專利名稱：流媒體分布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視頻編碼及數(shù)字版權(quán)保護(hù)方法，具體涉及到一種流媒體分 布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字電視的普及和DVD等數(shù)字流媒體的廣泛應(yīng)用，標(biāo)清，高清的 高質(zhì)量視頻成為了基本的需求。圖像視頻質(zhì)量的大幅提高，使得視頻文件 的大小也成倍增長(zhǎng)，幾百個(gè)小時(shí)的高清電視節(jié)目的數(shù)據(jù)量是驚人的。目前 的數(shù)字電視和DVD等流媒體，其存儲(chǔ)格式仍以MPEG2和H.264等標(biāo)準(zhǔn)為 主。盜版等非法復(fù)制、傳播對(duì)數(shù)字流媒體所有者造成很大危害，海量數(shù)據(jù) 的版權(quán)保護(hù)成為了一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。數(shù)字水印技術(shù)是用信號(hào)處理的方 法在聲音，圖像或視頻等數(shù)字化多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽信息的行為。通過(guò) 隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者，購(gòu)買者或判斷內(nèi) 容是否真實(shí)完整的目的。是保護(hù)數(shù)字媒體信息安全的有效方法?，F(xiàn)有的視 頻數(shù)字水印方法對(duì)海量數(shù)據(jù)雖然仍能進(jìn)行處理，但在處理速度和時(shí)間的需 求上是越來(lái)越不能滿足海量數(shù)據(jù)用戶的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種流媒體 分布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法能夠保持視頻圖像質(zhì)量，提高 嵌入效率，為海量流媒體視頻數(shù)據(jù)添加水印提供了一種行之有效的方法。 為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案是 1)建立流媒體分布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)架；構(gòu)建由控制服務(wù)器和客戶機(jī)群組成的分布式系統(tǒng)，通過(guò)控制服務(wù)器以完整的GOP為分割邊界 分割原始視頻，再由客戶機(jī)并行的對(duì)流媒體視頻嵌入水印，最后發(fā)回控制 服務(wù)器合成原視頻；
2) 利用GOP分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)流媒體視頻碼流的無(wú)縫分段；
3) 通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，提高對(duì)流媒體視頻文件嵌入水印的效率；
4) 采用加密算法對(duì)需嵌入的水印文字信息或圖像信息加密操作，經(jīng)過(guò) 加密的水印如果沒(méi)有正確密鑰，則不能正確顯示水印信息；
5) 利用加密后的數(shù)字水印信息選擇流媒體視頻中DCT域滿足條件的 非零AC系數(shù)嵌入水印。
所述GOP分割技術(shù)是指，依據(jù)時(shí)間標(biāo)簽和客戶機(jī)數(shù)量，結(jié)合分割片段 的長(zhǎng)度自適應(yīng)查找分割點(diǎn)以完整的GOP為分割邊界無(wú)縫分割視頻；
所述動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)是，結(jié)合Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性和需嵌入水印 的流媒體視頻大小，根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)客戶機(jī)的空閑情況，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度算法， 根據(jù)客戶機(jī)數(shù)量把流媒體視頻分為若干片段，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)客戶機(jī)的任務(wù) 進(jìn)度，某臺(tái)客戶機(jī)的任務(wù)完成空閑時(shí)，分發(fā)新的未嵌入水印視頻段。
本發(fā)明是流媒體分布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)研究流媒 體視頻的碼流結(jié)構(gòu)，結(jié)合分布式架構(gòu)，提出一種由控制服務(wù)器對(duì)流媒體視 頻文件進(jìn)行分割，再由客戶機(jī)并行對(duì)其DCT域添加水印，最后再合并成原 始視頻的方法，保持了視頻圖像質(zhì)量，提高了嵌入效率，為海量流媒體視 頻數(shù)據(jù)添加水印提供了 一種行之有效的方法。


圖1是本發(fā)明分布式水印體系結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明分割流媒體視頻數(shù)據(jù)示意圖。 圖3是本發(fā)明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度示意圖。 圖4是本發(fā)明DCT域水印嵌入算法。圖5是本發(fā)明流媒體視頻數(shù)據(jù)編碼流程示意圖。 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明不限于這個(gè)實(shí)施例。
本發(fā)明提供一種流媒體分布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，針對(duì)流媒 體視頻碼流結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)，結(jié)合分布式構(gòu)架，提高處理速度并兼顧了視頻 圖像質(zhì)量。本實(shí)例以MPEG2為例。
參照?qǐng)D1所示，流媒體分布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)，由一臺(tái)控制服務(wù)器 和若干臺(tái)客戶機(jī)組成。通過(guò)控制服務(wù)器將流媒體視頻文件分割成片段放入 等待隊(duì)列。之后采用動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，進(jìn)行視頻片段的發(fā)送，同時(shí)將控制參 數(shù)傳遞給各個(gè)客戶機(jī)，在收到視頻片段與控制參數(shù)后，客戶機(jī)開(kāi)始對(duì)視頻 嵌入水印，完成后，客戶機(jī)將嵌入水印后的視頻片段傳回控制服務(wù)器，控 制服務(wù)器將視頻片段進(jìn)行拼接。
參照?qǐng)D2所示，流媒體視頻按完整GOP分割，MPEG2視頻序列由GOP 組成，若GOP中B幀引用前一個(gè)GOP的，這種GOP稱為OpenGOP，不 引用則稱為Close GOP,其中GOP中每一幀都有具體的時(shí)間標(biāo)簽，其在視 頻文件中符合線性分布。對(duì)需處理的視頻依據(jù)客戶機(jī)的數(shù)量，按時(shí)間標(biāo)簽 用多尺度思想進(jìn)行分析，在粗尺度下，大致定位，然后遍歷其附近的視頻 幀，查找需要截?cái)嗟木_位置，以完整GOP分割邊界，分成若干部分，分 割過(guò)程中，若分割邊界在Open GOP處，向前尋找，直到找到一個(gè)Close GOP
停止，把其作為流媒體視頻的分割邊界。
參照?qǐng)D3所示，客戶機(jī)接收控制服務(wù)器中的視頻片段以及客戶機(jī)向控
制服務(wù)器發(fā)送嵌入水印的流媒體片段都是建立在網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)技
術(shù)基礎(chǔ)上的。未嵌水印的視頻文件與中間過(guò)程的視頻片段都存放在NFS目
錄下?？蛻魴C(jī)傳遞給客戶機(jī)的調(diào)度命令和控制參數(shù)都是通過(guò)安全命令行解釋器(SSH)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)客戶機(jī)的空閑情況，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度 算法，根據(jù)客戶機(jī)數(shù)量把流媒體視頻分為若干片段，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)客戶機(jī) 的任務(wù)進(jìn)度，某臺(tái)客戶機(jī)的任務(wù)完成空閑時(shí)，分發(fā)新的未嵌入水印視頻段， 充分利用硬件資源，同時(shí)可以動(dòng)態(tài)增加和減少客戶機(jī)的數(shù)量，使嵌入水印 的總時(shí)間達(dá)到最小。
參照?qǐng)D4所示，流媒體視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)均采用基于塊的混合視頻編碼結(jié) 構(gòu)，每個(gè)視頻幀被分成固定大小的塊，且每個(gè)塊是聯(lián)合用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)間預(yù)
測(cè)和變化編碼進(jìn)行編碼的。關(guān)鍵步驟如下首先，用先基于塊的運(yùn)動(dòng)估計(jì) 由前面已編碼的參考幀對(duì)塊進(jìn)行預(yù)測(cè)。運(yùn)動(dòng)矢量(MV)確定當(dāng)前塊和最佳匹 配塊之間的位移。預(yù)測(cè)是由前面的幀基于估計(jì)的MV用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償獲得的， 然后，用DCT對(duì)預(yù)測(cè)誤差塊進(jìn)行變換，量化DCT系數(shù)，并有可變長(zhǎng)編碼 把它們轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制碼字。
參照?qǐng)D5所示，基于DCT的編碼已被所有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)所采用，本 例具體以MPEG2視頻為例，為保證嵌入速度和避免對(duì)原始視頻視覺(jué)效果 造成影響，選擇存在非零AC系數(shù)個(gè)數(shù)大于60的8x8塊，對(duì)最后非零一個(gè) AC系數(shù)，添加水印。對(duì)原始的水印信息進(jìn)行加密處理，首先為了增強(qiáng)水印 的安全性，先對(duì)水印信息進(jìn)行置亂或加密操作。假設(shè)V為視頻數(shù)據(jù)，置亂 操作的密鑰為K，水印信號(hào)集合為W， G為水印信號(hào)生成函數(shù)，則對(duì)水印 數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，生成的數(shù)字水印為
本實(shí)施例并不規(guī)定加密算法，在本實(shí)施例中采用Logistic映射作為G 函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水印信息加密，根據(jù)給定密鑰對(duì)水印信息進(jìn)行混沌置亂。 Logistic映射方程如下
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
^為控制參數(shù)，其中xne(O，l)， Ae(0,4)。 Logistic映射的遍歷統(tǒng)計(jì)特性等同于零均值白噪聲，具有良好的隨機(jī)性、相關(guān)性和復(fù)雜性，使得對(duì)于 混沌序列進(jìn)行正確的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)成為不可能，從而增強(qiáng)數(shù)字水印的安全性。
其次，在編碼過(guò)程中DCT變換后對(duì)每幀的所有8X8塊的AC系數(shù)進(jìn) 行遍歷，尋找滿足存在非零AC系數(shù)數(shù)目大于60的8X8塊，對(duì)其中最后 一個(gè)非零系數(shù)v，嵌入水印，然后再繼續(xù)完成編碼，其具體過(guò)程如下
if w = 0
v'=
v if v mod 2 = 0 v + 1 if vmod2 = 1 v — lif vmod2 = —l
(3)
if w = 1
V
v' = <| v + 1
V —1
if vmod 2 = 1 if v mod 2 = 0 if vmod2 = 0
(4)
第三，在嵌入水印數(shù)據(jù)之前先嵌入標(biāo)志位和水印長(zhǎng)度信息，使之能夠 循環(huán)提取，提高了水印算法的魯棒性。
提取水印過(guò)程為嵌入的逆過(guò)程，對(duì)嵌入水印的MPEG2編碼視頻流進(jìn) 行解碼獲得8X8塊數(shù)據(jù)，尋找滿足存在非零AC系數(shù)數(shù)目大于60的8X8 塊，對(duì)其中最后一個(gè)非零系數(shù)，按照式(5)分別提出'0'禾n' l'，得到嵌入 水印信息
0 ifvmod2 = 0 (5)
1 if vmod2 二 ±1
根據(jù)密鑰將得到的水印信息進(jìn) 行反置亂得到最終的數(shù)字水印信息。提取水印過(guò)程不需要原始視頻數(shù)據(jù)， 能夠?qū)崿F(xiàn)視頻水印的盲檢測(cè)。
權(quán)利要求
1、流媒體分布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟1)建立流媒體分布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)架；構(gòu)建由控制服務(wù)器和客戶機(jī)群組成的分布式系統(tǒng)，通過(guò)控制服務(wù)器以完整的GOP為分割邊界分割原始視頻，再由客戶機(jī)并行的對(duì)流媒體視頻嵌入水印，最后發(fā)回控制服務(wù)器合成原視頻；2)利用GOP分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)流媒體視頻碼流的無(wú)縫分段；依據(jù)時(shí)間標(biāo)簽和客戶機(jī)數(shù)量，結(jié)合分割片段的長(zhǎng)度自適應(yīng)查找分割點(diǎn)以完整的GOP為分割邊界無(wú)縫分割視頻；3)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，提高對(duì)流媒體視頻文件嵌入水印的效率，結(jié)合Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性和需嵌入水印的流媒體視頻大小，根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)客戶機(jī)的空閑情況，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，根據(jù)客戶機(jī)數(shù)量把流媒體視頻分為若干片段，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)客戶機(jī)的任務(wù)進(jìn)度，某臺(tái)客戶機(jī)的任務(wù)完成空閑時(shí)，分發(fā)新的未嵌入水印視頻段；4)采用加密算法對(duì)需嵌入的水印文字信息或圖像信息加密操作，經(jīng)過(guò)加密的水印如果沒(méi)有正確密鑰，則不能正確顯示水印信息；5)利用加密后的數(shù)字水印信息選擇流媒體視頻中DCT域滿足條件的非零AC系數(shù)嵌入水印。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種流媒體分布式數(shù)字水印體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，該方法采用“分布式”技術(shù)和“GOP分割技術(shù)”實(shí)現(xiàn)對(duì)流媒體視頻并行嵌入水印，通過(guò)“動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)”提高嵌入效率；采用“加密”技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水印信息加密，提高安全性；通過(guò)“DCT域水印”技術(shù)對(duì)多媒體視頻嵌入水印實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)。該系統(tǒng)保持了視頻圖像質(zhì)量，提高了嵌入效率，為海量視頻數(shù)據(jù)添加水印提供了一種行之有效的方法。
文檔編號(hào)H04N7/16GK101442657SQ20081023642
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者蘭旭光, 韜 徐, 田麗華, 田智強(qiáng), 偉 胡, 薛建儒, 鄭南寧 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)