專利名稱：一種保護mpeg－2視頻數(shù)據(jù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于壓縮域的視頻水印方法，根據(jù)MPEG-2編碼算法的特點和MPEG-2壓縮碼流的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)水印的快速嵌入，并保持碼流不變和良好的視頻解碼質(zhì)量，屬于多媒體信號處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近幾年來，數(shù)字水印技術(shù)在許多應用領(lǐng)域體現(xiàn)了它的重要性，并得到了廣泛的重視。盡管目前大多數(shù)數(shù)據(jù)隱藏的研究和文獻集中于圖象水印，數(shù)字視頻水印和信息隱藏技術(shù)也正在受到越來越多的重視。視頻水印方法根據(jù)嵌入水印的數(shù)據(jù)域分為兩種壓縮域方法和非壓縮域方法。由于視頻數(shù)據(jù)量龐大，在傳輸、存儲時對其進行壓縮編碼是必須的。數(shù)字視頻常常是以壓縮的形式存在的，因此壓縮域視頻水印方法具有很強的實用性。
我國廣播電視的數(shù)字化是業(yè)界公認的發(fā)展方向，國家計委、科委等機構(gòu)已把其列入重點發(fā)展項目。按照我國的計劃，將用10-15年的時間來全面實現(xiàn)廣播電視數(shù)字化。目前，廣播電視業(yè)內(nèi)從電視節(jié)目的制作到節(jié)目存儲、信號傳送、信號接收等，都在向數(shù)字化方向高速發(fā)展。我國已制定的部分數(shù)字電視廣播標準包括數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸標準和有線數(shù)字電視傳輸標準等，都是以MPEG-2為信源壓縮編碼標準。MPEG-2是廣播電視領(lǐng)域的主流格式，并將在相當長一段時期內(nèi)存續(xù)。數(shù)字化電視在給社會和人們帶來極大方便的同時，也給盜版和信息的非法使用造成了方便?；贛PEG-2的數(shù)字電視內(nèi)容的版權(quán)保護技術(shù)具有重要商業(yè)價值。
在我國，電視廣告正步入高速發(fā)展階段，廣告的數(shù)目正不斷遞增。廣告對于企業(yè)具有重要的商業(yè)價值，很多大型企業(yè)都不惜巨資拍攝廣告片，不惜重金向電視臺購買廣告時段。廣告商出資向電視臺購買廣告時段，最關(guān)心的一個問題就是他的廣告有沒有如期如量播出。目前采用的是一種技術(shù)含量較低的方法派專人監(jiān)視廣播并記錄其所見的內(nèi)容。這種方法的不足之處在于其效率不高且容易出錯。
廣告宣傳對社會及大眾有著廣泛而深入的影響，因此必須進行有效的監(jiān)管。在我國，很多廣告的播出都必須經(jīng)過當?shù)毓ど坦芾砉芾聿块T的審批。但播出的廣告是否經(jīng)過審批，工商管理管理部門需要監(jiān)控，目前隨著廣告的增多，采用手工的方法已不能滿足要求。
因此無論是廣告企業(yè)還是工商管理部門都迫切需要一種切實可行的技術(shù)監(jiān)測手段。建立基于MPEG-2壓縮域視頻水印技術(shù)的監(jiān)測方法具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于壓縮域的視頻水印方法，可以通過檢測MPEG-2視頻數(shù)據(jù)中是否存在期待的水印，確定MPEG-2視頻數(shù)據(jù)的歸屬，從而保護視頻數(shù)據(jù)及實現(xiàn)對視頻內(nèi)容的監(jiān)測。
本發(fā)明的方法分為視頻水印嵌入和水印檢測兩個過程。具體步驟是水印嵌入過程步驟如下1)用密鑰key1對水印信息加擾，2)部分解碼MPEG-2視頻流，獲取I幀圖象DCT系數(shù)塊的DC系數(shù)值，3)用密鑰key2隨機選取不重疊的n個DC系數(shù)值，分成兩個子區(qū)計算他們的直流能量差分值，4)用直流能量差分值取模的方式在n個DC系數(shù)值中嵌入1bit水印，5)重復第3和第4步直到水印信息全部嵌入，6)將修改后的DC系數(shù)值寫入碼流相應位置得到嵌入水印后的視頻碼流。水印檢測過程如下1)部分解碼MPEG-2視頻流，獲取I幀圖象DCT系數(shù)塊的DC系數(shù)值，2)用與嵌入時相同的密鑰key2隨機選取n個不重疊的DC系數(shù)，分成兩個子區(qū)，計算兩個子區(qū)的直流能量差分值，3)用直流能量差分值取模的方法提取水印比特，4)重復第2和第3步直到水印信息全部提取出來，5)用與嵌入時相同的密鑰key1對提取到的水印比特序列解擾，得到最終的水印信息。
本發(fā)明方法的更詳細描述為1水印嵌入流程1)把要嵌入的水印信息M表示為二值序列，用由密鑰key1控制產(chǎn)生的偽隨機序列對其加擾，設加擾后的水印序列為W＝{wi}，i＝0，1，...k-1，k為序列長度；2)對輸入的MPEG-2視頻流進行部分解碼，獲取其I幀圖象DCT系數(shù)塊的DC系數(shù)值；3)用密鑰key2作種子隨機選取不重疊的n個DC系數(shù)值；4)n個DC系數(shù)值組成了一個嵌入?yún)^(qū)域，如說明書附圖1所示，把其分為A、B兩個子區(qū)。分別計算各子區(qū)DC系數(shù)值之和，記為EA、EB。令S＝|EA-EB|modX，其中X是嵌入強度。作如下約定當S≤X/2-1時表示信息比特為0；當S＞X/2-1時表示信息比特為1，水印比特的嵌入是通過修改EA和EB的值以控制S來實現(xiàn)的；5)重復第3和第4步直到水印信息全部嵌入；6)將修改后的DC系數(shù)值寫入碼流相應位置得到嵌入水印后的視頻碼流。
2水印位嵌入方法I幀是MPEG-2的內(nèi)部編碼幀，幀內(nèi)每一宏塊均為內(nèi)部宏塊。內(nèi)部宏塊中的塊的DC系數(shù)采用的是差分編碼，按標準中所定義的變長碼(VLC)進行編碼，該變長碼指明了dct_dc_size，如果dct_dc_size不等于零，則它后面要跟著一個固定長度碼，以dct_dc_size為位數(shù)的dc_dct_differential。本發(fā)明中將n個隨機選取的DC系數(shù)的dc_dct_differential值組成一個嵌入?yún)^(qū)域，如說明書附圖1所示，把其分為A、B兩個子區(qū)。其中EA、EB分別是A區(qū)、B區(qū)中所有DC系數(shù)的dc_dct_differential值的和。
水印位的嵌入是通過修改EA和EB的值以控制S來實現(xiàn)的。
假設當前要嵌入的水印比特為11)若S＞X/2-1，則不作修改；2)若S≤X/2-1，則修改DC系數(shù)令S＝X/2+X/4-1。
具體的修改辦法如下所述令T＝X/2+X/4-1-S表示修改步數(shù)。比較EA和EB兩者的大小，大者對應的子區(qū)為大區(qū)，小者對應的子區(qū)為小區(qū)。分別將A、B內(nèi)的DC系數(shù)的dc_dct_differential值依從大到小的順序排序，然后按序搜索可修改的DC系數(shù)。由于此時修改的目標是要令S增大，因此小區(qū)內(nèi)可修改的系數(shù)是指dc_dct_differential值最低位為1的DC系數(shù)，大區(qū)內(nèi)可修改的系數(shù)是指dc_dct_differential值最低位為0的DC系數(shù)。修改時，將小區(qū)中可修改DC系數(shù)的dc_dct_differential值-1，大區(qū)中可修改DC系數(shù)的dc_dct_differential值+1。每修改一個系數(shù)，T的值減1，直至T＝0，此時S＝X/2+X/4-1，到達修改目標。
如果當前要嵌入的水印比特為01)若S≤X/2-1，則不作修改；2)若S＞X/2-1，則修改DC系數(shù)令S＝X/2-X/4。
具體方法是令T＝S-(X/2-X/4)表示修改步數(shù)。同上法區(qū)分大小區(qū)并將DC系數(shù)排序，然后按DC系數(shù)dc_dct_differential值的大小順序搜索可修改的DC系數(shù)。由于此時修改的目標是要令S減少，因此小區(qū)內(nèi)可修改的系數(shù)是指dc_dct_differential值最低位為0的DC系數(shù)，大區(qū)內(nèi)可修改的系數(shù)是指dc_dct_differential值最低位為1的DC系數(shù)。修改時，將小區(qū)中可修改DC系數(shù)dc_dct_differential值+1，大區(qū)中可修改DC系數(shù)dc_dct_differential值-1。每修改一個系數(shù)，T的值減1，直至T＝0，此時S＝X/2-X/4，到達修改目標。
3水印檢測流程1)部分解碼MPEG-2視頻流，獲取I幀圖象DCT系數(shù)塊的DC系數(shù)值，2)用與嵌入時相同的密鑰key2隨機選取n個不重疊的DC系數(shù)，將他們分為A、B兩個子區(qū)，計算兩個子區(qū)的直流能量EA、EB，令S’＝|EA-EB|mod X，X的選取與嵌入時相同。若S’＞X/2-1，則提取的水印比特為1；若S’≤X/2-1，則提取的水印比特為0。按此方法得到水印比特序列W’＝{wi’}。
3)用與嵌入時相同的密鑰key1對提取到的水印比特序列W’進行解擾，得到最終的水印信息。
本發(fā)明與現(xiàn)有MPEG-2碼流中的視頻水印方法比較有以下優(yōu)點1)復雜度更低。將水印嵌入在DC系數(shù)中其計算的復雜度比基于AC系數(shù)的要低。因為在通過修改DC或AC系數(shù)嵌入水印后，會存在不同程度的再編碼的可能，而DC系數(shù)的編碼方式比AC系數(shù)的編碼方式相對簡單，特別是對于內(nèi)部編碼塊來說，DC系數(shù)編碼時所使用的變字長碼表的長度遠遠小于AC系數(shù)編碼用的碼表，從而其計算的復雜度相對較低。
2)可以有效地控制碼率不變。對于水印嵌入在I幀的情況下，由于DC系數(shù)采用的是差分編碼方式，其編碼碼字結(jié)構(gòu)為dct_dc_size+dc_dct_differential，要保持嵌入水印后碼率不變，只需限定疊加操作不致令dc_dct_differential碼字最高位改變即可(最高位表示符號位)。而對于AC系數(shù)的情況，由于它是以游程、級別變字長編的，量化級別改變1，也會令編碼碼字長度發(fā)生較大的變化，不利于碼率的控制。
3)不可見性和穩(wěn)健性好。本發(fā)明通過排序搜索可修改的DC系數(shù)，使修改盡量疊加在幅度值大的DC系數(shù)上，提高了水印的不可見性。對再壓縮編碼穩(wěn)健性很好。


圖1是水印嵌入和檢測過程中使用的直流能量差分的計算示意圖。
圖2是視頻標準測試序列“Flower Garden”壓縮碼流中嵌入水印的實驗結(jié)果圖。
圖3是視頻標準測試序列“Mobile&Calendar”壓縮碼流中嵌入水印的實驗結(jié)果圖。
圖4是本發(fā)明提出的視頻水印方法對抗視頻碼流再壓縮編碼的穩(wěn)健性圖示。
圖2中，視頻幀大小為704X576，以8Mbits/s碼率進行MPEG-2編碼，編碼長度是80幀，色度格式為4:2:0。GOP長度為12，其中包含1個I幀。每個序列有7個I幀。水印嵌入在I幀的色度塊的DCT的DC系數(shù)中，n＝64，X＝8。每個I幀中嵌入相同的字符串水印“zsuedu”。圖2(a)顯示了視頻序列“Flower Garden”的壓縮碼流中未嵌入水印時的解碼圖，圖2(b)顯示了用本發(fā)明提出的視頻水印方法嵌入數(shù)字水印后的解碼圖。
圖3中，視頻幀大小為704X576，以8Mbits/s碼率進行MPEG-2編碼，編碼長度是80幀，色度格式為4:2:0。GOP長度為12，其中包含1個I幀。每個序列有7個I幀。水印嵌入在I幀的色度塊的DCT的DC系數(shù)中，n＝64，X＝8。每個I幀中嵌入相同的字符串水印“zsuedu”。圖3(a)顯示了視頻序列“Mobile&Calendar”的壓縮碼流中未嵌入水印時的解碼圖，圖3(b)顯示了用本發(fā)明提出的視頻水印方法嵌入數(shù)字水印后的解碼圖。
各序列嵌入水印前后色度分量的PSNR值如下表

圖4中，DEW指文獻“Gerrit C.Langelaar，Reginald L.Lagendijk，Jan Biemond.Real_time Labeling of MPEG-2 Compressed Video.J.of Visual Comm.and ImageRepresentation，1998，Vol.9，No.4256-270”中的方法，DC-DEW方法是本發(fā)明提出的方法。
具體實施例方式
數(shù)字電視是未來電視的發(fā)展方向，但數(shù)字電視在給社會和人們帶來極大方便的同時，也給盜版和信息的非法使用造成了方便。對數(shù)字電視內(nèi)容的版權(quán)保護具有重要的意義。電視臺在制作電視節(jié)目時，可以將自己的版權(quán)信息作為水印嵌入電視信號中。當發(fā)現(xiàn)有類似信號時，可以檢測其中的水印以確定版權(quán)的歸屬。
廣告宣傳對社會及大眾有著廣泛而深入的影響，因此必須進行有效的監(jiān)管。同時電視廣告對于企業(yè)具有重要的商業(yè)價值，廣告的播出通常都是一刻千金，廣告商最關(guān)心的一個問題就是他的廣告有沒有如期如量播出，需要有效的監(jiān)測手段。
當廣告報審時，工商管理部門可以在獲得審批的廣告中嵌入水印，當廣告播出時在接收端對電視信號進行檢測，檢測到標識水印，則能證明該廣告片獲得了審批，否則認為該廣告片是非法播出。
廣告商可以在制作廣告片時嵌入自己的標識，然后在接收端對電視信號進行檢測，檢測到自己的標識水印，則能證明該廣告片被播出，并可控制相應設備進行相關(guān)信息的記錄，從而實現(xiàn)智能化的廣告監(jiān)播。
下面介紹保護MPEG-2視頻數(shù)據(jù)的方法的使用方法。
現(xiàn)表述用本發(fā)明的方法完成水印嵌入和檢測的過程。這里給出了視頻標準測試序列“Flower Garden”、“Mobile&Calendar”壓縮碼流中嵌入水印的實驗結(jié)果。共有兩個方面不可見性、對正常視頻處理如再編碼壓縮的穩(wěn)健性。
視頻幀大小為704X576，以8Mbits/s碼率進行MPEG-2編碼，編碼長度是80幀，色度格式為4:2:0。GOP長度為12，其中包含1個I幀。每個序列有7個I幀。水印嵌入在I幀的色度塊的DCT的DC系數(shù)中，n＝64，X＝8。對各序列嵌入相同的字符串水印“zsuedu”。其中n和X值可以根據(jù)實際需要調(diào)整，n越小嵌入容量越大，X越大嵌入強度越強，穩(wěn)健性越好。
圖2分別顯示了視頻序列“Flower Garden”的壓縮碼流中未嵌入水印時的解碼圖(圖2(a))和用本發(fā)明提出的視頻水印方法嵌入數(shù)字水印后的解碼圖(圖2(b))。
圖3分別顯示了視頻序列“Mobile&Calendar”的壓縮碼流中未嵌入水印時的解碼圖(圖3(a))和用本發(fā)明提出的視頻水印方法嵌入數(shù)字水印后的解碼圖(圖3(b))。其中各序列嵌入水印前后色度分量的PSNR值如下表

由圖可知嵌入了水印的MPEG-2碼流解碼后的視頻幀在視覺上與未嵌入水印的碼流解碼后的視頻幀無明顯差異，而且PSNR的變化也比較小，滿足不可見性的要求。
圖4是本發(fā)明提出的視頻水印方法對抗視頻碼流再壓縮編碼的穩(wěn)健性圖示。其中DEW指文獻“Gerrit C.Langelaar，Reginald L.Lagendijk，Jan Biemond.Real_time Labeling ofMPEG-2 Compressed Video.J.of Visual Comm.and Image Representation，1998，Vol.9，No.4256-270”中的方法，DC-DEW方法是本發(fā)明提出的方法。Langelaar等人對DEW算法做過同樣的實驗，他們給出的實驗數(shù)據(jù)是碼率降低25％時，水印誤比特率為7％；碼率降低38％時，79％的水印比特可正確提取。對比兩者的實驗結(jié)果，表明本發(fā)明提出的方法對碼率轉(zhuǎn)換編碼的穩(wěn)健性大大優(yōu)于DEW算法。
權(quán)利要求
1.一種保護MPEG-2視頻數(shù)據(jù)的方法，其特征在于該方法包括水印嵌入和提取兩個過程，水印嵌入過程步驟如下1)用密鑰key1對水印信息加擾，2)部分解碼MPEG-2視頻流，獲取I幀圖象DCT系數(shù)塊的DC系數(shù)值，3)用密鑰key2隨機選取不重疊的n個DC系數(shù)值，分成兩個子區(qū)計算他們的直流能量差分值，4)用直流能量差分值取模的方式在n個DC系數(shù)中嵌入1bit水印信息，5)重復第3和第4步直到水印信息全部嵌入，6)將修改后的DC系數(shù)值寫入碼流相應位置得到嵌入水印后的視頻碼流；水印檢測過程如下1)部分解碼MPEG-2視頻流，獲取I幀圖象DCT系數(shù)塊的DC系數(shù)值，2)用與嵌入時相同的密鑰key2隨機選取n個不重疊的DC系數(shù)，分成兩個子區(qū)，計算兩個子區(qū)的直流能量差分值，3)用直流能量差分值取模的方法提取水印比特，4)重復第2和第3步直到水印信息全部提取出來，5)用與嵌入時相同的密鑰key1對提取到的水印比特序列解擾，得到最終的水印信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種保護MPEG-2視頻數(shù)據(jù)的方法，其特征是水印嵌入的詳細步驟為1)把要嵌入的水印信息M表示為二值序列，用由密鑰key1控制產(chǎn)生的偽隨機序列對其加擾，設加擾后的水印序列為W＝{wi}，i＝0，1，...k-1，k為序列長度，2)對輸入的MPEG-2視頻流進行部分解碼，獲取其I幀圖象DCT系數(shù)塊的DC系數(shù)值；3)用密鑰key2作種子隨機選取不重疊的n個DC系數(shù)，4)n個DC系數(shù)組成了一個嵌入?yún)^(qū)域，如說明書附圖1所示，把其分為A、B兩個子區(qū)；分別計算各子區(qū)DC系數(shù)的差分碼值之和，記為EA、EB。令S＝|EA-EB|mod X，其中X是嵌入強度。作如下約定當S≤X/2-1時表示信息比特為0；當S＞X/2-1時表示信息比特為1，水印比特的嵌入是通過修改EA和EB的值以控制S來實現(xiàn)的，5)重復第3和第4步直到水印信息全部嵌入，6)將修改后的DC系數(shù)差分碼值寫入碼流相應位置得到嵌入水印后的視頻碼流；水印檢測的詳細步驟為1)部分解碼MPEG-2視頻流，獲取I幀圖象DCT系數(shù)塊的DC系數(shù)值，2)用與嵌入時相同的密鑰key2隨機選取n個不重疊的DC系數(shù)，將他們分為A、B兩個子區(qū)，計算兩個子區(qū)的直流能量EA、EB，令S’＝|EA-EB|mod X，X的選取與嵌入時相同。若S’＞X/2-1，則提取的水印比特為1；若S’≤X/2-1，則提取的水印比特為0；按此方法得到水印比特序列W’＝{wi’}；3)用與嵌入時相同的密鑰key1對提取到的水印比特序列W’進行解擾，得到最終的水印信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種保護MPEG-2視頻數(shù)據(jù)的方法，其特征是水印比特的嵌入是通過修改EA和EB的值以控制S來實現(xiàn)的；假設當前要嵌入的水印比特為1∶1)若S＞X/2-1，則不作修改；2)若S≤X/2-1，則修改DC系數(shù)的差分碼值令S＝X/2+X/4-1；具體的修改辦法如下所述令T＝X/2+X/4-1-S表示修改步數(shù)；比較EA和EB兩者的大小，大者對應的子區(qū)為大區(qū)，小者對應的子區(qū)為小區(qū)；分別將A、B內(nèi)的DC系數(shù)按照差分碼值的大小排序，然后按從大到小的順序搜索可修改的DC系數(shù)；由于此時修改的目標是令S增大，因此小區(qū)內(nèi)可修改的系數(shù)是指差分碼最低位為1的DC系數(shù)，大區(qū)內(nèi)可修改的系數(shù)是指差分碼最低位為0的DC系數(shù)；修改時，將小區(qū)中可修改的DC系數(shù)的差分碼值-1，大區(qū)中可修改DC系數(shù)的差分碼值+1；每修改一個系數(shù)，T的值減1，直至T＝0，此時S＝X/2+X/4-1，到達修改目標；如果當前要嵌入的水印比特為0∶1)若S≤X/2-1，則不作修改；2)若S＞X/2-1，則修改DC系數(shù)令S＝X/2-X/4；具體方法是令T＝S-(X/2-X/4)表示修改步數(shù)；同上法區(qū)分大小區(qū)并將DC系數(shù)排序，然后按從大到小的順序搜索可修改的DC系數(shù)；由于此時修改的目標是令S減小，因此小區(qū)內(nèi)可修改的系數(shù)是指差分碼最低位為0的DC系數(shù)，大區(qū)內(nèi)可修改的系數(shù)是指差分碼最低位為1的DC系數(shù)；修改時，將小區(qū)中可修改DC系數(shù)的差分碼值+1，大區(qū)中可修改DC系數(shù)的差分碼值-1；每修改一個系數(shù)，T的值減1，直至T＝0，此時S＝X/2-X/4，到達修改目標。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種保護MPEG－2視頻數(shù)據(jù)的方法是基于MPEG－2壓縮域的水印技術(shù)，屬于多媒體信號處理領(lǐng)域。本發(fā)明利用MPEG－2的壓縮編碼方法和句法結(jié)構(gòu)，在MPEG－2壓縮碼流中嵌入水印，不改變碼流的碼率，嵌入水印的視頻壓縮碼流解碼后和原始視頻碼流解碼后，人眼無法區(qū)別兩者的差別。而數(shù)字水印則為這個問題提供了一種區(qū)別的手段。本發(fā)明可使通過網(wǎng)絡或廣播電視系統(tǒng)傳播的視頻數(shù)據(jù)或文件獲得保護，也可用于電視廣告的監(jiān)制。
文檔編號G06T1/00GK1719898SQ20051003469
公開日2006年1月11日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者劉紅梅, 邵鳳蓮, 黃繼武 申請人:中山大學