CN101527850A - 一种基于运动估计的视频自恢复水印方法 - Google Patents

Abstract

一种基于运动估计的视频自恢复水印方法，包括水印嵌入和水印检测，水印嵌入包括认证水印嵌入和自恢复水印嵌入，自恢复水印的嵌入包含自恢复水印的生成和嵌入；水印检测包括自恢复水印的检测和帧图像自恢复，自恢复水印检测中，检测目标I帧是否有篡改，如果有篡改，则执行帧图像自恢复；如果未检测到篡改，则不需执行；帧图像自恢复中，如果参考I帧检测到篡改，采取依赖自恢复方式，如果未检测到篡改，采用独立自恢复方式；本发明在生成过程中减少了嵌入水印的数据量以及提高嵌水印视频的质量；在嵌入过程中通过映射嵌入和区域互斥策略隐藏嵌入位置提高了水印的安全性；并且在有损压缩的过程中参考帧信息并不会被丢失，显著改善自恢复帧图像的视觉质量。

Description

一种基于运动估计的视频自恢复水印方法

技术领域

本发明涉及一种多媒体数字水印嵌入和检测方法，特别涉及一种基于运动估计的视频自恢复水印方法。

背景技术

现代数字多媒体技术的发展使人们可以轻易地实现多媒体数据的“无缝”修改；而互联网的发达又使得人们可以方便地传播和获取各类多媒体数据，使数字产品的侵权和内容篡改行为变得难以防范。因此，多媒体数据处理和网络通信技术在给人们带来好处和方便的同时，也在一定程度上降低了人们对媒体数据本身的信赖程度。所以，如何对信息进行有效认证和完整性保护是一个迫切需要解决的技术问题。

为了确保多媒体数据的可信度，一种通过验证数据信息的完整性、数据来源的可靠性以及数据的真实性来保护多媒体数据的技术——多媒体认证技术应运而生。虽然多媒体认证技术根源于密码学领域的文本信息认证技术，但是近年来却发展成了一个独立的新领域。数字水印是用来进行多媒体内容认证的主要方法之一。在使用数字水印方法的多媒体认证技术中，按照认证的程度可以分为篡改检测、篡改定位和篡改自恢复等几个层次类别。

篡改自恢复则是更有效的认证类型，在进行有效的篡改定位后，它能在不借助其它外界信息的前提下尽可能地对被篡改的宿主内容进行恢复，近似地重现其被篡改前的状态，有利于获得较为彻底的认证结果，甚至可能使被篡改的宿主媒体重新获得其使用价值。因此，近年来有许多研究对自恢复水印进行了探讨。为了恢复目标媒体，需要把目标媒体的内容通过一定的编码方法转换成水印信号，并嵌入到该宿主媒体中。在极端情况下，如果能从嵌入的水印中获取整个媒体的精确信息，则能完全恢复该媒体。一般来说，由于自恢复水印需要包含目标媒体的内容信息，所需的容量都比较大，嵌入水印后的宿主媒体视觉质量容易引入较大的失真；而减小自恢复水印数据量又容易使恢复媒体的质量达不到要求。所以必须在压缩目标媒体的内容以减小自恢复水印的数据量和保持足够的媒体恢复质量之间取得平衡。

目前对于静态图像自恢复水印已经有了一些技术。在静态图像领域中，产生自恢复水印的通常做法是将整个或部分图像压缩，把压缩后的信息作为水印信号嵌入到图像自身。通过减小自恢复水印的数据量，还能够更加灵活地分配其嵌入的位置，降低目标图像与相应的自恢复水印同时遭受篡改的概率，从而提高水印的安全性。如Fridrich等(参见Fridrich J，GoljanM.Images with self correcting capabilities.Proceedings of InternationalConference on Image Processing.Koke，Japan，1999：25228.)提出中低频DCT系数包含了图像块的主要内容信息，因此可以通过仅保留中低频DCT系数来限制自恢复水印的数据量。Lin等(参见Lin C Y，Chang S F.Semi-Fragile Watermarking for AuthenticationJPEG Visual Content.Proceedings of the SPIE International Conference on Securityand Watermarking of Multimedia Contents II，USA，January 2000，vol.3971.)提出先缩减图像的分辨率，再分块进行DCT变换和量化，以形成自恢复信息，该方法主要以损失恢复图像的分辨率来换取合适的水印数据量，所获得的恢复图像质量较低。Mohaddam等(参见Moghaddam B，Biermann H，Margaritis D.Defining Image Content with MultipleRegions-of-Interest.In：proceeding of IEEE Workshop on Content-Based Access ofImage and Video Libraries，June 1999.pp.89-93.)认为用户往往只对感兴趣区域(RegionOf Interest，ROI)的篡改要求定位和恢复，感兴趣区域是指图像中最能引起用户关注，最能表现图像主要内容的主要区域。据此任娟等(参见任娟，王蕴红，谭铁牛.基于感兴趣区域的图像认证与自恢复算法.自动化学报，2004，Vol.30(6)，pp.833-843.)等提出自恢复算法应该只关注目标图像的感兴趣区域，并把ROI水印嵌入到背景中，这样能较好的满足水印容量的限制。

在视频自恢复水印中，现有的技术大多直接继承了静态图像自恢复水印技术，即把每个I帧看作独立的静态图像进行自恢复，这类方法有一定的局限性：首先，这类方法没有考虑到视频内容的相关性，没有利用视频I帧之间的运动关系，使得其所需水印容量较大，恢复效果也很不理想，往往很难达到篡改自恢复的质量要求；其次，在视频有损压缩的过程中，由于I帧本身自恢复水印也会造成损失因此据此进行自恢复很难保证稳定性；再次，由于进行把每个I帧独立看待，自恢复水印仍然嵌入其所在的I帧，因此篡改者很容易定位自恢复水印的位置从而实施破坏；最后，由于视频格式的不同造成压缩方法的不同，这种只用于I帧本身的自恢复水印与压缩格式和压缩方法本身直接关联，因此适应性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于运动估计的视频自恢复水印方法，该方法使用相邻I帧进行运动估计及补偿产生自恢复水印，以减小自恢复水印数据量，从而抑制嵌水印视频的失真，同时改善自恢复帧图像的视觉质量；并使用映射嵌入和区域互斥等策略提高水印安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于运动估计的视频自恢复水印方法，包括水印嵌入和水印检测两大部分，水印嵌入包括认证水印嵌入和自恢复水印嵌入两个过程，认证水印嵌入在每个I帧嵌入，认证水印嵌入后进行自恢复水印嵌入过程；自恢复水印的嵌入过程包含自恢复水印的生成和自恢复水印的嵌入两个步骤，先进行自恢复水印的生成，然后进行自恢复水印的嵌入；水印检测包括自恢复水印的检测和帧图像自恢复两大部分，在自恢复水印检测过程中，首先检测目标I帧是否有篡改，如果检测到篡改，则执行帧图像自恢复的过程；如果没有检测到篡改，则不需执行此过程；其中帧图像自恢复过程需要根据参考I帧是否检测到篡改分别采取依赖自恢复方式或独立自恢复方式，如果参考I帧检测到篡改，则采取依赖自恢复方式，如果未检测到篡改，则采用独立自恢复方式；

自恢复水印的生成过程为：

(1)将整个目标I帧图像划分为所需要一定大小的宏块；

(2)对于每个宏块，参考上一个邻近的I帧进行运动估计和补偿，产生包含原始像素的宏块INTRA与仅包括像素残差并伴随着相应的运动向量的宏块INTER；

(3)将步骤(2)中的每个宏块进一步划分为8×8大小的块，进行DCT变换，然后用量化因子Q对变换后的DCT系数进行量化；

(4)对于经过上一步量化后的DCT系数，保留其中的L个DCT量化系数；

(5)对于INTER宏块，判断某个块中所保留的L个DCT量化系数是否全为0，如果是，则将该块标记为SKIP，而不保存实际的块；如果不是，则保留实际的块；

(6)将需要保存的块以及相应的运动向量和预测模式信息以宏块为单位进行组合，并采用无损压缩算法进行压缩，获得自恢复水印；

自恢复水印的嵌入过程如下：

(1)根据每个图像组(Group of pictures，GOP)中P帧的数量m，将水印相应地划分为m个区域；

(2)计算每个区域所对应的嵌入范围；

(3)按照密钥将区域的嵌入顺序置乱并按照区域互斥策略选择嵌入区域；

(4)判断嵌入方式为顺序嵌入或映射嵌入，如果为映射嵌入方式，则根据映射函数F计算目标GOP的序号；如果为顺序嵌入方式，则以当前GOP中的P帧为嵌入目标；

(5)逐次将每个区域的水印信号嵌入到目标GOP中P帧对应的嵌入范围中；

所述的独立自恢复方式如下：

(1)从P帧中提取到的自恢复水印；

(2)解析自恢复信息，得到INTRA和INTER两种类型的宏块，其中INTER类型的宏块包含有运动向量信息；

(3)对INTER宏块，如果被标记为SKIP，则将其前L个DCT量化系数全部置为0；

(4)每个8×8块中被L裁减掉的DCT量化系数全部置为0；

(5)用量化因子Q对每个块进行反量化，然后再进行DCT反变换，获得残差像素值；

(6)对INTER宏块，根据其分块中的像素残差及运动向量，参考前一个I帧进行运动补偿，获得实际自恢复像素宏块；

(7)目标I帧中篡改定位所标记的宏块位置，用相应的实际自恢复像素宏块对其进行替换；

所述的依赖自恢复方式如下：

(1)I帧进行自恢复过程，如果可独立自恢复则进行自恢复；如果参考I帧仍然检测到篡改，则继续回溯直到找到一个可独立自恢复的I帧为止，并根据此I帧依次向后恢复直到参考I帧恢复完成；

(2)从P帧中提取到的自恢复水印；

(3)解析自恢复信息，得到INTRA和INTER两种类型的宏块，其中INTER类型的宏块包含有运动向量信息；

(4)对INTER宏块，如果被标记为SKIP，则将其前L个DCT量化系数全部置为0；

(5)每个8×8块的被L裁减掉的DCT量化系数全部置为0；

(6)用量化因子Q对每个块进行反量化，然后再进行DCT反变换，获得残差像素值；

(7)对INTER宏块，根据其分块中的像素残差及运动向量，参考帧I_R进行运动补偿，获得实际自恢复像素宏块；

(8)目标I帧中篡改定位所标记的宏块位置，用相应的实现自恢复像素宏块对其进行替换。

所述的在自恢复水印嵌入之前的认证水印嵌入采用压缩域半脆弱水印嵌入方法。

在所述的自恢复水印生成过程中，INTER和INTRA宏块采用如下方法生成：

a.对于每一个宏块，参照上一个相邻I帧进行运动估计块匹配；

b.如果运动估计匹配成功，则该宏块标记为INTER类型，并记录包含像素残差和运动向量的数据，而不记录块中原始的像素数据；

c.如果运动估计匹配失败，则该宏块标记为INTRA类型，并记录块中原始的像素数据。

在所述自恢复水印的嵌入过程中根据具体应用选择映射嵌入或顺序嵌入，如果自恢复水印是在已编码的视频流中嵌入，则选择映射嵌入，使自恢复水印远离目标帧以提高水印安全性；如果自恢复水印是在编码过程中嵌入，则选择顺序嵌入。

在自恢复水印嵌入过程中对于嵌入位置采取密钥置乱和区域互斥策略的步骤如下：

a.根据某个GOP中P帧的数量将目标I帧的自恢复水印划分成相同数量的不相交区域；

b.根据某个给定的密钥数值对嵌入区域的顺序进行置乱，置乱后的区域依次嵌入到GOP的每个P帧中；

c.某个区域的自恢复水印嵌入一个P帧时，采用区域互斥策略，互斥基本原则为自恢复水印在P帧中的嵌入位置与其目标内容所在的区域互不重叠。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

(1)本发明所述的基于运动估计的视频自恢复水印方法在相邻I帧(Intra-coded)间运用运动估计与补偿算法生成自恢复水印，明显减小自恢复水印的数据量并提高嵌水印视频的视觉质量；

(2)本发明所述的基于运动估计的视频自恢复水印方法充分利用视频内容的相关性，在有损压缩的过程中参考帧信息并不会被丢失，因此能显著改善自恢复帧图像的视觉质量；

(3)本发明所述的基于运动估计的视频自恢复水印方法通过映射嵌入和区域互斥策略，避免自恢复水印遭到破坏，增强了水印的安全性。

(4)在进行自恢复水印的生成过程中，将视频分为INTRA和INTER两种类型的宏块。其中INTER是对相邻I帧使用运动估计算法后得到的仅包含像素残差和运动向量的数据，这里使用的运动估计算法可以根据实际视频压缩格式和实际需要采用任何一种已知的运动估计算法，具有较好的适应性。

(5)本发明所述的基于运动估计的视频自恢复水印方法可在扩展后用于其它压缩标准视频的自恢复水印方法中，也可与其它一些自恢复水印生成方法结合使用，具有良好的可扩展性。

(6)本发明根据具体应用选择映射嵌入或顺序嵌入。如果是在已编码的视频流中嵌入，则可以选择映射嵌入策略使自恢复水印远离目标帧以提高水印安全性；如果是在编码过程中嵌入，则选择顺序嵌入策略，提高了安全性。

(7)本发明在P帧提取的自恢复水印信息是包含运动向量和像素残差的自恢复信息，为了恢复目标帧I_D，还需要已知其运动估计的参考帧信息I_R。在独立自恢复中参考帧I_R是可信的。在提取自恢复信息后，与参考帧I_R信息相加即可得到目标帧的I_D的完整恢复信息。而在自恢复前的认证水印提取过程可以定位遭到篡改的位置，根据这些位置信息可以有针对性地进行自恢复过程，进一步提高恢复I帧图像的质量。

(8)本发明在嵌入自恢复水印之前首先嵌入可用于检测篡改的认证水印。认证水印可以使用任何一种已知的压缩域半脆弱水印嵌入方法，这样一旦视频帧受到篡改，在检测水印之前首先提取认证水印的过程中就可以检测到篡改并知道篡改的位置。根据这些信息利用自恢复水印对I帧进行有针对性的区域自恢复，进一步达到更好的恢复效果。

附图说明

图1为本发明方法整体框架结构图；

图2为本发明中的自恢复水印生成过程示意图；

图3为本发明中的DCT量化系数选择过程示意图；

图4为本发明中的自恢复水印嵌入过程示意图；

图5为本发明中的区域互斥策略选取位置示意图；

图6为本发明中的独立自恢复过程示意图；

图7为本发明中的以来自恢复过程示意图。

具体实施方式

本发明的基于运动估计的视频自恢复水印方法的整体框架图如图1所示。整体流程包括水印嵌入和水印提取两大部分。在水印嵌入过程中，为了检测篡改首先对每个I帧嵌入认证水印，然后进行如图中左侧虚线框内所示的自恢复水印的嵌入过程。其中自恢复水印嵌入过程又包括自恢复水印的生成和自恢复水印的嵌入两个步骤。在水印提取过程中，首先检测目标I帧是否有篡改，如果检测到篡改，则执行如图右侧虚线框所示的帧图像自恢复的过程；如果没有检测到篡改，则不需执行此过程。其中帧图像自恢复过程需要根据参考I帧是否检测到篡改分别采取依赖自恢复和独立自恢复方式。

在嵌入自恢复水印之前首先嵌入可用于检测篡改的认证水印。认证水印可以使用任何一种已知的压缩域半脆弱水印嵌入方法，这样一旦视频帧受到篡改，在检测水印之前首先提取认证水印的过程中就可以检测到篡改并知道篡改的位置。根据这些信息利用自恢复水印对I帧进行有针对性的区域自恢复，进一步达到更好的恢复效果。

本发明的基于运动估计的视频自恢复水印方法的自恢复水印生成过程如图2所示，对于其中需要嵌入水印的目标I帧按照如下方法生成自恢复水印。

步骤1：将整个目标I帧图像划分为一定大小的宏块，其中一定大小要满足长宽相等和变长为8的倍数两个条件；本实施例采用16×16大小的宏块。

步骤2：对于每个宏块，参考上一个邻近的I帧进行运动估计和补偿，产生包含原始像素的宏块INTRA与仅包括像素残差并伴随着相应运动向量的宏块INTER；

步骤3：将每个宏块进一步划分为8×8大小的块，进行DCT变换，然后用量化因子Q对变换后的DCT系数进行量化；

步骤4：对于经过上一步量化后的DCT系数，保留其中的L个系数；

步骤5：对于INTER宏块，判断其中所保留的L个DCT量化系数是否全为0。如果是，则将该块标记为SKIP，而不保存实际的块；如果不是，则保留；

步骤6：将需要保存的块以及相应的运动向量和预测模式信息以宏块为单位进行组合，并采用无损压缩算法进行压缩，获得自恢复水印。

在自恢复水印的生成过程中，步骤2将视频分为INTRA和INTER两种类型的宏块。其中INTER类型保存的是对相邻I帧使用运动估计算法后得到的仅包含残差和运动向量的数据，INTRA类型保存的是原始的块。

在自恢复水印生成过程中，INTER和INTRA宏块按照如下方法生成：

1)对于每一个宏块，参照上一个相邻I帧进行运动估计块匹配；

2)如果运动估计匹配成功，则该宏块标记为INTER类型，并记录包含像素残差和运动向量的数据，而不记录块中原始的像素数据；

3)如果运动估计匹配失败，则该宏块标记为INTRA类型，并记录块中原始的像素数据。

这里使用的运动估计算法可以根据实际视频压缩格式和实际需要采用任何一种已知的块匹配运动估计算法(通常采用全搜索块匹配算法)，因而具有较好的适应性。

在自恢复水印的生成过程中，步骤3的DCT变换和量化系数Q均根据视频编码器的实际编码方式指定。经过量化步骤得到一个8×8数据矩阵。

在自恢复水印的生成过程中，步骤4中对于DCT量化系数的保留过程如图3所示：对于步骤3所生成的8×8数据矩阵，按照Z字形从左上角开始依次保留前L个数据。在本发明中，L选取值为15，保留的数据为图中灰色的部分。

由于运动估计和补偿技术的存在，INTER宏块中有些的8×8的残差块经过DCT变换和量化后，所有系数都会变成零。在这种情况下，水印生成器在步骤5中以SKIP作为宏块记录，而不传输实际的零系数，以减小输出码流的比特率。

在步骤6中，根据块类型把相应的数据按照原来的位置顺序组合生成自恢复水印数据。对此数据使用无损压缩算法以进一步减小数据量。在本发明中，采用LZARI无损压缩算法进行数据压缩。

本发明的基于运动估计的视频自恢复水印方法的自恢复水印嵌入过程如图4所示。

首先，根据不同的应用要求，自恢复水印可以采用顺序嵌入方式嵌入本组GOP中或者映射嵌入方式嵌入到不同的GOP中。

映射嵌入方式的方法如下：对于一段MPEG-4视频流，可以将I帧的自恢复水印嵌入到远离它所在的GOP，由此提高水印的安全性。假设第k个GOP的I帧的自恢复水印嵌入到第j个GOP中(j≠k)，特别是在j与k相距很远的时候，两个GOP同时被修改的概率比较小，使自恢复水印在视频宿主被篡改时保留下来的概率较大。我们可以通过创造一个符合如下条件的映射函数来完成映射水印嵌入位置的选择。

设映射函数为F，第n个I帧的自恢复水印应该嵌入到第F(n)个GOP中。F应该至少满足以下两个条件：

1)F为双射函数，以保证在嵌入和提取恢复时第n个GOP与第F(n)个GOP的位置是一一对应的；

2)第n个GOP与第F(n)个GOP的位置相距较远，以保证自恢复水印具有足够的安全性。

根据以上两个原则，按照公式(1)计算自恢复水印的嵌入位置：

其中N为整个视频中GOP的数量，k为用户指定的偏移量。通过上述公式产生的映射，如果k＝1，则每个I帧产生的自恢复水印将会被嵌入到整个视频段长度一半距离的GOP中。通过改变k的值，可以产生不同的映射结果，以增强安全性。

按照如上所述方法的水印嵌入方法过程如下：

步骤1：根据每个图像组(Group of pictures，GOP：中P帧的数量m，将水印相应地划分为m个区域；

步骤2：计算每个区域所对应的嵌入位置；

步骤3：按照密钥将区域的嵌入顺序置乱并按照区域互斥策略选择嵌入区域；

步骤4：判断嵌入方式为顺序嵌入或映射嵌入，如果为映射嵌入方式，则根据映射函数F计算目标GOP的序号；如果为顺序嵌入方式，则以当前GOP中的P帧为嵌入目标；

步骤5：逐次将每个区域的水印信号嵌入到目标GOP中P帧对应的嵌入范围中。

在嵌入自恢复水印过程中，步骤3对于嵌入数据的P帧位置选择可以采取密钥置乱策略。对于顺序嵌入方式，其密钥可以按照下面的公式(2)简单得出，其中k是用户指定的密钥数值：

F(n)＝(n+k)mod m

(2)

对于映射嵌入方式，同样是在公式(1)中把k，也就是用户指定的偏移量作为密钥进行嵌入位置的计算。

在嵌入自恢复水印过程中，步骤3对于所选取P帧中嵌入数据的位置可以采取区域互斥策略，如图5所示：对于划分的区域为了防止篡改，将自恢复水印数据嵌入在P帧中远离块本身对应位置的区域。比如图中(a)所示的m＝6，也就是划分为6个块的情况，块1数据嵌入位置如(b)灰色区域所示，块2嵌入位置如(c)所示。

同时结合两种策略得出的嵌入位置可以增强安全性。

本发明的基于运动估计的视频自恢复水印方法的I帧图像独立自恢复过程如图6所示。在本方法中，根据自恢复时目标I帧使用的参考帧所受篡改情况的不同，目标I帧的恢复方式可分为独立自恢复和依赖自恢复两种。

如果目标I帧I_D的参考I帧I_R中没有检测到篡改，则可以直接使用I_R作为I_D自恢复计算的参考。独立自恢复步骤如下：

步骤1：解压缩从P帧中提取到的自恢复水印；

步骤2：按宏块解析自恢复信息，得到INTRA和INTER两种类型的宏块，其中INTER类型的宏块包含有运动向量信息；

步骤3：对于INTER宏块，如果被标记为SKIP，则将其DCT量化系数全部置为0；

步骤4：将每个8×8块的被L裁减掉的DCT量化系数全部置为0；

步骤5：使用量化因子Q对每个块进行反量化，然后再进行DCT反变换，获得残差像素值；

步骤6：对于INTER宏块，根据其分块中的像素残差及运动向量，I_R进行运动补偿，获得实际的自恢复像素宏块；

步骤7：根据I_D中篡改定位所标记的宏块位置，用相应的自恢复像素宏块对I_D进行替换。

通过上述步骤，则可以根据I_D的自恢复水印及I_R图像内容对I_D中被篡改的部分进行自恢复，得到恢复帧I_D’。

在P帧提取的自恢复水印信息是包含运动向量和残差的自恢复信息，为了恢复目标I帧I_D，还需要已知其运动估计的参考I帧I_R。在独立自恢复中参考I帧I_R是可信的。在提取自恢复信息后，与参考I帧I_R信息二者相加即可得到目标帧的I_D的完整恢复信息。而在自恢复前的认证水印提取过程可以定位遭到篡改的位置，根据这些位置信息可以有针对性地对检测到篡改的位置进行自恢复过程，进一步提高恢复I帧图像的质量。

本发明的基于运动估计的视频自恢复水印方法的I帧图像依赖自恢复过程如图7所示，对于连续几个I帧同时被篡改的情况，假设从第n个I帧开始，直到第n+k个I帧为止，这其间的k+1个I帧及P、B帧都遭受了篡改。这时，除了第n个I帧能够使用独立自恢复方式获取自恢复帧图像以外，其余被篡改的I帧都由于它们的参考I帧不可信而不能使用独立自恢复。对于第n+i个I帧I_n+i(0＜i≤k)，虽然它的参考帧I_n+i-1也是被篡改的帧，不能直接用于自恢复参考，但是如果能够获得I_n+i-1的恢复图像，则可以将I_n+i-1中的内容变为可信的。而计算I_n+i-1自恢复帧的方法与I_n+i一样，这是一个递归过程，重复回溯直到找到一个可以独立自恢复的I帧为止，在本例中，I_n就是一个可以独立自恢复的I帧。在极端情况下，n＝0，即I₀是整个视频的第一个I帧，它没有参考帧。由于I₀没有使用运动估计生成自恢复水印，而是直接使用帧内信息压缩获得，因此，I₀不需要参考其它I帧来实现自恢复，只要提取到它的自恢复水印则能将其恢复。以上过程称为依赖自恢复方式，是一个递归过程。

依赖自恢复方式相对于独立自恢复方式，不同之处在于参考I帧I_R信息的获得。在独立自恢复方式中，I_R直接取自上一个解码后的I帧；而在依赖自恢复方式中，为了获取I_R需要回溯以前的I帧，直到找到一个能够独立自恢复的I帧为止。依赖自恢复方式的其它步骤与独立自恢复方式相同。依赖自恢复步骤如下：

步骤1：对参考I帧I_R进行自恢复过程。如果可独立自恢复则进行自恢复；如果I_R的参考帧仍然检测到篡改，则继续回溯直到找到一个可独立自恢复的I帧为止，并根据此I帧依次向后恢复直到I_R恢复完成；

步骤2：解压缩从P帧中提取到的自恢复水印；

步骤3：按宏块解析自恢复信息，得到INTRA和INTER两种类型的宏块，其中INTER类型的宏块包含有运动向量信息；

步骤4：对于INTER宏块，如果被标记为SKIP，则将其DCT量化系数全部置为0；

步骤5：将每个8×8块的被L裁减掉的DCT量化系数全部置为0；

步骤6：使用量化因子Q对每个块进行反量化，然后再进行DCT反变换，获得残差像素值；

步骤7：对于INTER宏块，根据其分块中的像素残差及运动向量，参考I_R进行运动补偿，获得实际的自恢复像素宏块；

步骤8：根据I_D中篡改定位所标记的宏块位置，用相应的自恢复像素宏块其进行替换。总之，本发明充分利用了视频内容的相关性，在生成过程中采用运动估计的方法减少了嵌入水印的数据量以及提高嵌水印视频的质量；在嵌入过程中通过映射嵌入和区域互斥策略隐藏嵌入位置提高了水印的安全性；并且在有损压缩的过程中参考帧信息并不会被丢失，因此能显著改善自恢复帧图像的视觉质量。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1、一种基于运动估计的视频自恢复水印方法，其特征在于：包括水印嵌入和水印检测两大部分，水印嵌入包括认证水印嵌入和自恢复水印嵌入两个过程，认证水印在每个I帧嵌入，认证水印嵌入后进行自恢复水印嵌入过程；自恢复水印的嵌入过程包含自恢复水印的生成和自恢复水印的嵌入两个步骤，先进行自恢复水印的生成，然后进行自恢复水印的嵌入；水印检测包括自恢复水印的检测和帧图像自恢复两大部分，在自恢复水印检测过程中，首先检测目标I帧是否有篡改，如果检测到篡改，则执行帧图像自恢复的过程；如果没有检测到篡改，则不需执行此过程；其中帧图像自恢复过程需要根据参考I帧是否检测到篡改分别采取依赖自恢复方式或独立自恢复方式，如果参考I帧检测到篡改，则采取依赖自恢复方式，如果未检测到篡改，则采用独立自恢复方式；

自恢复水印的生成过程为：

(1)将整个目标I帧图像划分为所需要一定大小的宏块；

(2)对于每个宏块，参考上一个邻近的I帧进行运动估计和补偿，产生包含原始像素的宏块INTRA与仅包括像素残差并伴随着相应的运动向量的宏块INTER；

(3)将步骤(2)中的每个宏块进一步划分为8×8大小的块，进行DCT变换，然后用量化因子Q对变换后的DCT系数进行量化；

(4)对于经过上一步量化后的DCT系数，保留其中的L个DCT量化系数；

(5)对于INTER宏块，判断某个块中所保留的L个DCT量化系数是否全为0，如果是，则将该块标记为SKIP，而不保存实际的块；如果不是，则保留实际的块；

(6)将需要保存的块以及相应的运动向量和预测模式信息以宏块为单位进行组合，并采用无损压缩算法进行压缩，获得自恢复水印；

自恢复水印的嵌入过程如下：

(1)根据每个图像组(Group of pictures，GOP)中P帧的数量m，将水印相应地划分为m个区域；

(2)计算每个区域所对应的嵌入范围；

(3)按照密钥将区域的嵌入顺序置乱并按照区域互斥策略选择嵌入区域；

(4)判断嵌入方式为顺序嵌入或映射嵌入，如果为映射嵌入方式，则根据映射函数F计算目标GOP的序号；如果为顺序嵌入方式，则以当前GOP中的P帧为嵌入目标；

(5)逐次将每个区域的水印信号嵌入到目标GOP中P帧对应的嵌入范围中；

所述的独立自恢复方式如下：

(1)从P帧中提取到的自恢复水印；

(2)解析自恢复信息，得到INTRA和INTER两种类型的宏块，其中INTER类型的宏块包含有运动向量信息；

(3)对INTER宏块，如果被标记为SKIP，则将其前L个DCT量化系数全部置为0；

(4)每个8×8块中被L裁减掉的DCT量化系数全部置为0；

(5)用量化因子Q对每个块进行反量化，然后再进行DCT反变换，获得残差像素值；

(6)对INTER宏块，根据其分块中的像素残差及运动向量，参考前一个I帧进行运动补偿，获得实际自恢复像素宏块；

(7)目标I帧中篡改定位所标记的宏块位置，用相应的实际自恢复像素宏块对其进行替换；

所述的依赖自恢复方式如下：

(1)I帧进行自恢复过程，如果可独立自恢复则进行自恢复；如果参考I帧仍然检测到篡改，则继续回溯直到找到一个可独立自恢复的I帧为止，并根据此I帧依次向后恢复直到参考I帧恢复完成；

(2)从P帧中提取到的自恢复水印；

(3)解析自恢复信息，得到INTRA和INTER两种类型的宏块，其中INTER类型的宏块包含有运动向量信息；

(4)对INTER宏块，如果被标记为SKIP，则将其前L个DCT量化系数全部置为0；

(5)每个8×8块的被L裁减掉的DCT量化系数全部置为0；

(6)用量化因子Q对每个块进行反量化，然后再进行DCT反变换，获得残差像素值；

(7)对INTER宏块，根据其分块中的像素残差及运动向量，参考帧I_R进行运动补偿，获得实际自恢复像素宏块；

(8)目标I帧中篡改定位所标记的宏块位置，用相应的实现自恢复像素宏块对其进行替换。

2、根据权利要求1所述的基于运动估计的视频自恢复水印方法，其特征在于：所述的在自恢复水印嵌入之前的认证水印嵌入采用压缩域半脆弱水印嵌入方法。

3、根据权利要求1所述的基于运动估计的视频自恢复水印方法，其特征在于：在所述的自恢复水印生成过程中，INTER和INTRA宏块采用如下方法生成：

a.对于每一个宏块，参照上一个相邻I帧进行运动估计块匹配；

b.如果运动估计匹配成功，则该宏块标记为INTER类型，并记录包含像素残差和运动向量的数据，而不记录块中原始的像素数据；

c.如果运动估计匹配失败，则该宏块标记为INTRA类型，并记录块中原始的像素数据。

4、根据权利要求1所述的一种基于运动估计的视频自恢复水印方法，其特征在于：在所述自恢复水印的嵌入过程中根据具体应用选择映射嵌入或顺序嵌入，如果自恢复水印是在已编码的视频流中嵌入，则选择映射嵌入，使自恢复水印远离目标帧以提高水印安全性；如果自恢复水印是在编码过程中嵌入，则选择顺序嵌入。

5、根据权利要求1所述的一种基于运动估计的视频自恢复水印方法，其特征在于：在自恢复水印嵌入过程中对于嵌入位置采取密钥置乱和区域互斥策略的步骤如下：

a.根据某个GOP中P帧的数量将目标I帧的自恢复水印划分成相同数量的不相交区域；

b.根据某个给定的密钥数值对嵌入区域的顺序进行置乱，置乱后的区域依次嵌入到GOP的每个P帧中；

c.某个区域的自恢复水印嵌入一个P帧时，采用区域互斥策略，互斥基本原则为自恢复水印在P帧中的嵌入位置与其目标内容所在的区域互不重叠。

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