比特信息包括：

通过求模取余的方法提取所述参考帧索引值的末位比特信息。

15、根据权利要求13或14所述的水印信息认证方法，其特征在于所述获取嵌入所述视频数据的水印信息包括：

获取生成嵌入到所述视频数据中的水印信息的密钥后，根据所述密钥生成随机数，将所述随机数确定为水印信息；或

获取生成嵌入到所述视频数据中的水印信息的哈希函数后，根据所述哈希函数生成视频内容摘要，将所述视频内容摘要确定为水印信息。

16、根据权利要求15所述的水印信息认证方法，其特征在于所述判定所述视频被篡改之后还包括：

根据发生变化的比特位置确定篡改发生的位置。

17、一种水印信息认证装置，其特征在于包括：

解析单元，用于解析视频数据得到参考帧索引值；

提取单元，提取所述参考帧索引值的末位比特信息；

第二获取单元，用于获取嵌入所述视频数据的水印信息；

认证单元，用于比较所述末位比特信息与所述水印信息是否相同，若相同，判定所述视频没有被篡改，否则，判定所述视频被篡改。

18、根据权利要求17所述的水印信息认证装置，其特征在于所述提取单元具体为：计算提取单元，用于通过求模取余的方法提取所述参考帧索引值的末位比特信息。

19、根据权利要求17或18所述的水印信息认证装置，其特征在于所述水印信息为根据密钥生成的随机数或根据哈希函数生成的视频内容摘要。

20、根据权利要求19所述的水印信息认证装置，其特征在于还包括：

确定单元，用于根据发生变化的比特位置确定篡改发生的位置。

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