一种MPEG-2压缩域视频脆弱水印嵌入及检测方法

摘要

本发明公开了一种MPEG‑2压缩域视频脆弱水印嵌入及检测方法，利用MPEG‑2解码器对MPEG‑2视频码流按照MPEG‑2视频编码标准进行解析，根据I帧视频的宏块数据，分别统计亮度块Y分量、色度块U分量和V分量经DCT变换和量化后非零系数数目，并根据映射关系计算亮度块Y分量能量差统计值；经Arnold变换加密生成二进制水印信息，嵌入视频码流。本发明根据视频宏块内容生成水印，为MPEG‑2数字产品提供可靠的水印嵌入和检测，且细微攻击即可察觉；水印嵌入检测基于压缩域，对视频质量无影响，计算复杂度低，实时性好；检测水印不需要原始视频，属于盲水印方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种视频压缩域脆弱水印，尤其涉及的是一种MPEG-2压缩域视频脆弱水印嵌入及检测方法。

背景技术

视频脆弱水印技术是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支。计算机多媒体技术的迅猛发展，方便了存储、编辑、传输视频等多媒体信息，同时也引发了多媒体信息的传输安全和版权保护问题。如何防止多媒体信息非法篡改、伪造，保障数据完整性，使得视频脆弱水印成为多媒体信息安全领域的研究热点。

MPEG-2是由MPEG组织制定的视频和音频有损压缩标准，特别适用于广播质量的数字电视的编码和传送，广泛应用于无线数字电视、DVB(Digital Video Broadcasting，数字视频广播)、数字卫星电视、DVD(Digital Video Disk，数字化视频光盘)等。

目前已提出的视频脆弱水印方法有：

(1)非压缩域脆弱水印，该方案将水印直接嵌入到原始的视频图像中，形成含有水印信息的原始视频，然后再进行视频编码。该方案可利用现有大量图像处理算法嵌入水印，算法易实现。

(2)编码域脆弱水印，该方案在编码时利用修改视频的DCT系数嵌入水印。由于水印嵌入操作是在编码过程中进行的，该方案对视频流的比特率影响较小，且易于利用相应的视频编码标准特性嵌入水印。

(3)压缩域脆弱水印，该方案直接在压缩域嵌入或检测水印。在编码后的视频中嵌入水印不需要解码和重新编码，算法复杂度相对较低。

但非压缩域脆弱水印和编码域脆弱水印对于已压缩的视频信息均需要先进行解码，嵌入水印后重新编码，不但降低了视频质量，而且计算度复杂，不满足视频码流传输的实时性。现有的压缩域脆弱水印主要通过调制运动矢量或者中低频DCT系数嵌入水印，修改了视频信息，存在实时性和视频质量有损等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种MPEG-2压缩域视频脆弱水印嵌入及检测方法，为MPEG-2数字产品提供可靠的水印嵌入和检测。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种MPEG-2压缩域视频脆弱水印嵌入方法，其包括以下步骤：

(1)利用MPEG-2解码器对MPEG-2视频码流按照MPEG-2视频编码标准进行解析，设定I帧视频有N个宏块，则统计N个宏块中亮度块Y分量经DCT变换和量化后非零系数数目为M_Y；

(2)统计N个宏块中色度块U分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_U；

(3)统计N个宏块中色度块V分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_V；

(4)按照映射关系统计亮度块Y分量能量差统计值M_E；

(5)将M_Y、M_U、M_V和M_E分别进行16位二进制化处理，而组成一个64位二进制序列，经Arnold变换加密，得到二进制加密水印M_K；

(6)将二进制加密水印M_K嵌入到当前I帧视频码流数据尾部，得到含水印的视频流。

进一步方案，所述步骤(1)中统计N个宏块中亮度块Y分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_Y的方法包括以下步骤：

(1)先统计第i个8x8宏块中亮度块Y分量经DCT变换和量化后非零系数数目Y_i，其中，i＝1,2,…,N；

(2)再根据Y_i计算N个宏块中亮度块Y分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_Y：

$M_Y=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{Y}_i$

进一步方案，所述步骤(2)中统计N个宏块中色度块U分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_U的方法包括以下步骤：

(1)先统计第i个8x8宏块中色度块U分量经DCT变换和量化后非零系数数目U_i，其中，i＝1,2,…,N；

(2)再根据U_i计算N个宏块中色度块U分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_U：

$M_U=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{U}_i$

进一步方案，所述步骤(3)中统计N个宏块中色度块V分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_V的方法包括以下步骤：

(1)先统计第i个8x8宏块中色度块V分量经DCT变换和量化后非零系数数目V_i，其中，i＝1,2,…,N；

(2)再根据V_i，计算N个宏块中色度块V分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_V：

$M_V=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{V}_i$

进一步方案，所述步骤(4)中按照映射关系统计亮度块Y分量能量差统计值M_E的方法包括以下步骤：

(1)根据第i个8x8宏块中亮度块Y分量DCT变换系数，计算第i个8x8宏块中亮度块Y分量的能量E_i：

$E_i=\underset{b=0}{\overset{7}{\Sigma }}\underset{b=0}{\overset{7}{\Sigma }}|D(a,b){|}^2$

式中，i＝1,2,…,N，a,b＝0,1,…,7，D(a,b)为8x8亮度块Y分量经DCT变换得到的第a行第b列处的系数值；

(2)比较第i个8x8宏块中亮度块Y分量的能量E_i和第N-i+1个8x8宏块中亮度块Y分量的能量E_N-i+1，如果E_i大于E_N-i+1，则N个宏块中亮度块Y分量能量差统计值M_E加1，M_E初始值为0。

本发明的另一个发明目的是提供对上述的一种MPEG-2压缩域视频脆弱水印嵌入后的检测方法，其包括以下步骤：

(1)利用MPEG-2解码器对含水印的MPEG-2视频码流按照MPEG-2视频编码标准进行解析，设定I帧视频有N个宏块数据，则统计N个宏块中亮度块Y分量经DCT变换和量化后非零系数数目M′_Y；

(2)统计N个宏块中色度块U分量经DCT变换和量化后非零系数数目M′_U；

(3)统计N个宏块中色度块V分量经DCT变换和量化后非零系数数目M′_V；

(4)按照映射关系统计亮度块Y分量能量差统计值M′_E；

(5)将M′_Y、M′_U、M′_V和M′_E分别进行16位二进制化处理，组成一个64位二进制序列，经Arnold变换加密，得到二进制加密认证水印M′_K；

(6)比较加密认证水印M′_K和当前I帧视频码流尾部嵌入的加密水印M_K，如果M′_K等于M_K，则当前I帧视频内容未遭篡改；否则，当前I帧视频内容遭篡改。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明根据视频宏块内容生成水印，细微攻击即可察觉，对视频信息的实时性和视频质量均没有影响；

2、本发明对水印嵌入的检测是基于压缩域，对视频质量无影响，计算复杂度低，实时性好；另外，检测水印不需要原始视频，属于盲水印方法。

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。

一种MPEG-2压缩域视频脆弱水印嵌入方法，其包括以下步骤：

(1)利用MPEG-2解码器对MPEG-2视频码流按照MPEG-2视频编码标准进行解析，设定I帧视频有N个宏块，则先统计第i个8x8宏块中亮度块Y分量经DCT变换和量化后非零系数数目Y_i，其中，i＝1,2,…,N；再根据Y_i计算N个宏块中亮度块Y分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_Y：

$M_Y=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{Y}_i$

(2)统计N个宏块中色度块U分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_U；

先统计第i个8x8宏块中色度块U分量经DCT变换和量化后非零系数数目U_i，其中，i＝1,2,…,N；再根据U_i计算N个宏块中色度块U分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_U：

$M_U=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{U}_i$

(3)统计N个宏块中色度块V分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_V；

即先统计第i个8x8宏块中色度块V分量经DCT变换和量化后非零系数数目V_i，其中，i＝1,2,…,N；再根据V_i，计算N个宏块中色度块V分量经DCT变换和量化后非零系数数目M_V：

$M_V=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{V}_i$

(4)按照映射关系统计亮度块Y分量能量差统计值M_E；

即先根据第i个8x8宏块中亮度块Y分量DCT变换系数，计算第i个8x8宏块中亮度块Y分量的能量E_i：

$E_i=\underset{b=0}{\overset{7}{\Sigma }}\underset{b=0}{\overset{7}{\Sigma }}|D(a,b){|}^2$

式中，i＝1,2,…,N，a,b＝0,1,…,7，D(a,b)为8x8亮度块Y分量经DCT变换得到的第a行第b列处的系数值；

然后比较第i个8x8宏块中亮度块Y分量的能量E_i和第N-i+1个8x8宏块中亮度块Y分量的能量E_N-i+1，如果E_i大于E_N-i+1，则N个宏块中亮度块Y分量能量差统计值M_E加1，M_E初始值为0；

(5)将M_Y、M_U、M_V和M_E分别进行16位二进制化处理，而组成一个64位二进制序列，按照8位二进制数一行，生成8x8矩阵W_8x8，经Arnold变换得到二进制加密水印M_K，变换>

x′＝(x+y)mod 8

y′＝(x+2y)mod 8

式中，x，y为矩阵W_8x8元素下标，x′，y′为经Arnold变换后的矩阵新下标，x,y＝0,1,…,7,mod为求余；

(6)将二进制加密水印M_K嵌入到当前I帧视频码流数据尾部，得到含水印的视频流。

对经MPEG-2压缩域视频脆弱水印嵌入后的检测方法，其包括以下步骤：

(1)对含水印的MPEG-2视频码流，利用MPEG-2解码器按照MPEG-2视频编码标准进行解析，根据解析出来的I帧视频的N个宏块数据，统计N个宏块中亮度块Y分量经DCT变换和量化后非零系数数目M′_Y；

(2)统计N个宏块中色度块U分量经DCT变换和量化后非零系数数目M′_U；

(3)统计N个宏块中色度块V分量经DCT变换和量化后非零系数数目M′_V；

(4)按照映射关系统计亮度块Y分量能量差统计值M′_E；

(5)将M′_Y、M′_U、M′_V和M′_E分别进行16位二进制化处理，组成一个64位二进制序列，经m次Arnold变换加密，得到二进制加密认证水印M′_K；

(6)比较加密认证水印M′_K和当前I帧视频码流尾部嵌入的加密水印M_K，如果M′_K等于M_K，则当前I帧视频内容未遭篡改；否则，当前I帧视频内容遭篡改。

本发明视频I帧每个8x8宏块亮度和色度数据生成水印，信息丰富且独立，细微攻击即可察觉；水印嵌入过程不修改视频数据，对视频质量无影响；通过视频码流解析数据生成水印，嵌入和检测均在压缩域进行，过程简单，计算复杂度低，不需要参数选择及设置；水印检测过程不需要原始视频，属于盲水印。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。