CN1719898A - 一种保护mpeg－2视频数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保护MPEG－2视频数据的方法是基于MPEG－2压缩域的水印技术，属于多媒体信号处理领域。本发明利用MPEG－2的压缩编码方法和句法结构，在MPEG－2压缩码流中嵌入水印，不改变码流的码率，嵌入水印的视频压缩码流解码后和原始视频码流解码后，人眼无法区别两者的差别。而数字水印则为这个问题提供了一种区别的手段。本发明可使通过网络或广播电视系统传播的视频数据或文件获得保护，也可用于电视广告的监制。

Description

一种保护MPEG-2视频数据的方法

技术领域

本发明是一种基于压缩域的视频水印方法，根据MPEG-2编码算法的特点和MPEG-2压缩码流的结构，实现水印的快速嵌入，并保持码流不变和良好的视频解码质量，属于多媒体信号处理领域。

背景技术

近几年来，数字水印技术在许多应用领域体现了它的重要性，并得到了广泛的重视。尽管目前大多数数据隐藏的研究和文献集中于图象水印，数字视频水印和信息隐藏技术也正在受到越来越多的重视。视频水印方法根据嵌入水印的数据域分为两种：压缩域方法和非压缩域方法。由于视频数据量庞大，在传输、存储时对其进行压缩编码是必须的。数字视频常常是以压缩的形式存在的，因此压缩域视频水印方法具有很强的实用性。

我国广播电视的数字化是业界公认的发展方向，国家计委、科委等机构已把其列入重点发展项目。按照我国的计划，将用10-15年的时间来全面实现广播电视数字化。目前，广播电视业内从电视节目的制作到节目存储、信号传送、信号接收等，都在向数字化方向高速发展。我国已制定的部分数字电视广播标准包括数字电视卫星传输标准和有线数字电视传输标准等，都是以MPEG-2为信源压缩编码标准。MPEG-2是广播电视领域的主流格式，并将在相当长一段时期内存续。数字化电视在给社会和人们带来极大方便的同时，也给盗版和信息的非法使用造成了方便。基于MPEG-2的数字电视内容的版权保护技术具有重要商业价值。

在我国，电视广告正步入高速发展阶段，广告的数目正不断递增。广告对于企业具有重要的商业价值，很多大型企业都不惜巨资拍摄广告片，不惜重金向电视台购买广告时段。广告商出资向电视台购买广告时段，最关心的一个问题就是他的广告有没有如期如量播出。目前采用的是一种技术含量较低的方法：派专人监视广播并记录其所见的内容。这种方法的不足之处在于其效率不高且容易出错。

广告宣传对社会及大众有着广泛而深入的影响，因此必须进行有效的监管。在我国，很多广告的播出都必须经过当地工商管理管理部门的审批。但播出的广告是否经过审批，工商管理管理部门需要监控，目前随着广告的增多，采用手工的方法已不能满足要求。

因此无论是广告企业还是工商管理部门都迫切需要一种切实可行的技术监测手段。建立基于MPEG-2压缩域视频水印技术的监测方法具有重要的现实意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于压缩域的视频水印方法，可以通过检测MPEG-2视频数据中是否存在期待的水印，确定MPEG-2视频数据的归属，从而保护视频数据及实现对视频内容的监测。

本发明的方法分为视频水印嵌入和水印检测两个过程。具体步骤是：水印嵌入过程步骤如下：1)用密钥key1对水印信息加扰，2)部分解码MPEG-2视频流，获取I帧图象DCT系数块的DC系数值，3)用密钥key2随机选取不重叠的n个DC系数值，分成两个子区计算他们的直流能量差分值，4)用直流能量差分值取模的方式在n个DC系数值中嵌入1bit水印，5)重复第3和第4步直到水印信息全部嵌入，6)将修改后的DC系数值写入码流相应位置得到嵌入水印后的视频码流。水印检测过程如下：1)部分解码MPEG-2视频流，获取I帧图象DCT系数块的DC系数值，2)用与嵌入时相同的密钥key2随机选取n个不重叠的DC系数，分成两个子区，计算两个子区的直流能量差分值，3)用直流能量差分值取模的方法提取水印比特，4)重复第2和第3步直到水印信息全部提取出来，5)用与嵌入时相同的密钥key1对提取到的水印比特序列解扰，得到最终的水印信息。

本发明方法的更详细描述为：

1：水印嵌入流程：

1)把要嵌入的水印信息M表示为二值序列，用由密钥key1控制产生的伪随机序列对其加扰，设加扰后的水印序列为W＝{w_i}，i＝0，1，...k-1，k为序列长度；

2)对输入的MPEG-2视频流进行部分解码，获取其I帧图象DCT系数块的DC系数值；

3)用密钥key2作种子随机选取不重叠的n个DC系数值；

4)n个DC系数值组成了一个嵌入区域，如说明书附图1所示，把其分为A、B两个子区。分别计算各子区DC系数值之和，记为E_A、E_B。令S＝|E_A-E_B|modX，其中X是嵌入强度。作如下约定：当S≤X/2-1时表示信息比特为0；当S＞X/2-1时表示信息比特为1，水印比特的嵌入是通过修改E_A和E_B的值以控制S来实现的；

5)重复第3和第4步直到水印信息全部嵌入；

6)将修改后的DC系数值写入码流相应位置得到嵌入水印后的视频码流。

2：水印位嵌入方法：

I帧是MPEG-2的内部编码帧，帧内每一宏块均为内部宏块。内部宏块中的块的DC系数采用的是差分编码，按标准中所定义的变长码(VLC)进行编码，该变长码指明了dct_dc_size，如果dct_dc_size不等于零，则它后面要跟着一个固定长度码，以dct_dc_size为位数的dc_dct_differential。本发明中将n个随机选取的DC系数的dc_dct_differential值组成一个嵌入区域，如说明书附图1所示，把其分为A、B两个子区。其中E_A、E_B分别是A区、B区中所有DC系数的dc_dct_differential值的和。

水印位的嵌入是通过修改E_A和E_B的值以控制S来实现的。

假设当前要嵌入的水印比特为1：

1)若S＞X/2-1，则不作修改；

2)若S≤X/2-1，则修改DC系数令S＝X/2+X/4-1。

具体的修改办法如下所述：令T＝X/2+X/4-1-S表示修改步数。比较E_A和E_B两者的大小，大者对应的子区为大区，小者对应的子区为小区。分别将A、B内的DC系数的dc_dct_differential值依从大到小的顺序排序，然后按序搜索可修改的DC系数。由于此时修改的目标是要令S增大，因此小区内可修改的系数是指dc_dct_differential值最低位为1的DC系数，大区内可修改的系数是指dc_dct_differential值最低位为0的DC系数。修改时，将小区中可修改DC系数的dc_dct_differential值-1，大区中可修改DC系数的dc_dct_differential值+1。每修改一个系数，T的值减1，直至T＝0，此时S＝X/2+X/4-1，到达修改目标。

如果当前要嵌入的水印比特为0：

1)若S≤X/2-1，则不作修改；

2)若S＞X/2-1，则修改DC系数令S＝X/2-X/4。

具体方法是：令T＝S-(X/2-X/4)表示修改步数。同上法区分大小区并将DC系数排序，然后按DC系数dc_dct_differential值的大小顺序搜索可修改的DC系数。由于此时修改的目标是要令S减少，因此小区内可修改的系数是指dc_dct_differential值最低位为0的DC系数，大区内可修改的系数是指dc_dct_differential值最低位为1的DC系数。修改时，将小区中可修改DC系数dc_dct_differential值+1，大区中可修改DC系数dc_dct_differential值-1。每修改一个系数，T的值减1，直至T＝0，此时S＝X/2-X/4，到达修改目标。

3：水印检测流程

1)部分解码MPEG-2视频流，获取I帧图象DCT系数块的DC系数值，

2)用与嵌入时相同的密钥key2随机选取n个不重叠的DC系数，将他们分为A、B两个子区，计算两个子区的直流能量E_A、E_B，令S’＝|E_A-E_B|mod X，X的选取与嵌入时相同。若S’＞X/2-1，则提取的水印比特为1；若S’≤X/2-1，则提取的水印比特为0。按此方法得到水印比特序列W’＝{w_i’}。

3)用与嵌入时相同的密钥key1对提取到的水印比特序列W’进行解扰，得到最终的水印信息。

本发明与现有MPEG-2码流中的视频水印方法比较有以下优点：

1)复杂度更低。将水印嵌入在DC系数中其计算的复杂度比基于AC系数的要低。因为在通过修改DC或AC系数嵌入水印后，会存在不同程度的再编码的可能，而DC系数的编码方式比AC系数的编码方式相对简单，特别是对于内部编码块来说，DC系数编码时所使用的变字长码表的长度远远小于AC系数编码用的码表，从而其计算的复杂度相对较低。

2)可以有效地控制码率不变。对于水印嵌入在I帧的情况下，由于DC系数采用的是差分编码方式，其编码码字结构为dct_dc_size+dc_dct_differential，要保持嵌入水印后码率不变，只需限定叠加操作不致令dc_dct_differential码字最高位改变即可(最高位表示符号位)。而对于AC系数的情况，由于它是以游程、级别变字长编的，量化级别改变1，也会令编码码字长度发生较大的变化，不利于码率的控制。

3)不可见性和稳健性好。本发明通过排序搜索可修改的DC系数，使修改尽量叠加在幅度值大的DC系数上，提高了水印的不可见性。对再压缩编码稳健性很好。

附图说明

图1是水印嵌入和检测过程中使用的直流能量差分的计算示意图。

图2是视频标准测试序列“Flower Garden”压缩码流中嵌入水印的实验结果图。

图3是视频标准测试序列“Mobile&Calendar”压缩码流中嵌入水印的实验结果图。

图4是本发明提出的视频水印方法对抗视频码流再压缩编码的稳健性图示。

图2中，视频帧大小为704X576，以8Mbits/s码率进行MPEG-2编码，编码长度是80帧，色度格式为4:2:0。GOP长度为12，其中包含1个I帧。每个序列有7个I帧。水印嵌入在I帧的色度块的DCT的DC系数中，n＝64，X＝8。每个I帧中嵌入相同的字符串水印“zsuedu”。图2(a)显示了视频序列“Flower Garden”的压缩码流中未嵌入水印时的解码图，图2(b)显示了用本发明提出的视频水印方法嵌入数字水印后的解码图。

图3中，视频帧大小为704X576，以8Mbits/s码率进行MPEG-2编码，编码长度是80帧，色度格式为4:2:0。GOP长度为12，其中包含1个I帧。每个序列有7个I帧。水印嵌入在I帧的色度块的DCT的DC系数中，n＝64，X＝8。每个I帧中嵌入相同的字符串水印“zsuedu”。图3(a)显示了视频序列“Mobile&Calendar”的压缩码流中未嵌入水印时的解码图，图3(b)显示了用本发明提出的视频水印方法嵌入数字水印后的解码图。

各序列嵌入水印前后色度分量的PSNR值如下表：

序列名称	说明	UPSNR(dB)	VPSNR(dB)
				Flower Garden	嵌入前	40.48	40.89
嵌入后	40.27	40.16
			Mobile&Calendar		嵌入前	42.29	42.97
嵌入后	42.01	41.61

图4中，DEW指文献“Gerrit C.Langelaar，Reginald L.Lagendijk，Jan Biemond.Real_time Labeling of MPEG-2 Compressed Video.J.of Visual Comm.and ImageRepresentation，1998，Vol.9，No.4：256-270”中的方法，DC-DEW方法是本发明提出的方法。

具体实施方式

数字电视是未来电视的发展方向，但数字电视在给社会和人们带来极大方便的同时，也给盗版和信息的非法使用造成了方便。对数字电视内容的版权保护具有重要的意义。电视台在制作电视节目时，可以将自己的版权信息作为水印嵌入电视信号中。当发现有类似信号时，可以检测其中的水印以确定版权的归属。

广告宣传对社会及大众有着广泛而深入的影响，因此必须进行有效的监管。同时电视广告对于企业具有重要的商业价值，广告的播出通常都是一刻千金，广告商最关心的一个问题就是他的广告有没有如期如量播出，需要有效的监测手段。

当广告报审时，工商管理部门可以在获得审批的广告中嵌入水印，当广告播出时在接收端对电视信号进行检测，检测到标识水印，则能证明该广告片获得了审批，否则认为该广告片是非法播出。

广告商可以在制作广告片时嵌入自己的标识，然后在接收端对电视信号进行检测，检测到自己的标识水印，则能证明该广告片被播出，并可控制相应设备进行相关信息的记录，从而实现智能化的广告监播。

下面介绍保护MPEG-2视频数据的方法的使用方法。

现表述用本发明的方法完成水印嵌入和检测的过程。这里给出了视频标准测试序列“Flower Garden”、“Mobile&Calendar”压缩码流中嵌入水印的实验结果。共有两个方面：不可见性、对正常视频处理如再编码压缩的稳健性。

视频帧大小为704X576，以8Mbits/s码率进行MPEG-2编码，编码长度是80帧，色度格式为4:2:0。GOP长度为12，其中包含1个I帧。每个序列有7个I帧。水印嵌入在I帧的色度块的DCT的DC系数中，n＝64，X＝8。对各序列嵌入相同的字符串水印“zsuedu”。其中n和X值可以根据实际需要调整，n越小嵌入容量越大，X越大嵌入强度越强，稳健性越好。

图2分别显示了视频序列“Flower Garden”的压缩码流中未嵌入水印时的解码图(图2(a))和用本发明提出的视频水印方法嵌入数字水印后的解码图(图2(b))。

图3分别显示了视频序列“Mobile&Calendar”的压缩码流中未嵌入水印时的解码图(图3(a))和用本发明提出的视频水印方法嵌入数字水印后的解码图(图3(b))。其中各序列嵌入水印前后色度分量的PSNR值如下表：

序列名称	说明	UPSNR(dB)	VPSNR(dB)
				Flower Garden	嵌入前	40.48	40.89
嵌入后	40.27	40.16
			Mobile&Calendar		嵌入前	42.29	42.97
嵌入后	42.01	41.61

由图可知嵌入了水印的MPEG-2码流解码后的视频帧在视觉上与未嵌入水印的码流解码后的视频帧无明显差异，而且PSNR的变化也比较小，满足不可见性的要求。

图4是本发明提出的视频水印方法对抗视频码流再压缩编码的稳健性图示。其中DEW指文献“Gerrit C.Langelaar，Reginald L.Lagendijk，Jan Biemond.Real_time Labeling ofMPEG-2 Compressed Video.J.of Visual Comm.and Image Representation，1998，Vol.9，No.4：256-270”中的方法，DC-DEW方法是本发明提出的方法。Langelaar等人对DEW算法做过同样的实验，他们给出的实验数据是：码率降低25％时，水印误比特率为7％；码率降低38％时，79％的水印比特可正确提取。对比两者的实验结果，表明本发明提出的方法对码率转换编码的稳健性大大优于DEW算法。

Claims (3)

1.一种保护MPEG-2视频数据的方法，其特征在于该方法包括水印嵌入和提取两个过程，水印嵌入过程步骤如下：1)用密钥key1对水印信息加扰，2)部分解码MPEG-2视频流，获取I帧图象DCT系数块的DC系数值，3)用密钥key2随机选取不重叠的n个DC系数值，分成两个子区计算他们的直流能量差分值，4)用直流能量差分值取模的方式在n个DC系数中嵌入1bit水印信息，5)重复第3和第4步直到水印信息全部嵌入，6)将修改后的DC系数值写入码流相应位置得到嵌入水印后的视频码流；水印检测过程如下：1)部分解码MPEG-2视频流，获取I帧图象DCT系数块的DC系数值，2)用与嵌入时相同的密钥key2随机选取n个不重叠的DC系数，分成两个子区，计算两个子区的直流能量差分值，3)用直流能量差分值取模的方法提取水印比特，4)重复第2和第3步直到水印信息全部提取出来，5)用与嵌入时相同的密钥key1对提取到的水印比特序列解扰，得到最终的水印信息。

2.根据权利要求1所述的一种保护MPEG-2视频数据的方法，其特征是水印嵌入的详细步骤为：1)把要嵌入的水印信息M表示为二值序列，用由密钥key1控制产生的伪随机序列对其加扰，设加扰后的水印序列为W＝{w_i}，i＝0，1，...k-1，k为序列长度，2)对输入的MPEG-2视频流进行部分解码，获取其I帧图象DCT系数块的DC系数值；3)用密钥key2作种子随机选取不重叠的n个DC系数，4)n个DC系数组成了一个嵌入区域，如说明书附图1所示，把其分为A、B两个子区；分别计算各子区DC系数的差分码值之和，记为E_A、E_B。令S＝|E_A-E_B|mod X，其中X是嵌入强度。作如下约定：当S≤X/2-1时表示信息比特为0；当S＞X/2-1时表示信息比特为1，水印比特的嵌入是通过修改E_A和E_B的值以控制S来实现的，5)重复第3和第4步直到水印信息全部嵌入，6)将修改后的DC系数差分码值写入码流相应位置得到嵌入水印后的视频码流；水印检测的详细步骤为：1)部分解码MPEG-2视频流，获取I帧图象DCT系数块的DC系数值，2)用与嵌入时相同的密钥key2随机选取n个不重叠的DC系数，将他们分为A、B两个子区，计算两个子区的直流能量E_A、E_B，令S’＝|E_A-E_B|mod X，X的选取与嵌入时相同。若S’＞X/2-1，则提取的水印比特为1；若S’≤X/2-1，则提取的水印比特为0；按此方法得到水印比特序列W’＝{w_i’}；3)用与嵌入时相同的密钥key1对提取到的水印比特序列W’进行解扰，得到最终的水印信息。

3.根据权利要求1或2所述的一种保护MPEG-2视频数据的方法，其特征是水印比特的嵌入是通过修改E_A和E_B的值以控制S来实现的；假设当前要嵌入的水印比特为1∶1)若S＞X/2-1，则不作修改；2)若S≤X/2-1，则修改DC系数的差分码值令S＝X/2+X/4-1；具体的修改办法如下所述：令T＝X/2+X/4-1-S表示修改步数；比较E_A和E_B两者的大小，大者对应的子区为大区，小者对应的子区为小区；分别将A、B内的DC系数按照差分码值的大小排序，然后按从大到小的顺序搜索可修改的DC系数；由于此时修改的目标是令S增大，因此小区内可修改的系数是指差分码最低位为1的DC系数，大区内可修改的系数是指差分码最低位为0的DC系数；修改时，将小区中可修改的DC系数的差分码值-1，大区中可修改DC系数的差分码值+1；每修改一个系数，T的值减1，直至T＝0，此时S＝X/2+X/4-1，到达修改目标；如果当前要嵌入的水印比特为0∶1)若S≤X/2-1，则不作修改；2)若S＞X/2-1，则修改DC系数令S＝X/2-X/4；具体方法是：令T＝S-(X/2-X/4)表示修改步数；同上法区分大小区并将DC系数排序，然后按从大到小的顺序搜索可修改的DC系数；由于此时修改的目标是令S减小，因此小区内可修改的系数是指差分码最低位为0的DC系数，大区内可修改的系数是指差分码最低位为1的DC系数；修改时，将小区中可修改DC系数的差分码值+1，大区中可修改DC系数的差分码值-1；每修改一个系数，T的值减1，直至T＝0，此时S＝X/2-X/4，到达修改目标。

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