CN101668185A - 一种视频监控系统及其视频数据认证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及视频通信领域，特指一种视频监控系统及其视频数据认证方法。其技术方案是：包括摄像与数字视频处理设备、中间网络传输设备和后端配有特殊软件的中心服务器组成；数字视频处理设备包括有视频压缩与水印嵌入模块，中心服务器包括有内容认证模块。在视频获取的同时嵌入脆弱/半脆弱水印。由于本发明在视频拍摄的同时进行了实时压缩与脆弱/半脆弱水印嵌入，能够实现多路通道的实时视频监控并进行内容认证，保证了视频内容的完整性和视频数据源的可靠性。可广泛应用于视频监控系统中。
Description
技术领域
本发明涉及数字视频数据通信领域，特指一种视频监控系统及其视频数据认证方法。
背景技术
在多媒体快速发展的今天，“眼见为实”这句老话已经不再属实。功能强大的图像及视频处理工具可以成功地伪造图像、视频画面与场景，而我们几乎查觉不出破绽。因此，多媒体数据内容的真实性和完整性验证必须有可靠的解决方案。数字签名作为多媒体认证技术的一种，是从认证对象数据中提取加密形式的消息摘要，它通常存放在一个独立的文件中，并与认证数据对象附在一起被用于证明数据的完整性和真实性。
而内容认证水印将认证对象作为通信信道，嵌入的水印不可感知，可以包含一个特殊的产品ID，也可以是一些基于内容的码字，水印信息在必要时被提取出来用于认证。相比数字签名技术，满足要求的内容认证水印技术有以下优点：(1)无需额外的消息认证码存放空间，内容认证水印技术将认证码嵌入认证载体，这样一来，认证码字将会一直依附在数据对象中，起到对载体内容的保护作用，而且在需要认证时以密钥直接提取，方便安全；(2)可实现认证精度的可调节，多媒体内容认证的特点要求接受合适的压缩编码处理，内容认证水印的算法设计比较灵活，精度可以根据应用要求的不同而调节，即既可以实现完全认证(敏感度小到1比特信息)，也可以实现内容认证(对内容的改动敏感)；(3)可实现篡改区域的定位，数字认证水印技术的检测结果不但有篡改与否的结论，而且还能说明数据对象被篡改的程度，并对被篡改的区域进行定位；(4)可实现一定程度的自恢复，数字认证水印技术还能通过自嵌入的方法对被毁坏的部分进行一定程度的自恢复。这种功能在能篡改发生后通过提取水印形式的备份信息，恢复一定程度的原始内容，在实际应用中具有重要价值。
目前各种视频监控产品已经很多，在远程拍摄到的视频数据通过IP网传输到中心服务器前，都要经过压缩，减少数据速率。但是没有在视频监控系统中嵌入水印信息来实现内容认证功能。
发明内容
本发明解决的技术问题之一在于提供一种带内容认证功能的视频监控系统。
本发明解决的技术问题之二在于提供一种视频数据的认证方法；本方法可以实现内容认证和保证视频数据完整性的目的。
本发明解决技术问题之一的技术方案是：包括摄像与数字视频处理设备、中间网络传输设备和后端配有特殊软件的中心服务器组成；数字视频处理设备包括有视频压缩与水印嵌入模块，中心服务器包括有内容认证模块。
所述的数字视频处理设备的视频压缩与水印嵌入模块由DM642核的DSP芯片组成。
本发明解决技术问题之二的技术方案是：在视频获取的同时嵌入脆弱/半脆弱水印。
所述视频数据的内容认证水印算法为压缩域半脆弱视频水印算法；所述视频数据完整性水印算法为压缩域脆弱视频水印算法。
所述的压缩域脆弱视频水印算法是在I帧脆弱水印算法中采用DCT域矢量量化技术对I帧进行压缩，采用基于码字索引受限的矢量量化脆弱水印算法在I帧索引值中嵌入脆弱水印；P帧脆弱水印算法采用H.264中基于运动估计的标量量化方法进行压缩。
所述的I帧脆弱水印算法是在高频矢量索引Hi中嵌入脆弱水印，保证在任何频带索引发生改变时都能做出提示；利用从低频和中频矢量索引中提取的信息生成嵌入在高频索引中的信息位，这样低频和中频矢量索引的改变也会导致脆弱水印位的变化。
所述的P帧脆弱水印嵌在量化后的DCT系数中。
所述的压缩域半脆弱视频水印算法是通过替换I帧内亮度块的帧内预测残差的AC系数来嵌入水印比特信息，即通过修改运动向量MV使得MVD的水平或垂直偏移量为奇数或偶数来标记不同的水印信息。
所述的认证方法的具体执行过程是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。
所述的视频数据压缩技术采用H.264或MPEG-4压缩标准。
本发明的有益效果是：
1、在已有视频监控系统系统的基础上，在视频获取的同时嵌入脆弱/半脆弱水印，可达到内容认证和数据完整性的目的。
2、运用压缩域视频水印技术，在视频压缩的同时内置式嵌入水印信息，因此不会在后续的压缩过程丢失部分水印数据，同时水印的提取可以在部分解码条件下进行，适合视频监控实时应用场合。
3、在视频获取的最源端——视频监控点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可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1为本发明视频监控系统结构示意图；
图2为本发明压缩域视频水印嵌入框图；
图3为本发明视频监控系统执行流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的视频监控系统由摄像与数字视频处理设备10、网络传输设备20和配有特殊软件的中心服务器30组成。摄像与数字视频处理设备10由采集、视频压缩与水印嵌入、RTP打包和控制模块组成；采集模块由云台和摄像头组成，负责控制拍摄视角和原始视频数据采集；视频压缩与水印嵌入模块由DM642核的DSP芯片组成，内置在摄像头电路板上，负责原始视频数据实时的压缩与压缩的同时嵌入可用于内容认证的脆弱/半脆弱水印；RTP打包模块由固化在DSP中FLASH的算法完成压缩码流的RTP打包过程，以适应基于包的IP网络传输；控制模块由一系列协议组成，负责执行来自中心服务器的控制命令，操纵摄像头的拍摄任务。
网络传输设备20由以太网卡组成，通过一组以太网协议和SIP协议负责压缩码流和控制命令在IP网上的实时、流畅和无误传输。
中心服务器30由内容认证模块、视频存储模块组成，内容认证模块负责监视的视频数据的内容认证和数据完整性验证；其中服务器配有系统管理软件用于前端的云台控制和水印信息的管理；另外服务器装有的特殊软件能对视频内容进行人体行为检测与跟踪，当发现可疑人体行为时可发送控制命令操作前端摄像头进行集中拍摄，并启动视频存储模块进行录像。
本发明的视频压缩技术采用H.264或MPEG-4压缩标准。例如，将X264算法经高效软件优化后能实时对多路通道视频的压缩处理后烧写到DM642的FLASH中脱机运行。
本发明的硬件技术采用DM642核的DSP处理器。
本发明的数字水印算法功能包括：本发明提供的信息隐藏功能可鉴别所接收到的视频段是否被人篡改及篡改定位。
(1)压缩域脆弱视频水印算法：本发明的I帧脆弱水印算法采用DCT域矢量量化技术对I帧进行压缩，采用基于码字索引受限的矢量量化脆弱水印算法在I帧索引值中嵌入脆弱水印。在I帧中，每个8×8DCT系数块的码流由低频矢量索引Li，中频矢量索引Mi和高频矢量Hi索引三部分组成。由于高频DCT系数对攻击操作的敏感程度要高于低频和中频DCT系数，因此本发明采用在高频矢量索引Li中嵌入脆弱水印，保证在任何频带索引发生改变时都能做出提示。利用从低频和中频矢量索引中提取的信息生成嵌入在高频索引中的信息位，这样低频和中频矢量索引的改变也会导致脆弱水印位的变化。P帧脆弱水印算法采用H.264中基于运动估计的标量量化方法进行压缩。P帧的编码码流主要由三部分组成：码流标记位、运动矢量和量化后DCT系数组成。码流标记位记录了该帧的属性和编码方式，用于指导解码器如何对当前帧解码。如果码流标记发生错误，解码器将无法对该帧进行解码。本发明将P帧脆弱水印嵌在量化后的DCT系数中。利用运动矢量的特征生成嵌在DCT系数中的信息位，保证脆弱水印能够同时对运动矢量和DCT系数进行认证。
(2)压缩域半脆弱视频水印算法：本发明采用通过替换I帧内亮度块的帧内预测残差的AC系数来嵌入水印比特信息，不同模式的预测块与当前块的差值产生不同的预测残差块，每一个预测残差块按相同的规则嵌入水印后得到不同的水印预测残差块，通过拉格朗日预测模式选择一个具有最佳率失真性能的水印残差块，与相应的预测模式的代号一起进入最后的码流。H.264使用基于块的运动估计预测补偿机制，它使用树形构造的运动补偿方法来划分宏块，支持从16×16到4×4尺寸范围的子块，更小的子块有助于提供更精确的运动信息，减少方块效应，提高图像质量。本发明采用半脆弱水印嵌入在亮度块的运动向量预测中，通过修改运动向量MV使得MVD的水平或垂直偏移量为奇数或偶数来标记不同的水印信息。
图2为本发明的数字视频压缩与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说明本发明的循环执行流程图；带内容认证功能的视频监控系统首先上电引导固化在FLASH中的应用程序，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，并执行视频压缩编码和水印嵌入，任务2执行耗时最长，任务最重，占系统资源最多。待任务2执行结束向任务3发出任务2已完成消息，启动任务3，进行RTP打包，启动任务4完成IP网上的视频包的传输。任务5等待接收数据并进行解码，由任务6进行回放和监视。任务7在任务5执行的同时进行水印的检测，同时中心服务器上的特殊软件对任务5完成的解码视频执行任务8，完成视频内容的行为分析，当发现可疑行为时，执行任务9，反馈控制命令信息，控制前端摄像头的拍摄动作。由于嵌入了脆弱/半脆弱水印，因此现场拍摄的数字视频数据具备了内容认证与完整性功能，视频监控中视频数据可靠性有保证。
Claims (10)
1、一种带内容认证功能的视频监控系统，包括：摄像与数字视频处理设备(10)、中间网络传输设备(20)和后端配有特殊软件的中心服务器(30)组成；其特征在于：数字视频处理设备(10)包括有视频压缩与水印嵌入模块，中心服务器(30)包括有内容认证模块。
2、根据权利要求1所述的视频监控系统，其特征在于：所述的数字视频处理设备(10)的视频压缩与水印嵌入模块由DM642核的DSP芯片组成。
3、一种根据权利要求1所述的视频监控系统的视频数据认证方法，其特征在于：在视频获取的同时嵌入脆弱/半脆弱水印。
4、根据权利要求3所述的视频数据认证方法，其特征在于：所述视频数据的内容认证水印算法为压缩域半脆弱视频水印算法；所述视频数据完整性水印算法为压缩域脆弱视频水印算法。
5、根据权利要求4所述的视频数据认证方法，其特征在于：所述的压缩域脆弱视频水印算法是在I帧脆弱水印算法中采用DCT域矢量量化技术对I帧进行压缩，采用基于码字索引受限的矢量量化脆弱水印算法在I帧索引值中嵌入脆弱水印；P帧脆弱水印算法采用H.264中基于运动估计的标量量化方法进行压缩。
6、根据权利要求5所述的视频数据认证方法，其特征在于：所述的I帧脆弱水印算法是在高频矢量索引Hi中嵌入脆弱水印，保证在任何频带索引发生改变时都能做出提示；利用从低频和中频矢量索引中提取的信息生成嵌入在高频索引中的信息位，这样低频和中频矢量索引的改变也会导致脆弱水印位的变化。
7、根据权利要求5所述的视频数据认证方法，其特征在于：所述的P帧脆弱水印嵌在量化后的DCT系数中。
8、根据权利要求4所述的视频数据认证方法，其特征在于：所述的压缩域半脆弱视频水印算法是通过替换I帧内亮度块的帧内预测残差的AC系数来嵌入水印比特信息，即通过修改运动向量MV使得MVD的水平或垂直偏移量为奇数或偶数来标记不同的水印信息。
9、根据权利要求4所述的视频数据认证方法，其特征在于：所述的认证方法的具体执行过程是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。
10、根据权利要求4-9任一项所述的视频数据认证方法，其特征在于：所述的视频数据压缩技术采用H.264或MPEG-4压缩标准。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100310 |