CN1155242C - 在视频数据中嵌入附加信息的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在MPEG流中检测I帧或P或B帧的内宏块，检测后，从MPEG流中取出一个宏块的数据并缓存。在不改变VLC长度的情况下把要嵌入模式嵌入在被缓存的宏块内，再把得到的宏块返回MPEG流。更确切地说，从被缓存的宏块中取出DC系数，且产生伪随机数以生成嵌入模式。然后确定是否DC系数的位长会由于嵌入获得的嵌入模式而改变。当DC系数的位长不发生改变时，嵌入模式即被嵌入到被缓存的宏块中。当位长发生变化时，则确定要嵌入模式的1/2是否能被嵌入。如可能，则嵌入模式的1/2即嵌入宏块内。

Description

在视频数据中嵌入附加信息的系统和方法
本发明涉及一种用于在视频数据流中嵌入附加信息的技术，特别涉及一种用于在不改变组成MPEG视频数据部分的VLC(可变长编码)长度条件下在MPEG2视频数据中电子地嵌入信息的方法和系统。
数据隐藏技术(IBM的商标)被认为是这样一种技术：在静止图像数据、活动图像数据或音频数据中嵌入不可见的和不可分离的数据，这种技术也称作电子水印，在保护多媒体应用的内容的版权中已受到关注。最近，由于数字数据已被广泛地用于活动图像，而这些图像本身也随后被广泛地传播，那些象电影之类应用的高附加值的内容越来越需要加以保护。因此，人们已在探讨使用数据隐藏技术来控制复制和播放。为了在数字图像内嵌入附加信息，一般要把该信息嵌入基带内，然后，在得到的数据中进行JPEG/MPEG压缩。这里应注意的是，JPEG代表“联合图像编码专家组”；MPEG代表“运动图像专家组”。
静止图像数据，活动图像数据或音频数据的电子水印技术被透露在，例如，日本专利中请平8-159330号(我们的卷号JA9-S6-044号)，日本专利申请平8-273551号(我们的卷号JA9-96-076号)，日本专利申请平8-348426号(我们的卷号JA9-96-090号)，日本专利申请平9-088493号(我们的卷号JA9-97-045号)，日本专利申请平8-272721(我们的卷号JA9-96-074号)，日本专利申请平9-248272(我们的卷号JA9-9-7-156号)中。在所有引用的现有技术中，都假设在基带中嵌入图像数据。即使嵌入由JPEG/MPEG压缩的数据内容，数据一般也是嵌入在基带内，然后再对得到的数据进行压缩；数据不是直接嵌入在MPEG2视频数据流中。这是因为在压缩的MPEG2视频数据流中直接嵌入图像数据将导致改变VLC(可变长编码)的长度，这样就不能处理内容数据包。
更准确地说，由于使用VLC，AC或DC系数改变了，故在嵌入过程的前后需要VLC的多路分解和多路复用；因此，比特流的整个长度改变了。所以，需要一个较大的缓冲器，且重构比特流是困难的。特别地，当DVD数据形成具有固定长度的数据包时，重构该数据包是非常困难的。在日本专利申请平8-272721(我们卷号JA-96-074)中提出了一种方法：用对B或P帧的向前预测和反向预测来直接在MPEG2域内嵌入数据。这种方法也有同样的缺点：即VLC的长度改变了，并且具有一些B或P帧的活动图象数据不能被处理。
本发明的一个目的就是提供一种用于在视频数据中直接嵌入附加信息的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种用于在视频数据包中嵌入附加信息的方法和系统。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在MPEG数据中嵌入附加信息而不改变VLC的长度的方法和系统。
本发明的进一步目的是提供一种用于在视频数据流中嵌入附加信息而不改变视频数据流的整个长度的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种用于在视频数据中嵌入附加信息而无需一个大的缓冲器的方法和系统。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在MPEG数据中嵌入电子水印，可以处理具有一些B或P帧的活动图象的方法和系统。
为了达到在视频数据中嵌入附加信息的上述目的，本发明提供一种在视频数据中嵌入附加信息的方法，包括步骤：检测视频数据内的一个视频帧；从所述检测到的视频帧中取出一个小域的数据，并且缓存所述数据；确定在所述缓存的小域内附加信息是否不会改变所述小域的数据的位长；在确定不会改变所述位长的情况下，在所述被缓存的小域内嵌入附加信息；并且将已经嵌入所述附加信息的所述小域送回所述视频数据。
对于MPEG视频数据，在MPEG流中检测I帧或P或B帧的内宏块，在检测I帧或P或B帧的内宏块后，从MPEG流中取出用于一个宏块的数据并缓存。在没有改变VLC长度的情况下，一个嵌入模式被嵌入在缓存的宏块内，且该形成的宏块被送回MPEG流。更确切地说，在被缓存的宏块中取出一个DC系数，且产生一个伪随机数以形成嵌入模式。然后，确定是否嵌入所得到的嵌入模式会改变DC系数位长。当DC系数位长不变时，嵌入模式被嵌入到被缓存的宏块中。当位长改变时，就确定嵌入模式的1/2是否可被嵌入。如果可能，则嵌入模式的1/2被嵌入在该宏块中。
本发明还提供一种用于在视频数据中检测附加信息的方法，所述方法包括下述步骤：检测视频数据中的视频帧；从检测的所述视频帧中取出小城的数据，并缓存所述数据；和检测被缓存的所述小域内的附加信息。
为了在视频数据中检测附加信息，首先，在视频数据中检测视频帧，再从检测到的视频帧中取出小域的数据并缓存。然后检测被缓存的小域内的附加信息。为了检测MPEG流中的电子水印，首先，检测I帧或P或B帧的内宏块。当检测到I帧或P或B帧的内宏块时，从MPEG流中取出一个宏块的数据并缓存起来。在被缓存的宏块中的DC系数中检测使用伪随机数产生的嵌入模式。应该注意的是，嵌入和检测所使用的伪随机数，用同一个密钥M产生。
在这种方案下，附加信息可被嵌入在视频数据中或可在其中被检测出来而不改变数据流的大小。此外，还可以周廉价的方法嵌入附加信息，这就不需高成本的处理过程，如DCT计算。因为只需要很小的缓冲器，故任何延迟都是很小的。这种方法还可用于打包的MPEG2流。
图1是用于本发明嵌入模式的例子。
图2是本发明嵌入处理的流程图。
图3是Len(x)数值的例子的表。
图4是根据本发明的嵌入装置的方框图
图5是当本发明用于数字视频时复制控制系统的一个例子的处理过程。
下面将要说明最佳实施例，在此，本发明的方法用于在MPEG视频数据中嵌入附加信息。在MPEG2流中嵌入/检测附加信息的系统主要包括两部分：嵌入装置和检测装置。嵌入装置和检测装置使用共同的密钥M。以下详细说明这两种装置。
*嵌入装置
首先解释嵌入方法。在本发明中，如图1所示，有四种嵌入模式(P0，P1，P2和P3)，它们作为宏块(16×16像素)单元而嵌入MPEG2视频数据的DC亮度系数中。例如，为了嵌入P0，宏块亮度系数Y0的DC系数增加1，Y1的DC系数减少1，而Y2和Y3的DC系数没有改变。使用一个伪随机数M(i，j)可得到对应每个宏块的模式P。即，嵌入模式P是作为P＝PM(i，j)给出的，它针对子图号(slice_number)=i(0原点)和宏块号=j分配。此外，对于MPEG2，由于前面的子块(对于Y0的前面的宏块的Y1和Y3的Y0)中的亮度系数的差，故在MPEG2城内实际上发生变化的DC系数是Δ(M(i，j)，Y)。现在参考图2的流程，说明嵌入处理过程。
首先，在步骤100，探测I帧或P或B帧的内宏块。当在数据流中探测到MPEG2视频流并探测到I帧或P或B帧的内宏块时，程序控制就转到步骤200。
在步骤200，一个宏块的数据被缓存。在一个宏块的比特流中，存储了从Y0的DC系数延伸至Y3的DC系数的部分。在步骤300和步骤400，在嵌入处理的前后计算了DDSL(可变长编码)+DDD(dct_dc_尺寸亮度)的位长。当位长相等，即：当Y＝0，1，2，3时，下列等式成立：
Len(D(i，j，Y))＝(Len(D(i，j，Y)+Δ(M(i，j)，Y))……(1)，
PM(i，j)被嵌入在宏块内。当子图号＝i，宏块号＝j，子块号＝Y时，D(i，j，Y)代表DC系数的差；Δ(k,Y)代表在嵌入模式k和Y之间的系数差的增量；当DC系数差为x时，Len(x)代表DDSL+DDD的位长。Len(x)被示于图3中。Len(0)＝Len(1)＝3和DC系数差为“0”这样的子块可以变成“1”或“-1”，因为位长将不改变。然而，具有DC系数差“4”的子块不能变成“3”，这是因为位长将被改变。当等式(1)没有成立时，程序控制移至步骤500。
由于嵌入前后位长的差异而不能进行嵌入时，在步骤500至700，确定信息量的一半是否能被嵌入。如可能，则嵌入一半的信息量。即，当图1中的P1不能被嵌入时，则确定是否P′1或P″1可被嵌入。如果P′1或P″1可被嵌入，它即被嵌入。换句话说，当Y＝0，1，2，3时，下列等式成立，
Len(D(i，j，Y))＝Len(D(i，j，Y)+Δ′(M(i，j)，Y))或
Len(D(i，j，Y))＝Len(D(i，j，Y)+Δ″(M(i，j)，Y))…(2)，
P′M(i，j)或P″M(i，j)嵌入在宏块内。Δ′(k，Y)和Δ″(k，Y)分别是嵌入模式k在P′k的Y处和在P″k的Y处之间的系数差的增量。当等式(2)不成立时，程序控制移至步骤700，在此，宏块嵌入被放弃。在步骤800，进行检查以确定是否处理了I帧或P或B帧的内宏块。当未完成处理时，程序控制返回到步骤200。
图4为解释嵌入装置的方框图。输入控制器100从数据总线，如ATA接收数据，将它们存在线路缓冲器200内。线路缓冲器200用于存储输入控制器100收到的数据。I帧或P或B帧的内宏块检测器300探测存储在线路缓冲器200内的数据的MPEG2视频流，进而探测用于I帧或P或B帧的内宏块。仅当本发明安装于数据隐藏检测芯片(DataHidingTM检测芯片)上时才使用CCI检测器400，并在内宏块检测器300探测I帧后探测CCI。CCI检测器400检测CCI并向CPU发出中断指令。上述100至400的方框起数据隐藏检测芯片的作用。
宏块缓冲器500用于存储一个宏块的数据。DC亮度系数检测器600检测宏块内的DC亮度系数(Y＝0，1，2，3，4)。伪随机数发生器700产生嵌入模式的伪随机数(M(i，j))。两个比特分配给一个宏块。对于MP@ML(720×480)，产生720/16×480/16×2＝2700比特。DC霍夫曼表800(ISO/IEC 31818-2的表B.12)用于存储用于MPEG2的DC亮度系数。DC霍夫曼长度比较器900决定用于DC亮度系数DDSL+DDD的位长是否被嵌入数据所改变。当比较器900确定位长不会改变时，DC重新嵌入器1000嵌入伪随机数发生器700获得的模式。输出控制器1010将所获得的宏块返回比特流，并输出得到的比特流。当输出控制器1010不进行再嵌入时，从输入控制器收到的数据在被传输时不发生变化。上述500至1010的方框已被新加入到数据隐藏检测芯片上。
*检测装置
用以下方法进行检测处理。当检测I帧时，若假设DC(i，j，Y)被定义为DC亮度系数(i，j和Y以嵌入设备的同样方法定义)，P(M(i，j)，Y)被定义为Y的嵌入模式M(i，j)的嵌入值；并且，
ΔDC(i，j)＝DC(i，j，0)-DC(i，j，1)，M(i，j)＝0
DC(i，j，0)-DC(i，j，2)，M(i，j)＝1
DC(i，j，1)-DC(i，j，0)，M(i，j)＝2
DC(i，j，2)-DC(i，j，0)，M(i，j)＝3
那么，当没有进行嵌入时，预计下列表达式成立：
∑i∑jΔDC(i，j)/N…＞0
(应当注意的是N代表用于计算∑∑的ΔDC(i，j)的数字。)当进行嵌入时，该值趋近于特定正值A：
∑i∑jΔDC(i，j)/N……＞A＞0
当ΔDC(i，j)的标准偏差σ为：
σ2＝∑i∑j(ΔDC(i，j)-＜ΔDC(i，j)＞)2/N，且
Z＝∑i∑jΔDC(i，j)/(σ*N)，
则嵌入是“是”；且当T≥Z时，嵌入是“否”。
已经利用数据隐藏技术探讨了控制数字视频的记录和播放。出于电影业以及有关公众业务经营的需要，正在寻求这样一个系统，它只允许对通过卫星及电缆传送的有偿广播录制一次。(见DVD CPTWGDHSG CFP，Ver1.)控制被传播的数字数据复制频率的系统可作为本发明的一个实施例提出。该系统可使用以下方法得到。
当录制设备检测到数字数据中的CCI＝(1，0)(复制一次)时，就作检验以确定是否存在新的CCI(扩展CCI，以下简称为ECCI)。当得到“ECCI不存在”的结果时，ECCI被嵌入并允许录制。当得到“ECCI存在”的结果时，不允许录制。当把本发明的方法用于嵌入和检测ECCI时，即可提供仅允许进行一次复制的系统。图5是流程图，表示用于数字视频数据的传播系统进行处理的例子。
在步骤510，STB(机顶盒)接收数字视频数据。当把数据传送至记录设备570时，在步骤520步检测CCI；在检测到CCI时，在步骤530确定是否出现ECCI。当出现ECCI(YES)时，在步骤560，禁止记录。当ECCI没有出现时，在步骤540，ECCI被嵌入视频数据中；且在步骤550进行记录。
本系统的优点是：
1.ECCI可以以实时嵌入MPEG2域，具有DVD格式的数据包可被处理。
2.在MPEG2数据生成后，ECCI甚至可以在基带内检测；或在进行了DA转换的模拟域内检测。
3.ECCI可直接嵌入基带；和
4.跨通信路径的错误的出现不会降低ECC1检测的精确度，而这是困扰在日本专利申请平9-088493中公开的标记(Token)方法的一个问题。
根据本发明，可以一种提供电子水印系统，利用它，数据流的大小在附加信息嵌入前后是一样的。本发明的方法可适用于MPEG2数据流中的一个包，也可用较低的成本进行，无需高成本的处理，如一般所需的DCT计算。因为只需较小的缓冲器，因此延迟很小。此外，电子水印甚至可以在已经形成MPEG2数据的基带图像内检测到。因为信息嵌入在基带图像内，故即使在对图像数据进行了MPEG2压缩时，水印也可直接检测到。本发明的方法与传统AC系数标记技术并不矛盾，可与之共存。

Claims (12)

1.一种用于在视频数据中嵌入附加信息的系统，包括下述装置：
(1)用于在视频数据中检测一个视频帧的装置；
(2)用于从所述检测到的视频帧中取出一个小域的数据，并且缓存所述数据的装置；
(3)用于确定在所述缓存的小域内嵌入附加信息是否不会改变所述小城内的数据的位长，并且在确定不会改变所述位长的情况下，在所述缓存的小域内嵌入附加信息的装置，包括：
(3a)在所述被缓存的小域内检测DC系数的装置；
(3b)用于确定是否即使在所述附加信息已经嵌入的情况下所述DC系数的位长也不会改变的装置；
(3c)当所述位长不会改变时，在所述被缓存的小域内嵌入所述附加信息的装置；以及
(4)用于把已嵌入所述附加信息的所述小域送回视频数据的装置。
2.权利要求1的系统，其中所述视频数据是MPEG视频数据。
3.权利要求2的系统，其中所述视频帧是I帧或P或B帧的内宏块。
4.权利要求3的系统，其中嵌入所述附加信息的所述装置(3)包括：
(3d)当所述位长改变时，确定是否1/2的所述附加信息可以被嵌入，并且当嵌入可行时，在所述小域内嵌入1/2所述附加信息的装置。
5.权利要求4的系统，其中所述附加信息是使用伪随机数而获得的嵌入模式。
6.权利要求5的系统，其中所述小域是16×16像素的一个宏块域。
7.一种在视频数据中嵌入附加信息的方法，包括步骤：
(1)检测视频数据内的一个视频帧；
(2)从所述检测到的视频帧中取出一个小域的数据，并且缓存所述数据；
(3)在所述被缓存的小域内检测DC系数；
(4)确定是否即使在所述附加信息已经嵌入的情况下所述DC系数的位长也不会改变；
(5)在确定不会改变所述位长的情况下，在所述被缓存的小域内嵌入附加信息；并且
(6)将已经嵌入所述附加信息的所述小域送回所述视频数据。
8.根据权利要求7的方法，其中所述视频数据是MPEG流，所述附加信息是电子水印。
9.根据权利要求8的方法，其中在所述第(1)步骤检测MPEG流内I帧或P或B帧的内宏块。
10.根据权利要求9的方法，其中在所述第(2)步骤当检测到所述I帧或P或B帧的内宏块时，从所述MPEG流中取出一个宏块的数据并缓存所述数据。
11.根据权利要求10的方法，其中在所述第(4)步骤在不改变可变长编码的情况下，在所述缓存的宏块内嵌入要嵌入的模式。
12.根据权利要求11的方法，其中在所述第(5)步骤将已嵌入的所述嵌入模式的所述宏块送回所述MPEG流。
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