專利名稱：基于h.264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字視頻水印方法，尤其涉及基于H. 264標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻水印方法， 屬于數(shù)字視頻處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)通信的普及，許多傳統(tǒng)媒體內(nèi)容都向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，并且在電子商務(wù)中即 將占據(jù)巨大市場份額，如mp3的網(wǎng)上銷售，數(shù)字影院的大力推行，網(wǎng)上圖片、電子書籍銷售 等等，在無線領(lǐng)域，隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由第二代到第三代的演變，移動(dòng)用戶將能方便快速的訪問 因特網(wǎng)上數(shù)字媒體內(nèi)容，基于有線或無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字媒體內(nèi)容的應(yīng)用即將是信息時(shí)代新的 傳統(tǒng)。但是，數(shù)字媒體內(nèi)容的安全問題成了瓶頸問題，制約著眾多商業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。雖然 成熟的密碼學(xué)是解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息安全的主要手段，但是，對(duì)于多媒體內(nèi)容存在兩大問題。 一是數(shù)字媒體內(nèi)容的超分布(Superdistribution)問題，即內(nèi)容一旦解密，便可以隨意的 被拷貝、傳播，快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)為非法傳播提供很大便利，給媒體內(nèi)容制造商造成了巨大損 失，從而制約著數(shù)字多媒體應(yīng)用的進(jìn)行；二是多媒體內(nèi)容的訪問控制問題，因?yàn)槎嗝襟w內(nèi)容 (如視頻流)的加密解密需要巨大的運(yùn)算負(fù)荷，并且難以滿足應(yīng)用的時(shí)效性。數(shù)字水印作為 一項(xiàng)很有潛力的解決手段，最近幾年成為了商業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)，如拷貝保護(hù) 技術(shù)工作組(CPTWG，Copy Protection Technique Working Group)從 1995 年開始致力于基 于DVD的視頻版權(quán)保護(hù)研究，安全數(shù)字音樂創(chuàng)始(SDMI，Secure Digital Musiclnitiative) 從1999年開始研究音頻的版權(quán)版護(hù)，數(shù)字水印是其中的核心關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字水印(Digital Watermarking)是往多媒體數(shù)據(jù)(如圖像、聲音、視頻信號(hào)等) 中添加某些數(shù)字信息(水印)而不影響原數(shù)據(jù)的視聽效果(此處我們只討論人們普遍關(guān)心 的不可見水印)，并且這些數(shù)字信息可以部分或全部從混合數(shù)據(jù)中恢復(fù)出來，以達(dá)到版權(quán)保 護(hù)等作用。水印算法識(shí)別被嵌入到保護(hù)對(duì)象中的所有者的有關(guān)信息(如注冊(cè)的用戶號(hào)碼、 產(chǎn)品標(biāo)志或有意義的文字等)并能在需要的時(shí)候?qū)⑵涮崛〕鰜恚脕砼袆e對(duì)象是否受到保 護(hù)，并能夠監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播、真?zhèn)舞b別以及非法拷貝控制等，這實(shí)際上是發(fā)展水印技 術(shù)的基本動(dòng)力。視頻水印是數(shù)字水印技術(shù)最具應(yīng)用前景的方向，而H. 264是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)和國際電信聯(lián)盟(ITU)共同提出的繼MPEG-4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，具有 廣闊的發(fā)展前景。因此基于H. 264標(biāo)準(zhǔn)的視頻水印算法研究有著重要的意義和實(shí)用價(jià)值。 雖然現(xiàn)如今一些基于H. 264標(biāo)準(zhǔn)的視頻水印算法已經(jīng)具有一定的保護(hù)能力，但是魯棒性和 不可見性問題仍然沒有得到完美的解答，在算法和實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合方面，還存在著相當(dāng)多 的障礙，這也是視頻水印之所以很少具有實(shí)際應(yīng)用功能的重要原因。目前國際上關(guān)于視頻魯棒水印的研究成果里，也有部分能同時(shí)抵抗多種類型的失 真問題的方法。如Jaap Haitsma提出了通過調(diào)制每一幀的平均亮度，按幀嵌入水印信息的水印方 法。該方法可以較好的抵抗多種類型的空間同步失真，但是抗有損壓縮等光度失真的能力
3較弱。Song Maodong等提出的基于能量的水印方法，可以抵抗多種幾何變換導(dǎo)致的空間同 步失真，但是不能抵抗剪裁導(dǎo)致的空間同步失真，對(duì)于光度失真的抵抗力一般。此外，該方 法需要對(duì)每一幀圖像做整體離散傅里葉變換，計(jì)算量很大。牛夏牧等提出的沿時(shí)間軸嵌入水印的方法，可以抵抗一定頻率的丟幀導(dǎo)致的時(shí)間 同步失真，可以抵抗多種幾何變換導(dǎo)致的空間同步失真，對(duì)于有損壓縮導(dǎo)致的光度失真，也 有較好的抵抗力。但是該方法選擇水印嵌入點(diǎn)的方法太復(fù)雜，而且不能抵抗各類能導(dǎo)致水 印嵌入點(diǎn)在幀內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)偏移的空間同步失真。陳真勇等提出了能同時(shí)較好的抵抗空間同 步失真和輕度的時(shí)間同步失真的水印方法。但是當(dāng)視頻畫面變化較快、或者視頻水印序列 較長時(shí)，水印相關(guān)性檢測失效概率非常高。這樣實(shí)際有效地視頻水印序列必然很短，這就導(dǎo) 致水印空間很小，容易遭受窮舉方式的攻擊，而且檢測的徐勁旅就比較高。此外，該方法對(duì) 于抵抗光度失真的能力較弱。Hans Jung等提出的基于“場景”的視頻水印方法，可以較好的抵抗多種類型的時(shí) 間同步失真和簡單幾何變換導(dǎo)致的空間同步失真。但是該方法計(jì)算量大，且視頻質(zhì)量下降 明顯。孫建德等提出的基于ICA提取視頻特征的水印方法，可以較好地抵抗多種類型的時(shí) 間同步失真，還可以抵抗常見的光度攻擊，如壓縮等。但對(duì)于空間同步失真則沒有抵抗力。由上述論述可見，傳統(tǒng)的H. 264視頻水印技術(shù)對(duì)水印的嵌入和提取一般是在空 域，變換域和壓縮域，選擇合適的算法來進(jìn)行，雖然上述方法可以在一定程度上抵抗一類或 者多累失真，一定程度上具有較好的魯棒性和不可見性，但是很難達(dá)到使用者的滿意指標(biāo)， 都不能有效的同時(shí)抵抗空間同步失真和光度失真。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如視頻編輯等，視頻可 能經(jīng)歷多種變換和處理，光度失真、空間同步失真往往是同時(shí)發(fā)生的。因此，迫切需要研究 能同時(shí)有效抵抗空間同步失真和光度失真的視頻水印方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本技術(shù)方案提供了一種為數(shù)字視頻信號(hào)實(shí)時(shí)的添加 水印和提取水印的方法，通過分析H. 264協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在協(xié)議提供的輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段 插入用戶的水印信息，在不影響視頻質(zhì)量和碼流格式的情況下，保證了水印的魯棒性和不 可見性。本發(fā)明所述的基于H. 264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法，包括以下步驟嵌入步驟(1)對(duì)待嵌入的原始水印進(jìn)行預(yù)處理，包括對(duì)原始水印進(jìn)行編碼及加密；(2)對(duì)待嵌入水印的基于H. 264標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻的每一幀，搜索每一幀的網(wǎng)絡(luò)抽 象層(NAL)中輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段的標(biāo)識(shí)符，以此定位輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段在每 一幀中的位置；定位的方法為讀取待嵌入水印的H. 264視頻文件，并掃描該視頻流，尋找每一幀 中標(biāo)識(shí)符為00 00 00 01 06的字段，即輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段。如果搜索時(shí)沒有在該幀中找到輔助增強(qiáng)信息字段標(biāo)識(shí)符，則在該幀網(wǎng)絡(luò)抽象層中 添加輔助增強(qiáng)信息字段標(biāo)識(shí)符來代表輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段；(3)根據(jù)步驟(2)中定位的位置，將步驟(1)預(yù)處理后得到的水印信息作為輔助增 強(qiáng)信息嵌入到每一幀的輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段中；
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嵌入的方法為將步驟(1)預(yù)處理編碼后得到的水印信息插入到每一幀中搜索到 的標(biāo)識(shí)符00 00 00 01 06之后。提取步驟(1)對(duì)待提取水印的基于H. 264標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻的每一幀，搜索每一幀的網(wǎng)絡(luò)抽 象層(NAL)中輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段的標(biāo)識(shí)符，以此定位輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段在每 一幀中的位置；定位的方法為讀取待提取水印的H. 264視頻文件，并掃描該視頻流，尋找每一幀 中標(biāo)識(shí)符為00 00 00 01 06的字段，即輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段。(2)將每一幀的輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段中的輔助增強(qiáng)信息提取出來，并對(duì)其進(jìn) 行與嵌入步驟(1)相對(duì)應(yīng)的水印信息解密和解碼處理，獲得提取出來的水印；提取的方法為將每一幀中搜索到的標(biāo)識(shí)符00 00 00 01 06之后，直至下一個(gè)網(wǎng) 絡(luò)抽象層(NAL)頭之前的所有數(shù)據(jù)提取出來；(3)判斷各水印的正確性。利用本技術(shù)方案還可以對(duì)數(shù)字視頻中每隔一幀或一幀以上選擇一幀插入水印，對(duì) 選定的每幀都按照上述步驟進(jìn)行水印嵌入和提取。對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于；本發(fā)明充分利用了 H. 264標(biāo)準(zhǔn)里的可利用信息資源，SEI段是輔助增強(qiáng)信息，因此 對(duì)該字段的修改不會(huì)影響到視頻本身的質(zhì)量，并且其魯棒性和不可見性也很高，可以實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)的水印插入和提取。當(dāng)利用本技術(shù)方案選擇每幀都嵌入水印時(shí)，可有效地抵抗幀刪除 攻擊。本方法實(shí)現(xiàn)方式簡單，并具有較高的魯棒性和不可見性，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的 不能有效抵抗空間同步失真和光度失真的各種問題。本技術(shù)方案可用于版權(quán)歸屬判定或信 息隱藏夾帶傳輸?shù)取?br>

圖1為本技術(shù)方案的流程框圖；圖2為H. 264編碼視頻流的層次信息；圖3為測試文件test. 264與已嵌入水印的測試文件的碼流分析結(jié)果對(duì)比示意圖； 其中(a)為測試文件test. 264的碼流；(b)為已嵌入水印的測試文件的碼流；圖4為未嵌入水印的測試文件與已嵌入水印的測試文件的播放對(duì)比圖；其中(a) 為未嵌入水印的測試文件的碼流；(b)為已嵌入水印的測試文件的碼流。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本技術(shù)方案做進(jìn)一步解釋。本技術(shù)方案所述的基于H. 264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法，其總體流程框圖如 附圖1所示，根據(jù)技術(shù)方案，一個(gè)實(shí)施例實(shí)施的過程如下嵌入步驟(1)水印預(yù)處理，包括獲得水印的二進(jìn)制編碼并采用混沌加密或其他加密算法對(duì) 水印二進(jìn)制碼進(jìn)行加密，實(shí)施例中我們選取的水印信息為中文文字“視頻水印”，將其轉(zhuǎn)換 為二進(jìn)制碼，然后采用混沌加密算法對(duì)要嵌入的水印信息進(jìn)行加密，獲得二進(jìn)制水印信息。
(2)對(duì)待嵌入水印的數(shù)字視頻測試文件每一幀中網(wǎng)絡(luò)抽象層(NAL)中輔助增強(qiáng)信 息(SEI)字段進(jìn)行定位，即確定水印的嵌入位置。H. 264視頻文件是指所有遵從H. 264標(biāo)準(zhǔn)的視頻文件，這些文件無論編解碼器有 何不同，其視頻流都具有相同的格式。在H. 264中，分層結(jié)構(gòu)最大的不同是取消了序列層和 圖像層，并將原本屬于序列和圖像頭部的大部分句法元素游離出來形成序列和圖像兩級(jí)參 數(shù)集，其余的部分則放入片層。從概念上來說，NAL單元流格式是一個(gè)更為“基本”的類型。 由一系列稱為NAL單元的語法結(jié)構(gòu)組成，按照解碼順序排序。具體如附圖2所示。通過對(duì) 視頻流的掃描，尋找到標(biāo)識(shí)符為00 00 00 01 06的字段。(3)水印嵌入將嵌入步驟(1)獲得的編碼和加密后的水印信息嵌入到測試文件 碼流中每一幀的輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段。提取步驟(1)對(duì)已嵌入水印的H. 264視頻文件進(jìn)行碼流分析，對(duì)每一幀，定位到其網(wǎng)絡(luò)抽象 層(NAL)中輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段，(2)對(duì)每一幀，將該數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)提取出來，進(jìn)行與嵌入步驟(1)相應(yīng)的水印解密 和解碼；(3)判斷是否是水印信息。上述步驟中，如果發(fā)現(xiàn)視頻流中的某一幀沒有00 00 00 01 06標(biāo)識(shí)符，依據(jù) H. 264標(biāo)準(zhǔn)可知，對(duì)于一個(gè)原始的H. 264NALU單元常由[Start Code]、[NALUHeader]和 [NALU Payload]三部分組成，因此可以在該幀網(wǎng)絡(luò)抽象層(NAL)中添加00 00 00 01 06標(biāo) 識(shí)符來代表輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段。然后再依據(jù)上述步驟將水印信息嵌入。本實(shí)施例的仿真實(shí)驗(yàn)選取一個(gè)大小為216K的H. 264視頻文件test. 264作為測試 文件，共包含30幀圖像，每幀圖像大小為352X240。使用的水印信息為中文漢字“視頻水 印”。測試文件test. 264與已嵌入水印的測試文件的碼流分析結(jié)果對(duì)比示意圖如附圖3所 示。未嵌入水印的測試文件與已嵌入水印的測試文件的播放對(duì)比圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明可以正確提取水印信息“視頻水印”。本技術(shù)方案所述方法沒有修改圖像幀本身的任何數(shù)據(jù)，而是利用了與圖像播放質(zhì) 量無關(guān)的輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段，因此圖像質(zhì)量沒有任何的改變，并且可以抵抗高斯白 噪聲和幀剪裁等攻擊。而且每幀都嵌入了水印信息，因此本方法可以有效的抵抗幀刪除等 攻擊。綜上，仿真結(jié)果證明了本方案的可行性與可靠性。它在保證水印不可見的前提下， 對(duì)高斯白噪聲、幀刪除及幀剪裁攻擊具有很高的魯棒性，并能實(shí)時(shí)的進(jìn)行水印插入和提取。以上所述的具體描述，對(duì)發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說 明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范 圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，包括以下步驟嵌入步驟(1)對(duì)待嵌入的原始水印進(jìn)行預(yù)處理，包括對(duì)原始水印進(jìn)行編碼及加密；(2)對(duì)待嵌入水印的基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻的每一幀，搜索每一幀的網(wǎng)絡(luò)抽象層中輔助增強(qiáng)信息字段的標(biāo)識(shí)符，以此定位輔助增強(qiáng)信息字段在每一幀中的位置；如果搜索時(shí)沒有在該幀中找到輔助增強(qiáng)信息字段標(biāo)識(shí)符，則在該幀網(wǎng)絡(luò)抽象層中添加輔助增強(qiáng)信息字段標(biāo)識(shí)符來代表輔助增強(qiáng)信息字段；(3)根據(jù)步驟(2)中定位的位置，將步驟(1)預(yù)處理后得到的水印信息作為輔助增強(qiáng)信息嵌入到每一幀的輔助增強(qiáng)信息字段中；提取步驟(1)對(duì)待提取水印的基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻的每一幀，搜索每一幀的網(wǎng)絡(luò)抽象層中輔助增強(qiáng)信息字段的標(biāo)識(shí)符，以此定位輔助增強(qiáng)信息字段在每一幀中的位置；(2)將每一幀的輔助增強(qiáng)信息字段中的輔助增強(qiáng)信息提取出來，并對(duì)其進(jìn)行與嵌入步驟(1)相對(duì)應(yīng)的水印信息解密和解碼處理，獲得提取出來的水??；(3)判斷各水印的正確性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，嵌入 步驟(2)中定位輔助增強(qiáng)信息字段的方法為讀取待嵌入水印的H. 264視頻文件，并掃描該 視頻流，尋找每一幀中標(biāo)識(shí)符為00 00 00 01 06的字段，即輔助增強(qiáng)信息字段。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，嵌入 步驟(3)中，嵌入水印信息的方法為將步驟(1)預(yù)處理編碼后得到的水印信息插入到每一 幀中搜索到的標(biāo)識(shí)符00 00 00 01 06之后。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，提取 步驟(1)中定位輔助增強(qiáng)信息字段的方法為讀取待提取水印的H. 264視頻文件，并掃描該 視頻流，尋找每一幀中標(biāo)識(shí)符為00 00 00 01 06的字段，即輔助增強(qiáng)信息字段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，提 取步驟(2)中提取輔助增強(qiáng)信息的方法為將每一幀中搜索到的標(biāo)識(shí)符00 00 00 01 06之 后，直至下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)抽象層頭之前的所有數(shù)據(jù)提取出來。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法，其特征在于，利用 本技術(shù)方案還可以對(duì)數(shù)字視頻中每隔一幀或一幀以上選擇一幀插入水印，對(duì)選定的每幀都 按照權(quán)利要求1所述步驟進(jìn)行水印嵌入和提取。
全文摘要
本技術(shù)方案提供了一種基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水印方法，通過分析H.264協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，利用了H.264標(biāo)準(zhǔn)里的可利用信息資源，將預(yù)處理編碼后得到的水印信息作為輔助增強(qiáng)信息嵌入到每一幀的輔助增強(qiáng)信息(SEI)字段中；在不影響視頻質(zhì)量和碼流格式的情況下，保證了水印的魯棒性和不可見性。可有效地抵抗幀刪除攻擊。本方法實(shí)現(xiàn)方式簡單，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能有效抵抗空間同步失真和光度失真的各種問題。本技術(shù)方案可用于版權(quán)歸屬判定或信息隱藏夾帶傳輸?shù)取?br> 文檔編號(hào)H04N7/24GK101860744SQ20101020772
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者周幸福, 蘇廣川, 趙杰, 高飛 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)