CN104243930A - 一种具有防篡改功能的视频采集系统以及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有防篡改功能的视频采集系统以及制作方法。本发明由一个以上的摄像头、与摄像头相应接口相连接视频解码器、与视频解码器相应接口相连接的处理器以及与处理器相应接口相连接的PC机组成，所述视频解码器的型号为TVP5158，所述处理器的型号为DM6437。本发明可以确定采集到的信息是否被修改、伪造或者特殊处理过，来保证信息的完整性；支持认证机制，即视频采集设备在与网络通信时相互认证对方的身份，以保证赋予正确的操作权利和数据的存取控制，也能防止网络对未授权的设备的访问。

Description

一种具有防篡改功能的视频采集系统以及制作方法

 

技术领域

本发明涉及一种具有防篡改功能的视频采集系统以及制作方法。

背景技术

目前，视频监控设备在生产生活各个方面得到了非常广泛的应用，涉及工业检测、医疗设备、军事、消费电子等诸多领域。随着数字化和信息化的发展，它逐渐从模拟化迈向了数字化和网络化的行列，但是越来越快速的视频传播和视频编辑软件的普及使用，导致篡改视频的方法也越来越容易和多样，基于数字水印算法的防篡改采集系统已经不足以保证视频采集的所有权的证明问题，由此而产生了诸多问题，涉及到个人隐私、法律取证和社会稳定等方面。因此视频防篡改研究已经成为一个非常重要的课题。视频采集系统是视频监控系统中最为重要的部分。防篡改的视频采集系统原理是采用基于计算机的处理系统，目前已经出现了很多数字水印的算法，但是攻击者可以破坏掉视频中的水印，或复制出一个理论上存在的“原始视频”，这导致文件所有者不能令人信服地提供版权归属的有效证据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有防篡改功能的视频采集系统以及制作方法。

本发明新型采用如下技术方案：

本发明由一个以上的摄像头、与摄像头相应接口相连接视频解码器、与视频解码器相应接口相连接的处理器以及与处理器相应接口相连接的PC机组成，所述视频解码器的型号为TVP5158，所述处理器的型号为DM6437，所述处理器上搭载一套视频输入/输出接口及视频处理子系统VPSS，所述DM6437的视频处理子系统VPSS由提供数字视频接口的视频处理前端VPFE以及输出数字或模拟视频数据的处理后端VPBE。

本发明所述方法包括以下步骤：

Step-1：DM6437进行初始化；

DM6437进行初始化包括BIOS，CSL和任务的初始化，以及cache，EDMA，VP口、TVPS 150PBS等片上外设的设置；

Step-2：DSP/BIOS任务调度

由DSP/BIOS进行任务调度，程序主要分为三个任务：输入任务tskInput，输出任务tskOutput和处理任务tskProcess。其处理任务用于实现核心的水印算法；

Step-3-1：输入任务：

通过摄像头采集宿主图像处理任务；

Step-3-2-1：当没有输入任务时，返回Step-3-2-1步；

Step-3-2-2：当有存在输入任务的时，执行Step-3-3步；

Step-3-3：执行水印信息预处理模块；

本步骤对数字形式的原始图像在嵌入水印前先对其作低通滤波、对比度增强以及边界处理，提高水印的嵌入强度以及不可感知性，为水印提取前的几何校正提供方便；

Step-3-4：执行SIFT变换模块；

SIFT的全称为Scale-Invariant Features Transform，本步骤对图像旋转、尺度缩放、平移、亮度变化具有不变性，提高对视角变化、仿射变换和噪声的稳定性；

Step-3-5：执行局部特征区域分割模块；

局部特征区域分割模块用于稳定性抵抗攻击，使其分布均匀，抵抗剪切攻击，提高鲁棒性；

Step-3-6：执行NSCT变换模块；

所述NSCT变换模块是一种多尺度、多方向且具有平移不变性的变换，而且所有子带分解都和原图像的大小相同，所述NSCT变换模块算法采用蓝色分量的NSCT-SVD域嵌入水印在面对图像旋转、缩放以及平移攻击时具有更好的鲁棒性；

Step-3-7：执行奇偶量化嵌入模块；

所述执行奇偶量化嵌入模块提高了制作水印的不可见性, 能抵抗常规的图像处理和噪声攻击，从而提高鲁棒性；

Step-3-8：执行水印嵌入模块/执行水印检测模块；

所述执行水印嵌入模块/执行水印检测模块的算法从红色分量的NSCT低频系数中提取匹配的SIFT关键点本身就具有更好的抗噪声、滤波以及压缩的信号处理的能力，从而能获得更准确的几何校正参数；

Step-3-9：发送消息到输出任务；

Step-4：输出任务；

向PC机发送提取的水印信息。

本发明的积极效果如下：

    本发明可以确定采集到的信息是否被修改、伪造或者特殊处理过，来保证信息的完整性；而且可以防止设备“抵赖”，所有摄像头都不能否认或者抵赖曾经采集到的视频；可以控制对采集视频内容的传播，对视频实施安全监控；支持认证机制，即视频采集设备在与网络通信时相互认证对方的身份，以保证赋予正确的操作权利和数据的存取控制，也能防止网络对未授权的设备的访问。

附图说明

附图1为本发明硬件结构示意图。

附图2为本发明软件流程图。

附图3为本发明函数简化后的软件流程图。

具体实施方式

如附图1-3所示，本发明由一个以上的摄像头1、与摄像头1相应接口相连接视频解码器2、与视频解码器2相应接口相连接的处理器3以及与处理器3相应接口相连接的PC机4组成，所述视频解码器2的型号为TVP5158，所述处理器3的型号为DM6437，所述处理器3上搭载一套视频输入/输出接口及视频处理子系统VPSS，所述DM6437的视频处理子系统VPSS由提供数字视频接口的视频处理前端VPFE以及输出数字或模拟视频数据的处理后端VPBE（以下视频解码器2简称为TVP5158，处理器3简称为DM6437）。

TVP5158是作为本系统的视频采集前端，负责解码由模拟摄像头所采集的模拟视频，转换为标准的数字视频信号，再输送到DM6437的VPFE（视频处理前端）的缓存中。如果是多通道视频输入，TVP5158可以使用行复用功能，将多路视频复用为一路，封装成“超级帧”的形式，通过并行总线输出。

DM6437片上搭载一套视频输入/输出接口及处理系统— VPSS(视频处理子系统)。DM6437的视频处理子系统由两部分组成，一是VPFE（视频处理前端），提供多种标准数字视频接口，接收原始数据及标准BT.656格式视频等，并对输入的数字视频数据作出一些预处理。二是VPBE（视频处理后端），用于输出数字或模拟视频数据，以及输出OSD等视频信息，驱动后端显示器。

DM6437视频处理子系统的 VPFE不但为多种标准的数字视频输入提供最高达16位的无缝接口，而且为视频数据提供 预览器、缩放器等预处理模块。CCDC控制器是视频输入VPFE首先经过的接口，它为输入数字视频数据流提供数据通路和产生相应的同步信号。CMOS摄像头采集的复合视频模拟信号通过CCDC控制器，其经TVP5158视频解码器根据所设置的模式，进行单路输出或多路复用输出，转换为8/10bit BT.656标准或8/16 bit 嵌入同步的YCbCr 4:2:2 数字视频数据流，即可通过 CCDC 储存到内存中，交由处理器进行处理。DM6437的VPFE还可以提供以下预处理模块：

预览器：将来自CCDC控制器或CMOS传感器的原始数据图像数据转换为 YCbCr 4:2:2 图像格式，YCbCr 4:2:2 图像格式主要用于视频压缩或送入视频编码器编码。

缩放器：接收来自预览器或 DDR3内存中的视频数据，由硬件实现对图像大小的缩放，支持缩放比例相互独立的水平和垂直方向缩放，支持最高倍数达1/4x的降采样及最高倍数达4x的增采样，因此它对图像的缩放范围为1/4x~4x。

DM6437视频处理后端VPBE负责实现视频图像的编码与输出显示。VPBE由OSD与VENC两个主要模块组成。VPBE将显示屏上来自不同的视频输出缓存，在输出显示之前，VPBE将来自不同视频输出缓存的视频数据进行复合，组成一个完整的数字视频流送去显示；另外，碰到需要将某些特定图形、字符等附加信息叠加到视频图像上一起输出显示的情况，比如在视频监控窗口中显示当前日期、摄像头编号等，在将视频输出显示之前，需要将来自图形、字符缓存的数据叠加进输出视频数据流中。最后，VENC将整个复合与OSD叠加后的数字视频流进行编码，为视频流插入时序控制信号并进行输出。

如图2所示，本发明的视频处理过程包括以下步骤：

Step-1：DM6437进行初始化；

DM6437进行初始化包括BIOS，CSL和任务的初始化，以及cache，EDMA，VP口、TVPS 150PBS等片上外设的设置；

Step-2：DSP/BIOS任务调度

由DSP/BIOS进行任务调度，程序主要分为三个任务：输入任务tskInput，输出任务tskOutput和处理任务tskProcess。其处理任务用于实现核心的水印算法；

Step-3-1：输入任务：

通过摄像头采集宿主图像处理任务；

Step-3-2-1：当没有输入任务时，返回Step-3-2-1步；

Step-3-2-2：当有存在输入任务的时，执行Step-3-3步；

Step-3-3：执行水印信息预处理模块；

本步骤是对数字形式的原始图像在嵌入水印前先对其作低通滤波、对比度增强以及边界处理，提高水印的嵌入强度以及不可感知性，为水印提取前的几何校正提供方便；

Step-3-4：执行SIFT变换模块；

SIFT的全称为Scale-Invariant Features Transform，本步骤是对图像旋转、尺度缩放、平移、亮度变化具有不变性，提高对视角变化、仿射变换和噪声的稳定性；

Step-3-5：执行局部特征区域分割模块；

局部特征区域分割模块具有足够的稳定性抵抗各种攻击，分布比较均匀，抵抗剪切攻击，获得较好的鲁棒性；

Step-3-6：执行NSCT变换模块；

本步骤NSCT变换是一种多尺度，多方向且具有平移不变性的变换，而且所有子带分解都和原图像的大小相同。本设计算法改采用蓝色分量的NSCT-SVD域嵌入水印在面对图像旋转、缩放以及平移攻击时具有更好的鲁棒性；

Step-3-7：执行奇偶量化嵌入模块；

本步骤所制作的水印具有良好的不可见性, 能抵抗常规的图像处理和噪声攻击，鲁棒性较强；

Step-3-8：执行水印嵌入模块/执行水印检测模块；

本步骤设计算法从红色分量的NSCT低频系数中提取匹配的SIFT关键点本身就具有更好的抗噪声、滤波和压缩等一般信号处理的能力，从而能获得更准确的几何校正参数；

Step-3-9：发送消息到输出任务；

Step-4：输出任务；

提取水印信息。

本发明DSP程序设计主要实现宿主图像和水印信息的下载、上传以及核心的水印嵌入与检测算法。DM6437作为水印嵌入模块，负责核心算法的实现。

DSP/BIOS是CCS提供的一个用户可剪裁的实时操作系统，主要由多线程实时内核、芯片支持库(Chip Support Library，CSL)和实时分析工具这三部组成，内核负责维护调度多线程的运行，只需将数字水印算法作为一个线程嵌入系统即可；CSL协助内核管理外设资源，可以直接利用CCS提供的图形配置工具对复杂的外设寄存器进行初始化配置；实时分析工具可以实时查看寄存器或者SDRAM上的变量值，实现对算法的实时运行情况在线分析。DSP/BIOS 图形配置界面包括 system、Instrumentation、Scheduling、Sychronization 和 Input/Output 五个部分。由DSP/BIOS来完成系统资源管理、中断处理、任务调度以及消息传递等功能，极大得简化了系统软件中控制部分的设计。

本发明基于TVP5158+DM6437硬件平台的多路视频采集系统方案。由多个模拟摄像头将视频采集后通过复合信号进入TVP5158，TVP5158对各通道的信号进行解码与复用。TVP5158通过8-bit数据总线将复用的数字视频发送到DM6437的VPFE（视频处理前端）中。DM6437首先要对视频进行解复用，将各通道数据分开，然后就可以对各通道数据分别进行处理与显示。

本发明将水印算法所需的宿主图像和待嵌入的水印信息需要通过上位机传输到DSP目标机上；为显示和检测水印算法的效果，将水印嵌入运得到的图像和水印检测算法提取出的水印图像上传到上位机。为此，釆用了TI 的 RTDX (Real-Time Data Exchange)技术，来实现上位机PC与DSP目标机的双向数据传输,

     RTDX技术可以在不影响目标应用程序运行的情况下,实现主机和目标机之间实时的、双向的数据传输。目标机向主机实时地发送DSP上各寄存器或内存变量的值时，或者目标机接收来自主机传送过来的值时，并不中断目标机上的应用程序，这样对目标应用程序的影响就很小；主机上的可视化应用程序通过嵌入COM的API函数获得或者发送这些数据时对目标机的影响也是很小的。并且该技术不占用DSP的系统总线和串口等I/O资源，通过复用DM6437的仿真接口的方式来实现主机与目标机之间的数据交换。CCS提供了RTDX插件和相应的程序接口API。

本发明水印算法设计主要实现处理任务。当接收完来自上位机的数据后产生中断通知DSP，DSP采用EDMA的方式将所需数据传到内部RAM中，为后面的图像水印算法做准备。算法首先通过上位机传来的控制信息embFlag确定接收到的命令来是执行水印的嵌入还是水印的提取，然后进行相应的处理。若是水印嵌入，最后将嵌入水印的图像数据imgEmb数组通过输出任务上传到上位机，若是水印提取，则将提取的水印信息wmExt和计算出的与原水印信息的相似系数上传。

如图3所示，采用模块化的函数编写简化水印算法，其中水印预处理模块由函数wmPrep (watermark，&newwm) 实现，watermark是输入任务中传来的数据，newwm数组用于保存经过预处理的水印信息；SIFT变换模块采用sifl_feature (img，&feat) 实现宿主图像img的关键特征的提取，feat结构体用于保存提取到的关键特征点，通过函数match—feature (img，attacklmg，&matchs) 实现宿主图像与受到攻击后的嵌入水印图像进行匹配；getLFRs (feat，&LFRs) 函数实现局部特征区域的提取，并将各个局部特征区域存储在以LFRs为首地址的结单链表里；NSCT变换模块包括NSCT变换函数nsct()和NSCT重构nsctrec()构成；水印的奇偶量化嵌入模块由函数odd_evenQuantization()实现；水印的提取和检测通过odd_evenCheck()实现，并通过wmPrepInv()和NC()计算出提取水印与原水印信息的相似系数NC。

Claims (2)

1.一种具有防篡改功能的视频采集系统，其特征在于其由一个以上的摄像头（1）、与摄像头（1）相应接口相连接视频解码器（2）、与视频解码器（2）相应接口相连接的处理器（3）以及与处理器（3）相应接口相连接的PC机（4）组成，所述视频解码器（2）的型号为TVP5158，所述处理器（3）的型号为DM6437。

2.根据权利要求1所述的具有防篡改功能的视频采集系统所采用的视频处理方法，其特征在于包括以下步骤：

Step-1：DM6437进行初始化；

DM6437进行初始化包括BIOS，CSL和任务的初始化，以及cache，EDMA，VP口、TVPS 150PBS等片上外设的设置；

Step-2：DSP/BIOS任务调度；

由DSP/BIOS进行任务调度，程序主要分为三个任务：输入任务tskInput，输出任务tskOutput和处理任务tskProcess，

其处理任务用于实现核心的水印算法；

Step-3-1：输入任务：    

通过摄像头采集宿主图像处理任务；

Step-3-2-1：当没有输入任务时，返回Step-3-2-1步；

Step-3-2-2：当有存在输入任务的时，执行Step-3-3步；

Step-3-3：执行水印信息预处理模块；

本步骤对数字形式的原始图像在嵌入水印前先对其作低通滤波、对比度增强以及边界处理，提高水印的嵌入强度以及不可感知性，为水印提取前的几何校正提供方便；

Step-3-4：执行SIFT变换模块；

SIFT的全称为Scale-Invariant Features Transform，本步骤对图像旋转、尺度缩放、平移、亮度变化具有不变性，提高对视角变化、仿射变换和噪声的稳定性；

Step-3-5：执行局部特征区域分割模块；

局部特征区域分割模块用于稳定性抵抗攻击，使其分布均匀，抵抗剪切攻击，提高鲁棒性；

Step-3-6：执行NSCT变换模块；

所述NSCT变换模块是一种多尺度、多方向且具有平移不变性的变换，而且所有子带分解都和原图像的大小相同，所述NSCT变换模块算法采用蓝色分量的NSCT-SVD域嵌入水印在面对图像旋转、缩放以及平移攻击时具有更好的鲁棒性；

Step-3-7：执行奇偶量化嵌入模块；

所述执行奇偶量化嵌入模块提高了制作水印的不可见性, 能抵抗常规的图像处理和噪声攻击，从而提高鲁棒性；

Step-3-8：执行水印嵌入模块/执行水印检测模块；

所述执行水印嵌入模块/执行水印检测模块的算法从红色分量的NSCT低频系数中提取匹配的SIFT关键点本身就具有更好的抗噪声、滤波以及压缩的信号处理的能力，从而能获得更准确的几何校正参数；

Step-3-9：发送消息到输出任务；

Step-4：输出任务；

向PC机（4）发送提取的水印信息。