专利名称：一种视频数据复制控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种视频数据复制控制系统及方法，特别是一种向视频数据中加入固定水印和可变水印，构成防止视频数据被非法复制的视频数据复制控制系统及方法。
背景技术：
随着信息技术和计算机网络的飞速发展，数字信息(图像、文本、音频、视频)的存储、复制与传播变得非常方便。人们不但可以通过互联网络和CD-ROM方便快捷地获得多媒体信息，还可以得到与原始数据完全相同的复制品。但是由此引发的盗版问题和版权纷争已成为日益严重的社会问题。
传统的加密方法对多媒体内容的保护和完整性认证也具有一定的局限性。首先，加密方法只用在通信的信道中，一旦被解密，则信息就完全变成明文；另外，密码学中的完整性认证是通过数字签名方式实现的，它并不是直接嵌到多媒体信息之中，因此无法察觉信息在经过加密系统之后的再次传播与内容的改变。这样，数字水印技术作为加密技术的补充，在多媒体信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛的发展。
当今，数字化信息产品发展面临着非法侵权盗版和恶意篡改的挑战，为了解决这一问题，近几年，国际上提出了一种新的有效的数字产品版权保护和数据维护的技术，即多媒体数字水印技术。与钞票水印相类似，这是一种将特制的不可见的标记，利用数字内嵌的方法隐藏在数字图象、声音、文档、图书、视频等数字产品中，用以证明原创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。同时通过对水印的探测和分析保证数字信息的完整性和可靠性，从而成为保护作者权益的有效手段。这一先进技术已开始应用于数字图象、数字视频、数字音频等多种媒体信息的版权保护和真伪认证系统。
根据在实际应用中水印信息对处理或攻击的敏感性可将数字水印分为鲁棒性水印和脆弱性水印技术。鲁棒性水印技术将特定信息嵌入到载体信息内部，在满足感知不易察觉特性的同时，又具有鲁棒性和抗攻击能力，在经历一系列的信号处理过程或攻击后，仍能够准确地提取和识别，因此该技术多用于强调特定信息存在性的版权保护，数字指纹等应用系统。而脆弱性水印技术虽然同样具有感知不易察觉特性，但它对载体信息所经历的信号处理和攻击很敏感，多用于进行真实性和完整性检测的认证系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制视频数据复制的系统和方法，该系统和方法在视频数据的复制过程中加入固定水印和可变水印信息，并通过视频水印检测系统产生控制信号直接控制视频数据记录设备的驱动系统，以防止非法复制视频数据。
根据本发明的一个方面，提供一种视频数据复制控制系统，包括视频复合水印嵌入系统，用于将固定和可变两种不同特性的水印嵌入视频信源；视频水印提取检测系统，用于检测视频数据中嵌入的固定和可变水印信息，以确定视频信源的允许复制状态；和视频水印修改系统，用于根据水印提取检测系统检测的视频信源的允许复制状态修改可变水印信息。
根据本发明的另一个方面，提供一种控制视频数据复制的方法，包括步骤向要记录的视频数据中嵌入与视频数据有关的固定水印信息；压缩嵌入了固定水印信息的视频数据；向压缩的视频数据中嵌入表示视频数据的允许复制状况的可变水印信息。
根据本发明的另一个方面，提供一种控制视频数据复制的方法，包括步骤在复制视频数据前检测可变水印信息以确定有关视频数据的允许复制状况；如果可变水印信息表示“禁止复制”视频数据，则禁止复制该视频数据；如果可变水印信息表示“一代复制”视频数据，则修改所述可变水印信息，使其表示“不再复制”视频数据，并将视频数据与修改后的水印信息一同记录在记录媒体上；如果可变水印信息表示“自由复制”视频数据，则不改变可变水印信息，并将可变水印信息和视频数据记录在记录媒体上。
本发明复合视频水印系统与视频编码器和解码器相结合，其由视频水印嵌入系统、视频水印提取检测和修改子系统和相应的控制部件等几部分构成。通过视频水印检测系统产生控制信号直接控制可录视频数据记录设备的驱动系统，达到防止非法复制的目的。
图1是表示根据本发明的数字水印嵌入的流程图；图2是根据本发明实施例的视频数据复制控制系统的方框图；图3是根据本发明实施例的视频数据复制控制系统的复合水印嵌入系统的方框图；图4是根据本发明实施例的固定水印嵌入装置的方框图；图5是根据本发明实施例的可变水印嵌入装置的方框图；图6是根据本发明实施例的DVD刻录设备中复合水印检测控制系统的方框图；图7是根据本发明实施例的可变水印信息提取器的方框图；图8是根据本发明实施例的固定水印信息提取器的方框图；图9是根据本发明实施例的视频水印修改系统的方框图；图10是根据本发明实施例的固定水印信息图像构造过程的流程图；图11是根据本发明实施例的水印信息嵌入数据图像构成的示意图；图12是根据本发明实施例的可变水印信息嵌入系统的方框图；图13是根据本发明实施例的图像分区的示意图；图14是根据本发明实施例的可变水印提取检测器的方框图；图15是根据本发明实施例的可变水印信息修改器的方框图；和图16是根据本发明实施例的控制视频数据复制及更改可变水印的流程图。
具体实施例方式
DHSG组针对数字水印技术在视频产品版权保护中的应用特点，总结性地提出了一些系统建议和相应的技术要求，并给出了视频水印系统中水印信息嵌入、基本重放控制、基本录制控制以及一次复制控制的基本流程。图1示出了在视频数据中嵌入水印的过程，首先在视频信源中嵌入水印，将特定信息载入视频数据内部，用以证明视频数字产品的合法性。然后对嵌入有水印的视频数据进行压缩，在经压缩的视频数据中再嵌入防止视频数据被非法复制的水印。通过物理或电子传输将嵌入两种水印的视频数据流提供给制作设备以制成视频数字产品。在重放过程中，重放设备检测数字视频产品中的水印信息，如果水印信息中存在“禁止复制(never-copy)”信息且媒体介质为刻录介质，则禁止重放操作；如果水印信息中存在“禁止复制(never-copy)”或“不再复制(No-more-copy)”信息，则禁止录制；如果水印信息中存在“一代复制(One-copy)”信息，则可进行录制，并将可录介质上的水印状态调整为“不再复制(No-more-copy)”。
在上述几种基本功能中，最具特色的是一代复制控制(One GenerationCopy Control)机制。一代复制是指视频数据刻录控制系统应允许用户利用标有“一代复制(One-Copy)”水印信息的信源载体(例如光盘或经网络传输的视频码流)进行复制刻录，而经视频数据刻录设备输出的光盘碟片，其视频码流中的水印信息将被调整为“不再复制”状态，如果试图再利用这种嵌有“不再复制”信息的碟片作为信源载体进行复制，复制刻录控制系统将拒绝刻录，从而达到禁止个人进行复制盗版的目的。
该方法充分利用了嵌入视频数据流中的数字水印信息，分别对可录视频播放器中的重放、录制、一代复制进行有效控制，增强对可录视频播放器版权保护的功能，从技术上防止人们利用通用可录视频数据记录设备进行个人自行复制和盗版。
下面以数字视盘DVD为例说明复合水印DVD复制控制系统。在DVD复制控制系统中，引入数字水印技术使特定的控制信息与实际视频码流相结合，而不易被各种处理或编辑手段所消除，同时隐藏在视频码流之中的水印信息，不会增加信道传输负载，不影响现有视频编解码设备的使用。上面提出的三种基本功能中，重放和基本录制功能在复制过程中不应被改变，适于利用鲁棒性水印技术来实现。而对于一代复制控制功能，需要对已嵌入DVD数据流中的水印信息进行修改，这对于通常采用的鲁棒性视频水印技术是很难实现的，这是因为一旦水印信息可以被修改，则意味着嵌入视频中的水印信息可以通过修改的方式进行删除，这不符合鲁棒性水印技术的基本特性。为了使整体复制控制系统中的水印信息增加可以修改的因素，本发明设计的复合水印DVD复制控制系统，同时引入鲁棒性和脆弱性水印两种技术，形成固定和可变的两类水印信息嵌入到视频信息之中，构成针对可录DVD复制控制的视频水印系统。
根据本发明的实施例，复合水印系统将基本水印信息分为两部分，例如设定为8比特。一部分信息，例如7比特，在整个视频信息播放录制过程中不作任何改变。这7比特固定水印信息将利用鲁棒性水印技术实现，它将随DVD数据流经过播放、录制或其他一些有意或无意的处理后，仍能够被完整地检测出来。而另一部分信息作为可变水印信息，例如1比特，由脆弱水印技术实现，并结合固定水印信息完成一代复制控制功能，从而整体构成7+1比特的复合水印复制控制系统。但本发明不局限于此，也可根据需要，例如所要表示的信息内容和可允许复制的代数来采用其它数量的比特构成基本水印信息。
下面的表1中给出了8比特基本水印信息分配和代表信息 在表1中， 表示该位为可变水印，X表示水印信息为‘0’或‘1’。其中第一位(B7)为可变水印信息，表示视频码流中脆弱水印信息的完整性。如果脆弱水印信息完整存在，则检测结果为“1”，否则检测结果为“0”。本发明的视频数据复制控制系统利用性能灵敏的脆弱水印对视频码流信息完整性的认证来实现对视频数据的完整性和真实性的保护，同时又利用对其实施自主的调整，修正已有的脆弱水印信息，实现一代复制控制的功能。后面的7位(B6～B0)为固定水印信息，将承载固定的系统控制信息，由水印检测器从码流中提取的水印信息的数值表示，它们将不会因视频码流的变化而变化。将两种水印信息结合就可以实现CFP1.0中提出包括一代复制控制在内的基本功能。
下面参考图2详细描述根据本发明实施例的视频数据复制控制系统。为了实现CFP1.0所提出的各种基本功能和要求，整个视频数据复制控制系统由复合视频水印系统与视频数据编码器和解码器相结合。在本实施例中以MPEG-2核心编码器和解码器为例进行描述，但本发明不限于此。根据本发明的视频数据复制控制系统由视频水印嵌入系统21，视频水印提取检测系统22、以及视频水印修改系统23三个主要部分，并通过视频水印检测系统产生控制信号直接控制可录DVD设备的驱动系统，达到防止非法复制的目的。如图2所示，复合水印嵌入系统21将固定和可变两种不同特性的水印嵌入视频信源。视频水印提取检测系统22检测视频数据中嵌入的固定和可变水印信息，以确定视频信源的允许复制状态。视频水印修改系统23根据视频水印提取检测系统22检测的视频信源的允许复制状态修改可变水印信息。其中当确定视频信源被复制一次，将可变水印信息比特修改为“0”，以表示该视频信源不可复制，或不可再次复制。
下面参看图3描述根据本发明的视频数据复制控制系统中的复合水印嵌入系统21。如图3所示，复合水印嵌入系统包括视频信源31，固定水印嵌入器32，视频数据编码器33，可变水印嵌入器34，和记录设备35。其中，视频信源31提供用于重放或记录(刻录)的信源，固定水印嵌入器32在视频信源中嵌入固定水印。固定水印可以用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权等信息。视频数据编码器33，在本例中的MPEG-2核心编码器，也可以采用其他数字视频压缩编码器，对嵌入了固定水印的视频数据进行压缩编码，将编码后的数据提供给可变水印嵌入器34。可变水印嵌入器34在经压缩编码的视频数据中嵌入表示视频数据的复制信息的可变信息。然后将经过固定和可变复合水印嵌入的视频数据提供给刻录设备35。
下面参考图4描述固定水印嵌入系统。如图4所示，固定水印嵌入系统包括基于视觉感知模型的分析器41，鲁棒性水印调制器42，水印图像构造器43和密钥K1 44。在操作过程中，首先将代表固定水印信息的7比特固定控制信息输入到水印图像构造器43(其具体构成将在后面描述)中，通过扩频和由密钥K1控制的伪随机调制，并采取一定的构图结构形成与原始视频图象尺寸相同的水印信息图象。同时，来自视频信源的原始视频图象信息经过基于视觉感知模型的分析器41(将在后面详细描述)，针对每个像素点计算水印信息调制强度因子α。之后，原始视频图象与水印图像构造器43输出的水印信息图象输入到鲁棒性水印调制器42进行自适应水印叠加调制，形成含有特定水印信息的视频图象，并输入标准到MPEG-2编码器34进行视频压缩编码。
由于引入了基于视觉感知模型的自适应水印调制技术，在确保水印信息感知不易察觉的同时，尽可能提高水印强度，增强了水印信息的鲁棒性，使得7比特控制信息具有较强的抗攻击能力，从而与视频信息形成一种共存状态，实现录制控制信息的准确传递。
在固定水印信息嵌入模块中，本系统采用视频数据空间域直接嵌入水印算法，这一嵌入策略算法简单，易于硬件实现，并能与现有通用MPEG-2视频编码器结合，能够充分利用现有硬件资源。
下面参看图5说明根据本发明的可变水印嵌入系统。如图5所示，在可变水印嵌入系统中，除脆弱性水印嵌入器34外，还包括码流特征信息提取器51，切换装置52，和反向器53。可变水印嵌入系统中，1比特可变水印信息是由脆弱性水印的完整性来表示的。码流特征信息提取器51首先从已经过MPEG-2压缩编码成型的视频码流中提取一定数量基于码流内容的特征信息，然后经过一个由反映一代复制控制的1比特水印信息控制的切换装置52进行控制，如果该信息数值为“1”，切换装置52通过第一位置将特征信息直接由脆弱水印嵌入器34植入到来自MPEG-2核心编码器33的成型码流中；如果1比特水印信息为“0”，切换装置52则切换到第二位置，使特征信息经过一个反向器53反向后在脆弱性水印嵌入器34中嵌入到来自MPEG-2核心编码器33的成型码流之中。图中的密钥K2则是为了增强脆弱性水印防伪造能力而引入的，由其控制水印信息嵌入的分布。经过鲁棒性和脆弱性水印的双重嵌入就完成了复合水印信息嵌入过程，嵌入水印信息后的压缩码流可以提供给刻录设备35进行随后的刻录处理。
在复合视频水印系统中，针对一个经过水印嵌入的视频码流，鲁棒性水印技术和脆弱性水印技术完成了两种不同的功能，鲁棒性水印技术更类似于传统信件中写信者的签名，表示特定的含义，如所有权等。而脆弱性水印技术则是对视频码流的一个整体封装，实现传统意义上信封的作用，它的完整与否将是接收者判断其内容是否被改动的关键。而本系统正是利用了这种脆弱性水印信息完整性的检验，并结合鲁棒性水印信息实现DVD复制控制中的关键技术——一代复制控制。
下面参看图6描述双水印检测控制系统的结构。作为可录DVD设备中的控制核心模块，视频水印提取系统22中的水印信息提取检测器61将隐藏在视频码流中的水印信息直接提取出来，控制可录DVD设备35的刻录驱动系统65的工作，从而实现复制、重放控制。水印信息提取检测器61提取的水印信息提供给选择装置62和复制控制系统63。而复制控制装置63根据提取的水印信息判断是否存在一代复制标记“One-Copy”，如果存在，则控制选择装置62切换到位置“2”，将可变水印信息传送到可变水印修改器64，并启动可变水印信息修改系统对视频码流进行适当修改，将一代复制标记改为“不再复制(No-More-Copy)”，并通过复制控制装置63控制DVD刻录驱动器65在DVD刻录设备35将视频数据记录到DVD盘片上，使由此刻录出来的DVD盘片无法作为母盘再进行下一代复制。如果水印信息中允许自由复制，复制控制装置63则控制选择装置62切换到位置“1”，将视频数据及水印信息直接提供给DVD刻录设备35，并在复制控制装置63的控制下由DVD刻录驱动装置65驱动DVD刻录设备35进行刻录视频数据。
对应于水印嵌入系统21，视频水印提取系统22也包含两个相应的提取模块固定水印信息提取器和可变水印信息提取器，如图7和8所示。两种水印信息提取后，相结合就构成了8比特录制控制信息，实现刻录驱动控制。待测DVD视频码流进入可变水印信息提取系统后，首先通过可变水印信息提取器71提取出待测水印信息，同时码流经过特征数据提取器72提取出对应的码流特征信息，然后与待测水印信息进行比较，如果两者相同，则意味着可变水印信息完整，其携带的1比特控制水印信息为“1”，如果两者不同，则意味着可变水印信息不完整，表示其携带的1比特控制水印信息为“0”。参照水印信息状态分配表(表一)可以看出，如果可变水印信息为“0”，则可能是“不可再次复制(No-More-Copy)”或“不可复制(Never-Copy)”两种状态，这时复制控制系统63将向DVD刻录驱动系统发出禁止指令，使DVD无法进行复制。如果可变水印信息为“1”，则可能是“任意复制(Free-Copy)”或“一代复制(One-Copy)”，两种状态，这时复制控制系统将向DVD刻录驱动系统发出启动指令，使DVD刻录系统进行正常复制刻录。随后水印提取系统将进一步提取检测固定水印信息(B7)，以判断是否是“一代复制”标记，从而控制水印修改器的工作。
图8示出固定水印提取器的结构。固定水印信息提取器位于MPEG-2核心解码器之后。首先，解码后的重建视频图象经图像预处理器81，在本实施例中为高通滤波器滤波，输入到水印信息相关检测器83，与由密钥K1控制的检测序列发生器82输出的水印序列图象进行相关检测。另一方面，固定水印提取器根据部分解码信息，如量化因子、编码模式等等，引入了可信度因子估测器84，针对不同图象解码区域计算可信度因子，进一步提高了鲁棒性水印信息提取和检测的准确度。
根据所提取的7比特固定水印信息中B6(参见基本水印信息状态分配表)与提取的1比特可变水印信息B7相结合，就能够判断出控制信息是否是“一代复制”信息，进而由复制控制装置63控制视频码流在图6中的通道选择。如果控制信息为“任意复制”，则视频码流直接输入到刻录设备进行DVD盘片刻录，如果控制信息为“一代复制”，视频码流则须经过水印信息修改器，将“一代复制”标记改为“不可再次复制”标记后，再输入到DVD刻录设备进行刻录。
图9示出视频水印修改系统23的方框图。视频水印修改系统模块23实现将视频码流中“一代复制”标记修改为“不可再次复制”标记的功能。从水印信息状态分配表中可以看到，这一标记修改过程实际上仅是修改可变水印信息，由“1”变为“0”，而可变水印信息“1”和“0”的数值含义反映可变水印信息的完整性与否。对于“一代复制”，可变水印信息是完整的，将其修改为“不可再次复制”则需要破坏可变水印信息的完整性。因此复合视频水印系统中的水印信息修改器64实际上是对信源视频码流中可变水印信息引入的一种自主攻击方式，破坏其完整性，从而达到改变原始视频码流中水印信息状态的目的。水印信息修改器64将直接作用于压缩成型后的视频码流。由密钥K2控制的水印修改点定位器91在视频码流中确定水印信息修改点或修改区域，然后通过水印信息修改器64轻微调整视频图象码流数据，改变原有可变水印信息的完整性，达到修改水印信息的目的。同时，这一调整并不影响重建视频图像主观质量以及通用DVD播放器的正常解码播放。
下面结合图10说明固定水印信息嵌入算法。固定水印信息嵌入器4实现7比特固定水印控制信息的嵌入功能，其由视觉感知模型分析器41、水印图象构造器43、鲁棒性水印调制器42以及密钥接口模块44等几个主要部分组成。首先，需要对输入的7比特水印控制信息经过水印信息数据图象构造器进行预处理，这一过程包括扩频，加扰，置乱等几个步骤，最后通过一定的构图策略形成与原始视频图象尺寸一致的数据图象，输入到嵌入调制器中。
扩频过程是将7比特固定水印控制信息A经过一个扩频系数为cr的扩频器进行扩频处理，形成扩频水印数据序列B，从而使原有的水印信号的能量大幅增加，保证经过压缩编码处理后的水印信息仍能被精确的提取和检测出来。其中，扩频系数cr与实际视频图象尺寸有关。扩频过程如式(5.2)所示。
A＝{a1，a2，...，a7}，aj∈{-1，1}，j＝1，2，3，...，7(5.1)B＝{b1，b2，...，bn}，bi＝aj，j·cr≤i≤(j+1)·cr，cr＞1，i，cr∈N j＝1，2，...，7 (5.2)为了满足系统安全性要求，经过扩频的水印数据序列需要与由密钥控制的加扰序列P进行伪随机加扰调制，形成构造水印数据图象的基本数据序列W。这一调制过程不但增强嵌入的鲁棒性水印信息的安全性，同时使水印信息数据序列具有很强的自相关性，增强了水印信息数据序列的抗干扰能力。加扰过程如式(5.4)所示。
P＝{p1，p2，...，pn}，pi∈{-1，1}i∈N(5.3)W＝{w1，w2，...，wn}，wi＝bi·pi，i∈N (5.4)经过扩频和加扰的水印数据序列，需要构成与视频图象尺寸一致的水印数据图象。本发明的构图算法首先将水印数据序列进行空间随机置乱(需另一密钥K3)，这一过程使得表示每个比特水印控制信息的数据能够均匀的分布在整个视频图象之中，这是由于鲁棒性水印嵌入调制采用了自适应调制方式，对于不同的图象内容区间调制强度有所不同，例如复杂的纹理区调制强度将高于平坦区的调制强度，对于一些特殊的区域，如高亮度平坦区，为了满足嵌入水印信息的视觉不易感知的特性，这一水印信息的调制强度将会自适应的下降，经过MPEG-2有损压缩编码之后，这一区域内所含的水印信息能量丢失较大，如果表示某比特水印控制信息的数据过于集中分布于此，则可能降低其提取检测精度。
由于在MPEG-2解码过程后，可能由于原始图象尺寸的不一致或其他正常处理过程，使得视频重构图象可能产生一些微小的平移，这将影响鲁棒性水印信息的检测。因此，本算法在水印数据图象中引入同步线定位技术，同步线信息实际上是由一组特定数据序列构成，它和其他水印信息数据一起构成与视频图象尺寸一致的水印信息嵌入数据图象，如图11所示。
这种构图策略是利用定位线和水印信息数据相对稳定的空间位置关系来校正可能出现的平移。水印信息提取检测器将首先利用获知的同步线数据序列进行全图遍历相关检测，通过提取检测同步线的存在，来重新定位水印图象数据，然后再进行整图水印信息的提取和检测，这将有利于鲁棒性水印信息的精确提取和检测。
水印信息的嵌入必然带来视频图象质量的变化，为了满足人眼视觉不易感知的基本要求，水印信息的嵌入强度应随图象中各区域内容等因素的不同而进行自适应变化，因此，本发明引入基于视觉感知模型的分析器41，对原始视频图象进行逐像素检测分析，通过计算自定义的活动性因子，充分利用人眼视觉的感知冗余特性，对视频图象中各像素点的水印嵌入强度进行自适应非线性调节。
从视频图象处理角度来看，影响人眼视觉感知特性的因素很多，主要包括图象背景亮度、图象局部对比度、图象频率掩盖特性、图象内容复杂程度等因素。现有的视觉感知模型多为逼近人眼视觉特性，而构造相对复杂。但在实际过程中，由于在鲁棒性水印嵌入后，视频图象还须经历标准MPEG-2有损压缩编码过程，该过程引入的量化噪声同样会造成一定程度的图象质量下降，因此在水印嵌入调制过程中引入较为高精度高复杂度的视觉感知模型并不适宜。在充分考虑系统流程和计算复杂度的前提下，本发明引入了一种较为简单的视觉感知模型算法，根据各像素点亮度及其局部活动性变化，计算每一像素的相对可调幅度αi，如式(5.5)所示。
αi＝G(Li，σi，δi) (5.5)其中，Li表示该点像素亮度，σi表示空间域局部活动性因子，δi表示时间域局部活动性因子。空间域局部活动性因子是通过计算每像素点各方向亮度梯度而得到，它能够反映图象局部的内容的空间复杂程度。而时间域局部活动性因子则是利用了前后两帧图象的帧差信号，它反映了该像素在时间域的局部变化程度。本发明利用上述视觉感知模型，计算出每个像素点水印信息嵌入调制的幅度。它可以在满足人眼视觉不易察觉性的同时，尽量增强水印信息的嵌入调制强度，从而提高水印信息的检测精度。
返回图4，通过水印图象构造器43得到水印数据图象与原始视频图象同时输入到鲁棒性水印调制器42。调制器42将根据视觉感知模型分析器41确定的调制强度因子，逐像素进行自适应叠加嵌入调制，如式(5.6)所示，形成含水印信息视频图象输入到标准MPEG-2核心编码器中进行正常压缩编码。
vi＝vi+α·wii＝1，2，...，N (5.6)返回参考图8，固定水印信息提取检测器主要实现7比特固定信息的准确提取和检测，提取过程位于MPEG-2核心解码之后，在重建的视频图象中进行。其基本组成包括检测序列发生器82，重建图象预处理器81，可信度估测器84以及水印相关检测器83等几个主要部分。其中检测序列发生器82由密钥K1控制，生成与鲁棒性嵌入器32相同的加扰序列P，用于水印信息的相关检测。
重建图象预处理器81首先对重建视频图象进行高通匹配滤波，其目的是最大程度地消除视频信号成分，减少视频信号与水印信号之间的互扰，尽量消除视频图象信息对水印检测的影响，实现待测水印信息图象的预提取。然后，对待检测的水印信息图象进行反置乱处理，为进行相关统计检测做准备。
由于含有水印信息的视频图象必然经历了MPEG-2有损压缩编解码过程，其重建视频图象中引入的量化噪声会造成一定程度的失真。这种失真对隐藏于视频图象中的水印信息的提取检测具有一定的负面影响，随着压缩比的增高，影响的程度也将增加，因此本发明引入了可信度估测器84，利用MPEG-2标准解码过程中提取的一些辅助信息为依据，如量化因子、编码模式等，估测不同条件下，对嵌入其中的水印信息的可能造成的损失程度，设计加权相关检测器来提取和检测鲁棒性水印信息，从而水印信息提取的可靠性。
对于MPEG-2编码系统，编码图象分为帧内编码帧和帧间编码帧，考虑到帧内编码帧在整个视频编码系统中的重要性，本系统将以帧内编码帧为主，对鲁棒性水印信息进行提取检测。算法利用视频标准解码过程提取的该帧图象量化因子分布信息，构造各像素点检测可信度因子γ。根据实验检测统计，水印信息检测错误率随量化因子的增加而基本呈线性增加，因此I帧水印检测可信度因子γ计算如式(5.7)。
其中，γI(i，j)为帧内编码帧图象中(i，j)点处的可信度因子，Q(i，j)为该点处图象编码块的量化因子。当量化因子小于10时，认为水印信息基本无损失，可信度因子为1；当量化因子数值在[10，30]区间时，可信度将随量化因子的增加而逐渐减小，一般取a1＝0.9，b1＝0.01；当量化因子大于30时，认为水印信息已大部分损失，可信度因子为0.6。
最后，由图像预处理器81提取的待测水印信息序列与检测序列发生器82生成的加扰序列进行加权相关累加统计，并通过相关检测值sj的符号函数值sign(sj)，得到嵌入的7比特水印控制信息。如式(5.8～5.9)所示sj=Σi=j·cr(j+1)·cr-1γi·pi·v~‾i---(5.8)]]>sign(sj)=sign(αj·σp2·cr·mean(αi·γi))=sign(αj)=αj---(5.9)]]>图12示出了脆弱性水印信息嵌入过程。脆弱性水印信息嵌入器主要完成1比特复制控制信息的嵌入功能。其设置在标准MPEG-2压缩编码过程之后进行，主要包括伪随机分区器121，特征信息提取器122，特征信息嵌入器123。其中伪随机分区器121用于引入密钥控制机制，增强脆弱性水印抗破解和伪造的能力，同时，使可变水印信息与视频码流局部特征相对应，增强可变水印信息的可控制性和灵活性。
经过MPEG-2标准压缩编码过程的视频信息码流输入到伪随机分区器121，由密钥控制的伪随机分区器121按照宏块编码的顺序，将编码图象分为含有不同数量宏块的宏块组，每个宏块组定义为一个局部宏块区域，如图13所示。其中，同灰度表示不同的宏块区域。伪随机分区定T1≤n≤T2(5.10)位后，分区器121再将每个区域分为两个大小相同的子区，第一个子区为特征提取区，后一个子区为数据嵌入区。每个局部宏块区域的大小，即区域所包含的宏块数量，首先由密钥控制的伪随机数据所确定。但如果划分区域过大，则将影响提取局部数据特征的稳定性，如果划分区域过小，则将增加整体系统计算的复杂度，因此分区器将每个区域大小n被设定在一定范围之内，如式(5.10)。
在分区定位后，区域特征提取器122将从每个区域内的特征提取子区中提取N比特特征数据，提取特征数据的比特数量N随分区大小的不同而变化。在选择特征数据的问题上，一方面应注重提取特征信息的稳定性，另一方面则须考虑特征信息提取的复杂度。本算法选择特征提取子区内每个宏块所含非零AC系数个数的奇偶性为1比特信息，N个宏块的特征数据相连构成N比特区域特征数据。
区域特征嵌入器123用于将N比特区域特征数据嵌入到数据嵌入子区内。由于可变水印信息嵌入过程位于MPEG-2编码之后，因此特征数据的嵌入过程应尽量减少对已成型码流的影响。本发明采用等码长对码调制嵌入算法，将特征数据嵌入到数据嵌入子区内。
所谓对码调制算法，是从MPEG-2标准的DCT系数VLC(变字长编码)码表中选择若干个满足一定条件的对码，用一组对码中的两个VLC码来表示水印信息中的1比特信息。设A，A′组成一对对码，在做对码调制时，若A映射为“1”，则A′映射为“0”。
并非任何一对VLC码都可以组成对码，它们必须满足一定的约束条件。首先是游程长度约束。最佳选择是游程相同的VLC码构成对码，因为游程长度的变化会直接造成码率变化，导致其后像块编码均需要重新调整，其复杂度较高，并可能影响码流结构。其次是DCT系数幅度约束，用户信息嵌入必然会导致图象数据变化，如何控制嵌入调制过程中DCT系数幅度的变化，将是控制重建视频图象的主观质量的关键。经大量视频序列进行主观实验分析，一般信息嵌入导致的量化后的DCT系数幅度调制不宜大于2，而低频区则不宜大于1，否则将有可能影响重建视频图象主观质量。最后是VLC码字长度的约束，因为对于已成型VCD载体数据，其数据结构对码长变化极为敏感。如果嵌入用户信息后，对码字调整导致该点码字长度变长，则可能使整个像块编码长度增加，而视频码流语法以及包结构都对数据长度具有一定局限性，一旦破坏则无法进行正常解码。
基于对MPEG-2码流的分析，并考虑了上述相关约束条件，本算法提出了两类对码选择条件设Code1(RUN1，LEVEL1)，Code2(RUN2，LEVEL2)为MPEG-2视频码流中表示图象信号本身或其帧间运动补偿差值信号量化后的DCT系数的两个二维变字长码，其中RUNn表示“0”游程长度，LEVELn为“0”游程后的非“0”幅值。若2维变字长码Code1，Code2满足如下条件，则Code1，Code2形成一对对码。
第一类对码选择条件LENGTH(Code1)＝LENGTH(Code2) (5.11)|LEVEL1-LEVEL2|＝1(5.12)RUN1＝RUN2(5.13)其中，LENGTH()表示码长。
第二类对码选择条件LENGTH(Code1)＝LENGTH(Code2) (5.14)|LEVEL1|＝|LEVEL2|＝1 (5.15)Sign(LEVEL1)＝-Sign(LEVEL2) (5.16)RUN1＝RUN26 (5.17)通过对标准MPEG-2码表的搜索分析，算法将满足上述条件的VLC码字约占总码字的65％。
区域特征嵌入过程在数据嵌入子区内进行，首先通过顺序搜索在数据嵌入子区内找到第一个符合对码条件的VLC码，然后调整选择该VLC码或其对码，使其映射数值与n特征数据中的第1比特信息一致，则完成1比特特征数据嵌入。然后依次搜索符合对码条件的VLC码，将其他特征数据依次嵌入。由于属于对码选择的VLC码字占总码字的65％，在数据嵌入区内一般会存在一定数量符合对码条件的VLC码，使得N比特特征信息完全嵌入；但也有可能出现极端情况，即满足对码条件的VLC码字小于N，这时嵌入算法将采用最多嵌入策略，根据出现满足对码条件的VLC码字的数量，嵌入相同数量的特征数据。同时，由于检测算法采用同步处理，不会影响整图的可变水印信息提取。
下面结合图14说明可变水印提取检测器的操作。可变水印信息提取器实现直接从标准MPEG-2视频码流中提取脆弱水印信息，通过判断其完整性来表示1比特复制控制信息。提取算法与嵌入算法相对应，主要包括伪随机分区器，区域特征提取器122，水印信息提取器71，完整性判决器141组成。
其中伪随机分区器121和区域特征提取器122与可变水印信息嵌入器相同，实现分区定位和N比特区域特征信息提取，而水印信息提取器71则是在特征数据嵌入区进行顺序搜索，依次找到前N个符合对码条件的VLC码字，然后比较N个VLC码字的映射数值和区域特征数据的一致性，如果一致，则该区域水印信息wi为“1”，否则wi为“0”。如果嵌入区内符合对码条件的VLC码字数量M小于N，则利用这M个VLC码字的映射数值与前M比特特征数据进行一致性比较。依次完成全图区域水印信息提取后，计算整图区域水印信息数值W，如式(5.18)。
W=Σmwi=β×m---(5.18)]]>其中，m表示该图区域个数，而β值为区域检测正确率，其位于
之间。可变水印完整性判决器将根据β值是否超过一个预定门限值T来判决该帧可变水印信息数值。如果超过门限值，则判定该帧图象可变水印信息为“1”；否则该帧图象的可变水印信息为“0”。预定门限值T的选择将视整体性能需求而定，取值过小将无法反映整帧图象的可变水印信息完整性，而取值过大，则可能降低系统整体容错能力。
下面图结合15说明可变水印信息的修改操作。当可变水印检测器61检测到可变水印信息为“1”，且整体水印控制信息为“一代复制”，则启动水印修改器64对视频码流信息中的可变水印信息的进行修改。其过程类似于可变水印信息嵌入。首先，伪随机分区器121进行分区定位，找到每个宏块区域的数据嵌入子区，然后水印信息修改器64进行顺序搜索，改变搜索到的每一个符合对码条件的VLC码字，最后利用对码调制算法，将其该为它对应码字，从而改变该VLC码字的映射值，实现可变水印信息的修改，同时不影响码流的正常解码和播放质量。
下面结合图16说明控制一代复制视频数据的流程。首先，在步骤1601，在复制视频数据前检测可变水印信息以确定有关视频数据的允许复制状况。在步骤1602，通过可变水印信息判断视频数据是否是不允许复制或可允许复制。如果步骤1602的判断结果为不允许复制，则结束该过程。如果步骤1602的判断结果为允许复制，则在步骤1603判断是否是允许一代复制。如果在步骤1603判断是允许一代复制，过程则进行到步骤1604，修改可变水印信息，使其表示“不再复制”视频数据，并在步骤1605将视频数据与修改后的水印信息一同记录在记录媒体上。如果在步骤1603判断可变水印信息表示允许“自由复制”视频数据，该过程则转到步骤1605，直接将视频数据记录在记录媒体上。
至此已结合本发明的优选实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围和精神实质的情况下可以做出各种改进和变化。
权利要求
1.一种视频数据复制控制系统，包括视频复合水印嵌入系统(21)，用于将固定和可变两种不同特性的水印嵌入视频信源；视频水印提取检测系统(22)，用于检测视频数据中嵌入的固定和可变水印信息，以确定视频信源的允许复制状态；和视频水印修改系统(23)，用于根据水印提取检测系统(22)检测的视频信源的允许复制状态修改可变水印信息。
2.根据权利要求1所述的视频数据复制控制系统，其特征在于复合水印嵌入系统(21)包括固定水印嵌入装置(32)，用于在视频数据中嵌入固定水印；可变水印嵌入装置(34)，用于在视频数据中嵌入可变水印。
3.根据权利要求2所述的视频数据复制控制系统，其特征在于固定水印嵌入器(32)包括视觉感知模型分析装置(41)，用于对原始图像进行逐像素检测分析，对视频图像中各像素点的水印嵌入强度进行自适应非线性调节以确定调制强度因子；固定水印调制装置(42)，用于根据确定的调制强度因子逐像素地进行自适应叠加嵌入调制；和水印图像构造装置(43)，用于处理输入的固定水印信息以形成与原始视频图像尺寸一致的数据图像。
4.根据权利要求2所述的视频数据复制控制系统，其特征在于可变水印嵌入装置(34)还包括从压缩编码的视频码流中提取一定数量的基于码流内容的特征信息的码流特征信息提取装置(51)；和根据可变水印信息进行切换的切换装置(52)。
5.根据权利要求1所述的视频数据复制控制系统，其特征在于所述水印提取检测系统(22)包括图像预处理装置(81)，用于对解压缩后的视频图像进行高通滤波以便消除视频数据对水印信息检测的影响；检测序列发生装置(82)，用于生成与固定水印嵌入装置相同的加扰序列，以便进行水印信息相关检测；水印相关检测装置(83)，用于对图像预处理装置(81)提取的待测水印信息序列和检测序列发生装置(82)生成的加扰序列进行加权相关累加统计，以得到嵌入的固定水印控制信息；可信度估测装置(84)，用于根据解压缩的视频数据估测对嵌入其中的水印信息造成的损失程度对水印信息加权，从而提高水印信息的可靠性。
6.根据权利要求1所述的视频数据复制控制系统，其特征在于所述视频水印修改系统(23)包括水印信息提取检测装置(61)，用于判断提取的水印信息中是否存在表示一代复制的水印标记；选择装置(62)，如果水印信息中包含表示一代复制的标记，则选择启动可变水印修改装置(64)，如果水印信息中未包含表示一代复制的标记，则将水印信息直接提供给视频数据记录装置；可变水印修改装置(64)，用于修改水印信息中的可变水印信息使其表示不允许再次复制该视频数据；复制控制装置(63)，用于根据水印信息提取检测装置(61)输出的信息控制选择装置(62)是否启动可变水印修改装置(63)，并控制视频数据记录驱动装置。
7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的视频数据复制控制系统，其特征在于所述固定水印是鲁棒性水印，所述可变水印是脆弱性水印。
8.一种控制视频数据复制的方法，包括步骤向视频数据中嵌入与视频数据有关的固定水印信息；压缩嵌入了固定水印信息的视频数据；向压缩的视频数据中嵌入表示视频数据的允许复制状况的可变水印信息。
9.一种控制视频数据复制的方法，包括步骤在复制视频数据前检测可变水印信息以确定有关视频数据的允许复制状况；如果可变水印信息表示“禁止复制”视频数据，则禁止复制该视频数据；如果可变水印信息表示“一代复制”视频数据，则修改所述可变水印信息，使其表示“不再复制”视频数据，并将视频数据与修改后的水印信息一同记录在记录媒体上；如果可变水印信息表示“自由复制”视频数据，则不改变可变水印信息，并将可变水印信息和视频数据记录在记录媒体上。
10.根据权利要求8或9所述的控制视频数据复制的方法，其特征在于所述固定水印是鲁棒性水印，所述可变水印是脆弱性水印。
全文摘要
本发明涉及一种视频数据复制控制系统，包括视频复合水印嵌入系统，用于将固定和可变两种不同特性的水印嵌入视频信源；视频水印提取检测系统，用于检测视频数据中嵌入的固定和可变水印信息，以确定视频信源的允许复制状态；和视频水印修改系统，用于根据水印提取检测系统检测的视频信源的允许复制状态修改可变水印信息。该视频数据复制控制方法包括检测可变水印信息以确定有关视频数据的允许复制状况；在可变水印信息表示可对视频数据进行一代复制时，修改可变水印信息，并将视频数据与修改后的可变水印信息一同记录在记录媒体上。
文档编号H04N5/913GK1512769SQ0215170
公开日2004年7月14日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者苏育挺, 田玉静, 张春田, 朱长峰, 李坤 申请人:天津大学, 电视电声研究所