CN102244826A - 一种基于视频内容的视频水印方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视频内容的视频水印方法和系统，嵌入的信息包括水印同步起始码信息、水印连续码信息、水印信息；水印嵌入前根据视频文件和水印文件规格进行容量分析；嵌入水印同步码信息同步水印，继而嵌入水印信息，水印信息嵌入过程中选择性的嵌入水印连续码信息；水印信息检测过程中检测水印同步码信息，然后检测水印信息，根据水印连续码信息完整的检测出水印信息。采用了本发明的技术方法，能够针对不同封装格式、不同编解码方式处理的视频数据进行快速、准确的检测和提取水印。

Description

一种基于视频内容的视频水印方法和系统

技术领域

本发明属于视频信号处理、多媒体信号处理、信息安全领域，具体涉及一种基于视频内容的视频水印方法和系统。

背景技术

数字水印技术是一项利用数字多媒体(水印载体)信息中的冗余成分嵌入版权标识信息(水印)的数字内容保护技术。主要应用与广播监控、版权保护、数字指纹、内容鉴别、控制拷贝等领域。随着互联网进一步普及以及3G时代的到来，网络视频将得到更为广泛的流行。因此，对视频文件进行水印保护具有广泛的应用价值。目前视频编码的主要方式有MPEG系列和H26L系列，前者主要包括MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4，后者主要包括H.263和H.264。视频格式更为广泛复杂，主流的包括MPEG1，MPEG2，MPEG4，avi，wmv，rm，rmvb，mov等等。

数字视频水印已经成为数字水印理论研究和实际应用的重点。视频水印的同步问题是首先需要考虑的问题，它直接影响水印是否能够正确的提取。因此如何提高水印的时间鲁棒性就成为了目前视频水印研究的技术难点和重点；盲水印的检测不需要原始载体文件的参与，考虑到视频载体数据的存储成本和传输成本，视频盲水印方法更具有实用性；考虑到互联网上海量的视频数据，对视频进行水印的提取是需要大量时间的，因此对于视频水印的快速检测也是很有实用价值的，如果能够检测到水印信息，则可以进行水印信息的提取，如果没有检测到水印信息，则可以认为该视频文件不含有水印信息。

目前大多视频水印方法都针对于MPEG或H264等编码方式、或者基于I帧、P帧、B帧等帧信息，但是实际应用中却有很大的局限性。如基于MPEG编码的视频水印方法，如果视频文件的编码方式有所改变，则无法进行水印信息的提取，又如在B帧中进行水印信息的嵌入，如果最后的视频文件进行了帧结构的重排而不存在B帧信息，则该文件中也无法进行水印信息的提取。以上视频方法均有很大的局限性，无法实际应用。因此视频水印最为关键的一点就在于由于视频文件格式的多样化，以及视频文件的非编处理，对于一个视频文件嵌入水印后，它的编码方式、封装格式以及视频I、P、B帧型等信息均不会确定，所以这种视频水印不能仅仅针对某种编码方式、某种封装格式、甚至是特定帧率等视频属性。即视频水印必须考虑到不受编码方式、封装格式、视频I、P、B帧型信息属性等因素的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于视频内容的视频水印方法和系统，解决视频水印的盲同步检测，克服视频文件编解码、封装格式等限制，针对互联网上海量多媒体视频数据的水印信息进行快速检测和提取。

为达此目的，本发明采用以下技术方法：

一种基于视频内容的视频水印方法和系统，包括以下步骤：

A、根据视频数据和水印文件的属性进行水印容量分析，判断是否适合进行水印信息的嵌入，水印容量符合要求则表示可以进行水印嵌入，转至步骤B，如果不符合要求则表示该视频载体文件不适合相应水印文件的信息嵌入，不进行水印的嵌入；

B、嵌入水印同步起始码信息；

C、嵌入水印信息；

D、判断水印是否嵌入完毕，如果嵌入完毕，转置步骤F，如果没有嵌入完毕，嵌入连续码信息，并转至步骤E；

E、嵌入水印连续码信息，转至步骤C；

F、判断视频文件是否嵌入完毕，如果嵌入完毕则结束该视频文件的水印嵌入，如果没有嵌入完毕，则转至步骤B，重复下一次水印嵌入。

还包括以下步骤：

G、检测水印同步起始码信息，若检测到同步起始码信息，则转至步骤H，若未能检测到同步起始码信息，则表示该视频信息中没有嵌入水印信息；

H、根据水印算法提取水印信息，并判断水印信息是否提取完毕，若提取完毕则转至步骤J，若没有提取完毕，则转至步骤I；

I、检测水印连续码信息，若检测到水印连续码信息，则转至步骤H，若检测到同步起始码信息，则重新开始水印的提取，转至步骤H，否则直至视频信息检测完毕，退出水印提取；

J、判断视频信息是否提取完毕，若提取完毕，则退出水印提取，若没有提取完毕，则转至步骤G。

视频水印嵌入的时间周期应保证在一定范围之内，需要对水印信息容量和视频载体大小分析，判断是否适合进行水印信息的嵌入。

选择一定长度的二进制信息作为同步起始码，另选择不同于同步起始码信息的一定长度的二进制信息作为连续码信息，同步起始码和连续码信息的嵌入均采用重复嵌入的方式进行以提高水印鲁棒性。

视频水印方法基于视频内容本身，将水印信息嵌入在视频信号的IDR帧信号的亮度数据中，通过修改块图像的频域系数，采用系数关系法或系数量化方法将信息周期性的嵌入到视频载体文件中。

对于视频水印的快速检测可以通过检测视频信息中是否存在同步起始码信息进行判断。

一种基于视频内容的视频水印系统，包括水印容量分析单元、同步起始码嵌入单元、数字水印嵌入单元、连续码嵌入单元、同步起始码检测单元、数字水印提取单元和连续码检测单元，视频水印容量分析单元、数字水印嵌入单元、连续码嵌入单元、同步起始码检测单元、数字水印提取单元和连续码检测单元依次连接，其中，

水印容量分析单元根据视频数据和水印文件的属性进行水印容量分析，判断是否适合进行水印信息的嵌入；

同步起始码嵌入单元嵌入同步起始码信息；

数字水印嵌入单元根据视频水印算法嵌入水印信息；

连续码嵌入单元嵌入水印连续码信息；

同步起始码检测单元检测视频数据中的同步起始码信息；

数字水印提取单元根据视频水印提取算法提取水印信息；

连续码检测单元检测连续码信息，保证水印信息的连续性。

采用了本发明的技术方法，视频水印方法保证了水印信息对于视频非编处理的鲁棒性，视频水印同步码起始信息的嵌入保证了视频水印的同步性，同时有利于视频水印的快速检测，连续码信息的嵌入保证了视频水印的连续性，盲水印算法的实现有利于增强视频水印的实用性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中视频水印统结构示意图。

图2是本发明具体实施方式中视频数字水印嵌入流程图。

图3是本发明具体实施方式中视频数字水印提取流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方法。

本发明技术方法认为一个实用型的视频水印方法应为：视频水印的嵌入和提取应该基于视频内容，而不限于常用的编码方式、封装格式转换，能够克服视频水印的同步性问题，对于海量的视频数据能够进行快速盲检测和盲提取。

首先方法按照一定的规则设计二进制信息，表征同步起始码信息和连续码信息。

其次水印的嵌入过程，嵌入水印信息之前首先进行水印容量判断，判断视频是否适合进行水印信息的嵌入，接着嵌入同步起始码信息同步水印，水印信息的嵌入过程中通过连续码信息的嵌入连接水印信息，视频水印采用盲水印方法周期性的进行水印的嵌入。

水印提取时，鉴于视频数据量比较大，首先检测同步起始码信息，检测到则进行水印信息的提取，没有检测到则表示该视频数据不存在水印信息。水印信息的提取过程中通过连续码信息的检测完整恢复提取的水印信息。水印信息的提取可以是周期性的进行，提取出一个水印后，进行下个同步起始码信息的检测。

图1是本发明具体实施方式中视频水印统结构示意图。如图1所示，该视频水印方法系统包括水印容量分析单元101、同步起始码嵌入单元102、数字水印嵌入单元103、连续码嵌入单元104、同步码起始检测单元105、数字水印提取单元106和连续码检测单元107。

视频水印容量分析单元、数字水印嵌入单元、连续码嵌入单元、同步起始码检测单元、数字水印提取单元和连续码检测单元依次连接，其中，水印容量分析单元根据视频数据和水印文件的属性进行水印容量分析，判断是否适合进行水印信息的嵌入；同步起始码嵌入单元嵌入同步起始码信息；数字水印嵌入单元根据视频水印算法嵌入水印信息；连续码嵌入单元嵌入水印连续码信息；同步起始码检测单元检测视频数据中的同步起始码信息；数字水印提取单元根据视频水印提取算法提取水印信息；连续码检测单元检测连续码信息，保证水印信息的连续性。

图2是本发明具体实施方式中视频数字水印嵌入流程图。如图2所示，该视频数字水印嵌入流程包括以下步骤：

步骤201、根据视频数据和水印文件的属性进行水印容量分析，判断是否适合进行水印信息的嵌入。对于视频信息而言，为了保证一定时间内的有效视频片段(一段简短的广告大概是10秒)都可以提取出完整的水印信息，水印的信息需要周期性的进行嵌入，而嵌入频率可以自定义，一般至少是10秒钟重复一次，这样就限制了水印信息量的大小。水印容量的判断根据视频信息的帧率、帧的分辨率大小、水印信息容量以及实现的水印嵌入算法综合判断。

步骤202、嵌入水印同步起始码信息。基于视频水印的嵌入是基于视频帧数据进行处理。并非水印的嵌入都是基于视频信息一开始作为起始点，为了保证水印信息的同步性，这里选择32bit二进制序列作为水印信息嵌入的同步起始码，对同步起始码进行5次的重复性嵌入，增强其鲁棒性。这里的同步起始码可以选择无意义的二进制序列或者有意义的二进制序列，比如说表示水印信息的ID(Identification)或者属性特征等，序列长度可以自定义，长度太小容易引起误识别，不够鲁棒，长度太长会增加信息的嵌入量。

步骤203、嵌入水印信息。本方法考虑的视频对象可以是压缩的视频文件也可以是视频源数据。首先设置部分编码参数，主要是一个GOP(group ofpicture，GOP)的大小，为了保证0.5秒视频数据中有一个关键帧IDR，这里设置GOP由12帧组成，默认帧率为24帧/秒。由于I帧的特殊编码(帧内预测)方式，水印的嵌入选择在IDR帧视频图像中进行水印的嵌入。

将水印文件(图片、文字等)转换成易于嵌入的二进制水印信息。选择视频IDR帧亮度像素数据，对帧图像亮度像素矩阵进行8×8或16×16大小图像分块。在步骤202嵌入水印同步起始码信息或步骤204嵌入水印连续码信息后，接着嵌入水印，直至本帧图像数据信息嵌入完毕(一帧图像至少能保证能完整的嵌入160bit水印信息，256×160以上的基本都满足)。

如果当前视频帧数据可以嵌入完水印信息，则周期性的嵌入水印。如果无法嵌入完水印信息，则转至步骤204。

嵌入方法为对分块图像进行DCT变换，对于DC直流系数进行量化嵌入，再反量化、IDCT还原图像像素矩阵。这样保证了盲提取的可行性。修改DC系数在于可以更好的避免MPEG压缩或者H264等压缩的影响。

步骤204、判断水印是否嵌入完毕。如果当前视频帧数据嵌入完水印信息，则转至步骤206，否则转至步骤205。

步骤205、嵌入水印连续码信息。对于水印没有嵌入完毕的情况下，系统选择下一个IDR帧进行水印信息的嵌入，为了对该帧进行一个标记进行识别，首先嵌入水印连续码信息来表明水印信息嵌入到连续性，之后转至步骤203继续进行水印信息的嵌入。

步骤206、判断视频文件是否嵌入完毕。如果视频文件的长度已经不足以进行水印嵌入了，则退出水印信息嵌入处理，否则转至步骤202。

图3是本发明具体实施方式中视频数字水印检测和提取流程图。如图3所示，该视频数字水印检测流程包括以下步骤：

步骤301、读取待检测视频载体信息、解封装、解压缩视频信息。

步骤302、检测判断是否存在水印同步起始码信息。视频水印的检测需要完成的功能只是判断视频文件中是否存在水印文件，不需要进行水印信息的提取。由于视频文件可能会经过录制、剪辑、转码等非编处理，因此该视频文件的IDR帧并非是嵌入水印前的IDR帧，所以水印检测的时候需要对每一帧亮度视频数据均进行160bit同步起始码的提取，然后根据多数判决原理判定出32bit同步起始码信息。对于该32bit同步起始码信息和嵌入前的同步码信息进行相似度比对，相似度达到一定程度时可以认为该同步起始码信息存在，即水印信息检测成功，本方法中设置相似度门限值为1，即完全一致则认为水印信息存在。

该视频数字水印提取流程包括以下步骤：

步骤303、若检测出水印同步起始码信息或水印连续码信息，则对当前帧数据进行水印信息的提取，提取完后转至步骤304，否则表明该视频载体信息中无法检测出水印信息。

水印信息提取的方法解压视频数据，获取各图像亮度帧像素矩阵，对该图像进行进行8×8或16×16大小图像分块，对块图像进行DCT变换，对DC直流系数进行量化从而提取水印信息。

步骤304、判断水印是否提取完毕。进行水印信息的提取时，如果一帧图像能够完成水印信息的提取，转至步骤306，如果当前帧图像数据水印信息提取没有结束，则转至步骤305。

步骤305、检测判断是否存在水印连续码信息。继续检测下一帧图像中的160bit信息，如果是连续码信息(判断方法同水印同步起始码信息)则转至步骤303，如果不是则跳过该帧进行下一帧水印连续码信息的检测，直至视频结束。如果水印信息没有提取完毕的情况下，又遇到了同步起始码信息，则放弃提取出的水印信息，重新开始提取水印信息，转至步骤303。这说明中间的水印帧数据可能因为帧率变化而有丢失，直至完整的水印信息提取成功。接着进行下一次水印信息的提取，转至步骤302。

步骤306、判断视频载体是否提取完毕。如果视频载体没有提取完毕，则可以进行下一次水印信息的提取(一个视频文件中嵌入了很多次水印信息)，转至步骤302，否则退出水印信息提取过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于视频内容的视频水印方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据视频数据和水印文件的属性进行水印容量分析，判断是否适合进行水印信息的嵌入，水印容量符合要求则表示可以进行水印嵌入，转至步骤B，如果不符合要求则表示该视频载体文件不适合相应水印文件的信息嵌入，不进行水印的嵌入；

B、嵌入水印同步起始码信息；

C、嵌入水印信息；

D、判断水印是否嵌入完毕，如果嵌入完毕，转置步骤E，如果没有嵌入完毕，嵌入连续码信息，并转至步骤C；

E、判断视频文件是否嵌入完毕，如果嵌入完毕则结束该视频文件的水印嵌入，如果没有嵌入完毕，则转至步骤B，重复下一次水印嵌入。

2.根据权利要求1所述的一种基于视频内容的视频水印方法，其特征在于，还包括以下步骤：

F、检测水印同步起始码信息，若检测到同步起始码信息，则转至步骤G，若未能检测到同步起始码信息，则表示该视频信息中没有嵌入水印信息；

G、根据水印算法提取水印信息，并判断水印信息是否提取完毕，若提取完毕则转至步骤I，若没有提取完毕，则转至步骤H；

H、检测水印连续码信息，若检测到水印连续码信息，则转至步骤G，若检测到同步起始码信息，则重新开始水印的提取，转至步骤G，否则直至视频信息检测完毕，退出水印提取；

I、判断视频信息是否提取完毕，若提取完毕，则退出水印提取，若没有提取完毕，则转至步骤F。

3.根据权利要求1所述的一种基于视频内容的视频水印方法，其特征在于，视频水印嵌入的时间周期应保证在一定范围之内，需要对水印信息容量和视频载体大小分析，判断是否适合进行水印信息的嵌入。

4.根据权利要求1所述的一种基于视频内容的视频水印方法，其特征在于，选择32bit二进制信息作为同步起始码，另选择不同于同步起始码信息的32bit二进制信息作为连续码信息，同步起始码和连续码信息的嵌入均采用重复嵌入的方式进行以提高水印鲁棒性。

5.根据权利要求1所述的一种基于视频内容的视频水印方法，其特征在于，视频水印方法基于视频内容本身，将水印信息嵌入在视频信号的IDR帧信号的亮度数据中，通过修改块图像的频域系数，采用系数关系法或系数量化方法将信息周期性的嵌入到视频载体文件中。

6.根据权利要求2所述的一种基于视频内容的视频水印方法，其特征在于，对于视频水印的快速检测可以通过检测视频信息中是否存在同步起始码信息进行判断。

7.一种基于视频内容的视频水印系统，其特征在于，包括视频水印容量分析单元、同步起始码嵌入单元、数字水印嵌入单元、连续码嵌入单元、同步起始码检测单元、数字水印提取单元和连续码检测单元，视频水印容量分析单元、数字水印嵌入单元、连续码嵌入单元、同步起始码检测单元、数字水印提取单元和连续码检测单元依次连接，其中，

视频水印容量分析单元根据视频数据和水印文件的属性进行水印容量分析，判断是否适合进行水印信息的嵌入；

同步起始码嵌入单元嵌入同步起始码信息；

数字水印嵌入单元根据视频水印算法嵌入水印信息；

连续码嵌入单元嵌入水印连续码信息；

同步起始码检测单元检测视频数据中的同步起始码信息；

数字水印提取单元根据视频水印提取算法提取水印信息；

连续码检测单元检测连续码信息，保证水印信息的连续性。

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