專利名稱：基于mpeg-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字視頻水印方法，尤其涉及基于MPEG-2標準的數(shù)字視頻水印方法， 屬于數(shù)字視頻處理領域。
背景技術：
隨著網(wǎng)絡通信的普及，許多傳統(tǒng)媒體內容都向數(shù)字化轉變，并且在電子商務中即 將占據(jù)巨大市場份額，如mp3的網(wǎng)上銷售，數(shù)字影院的大力推行，網(wǎng)上圖片、電子書籍銷售 等等，在無線領域，隨著移動網(wǎng)絡由第二代到第三代的演變，移動用戶將能方便快速的訪問 因特網(wǎng)上數(shù)字媒體內容，基于有線或無線網(wǎng)絡的數(shù)字媒體內容的應用即將是信息時代新 的傳統(tǒng)。但是，數(shù)字媒體內容的安全問題成了瓶頸問題，制約著眾多商業(yè)應用的進程。雖 然成熟的密碼學是解決當前網(wǎng)絡信息安全的主要手段，但是，對于多媒體內容存在兩大問 題。一是數(shù)字媒體內容的超分布(Superdistribution)問題，即內容一旦解密，便可以隨 意的被拷貝、傳播，快速發(fā)展的網(wǎng)絡為非法傳播提供很大便利，給媒體內容制造商造成了巨 大損失，從而制約著數(shù)字多媒體應用的進行；二是多媒體內容的訪問控制問題，因為多媒體 內容(如視頻流)的加密解密需要巨大的運算負荷，并且難以滿足應用的時效性。數(shù)字水 印作為一項很有潛力的解決手段，最近幾年成為了商業(yè)界和學術界共同關注的焦點，如拷 貝保護技術工作組(CPTWG, Copy Protection Technique Working Group)從 1995 年開始 致力于基于DVD的視頻版權保護研究，安全數(shù)字音樂創(chuàng)始(SDMI，Secure Digital Music Initiative)從1999年開始研究音頻的版權版護，數(shù)字水印是其中的核心關鍵技術。數(shù)字水印(Digital Watermarking)是往多媒體數(shù)據(jù)(如圖像、聲音、視頻信號等) 中添加某些數(shù)字信息(水印)而不影響原數(shù)據(jù)的視聽效果(此處我們只討論人們普遍關心 的不可見水印)，并且這些數(shù)字信息可以部分或全部從混合數(shù)據(jù)中恢復出來，以達到版權保 護等作用。水印算法識別被嵌入到保護對象中的所有者的有關信息(如注冊的用戶號碼、 產品標志或有意義的文字等)并能在需要的時候將其提取出來，用來判別對象是否受到保 護，并能夠監(jiān)視被保護數(shù)據(jù)的傳播、真?zhèn)舞b別以及非法拷貝控制等，這實際上是發(fā)展水印技 術的基本動力。視頻水印是數(shù)字水印技術最具應用前景的方向，而MPEG-2則是當今世界廣播數(shù) 字電視最流行的視頻編解碼格式，因此基于MPEG-2標準的視頻水印算法研究有著重要的 意義和實用價值。雖然現(xiàn)如今一些基于MPEG-2標準的視頻水印算法已經(jīng)具有一定的保護 能力，但是魯棒性和不可見性問題仍然沒有得到完美的解答，在算法和實際應用的結合方 面，還存在著相當多的障礙，這也是視頻水印之所以很少具有實際應用功能的重要原因。目前國際上關于視頻魯棒水印的研究成果里，也有部分能同時抵抗多種類型的失 真問題的方法。如Jaap Haitsma提出了通過調制每一幀的平均亮度，按幀嵌入水印信息的水印方 法。該方法可以較好的抵抗多種類型的空間同步失真，但是抗有損壓縮等光度失真的能力 較弱。Song Maodong等提出的基于能量的水印方法，可以抵抗多種幾何變換導致的空間同
3步失真，但是不能抵抗剪裁導致的空間同步失真，對于光度失真的抵抗力一般。此外，該方 法需要對每一幀圖像做整體離散傅里葉變換，計算量很大。牛夏牧等提出的沿時間軸嵌入水印的方法，可以抵抗一定頻率的丟幀導致的時間 同步失真，可以抵抗多種幾何變換導致的空間同步失真，對于有損壓縮導致的光度失真，也 有較好的抵抗力。但是該方法選擇水印嵌入點的方法太復雜，而且不能抵抗各類能導致水 印嵌入點在幀內產生相對偏移的空間同步失真。陳真勇等提出了能同時較好的抵抗空間同 步失真和輕度的時間同步失真的水印方法。但是當視頻畫面變化較快、或者視頻水印序列 較長時，水印相關性檢測失效概率非常高。這樣實際有效地視頻水印序列必然很短，這就導 致水印空間很小，容易遭受窮舉方式的攻擊，而且檢測的徐勁旅就比較高。此外，該方法對 于抵抗光度失真的能力較弱。Hans Jung等提出的基于“場景”的視頻水印方法，可以較好的抵抗多種類型的時 間同步失真和簡單幾何變換導致的空間同步失真。但是該方法計算量大，且視頻質量下降 明顯。孫建德等提出的基于ICA提取視頻特征的水印方法，可以較好地抵抗多種類型的時 間同步失真，還可以抵抗常見的光度攻擊，如壓縮等。但對于空間同步失真則沒有抵抗力。由上述論述可見，雖然上述方法可以在一定程度上抵抗一類或者多累失真，但是 都不能有效的同事抵抗空間同步失真和光度失真。而在實際應用時，如視頻編輯等，視頻可 能經(jīng)歷多種變換和處理，光度失真、空間同步失真往往是同時發(fā)生的。因此，迫切需要研究 能同時有效抵抗空間同步失真和光度失真的視頻水印方法。由上述論述可見，傳統(tǒng)的MPEG-2視頻水印技術對水印的嵌入和提取一般是在空 域，變換域和壓縮域，選擇合適的算法來進行，雖然上述方法可以在一定程度上抵抗一類或 者多累失真，一定程度上具有較好的魯棒性和不可見性，但是很難達到使用者的滿意指標， 都不能有效的同時抵抗空間同步失真和光度失真。而在實際應用時，如視頻編輯等，視頻可 能經(jīng)歷多種變換和處理，光度失真、空間同步失真往往是同時發(fā)生的。因此，迫切需要研究 能同時有效抵抗空間同步失真和光度失真的視頻水印方法。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本技術方案提供了一種為數(shù)字視頻信號實時的嵌入 水印和提取水印的方法，通過分析MPEG-2協(xié)議標準，向視頻流圖像層中的擴展和用戶數(shù)據(jù) 字段嵌入水印信息，在不影響視頻質量和碼流格式的情況下，保證了水印的魯棒性和不可 見性。本發(fā)明所述的基于MPEG-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法，包括以下步驟嵌入步驟(1)對待嵌入的原始水印進行預處理，包括對原始水印進行編碼及加密；(2)對待嵌入水印的基于MPEG-2標準的數(shù)字視頻的每一幀，搜索每一幀的圖像層 中的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段的標識符，以此定位擴展和用戶數(shù)據(jù)字段在每一幀中的位置；定位的方法為讀取待嵌入水印的MPEG-2視頻文件，并掃描該視頻流，尋找每一 幀中標識符為00 00 01 B2的字段，即擴展和用戶數(shù)據(jù)字段；如果搜索時沒有在該幀中找到擴展和用戶數(shù)據(jù)字段標識符，則在該幀中圖像編碼 擴展的起始碼和條帶的起始碼之間添加擴展和用戶數(shù)據(jù)字段標識符，來代表擴展和用戶數(shù)據(jù)字段；(3)根據(jù)步驟⑵中定位的位置，將步驟⑴預處理編碼后得到的水印信息作為用 戶信息嵌入到每一幀的圖像層的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段中；嵌入的方法為將步驟(1)預處理后得到的水印信息插入到每一幀中搜索到的標 識符00 00 01 B2之后。提取步驟(1)對待提取水印的基于MPEG-2標準的數(shù)字視頻的每一幀，搜索每一幀的圖像層 中的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段的標識符，以此定位擴展和用戶數(shù)據(jù)字段在每一幀中的位置；定位的方法為讀取待提取水印的MPEG-2視頻文件，并掃描該視頻流，尋找每一 幀中標識符為00 00 01 B2的字段，即擴展和用戶數(shù)據(jù)字段。(2)將每一幀的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段中的用戶信息提取出來，并對其進行與嵌入 步驟(1)相對應的水印信息解密和解碼處理，獲得提取出來的水??；提取的方法為將每一幀中搜索到的標識符00 00 01 B2之后，直至條帶的起始 碼之前的所有數(shù)據(jù)提取出來；(3)判斷各水印的正確性。利用本技術方案還可以對基于MPEG-2標準的數(shù)字視頻中每隔一幀或一幀以上選 擇一幀插入水印，對選定的每幀都按照上述步驟進行水印嵌入和提取。對比現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果在于；本發(fā)明充分利用了 MPEG-2標準里的可利用信息資源，圖像層的擴展和用戶數(shù)據(jù) 字段是用戶自定義的，因此對該字段的修改不會影響到視頻本身的質量，并且其魯棒性和 不可見性也很高，可以實現(xiàn)實時的水印插入和提取。當利用本技術方案選擇每幀都嵌入水 印時，可有效地抵抗幀刪除攻擊。本方法實現(xiàn)方式簡單，并具有較高的魯棒性和不可見性， 用以解決現(xiàn)有技術中存在的不能有效抵抗空間同步失真和光度失真的各種問題。本技術方 案可用于版權歸屬判定或信息隱藏夾帶傳輸?shù)取?br>

圖1為本技術方案的流程框圖；圖2為MPEG-2編碼視頻流的分層結構示意圖；
圖3為測試文件test. m2v的碼流分析結果示意；圖4為未嵌入水印的測試文件與已嵌入水印的測試文件的播放對比圖；其中(a) 為未嵌入水印的測試文件的碼流；(b)為已嵌入水印的測試文件的碼流。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本技術方案做進一步解釋。本技術方案所述的基于MPEG-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法，其總體流程框圖 如附圖1所示，根據(jù)技術方案，一個實施例實施的過程如下嵌入步驟(1)水印預處理，包括獲得水印的二進制編碼并采用混沌加密或其他加密算法對 水印二進制碼進行加密，實施例中我們選取的水印信息為中文文字“視頻水印”，將其轉換為二進制碼，然后采用混沌加密算法對要嵌入的水印信息進行加密，獲得二進制水印信息。(2)對待嵌入水印的數(shù)字視頻測試文件的每一幀的圖像層中擴展和用戶數(shù)據(jù)字段 進行定位，即確定水印的嵌入位置。MPEG-2視頻文件是指所有遵從MPEG-2標準的視頻文件，這些文件無論編解碼 器有何不同，其視頻流都具有相同的格式，MPEG-2的編碼碼流有六個層次，從上至下依次 為視頻序列層(Sequence)，圖像組層(GOP :GroupofPicture)，圖像層(Picture)，像條層 (Slice)，宏塊層(MacroBlock)和像塊層(Block)，每一層中都有著關于視頻的相關信息， 具體如附圖2所示。通過對視頻流的掃描，尋找到標識符為00 00 01 B2的字段。(3)水印嵌入將嵌入步驟(1)獲得的編碼和加密后的水印信息嵌入到測試文件 碼流中每一幀的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段。提取步驟(1)對已嵌入水印的MPEG-2視頻文件進行碼流分析，對每一幀，定位到其圖像層 中擴展和用戶數(shù)據(jù)字段；(2)對每一幀，將該數(shù)據(jù)段的用戶信息提取出來，進行與嵌入步驟(1)相應的水印 解密和解碼；(3)判斷是否是水印信息。在上述步驟中，如果發(fā)現(xiàn)視頻流中沒有00 00 01 B2標識符，依據(jù)MPEG-2標準可 知，圖像層的組成依次為圖像頭，圖像編碼擴展，擴展和用戶數(shù)據(jù)，條帶，因此可以根據(jù)圖像 編碼擴展的起始碼和條帶的起始碼來確認應該在哪個位置手動插入一個擴展和用戶數(shù)據(jù) 段。手動插入后，再依據(jù)上述步驟將水印信息嵌入。在本實施例的仿真實驗中，選取一個大小為6. 63K的MPEG-2視頻文件test. m2v 作為測試文件，共包含三幀圖像，每幀圖像大小為128X 128。其碼流分析結果如圖3所示。 使用的水印信息為中文漢字“視頻水印”。對比圖如圖4所示。實驗結果表明可以正確提 取水印信息“視頻水印”。該方法沒有修改圖像幀本身的任何數(shù)據(jù)，而是利用了與圖像無關的擴展和用戶數(shù) 據(jù)段，因此圖像質量沒有任何的改變，并且可以抵抗高斯白噪聲和幀剪裁等攻擊。而且每幀 都嵌入了水印信息，因此本方法可以有效的抵抗幀刪除等攻擊。綜上，仿真結果證明了本方案的可行性與可靠性。它在保證水印不可見的前提下， 對高斯白噪聲、幀刪除及幀剪裁攻擊具有很高的魯棒性，并能實時的進行水印插入和提取。以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說 明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范 圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明 的保護范圍之內。
權利要求
基于MPEG-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，包括以下步驟嵌入步驟(1)對待嵌入的原始水印進行預處理，包括對原始水印進行編碼及加密；(2)對待嵌入水印的基于MPEG-2標準的數(shù)字視頻的每一幀，搜索每一幀的圖像層中的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段的標識符，以此定位擴展和用戶數(shù)據(jù)字段在每一幀中的位置；如果搜索時沒有在該幀中找到擴展和用戶數(shù)據(jù)字段標識符，則在該幀中圖像編碼擴展的起始碼和條帶的起始碼之間添加擴展和用戶數(shù)據(jù)字段標識符，來代表擴展和用戶數(shù)據(jù)字段；(3)根據(jù)步驟(2)中定位的位置，將步驟(1)預處理編碼后得到的水印信息作為用戶信息嵌入到每一幀的圖像層的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段中；提取步驟(1)對待提取水印的基于MPEG-2標準的數(shù)字視頻的每一幀，搜索每一幀的圖像層中的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段的標識符，以此定位擴展和用戶數(shù)據(jù)字段在每一幀中的位置；(2)將每一幀的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段中的用戶信息提取出來，并對其進行與嵌入步驟(1)相對應的水印信息解密和解碼處理，獲得提取出來的水印；(3)判斷各水印的正確性。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于MPEG-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，嵌 入步驟(2)中定位擴展和用戶數(shù)據(jù)字段的方法為讀取待嵌入水印的MPEG-2視頻文件，并 掃描該視頻流，尋找每一幀中標識符為00 00 01 B2的字段，即擴展和用戶數(shù)據(jù)字段。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于MPEG-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，嵌 入步驟(3)中，嵌入水印信息的方法為將步驟(1)預處理后得到的水印信息插入到每一幀 中搜索到的標識符00 00 01 B2之后。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于MPEG-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，提 取步驟(1)中定位擴展和用戶數(shù)據(jù)字段的方法為讀取待提取水印的MPEG-2視頻文件，并 掃描該視頻流，尋找每一幀中標識符為00 00 01 B2的字段，即擴展和用戶數(shù)據(jù)字段。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于MPEG-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，提 取步驟(2)中提取用戶信息的方法為將每一幀中搜索到的標識符00 00 01 B2之后，直至 條帶的起始碼之前的所有數(shù)據(jù)提取出來。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于MPEG-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，利 用本技術方案還可以對數(shù)字視頻中每隔一幀或一幀以上選擇一幀插入水印，對選定的每幀 都按照權利要求1所述步驟進行水印嵌入和提取。
全文摘要
本技術方案提供了一種基于MPEG-2標準的實時數(shù)字視頻水印方法，通過分析MPEG-2協(xié)議標準，利用了MPEG-2標準里的可利用信息資源，將預處理編碼后得到的水印信息作為用戶信息嵌入到每一幀的圖像層的擴展和用戶數(shù)據(jù)字段中；在不影響視頻質量和碼流格式的情況下，保證了水印的魯棒性和不可見性?？捎行У氐挚箮瑒h除攻擊。本方法實現(xiàn)方式簡單，用以解決現(xiàn)有技術中存在的不能有效抵抗空間同步失真和光度失真的各種問題。本技術方案可用于版權歸屬判定或信息隱藏夾帶傳輸?shù)取?br> 文檔編號H04N7/50GK101860743SQ20101020772
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權日2010年6月24日
發(fā)明者周幸福, 蘇廣川, 趙杰, 高飛 申請人:北京理工大學