专利名称：基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法
技术领域：
本发明涉及用于多媒体内容安全技术领域。具体讲是一种基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法。
背景技术：
一个完善的多媒体内容认证方法不但要具有抗压缩性，在适当比例的压缩下能实现精确地完整性认证，而且应具备自恢复能力。视频序列每帧的重要性是不同的，可以由用户选择重要的帧加以保护(即可以被恢复)，也可以选择对所有的帧加以保护。
经文献检索发现，MICHAEL O.RABIN在文章“Efficient Dispersal ofInformation for Security Load Balancing，and Fault Tolerance”(《安全负载均衡和容错中信息的高效分散》)(Journal of the Association for Computing Machinery，Vol.36.No.2，April 1989，pp.335-348)(计算机协会杂志)提出的Information DispersalAlgorithm(信息分散算法)是为分布式系统提供的一种安全可靠的信息存储和传输技术。它是通过引入一定的冗余将数据源F分成n个子块后分别传输。在数据接收端，利用n个子块中的m个就可以重构F(m≤n，假设n-m个子块在数据传输中丢失)。其中每一个子块的大小是|F|/m，所以这种方法是空间最优的。传输的空间负荷可以通过调节参数n和m的大小来控制。此图像认证方法可用于视频认证，但是视频数据是三维的信息，具有与图像数据不同的特点。
自认证和恢复算法由美国哥伦比亚大学计算机系Ching-Ying Lin在他的博士论文《Watermarking and Digital Signature Techniques for Multimedia Authenticationand Copyright Protection》(《多媒体认证和版权保护中的水印和数字签名技术》)中提出，这是一种静态图像认证水印算法，这种算法使添加了水印的静态图像可以接受预定义质量因子的JPEG有损压缩，同时能检测出对图像内容的恶意篡改。该算法中的认证器能定位出被篡改的图像块，并且利用嵌入的水印恢复出被篡改区域的粗略内容。认证器利用了图像有损压缩中的两个不变特性，这两个不变特性是确定性的从而使认证系统不需要概率判决。第一个特性是如果将图像的DCT系数调整为量化台阶的整数倍，其中量化台阶大于其后对图像或视频进行压缩的量化台阶，那么在压缩后这个DCT系数可以完全重构。第二个特性利用了图像的两个DCT块中对应的DCT系数在压缩前后保持关系不变的特点。可以利用第二个特性产生认证签名，利用第一个特性将认证签名嵌入到图像信息中。采用这种方法处理后的图像可以容忍保持内容的图像处理操作，同时能检测出改变内容的图像处理操作。但是如果将静止图像认证技术直接用于视频数据，一些针对时间的攻击仍然可以轻易地破坏视频数据的完整性，并且不能实现丢失帧的自动恢复。进一步检索中，尚未发现具有自修复功能的视频认证水印技术的报道。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法。本发明可以检测出专门针对视频信号时间顺序的攻击，不但可以区分出合法的视频处理(如一定压缩比的MPEG4压缩)和非法的视频处理(恶意的内容篡改如剪切、丢帧和交换帧等)，而且利用信息分散算法和水印技术可以恢复出丢失的重要视频帧。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先在视频认证水印嵌入端，获得视频帧，将其读入后利用自恢复和认证算法保护单帧，实现对单帧视频的认证。然后使用均值量化水印嵌入方法将视频帧的序号嵌入到对应的视频帧中。采用信息分散算法保护需要恢复的重要视频帧，将恢复信息嵌入到其它n帧中。在视频认证接收端，利用自恢复和认证算法验证每一帧，并使用均值量化水印提取方法提取出帧的序号信息，从而实现对视频帧内、帧间完整性认证并定位出篡改区域，最后采用信息分散算法恢复丢失的重要视频帧。
以下对本发明作进一步的说明，具体内容如下(一)在视频认证水印嵌入端(1)利用自恢复和认证算法保护单帧采用自恢复和认证算法这种静态图像认证算法中描述的签名和水印嵌入方式保护视频序列中的每一帧。这种方法可以检测出破坏视频帧内完整性的一些攻击，如对象删除、对象替换等，同时具有抗压缩能力。在本发明中，首先产生DCT系数按ZIG-ZAG顺序排列的前6个系数的签名，然后以此为水印嵌入到后6个DCT系数中。
(2)使用均值量化水印嵌入方法嵌入帧序号信息前面使用的水印嵌入方法既要用来嵌入认证信息，后面又要用来嵌入其它帧的恢复信息，其容量是有限的，并且这种方法的抗压缩性受到不影响视觉效果的制约。为了嵌入每一视频帧对应的32比特序号，本发明采用了独创的抗压缩的均值量化水印嵌入方法。具体做法是在视频帧的4个8×8DCT块的4个直流系数中嵌入32比特序号的一个比特。设4个8×8DCT块直流系数和其均值分别为dci和dc，则dc‾=Σi=14dci.]]>设均值量化水印的嵌入强度是Δ，Qdc是dc除以Δ的整数部分，Rdc是dc除以Δ的余数。如果Qdc的LSB与嵌入的序号比特相同，则修改后的 为dci-(Rdc-0.5)×Δ，i＝1...4；如果Qdc的LSB与嵌入的序号比特不同，则修改后的 为dci-(Rdc-1.5)×Δ(在Rdc大于0.5的情况下)或dci-(Rdc+0.5)×Δ(在Rdc小于0.5的情况下)。采用以上均值量化水印嵌入方法嵌入的水印具有很高的抗压缩能力，同时利用自恢复和认证算法保护单帧中采用的自恢复和认证算法可以对8×8DCT块的直流系数加以保护，攻击者难以通过修改这些直流系数破坏视频帧的序列号。从试验效果来看，选取适当的Δ值完全可以达到即不破坏图像的视觉效果又提供很高的水印稳健性。视频接收端的认证器可以提取出每一视频帧的序号，从而检测出针对视频信息时间顺序的攻击。
(3)采用信息分散算法保护重要视频帧使用JPEG2000算法压缩视频帧，有两个条件限制压缩比水印嵌入算法的总容量；选取的重要视频帧的数量。采用信息分散算法的具体做法是①帧视频信号经JPEG2000压缩后的结果是大小为N个字符的数据F，设bi表示F中的第i个字符。在实际应用中bi可以被当作8比特的字节，从而0＜bi＜255并且所有的计算都是在Z257或者GF(28)内完成。然后F按下面方式被划分成长度为m的块F＝(b1，...，bm)，(bm+1，...，b2m)，...，(bN-m+1，..，bN)。为了简化以下的描述，设Si＝(b(i-1)m+1，...，bim)，1≤i≤N/m。
②选择n个向量ai＝(ai1，...，aim)，1≤i≤n，使得任何由m个向量构成的子集是线性独立的。
③利用向量集合ai＝(ai1，...，aim)，1≤i≤n，按以下方式可以将F划分成n个子块Fi＝(ai.S1，ai.S2，...，ai.SNm)，i＝1，...，n，其中ai.Sk＝ai1.b(k-1)m+1+...+aim.bkm，从而|Fi|＝|F|/m。Ci，i＝1，...，n④用伪随机序列产生n个帧序号，这些序号表示的n个帧用来嵌入F的n个子块。嵌入的方法与利用自恢复和认证算法保护单帧中的嵌入方法相同。每一个帧嵌入F的一个子块(这个帧还可能用来嵌入其它重要帧的子块)。
⑤在④中嵌入的信息是不受保护的，为了检测出对Fi的恶意篡改，分别计算Fi，i＝1，...，n的循环冗余校验，产生的校验字节Ci，i＝1，...，n嵌入到对应帧(嵌入Fi的帧)中，嵌入的方式与使用均值量化水印嵌入方法嵌入帧序号信息中相同。Ci和Fi采用不同的嵌入方法是出于两点原因考虑利用自恢复和认证算法保护单帧中的嵌入方法嵌入的水印信息容量有限，应尽可能地减少嵌入的信息；使用均值量化水印嵌入方法嵌入帧序号信息中的嵌入方法比利用自恢复和认证算法保护单帧中的嵌入方法具有更高的稳健性。和视频帧每帧的序列号相同，校验字节Ci，i＝1，...，n受到利用自恢复和认证算法保护单帧中嵌入方法的保护，因为DCT系数的直流分量受此方法的保护。
以上是本发明在视频认证水印嵌入端的方法。在嵌入过程中多次用到了伪随机序列发生器。将伪随机序列发生器的种子做为密钥传送到视频认证水印提取端。传送的方法包括随视频信号同时传送；经公钥数字签名后发布等等。
(二)在视频认证水印提取恢复端(1)利用自恢复和认证算法验证每一帧采用自恢复和认证算法这种静态图像认证算法中描述的签名和水印提取方法验证视频序列中的每一帧。在本发明中，首先产生DCT系数按ZIG-ZAG顺序排列的前6个系数的签名，从后6个DCT系数中提取出水印，将两者加以比较得出该帧的认证结果，即是否被篡改，如果被篡改，定位出被篡改的8×8DCT块。
(2)使用均值量化水印提取方法提取出帧的序号信息具体做法是在视频帧的4个8×8DCT块的4个直流系数中提取出32比特序号的1个比特，即提取Qdc的LSB。如果(1)的结果表明该帧被非法篡改过，则直接指出该帧的序号存在疑问；如果(1)的结果表明该帧未被篡改过，则将提取出的序号和该帧在视频序列中的实际序号加以比较。从而检测出针对时间的攻击(丢帧，交换帧等)。
(3)采用信息分散算法恢复丢失的重要视频帧如果(2)的结果表明丢失了重要的视频帧，通过密钥及伪随机序列可以定位出丢失帧的信息被嵌入到那n个视频帧中。这n个视频帧中的一部分也可能被丢失，然而根据信息分散算法，只要其中m个视频帧未丢失并且经过认证，就可以恢复出丢失的重要帧。其中m个视频帧应该符合以下条件该帧在步骤(1)中通过认证；该帧的序号是真实的，即通过步骤(2)；提取出的Fi通过循环冗余校验。采用信息分散算法恢复视频帧的具体做法是
①设在认证端得到了F1，...，Fm子块，采用m个子块，则下式成立A·b1Mbm=a1·S1Mam·S1]]>其中A＝(aij)1≤i.j≤m是m×m的矩阵，第i行是ai。
②因为A中向量是线性独立的，所以A是可逆矩阵，S1可以从下式得到S1=b1Mbn=A-1·a1·S1Mam·S1]]>③重复1、2过程，可以得到S2，...，SN′m，将这些数据串联起来即可得到F。
④当重构完成以后，将F经JPEG2000解压缩即可得到恢复出来的视频帧。
以上过程描述了基于信息分散算法的视频可修复认证水印的基本步骤。需要注意的是第一，重要帧的可恢复信息做为水印被嵌入到其它帧中，考虑到水印算法的容量，本发明使用了两种降低信息量的方法1、利用JPEG2000对重要帧加以压缩；2、利用信息分散算法IDA分散信息，前面已经提到信息分散算法是空间最优的，它把引入的冗余信息降低到了最小程度。可恢复的重要视频帧的数量取决于水印算法的容量，如果对嵌入水印后视频信息的视觉效果要求降低，可恢复的重要视频帧的数量可以增加，甚至包含所有的视频帧。本发明的用户可以在视觉效果和可恢复的重要视频帧数量之间做出权衡。
第二，本发明并未对单帧图像的认证水印嵌入算法做出严格限制，具有一定的通用性，除了自恢复和认证算法。还可以选择其它的图像和视频认证半易碎水印算法。
第三，在实时性法方面，本发明的实时性取决于水印算法的实时性。就自恢复和认证算法而言，其水印提取方法可以完全达到实时性的要求。如果重要帧的恢复信息被嵌入到此帧前面的n帧中，视频信息的接收端完全可以达到实时地恢复丢失帧，也就是说，可以达到实时地接收、认证和恢复。
现有视频认证技术大多采用密码学中严格意义的数字签名技术来实现，这种方式有以下缺点附加的数字签名会占用额外的传输带宽；传统数字签名不允许一比特的错误，因此不具有抗压缩性；只能检错，不能纠错，不具有修复功能。在视频信号中添加水印也有很多技术，但是添加水印的目的大多是用于版权保护，即强水印的功能。本发明在视频信号中添加水印是用于提供一种基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法。可以检测出专门针对视频信号时间顺序的攻击，不但可以区分出合法的视频处理(如一定压缩比的MPEG4压缩)和非法的视频处理(恶意的内容篡改如剪切、丢帧和交换帧等)，而且利用信息分散算法和水印技术可以恢复出丢失的重要视频帧。在现有技术中，还没有一种技术能同时具有以上所有特点。
具体实施例方式
下面结合本发明在“视频内容认证”中的应用，具体阐述其实施方式。在该实例中，用户首先读入一段视频帧作为视频认证水印嵌入端，经过程序的处理，通过网络传输到接收端，在接收端(作为视频认证水印提取恢复端)对接收到的视频数据，通过程序的处理，恢复原来的视频帧。具体步骤如下(一)在视频认证水印嵌入端(1)读入视频帧，采用自认证和恢复算法的水印嵌入算法来处理输入视频信号的每一帧，使视频信号每一帧中嵌入的水印具有抗压缩能力并能检测定位出针对帧内信息的恶意篡改。视频帧中DCT系数的前6个被自认证和恢复算法加以保护；(2)针对视频序列与静止图像不同的特点，采用抗压缩的均值量化水印嵌入方法将表示视频帧时间顺序的32比特的帧序号嵌入到对应的视频帧中，取均值量化水印嵌入强度的值为20，通过提取该序号可以检测出破坏视频序列时间完整性的攻击。
(3)采用JPEG2000算法压缩原始视频数据的重要帧(需要被恢复的帧)，JPEG2000的压缩比为14∶1，被压缩后的重要视频帧的PSNR为35dB。取信息分散算法的参数n＝64、m＝32，然后采用信息分散算法将压缩后的数据信息划分成64个子块，将64个子块以水印的方式嵌入到64个其它视频帧中。由伪随机序列确定这64个其它视频帧的序号，非授权的用户无法确定某个重要帧被嵌入到视频序列的哪64个视频帧中。
(二)在视频认证水印提取恢复端(1)接收通过网络传输到的视频数据，采用自恢复和认证算法验证视频序列中的每一帧。具体实现是产生每一帧DCT系数按ZIG-ZAG顺序排列的前6个系数的签名，从后6个DCT系数中提取出水印，将两者加以比较得出该帧的认证结果，即是否被篡改，如果被篡改，定位出被篡改的8×8DCT块。
(2)使用均值量化水印提取方法提取出帧的序号信息，具体实现是在视频帧的4个8×8DCT块的4个直流系数中提取出32比特序号的1个比特，如果(1)的结果表明该帧被非法篡改过，则直接指出该帧的序号存在疑问；如果(1)的结果表明该帧未被篡改过，则将提取出的序号和该帧在视频序列中的实际序号加以比较。从而检测出针对时间的攻击(丢帧，交换帧等)。
(3)采用信息分散算法恢复丢失的重要视频帧。如果(2)的结果表明丢失了重要的视频帧，通过密钥及伪随机序列定位出丢失帧的信息被嵌入到哪64个视频帧中。然后判断其中是否有32个视频帧未丢失并且经过认证，如果有就通过它们采用信息分散算法重构出丢失的重要帧的信息，再经JPEG2000解压缩得到恢复出来的重要帧。
在以上的实施例中，所有的视频帧都可以检测出是否被恶意窜改过，三分之一的重要视频帧都能够被恢复，当MPEG4的压缩率较高时(如300kbit/s)，本发明仍然保持良好的稳健性。从而证明了本发明的有效性。
权利要求
1.一种基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法，其特征在于，首先在视频认证水印嵌入端，获得视频帧，将其读入后利用自恢复和认证算法保护单帧，实现对单帧视频的认证，然后使用均值量化水印嵌入方法将视频帧的序号嵌入到对应的视频帧中，采用信息分散算法保护需要恢复的重要视频帧，将恢复信息嵌入到其它n帧中；在视频认证接收端，利用自恢复和认证算法验证每一帧，并使用均值量化水印提取方法提取出帧的序号信息，从而实现对视频帧内、帧间完整性认证并定位出篡改区域，最后采用信息分散算法恢复丢失的重要视频帧。
2.根据权利要求1所述的基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法，其特征是，所述的利用自恢复和认证算法保护单帧，具体如下采用自恢复和认证算法这种静态图像认证算法中描述的签名和水印嵌入方式保护视频序列中的每一帧，首先产生DCT系数按ZIG-ZAG顺序排列的前6个系数的签名，然后以此为水印嵌入到后6个DCT系数中。
3.根据权利要求1所述的基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法，其特征是，所述的使用均值量化水印嵌入方法嵌入帧序号信息，具体如下在视频帧的4个8×8DCT块的4个直流系数中嵌入32比特序号的一个比特设4个8×8DCT块直流系数和其均值分别为dci和dc，则dc‾=Σi=14dci,]]>设均值量化水印的嵌入强度是Δ，Qdc是dc除以Δ的整数部分，Rdc是dc除以Δ的余数，如果Qdc的LSB与嵌入的序号比特相同，则修改后的 为dci-(Rdc-0.5)×Δ，i＝1...4；否则则修改后的 为dci-(Rdc-1.5)×Δ，在Rdc大于0.5的情况下，或dci，-(Rdc+0.5)×Δ，在Rdc小于0.5的情况下。
4.根据权利要求1所述的基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法，其特征是，所述的采用信息分散算法保护重要视频帧，具体如下①帧视频信号经JPEG2000压缩后的结果是大小为N个字符的数据F，设bi表示F中的第i个字符，在实际应用中bi被当作8比特的字节，从而0＜bi＜255并且所有的计算都是在Z257或者GF(28)内完成，然后F按下面方式被划分成长度为m的块F＝(b1，...，bm)，(bm+1，...，b2m)，...，(bN-m+1，...，bN)，设Si＝(b(i-1)m+1，...，bim)，1≤i≤N/m；②选择n个向量ai＝(ai1，...，aim)，1≤i≤n，使得任何由m个向量构成的子集是线性独立的；③利用向量集合ai＝(ai1，...，aim)，1≤i≤n，按以下方式将F划分成n个子块Fi＝(ai.S1，ai.S2，...，ai.SN/m)，i＝1，...，n，其中ai.Sk＝ai1.b(k-1)m+1+...+aim.bkm，从而|Fi|＝|F|/m，Ci，i＝1，...，n；④用伪随机序列产生n个帧序号，这些序号表示的n个帧用来嵌入F的n个子块，嵌入的方法与利用自恢复和认证算法保护单帧中的嵌入方法相同，每一个帧嵌入F的一个子块；⑤为了检测出对Fi的恶意篡改，分别计算Fi，i＝1，...，n的循环冗余校验，产生的校验字节Ci，i＝1，...，n嵌入到Fi的帧中，嵌入的方式与使用均值量化水印嵌入方法嵌入帧序号信息中相同。
5.根据权利要求1所述的基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法，其特征是，所述的利用自恢复和认证算法验证每一帧，具体如下采用自恢复和认证算法中描述的签名和水印提取方法验证视频序列中的每一帧，首先产生DCT系数按ZIG-ZAG顺序排列的前6个系数的签名，从后6个DCT系数中提取出水印，将两者加以比较得出该帧的认证结果，即是否被篡改，如果被篡改，定位出被篡改的8×8DCT块。
6.根据权利要求1所述的基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法，其特征是，所述的使用均值量化水印提取方法提取出帧的序号信息，具体如下在视频帧的4个8×8DCT块的4个直流系数中提取出32比特序号的1个比特，即提取Qdc的LSB，如果利用自恢复和认证算法验证每一帧的结果表明该帧被非法篡改过，则直接指出该帧的序号存在疑问，否则则将提取出的序号和该帧在视频序列中的实际序号加以比较，从而检测出针对时间的攻击。
7.根据权利要求1所述的基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法，其特征是，所述的采用信息分散算法恢复丢失的重要视频帧，具体如下如果使用均值量化水印提取方法提取帧的序号信息的结果表明丢失了重要的视频帧，通过密钥及伪随机序列定位出丢失帧的信息被嵌入到那n个视频帧中，只要其中m个视频帧未丢失并且经过认证，就恢复出丢失的重要帧，具体做法是(1)设在认证端得到了F1，...，Fm子块，采用m个子块，则下式成立A·b1Mbm=a1·S1Mam·S1]]>其中A＝(aij)1≤i，j≤m是m×m的矩阵，第i行是ai(2)因为A中向量是线性独立的，所以A是可逆矩阵，S1可以从下式得到SI=b1Mbn=A-1·a1·S1Mam·S1]]>(3)重复(1)、(2)过程，可以得到S2，...，SN/m，将这些数据串联起来即可得到F；(4)当重构完成以后，将F经JPEG2000解压缩即可得到恢复出来的视频帧。
8.根据权利要求7所述的基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法，其特征是，其中m个视频帧应该符合以下条件1)该帧在利用自恢复和认证算法验证每一帧中通过认证，2)该帧的序号是真实的，即通过使用均值量化水印提取方法提取帧的序号信息，3)提取出的Fi通过循环冗余校验。
全文摘要
一种基于数字水印的具有修复功能的视频认证方法，用于多媒体内容安全技术领域。本发明首先在视频认证水印嵌入端，获得视频帧，将其读入后利用自恢复和认证算法保护单帧，然后用均值量化水印嵌入方法将视频帧的序号嵌入到对应的视频帧中，采用信息分散算法保护重要视频帧，将恢复信息嵌入到其它n帧中；在视频认证接收端，利用自恢复和认证算法验证每一帧，并使用均值量化水印提取方法提取出帧的序号信息，从而实现对视频帧内、帧间完整性认证并定位出篡改区域，最后采用信息分散算法恢复丢失的重要视频帧。本发明可检测出专门针对视频信号时间顺序的攻击，不但区分出合法和非法的视频处理，还能恢复出丢失的重要视频帧。
文档编号H04N1/32GK1561090SQ20041001686
公开日2005年1月5日 申请日期2004年3月11日 优先权日2004年3月11日
发明者杨树堂, 李建华, 陆松年, 须泽中, 任桥伟, 陈健宁, 张仲华 申请人:上海交通大学