CN112423150B - 一种具有帧校验功能的远程视频传输装置的工作方法 - Google Patents
一种具有帧校验功能的远程视频传输装置的工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有帧校验功能的远程视频传输装置及其工作方法，所述装置包视频存储媒介、SoC主控和远程传输接口；所述视频存储媒介依次与SoC主控和远程传输接口双向连接，所述远程传输接口与远端服务器双向连接。本发明将水印比特位按照一定的规则顺序填充到特定视频帧像素点的最高位，以达到储存数字水印的目的。远端服务器通过对数字水印的解析，可以判断接收到视频帧的完整性与合法性。由于本发明的低复杂度及高可靠性，可以广泛地应用于工业现场视频监控领域。本发明通过在视频帧的空间域中添加数字水印，具有复杂度低，处理延迟低的特点；本发明可以广泛的应用于中低端处理器的视频处理领域，具有较高的灵活性和较高的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种远程视频传输技术，特别是一种具有帧校验功能的远程视频传输装置及其工作方法。
背景技术
目前，已有的远程视频传输帧校验的方法主要有如下两种：
第一种是通过对视频进行加密的方式，如：中国专利CN202010393660.6公开了一种视频加密的监控系统，包括网络摄像机、第一视频加解密模块、第二视频加解密模块、密码机和视频监控端，网络摄像机与第一视频加解密模块相连，第二视频加解密模块与视频监控端相连，网络摄像机、第一视频加密模块、第二视频加密模块、密码机、视频监控端通过网络进行通讯，第一视频加解密模块包括依次连接的第一网络通讯模块、第一准入控制模块、第一密码模块。第二视频加解密模块包括依次连接的第二网络通讯模块、第二准入控制模块、第二密码模块。该发明避免了视频设备被非法替换、视频通讯身份安全认证、视频数据被窃听、被篡改的安全风险，确保网络视频传输的机密性、完整性，从而大大提高网络视频监控系统的安全性。这种方式需要的设备较多，系统较复杂，并且需要对视频进行多级处理，虽然通过网络传输但仍有较大的处理时延。
第二种是通过在视频的I帧前插入SEI帧，实现对实时传输视频源的真实性进行校验，如：中国专利CN 201811389289.5公开了一种视频实时在线共享浏览防篡改的系统和方法，该系统包括信令模块、视频转发模块、视频转码模块和视频防篡改检测模块。通过在视频的I帧前插入SEI帧，实现对实时传输视频源的真实性进行校验；该发明所述的系统和方法，可实现对实时传输视频源的真实性进行校验，以避免视频在实时传输过程中被篡改的可能。这种方式需要对视频码流进行编码、插帧、解码操作，对处理器的性能要求较高，不适用于中低端处理器系统。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种设备复杂度低、处理器性能要求低的具有帧校验功能的远程视频传输装置及其工作方法。
为了实现上述目的，本发明通过在视频帧空间域中嵌入数字水印的方式，实现远程视频传输的帧校验功能。
本发明的技术方案如下：一种具有帧校验功能的远程视频传输装置，包视频存储媒介、SoC主控和远程传输接口；所述视频存储媒介依次与SoC主控和远程传输接口双向连接，所述远程传输接口与远端服务器双向连接；
所述视频存储媒介为非易失存储器，用于保存本地视频文件；所述SoC主控的功能为与远程服务端进行通信、读取并解码本地视频、嵌入视频帧校验水印，实施例中使用的是FPGA芯片；所述远程传输接口用于实现SoC主控与远端服务器的通信。
进一步地，所述SoC主控采用FPGA芯片；所述远程传输接口采用千兆以太网接口。
一种具有帧校验功能的远程视频传输装置的工作方法，包括以下步骤：
A、远端服务器经远程传输接口向SoC主控发送包含视频起止时间的请求帧；
B、SoC主控接收远端服务器请求，获取视频起止时间；
C、SoC主控根据远端服务器请求的视频起止时间，查找相应的视频文件，并进行解码；
D、SoC主控对解码后的单帧视频嵌入帧校验数字水印；
E、SoC主控向远端服务器发送嵌入帧校验水印后的单帧视频；
F、SoC主控判断远端服务器请求时间段内的视频是否全部处理并发送完毕，如果发送完毕则程序退出，如果没有发送完毕则转步骤C；
G、远端服务器接收视频帧，解析视频帧中的数字水印并做出完整性及合法性校验。
进一步地，步骤D所述校验数字水印的印结构包括水印头部、水印实体和实体校验，具体结构如下：
a、水印头部：水印头部占用两个字节，即16 bits；由视频帧起始像素点开始存储，彩色视频帧占用三个通道；每一个像素点的最高位即第八位存储一位二进制数据，则水印头部每通道一共占用16个像素点；下面是水印头部各位的含义：
RGB[2:0]：表示实体及实体校验部分在像素点中占用的通道，位数由低到高分别表示B、G、R三个通道是否被占用，二进制1表示占用，二进制0表示不占用；
INT[4:0]：表示实体部分每一位占用的像素点间隔；
ITER[3:0]：表示实体部分重复写入的次数，用于数据的可靠性存储；
DET[3:0]：表示头部检错，由下式求得：
其中，Det_MASK表示头部检错掩码0x0F，Header表示水印头部字节码，i表示Header中的第i组四位比特；
b、水印实体：水印实体占用6个字节，即48 bits，通过当前视频帧时间戳信息得到；每一部分编码均为BCD编码；下面是水印实体部分各位的含义：
YT[3:0]：表示年十位；YU[3:0]：表示年个位；
MT[0]：表示月十位；MU[3:0]：表示月个位；
DT[1:0]：表示日十位；DU[3:0]：表示日个位；
HT[1:0]：表示小时十位；HU[3:0]：表示小时个位；
MNT[2:0]：表示分钟十位；MNU[3:0]：表示分钟个位；
ST[2:0]：表示秒钟十位；SU[3:0] 表示秒钟个位；
FT[3:0]：表示帧数十位；FU[3:0]：表示帧数个位；
c、实体校验：实体校验占用1字节，即8 bits；实体校验由下式求得：
其中，Ver_MASK为实体校验掩码0xFF，Entity表示水印实体字节码，i表示Entity中的第i组八位比特。
进一步地，步骤D所述校验数字水印的像素排布及各数字含义如下：
水印头部：位于视频帧的第一行像素，占用像素点无间隔；
水印实体：起始位置为视频帧第二行像素点，这是一次实体迭代；
像素间隔：水印实体两个比特占用像素点之间的间隔，即头部中的位间隔；
实体校验：实体校验位于实体之后，排布方式与实体相同；
实体迭代：实体与实体校验进行ITER次迭代。
进一步地，步骤D所述嵌入帧校验数字水印的方法包括以下步骤：
D1、设置水印头部参数，水印头部参数包括RGB掩码、实体迭代次数和位占用像素间隔。RGB掩码取值范围为二进制001~111；实体迭代次数取值范围为1~15，位占用像素间隔取值范围为0~31；
D2、组建水印头部字节码，组建过程包括以下步骤：
D21、创建一个16位的中间变量Temp，并设置初始值为0；
D22、通过功能掩码Mask与功能偏移地址Offset，将水印头部参数写入中间变量，具体公式为：
其中，Data表示待写入的功能参数，Data表示功能参数，Mask表示功能掩码，Offset表示功能偏移地址，功能参数与功能掩码、功能偏移地址具有唯一对应关系；
D23、根据头部校验公式计算头部校验并写入Temp，至此，Temp即为水印头部字节码，字节码组建完成后执行步骤D3；
D3、视频帧写入字节码，写入流程描述如下：
D31、判断字节码最高位是否为1，如果为1执行步骤D32，如果为0执行步骤D33；
D32、判断该位对应存储像素点的像素值是否小于128，如果小于128则该点像素值加128，如果不小于128则不进行处理，执行步骤D34；
D33、判断该位对应存储像素点的像素值是否小于128，如果小于128则不进行处理，如果不小于128则该点像素值减去128，执行步骤D34；
D34、按照步骤D31~D33依次处理余下的各位，直至字节码全部写入视频帧为止，水印头部嵌入完成后执行D4；
D4、组建水印实体字节码并计算实体校验字节码，组建过程包括以下步骤：
D41、创建一个48位的中间变量Temp，并设置初始值为0；
D42、通过功能掩码Mask与功能偏移地址Offset，将水印实体参数写入中间变量，具体公式为：
其中，Data表示待写入的功能参数，Data表示功能参数，Mask表示功能掩码，Offset表示功能偏移地址，功能参数与功能掩码、功能偏移地址具有唯一对应关系；
D43、根据实体校验公式计算实体校验并写入Temp，至此，Temp即为水印实体及实体校验字节码，字节码组建完成后执行步骤D5；
D5、判断实体写入视频帧的迭代次数是否满足头部参数设置要求，如果满足要求则程序结束，水印嵌入完成，程序退出；如果不满足则执行步骤D6；
D6、实体及校验迭代写入，写入流程描述如下：
D61、判断字节码最高位是否为1，如果为1执行步骤D62，如果为0执行步骤D63；
D62、判断该位对应存储像素点的像素值是否小于128，如果小于128则该点像素值加128，如果不小于128则不进行处理，执行步骤D64；
D63、判断该位对应存储像素点的像素值是否小于128，如果小于128则不进行处理，如果不小于128则该点像素值减去128，执行步骤D64；
D64、按照步骤D61~D63依次处理余下的各位，直至字节码全部写入视频帧为止，实体及校验迭代写入完成后执行D5。
进一步地，步骤G所述的解析视频帧中的数字水印并做出完整性及合法性校验的方法，包括以下步骤：
G1：解析水印头部字节码，由视频帧第一行像素开始，连续判断第一行像素点的像素值，如果像素值小于128，则水印头部对应的位置0，反之置1。由此循环判断，直至完成对所有的水印头部比特的判断；
G2：校验头部数据是否正确，如果正确，解析头部参数：RGB掩码、迭代次数、位间隔，转步骤G3；如果不正确，水印解析错误，程序退出并告警水印解析错误；
G3：解析实体与校验字节码，由视频帧第二行像素开始，连续判断INT[4:0]大小间隔像素点的像素值，如果像素值小于128，则水印头部对应的位置0，反之置1。由此循环判断，直至完成对所有的实体与校验比特的判断；
G4：判断实体与校验字节码的解析次数是否达到了迭代次数，如果达到了，执行步骤G5；否则，转步骤G3；
G5：单通道多次迭代结果比较，方法是按位比较，如果1出现的次数多则取该位为1，取最终结果后，进行实体校验。如果校验正确，则解析实体数据并做出视频帧完整性及合法性判断；如果校验错误，程序退出并告警水印解析错误。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明分为装置硬件模块与软件实现两部分。装置的硬件模块包括SoC主控、视频存储媒介、远程传输接口，软件部分重点内容为帧校验的实现方式——空间域数字水印。数字水印结构包括水印头部、水印实体、实体校验三个部分，将水印比特位按照一定的规则顺序填充到特定视频帧像素点的最高位，以达到储存数字水印的目的。远端通过对数字水印的解析，可以判断接收到视频帧的完整性与合法性。由于本发明的低复杂度及高可靠性，可以广泛地应用于工业现场视频监控领域。
2.本发明实现了一种具有帧校验功能的远程视频传输装置，该装置通过在视频帧的空间域中添加数字水印，具有复杂度低，处理延迟低的特点；
3.本发明通过在视频帧中嵌入数字水印的方式，实现了远程视频传输的帧校验功能，这种方式对处理器的性能要求不高，可以广泛的应用于中低端处理器的视频处理领域，成本低；
4.本发明的数字水印帧校验功能可以实现对远程视频传输的完整性及合法性检测，用于远程视频的可靠传输；
5.本发明的数字水印实体部分，不只局限于该实施例中的时间戳信息，可以根据应用场景的需要，自定义实体的字节码信息，具有较高的灵活性；
6.由于本发明采用的帧校验手段对水印进行了多次迭代和比较取值，因此具有较高的可靠性。
附图说明
图1是本发明的装置功能模块图；
图2是本发明的视频传输程序流程图；
图3是本发明的数字水印头部结构图；
图4是本发明的数字水印实体结构图；
图5是本发明的数字水印实体校验结构图；
图6是本发明的数字水印排布示意图；
图7是本发明的嵌入数字水印程序流程图；
图8是本发明的解析数字水印程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。图1所示为本发明的装置功能模块图，包含视频存储媒介、SoC主控和远程传输接口。视频存储媒介为非易失存储器，用于保存本地视频文件。SoC主控的功能为与远程服务端进行通信、读取并解码本地视频、嵌入视频帧校验水印，实施例中使用的是FPGA芯片。远程传输接口用于实现设备与远端服务器的通信，本实施例中使用的是千兆以太网接口。
本发明方法中的的视频传输程序流程图如图2所示；图3所示为数字水印头部结构图，图4所示为数字水印实体结构图，图5所示为数字水印实体校验结构图；图6所示为数字水印像素排布示意图，图7所示为嵌入水印程序流程图；图8所示为本发明方法步骤G的解析数字水印程序流程图。
本发明通过对远端服务器请求的视频进行解码、嵌入水印的方式，实现了远程视频传输的帧校验功能。鉴于数字水印实体储存的是时间戳信息，因而采用本发明实施例所阐述的处理方法，实际应用中不局限于数字水印实体的数据内容。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种具有帧校验功能的远程视频传输装置的工作方法，所述具有帧校验功能的远程视频传输装置包视频存储媒介、SoC主控和远程传输接口；所述视频存储媒介依次与SoC主控和远程传输接口双向连接，所述远程传输接口与远端服务器双向连接；
所述视频存储媒介为非易失存储器，用于保存本地视频文件；所述SoC主控的功能为与远程服务端进行通信、读取并解码本地视频、嵌入视频帧校验水印；所述远程传输接口用于实现SoC主控与远端服务器的通信；
所述SoC主控采用FPGA芯片；所述远程传输接口采用千兆以太网接口；
其特征在于：所述具有帧校验功能的远程视频传输装置的工作方法，包括以下步骤：
A、远端服务器经远程传输接口向SoC主控发送包含视频起止时间的请求帧；
B、SoC主控接收远端服务器请求，获取视频起止时间；
C、SoC主控根据远端服务器请求的视频起止时间，查找相应的视频文件，并进行解码；
D、SoC主控对解码后的单帧视频嵌入帧校验数字水印；
E、SoC主控向远端服务器发送嵌入帧校验水印后的单帧视频；
F、SoC主控判断远端服务器请求时间段内的视频是否全部处理并发送完毕，如果发送完毕则程序退出，如果没有发送完毕则转步骤C；
G、远端服务器接收视频帧，解析视频帧中的数字水印并做出完整性及合法性校验；
步骤D所述校验数字水印的印结构包括水印头部、水印实体和实体校验，具体结构如下：
a、水印头部：水印头部占用两个字节，即16 bits；由视频帧起始像素点开始存储，彩色视频帧占用三个通道；每一个像素点的最高位即第八位存储一位二进制数据，则水印头部每通道一共占用16个像素点；下面是水印头部各位的含义：
RGB[2:0]：表示实体及实体校验部分在像素点中占用的通道，位数由低到高分别表示B、G、R三个通道是否被占用，二进制1表示占用，二进制0表示不占用；
INT[4:0]：表示实体部分每一位占用的像素点间隔；
ITER[3:0]：表示实体部分重复写入的次数，用于数据的可靠性存储；
DET[3:0]：表示头部检错，由下式求得：
其中，Det_MASK表示头部检错掩码0x0F，Header表示水印头部字节码，i表示Header中的第i组四位比特；
b、水印实体：水印实体占用6个字节，即48 bits，通过当前视频帧时间戳信息得到；每一部分编码均为BCD编码；下面是水印实体部分各位的含义：
YT[3:0]：表示年十位；YU[3:0]：表示年个位；
MT[0]：表示月十位；MU[3:0]：表示月个位；
DT[1:0]：表示日十位；DU[3:0]：表示日个位；
HT[1:0]：表示小时十位；HU[3:0]：表示小时个位；
MNT[2:0]：表示分钟十位；MNU[3:0]：表示分钟个位；
ST[2:0]：表示秒钟十位；SU[3:0] 表示秒钟个位；
FT[3:0]：表示帧数十位；FU[3:0]：表示帧数个位；
c、实体校验：实体校验占用1字节，即8 bits；实体校验由下式求得：
其中，Ver_MASK为实体校验掩码0xFF，Entity表示水印实体字节码，i表示Entity中的第i组八位比特；
步骤D所述校验数字水印的像素排布及各数字含义如下：
水印头部：位于视频帧的第一行像素，占用像素点无间隔；
水印实体：起始位置为视频帧第二行像素点，这是一次实体迭代；
像素间隔：水印实体两个比特占用像素点之间的间隔，即头部中的位间隔；
实体校验：实体校验位于实体之后，排布方式与实体相同；
实体迭代：实体与实体校验进行ITER次迭代；
步骤D所述嵌入帧校验数字水印的方法包括以下步骤：
D1、设置水印头部参数，水印头部参数包括RGB掩码、实体迭代次数和位占用像素间隔；RGB掩码取值范围为二进制001~111；实体迭代次数取值范围为1~15，位占用像素间隔取值范围为0~31；
D2、组建水印头部字节码，组建过程包括以下步骤：
D21、创建一个16位的中间变量Temp，并设置初始值为0；
D22、通过功能掩码Mask与功能偏移地址Offset，将水印头部参数写入中间变量，具体公式为：
其中，Data表示待写入的功能参数，Data表示功能参数，Mask表示功能掩码，Offset表示功能偏移地址，功能参数与功能掩码、功能偏移地址具有唯一对应关系；
D23、根据头部校验公式计算头部校验并写入Temp，至此，Temp即为水印头部字节码，字节码组建完成后执行步骤D3；
D3、视频帧写入字节码，写入流程描述如下：
D31、判断字节码最高位是否为1，如果为1执行步骤D32，如果为0执行步骤D33；
D32、判断该位对应存储像素点的像素值是否小于128，如果小于128则该点像素值加128，如果不小于128则不进行处理，执行步骤D34；
D33、判断该位对应存储像素点的像素值是否小于128，如果小于128则不进行处理，如果不小于128则该点像素值减去128，执行步骤D34；
D34、按照步骤D31~D33依次处理余下的各位，直至字节码全部写入视频帧为止，水印头部嵌入完成后执行D4；
D4、组建水印实体字节码并计算实体校验字节码，组建过程包括以下步骤：
D41、创建一个48位的中间变量Temp，并设置初始值为0；
D42、通过功能掩码Mask与功能偏移地址Offset，将水印实体参数写入中间变量，具体公式为：
其中，Data表示待写入的功能参数，Data表示功能参数，Mask表示功能掩码，Offset表示功能偏移地址，功能参数与功能掩码、功能偏移地址具有唯一对应关系；
D43、根据实体校验公式计算实体校验并写入Temp，至此，Temp即为水印实体及实体校验字节码，字节码组建完成后执行步骤D5；
D5、判断实体写入视频帧的迭代次数是否满足头部参数设置要求，如果满足要求则程序结束，水印嵌入完成，程序退出；如果不满足则执行步骤D6；
D6、实体及校验迭代写入，写入流程描述如下：
D61、判断字节码最高位是否为1，如果为1执行步骤D62，如果为0执行步骤D63；
D62、判断该位对应存储像素点的像素值是否小于128，如果小于128则该点像素值加128，如果不小于128则不进行处理，执行步骤D64；
D63、判断该位对应存储像素点的像素值是否小于128，如果小于128则不进行处理，如果不小于128则该点像素值减去128，执行步骤D64；
D64、按照步骤D61~D63依次处理余下的各位，直至字节码全部写入视频帧为止，实体及校验迭代写入完成后执行D5；
步骤G所述的解析视频帧中的数字水印并做出完整性及合法性校验的方法，包括以下步骤：
G1：解析水印头部字节码，由视频帧第一行像素开始，连续判断第一行像素点的像素值，如果像素值小于128，则水印头部对应的位置0，反之置1；由此循环判断，直至完成对所有的水印头部比特的判断；
G2：校验头部数据是否正确，如果正确，解析头部参数：RGB掩码、迭代次数、位间隔，转步骤G3；如果不正确，水印解析错误，程序退出并告警水印解析错误；
G3：解析实体与校验字节码，由视频帧第二行像素开始，连续判断INT[4:0]大小间隔像素点的像素值，如果像素值小于128，则水印头部对应的位置0，反之置1；由此循环判断，直至完成对所有的实体与校验比特的判断；
G4：判断实体与校验字节码的解析次数是否达到了迭代次数，如果达到了，执行步骤G5；否则，转步骤G3；
G5：单通道多次迭代结果比较，方法是按位比较，如果1出现的次数多则取该位为1，取最终结果后，进行实体校验；如果校验正确，则解析实体数据并做出视频帧完整性及合法性判断；如果校验错误，程序退出并告警水印解析错误。
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