專利名稱：H.264視頻完整性認證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視頻認證領(lǐng)域，具體是ー種H. 264視頻完整性認證方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字信號處理技術(shù)和寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的飛速發(fā)展，使得數(shù)字內(nèi)容的制造和分發(fā)變得越來越便利。曾經(jīng)只有專業(yè)水準才能完成的數(shù)字圖像/視頻編輯工作，如今可以借助很多廉價甚至免費的軟硬件輕松完成。這種便利無疑為大多數(shù)用戶帶來方便和實惠，但同時也會產(chǎn)生某些疑問。首先，在不影響合法用戶享受數(shù)字多媒體的前提下，對諸如數(shù)字音樂，電影和書籍的媒體內(nèi)容進行 版權(quán)保護，成為了ー項新的課題，急待研究。其次是內(nèi)容認證方面，由于數(shù)字數(shù)據(jù)的容易編輯特性，使得人們對它的真實性產(chǎn)生質(zhì)疑，特別是當(dāng)這些數(shù)據(jù)用作呈堂證供的時候。此外，為了保護公民財產(chǎn)的安全，時下很多場合都安裝有監(jiān)控攝像機。為了方便存儲和傳輸，越來越多的監(jiān)控攝像機采用數(shù)字格式存儲視頻。監(jiān)控系統(tǒng)的視覺數(shù)據(jù)無疑是很重要的，并且他們的真實性需要進ー步保持，這樣數(shù)字視頻才能夠無可置疑地作為可靠和有效的證據(jù)使用。因此，編碼傳輸過程中魯棒、高效的視頻認證及篡改修復(fù)機制的研究成為信息安全領(lǐng)域的熱點問題。傳統(tǒng)的數(shù)字信息認證方法為首先從數(shù)字信息中計算密碼校驗和或摘要，并完成發(fā)送；其次，當(dāng)接收端獲得信息和摘要時，對獲得的信息作相同的計算以生成一個新的摘要。最后，將接受到的摘要與計算得到的新摘要進行比對，判斷信息是否被篡改，這里，ー個比特的誤差會生成完全不同的摘要，直接影響認證的結(jié)果。當(dāng)我們需要位與位的精準時，傳統(tǒng)的認證技術(shù)顯示了良好的性能。但數(shù)字圖像或視頻的場景是不斷變化的，多媒體用戶更加關(guān)注內(nèi)容的含義而非特定的數(shù)字或樣本。他們更關(guān)注數(shù)據(jù)的含義是否被改動，而非經(jīng)過傳輸、存儲和數(shù)據(jù)處理過程產(chǎn)生的個別比特位的誤差。因此，在不妨礙觀察者正常使用的情況下，允許諸如有損壓縮一類的數(shù)據(jù)處理操作。另外，在認證數(shù)字圖像/視頻是否被篡改吋，判定哪一部分被改動也是很必要的，這樣可以有助于確定攻擊者的動機。普通認證方法無法達到這一要求，因為它們只反映整體數(shù)據(jù)的真實與否。這樣我們重新定義認證圖像/視頻為ー個判定視覺內(nèi)容是否完整并報警以及定位惡意篡改位置的過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了ー種H. 264視頻完整性認證方法，具有實時、準確地檢測采集視頻的完整性，并進行篡改檢測級定位。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下ー種H. 264視頻完整性認證方法，其特征在于，包括以下內(nèi)容(I)認證碼生成由于認證碼的長度不能過大，原始數(shù)據(jù)的降維是十分必須的，對于視頻圖像變化平緩的平滑塊，采用分級量化，計算子塊均值進行樣本精簡；對于視頻圖像變化復(fù)雜的區(qū)域，采用矢量量化方法，通過去宏塊較大特征向量來進行樣本精簡；由此，實時提取認證碼；具體過程如下(a)平滑塊的分級量化認證碼生成對于給定的視頻幀F(xiàn)，先提取它的亮度分量^用作處理，然后通過計算4X4子塊的的均值來精簡樣本；(b)邊緣塊的矢量量化認證碼生成采用VQ指數(shù)，將原始數(shù)據(jù)分組為塊或矢量，并且使用単獨的索引再現(xiàn)每個塊，采用SVD方法來降低原數(shù)據(jù)的維度，對于轉(zhuǎn)移子塊Xmxm，應(yīng)用SVD對其進行如下分解 X =U A Vt =T A2U-Vt(I)
LJm -nimxm mxm m.m / j i i iN /
i=\Ui, Vi是U，V的行，分別再現(xiàn)XXt和XtX的特征向量，Λ是對角矩陣，由特征向量A1 ^入2彡…彡λ π在對角線上組成，X的L-2標準是入^1 = 1，2，···，!!!的和的平方根，因為I |u I I = I V 1=1,將為可以通過保持前t個特征向量Ui, Vpi=I, 2，…，t組成近似子塊戈來實現(xiàn)，然后原始均值轉(zhuǎn)移子塊X與近似子塊X之間的差異為X-X=Y XfuiVi X-X = ΧΛ(2)
i=t+l i=t+l選擇t=l來降低原數(shù)據(jù)的維度；(C)認證碼降維加密過程根據(jù)密鑰，偽隨機地將上ー節(jié)生成的認證碼分割為ー系列子集合(S1, S2,-, Siw}，每ー個子集合包含M/2位，計算每個子集合的M/2個認證碼的和對2取摸，得到的2 XN個比特位為水印位；通過這種方法，認證碼閉合成為水印位，進ー步降低了待嵌入的數(shù)據(jù)量，彌補上ー節(jié)具有邊緣的塊采用VQ而增加認證碼數(shù)目的操作；(2)版權(quán)保護/身份認證過程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的水印技術(shù)為視頻監(jiān)控攝像機獨一無ニ的特征，魯棒水印的加載和提取是十分必要的；基于復(fù)雜度分析在特征域中嵌入水印信號，視頻圖像的每ー幀的各個宏塊都要進行基于塊的DCT變換，然后被判定是否用來提取特征，特征提取采用紋理能量和運動能量來共同決定是否作為候選宏塊，由經(jīng)驗設(shè)定兩個閾值分別與這些能量分量相對應(yīng)，即為TH_T (紋理能量)和TH_M (運動能量)，如果子宏塊的兩個能量分量至少有ー個大于其相對應(yīng)的閾值，該宏塊即被判定為特征宏塊，可以用來嵌入水印信號；對于選定的宏塊(特征宏塊)，從16個子塊的中心區(qū)域選取對角的兩個子塊，將這兩個子塊周圍的宏塊分成水平和豎直方向兩組，計算各子塊運動矢量的模值，根據(jù)“十字比較法”來嵌入ニ值水印信息；具體過程如下(a)視頻復(fù)雜度分析設(shè)一段數(shù)字視頻中包含f幀圖像，每ー幀圖像包含mXn個像素；Fi為第i幀，i e {O, f_l} ,Fi在進行H. 264編碼操作時被分解為若干互不重疊的尺寸為16X 16的宏塊，
MBi,j為第i幀中的第j個宏塊，Je !O為第i幀中的第j個宏塊的第k
個像素，k e {O, PXq-Ι}，每個宏塊MBi,」再細分為16個4X4的子塊\」，η進行DCT變換，\j，n表示第i幀中的第j個宏塊的第η個子塊,然后對變換后的子塊進行zigzag掃描,這樣每個子塊中就產(chǎn)生了 7個子帶的DCT系數(shù)；(i)圖像復(fù)雜性度量定義像素宏塊的圖像復(fù)雜度為其背景亮度和紋理復(fù)雜度的綜合考量，對于像素宏塊復(fù)雜度設(shè)定一個閾值，復(fù)雜度值超出此閾值約束即表示在該宏塊紋理復(fù)雜、背景亮度高，適合加載水印信息；復(fù)雜度值小于此閾值的，說明此宏塊區(qū)域平緩而不適合嵌入水印信息，在解碼端根據(jù)紋理復(fù)雜度的理論方法，確定水印嵌入的位置來提取水印圖像； H. 264對宏塊中是16個子塊進行DCT變換后的產(chǎn)生的DC系數(shù)集中了子塊的大部分能量，且具有壓縮不變性，因此，通過宏塊內(nèi)部的16個DC系數(shù)來進行紋理復(fù)雜度度量；算法用局部圖像復(fù)雜度因子來度量局部圖像的紋理復(fù)雜度，并將該局部圖像復(fù)雜度因子與載體文件直流分量共同構(gòu)造復(fù)合函數(shù)= oc\afj + a2eLj(3)式中Ci1, Ci2為比例因子，介于O和I之間；選擇局部圖像復(fù)雜度比較大的像素宏塊嵌入水印，設(shè)視頻幀尺寸為N1XN2ACuk為視頻圖像中的第i幀圖像Fi的第j個宏塊MBi；J的第k個子塊在進行DCT變換后的DC系數(shù)；宏塊MBi,」的紋理復(fù)雜度參數(shù)為
I 15 \dC ■ I — e I=—Tp(eu)~~^⑷
16^=o "eUj=(5)式中eu為宏塊內(nèi)部的16個DC系數(shù)的平均值為加權(quán)系數(shù)，β為加權(quán)因子，取值范圍為(O. 6，O. 7)，圖像復(fù)雜度IC(i，j)的值隨Ci1, Ci2以及β的變化而改變；(ii)運動特征度量應(yīng)用視頻序列幀間相關(guān)宏塊的差異，簡單地描述視頻幀中目標的運動參數(shù)；
H.264處理單元的宏塊尺寸為16X16，每個宏塊在細分為16個互不重疊的4X4的子塊，
C'^On.n)為第i幀中第j個宏塊中第k個子塊的(m，η)點的像素值，Vt^k (m,n)表示在時
間軸t上像素變化的速率，
rIT,;山、C/J'k (m.n)_Ct—l'J'k—V-J'1 = —---------(6)這里，0彡 m，n 彡 3，0 彡 n,彡 3，()彡X ^-1,0 彡 k 彡 15 ;
J丨(> I (>
子塊的像素中各點像素值沿時間軸變換的絕對值的最大值為
權(quán)利要求
1.一種H. 264視頻完整性認證方法，其特征在于，包括以下內(nèi)容 (1)認證碼生成 由于認證碼的長度不能過大，原始數(shù)據(jù)的降維是十分必須的，對于視頻圖像變化平緩的平滑塊，采用分級量化，計算子塊均值進行樣本精簡；對于視頻圖像變化復(fù)雜的區(qū)域，采用矢量量化方法，通過去宏塊較大特征向量來進行樣本精簡；由此，實時提取認證碼； (2)版權(quán)保護/身份認證過程 視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的水印技術(shù)為視頻監(jiān)控攝像機獨一無二的特征，魯棒水印的加載和提取是十分必要的；基于復(fù)雜度分析在特征域中嵌入水印信號，視頻圖像的每一幀的各個宏塊都要進行基于塊的DCT變換，然后被判定是否用來提取特征，特征提取采用紋理能量和運動能量來共同決定是否作為候選宏塊，由經(jīng)驗設(shè)定兩個閾值分別與這些能量分量相對應(yīng)，即為TH_T (紋理能量)和TH_M (運動能量)，如果子宏塊的兩個能量分量至少有一個大于其相對應(yīng)的閾值，該宏塊即被判定為特征宏塊，可以用來嵌入水印信號； 對于選定的宏塊(特征宏塊)，從16個子塊的中心區(qū)域選取對角的兩個子塊，將這兩個子塊周圍的宏塊分成水平和豎直方向兩組，計算各子塊運動矢量的模值，根據(jù)“十字比較法”來嵌入二值水印信息； (3)完整性認證過程利用H. 264幀內(nèi)冗余信息，將子塊中擁有原始零值的系數(shù)組合創(chuàng)造一個備用的空間來儲備附加的信息，原始的LSB (最低有效位)儲存在備用空間，脆弱水印通過修改子塊中的一個零值系數(shù)被嵌入，幀間利用VLC (變長編碼)的無差值補償特性，通過調(diào)制幀間預(yù)測模式嵌入脆弱水印，由此在每一視頻幀的每一宏塊中完成脆弱水印的嵌入； 在解碼過程中，按認證碼提取方法重新生成認證碼，同時進行脆弱水印的提取，將認證碼與提取出的脆弱水印信息相比較，即可快速的實現(xiàn)篡改的檢測與定位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種H.264視頻完整性認證方法，包括認證碼的提取、標識信息的嵌入，篡改檢測及定位幾個過程，視頻序列比圖像信息更復(fù)雜，不能簡單的采用圖像hash值提取的方法提取視頻認證碼。本發(fā)明提出空間能量波動分析方法，針對不同特征的視頻幀，有針對性的采用改進的分級量化與矢量量化方法，有效提取出視頻認證碼，并結(jié)合改進的H.264魯棒水印算法與H.264大容量信息隱藏算法，構(gòu)成H.264視頻完整性認證系統(tǒng)，并進行篡改檢測及定位的研究。
文檔編號H04N21/8358GK102857831SQ20121027439
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者蔣建國, 齊美彬, 洪日昌, 張國富, 汪萌, 宣曼, 尤小泉, 夏娜, 蘇兆品, 詹曙, 吳從中, 李小紅 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)