專利名稱：一種視頻媒體的水印保護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多媒體信號處理領(lǐng)域，特別是涉及一種保護視頻媒體的水印方法。
背景技術(shù)：
近十幾年來，數(shù)字多媒體正逐漸滲透到人們的日常生活中。在各種多媒體信息中， 數(shù)字視頻占據(jù)著非常重要的位置。隨著多媒體處理技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，人們獲取到 視頻的途徑更為方便，但隨之出現(xiàn)了諸多問題如版權(quán)糾紛、非法傳播等等。因此，視頻水印 技術(shù)成為信息安全領(lǐng)域一個重要的研究課題。水印技術(shù)可以在不影響視頻質(zhì)量的情況下，將用戶信息、版權(quán)信息等嵌入到視頻 文件中，能用于作品所有權(quán)的鑒定和追蹤非法用戶等方面。隨著互聯(lián)網(wǎng)時代到來，網(wǎng)上交易 也變得越加平凡。對于如何有效保障流媒體信息，防止作品被非法傳播等都是商家急切想 解決的問題。在網(wǎng)絡(luò)商城中，用戶購買了商品之后，需要為該商品打上用戶信息進行標識， 從而確定商品的擁有者身份。那么這一過程必須在商品交易過程中完成，這就對于操作的 實時性提出了很高的要求。目前，許多水印算法都需要進行編解碼的處理，時間上的開銷較 大，不能很好滿足該性能要求。因此，研究一種直接修改碼流信息的快速視頻水印具有一定 的現(xiàn)實意義和實際應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有水印嵌入方法需要復(fù)雜的編解碼計算的不足，提供 一種簡單方便的視頻媒體的水印保護方法。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下一種保護視頻媒體的水印方法，包括水印嵌入過程，所述水印嵌入過程根據(jù)視頻 媒體的幀結(jié)構(gòu)，將水印數(shù)據(jù)分割后嵌入到每一幀中，水印的嵌入通過直接修改視頻媒體的 控制信息實現(xiàn)。上述技術(shù)方案中，所述視頻媒體的控制信息為MPEG-2格式中的比特率標識符，或 者MKV封裝格式中的Void標識符。當視頻格式為MPEG-2時，水印嵌入的具體過程包括如下步驟11)讀取碼流信息，尋找碼流中的比特率標識符，找到比特率的表示信息；12)選取比特信息的若干個比特進行修改，將所要嵌入的水印信息直接替換，如嵌 “0”時置“0”，嵌“1”時置“1”；13)返回步驟11)，查找下一個比特率標識符，直到水印信息嵌入完畢。與水印嵌入相對應(yīng)的水印提取過程包括如下步驟21)讀取碼流，查找比特率標識符；22)根據(jù)比特信息的選定比特位來決定提取水印信息為“1”或者“0” ；23)返回步驟21)，尋找下一個比特率標識符，直到所提取的水印信息長度達到原 來長度。
本發(fā)明的原理為視頻碼流信息中的比特率(bit rate)代表的意思是指每秒鐘 傳輸解碼的數(shù)據(jù)量大小，在MPG格式中是以18位長度比特表示，基本的傳輸單位為400bit。 經(jīng)測試實驗表明，當修改18位比特的最低兩位時，傳輸?shù)淖畲笳`差比特為3個基本單位的 誤差量。當傳輸速率為最常用的512kb時(由低到高算起第8位為1，其他比特位為0)，假 設(shè)修改誤差量為最大，由00變?yōu)?1，此時的誤差量為lkb。最大的誤差率為1/512的大小， 并且該誤差不會傳遞影響到視頻中的其他包，計算PSNR(峰值信噪比)接近于無窮大，表明 了視頻質(zhì)量基本不下降。人眼對于如此小的變化是無法察覺的。由于碼流格式都是有固定 標準進行規(guī)范，因此具有廣泛的適用性。當視頻封裝格式為MKV時，水印嵌入的具體過程包括如下步驟31)讀取碼流信息，尋找碼流中的Void標識符，找到該標識符的表示信息；32)選取Void信息的若干個比特進行修改，將所要嵌入的水印信息直接替換，如 嵌“0”時置“0”，嵌“1”時置“1”；33)返回步驟31)，查找下一個Void標識符，直到水印信息嵌入完畢。與水印嵌入相對應(yīng)的水印提取過程包括如下步驟41)讀取碼流，查找Void標識符；42)根據(jù)Void信息的選定比特位來決定提取水印信息為“1”或者“0” ；43)返回步驟41)，尋找下一個Void標識符，直到所提取的水印信息長度達到原來 長度。本發(fā)明的原理為視頻MKV封裝格式中，全局控制信息Global elements中Void 標識符暫時沒有被使用。Void標識符后的內(nèi)容主要為了避免文件數(shù)據(jù)受到破壞，同時也是 預(yù)留了足夠的空間作為以后擴充內(nèi)容時使用。在目前的標準格式中，Void后的內(nèi)容基本是 全零數(shù)據(jù)，不影響視頻數(shù)據(jù)的使用，文件數(shù)據(jù)解碼時會跳過該段內(nèi)容，因此可以作為水印的 嵌入載體。本發(fā)明可以根據(jù)視頻文件的長度進行改變。當擁有較大的嵌入空間的時候可以采 用重復(fù)嵌入的方法來提高水印的安全性能。本發(fā)明也可以適用于其他開源格式的視頻碼 流，分析碼流格式選取可作為嵌入載體的控制信息，在固定窗口中進行查找嵌入即可。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)、原理簡單，能很容易實現(xiàn)；直接對碼流進行操作，具有很強的實時性；2)、嵌入時無須進行任何編解碼過程，水印信息對視頻基本沒有影響，不可察覺性 較高；3)、有很好的通用性，只要知道碼流的格式尋找到合適的嵌入位就可以用該方法 進行水印嵌入。


圖1是MPG視頻碼流格式示意圖；圖2是嵌入位置bit rate所在位置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是MKV封裝格式中Void標識位所在結(jié)構(gòu)示意圖；圖4查找過程示意圖；圖5水印嵌入流程圖6為本發(fā)明在測試視頻中的幀圖像及嵌入水印后視頻的幀圖像，其中圖6a，6c 為原始的視頻截圖，6b，6d為嵌入水印信息后的視頻截圖。
具體實施例方式本發(fā)明的具體操作分為水印嵌入和視頻認證兩個過程，嵌入過程如下1)讀取一定大小的碼流信息，尋找碼流中的比特率標識符(bit rate, 18bits)，找 到比特率的表示信息；2)選取18位比特信息的最低2個比特進行修改，將要嵌入的信息直接修改。如嵌 “0”時置“0”，嵌“1”時置“1”；3)返回步驟1，查找下一個標識符，直到水印信息嵌入完畢。視頻水印提取步驟如下1)利用同樣大小窗口讀取碼流，查找比特率標識符(bit rate)；2)根據(jù)18位比特的最低兩位來決定提取水印信息為“1”或者“0”；3)返回步驟1，尋找下一個標識符，直到水印信息長度達到原來信息長度時結(jié)束 提取。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。圖1為MPEG-2中節(jié)目碼流(PS)的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到碼流文件是由許多個 Sequence單位來組成的。因此在每一個視頻序列段中進行信息修改，所影響到的范圍也只 是對當前整個長度的Sequence。圖2為Sequence的頭結(jié)構(gòu)示意圖。由頭結(jié)構(gòu)示意圖可以知道，每個單位中都有一 個固定的結(jié)構(gòu)安排。由Sequence序列起始標識符(000001B3)標識著當前為一個Sequence 的開始，然后查找到之后的一定位置就為水印的嵌入位置。嵌入水印的具體位置距離標識 符的位數(shù)由碼流的結(jié)構(gòu)所決定。圖3為MKV封裝結(jié)構(gòu)示意圖。由結(jié)構(gòu)示意圖可以知道，每個單位中都有一個固定 的結(jié)構(gòu)安排。文件起始符為0xlA45DFA3，尋找到該標識位之后就可以開始尋找Void標識 位。由于該標識位EC容易跟其他數(shù)據(jù)相同，所以必須結(jié)合其內(nèi)容尋找。當找到EC標識之 后，判斷其后內(nèi)容全部為0則可以確定為Void標識位。圖4為查找過程示意圖。在確定水印嵌入位置時，通過在緩存區(qū)中滑動窗口的方 法進行尋找。窗口開始由緩存區(qū)的左邊開始進行查找，若找到匹配的標識符，則調(diào)用水印嵌 入程序，否則就繼續(xù)往下查找，直到緩沖區(qū)的尾部。圖5為視頻水印嵌入流程圖。首先將碼流裝載到緩存區(qū)中。然后查找標識符，在 MPG文件中查找的是Sequence Star Code (0x000001B3)。準確定位Sequence的起始位置之 后，就嵌入水印信息。接著判斷水印的嵌入是否已經(jīng)結(jié)束。當水印嵌入完畢時就停止嵌入 直接完成，否則就循環(huán)進行查找標識位嵌入水印，直到水印嵌入完成為止。當緩存區(qū)的數(shù)據(jù) 處理完成之后，重新裝載新的數(shù)據(jù)。如果由于文件太短且需嵌入位數(shù)較多，文件處理結(jié)束時 水印沒有嵌入完成，返回嵌入的位數(shù)。可以重新根據(jù)碼流速率跟長度進行嵌入位數(shù)調(diào)整。圖6為實驗結(jié)果比較。兩組視頻都是在嵌入128bits的版權(quán)信息之后進行對比的。 (a)為Discovery節(jié)目中的視頻截圖，視頻格式為MPG格式(b)為嵌入水印信息后對應(yīng)幀的 截圖。(c)為奧斯卡影片《老無所依》的視頻截圖，視頻封裝格式為MKV，(d)為嵌入水印信息后對應(yīng)幀的截圖。從實驗結(jié)果可以看出，人眼無法分辨出是否嵌入了水印。對截取的視 頻圖像進行比對，計算其PSNR值也是趨向無窮。
權(quán)利要求
一種保護視頻媒體的水印方法，包括水印嵌入過程和水印提取過程，所述水印嵌入過程根據(jù)視頻媒體的幀結(jié)構(gòu)，將水印數(shù)據(jù)分別嵌入到每一幀中，其特征在于水印的嵌入通過直接修改視頻媒體的控制信息實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保護視頻媒體的水印方法，其特征在于水印嵌入過程修改所 述視頻媒體中的控制信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視頻媒體的水印保護方法，其特征在于水印嵌入的具體過程 包括如下步驟11)讀取碼流信息，尋找碼流中的待嵌入標識符，找到標識符的表示信息； 12)選取該標識位信息的若干個比特進行修改，將所要嵌入的水印信息直接替換，如嵌 “0”時置“0”，嵌“1”時置“1”；13)返回步驟11)，查找下一個標識符，直到水印信息嵌入完畢。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的視頻媒體的水印保護方法，其特征在于與水印嵌入相對應(yīng)的 水印提取過程包括如下步驟21)讀取碼流，查找標識符；22)根據(jù)標識位信息的選定比特位來決定提取水印信息為“1”或者“0”；23)返回步驟21)，尋找下一個標識符，直到所提取的水印信息長度達到原來長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保護視頻媒體的水印方法，當視頻為MPEG-2格式的TS流時， 其特征在于水印嵌入過程修改所述視頻媒體中，PES(PacketisedElementary Streams)包 中的控制信息比特率標識符的內(nèi)容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保護視頻媒體的水印方法，當視頻為MKV封裝格式時，其特征 在于水印嵌入過程修改所述視頻媒體的全局控制信息Globalelements中Void標識符的內(nèi) 容。
全文摘要
本發(fā)明提供一種保護視頻媒體的水印方法，屬于多媒體信號處理領(lǐng)域。通過修改視頻媒體的幀結(jié)構(gòu)，將水印數(shù)據(jù)分別嵌入到每一幀中，水印的嵌入通過直接修改視頻媒體的控制信息實現(xiàn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)原理簡單，容易實現(xiàn)；直接對碼流進行操作，具有很強的實時性；2)嵌入時無須進行任何編解碼過程，水印信息對視頻基本沒有影響，不可察覺性較高；3)有很好的通用性，只要知道碼流的格式尋找到合適的嵌入位就可以用該方法進行水印嵌入。
文檔編號G06T1/00GK101894357SQ201010147148
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者劉紅梅, 李煌, 黃繼武 申請人:中山大學