專(zhuān)利名稱(chēng)：一種嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種可用于嵌入系統(tǒng)，能夠正確判斷是否對(duì)視頻進(jìn)行篡改的視頻認(rèn)證方法，屬于多媒體信號(hào)內(nèi)容安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法。
背景技術(shù)：
隨著三網(wǎng)融合的大趨勢(shì)和廣電網(wǎng)絡(luò)的逐步開(kāi)放，有線廣播視頻傳輸?shù)陌踩哉艿酵{。目前廣電網(wǎng)絡(luò)視頻節(jié)目主要采用MPEG-2編碼方式。用戶接收端主要采用嵌入式機(jī)頂盒，其計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限。研究如何在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)MPEG-2視頻完整性認(rèn)證具有很重要的意義。目前視頻完整性認(rèn)證的方法主要有數(shù)字簽名技術(shù)和數(shù)字水印技術(shù)。前者把數(shù)字簽名與視頻流分開(kāi)傳輸，需占用額外的帶寬，同時(shí)其是作為視頻流的附件，容易被丟棄或篡改；后者通過(guò)將認(rèn)證信息嵌入到視頻流中，不占用額外的帶寬，并且具有較好隱蔽性，不易被發(fā)現(xiàn)和篡改。數(shù)字水印認(rèn)證技術(shù)成為近年來(lái)廣電領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。目前現(xiàn)有的視頻水印認(rèn)證技術(shù)，一般會(huì)改變視頻文件的大小及視頻碼率，同時(shí)現(xiàn)有的視頻水印技術(shù)比較復(fù)雜，算法時(shí)間復(fù)雜度比較高，難以在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用?，F(xiàn)有的數(shù)字水印技術(shù)一般選擇DCT域，小波域，碼率調(diào)整，擴(kuò)頻技術(shù)等，一般需要對(duì)視頻編碼進(jìn)行部分解碼，解碼后再重新進(jìn)行編碼，這樣處理的結(jié)果導(dǎo)致視頻文件的大小有所改變，碼率一般會(huì)發(fā)生變化，此外這些算法的時(shí)間復(fù)雜度較高，難以在計(jì)算能力有限的嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有的數(shù)字水印技術(shù)在視頻完整性認(rèn)證中存在的諸多缺陷，從而提供一種嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法。本發(fā)明針對(duì)以上缺點(diǎn)，提出了一種不改變視頻碼率和視頻文件大小的低時(shí)間復(fù)雜度數(shù)字水印算法，嵌入水印后對(duì)原視頻文件大小和碼率無(wú)任何改變，可用于完成視頻的完整性測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，該方法基于簽名技術(shù)認(rèn)證視屏完整性的策略，所述方法包含步驟1，前端根據(jù)待傳輸視頻文件生成I幀簽名，計(jì)算該I幀簽名的嵌入域，最后將 I幀簽名嵌入嵌入域；所述嵌入域?yàn)樵诖齻鬏斠曨l文件中滿足條件的VLC碼所在的位置； 其中，所述條件為VLC碼必須為在VLC碼嵌入對(duì)表中的碼字；且所述VLC碼嵌入對(duì)表為從 MPEG VLC碼集合中選出的同時(shí)滿足以下4個(gè)條件的兩兩組合成的VLC碼對(duì)表格條件1，(run, level)域中的 run 值一致。條件2，(run, level)域中的level值只相差1。條件3，VLC長(zhǎng)度一致。條件4，VLC碼最低有效位相差1。
步驟2，嵌入式視頻接收端，采用與前端相同的方法生成I幀簽名，然后從與前端生成簽名的I幀處于同一個(gè)GOP的P幀和/或B幀的水印宿主中提取出前端嵌入的I幀簽名；通過(guò)比較嵌入式終端計(jì)算生成的I幀簽名與提取出來(lái)I幀簽名，判斷該段GOP內(nèi)的視頻
是否完整。上述技術(shù)方案中，所述將計(jì)算得到的I幀簽名以水印形式嵌入到嵌入域VLC碼中的步驟進(jìn)一步包含將待傳輸文件中嵌入域包含的所有的VLC碼抽象為二進(jìn)制序列，其中最低有效位為“0”的VLC碼抽象為一位可修改比特“0”，最低有效位為“1”目標(biāo)對(duì)象的VLC碼抽象為可修改比特“1” ；最終將整個(gè)待傳輸?shù)囊曨l文件的所有滿足條件的VLC碼抽象為一組二進(jìn)制序列，該序列的長(zhǎng)度等于整個(gè)視頻文件中包含的所有滿足條件的VLC碼的總個(gè)數(shù)；將所生成的I幀簽名根據(jù)高嵌入算法嵌入得到的二進(jìn)制序列中，該算法根據(jù)I幀簽名可確定當(dāng)嵌入I幀簽名時(shí)上步驟得到的二進(jìn)制序列的哪些位需要逆轉(zhuǎn)，其中，具體嵌入的操作為將需要逆轉(zhuǎn)的二進(jìn)制序列“0”和“1”對(duì)應(yīng)的位置處的VLC碼替換為與該VLC 碼在同一 VLC碼嵌入對(duì)表中另一個(gè)VLC碼替換。上述技術(shù)方案中，所述I幀簽名的輸入?yún)?shù)包含I幀的亮度DCT塊系數(shù)、I幀的亮度DCT塊在該I幀中的索引號(hào)和密鑰。所述前端的I幀簽名采用如下方法獲得將I幀亮度DCT量化系數(shù)作為特征信息， 根據(jù)DCT系數(shù)和密鑰生成DCT塊的認(rèn)證碼，然后通過(guò)全部的DCT塊認(rèn)證碼異或生成I幀的簽名。上述技術(shù)方案中，所述用于嵌入式終端認(rèn)證過(guò)程的步驟為嵌入式視頻接收端，采用與發(fā)送端相同的方法生成I幀簽名，然后從與該I幀處于同一個(gè)GOP的P幀和/或B幀的水印宿主中提取出發(fā)送端嵌入的I幀簽名；通過(guò)比較嵌入式終端計(jì)算生成的I幀簽名與提取的I幀簽名，判斷該段GOP內(nèi)的視頻是否完整。所述提取I幀簽名的方法進(jìn)一步包含如下步驟1)與該I幀處在同一個(gè)GOP的P幀、B幀或P幀和B幀中的嵌入域VLC碼的數(shù)量
Lefflbedded,將其抽象成宿主二進(jìn)制序列。2)當(dāng)Lembedded > Lauth,利用可逆散列函數(shù)逆變換將Lraitedded 二進(jìn)制序列轉(zhuǎn)換成提取出的I幀簽名w，而w〃 = w'。當(dāng)Lembedded ( Lauth,則Lembedded 二進(jìn)制序列等于提取出的I幀簽名w，而將w'截短成長(zhǎng)度為L(zhǎng)
embedded 的I幀簽名w"。所述比較計(jì)算出的I幀簽名與提取的I幀簽名的方法進(jìn)一步包含如下步驟若w = w〃，則該段GOP內(nèi)的視頻認(rèn)證通過(guò)。若w興w〃，則該段GOP內(nèi)的視頻認(rèn)證不通過(guò)，即視頻內(nèi)容完整性認(rèn)證沒(méi)有通過(guò)。其中，w為接收端提取出的I幀簽名；W"為接收端計(jì)算出的實(shí)際I幀簽名。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明提供的視頻完整性認(rèn)證方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字簽名技術(shù)克服了數(shù)字簽名技術(shù)把數(shù)字簽名與視頻流分開(kāi)傳輸，需占用額外的帶寬，同時(shí)其是作為視頻流的附件，容易被丟棄或篡改等問(wèn)題。與現(xiàn)有的水印技術(shù)對(duì)視頻完整性認(rèn)證技術(shù)相比，本發(fā)明的主要特點(diǎn)是算法時(shí)間復(fù)雜度低，算法嵌入效率高，嵌入相同的數(shù)據(jù)量對(duì)原視頻文件修改小，算法不改變?cè)曨l文件的大小和碼率，可應(yīng)用于計(jì)算能力受限的嵌入式系統(tǒng)中。本發(fā)明基于將數(shù)字簽名技術(shù)與低時(shí)間復(fù)雜度數(shù)字水印技術(shù)相結(jié)合，整體算法時(shí)間復(fù)雜度低，嵌入水印后對(duì)原視頻文件的大小無(wú)任何影響，算法嵌入效率高，即嵌入相同的數(shù)據(jù)量對(duì)原視頻文件修改更小，碼流沒(méi)有任何變化，且由于在VLC域進(jìn)行處理，可以在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明提供的整個(gè)視頻認(rèn)證過(guò)程示意圖；圖2為本發(fā)明提供的I幀簽名嵌入到嵌入域中的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明提供的一種嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，該方法具體步驟包括步驟1)前端生成I幀簽名，選擇同一個(gè)GOP中P幀、B幀或P幀和B幀中具有如下特征的VLC碼作為I幀簽名的水印宿主(run，level)域中的run值一致；(run, level) 域中的level值只相差1 ；VLC碼長(zhǎng)度一致；VLC碼最低有效位相差1。將I幀簽名以水印形式嵌入到水印宿主VLC碼中；步驟2、嵌入式視頻接收端，采用與前端相同的方法生成I幀簽名，然后從與該I 幀處于同一個(gè)GOP的P幀、B幀或P幀和B幀的水印宿主中提取出前端嵌入的I幀簽名；通過(guò)比較嵌入式終端計(jì)算生成的I幀簽名與提取出來(lái)I幀簽名，判斷該段GOP內(nèi)的視頻是否完整。所述的步驟1)中，對(duì)水印宿主VLC碼的修改方法是將整個(gè)VLC碼替換成與之配對(duì)的VLC碼。(一 )前端嵌入過(guò)程1. I幀簽名由以下三部分計(jì)算得到· I幀的亮度DCT塊系數(shù)· I幀的亮度DCT塊在該I幀中的索引號(hào)·密鑰I幀簽名的生成密鑰與終端在認(rèn)證時(shí)使用的密鑰相同。2.在與該I幀處于同一個(gè)GOP中的P幀、B幀或P幀和B幀中選擇具有如下特征 VLC碼作為一組水印宿主VLC碼· (run, level)域中的 run 值一致· (run, level)域中的 level 值只相差 1· VLC 長(zhǎng)度一致· VLC碼最低有效位相差1對(duì)于這樣的一組VLC碼，最低有效位為0的VLC碼抽象為可修改比特“0”，最低有效位為1的VLC碼抽象為可修改比特“1”。在P幀、B幀中存在著許多滿足上述條件的VLC碼。修改水印宿主VLC碼時(shí)，需要替換整個(gè)VLC碼。
3.選擇與該I幀處于同一個(gè)GOP中的P幀、B幀或P幀和B幀作為I幀簽名的嵌入視頻幀，并統(tǒng)計(jì)這些視頻幀中水印宿主VLC碼的數(shù)量。根據(jù)水印宿主VLC碼的數(shù)量和I 幀簽名長(zhǎng)度，選擇將I幀簽名擴(kuò)展或截短后嵌入到水印宿主VLC碼中。( 二)嵌入式終端認(rèn)證過(guò)程采用前端嵌入過(guò)程中的I幀簽名計(jì)算方法計(jì)算出I幀簽名統(tǒng)計(jì)與該I幀處在同一個(gè)GOP中的水印宿主VLC碼的數(shù)量，提取出嵌入的I幀簽名。根據(jù)水印宿主VLC碼的數(shù)量和I幀簽名長(zhǎng)度，將I幀簽名擴(kuò)展或截短，并與提取出的I 幀簽名進(jìn)行比較。如果相等，則該GOP內(nèi)的視頻認(rèn)證通過(guò)；否則，該GOP內(nèi)的視頻認(rèn)證不通過(guò)。本發(fā)明采用對(duì)I幀進(jìn)行簽名，以水印形式將I幀的簽名嵌入與該I幀處于同一個(gè) GOP的P幀、B幀或P幀和B幀中；在接收端采用相同的方法計(jì)算I幀簽名，并提取出嵌入的 I幀簽名；對(duì)二者進(jìn)行比較，如果相同，這該段GOP的視頻認(rèn)證通過(guò)，否則，認(rèn)證不通過(guò)。整個(gè)視頻認(rèn)證過(guò)程如圖1所示，包括前端嵌入過(guò)程和嵌入式終端認(rèn)證過(guò)程。實(shí)施例(一 )前端嵌入過(guò)程(1)，前端計(jì)算I幀簽名(即I幀認(rèn)證碼)本發(fā)明采用的I幀簽名將下三部分為輸入?yún)?shù)計(jì)算得到1幀的亮度DCT系數(shù)；I 幀的亮度DCT塊在該I幀中的索引號(hào)和密鑰。設(shè)計(jì)算得到的I幀簽名為w，長(zhǎng)度為L(zhǎng)auth ；設(shè)認(rèn)證視頻的分辨率為MXN，MPEG_2的 DCT塊大小為8 X 8，則I幀中亮度DCT塊的個(gè)數(shù)η = (MXN)/(8 X 8)。設(shè)I幀中亮度DCT塊在該I幀中的索引號(hào)為i，i = 1，2，3，. . .，n，且I幀簽名的生成密鑰與終端在認(rèn)證時(shí)使用的密鑰相同。I幀簽名的實(shí)現(xiàn)算法的詳細(xì)公式及描述如下所述將I幀亮度8X8DCT量化系數(shù)作為特征信息，根據(jù)DCT系數(shù)和密鑰k生成塊的認(rèn)證碼，然后通過(guò)全部的DCT塊認(rèn)證碼異或生成I幀的認(rèn)證碼，該I幀認(rèn)證碼即所求的I幀簽名。算法具體描述如下步驟1 采用下式計(jì)算亮度DCT塊能量
642^=Zfe)
7=1其中，Ei表示DCT塊能量；θ Jji表示DCT系數(shù)值；i表示DCT塊在I幀中索引號(hào)；j 表示通過(guò)zig-zag掃描后DCT系數(shù)在塊中索引號(hào)。步驟2 生成亮度DCT塊認(rèn)證碼為了保證認(rèn)證碼的安全性，引入如下的Logistic映射對(duì)亮度DCT塊能量值進(jìn)行加
滋
Γ t [ Oχη+1 = λ χη(1-χη) (1)其中λ e
；Xn e (0,1), η = 0,1,2,…。當(dāng) λ G (3· 5699456，4]，特別是
λ取值靠近4時(shí)，迭代生成的序列是一個(gè)混沌序列。該序列對(duì)于參數(shù)λ和&初值敏感。由不同的λ和^生成的兩個(gè)序列不同，且統(tǒng)計(jì)不相關(guān)。令Ei的有效比特長(zhǎng)度為ρ (Ei彡2Ρ-1)，貝# =「細(xì)2 (￡,+!)]；令密鑰k的長(zhǎng)度為q比特，且k不等于0。根據(jù)Ei和密鑰k通過(guò)式(2)生成Logistic映射的初值xQ, i。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，該方法基于簽名技術(shù)認(rèn)證視屏完整性的策略，所述方法包含步驟1，前端根據(jù)待傳輸視頻文件生成I幀簽名，計(jì)算該I幀簽名的嵌入域，最后將I幀簽名嵌入到嵌入域；所述嵌入域?yàn)樵诖齻鬏斠曨l文件中滿足條件的VLC碼所在的位置；其中，所述滿足條件的VLC碼為位于與I幀簽名在同一 GOP中P幀和/或B幀中且該 VLC碼屬于VLC碼嵌入對(duì)表中的碼字；所述VLC碼嵌入對(duì)表為從MPEGVLC碼集合中選出的同時(shí)滿足以下4個(gè)條件的兩兩組合成的VLC碼對(duì)表格 (run, level)域中的 run 值一致； (run, level)域中的level值只相差1 ； VLC長(zhǎng)度一致； VLC碼最低有效位相差1 ；步驟2，嵌入式視頻接收端，采用與前端相同的方法生成I幀簽名，然后從與前端生成簽名的I幀處于同一個(gè)GOP的P幀和/或B幀的水印宿主中提取出前端嵌入的I幀簽名； 通過(guò)比較嵌入式終端計(jì)算生成的I幀簽名與提取出來(lái)I幀簽名，判斷該段GOP內(nèi)的視頻是否被篡改，從而驗(yàn)證其完整性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，其特征在于，所述將I 幀簽名嵌入到嵌入域的步驟進(jìn)一步包含將待傳輸文件中嵌入域包含的所有的VLC碼抽象為二進(jìn)制序列，其中最低有效位為 “0”的VLC碼抽象為一位可修改比特“0”，最低有效位為“1”目標(biāo)對(duì)象的VLC碼抽象為可修改比特“1”；將所生成的I幀簽名根據(jù)嵌入算法嵌入得到的二進(jìn)制序列中，所述高嵌入效率嵌入算法用于確定當(dāng)嵌入I幀簽名時(shí)二進(jìn)制序列的哪些二進(jìn)制位需要逆轉(zhuǎn)，具體嵌入的操作為 將需要逆轉(zhuǎn)的二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)的視頻文件中VLC碼用與該碼在同一 VLC碼嵌入對(duì)表中的另一個(gè)VLC碼替換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，其特征在于，所述I幀簽名的輸入?yún)?shù)包含1幀的亮度DCT塊系數(shù)、I幀的亮度DCT塊在該I幀中的索引號(hào)和密鑰。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，其特征在于，所述前端的I幀簽名采用如下方法獲得將I幀亮度DCT量化系數(shù)作為特征信息，根據(jù)DCT系數(shù)和密鑰生成DCT塊的認(rèn)證碼，然后通過(guò)全部的DCT塊認(rèn)證碼異或生成I幀的簽名。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，其特征在于，所述計(jì)算亮度DCT塊能量五,= κ)27-1其中，Ei表示DCT塊能量；θ M表示DCT系數(shù)值；i表示DCT塊在I幀中索引號(hào)；j表示通過(guò)zig-zag掃描后DCT系數(shù)在塊中索引號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，其特征在于，所述用于嵌入式終端認(rèn)證過(guò)程的步驟為嵌入式視頻接收端，采用與發(fā)送端相同的方法生成I幀簽名，然后從與該I幀處于同一個(gè)GOP的P幀和/或B幀的水印宿主中提取出發(fā)送端嵌入的I幀簽名；通過(guò)比較嵌入式終端計(jì)算生成的I幀簽名與提取的I幀簽名，判斷該段GOP內(nèi)的視頻是否完整。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，其特征在于，所述提取I幀簽名的方法進(jìn)一步包含如下步驟1)將處在同一個(gè)GOP的P幀、B幀或P幀和B幀中的嵌入域VLC碼將其抽象成宿主二進(jìn)制序列，序列長(zhǎng)度為L(zhǎng)embedded ‘2)假設(shè)I幀簽名的二進(jìn)制序列長(zhǎng)度為L(zhǎng)auth,根據(jù)Lemteddral和Lauth的長(zhǎng)度關(guān)系，選擇相應(yīng)的提出I幀簽名的方法；當(dāng)Lraitedded > Lauth,利用可逆散列函數(shù)逆變換將P幀、B幀或P幀和B幀中的嵌入域VLC 碼的抽象二進(jìn)制序列轉(zhuǎn)換成提取出的I幀簽名《，而w" =w'；當(dāng)Lratedded ( Lauth,則P幀、B幀或P幀和B幀中的嵌入域VLC碼的抽象二進(jìn)制序列等于提取出的I幀簽名《，而將截短成長(zhǎng)度為L(zhǎng)ratedded的I幀簽名w"；其中，w為接收端提取出的I幀簽名，表示接收端計(jì)算出的實(shí)際I幀簽名，長(zhǎng)度為 Lauth, w"為接收端根據(jù)嵌入域二進(jìn)制序列長(zhǎng)度而提取的實(shí)際I幀簽名，與W'相比，可能會(huì)有所縮短。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，其特征在于，所述比較計(jì)算出的I幀簽名與提取的I幀簽名的方法進(jìn)一步包含如下步驟若w = w 〃，則該段G0p內(nèi)的視頻認(rèn)證通過(guò)；若w≠w〃，則該段GOP內(nèi)的視頻認(rèn)證不通過(guò)，即視頻內(nèi)容完整性認(rèn)證沒(méi)有通過(guò)；其中，w為接收端提取出的I幀簽名乂'為接收端計(jì)算出的實(shí)際I幀簽名。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種嵌入式系統(tǒng)中的視頻完整性認(rèn)證方法，該方法基于簽名技術(shù)認(rèn)證視屏完整性的策略，所述方法包含步驟1，前端根據(jù)待傳輸視頻文件生成I幀簽名，計(jì)算該I幀簽名的嵌入域，最后將I幀簽名嵌入到嵌入域中；所述嵌入域?yàn)樵诖齻鬏斠曨l文件中滿足條件的VLC碼所在的位置；其中，所述滿足條件的VLC碼為位于與I幀簽名在同一GOP中P幀和/或B幀中且該VLC碼屬于VLC碼嵌入對(duì)表中的碼字；所述VLC碼嵌入對(duì)表為從MPEG VLC碼集合中選出的同時(shí)滿足以下4個(gè)條件的兩兩組合成的VLC碼嵌入對(duì)表格(run，level)域中的run值一致；(run，level)域中的level值只相差1；VLC長(zhǎng)度一致；VLC碼最低有效位相差1；步驟2，接收端比較提取的I幀簽名與計(jì)算得到的簽名，從而判斷該段GOP內(nèi)的視頻是否被篡改，即驗(yàn)證了視頻的完整性。
文檔編號(hào)H04N21/8358GK102572609SQ201110251290
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者孫鵬, 鄧峰, 郭志川, 韓銳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所