CN1852443B - 数据处理装置 - Google Patents

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Abstract

描述了修改表示视频图像的压缩编码视频序列的方法和装置。压缩编码视频序列包括含有帧内编码画面和包括多个图像块的帧间编码画面的画面组。图像块具有表示图像块相对画面组中另一画面中参考图像块的位移的运动矢量及表示图像块和参考图像块间差的差信号。方法包括步骤：对各画面组检测视频序列中的帧间编码画面；从检测的帧间编码画面提取图像块；压缩部分提取的图像块形成压缩图像块数据；将替换图像块和压缩图像块数据插入视频序列中替换提取的图像块。替换图像块各有零值运动矢量和零值差信号。通过提供替换画面数据，设置修改视频序列的帧间编码画面在解码时显示的和在之前帧内编码画面上显示的相同，提供可去除的缺损形式，如可见水印。

Description

数据处理装置
技术领域
本发明涉及修改视频序列的方法和装置、去除对已修改视频序列所作修改的方法和装置、信息信号以及计算机程序。在一些实施例中该修改可引入可见水印。
背景技术
已知可在视频、音频、音频/视觉和/或其它信息信号中提供水印。提供水印经常是为了检查信息信号的起源和/或识别与信息信号关联的所有者或其它人。水印可以是可察觉的或隐藏的，但可见水印可通过以可见方式使信息信号降质，例如用标志符覆盖视频图像，而用作保护信息信号的一种途径。
虽然可见水印旨在通过使序列中至少一些图像画面的一部分模糊不清而使视频序列降质，但在帧间编码视频序列上，就是其中一些图像画面参考其它视频画面编码的视频序列，使用水印会导致图像和水印都有不希望的失真。这是由于在编码方法中所用的运动补偿例如MPEG2以压缩视频流而引起的。
如果修改视频序列的目的是使观众能欣赏视频序列内容并看到序列中视频图像的质量、但并不提供完全可用内容，则最好能对视频序列提供一些修改，但却不会导致图像和水印的不希望有的失真。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种对表示视频图像的压缩编码视频序列进行修改的方法。压缩编码视频序列包括画面组，画面组包括帧内编码(intra-encoded)画面和至少一个帧间(inter-encoded)编码画面，帧间编码画面包括多个图像块。至少一个图像块具有表示此图像块相对该画面组中帧内编码画面或该画面组中至少一个帧间编码画面中另一帧间编码画面中的参考图像块的位移的运动矢量，以及表示此图像块和参考图像块之间差的差信号。该方法包括以下步骤：对每个画面组检测在视频序列中的帧间编码画面；从所检测的帧间编码画面中提取图像块；压缩至少一部分所提取的图像块以形成压缩图像块数据；以及将替换图像块和压缩图像块数据插入到视频序列中，以替换提取的图像块。替换图像块每个都具有零值的运动矢量和零值的差信号。
本发明通过提供表示具有零值运动矢量和零值差信号的替换图像块的替换画面数据，就可设置修改的视频序列的帧间编码画面在解码时显示的图像和在之前帧内编码画面上显示的图像相同。就是说，将帧间编码画面中所有图像块的运动矢量都设置为零，并将相应的差值设置为零，就指定了帧间编码画面中的每个图像块将参考该画面组中另一画面(参考画面)中同样定位的图像块。假定参考画面将是该画面组中的帧内编码画面，或将是最终(可能有几个中间画面)参考回该画面组的帧内编码画面，该画面组中的所有帧间编码画面将在解码时被观看，和该画面组中的帧内编码画面相同，也就是说，在画面组整个持续期间都可观看到相同的图像。如果画面是帧，这会导致比实际帧速率低得多的视在帧速率(所有画面将仍由解码器解码并被显示，只不过会有相同图像的多次重复)。这使用户能对视频序列的内容和各个画面的质量作出评价，并不必存取不受保护版的视频序列。
由于在位流中存在有原始画面数据，虽然是压缩形式的，用户能从修改的位流中重建原始位流，并从而存取原始内容。优选的是，要对压缩位流加密，在这种情况下，只有授权用户才能使用适合的解码器和任何所需密码密钥来存取原始内容。
本发明在和加可见水印结合使用时特别有利。当帧间编码视频序列加水印时，帧间编码画面中存在的运动矢量在视频序列被解码时会使嵌入在帧内编码画面中的水印失真，特别是对于其中有大量运动并因而有大幅度运动矢量的视频序列。这种效果在视觉上令人不快。有了本技术，就解码器而言，帧间编码画面是帧内编码有水印画面的稳定拷贝。相应地，有水印图像没有失真。
此外，这种技术组合，通过禁止使用运动补偿技术来估计水印后面的图像性质，使未授权去除帧内编码画面上的水印更加困难。这是因为：与相关的帧内编码画面所提供的信息相比，帧间编码画面不会向未授权用户提供任何附加信息。
在MPEG2的情况下，虽然相同的原理也适用于其它长GOP编码方案，但替换画面数据可以只是标准代码，适用于每个帧间编码画面。用MPEG2时，可以使用两个标准代码，一个用作每个P画面的替换画面数据，一个用作每个B画面的替换画面数据。为了改进的性能，用于B画面的代码将运动矢量设置为参考画面组中随后的画面。用于每个P画面和B画面的预定代码可包括表示帧间编码画面中一行宏块的代码部分，且每个代码部分仅可定义该行的第一和最后的宏块。这利用了MPEG2解码器的能力来处理中间“跳越宏块”，使之与前面的宏块相同，其中这些中间宏块在编码位流中实际上没有指定。
根据本发明的第二方面，提供了去除对表示视频图像的修改压缩编码视频序列所作的修改的方法。压缩编码视频序列包括画面组，画面组包括帧内编码画面和至少一个帧间编码画面，帧间编码画面包括多个图像块。至少一个图像块具有表示此图像块相对该画面组中帧内编码画面或该画面组中至少一个帧间编码画面中另一帧间编码画面中的参考图像块的位移的运动矢量，以及表示此图像块和参考图像块之间差的差信号。修改的视频序列包括替换图像块以及由原始图像块形成的压缩图像块数据。该方法包括的步骤有：对每个画面组检测在视频序列中的帧间编码画面；从检测的帧间编码画面中提取压缩图像块数据；解压提取的压缩图像块数据以重建原始图像块；以及用原始图像块替换预定的替换图像块和压缩的图像块数据。预定的替换图像块每个具有零值的运动矢量和零值的差信号。
在压缩的图像块数据已被加密的情况下，对提取的压缩图像块数据先解密再解压。如果压缩的图像块数据已使用秘密密钥加密，则需要获得该密钥，并用其来解密加密的压缩图像块数据。
也可提供视频序列分配系统，它可包括服务器装置和客户机装置。服务器装置可操作用于向客户机装置提供根据上述本发明第一方面修改的压缩编码视频序列，并向客户机装置提供用于反转对修改的压缩编码视频序列所作修改的信息。用于反转对修改的压缩编码视频序列所作修改的信息可以是一个秘密密钥。
视频序列分配系统的客户机装置可操作用于向服务器装置请求用于反转对修改的压缩编码视频序列所作修改的信息，并根据上述本发明的第二方面反转对修改压缩编码视频序列所作的修改。
本发明的各个方面和特性在所附权利要求书中定义，包括用于修改视频序列的装置、用于去除对视频序列所作修改的装置、信息信号以及计算机程序。
附图说明
现在参阅附图对本发明的实施例实例加以说明，附图中相同部分都设有相应的参考编号，附图包括：
图1为图像帧的示意图；
图2为图像帧中8×8像素块的示意图；
图3为DCT块的示意图；
图4为宏块的示意图；
图5为宏块和切片行的示意图；
图6为画面组(GOP)的示意图；
图7为一帧画面数据的示意图；
图8为一个宏块的位流示意图；
图9根据本发明第一实施例的位流修改装置的示意图；
图10为流程图，示意示出了根据本发明第一实施例的位流修改方法的概略图；
图11A和11B为第一实施例的位流修改方法对位流实例的影响的示意图；
图12A和12B为在修改前后I画面或B画面的结构示意图；
图13A和13B为修改前后的宏块结构示意图；
图14A到14D为一些表，示意示出了实现图13B的宏块结构所用的MPEG2代码实例；
图15为位流清洗装置的示意图，用于使由图9和10的装置和方法修改的位流恢复到其原始形式；
图16为流程图，示意示出了位流清洗方法的概略图；
图17为根据本发明第二实施例的位流修改器示意图；
图18A和18B为第二实施例的位流修改方法对位流实例的影响示意图；
图19为位流清洗装置的示意图，用于使由图17的装置修改的位流恢复到其原始形式。
具体实施方式
在以下说明中，将以MPEG2作为编码方法对本发明的实施例加以说明。应理解，也可使用备选的编码方法，只要它们是以长GOP结构为基础工作即可。而且，以下说明主要涉及画面，而不是指定帧或场。本发明也可以帧或场为基础来使用。
首先，回顾一下MPEG2。参阅图1，图中示出图像帧2。该图像用像素表示。如图2所示，选择8×8像素的块4，并如图3所示，这些块要经过离散余弦变换(DCT)，形成含有8×8DCT系数的DCT块。这些系数包括DC系数6和AC系数7。为了形成串行位流，以折线扫描图案8对系数进行扫描，如图3所示，虽然已知有其它图案。将四个相邻的DCT块组分组成宏块10，如图4所示。如图5所示，将图像帧组织成宏块的行R1、R2、R3等。将宏块组织成切片(slice)。切片是宏块的水平聚集。一个新的切片从每行宏块的起始处开始。一个切片可包含任何数量的宏块，而一行宏块可包含任何数量的切片。
参阅图6，MPEG2具有以下类型的帧。I帧是帧内编码帧，其中所有的图像数据都包含在该帧中，不用参考任何其它帧。P帧是使用从以前的I帧或P帧的运动补偿预测而编码的帧。B帧是使用从以前和/或将来的I帧或P帧的运动补偿预测而编码的帧。
帧被组织成画面组(GOP)。图6示出了部分典型的GOP，其中I、B、B和P帧的重复序列形成GOP。其它序列也是可能的。典型GOP中的帧数为12或15，但其它帧数也可以。
图7示出了在本文中称为画面数据的数据格式。本文中画面数据包括在画面开始代码之间的所有数据，并包括标题(HDR)、用户数据(UD)和表示一个图像帧的图像数据16。MPEG2允许将用户数据(UD)放在画面数据中图像数据16之前。可以没有用户数据字段UD或一个或多个用户数据字段。
DCT块和宏块在图像数据16中被格式化，如图8所示。虽然在图8中仅示出了最初的四个DCT块，但宏块可由6、8或10个DCT块组成，视所用的色度格式[4，2，0]、[4，2，2]或[4，4，4]而定。每个块包括DC系数，其后是AC系数。各块用块结束代码EOB分隔开。
MPEG2编码过程应产生能由符合MPEG2标准的任何解码器解码的位流。解码器包括缓冲器，缓冲器在位流被解码时将位流暂时存储在缓冲器中。MPEG2标准定义了缓冲器的大小。一般来说，缓冲器既不应下溢亦不应上溢，否则数据会丢失，虽然在某些情况下可允许下溢。所以执行编码过程要使位速率受到制约，以防止下溢和上溢。
位流修改装置
图9示出了根据本发明第一实施例的位流修改装置示意图。在本实例中位流修改装置包括MPEG编码器102，配置为在其输入端接收视频信号并输出MPEG2编码的视频位流。备选的是，位流修改装置可只是接收预先准备的MPEG2位流。MPEG2位流被传送到P/B画面检测器104，它确定位流中的当前画面是帧内编码画面(I画面)还是帧间编码画面(P画面或B画面)。如果检测的当前画面是I画面，则不作修改。如果检测的当前画面是P画面或B画面，就对有关当前画面的位流部分进行修改。
具体地说，如果当前画面是帧间编码画面，则表示当前画面的位流部分将被提取器106提取。提取器将至少一部分提取的位流传送到压缩编码器108，它将减少该部分位流的数据量。可使用任何适合的压缩算法。但应理解，位流已经压缩了，因为它是MPEG2位流。由压缩编码器110执行的进一步压缩例如可以使用修改的MPEG2压缩算法，或备选地可以是MPEG4压缩。
然后将压缩的位流传送到加密编码器108对其加密，以防止未授权存取原始形式的当前画面。和压缩一样，可使用任何适合的加密算法。但优选是使用对称加密算法，例如AES1算法，用秘密密钥来加密数据。对称算法比起非对称算法具有的优势在于加密导致较小的数据量扩展，且执行得较快。但如果需要附加的安全性，则可在分发之前对秘密密钥本身加密，例如根据公开密钥基础设施(PKI)对其加密。
位流修改装置配备有帧间编码画面发生器112，用于产生替换P画面和B画面，以替换原始P画面和B画面。对替换P画面和B画面进行编码，方式为使其表示和以前的I画面，即GOP中第一个画面，所指定的图像相同的图像。这样，GOP中的所有画面看起来都相同。如果例如提供一系列GOP，每个都含有例如12个画面，每个画面是一帧，如果观看的帧速率是每秒12帧，则视在帧速率将是大约每秒2帧。然后将替换P画面和B画面传送到画面组合器114，它将原始未修改的I画面与替换P画面和B画面组合，以产生输出的修改MPEG2视频序列。
图10是流程图，示意示出了在修改MPEG2位流时执行的步骤。首先，在步骤S1，接收MPEG2位流画面。在步骤S2，确定接收的画面是帧内编码画面(I画面)还是帧间编码画面(P画面或B画面)。如果接收的画面是I画面，则处理返回到步骤S1，将接收随后的画面。或者，如果接收的画面确定为P画面或B画面，则在步骤S3，从当前画面中提取画面数据。然后，在步骤S4，将压缩提取的画面数据，以形成压缩画面数据，然后将其加密，以形成加密的压缩画面数据。
从步骤S2开始一直进行，在步骤S6产生替换画面数据。如上参阅图9所述，替换画面的产生应使由当前画面的新画面数据所表示的图像与在GOP起始处的I画面所表示的图像相匹配。然后，在步骤S7，将加密的压缩画面数据和替换画面数据组合，产生替换位流部分，以替换相应的所接收位流部分。最后，在步骤S8，将MPEG位流的I画面重新插入到替换位流部分，以形成修改的位流。
图11A和11B为如上述修改视频序列的效果示意图。具体的说，图11A示出修改前的视频序列，图11B示出根据上述方法修改后的同一视频序列。参阅图11A，示出一系列15个连续画面，编号为画面1到15。比较这些画面可看出在画面之间有运动发生。在实时观看时，例如以每秒25个画面的帧速率观看，画面间的运动看起来是平稳的。参阅图11B，在修改后，画面1和13与图11A的画面1和13相同，但画面2到12、14和15与图11A中对应的画面不同。画面1和13是相同的，因为这些画面是I画面，本实例包括长度为12个画面的GOP(一个I画面后面有11个P画面和/或B画面)，所以此修改方法不会使这些画面改变。但图11B中的画面2到12和图11A中的画面1相同，且画面14和15与图11A中的画面13相同，因为这些画面已修改为看起来和GOP的I画面相同。相应地，在实时观看时，图11B的序列看起来是跳动的，其视在帧速率仅为每秒2帧。这个视在帧速率，虽然足以对视频序列的信息内容提供指示，而且对每单个画面也有完整的图像质量，但却不表示全部可用视频。所以，第三方需要存取用来加密原始P画面和B画面数据的秘密密钥，以便解密原始数据，并恢复对称加密的全部视频序列。
图12A和12B示意示出了修改前(图12A)和修改后(图12B)的MPEG2画面结构实例。在图12A和12B这两个图中，分别提供有画面标题202和202’。画面标题202和202’后面分别是第一用户数据块204和204’。应理解，在位流中可存在有任何数量的用户数据块。在图12A中，用户数据块204后面是画面数据206，它表示当前画面的图像值。正是这个画面数据块206被提取、压缩和加密，然后被插回到位流中，作为用户数据块208。新的用户数据块208后面是替换画面数据210，用来将当前画面定义为看起来和前面的I画面相同。MPEG2解码器在解码此画面时会忽略该用户块的存在，而仅解码替换画面数据210以提供图像。
图13A和13B示意示出了修改前(图13A)和修改后(图13B)的MPEG2切片和宏块结构实例。在本实例中，在图13A所表示的原始位流部分中没有用户数据存在。参阅图13A，提供有画面标题302，它指示MPEG2位流中新画面的开始。该画面标题302后面是切片标题304，它指示当前画面中新切片的开始。在画面标题302后并在另一画面标题前发生的任何切片都属于同一当前画面。切片标题304后面是一个或多个宏块。在本例中，提供有N个宏块，包括宏块306、308和310。在切片中的最后宏块310之后，提供有新切片标题312，以指示新切片的开始。和切片标题304一样，切片标题312后面是一个或多个宏块，在本例中，包括宏块314。每个切片可包括大量宏块，视切片长度而定。例如，在标准清晰度(SD)画面的情况下，切片可包括多达45个宏块(如果切片占据整行画面)，而在高清晰度(HD)画面的情况下，切片可包括多达120个宏块。
现在参阅图13B，提供有画面标题320，它对应于图13A中的画面标题302。画面标题320后面是用户数据块322，它保存有从图13A的画面中加密压缩的原始画面数据。加密压缩的原始画面数据含有图13A的位流中存在的原始切片和宏块。用户数据块322后面是切片标题324，它可对应于图13A中的切片标题304。切片标题324后面是第一宏块326和第二宏块328。也就是说，在第一切片中只定义了两个宏块，虽然该切片实际上可表示一整行宏块。第一切片就其所表示的行的部分而言可能对应于或可能不对应于图13A的第一切片。在一个实现中，提供相同的切片结构，以使相同数量的切片表示图13A所表示的画面和图13B所表示的画面。但优选的是，将新切片结构定义为每个切片对应于画面中的一整行宏块，使得用最少数量的切片来表示修改的画面。这就提供了改进的编码效率，因为需要较小数量的位来定义替换画面数据。
图13B的第一切片中的两个宏块是该切片的第一和最后宏块。MPEG2定义了在某些情况下不必传送所有宏块。未被传送的宏块称为“跳越宏块”。在P画面中，跳越宏块定义为具有零DCT系数和零运动矢量。在B画面中，跳越宏块定义为具有零DCT系数，而运动矢量和前面的宏块相同。这样定义的结果是：如果是本实例的情况，则只有切片的第一和最后宏块被传送，在二者之间定义的所有跳越宏块都和第一宏块相同。相应地，如果将第一和最后宏块都设置为具有零DCT系数和零运动矢量，不论画面是P画面还是B画面，则整个切片都会具有零DCT系数和零运动矢量，这将导致在解码器处该切片被解释为看起来与GOP中另一画面的对应部分相同。
同一原理用于画面的每一行，如在图13B中可见，第二切片标题330的后面提供有两个宏块332和334，且第三切片标题336的后面是两个宏块338和340。这样，可将整个B画面或P画面编码，以使其被解码为和GOP中的另一画面相同，并最终和以前的I画面相同。
图14A到14D示意示出了可用来实现如上参阅图13B所述的适当宏块结构的MPEG2代码。不需要对行的第一切片标题作改变以实现上述宏块结构，所以在图14A到14D中不定义切片标题代码。图14A到14D中表的第一列表示所用的MPEG2代码实例，第二列表示代码标识符，第三列表示该代码是可变长度代码(VLC)还是固定长度代码(FLC)，以及在本例中的长度。图14A的表列出在标准清晰度(SD)P画面情况下用于编码切片的第一和最后宏块(以及通过使用跳越宏块的所有中间宏块)所需的MPEG2代码。对于PAL和NTSC这两种格式，标准清晰度画面可包括每线720采样，和每个图像576线。图14A所示的MPEG2代码会在切片标题后开始。
所提供的第一代码是宏块_地址_增量代码402。该代码将当前地址增加，以指定当前切片中的特定宏块位置。在这种情况下，宏块地址增加的量为+1。宏块地址的起始值为零，所以宏块_地址_增量代码402将宏块地址增加到1，以便编码第一宏块。下一代码是宏块_类型代码404，它指定被编码宏块的类型。在本例中，宏块_类型指定为前向运动补偿(MC)宏块，其中没有DCT值被编码。其后是帧_运动类型代码406，它设置帧画面的预测类型，在本例中设置为帧预测。其后的两个代码是运动_代码水平408和运动_代码垂直410，它们设置该宏块的水平和垂直运动矢量，在本例中设为零。上述代码402-410表示切片中的第一宏块。表中的其余代码表示切片中的最后宏块。
最后宏块的第一代码是宏块_转义代码412，在本例中用于将宏块地址增加+33。在此例中使用宏块_转义代码的理由是，该代码和宏块_地址_增量代码结合使用，此时两个宏块地址之间的地址差超过33。在本例中，所需的宏块地址是45，这是对于标准清晰度画面用于一行中最后宏块的宏块地址。相应地，从第一宏块的宏块地址1，需要有+44的增量。所以，宏块_转义代码用来提供+33的增量，并从表中可见，其余的+11由宏块_地址_增量代码414提供。
宏块_类型代码416、帧_运动_类型代码418、运动_代码水平420以及运动_代码垂直422全部和第一宏块所用的相应代码404到410相同，导致该行的第一和最后宏块相同，它们均用零运动矢量和零差值预测编码。如上述，MPEG2解码器将在这些第一和最后宏块之间填充以跳越宏块，它们和切片中的这些第一和最后宏块相同。
图14B对应于图14A，但涉及高清晰度情况，在此，一行以及由此的一个切片包括120个宏块。对于PAL和NTSC这两种格式，高清晰度画面可包括每线1920采样和每图像1080线，或备选的是包括每线1280采样和每图像720线。在图14A和14B中相同的代码用相同的参考编号标注，它们实现相同的功能，故不再参阅图14B加以说明。但在图14B的情况下，使用三个宏块_转义代码432、434和436以及宏块_地址_增量代码438，以便提供从1到120的所需增量+119。在所有其它方面，图14B中所用的MPEG2编码与图14A的相对应。
图14C的表列出在标准清晰度(SD)B画面情况下(其中每行提供有45个宏块)用于编码第一和最后宏块所需的MPEG2代码。在图14A和14C中相同代码用相同参考编号标注，它们实现相同的功能，故不再参阅图14C加以说明。但在图14C的情况下，代码宏块_类型不同，并将该宏块设为后向运动补偿(MC)宏块，其中没有DCT值被编码。这与图14A不同，因为虽然对于B画面可允许前向预测，但更优选在MPEG2标准下对B画面中的宏块提供后向预测。
图14D对应于图14C，但涉及高清晰度情况，在此，一行以及由此的一切片包括120个宏块。在图14C和14D中相同的代码用相同的参考编号标注，它们实现相同的功能，故不再参阅图14D加以说明。但在图14D的情况下，使用三个宏块_转义代码450、452和454以及宏块_地址_增量代码456，以便提供从1到120的所需增量+119。在所有其它方面，图14D中所用的MPEG2编码与图14C的相对应。
从图14A到14D中每个图的列3可以看出，对于图14A和14C的标准清晰度情况，用来表示每对宏块的位数是33位，而对图14B和14D的高清晰度情况是58位。就所述方法产生的附加数据而言，切片中的第一宏块必须始终存在，所以第一宏块_地址_增量总是+1，并因此可以排除在数据扩展计算之外。于是，对于标准清晰度和高清晰度情况，这就将附加位数分别降到每片32和57。对于标准清晰度情况，这转换成每画面1152附加位，对于高清晰度情况是每画面3876附加位。而且，存在于切片标题中的切片开始代码总是字节定位的，所以描述切片的数据会被填充到整个字节数。于是，数据扩展的实际数量可稍大于这些指示。但填充位可能用于存储数据。
位流清洗装置
图15示意图示了用于从由图9所述装置修改的位流重新组成原始位流的位流清洗装置。该清洗装置包括P/B画面检测器510，它接收修改的MPEG位流，并确定位流中的当前画面是帧内编码画面(I画面)还是帧间编码画面(P画面或B画面)。如果检测的当前画面是I画面，则不需任何处理，因为对该画面将不作修改。如果检测的当前画面是P画面或B画面，则将对有关当前画面的位流部分进行处理，以将其恢复到其原始形式。
在当前画面是帧间编码画面时，由提取器520将表示原始画面的位流部分提取出来。提取器520将这部分提取的位流发送到解密器530，在此根据加密编码器用来加密数据所用的加密算法对其解密，以恢复原始压缩的数据。通常，这将需要接收执行解密所需的密钥。但可将密钥预先编码到加密编码器和解密器中，此时就不需要发送密钥。如参阅图9所述，如果要使用秘密密钥，可以在发送给接收人之前使用非对称PKI加密对其作进一步保护。
一旦解密了，原始压缩画面数据将被发送到解压器540，它解压压缩的画面数据，以重新组成原始画面数据。位流清洗装置配有帧间编码画面发生器550，用于从留在位流中的未修改数据以及由解压器提供的重新组成的画面数据来重建原始P画面和B画面。所接收位流中存在的替换画面数据将被去除和丢弃。然后将重建的P画面和B画面传送到画面组合器560，它将原始未修改的I画面与重建的原始P画面和B画面组合，以产生清洗的MPEG2视频序列。在本例中，还提供有MPEG2解码器来解码MPEG2视频，以产生可观看的视频序列。但是，清洗的MPEG2视频可仅被存储起来供以后使用。
图16的流程图示意示出了图15的装置在清洗所接收的MPEG2位流时执行的步骤。首先，在步骤S11，接收修改的MPEG2位流的画面。在步骤S12，确定所接收的画面是帧内编码画面(I画面)还是帧间编码画面(P画面或B画面)。如果所接收的画面是I画面，则处理回到步骤S11，在此将接收随后的画面。或者，如果确定所接收的画面是P画面或B画面，则在步骤S13，从当前画面中提取画面数据。然后，在步骤S14，对提取的画面数据解密，以形成压缩的画面数据，随后在步骤S15解压，以重新组成原始画面数据。然后，在步骤S16，位流中未修改的部分与重建的画面数据进行组合，产生重建的原始位流部分以替换相应所接收的位流部分，并与位流中未修改的I画面进行组合，形成重建的原始位流。
图17示出根据本发明第二实施例的位流修改装置示意图。图17中与图9中相同的特征用相同的参考编号标注，不再赘述。和图9一样，本实例中的位流修改装置包括MPEG编码器102，其配置为在其输入端接收视频信号，并输出MPEG2编码的视频位流，但位流修改装置可以只是接收以前产生的MPEG2位流。MPEG2位流发送到I/P/B画面检测器104，它确定位流中的当前画面是帧内编码画面(I画面)还是帧间编码画面(P画面或B画面)。如果所检测的当前画面是P画面或B画面，则有关当前画面的位流部分用以上结合图9所述的同样方式被修改。但如果所检测的当前画面是I画面，就由水印编码器116将可见水印插入到I画面中。加可见水印的方法在业界是已知的，在MPEG2的情况下通常涉及修改位流中I画面的DCT系数。P和B画面的修改也是可能的，但在本实例中不大有用，因为修改的P和B画面是单纯相对I画面作参考的，且加到I画面的任何水印也可由修改的P和B画面来表示作为参考。加可见水印过程本身可加密从原始I画面去除的数据。加密数据可存储在用户数据块中有关有水印的I画面的位流中，其方式与上述将P画面和B画面的原始数据插入到用户数据块中的方式相同。如果使用密钥通过加水印过程来加密从I画面去除的数据，则同一密钥可用于加水印编码器和加密编码器110。
图17中的提取器106、压缩编码器108、加密编码器110以及帧间编码画面发生器112的工作与图9中的相同，在此不再详述。和图9的实施例一样，对替换P画面和B画面进行编码，使其表示的图像与以前的I画面(即GOP中的第一画面)所指定的相同。这样，GOP中的所有画面看起来都相同。
画面组合器114和图9的一样，组合I画面与替换P画面和B画面，但在此情况下，I画面已由水印编码器116加了水印。于是，在解码器处，用户将以每秒2个画面的视频序列观看图像，其中在所有画面中都可见水印，例如标志符。
相应地，应理解，根据图17所用的修改位流的方法与图9所示方法相同，不同的是有对检测的I画面加水印的附加步骤以及将有水印的I画面与修改的P画面和B画面进行组合的修改步骤。
图18A和18B示出如上结合图17所述的修改视频序列的效果示意图。具体地说，图18A示出修改前的视频序列，图18B示出修改后的同一视频序列。参阅图18A，图中示出一系列15个连续画面，编号为画面1到15。比较这些画面可看出在画面之间有运动发生。在实时观看时，例如以每秒25帧的帧速率观看，画面间的运动看起来是平稳的。参阅图18B，在修改后，画面1和13与图18A的画面1和13相同，但加有水印“S”，然而画面2到12、14和15与图18A中对应的画面则不同，不仅在添加水印方面不同，而且在内容方面也不同。画面1和13是相同的(除了水印之外)，因为这些画面是I画面，本实例包括长度为12个画面(一个I画面后面有11个P画面和/或B画面)的GOP，所以P画面和B画面的修改不会使这些画面改变。但图18B中的画面2到12和图18A中的画面1相同，且画面14和15与图18A中的画面13相同，因为这些画面已修改为看起来和GOP的I画面相同，而I画面其本身已修改为包含水印。因此，在实时观看时，图18B的序列看起来是跳动的，其视在帧速率仅为每秒2帧，但具有静止水印。
图19示意图示了用于从由图17中所述装置修改的位流中重新组成原始位流的位流清洗装置。图19中与图15中相同的特征用相同的参考编号标注，将不再赘述。清洗装置包括P/B画面检测器510，它接收修改的MPEG位流，并确定位流中的当前画面是帧内编码画面(I画面)还是帧间编码画面(P画面或B画面)。如果检测的当前画面是P画面或B画面，则将对有关当前画面的位流部分进行处理，根据参阅图15所述的方法将其恢复到其原始形式。
当检测到I画面时，该画面将被传送到水印清洗器580，清洗器将使用在加水印过程中所用的同一秘密密钥从I画面上去除水印，并恢复原始数据。
具体地说，提取器520、解密器530、解压器540以及帧间编码画面发生器550各以和图15中相同的方式工作。然后将重建的原始P画面和B画面传送到画面组合器560，它将清洗的I画面与重建的原始P画面和B画面组合，以产生清洗的MPEG2视频序列。在本例中，还提供有MPEG2解码器，以解码MPEG2视频，产生可观看的视频序列。但是，清洗的MPEG2视频可仅被存储起来供以后使用。和位流修改器一样，对于解密器530和水印清洗器580，位流清洗器可使用同一秘密密钥。
已对第二实施例作了说明，这是一种将可见水印加到位流I画面上的装置，且在同一装置中基本上同时在位流的P画面和B画面上作了修改。这一选项很有利，因为这两个操作是相关的，共享共同特征，例如检测I、P和B画面以及组合I、P和B画面，且它们共同进行是合乎需要的。但备选的是，第一实施例的装置和方法可用于以前加有水印的MPEG2位流，并提供和第二实施例基本相同的效果。而且，单独的加水印装置可将水印加到第一实施例的位流修改器产生的位流上，也提供了和第二实施例基本相同的效果。
位流修改器以及位流清洗器可作为专用装置提供，或作为运行适当软件的计算机提供。

Claims (18)

1.一种修改表示视频图像的压缩编码视频序列的方法，所述压缩编码视频序列包括画面组，所述画面组包括帧内编码画面和至少一个帧间编码画面，所述帧间编码画面包括多个图像块，至少一个所述图像块具有表示所述图像块相对所述画面组中所述帧内编码画面或所述画面组中所述至少一个帧间编码画面中另一帧间编码画面中参考图像块的位移的运动矢量，以及表示所述图像块和所述参考图像块之间差的差信号，所述方法包括以下步骤：
对每个画面组检测所述画面组中的所述帧间编码画面；
从检测的帧间编码画面中提取所述图像块；
压缩至少一部分提取的图像块以形成压缩图像块数据；以及
将替换图像块和所述压缩图像块数据插入到所述视频序列中，以替换所述提取的图像块，其中
所述替换图像块每个都具有零值的运动矢量和零值的差信号。
2.如权利要求1所述的修改压缩编码视频序列的方法，在压缩步骤和插入步骤之间包括加密所述压缩图像块数据的步骤。
3.如权利要求1或2所述的修改压缩编码视频序列的方法，包括将可见水印嵌入所述视频序列的一个或多个帧内编码画面中的步骤。
4.如权利要求1或2所述的修改压缩编码视频序列的方法，其中每个帧间编码画面是预测编码画面或双向编码画面其中之一，所述预测编码画面中图像块具有单一运动矢量，所述双向编码画面中图像块具有多个运动矢量，每个运动矢量表示所述图像块相对所述画面组中所述帧内编码画面或所述画面组中所述至少一个帧间编码画面中另一帧间编码画面中各自参考图像块的位移。
5.如权利要求4所述的修改压缩编码视频序列的方法，其中检测步骤包括检测所述帧间编码画面是预测编码画面还是双向编码画面，并且其中所述替换图像块包括用于替换检测的预测编码画面的第一预定代码或用于替换双向编码画面的第二预定代码。
6.如权利要求5所述的修改压缩编码视频序列的方法，其中所述视频序列是MPEG2位流，且所述图像块是MPEG2宏块，所述第一和第二预定代码各包括代码部分，每个代码部分表示所述帧间编码画面中的一行宏块，每个所述代码部分仅定义所述行的第一和最后宏块。
7.一种集合表示视频图像的压缩编码视频序列的方法，包括以下步骤：
产生压缩编码视频序列；以及
根据权利要求1到6中任一项所述的方法修改产生的压缩编码视频序列。
8.一种修改表示视频图像的压缩编码视频序列的装置，所述压缩编码视频序列包括画面组，所述画面组包括帧内编码画面和至少一个帧间编码画面，所述帧间编码画面包括多个图像块，至少一个所述图像块具有表示所述图像块相对所述画面组中所述帧内编码画面或所述画面组中所述至少一个帧间编码画面中另一帧间编码画面中参考图像块的位移的运动矢量，以及表示所述图像块和所述参考图像块之间差的差信号，所述装置包括：
画面检测器，可操作用于对每个画面组检测所述视频序列中的所述帧间编码画面；
提取器，可操作用于从检测的帧间编码画面中提取所述图像块；
压缩编码器，可操作用于压缩至少一部分提取的图像块以形成压缩图像块数据；以及
画面发生器，可操作用于将替换图像块和所述压缩图像块数据插入到所述视频序列中，以替换所述提取的图像块，其中
所述替换图像块每个都具有零值的运动矢量和零值的差信号。
9.如权利要求8所述的用于修改压缩编码视频序列的装置，包括用于加密所述压缩图像块数据并将加密后的所述压缩图像块数据输出到所述画面发生器的加密编码器。
10.如权利要求8或9所述的用于修改压缩编码视频序列的装置，包括水印编码器，所述水印编码器用于将可见水印嵌入到所述视频序列的一个或多个帧内编码画面中。
11.一种对表示视频图像的修改的压缩编码视频序列所作修改进行反转的方法，所述压缩编码视频序列包括画面组，所述画面组包括帧内编码画面和至少一个帧间编码画面，所述帧间编码画面包括多个图像块，至少一个所述图像块具有表示所述图像块相对所述画面组中所述帧内编码画面或所述画面组中所述至少一个帧间编码画面中另一帧间编码画面中参考图像块的位移的运动矢量，以及表示所述图像块和所述参考图像块之间差的差信号，所述修改的视频序列中具有替换图像块和由原始图像块形成的压缩图像块数据，所述方法包括以下步骤：
对每个画面组检测所述视频序列中的所述帧间编码画面；
从检测的帧间编码画面中提取所述压缩图像块数据；
解压提取的压缩图像块数据以重建所述原始图像块；以及
用所述原始图像块替换所述替换图像块和所述压缩图像块数据，其中
所述替换图像块每个都具有零值的运动矢量和零值的差信号。
12.如权利要求11所述的对压缩编码视频序列所作修改进行反转的方法，在提取步骤和解压步骤之间包括解密所述压缩图像块数据的步骤。
13.如权利要求11或12所述的对压缩编码视频序列所作修改进行反转的方法，包括从所述视频序列的一个或多个帧内编码画面中去除可见水印以恢复所述原始帧内编码画面的步骤。
14.一种对表示视频图像的修改的压缩编码视频序列所作修改进行反转的装置，所述压缩编码视频序列包括画面组，所述画面组包括帧内编码画面和至少一个帧间编码画面，所述帧间编码画面包括多个图像块，至少一个所述图像块具有表示所述图像块相对所述画面组中所述帧内编码画面或所述画面组中所述至少一个帧间编码画面中另一帧间编码画面中参考图像块的位移的运动矢量，以及表示所述图像块和所述参考图像块之间差的差信号，所述修改的视频序列中具有替换图像块和由原始图像块形成的压缩图像块数据，所述装置包括：
画面检测器，可操作用于对每个画面组检测所述视频序列中的所述帧间编码画面：
提取器，可操作用于从检测的帧间编码画面中提取所述压缩图像块数据；
解压器，可操作用于解压提取的压缩图像块数据，以重建所述原始图像块；以及
画面发生器，可操作用于用所述原始图像块替换所述替换图像块和所述压缩图像块数据，其中
所述替换图像块每个都具有零值的运动矢量和零值的差信号。
15.如权利要求14所述的对压缩编码视频序列所作修改进行反转的装置，包括用于解密所述压缩图像块数据并将解密后的所述压缩图像块数据输出到所述解压器的解密器。
16.如权利要求14或15所述的对压缩编码视频序列所作修改进行反转的装置，包括水印解码器，所述水印解码器用于从所述视频序列的一个或多个帧内编码画面中去除可见水印，以恢复所述原始帧内编码画面。
17.一种视频序列分配系统，包括服务器装置和客户机装置，所述服务器装置可操作用于：
向所述客户机装置提供根据权利要求2所述方法修改的压缩编码视频序列；以及
向所述客户机装置提供用于对所述修改的压缩编码视频序列所作修改进行反转的信息。
18.如权利要求17所述的视频序列分配系统，其中所述客户机装置可操作用于：
向所述服务器装置请求用于对所述修改的压缩编码视频序列所作修改进行反转的信息；以及
根据权利要求12所述的方法对所述修改的压缩编码视频序列所作修改进行反转。
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