CN101860743A - 基于mpeg-2标准的实时数字视频水印方法 - Google Patents

Abstract

本技术方案提供了一种基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法，通过分析MPEG-2协议标准，利用了MPEG-2标准里的可利用信息资源，将预处理编码后得到的水印信息作为用户信息嵌入到每一帧的图像层的扩展和用户数据字段中；在不影响视频质量和码流格式的情况下，保证了水印的鲁棒性和不可见性。可有效地抵抗帧删除攻击。本方法实现方式简单，用以解决现有技术中存在的不能有效抵抗空间同步失真和光度失真的各种问题。本技术方案可用于版权归属判定或信息隐藏夹带传输等。

Description

基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法

技术领域

本发明涉及数字视频水印方法，尤其涉及基于MPEG-2标准的数字视频水印方法，属于数字视频处理领域。

背景技术

随着网络通信的普及，许多传统媒体内容都向数字化转变，并且在电子商务中即将占据巨大市场份额，如mp3的网上销售，数字影院的大力推行，网上图片、电子书籍销售等等，在无线领域，随着移动网络由第二代到第三代的演变，移动用户将能方便快速的访问因特网上数字媒体内容，基于有线或无线网络的数字媒体内容的应用即将是信息时代新的传统。但是，数字媒体内容的安全问题成了瓶颈问题，制约着众多商业应用的进程。虽然成熟的密码学是解决当前网络信息安全的主要手段，但是，对于多媒体内容存在两大问题。一是数字媒体内容的超分布(Superdistribution)问题，即内容一旦解密，便可以随意的被拷贝、传播，快速发展的网络为非法传播提供很大便利，给媒体内容制造商造成了巨大损失，从而制约着数字多媒体应用的进行；二是多媒体内容的访问控制问题，因为多媒体内容(如视频流)的加密解密需要巨大的运算负荷，并且难以满足应用的时效性。数字水印作为一项很有潜力的解决手段，最近几年成为了商业界和学术界共同关注的焦点，如拷贝保护技术工作组(CPTWG，Copy Protection Technique Working Group)从1995年开始致力于基于DVD的视频版权保护研究，安全数字音乐创始(SDMI，Secure Digital Music Initiative)从1999年开始研究音频的版权版护，数字水印是其中的核心关键技术。

数字水印(Digital Watermarking)是往多媒体数据(如图像、声音、视频信号等)中添加某些数字信息(水印)而不影响原数据的视听效果(此处我们只讨论人们普遍关心的不可见水印)，并且这些数字信息可以部分或全部从混合数据中恢复出来，以达到版权保护等作用。水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息(如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等)并能在需要的时候将其提取出来，用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等，这实际上是发展水印技术的基本动力。

视频水印是数字水印技术最具应用前景的方向，而MPEG-2则是当今世界广播数字电视最流行的视频编解码格式，因此基于MPEG-2标准的视频水印算法研究有着重要的意义和实用价值。虽然现如今一些基于MPEG-2标准的视频水印算法已经具有一定的保护能力，但是鲁棒性和不可见性问题仍然没有得到完美的解答，在算法和实际应用的结合方面，还存在着相当多的障碍，这也是视频水印之所以很少具有实际应用功能的重要原因。

目前国际上关于视频鲁棒水印的研究成果里，也有部分能同时抵抗多种类型的失真问题的方法。如：

Jaap Haitsma提出了通过调制每一帧的平均亮度，按帧嵌入水印信息的水印方法。该方法可以较好的抵抗多种类型的空间同步失真，但是抗有损压缩等光度失真的能力较弱。Song Maodong等提出的基于能量的水印方法，可以抵抗多种几何变换导致的空间同步失真，但是不能抵抗剪裁导致的空间同步失真，对于光度失真的抵抗力一般。此外，该方法需要对每一帧图像做整体离散傅里叶变换，计算量很大。

牛夏牧等提出的沿时间轴嵌入水印的方法，可以抵抗一定频率的丢帧导致的时间同步失真，可以抵抗多种几何变换导致的空间同步失真，对于有损压缩导致的光度失真，也有较好的抵抗力。但是该方法选择水印嵌入点的方法太复杂，而且不能抵抗各类能导致水印嵌入点在帧内产生相对偏移的空间同步失真。陈真勇等提出了能同时较好的抵抗空间同步失真和轻度的时间同步失真的水印方法。但是当视频画面变化较快、或者视频水印序列较长时，水印相关性检测失效概率非常高。这样实际有效地视频水印序列必然很短，这就导致水印空间很小，容易遭受穷举方式的攻击，而且检测的徐劲旅就比较高。此外，该方法对于抵抗光度失真的能力较弱。

Hans Jung等提出的基于“场景”的视频水印方法，可以较好的抵抗多种类型的时间同步失真和简单几何变换导致的空间同步失真。但是该方法计算量大，且视频质量下降明显。孙建德等提出的基于ICA提取视频特征的水印方法，可以较好地抵抗多种类型的时间同步失真，还可以抵抗常见的光度攻击，如压缩等。但对于空间同步失真则没有抵抗力。

由上述论述可见，虽然上述方法可以在一定程度上抵抗一类或者多累失真，但是都不能有效的同事抵抗空间同步失真和光度失真。而在实际应用时，如视频编辑等，视频可能经历多种变换和处理，光度失真、空间同步失真往往是同时发生的。因此，迫切需要研究能同时有效抵抗空间同步失真和光度失真的视频水印方法。

由上述论述可见，传统的MPEG-2视频水印技术对水印的嵌入和提取一般是在空域，变换域和压缩域，选择合适的算法来进行，虽然上述方法可以在一定程度上抵抗一类或者多累失真，一定程度上具有较好的鲁棒性和不可见性，但是很难达到使用者的满意指标，都不能有效的同时抵抗空间同步失真和光度失真。而在实际应用时，如视频编辑等，视频可能经历多种变换和处理，光度失真、空间同步失真往往是同时发生的。因此，迫切需要研究能同时有效抵抗空间同步失真和光度失真的视频水印方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本技术方案提供了一种为数字视频信号实时的嵌入水印和提取水印的方法，通过分析MPEG-2协议标准，向视频流图像层中的扩展和用户数据字段嵌入水印信息，在不影响视频质量和码流格式的情况下，保证了水印的鲁棒性和不可见性。

本发明所述的基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法，包括以下步骤：

嵌入步骤：

(1)对待嵌入的原始水印进行预处理，包括对原始水印进行编码及加密；

(2)对待嵌入水印的基于MPEG-2标准的数字视频的每一帧，搜索每一帧的图像层中的扩展和用户数据字段的标识符，以此定位扩展和用户数据字段在每一帧中的位置；

定位的方法为：读取待嵌入水印的MPEG-2视频文件，并扫描该视频流，寻找每一帧中标识符为00 00 01 B2的字段，即扩展和用户数据字段；

如果搜索时没有在该帧中找到扩展和用户数据字段标识符，则在该帧中图像编码扩展的起始码和条带的起始码之间添加扩展和用户数据字段标识符，来代表扩展和用户数据字段；

(3)根据步骤(2)中定位的位置，将步骤(1)预处理编码后得到的水印信息作为用户信息嵌入到每一帧的图像层的扩展和用户数据字段中；

嵌入的方法为：将步骤(1)预处理后得到的水印信息插入到每一帧中搜索到的标识符00 00 01 B2之后。

提取步骤：

(1)对待提取水印的基于MPEG-2标准的数字视频的每一帧，搜索每一帧的图像层中的扩展和用户数据字段的标识符，以此定位扩展和用户数据字段在每一帧中的位置；

定位的方法为：读取待提取水印的MPEG-2视频文件，并扫描该视频流，寻找每一帧中标识符为00 00 01 B2的字段，即扩展和用户数据字段。

(2)将每一帧的扩展和用户数据字段中的用户信息提取出来，并对其进行与嵌入步骤(1)相对应的水印信息解密和解码处理，获得提取出来的水印；

提取的方法为：将每一帧中搜索到的标识符00 00 01 B2之后，直至条带的起始码之前的所有数据提取出来；

(3)判断各水印的正确性。

利用本技术方案还可以对基于MPEG-2标准的数字视频中每隔一帧或一帧以上选择一帧插入水印，对选定的每帧都按照上述步骤进行水印嵌入和提取。

对比现有技术，本发明的有益效果在于；

本发明充分利用了MPEG-2标准里的可利用信息资源，图像层的扩展和用户数据字段是用户自定义的，因此对该字段的修改不会影响到视频本身的质量，并且其鲁棒性和不可见性也很高，可以实现实时的水印插入和提取。当利用本技术方案选择每帧都嵌入水印时，可有效地抵抗帧删除攻击。本方法实现方式简单，并具有较高的鲁棒性和不可见性，用以解决现有技术中存在的不能有效抵抗空间同步失真和光度失真的各种问题。本技术方案可用于版权归属判定或信息隐藏夹带传输等。

附图说明

图1为本技术方案的流程框图；

图2为MPEG-2编码视频流的分层结构示意图；

图3为测试文件test.m2v的码流分析结果示意；

图4为未嵌入水印的测试文件与已嵌入水印的测试文件的播放对比图；其中(a)为未嵌入水印的测试文件的码流；(b)为已嵌入水印的测试文件的码流。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本技术方案做进一步解释。

本技术方案所述的基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法，其总体流程框图如附图1所示，根据技术方案，一个实施例实施的过程如下：

嵌入步骤：

(1)水印预处理，包括获得水印的二进制编码并采用混沌加密或其他加密算法对水印二进制码进行加密，实施例中我们选取的水印信息为中文文字“视频水印”，将其转换为二进制码，然后采用混沌加密算法对要嵌入的水印信息进行加密，获得二进制水印信息。

(2)对待嵌入水印的数字视频测试文件的每一帧的图像层中扩展和用户数据字段进行定位，即确定水印的嵌入位置。

MPEG-2视频文件是指所有遵从MPEG-2标准的视频文件，这些文件无论编解码器有何不同，其视频流都具有相同的格式，MPEG-2的编码码流有六个层次，从上至下依次为：视频序列层(Sequence)，图像组层(GOP：GroupofPicture)，图像层(Picture)，像条层(Slice)，宏块层(MacroBlock)和像块层(Block)，每一层中都有着关于视频的相关信息，具体如附图2所示。通过对视频流的扫描，寻找到标识符为00 00 01 B2的字段。

(3)水印嵌入：将嵌入步骤(1)获得的编码和加密后的水印信息嵌入到测试文件码流中每一帧的扩展和用户数据字段。

提取步骤：

(1)对已嵌入水印的MPEG-2视频文件进行码流分析，对每一帧，定位到其图像层中扩展和用户数据字段；

(2)对每一帧，将该数据段的用户信息提取出来，进行与嵌入步骤(1)相应的水印解密和解码；

(3)判断是否是水印信息。

在上述步骤中，如果发现视频流中没有00 00 01 B2标识符，依据MPEG-2标准可知，图像层的组成依次为图像头，图像编码扩展，扩展和用户数据，条带，因此可以根据图像编码扩展的起始码和条带的起始码来确认应该在哪个位置手动插入一个扩展和用户数据段。手动插入后，再依据上述步骤将水印信息嵌入。

在本实施例的仿真实验中，选取一个大小为6.63K的MPEG-2视频文件test.m2v作为测试文件，共包含三帧图像，每帧图像大小为128×128。其码流分析结果如图3所示。使用的水印信息为中文汉字：“视频水印”。对比图如图4所示。实验结果表明可以正确提取水印信息“视频水印”。

该方法没有修改图像帧本身的任何数据，而是利用了与图像无关的扩展和用户数据段，因此图像质量没有任何的改变，并且可以抵抗高斯白噪声和帧剪裁等攻击。而且每帧都嵌入了水印信息，因此本方法可以有效的抵抗帧删除等攻击。

综上，仿真结果证明了本方案的可行性与可靠性。它在保证水印不可见的前提下，对高斯白噪声、帧删除及帧剪裁攻击具有很高的鲁棒性，并能实时的进行水印插入和提取。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法，其特征在于，包括以下步骤：

嵌入步骤：

(1)对待嵌入的原始水印进行预处理，包括对原始水印进行编码及加密；

(2)对待嵌入水印的基于MPEG-2标准的数字视频的每一帧，搜索每一帧的图像层中的扩展和用户数据字段的标识符，以此定位扩展和用户数据字段在每一帧中的位置；

如果搜索时没有在该帧中找到扩展和用户数据字段标识符，则在该帧中图像编码扩展的起始码和条带的起始码之间添加扩展和用户数据字段标识符，来代表扩展和用户数据字段；

(3)根据步骤(2)中定位的位置，将步骤(1)预处理编码后得到的水印信息作为用户信息嵌入到每一帧的图像层的扩展和用户数据字段中；

提取步骤：

(1)对待提取水印的基于MPEG-2标准的数字视频的每一帧，搜索每一帧的图像层中的扩展和用户数据字段的标识符，以此定位扩展和用户数据字段在每一帧中的位置；

(2)将每一帧的扩展和用户数据字段中的用户信息提取出来，并对其进行与嵌入步骤(1)相对应的水印信息解密和解码处理，获得提取出来的水印；

(3)判断各水印的正确性。

2.根据权利要求1所述的基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法，其特征在于，嵌入步骤(2)中定位扩展和用户数据字段的方法为：读取待嵌入水印的MPEG-2视频文件，并扫描该视频流，寻找每一帧中标识符为00 00 01 B2的字段，即扩展和用户数据字段。

3.根据权利要求1所述的基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法，其特征在于，嵌入步骤(3)中，嵌入水印信息的方法为：将步骤(1)预处理后得到的水印信息插入到每一帧中搜索到的标识符00 00 01 B2之后。

4.根据权利要求1所述的基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法，其特征在于，提取步骤(1)中定位扩展和用户数据字段的方法为：读取待提取水印的MPEG-2视频文件，并扫描该视频流，寻找每一帧中标识符为00 00 01 B2的字段，即扩展和用户数据字段。

5.根据权利要求1所述的基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法，其特征在于，提取步骤(2)中提取用户信息的方法为：将每一帧中搜索到的标识符00 00 01 B2之后，直至条带的起始码之前的所有数据提取出来。

6.根据权利要求1所述的基于MPEG-2标准的实时数字视频水印方法，其特征在于，利用本技术方案还可以对数字视频中每隔一帧或一帧以上选择一帧插入水印，对选定的每帧都按照权利要求1所述步骤进行水印嵌入和提取。

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