基于H.264标准运动矢量的脆弱性水印嵌入和提取方法

摘要

一种信息安全技术领域的基于H.264标准运动矢量的脆弱性水印嵌入和提取方法，在I帧前一个P帧的运动矢量中选择性地嵌入水印信息，水印容量大并且保真度高；水印信息包含帧号和时间戳，并使用对称密码算法加密，具有抗攻击性并可在一定精度上定位视频的篡改；实施过程位于压缩域并且计算复杂度低，对视频编码比特率影响很小。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种信息安全技术领域的方法，具体是一种基于H.264/AVC数字视频编解码器标准运动矢量的脆弱性水印嵌入和提取的方法。

背景技术

随着计算机通信技术的迅速发展、互联网应用的普及、信息媒体的数字化，使得数字图像、音乐、视频作品在网络上的发布、传播和交换愈加普遍。然而，数字多媒体产品易于无损复制、分发的特性，使得通过网络快速随意批量传播多媒体产品的现象普遍存在。数字水印技术作为信息的可以有效解决数字版权保护的技术手段之一，近年来已成为信息处理与信息安全领域研究的热点。

数字水印技术，是将水印信息通过一定的方法嵌入到宿主数据中。水印的存在要以不破坏原有数据的欣赏价值、使用价值为原则，并且要求即使含有水印的信息被一定程度的改变(攻击)，仍能正确检测或提取出来。在数字水印技术当中，视频水印技术由于其自身所具有的研究价值和潜在的市场需求备受学者和科研机构的关注。但由于现在的视频压缩编码标准为水印算法的设计带来一定的局限性，使得视频水印技术的发展略显滞后。

目前正在应用的视频压缩标准包括MPEG-x、H.26x、AVS等，H.264也被称为MPEG-4 Part10或AVC(高级视频编码)是最新提出的高度压缩数字视频编解码器标准。相对以前的编解码标准而言，H.264能够更为有效的进行编码，在低比特率传输环境中，提供较好的视频质量。同时，H.264标准能够应用于组播、DVD存储等各种网络和系统中，可适应性极佳。H.264以其优越性必将成为主流的视频标准，基于该标准的数字视频水印也具有广阔的发展空间。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101854546，公开日2010-10-06，记载了“一种基于H.264运动矢量的视频水印嵌入提取方法”，该技术选择的嵌入位置为P帧的运动矢量，具体嵌入水印的P帧帧号由密钥生成的伪随机序列确定，但因P帧的误差积累会使视频的视觉效果受到一定影响。中国专利文献号CN101860744，公开日2010-10-13，则记载了一种“基于H.264标准的实时数字视频水印方法”，该技术利用网络抽象层中(即H.264/AVC影像编码标准的一部分Network Abstraction Layer)的辅助增强信息字段嵌入数字水印，但因嵌入位置固定使得水印在隐蔽性和抗攻击性上有一定的缺陷。Noorkami等人于2005年在国际会议ICIP上发表文章《Compressed-domain video watermarking for H.264》，将水印信息嵌入I帧中经过量化后的AC系数中，但这种方法因水印容量较小受到一定的制约。

由上述论述可见，针对H.264标准嵌入水印的可选位置较多，但如何在保证水印的隐蔽性和嵌入容量的同时，尽可能避免对视觉效果的影响，提高保真度，是视频信息隐藏技术面临的挑战。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于H.264标准运动矢量的脆弱性水印嵌入和提取方法，在I帧前一个P帧的运动矢量中选择性地嵌入水印信息，水印容量大并且保真度高；水印信息包含帧号和时间戳，并使用对称密码算法加密，具有抗攻击性并可在一定精度上定位视频的篡改。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于H.264标准运动矢量的脆弱性水印嵌入方法，包括以下步骤：

第一步、读取待嵌入的H.264编码视频文件，提取后续将嵌入水印的视频帧帧号序列{P₁，P₂，......，P_n}，n为包含水印的视频帧总数。

所述的后续将嵌入水印的视频帧是指每个关键帧的前一个P帧，也即一个图像组中的最后一个P帧。

所述的图像组是指：以I帧为起始至下一个I帧前的所有帧所组成的集合。

第二步、针对每个将嵌入水印的P帧P_i，提取特定信息并加密得出最终嵌入的水印数据w_i，具体为：

a)基于当前P帧帧号P_i，提取其前一个与后一个将嵌入水印的P帧帧号P_i-1、P_i+1，将三个帧号拼接即为定位帧号信息；

b)计算嵌入水印时间点的认证性时间戳TS；

所述的时间戳是指从格林威治时间1970年01月01日00时00分00秒起，至该视频被嵌入水印的时刻的总秒数。

c)以定位帧号信息和时间戳作为明文信息，以用户输入的口令作为密钥，执行对称加密算法得出相应的水印数据w_i；

d)在水印数据w_i之前添加可识别标签R_i即得到最终需要嵌入的隐藏信息。

第三步、处理待嵌入的H.264编码视频文件，定位到每一个需要嵌入水印的P帧，修改符合条件的运动矢量。待视频帧帧号序列{P₁，P₂，......，P_n}中的所有P帧均嵌入完毕，即获得含有隐藏信息的H.264编码视频文件。

所述的符合条件的运动矢量是指需要嵌入水印的P帧内所有的运动矢量中，大于预设阈值的运动矢量的集合。

所述的修改符合条件的运动矢量是指通过合理地修改运动矢量的值，使其具有一定的奇偶性。针对二次编码过程中处理到的符合条件的运动矢量，需按序逐一嵌入隐藏信息，具体公式为

其中：MV_ix为第i个运动矢量的水平分量，D_i为需要嵌入的隐藏信息的第i位。

本发明涉及一种基于H.264标准运动矢量的脆弱性水印提取方法，具体包含以下步骤：

第一步、读取含有隐藏信息的H.264编码视频文件，遍历其中的每一个P帧，通过判断是否包含可识别标签确定某一帧是否含有水印数据。若有，则提取出其中的水印数据w_i’，同时生成包含水印的视频帧帧号序列{P₁’，P₂’，......，P_m’}，m为包含水印的视频帧总数。

按照编码顺序提取出P帧中大于所述预设阈值的运动矢量，并根据运动矢量的奇偶性判断得出二进制序列，判断这个二进制序列的前部与序列“0111110”是否相同。

所述的判断得出二进制序列的具体公式为：D_i为提取出的隐藏信息的第i位，MV_ix为第i个运动矢量的水平分量。

所述的提取出其中的水印数据是指以除去可识别标签的二进制序列为密文，用户输入的口令为密钥，执行对称解密算法得出水印数据w’。

第二步、对视频帧P_i’中提取出的水印数据w_i’进行分析，根据水印的正确与否判断视频是否被篡改，具体为：

a)提取水印数据w_i’中包含的定位帧号信息，并分离得到帧号P_i-1、P_i和P_i+1。将三者与实际包含水印的视频帧帧号序列{P₁’，P₂’，......，P_m’}进行比对，如三者与P_i-1’、P_i’和P_i+1’一一对应，则通过该步验证；否则通过与该序列匹配，可以在一定程序上定位到视频遭到篡改的部分。

b)提取水印数据w_i’中包含的时间戳信息TS’，可作为水印嵌入时间点的认证性信息。至此隐藏信息检测结束。

本发明的嵌入方法就是将隐藏信息嵌入到特定P帧内的运动矢量中。按照上述规范生成隐藏信息，而后通过嵌入到每个I帧(除首个)的前一个非关键P帧内大于预设阈值的运动矢量中，最大程度上避免了P帧的误差累积效应，具有很好的保真度；每个图像组中均包含一个含有隐藏信息的P帧，保证了水印数据的冗余度和抗裁剪性，加上P帧中运动矢量数量较多，提供了较大的水印容量；水印信息中同时包含有嵌入帧帧号、前一个与后一个嵌入帧帧号，在一定程度上可用于检测视频中针对帧置乱、帧丢失、帧替换等攻击，具有定位效果；最终嵌入的水印数据以用户口令为密钥，经过对称加密算法加密，增强了水印数据的隐秘性和抗伪造能力，其中的时间戳也可作为认证信息利用；由于在压缩域中通过修改运动矢量嵌入隐藏信息，嵌入和提取的计算复杂度极低，对视频编码比特率影响很小。

附图说明

图1是本发明嵌入步骤流程图。

图2是本发明提取步骤流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，嵌入隐藏信息流程具体步骤为：

第一步、读取待嵌入的H.264编码视频文件，提取后续将嵌入水印的视频帧帧号序列{P₁，P₂，......，P_n}，n为包含水印的视频帧总数。

所述的后续将嵌入水印的视频帧是指每个关键帧的前一个P帧，也即一个图像组(GOP，从一个I帧开始，直到但不包括下一个I帧的一系列帧)中的最后一个P帧。

第二步、针对每个将嵌入水印的P帧P_i，提取特定信息并加密得出最终嵌入的水印数据w_i，具体为：

a)基于当前P帧帧号P_i，提取其前一个与后一个将嵌入水印的P帧帧号P_i-1、P_i+1，将三个帧号拼接即为定位帧号信息；

b)计算嵌入水印时间点的认证性时间戳TS；

所述的时间戳是指从格林威治时间1970年01月01日00时00分00秒起至嵌入水印的时间点的总秒数。

c)每个帧号用16bit表示，时间戳用32bit表示，四个数据之间采用序列“0111110”分隔，这样即得到明文二进制序列；

d)以用户输入的口令作为密钥，执行128bit-AES加密算法加密明文二进制序列得出相应的水印数据w_i；

e)以序列“0111110”作为可识别标签R_i，将其添加在水印数据之前，即得到最终需要嵌入的隐藏信息。

第三步、处理待嵌入的H.264编码视频文件，定位到每一个需要嵌入水印的P帧，修改符合条件的运动矢量。待视频帧帧号序列{P₁，P₂，......，P_n}中的所有P帧均嵌入完毕，即获得含有隐藏信息的H.264编码视频文件。

所述的符合条件的运动矢量是指需要嵌入水印的P帧内所有的运动矢量中，大于预设阈值的运动矢量的集合。

所述的修改符合条件的运动矢量是指：通过修改运动矢量的奇偶性值以嵌入隐藏信息，具体公式为：其中：MV_ix为第i个运动矢量的水平分量，D_i为需要嵌入的隐藏信息的第i位。

如图2所示，提取隐藏信息流程具体步骤为：

第一步、读取含有隐藏信息的H.264编码视频文件，遍历其中的每一个P帧，通过判断是否包含可识别标签确定某一帧是否含有水印数据。若有，则提取出其中的水印数据w_i’，同时生成包含水印的视频帧帧号序列{P₁’，P₂’，......，P_m’}，m为包含水印的视频帧总数。

所述的判断是否包含可识别标签是指：按照编码顺序提取出P帧中大于所述预设阈值的运动矢量，并根据运动矢量的奇偶性判断得出二进制序列，判断这个二进制序列的前部与序列“0111110”是否相同即可。

所述判断得出二进制序列的具体公式为：其中：D_i为提取出的隐藏信息的第i位，MV_ix为第i个运动矢量的水平分量。

所述的提取出其中的水印数据是指以除去“0111110”后的二进制序列为密文，用户输入的口令为密钥，执行128bit-AES解密算法得出水印数据w’。

第二步、对视频帧P_i’中提取出的水印数据w_i’进行分析，根据水印的正确与否判断视频是否被篡改，具体为：

a)提取水印数据w_i’中包含的定位帧号信息，并依据分隔序列“0111110”分离得到帧号P_i-1、P_i和P_i+1。将三者与实际包含水印的视频帧帧号序列{P₁’，P₂’，......，P_m’}进行比对，如三者与P_i-1’、P_i’和P_i+1’一一对应，则通过该步验证；否则通过与该序列匹配，可以在一定程序上定位到视频遭到篡改的部分。

b)依据分隔序列“0111110”提取出水印数据w_i’中包含的时间戳信息TS’，再由真实嵌入水印时间点计算时间戳TS，判断TS’与TS是否相同，如若相同可证明视频片段有效，否则视频片段无效。至此隐藏信息检测结束。

该实施例中采用的基于H.264标准运动矢量的脆弱性水印嵌入和提取方法针对采用H.264数字编解码标准的视频，编解码标准中P帧采用运动矢量实现前向预测、I帧采用帧内预测的原理是该方法提出的重要因素。采用上述方法进行隐藏信息的嵌入和提取，能够在较低的计算复杂度下保证水印容量和隐蔽性，同时具有很高的保真度。

该实施例在选择嵌入隐藏信息的视频帧时充分利用了H.264标准的原理，仅在每个I帧(除首个)的前一个非关键P帧内大于预设阈值的运动矢量中嵌入信息。由于P帧采用前向预测，该方法在最大程度上避免了P帧的误差累积效应。加之I帧采用帧内预测重构图像，使得受到嵌入信息影响的视频帧极少，很好的保证了视频的保真度。

利用该实施例嵌入隐藏信息后，可以保证每个图像组中均包含一个含有隐藏信息的P帧，保证了水印数据的冗余度和抗裁剪性，只要裁剪分段的长度涵盖一个图像组，即可从中提取出一个包含水印的视频帧。另外，P帧中的运动矢量数量较多，也为水印容量提供了保证。

水印信息的构造过程中除包含嵌入帧的帧号外，还加入了前一个与后一个嵌入帧的帧号，将提取出的包含水印的视频帧帧号序列与水印中的三个帧号进行匹配，能够在一定程序上检测出视频中针对针置乱、帧丢失、帧替换等攻击，并能够在一定精度内实现篡改定位。

在本实施例中最终嵌入的隐藏信息并非明文，而是采用了128bit-AES加解密算法来保证水印信息的机密性，时间戳作为常用的认证性信息在本实施例中也加以利用。AES算法需要用户输入口令作为密钥，而只有视频所有者才拥有口令，因此能够实现对用户身份的认证。作为对称密码算法，AES算法较常用的DES算法更为安全，实现速度较快，使得本实施例执行过程的时延较小。

从原理上讲，本实施例在压缩域中通过修改运动矢量的奇偶性实现对隐藏信息的嵌入，嵌入和提取算法的计算复杂度极低。另外，修改奇偶性的方式并未增加额外数据，对视频编码比特率的影响很小。

采用本实施例的方法针对H.264数字编解码标准视频进行隐藏信息的嵌入，对于新生成的含有隐藏信息的视频在视频画面上保真度很高，在音频质量上则没有任何失真，因此从视觉和听觉效果上几乎无法区分出该视频在嵌入隐藏信息前后的差异性；该实施例中采用的嵌入和提取隐藏信息的方法配合使用，可以有效的甄别该含有隐藏信息的视频是否受到过有意的攻击，是否存在诸如视频帧丢失、帧置乱和帧修改等情况；该实施例中的水印信息引入了时间戳认证，并使用AES算法加密，保证了隐藏信息的机密性；另外，该实施例方法计算复杂度低、嵌入水印容量大，并且冗余度高。