专利名称：一种抗时间同步攻击的数字电视节目版权保护的方法
技术领域：
本发明属于多媒体信号处理领域，特别是涉及一种基于压縮域的数字电视节 目版权保护方法。
背景技术：
随着数字电视的普及，高清的数字电视节目跟着数字机顶盒一起进入了千 家万户。这个技术在给用户带来高清视频的同时，也给数字电视节目的版权保 护带来了新的问题。由于数字视频可以被无失真地复制，因此，用户可以轻易 获得高质量的非法视频节目并通过网络分发非法拷贝。数字节目版权的保护问 题已经成为当前迫切需要解决的问题之一。
传统的数字电视系统，己经可以在数据传输环节对节目进行保护，但是数 据被用户合法解码并播放后，仍然存在非法复制的可能。因此，有必要在传统 数字电视系统的基础上引入新的版权保护技术，以更好地保护数字电视节目的 版权。
数字水印技术是近几年才发展起来的信息隐藏学的分支。最早提出数字水 印技术的概念就是为了进行多媒体数据的版权保护。数字水印技术用于版权保 护的原理如下数字媒体所有者使用密钥生成水印，将其嵌入原始载体对象中， 然后公开发布带有水印的数字媒体。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有 者可以使用密钥，从盗版作品或水印作品中提取水印信号作为依据，从而表明 对作品内容的所有权，保护自己的权益。数字水印技术由于自身的特点在解决为了便于在一定带宽上的传输，数字节目常常是以压縮形式存在的。国际
上已经制定的视频压缩标准有MPEG-1、 MPEG-2、 MPEG-4、 H. 261、 H. 263和H. 264 等，但在广播电视行业内，使用最为广泛的是MPEG-2标准。我国数字电视卫星 传输标准和有线电视传输标准都采用MPEG-2压缩标准编码。在我国，使用MPEG-2 标准的广播电视卫星上的视频编解码器、有线电视终端的数字机顶盒已经占领 了广播电视领域绝大多数的市场份额。
目前，我国数字电视节目版权保护方案多数都是在数字电视广播系统的服 务器端对视频进行编码的过程中将带有版权信息的水印嵌入到视频中的。这种 方法取得了一定的效果，视频被非法录制并传播后，版权信息仍不丢失。但是， 该方案只能嵌入视频节目的版权信息而无法嵌入用户的信息。当发现非法视频 时，通过水印只能确认视频版权，而无法对非法拷贝者进行追踪。如果水印的 嵌入能够在数字电视广播系统的用户端进行，便可利用用户信息生成相关水印， 从而实现盗版追踪的功能。
因此，研究内嵌于MPEG-2解码器的视频水印技术及其系统，在数字电视 广播系统的用户端实现水印的嵌入，具有非常重要的现实意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗时间同步攻击的数字 电视节目版权保护的方法，可以通过检测MPEG-2视频数据中是否存在期待的水 印，确定MPEG-2视频数据的版权以及盗版的源头。
为了实现上述发明目的，釆用的技术方案如下
一种抗时间同步攻击的数字电视节目版权保护的方法，包括水印的潜入和提取，所述水印的嵌入通过设置在用户端的解码器里的水印嵌入模块实现，且 所述水印同时嵌入在多媒体数据的I帧和其他数据帧。
本发明通过以下关键技术实现版权保护系统的以上功能
1) 在数字电视广播系统的客户端实现水印嵌入，从而使得水印带有用户信
息；水印嵌入在多媒体数据，特别是MPEG-2解码压縮码流的过程中进行，直接
输出带有水印信息的原始视频文件。
2) 在视频的非I帧中嵌入水印，当I帧丢失时，非I帧被编码为I帧，水印仍 然能够被正确提取。在非I帧嵌入水印时，首先对帧进行完全解码，得到完整的 帧图像后再对其进行DCT编码。编码时各宏块使用不同的量化因子，量化因子的 确定遵从MPEG-2编码器确定宏块量化因子的规则，成功编码并获得完整DCT系数 后，再进行水印嵌入。最后进行反DCT变换，输出带有水印的帧图像。
本发明与现有数字电视节目版权保护方法相比有以下优点
1、 工作于数字广播电视节目客户端，可利用用户信息生成相关水印，从而 实现盗版追踪功能；
2、 在多媒体数据流，特别是MPEG-2解码视频流的过程中实现水印嵌入，具 有更好的实时性；
3、 在视频的I帧和非I帧嵌入相同的水印，当I帧丢失时，非I帧被编码为新 的I帧，系统仍然可以从新I帧中提取水印，从而提高了系统抵抗帧删除、帧交 换等攻击的鲁棒性。
图l是本发明所述数字电视节目版权保护方法示意图； 图2是本发明所述数字电视节目版权保护方法抗时间同步攻击的原理示意图，其中，"zsu"表示水印信息，图2(a)是现有方法正常情况下正确提取水印 的场景；图2 (b)是现有方法受到帧删除攻击后无法正确提取水印的场景；图2 (c)是本发明所述方法抗时间同步攻击原理示意图3是使用本发明所述方法在视频标准测试序列"Flower Garden"压縮码 流中嵌入水印的实验结果图4是本发明所述方法对帧删除攻击的鲁棒性测试图，其中横轴是帧删除 数，纵轴是水印提取正确率；
图5是本发明所述方法对帧插入攻击的鲁棒性测试图，其中横轴是帧插入 数，纵轴是水印提取正确率；
图6是本发明所述方法对帧交换攻击的鲁棒性测试图，其中横轴是帧交换对 数，纵轴是水印提取正确率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明的示意图如附图l所示，原始视频经过MPEG-2编码后，由数字广播电 视服务器作为发送端，传输至接收端(用户端)，在用户端的数字机顶盒上根 据权限控制进行水印嵌入操作，然后通过播放终端播放该视频文件，如果用户 进行非法录像，则截获非法视频后，可通过提取水印确定盗版的源头。
图2是本发明所述数字电视节目版权保护方法抗时间同步攻击的原理示意 图，其中，"zsu"表示水印信息，图2(a)是现有方法正常情况下正确提取水印 的场景；图2 (b)是现有方法受到帧删除攻击后无法正确提取水 的场景；图2 (c)是本发明所述方法抗时间同步攻击原理示意图，通过图2 (c)可见，当I 帧丢失时，P帧或B帧将被编码为I帧，并进行水印提取，有效克服了删除I帧或替换I帧所导致的水印提取失败的问题。
本发明在I帧嵌入水印的具体操作步骤如下
11) 生成水印信息M;
12) 对I帧数据进行局部解码，得到I帧图像的离散余弦变换系数；
13) 通过修改离散余弦变换系数，将水印信息M嵌入其中；
14) 将修改后的离散余弦变换系数写回多媒体数据流中并进行完全解码，输出带水印信息的I帧图像。
本发明对其他数据帧(P帧，禾H/或B帧)嵌入水印的具体操作包括如下步
骤
21) 对多媒体数据流的其他数据帧进行完全解码，得到完整的帧图像数据；
22) 对得到的帧图像数据进行离散余弦变换编码，从而得到其他数据帧图像的离散余弦变换系数；
23) 修改离散余弦变换系数，将水印信息M嵌入其中；
24) 对其他数据帧的离散余弦变换系数进行离散余弦反变换，输出带水印信息的其他数据帧图像。
步骤22)在进行离散余弦变换编码时，各宏块使用不同的量化因子，量化因子的确定根据MPEG-2编码器在编码I帧图像时所确定宏块量化因子的规则。下面以具体的视频帧为例对本发明做进一步详细的说明。所采用的视频帧如附图3所示，图3中，视频帧大小为704X 576，以8Mbits/s码率进行MPEG-2编码，编码长度是80帧，色度格式为4 : 2 : 0。 G0P长度为12，其中包含1个I帧。每个序列有7个I帧。水印嵌入在I帧的色度块的DCT的DC系数中，每个I帧中嵌入相同的字符串水印"zsu"。图3 (a)显示了视频序列"Flower Garden"未嵌入水印时的帧图像，图3 (b)显示了使用本发明所 述的数字电视节目版权保护方法嵌入数字水印后的帧图像。由图可见，使用本 发明所述方法嵌入水印后的帧图像与未嵌入水印的帧图像在视觉上无明显差 异，满足不可见性要求。
图4为视频标准测试序列"Flower Garden"受到帧删除攻击后的水印检测 性能。按说明书中的水印嵌入过程得到带水印视频，进行帧删除攻击，再进行 水印提取，统计水印提取正确率。其中，水印提取正确率的的计算公式如下
iPn扭而T琉申 水印正确提取次数乂 1AA0/
水印fe取正确率=每个序列中濑的数斷x实^欠数^ "oo%
在本实验中，AA/=7， iVr=10。
可见，本发明所述方法对于帧删除攻击具有鲁棒性。
图5为视频标准测试序列"Flower Garden"受到帧插入攻击后的水印检测 性能。通过水印嵌入过程得到带水印视频，然后进行帧插入攻击，再进行水印 提取，统计水印提取正确率。本文中，水印提取正确率的计算公式如下
水印微正确^^^^g^^x訓。/。 每个序列中I帧的数量M x实验次数A^
在本实验中，iV7=7， iVr=10。
可见，本发明所述方法对于帧插入攻击具有鲁棒性。
图6为视频标准测试序列"FlowerGarden"受到帧交换攻击后的水印检测性 能。按说明书中的水印嵌入过程得到带水印视频，然后进行帧交换攻击，再进 行水印提取，统计水印提取正确率。本文中，水印提取正确率的的计算公式如
下水印提取正确率、A广H，f，次数二， ，%
每个序列中I帧的数量iV, x实验次数i^
在本实验中，M=7， A^=10。本发明所述方法对于帧交换具有鲁棒性。
权利要求
1、一种抗时间同步攻击的数字电视节目版权保护的方法，包括水印的嵌入和提取，其特征在于所述水印的嵌入通过设置在用户端的解码器里的水印嵌入模块实现，且所述水印同时嵌入在多媒体数据的I帧和其他数据帧。
2、 根据权利要求l所述的数字电视节目版权保护的方法，其特征在于在多媒体数据的I帧嵌入水印的具体操作步骤如下11) 生成水印信息M;12) 对I帧数据进行局部解码，得到I帧图像的离散余弦变换系数；13) 通过修改离散余弦变换系数，将水印信息M嵌入其中；14) 将修改后的离散余弦变换系数写回多媒体数据流中并进行完全解码， 输出带水印信息的I帧图像。
3、 根据权利要求l所述的数字电视节目版权保护的方法，其特征在于所述其他数据帧为P帧，和/或B帧。
4、 根据权利要求3所述的数字电视节目版权保护的方法，其特征在于对其他数据帧嵌入水印的具体操作包括如下步骤21) 对多媒体数据流的其他数据帧进行完全解码，得到完整的帧图像数据；22) 对得到的帧图像数据进行离散余弦变换编码，从而得到其他数据帧图 像的离散余弦变换系数；23) 修改离散余弦变换系数，将水印信息M嵌入其中；24) 对其他数据帧的离散余弦变换系数进行离散余弦反变换，输出带水印 信息的其他数据帧图像。
5、 根据权利要求1至4任一项所述的数字电视节目版权保护的方法，其特征在于所述水印提取操作针对多媒体数据的I帧。
6、根据权利要求5所述的数字电视节目版权保护的方法，其特征在于当多 媒体数据的I帧丢失时，其他数据帧被编码成I帧，以进行水印提取操作。
全文摘要
本发明提供了一种抗时间同步攻击的数字电视节目版权保护的方法，包括水印的潜入和提取，所述水印的嵌入通过设置在用户端的解码器里的水印嵌入模块实现，且所述水印同时嵌入在多媒体数据的I帧和其他数据帧。本发明工作于数字电视广播系统的用户端，在用户端将用户信息相关水印嵌入到数字电视节目视频中。水印嵌入在视频I帧和非I帧同时进行，水印提取只在I帧进行，当I帧丢失时，非I帧被编码为新的I帧，水印信息仍然能够正确提取。本发明可对数字电视节目版权进行保护，并且能够对盗版源进行追踪。
文档编号H04N7/16GK101668170SQ20091019262
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月23日 优先权日2009年9月23日
发明者刘红梅, 庄永锋, 黄继武 申请人:中山大学