CN1617585A - 用于压缩视频流的徽标防伪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压缩视频流的徽标防伪方法，其特征在于：提供一结构密钥，利用预设图像生成彩色徽标，所述彩色徽标中各点的色彩值根据结构密钥调整；将所述彩色徽标动态叠加到原始视频信号中，叠加的位置或亮度根据与时间相关的信息确定；将叠加徽标后的视频流进行视频压缩，获得经防伪处理的视频流，该视频流提供给播放装置使用；将所述经防伪处理的视频流进行解压和相关值检测，获得检测用的相关阈值。本发明在视频流中添加了徽标信息，起到防伪作用，同时处理工作量小，适应范围广，既可以用设备检测，也可以用肉眼直接观察识别。既可以事后检测，又可以通过阻吓作用事先防止伪造。

Description

用于压缩视频流的徽标防伪方法

                         技术领域

本发明涉及数字视频信号处理，具体涉及一种用于证明视频流的可靠性，实现防伪的方法。

                         背景技术

随着计算机网络与多媒体技术的普及，越来越多的视频信号以压缩的数字编码形式在网络上或通过介质传送和记录，如何验证一段视频信号的来历(包括转换成数字信号的时间、设备)和可靠性(完整性、顺序性)等，成为人们关注的一个问题。

另一方面，在小区及一些重要场所的安防中，也使用摄像头和网络构成的视频监测网，针对于此，会有人在网络中通过网络线路切换或伪造IP地址等手段插入一段预先准备的视频流来迷惑保安，利用时间差来从事一些非法活动，如何防止这种情况的发生，也是人们需要解决的问题。

目前较为普遍采用的方法是对视频进行加密，然而，加密的方法只能保护传输中或保存着的视频，视频一旦被解密，将不再有保护作用。数字水印技术是近年来人们研究的重点，它通过对视频流进行不可见的整体处理，在视频流或其图像中嵌入一定的信息，嵌入的信息成为视频流或其图像的一部分，即使经过解密、再加密、压缩、数模变换或改变文件格式等操作过程，也能继续存在。在播放端，需要对该视频流或图像进行检测，对内嵌的水印进行读取比较，以验证视频信号的来历和可靠性，并可以在发生篡改以后通过检测发现篡改。然而，人们在开发数字水印技术时，都着眼于对整幅图像的处理，以及图像重放时水印的不可见性，这造成了两方面的问题，一是由于需要对各帧图像作全面处理，使得水印添加和检测时的工作量极大，必须采用专用的装置进行，每个接收端都要配备专用芯片或检测装置，造成硬件成本的增加；同时，水印的不可见使得人们无法用直观判断，必须配置专用的检测装置进行检测。

                          发明内容

本发明目的是提供一种处理工作量小，适应广泛，能同时采用肉眼观察和设备检测的视频流防伪方法。既可以在发生篡改以后通过检测发现篡改，又可以以明显的标志起到阻吓作用，而防止篡改的发生；

本发明的另一个目的是提供一种对采用上述方法进行防伪处理后的视频流的检测方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于压缩视频流的徽标防伪方法，提供一结构密钥，利用预设图像库中的一个图像生成彩色徽标，所述彩色徽标中各点的颜色根据结构密钥调整；将所述彩色徽标动态叠加到原始视频信号中，叠加的位置和色彩值根据与时间相关的信息确定；将叠加徽标后的视频流进行视频压缩，获得经防伪处理的视频流，该视频流提供给播放装置使用；将所述经防伪处理的视频流进行解压和相关值检测，获得检测用的相关阈值。相关性检测是两个向量的内积，显示值越大越匹配。

上述技术方案中，所述预设图像库中存放有可供选择的预设徽标图像，例如，可以是标示制作者的徽标图像，其边缘复杂，设定背景透明，前景的颜色在各个像素点上的分布，由一定的规则动态生成，该规则可以是一个由坐标和结构密钥作为自变量的函数，所述结构密钥可以是设定的数值，也可以是由时间变量生成的数值。

进一步的技术方案，所述结构密钥与时间相关。结构密钥是一个巨大样本空间中的一个样本，因而难以被猜测或搜索到；所述的结构密钥与时间相关，也可以说，结构密钥有生命期，即不同的时间有不同的结构密钥。

上述技术方案中，所述叠加时与时间相关的信息是由所需加入的信息经签名或加密计算获得的数字流，每一时间单位中彩色徽标叠加的位置或色彩值由设定字长的数字信号确定。其中，加入的信息可以是时间、徽标描述、版权声明、设备编号等等。

根据视频传送的方式不同，彩色徽标的生成和检测相关阈值的传递可以采用不同的方式。

当所述视频流通过网络传送时，接收端和发送端分别设有所述预设徽标图像库，所用预设徽标图像号、结构密钥或根据结构密钥生成的调色指令等通过网络加密传输在接收端与发送端间协调；所述检测用的相关阈值通过网络加密传输发送至接收端用于进行检测。可以由某接收端决定防伪信息，然后将预设图像号、利用结构密钥生成的改色指令经加密后通过网络发送至发送端，由发送端据此生成所述彩色徽标；也可以由发送端决定后通过加密传输通知各接收端。

或者，不依赖于网络传送时，例如，在制作DVD盘时，可以采用下列方式传递检测相关阈值，在将彩色徽标叠加以原始视频信号中时，将上一时间段获得的所述检测用的相关阈值加入到与时间相关的信息中，用于确定叠加的位置和色彩值。

上述技术方案中，可以在将彩色徽标叠加到原始视频信号中时，将徽标图像的描述加入到与时间相关的信息中，用于确定叠加的位置或亮度(色彩值的组合)。

为实现本发明的另一个目的，其技术方案是，一种用于压缩视频流的徽标检测方法，从视频流中分离出彩色徽标，获得彩色徽标的位置和色彩值信息，根据彩色徽标的位置和色彩值信息获得设定字长的数字信号；用与加密时的徽标嵌入相同的方法生成样本徽标，将之和分离出的彩色徽标进行相关度检测，与相关阈值比较，确定视频流是否被重新处理过。

上述技术方案中，对于徽标位置变化的可以用模式识别的方法识别并提取彩色徽标；对于徽标色彩值(包括亮度)变化的，也可以根据各点色彩值(包括亮度)变化的节奏识别并提取彩色徽标。

在将彩色徽标叠加到原始视频信号中时，将徽标图像的描述加入到与时间相关的信息中，用于确定叠加的位置和色彩值。

上述技术方案中，根据采用检测装置的不同，可以是，所述从视频流中分离出彩色徽标的方法为，在检测装置中建有预设徽标图像库，利用模式识别的方法，提取与验证徽标。

也可以是，所述从视频流中分离出彩色徽标的方法为，利用徽标图像各点在视频流中有节奏的色彩值变化，提取徽标；利用所述色彩值变化所表示的信息获得原始徽标信息，从而实现徽标的比对验证。

本发明是基于这样的理解而起作用的：

1.在存储或者传输中的数字信号，依靠数字信号本身的纠错机制，不会导致内容的明显失真；

2.视频信号的压缩是有损压缩，例如，可以采用MPEG系列，AC系列、或AVS等进行视频流的压缩，有损压缩将导致徽标信号的部分失真；

3.同一次压缩以后在不同计算机上解压的视频图像将有相似的失真，而多次压缩将导致信号更严重的失真；

4.通过对放映的视频流中的徽标与叠加时带结构的原始徽标的相关值检测，可以度量出这种失真的大小，从而判断出徽标是经过一次压缩解压，还是多次，避免他人解压进行处理后又重新压缩；

5.徽标的颜色、亮度结构是利用结构密钥生成的，失真是一个不可逆的过程，除非知道结构密钥，否则从解压缩出的徽标中是无法推测出压缩前的徽标结构的；

6.徽标在视频图像中的叠加位置，通过模式识别的方式可以精确确定，从而可以获知其位置的变化序列，并映射出其内含的信息，该映射过程可以使用密码学的方法，保证只有拥有密钥的人才能生成与获得该信息。

中包括有与时间相关的信息，因而，只有知道与时间相关的变化密钥，才能获得内含的信息。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.由于本发明在视频流中添加了徽标信息，可以在视频流被伪造或采用局部修改、剪辑、延时播放等方式篡改操作后检测得知，起到防伪作用；

2.本发明添加的是徽标信息，只占据整个画面的一小部分，不影响其它部分的显示质量，而且处理工作量小，不但可以用专用芯片实现，也可以采用通用计算机中的程序完成；

3.本发明的徽标信息是有意义的、可见的，在接收(或播放)端，可以不用设备检测，而用肉眼直接观察识别；并且具有阻吓作用，可以防止一般的有意攻击。

4.本发明的徽标信息与时间相关，且有精细的结构，在经有损压缩后无法复原，因而难以破解伪造。

5.本发明添加的徽标信息，在压缩视频流传输、存储、播放的全过程始终存在，难以抹除，提供了自始至终的防伪安全保证。

                          附图说明

附图1为本发明实施例一采用的实现装置示意图；

附图2为本发明实施例二的方法工作流程示意图；

附图3为本发明实施例三的实现装置示意图；

附图4为本发明实施例四的方法工作流程示意图；

附图5为本发明实施例五的方法工作流程示意图。

其中：[1]、摄像头；[2]、徽标嵌入/视频压缩装置；[3]、网络设备；[4]、徽标检测装置；[5]、客户端；[6]硬盘录像机。

                        具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，一种用于压缩视频流的徽标防伪方法，利用网络实现防伪徽标的实时嵌入与检测(实时检测与录像检测)，其采用的装置如附图1所示，包括：

1.摄像头1，用于获取视频图像；

2.徽标嵌入/视频压缩装置2，其中，徽标嵌入可以采用专用芯片、专用计算机或者通用计算机上的一个程序实现，其根据设备序列号与当前时间生成结构密钥，由结构密钥生成一个发散的混沌数字序列。根据设备序列号与当前时间选择机内保存的徽标库中的一个预设图像(原始徽标)，再根据混沌数字序列调整图像各点的RGB色彩值，生成带结构的彩色徽标。同时将设备序列号和当前时间编码并签名后生成二进制数字流，从该流中以三位为一组依序提出二进制信号，根据每个三位二进制信号，确定各时间单位内彩色徽标叠加到原始视频流中的位置。这样叠加了彩色徽标的视频流通过专用视频压缩芯片或通用的视频压缩程序进行压缩并在网络上播放。徽标嵌入装置同时对压缩以后的视频流进行解压与相关值检测，得到一次压缩、解压以后的相关值，作为相关检测阈值加密后通过网络设备3进行网络发布。

3.徽标检测装置4可以采用专用芯片、专用计算机或者通用计算机上的一个程序实现，根据视频流来源选择不同算法。

对于实时视频流：根据与徽标嵌入/视频压缩装置2相同的算法生成带结构的彩色徽标作为样本徽标，根据这一样本徽标从网络设备3获得的视频流中使用模式识别的方式提取待检徽标，得到待检徽标的位置信息的同时，将待检徽标与样本徽标进行相关值计算，参考网络发布的相关检测阈值，可以确定该徽标所在的视频图像是否被中途打开(解压再压缩)过。同时将位置信息根据与徽标嵌入/视频压缩装置2相反的过程，解密、解码得到徽标嵌入时间，将此时间与当前时间不断比较可以发现剪辑、或延时播放的情况。

对于从硬盘录像机获得的录像视频流，使用模式识别的方式提取待检徽标，得到待检徽标的位置信息，解码得设备序列号和嵌入时间，依照与徽标嵌入/视频压缩装置2相同的算法生成带结构的彩色徽标作为样本徽标，将待检徽标与样本徽标进行相关值计算，参考硬盘录像机保存的该时间该流的相关检测阈值，可以确定该徽标所在的视频图像是否被中途打开(解压再压缩)过。同时将解码得到的徽标嵌入时间显示在屏幕上。

4.客户端5，是具备网络播放能力的视频播放设备，可以是计算机、网络电视及其它类似设备，通过网络设备获取视频流，并进行播放，可以用肉眼观察防伪徽标的情况。

5.硬盘录像机6，是具备联网能力的视频录制设备，可以是通用计算机、专用硬盘录像机及其它类似设备，通过网络设备获取视频流，并保存到介质中。同时接收徽标嵌入/视频压缩装置通过网络设备发送的各个视频流在不同时间的相关检测阈值，也保存到介质中。

实施例二：参见附图2所示，一种用于防止DVD被篡改的方法，将防伪徽标动态嵌入DVD视频中，并检测，其实现装置包括：

徽标嵌入装置，可以采用专用芯片、专用计算机或者通用计算机上的一个程序实现，其根据视频提供者的私有密钥对当前相对时间签名生成结构密钥，由结构密钥生成一个伪随机的数字序列。以出版商的商标作为原始徽标，再根据伪随机数字序列调整图像各点的色彩值，生成第一个带结构的徽标；对该伪随机数字序列的每一个数字进行非运算，得到第二个带结构的徽标。同时将结构密钥、当前相对时间与下文将提到的相关检测阈值编码为数字流，对该数字流数字签名并加密以后，依该数字流确定各时间单位内徽标叠加到原始视频流中时使用第一个还是第二个带结构的徽标。这样叠加了徽标的视频流通过专用视频压缩芯片或通用的视频压缩程序进行压缩。徽标嵌入装置同时对压缩以后的视频流进行解压与两个徽标的相关值检测，得到一次压缩、解压以后的两个栩关值，作为相关检测阈值加入上述数字流。

徽标检测装置，该装置从视频流中采样、提取出徽标，得到两个徽标的变化序列，将之解码、解密并验证签名后得到结构密钥，利用该结构密钥与出版商公布的徽标，依与徽标嵌入装置相同的规则生成带结构的徽标作为样本徽标。将从视频流中提取出来的徽标与样本徽标作绝对值相关计算，计算结果与随后从两个徽标的跳变序列中解码、解密出的相关检测阈值进行比较，从而判断该徽标所在的视频图像是否被中途打开(解压再压缩)过。另一方面，将从两个徽标变化中解码出的时间与实际放映时间比较，也可以发现剪辑的痕迹。

实施例三：参见附图3所示，一种简化的用于实时监控网络的徽标防伪方法，利用网络实现防伪徽标的实时嵌入与检测，其采用的装置如附图3所示，包括：

1.摄像头1，用于获取视频图像；

2、徽标嵌入/视频压缩装置2，其中，徽标嵌入可以采用专用芯片、专用计算机或者通用计算机上的一个程序实现，其将从徽标生成与检测装置通过密码通信接收到的带结构徽标叠加到原始视频流中，这样的视频流通过专用视频压缩芯片或通用的视频压缩程序进行压缩，徽标嵌入装置对压缩以后的视频流进行解压与相关值检测，得到一次压缩、解压以后的相关值，作为相关检测阈值通过密码通信反馈给徽标生成与检测装置。

3、徽标生成与检测装置4可以采用专用芯片、专用计算机或者通用计算机上的一个程序实现。该装置建有预设徽标库，利用与实施例一、二类似的办法生成多个不同的带结构徽标，将不同的带结构徽标通过密码通信分发给的徽标嵌入/视频压缩装置。并通过密码通信取得不同流的相关检测阈值。然后该装置将从视频流中提取出的徽标与分发的徽标作相关值检测，参考相关检测阈值，判断视频流的及时性与是否被重新处理过。然后分发新的徽标、进行新的检测。

4.客户端5，是具备网络播放能力的视频播放设备，可以是计算机、网络电视及其它类似设备，通过网络设备获取视频流，并进行播放，可以用肉眼观察防伪徽标的情况。

实施例四：参见附图4所示，一种通用的视频流媒体防伪徽标嵌入与检测方法，将防伪徽标动态嵌入媒体视频流中，并可被广泛地检测，用于证明徽标所表达的信息的真实性，其实现装置包括：

徽标嵌入装置，可以采用专用芯片、专用计算机或者通用计算机上的一个程序实现，其徽标形状可以根据所需表达的意思，随意产生，比如可以是一些数字、汉字，也可以是图案。根据视频提供者的私有密钥对当前相对时间签名生成结构密钥，由结构密钥生成一个伪随机的数字序列，根据该伪随机数字序列调整徽标图像各点的亮度(色彩值的组合)值，生成带结构的徽标。同时将结构密钥、徽标描述与下文将提到的相关检测阈值编码为数字流，对该数字流数字签名以后，依该带数字签名的数字流确定各时间单位内徽标叠加到原始视频流中时的整体亮度(色彩值的组合)的跳变，而徽标叠加的位置固定。这样叠加了徽标的视频流通过专用视频压缩芯片或通用的视频压缩程序进行压缩。徽标嵌入装置同时对压缩以后的视频流进行解压与徽标的相关值检测，得到一次压缩、解压以后的相关值，作为相关检测阈值加入上述数字流。

徽标检测装置，该装置从视频流中采样得到视频图像序列，将徽标可能叠加位置上各点的亮度(色彩值的组合)变化周期与徽标叠加周期相比较，可得到徽标图像与徽标亮度(色彩值的组合)跳变序列，将该亮度跳变序列解码并验证签名后得到徽标描述与结构密钥，将识别出的徽标图像与解码得到的徽标描述相比较，可以查证徽标图像的真实性。利用解码的结构密钥与依徽标轮廓描述复原的徽标，根据与徽标嵌入装置相同的规则生成带结构的徽标作为样本徽标。将从视频流中的徽标与样本徽标作相关值计算，计算结果与随后从徽标亮度跳变中解码出的相关检测阈值进行比较，从而判断该徽标所在的视频图像是否被中途打开(解压再压缩)过。

实施例五：参见附图5所示，一种用于压缩视频流的徽标防伪方法，利用网络实现防伪徽标的实时嵌入与检测，其采用的装置如附图3所示，包括：

1.摄像头1，用于获取视频图像；

2.徽标嵌入/视频压缩装置2，其中，徽标嵌入可以采用专用芯片、专用计算机或者通用计算机上的一个程序实现，其根据中心徽标检测装置的加密指令，选择机内保存的徽标库中的一个预设徽标(原始二值图像)，对其着色，生成特定色彩深浅与亮度的结构，并叠加到指定位置。这样叠加了彩色徽标的视频流通过专用视频压缩芯片或通用的视频压缩程序进行压缩并在网络上播放。徽标嵌入装置同时对压缩以后的视频流进行解压对徽标结构进行相关值预检测，得到一次压缩、解压以后的相关值，作为相关检测阈值加密后通过网络设备3进行网络发布。

3.徽标检测装置4可以采用专用芯片、专用计算机或者通用计算机上的一个程序实现。作为中心徽标检测的装置位于可信网络内，负责为不同嵌入装置的不同视频流分配不同的预设徽标和结构密钥，以把它们区别开来；同时负责为不同的时间指定不同的徽标色彩值；并负责将当前时间签名加密后生成数字流，形成叠加位置与亮度的调节信号；这些信息在加密传送至徽标嵌入/视频压缩装置的同时，也通知其他各检测装置。

各徽标检测装置在接收到视频流以后，先根据中心发布的信息，检测徽标形状与色彩；再提取徽标，得到叠加位置与亮度变化序列，解码解密其所包含的时间信号，与当前时间比较。最后，依徽标嵌入装置发布的检测阈值，检测徽标结构的相关度。

4.客户端5，是具备网络播放能力的视频播放设备，可以是计算机、网络电视及其它类似设备，通过网络设备获取视频流，并进行播放，可以用肉眼观察防伪徽标的情况(形状、颜色)。

Claims (10)

1.一种用于压缩视频流的徽标防伪方法，其特征在于：提供一结构密钥，利用预设图像生成彩色徽标，所述彩色徽标中各点的色彩值根据结构密钥调整；将所述彩色徽标动态叠加到原始视频信号中，叠加的位置或色彩值根据与时间相关的信息确定；将叠加徽标后的视频流进行视频压缩，获得经防伪处理的视频流，该视频流提供给播放装置使用。

2.根据权利要求1所述的用于压缩视频流的徽标防伪方法，其特征在于：所述结构密钥与时间相关。

3.根据权利要求1所述的用于压缩视频流的徽标防伪方法，其特征在于：所述叠加时与时间相关的信息是由所需加入的信息经签名或加密计算获得的数字流，每一时间单位中彩色徽标叠加的位置或色彩值由设定字长的数字信号确定。

4.根据权利要求1所述的用于压缩视频流的徽标防伪方法，其特征在于：所述视频流通过网络传送时，接收端和发送端分别设有所述预设徽标图像库，所用预设徽标图像号、结构密钥或根据结构密钥生成的调色指令等通过网络加密传输在接收端与发送端间协调；所述检测用的相关阈值通过网络加密传输发送至接收端用于进行检测。

5.根据权利要求1所述的用于压缩视频流的徽标防伪方法，其特征在于：在将彩色徽标叠加以原始视频信号中时，将上一时间段获得的所述检测用的相关阈值加入到与时间相关的信息中，用于确定叠加的位置或色彩值。

6.根据权利要求1所述的用于压缩视频流的徽标防伪方法，其特征在于：在将彩色徽标叠加到原始视频信号中时，将徽标图像的描述加入到与时间相关的信息中，用于确定叠加的位置或色彩值。

7.一种用于压缩视频流徽标的防伪检测方法，其特征在于：从视频流中分离出彩色徽标，获得彩色徽标的位置和色彩值信息，根据彩色徽标的位置和色彩值变化信息获得设定字长的数字信号；用与权利要求1所述的徽标嵌入相同的方法生成样本徽标，将之和分离出的彩色徽标进行相关度检测，与相关阈值比较，确定视频流是否被重新处理过。

8.根据权利要求7所述的用于压缩视频流徽标的防伪检测方法，其特征在于：在视频压缩端将所述经防伪处理的视频流进行解压和相关值检测，获得检测用的相关阈值，提供给徽标检测端使用。

9.根据权利要求7所述的用于压缩视频流徽标的防伪检测方法，其特征在于：所述从视频流中分离出彩色徽标的方法为，在检测装置中建有预设徽标图像库，利用模式识别的方法，提取与验证徽标。

10.根据权利要求7所述的用于压缩视频流徽标的防伪检测方法，其特征在于：所述从视频流中分离出彩色徽标的方法为，利用徽标图像各点在视频流中有节奏的色彩值变化，提取徽标；利用所述色彩值变化所表示的信息获得原始徽标信息，从而实现徽标的比对验证。

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