专利名称：一种结合gop帧结构的视频水印方法与系统的制作方法
一种结合GOP帧结构的视频水印方法与系统方法
技术领域：
本发明属于视频数字水印领域，具体涉及一种结合GOP帧结构的视频水印添加与提取方法，实现了在GOP帧结构中嵌入以及提取水印信息，构造了一种快速安全的方法来保证视频序列的数据完整性。二、背景技术
数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术。在水印处理系统中，盗版者要么试图去除水印来破坏版权要么复制被篡改后的产品以获得虚假的内容验证。最近几年，数字网络通讯正在飞速发展。在这种环境下，数字产品很容易被复制、处理、 传播和公开。盗版者正是利用数字产品的这些性能来破坏制造商和用户的合法权力以获得个人利益。因而，人们必须考虑多媒体产品在数字网络分布系统中的安全问题。
对数字多媒体产品的非法操作或行为，通常包括下列三种情况。
(I)非法访问即未经允许从某个网站中非法复制或翻印数字产品。
(2)故障纂改盗版者恶意地修改数字产品以抽取或插入特征并进行重新发送， 从而使原始产品的版权信息丢失。
(3)版权破坏盗版者收到数字产品后未经版权所有者的允许将其转卖。
近年来数字水印技术取得了很大的发展，但研究方向主要集中于静止图像水印技术，在视频水印研究方面，由于包括空间掩蔽效应等特性在内的更为精确的人眼视觉模型尚未完全建立，使得视频水印技术相对于图像水印技术发展滞后，现有的标准视频编码格式又造成了水印技术引入上的局限性，一些针对视频水印的特殊攻击形式(如帧重组、帧平均、帧间组合、帧删除等)的出现，以及视频水印算法的实时性等特点使得视频水印研究面临着新的挑战。
视频不同于图片,编码后有一定的特殊结构,如图It5GOP(Grc)Up Of Picture)是指视频编码格式中的帧序列，一般分为I、P、B三种，如排成IBBPBBPBBPBBPBBP……样式，GOP 是视频编码将来存取的最基本单位，它的排列顺序将会一直重复到影像结束。在视频进行编码后，帧的顺序将会发生变化，如原来经过编码后为。一个GOP就是一组连续的IPB帧。 视频编码将帧分为I、P、B三种，I是帧内编码帧，P是前向预测帧，B是双向内插帧。简单地讲，I帧是一个完整的画面，而P帧和B帧记录的是相对于I帧的变化。没有I帧,P帧和 B帧就无法解码。
现有的一些基于空间域的水印嵌入方式，并没有考虑到视频帧本身的结构特点， 只是单独地在某一帧中加入了水印，这样，对于一些如帧重组，帧删除等破坏视频的行为， 这些方法并不能检测出视频是否遭到破坏，且视频质量会受到一定的影响。而基于压缩域的水印嵌入方法，过多地依赖于特定的视频压缩算法，只能适用于一些特定的视频格式。因此，考虑提出一种数字水印方法，综合GOP帧结构特征信息，克服了传统方法无法保证连续帧完整性的弱点。三、发明内容
本发明的目的是提出一款结合GOP帧结构的视频水印方法与系统，对传统的视频水印方法做了改进，根据视频编解码过程中的GOP帧结构，对视频进行有效处理，克服了传统方法无法保证连续视频帧完整性的弱点，对视频质量不造成任何影响。数字水印提取和验证的过程快速方便，切实有效保证了视频完整性；支持各种视频格式，算法简单高效。
本发明的技术方案是
(I)嵌入水印信息
嵌入水印信息指的是对用户信息和视频信息通过一个约定的算法得到嵌入的信息，根据视频的GOP帧结构信息分配待嵌入的水印信息，确定嵌入水印位置和相应信息嵌入处理，并保存对应的视频完整性信息，如图2所示。
①对用户信息和视频信息通过一个约定的算法得到嵌入的信息，不同的用户和不同的视频将得到一个具有保障的嵌入信息，这样一方面可以保证每个视频嵌入的信息都不相同，另一方面又可以保证嵌入信息的安全性和不可知性。
②将视频文件解码得到非压缩域的图像帧，按照待编码的GOP帧结构对其进行分组，每个GOP为一组对其 进行处理，依据视频帧的结构确定每一帧中嵌入信息的数量；
③根据嵌入的信息经过约定的算法后，确定具体嵌入位置；
④嵌入水印时，计算并保存保存相应位置的像素信息与水印信息值之间的差值。
实际上并没有真实地在视频中嵌入信息，而是保存相应位置的像素亮度与水印信息值之间的差，这样的一个优势就是不会对视频文件的质量造成破坏，破坏者也就不能单单地扫描图像从而就找出嵌入的信息。
(2)提取水印信息
提取水印信息指的是将视频解码并分组成视频帧，对用户信息和视频信息求得嵌入信息，通过此嵌入信息找出水印的位置，在这些位置上读出视频信息，然后将其与服务器差值信息做比较得到水印信息，如图3所示。
①对视频帧进行解码后，依旧是每个GOP —组；
②根据用户信息和视频信息得到嵌入信息，然后由这些信息得到嵌入的位置；
③根据视频信息得到的位置提取出像素的相应信息，再与服务器上保存的差值进行差计算，得到提取的水印息值；
④将提取出的水印值与正确值进行对比，如果所有组的信息都与正确信息相同， 则表明视频完整性未被破坏；只要有其中某一组不同，就可以判断视频受到了一定的损坏。
此方法的优点是在空间域添加，实现的方法较简单，速度也非常快，对视频的质量更不造成任何影响；同时保存的额外的差值信息对于服务器来说也是相当小的，是可以忽略不计的。四
图IGOP帧结构图
图2水印嵌入流程图
图3水印提取流程图
图4嵌入信息生成4
图5嵌入信息分配
图6嵌入位置的确定
图7水印嵌入
图8水印提取五具体实施方式
在编码的过程中，可以采用H264编码标准，并使用“IBPBIBPB”这样的帧结构，即一个 GOP 组为 “ IBPB ”。
(I)嵌入水印
嵌入的水印信息由用户信息和视频信息通过一个不可逆的算法得到，可以采用用户账号和视频的上传时间求散列摘要的方法，在实现过程中使用SHA-I算法，这样就得到了 160位的数据信息。当然也可以使用其他类似的方法，这样处理后就实现两个功能，一方面保证了嵌入信息的唯一性，另一方面也避免了直接使用明文造成的安全问题，如图4所/Jn ο
对要添加水印的视频文件解码，以一个GOP结构为一组，在进行视频水印的添加过程中以其为基本单位进行处理。
对于160位的摘要信息，可以根据帧的不同类型有选择地嵌入不同数量的信息。 如图5所示，在I帧中嵌入80位数据，在P帧中嵌入48位数据，在每个B帧中嵌入16位数据，当然各帧中嵌入信息的数量也可选择其他分配策略，也可以通过一定的算法动态地确定在各帧中嵌入信息的多少。
在进行水印嵌入时，需要根据嵌入信息，确定图像帧的嵌入位置，比如，可以通过 160位信息之中在嵌入信息之前的那些信息中O和I的个数来确定具体位置是在哪一行哪一列，也可以通过其他的方法来确定，但是要保证每一点得到的位置都是不同的。(如图6 所示，在I帧中嵌入的80位信息位010001001111101010，也，在嵌入第二个I时，通过在其之前的所有这一帧中的数据010001来确定它的嵌入位置，由O的个数4确定其嵌在第4行， 由I的个数2确定其嵌在第二行；以此类推，即可确定所有数据的嵌入位置)
在嵌入水印时，并没有实际地去改变嵌入位置像素点的信息，而是将该位置像素的某种信息(比如亮度)与要嵌入的值进行求差，将其差值保存在服务器上。这样一方面保证了视频质量不受破坏，另一方面也加大了篡改假冒视频的难度，如图7所示。
例如嵌入位置像素的亮度为128,嵌入水印信息为I,则保存的信息就为127。
(2)提取水印
提取水印是嵌入的逆过程，如图8所示。先是对要验证的视频文件进行解码，得到其帧结构信息，如之前使用的IBPBIBPB这样的帧结构，即一个GOP为IBPB，并将每个GOP分为一组，以其为基本单位进行处理。
—个重要的步骤就是要得到嵌入信息的位置。首先也是要得到嵌入的信息，然后通过这个信息计算得到嵌入的位置。计算嵌入位置的方法与嵌入水印时使用的方法相同， 这样才能保证提取出的信息的正确性。如前所述可以通过160位信息之中在嵌入信息之前的那些信息中O和I的个数来确定具体位置是在哪一行哪一列。
读取得到相应位置像素的信息值，将其与服务器上保存的差值信息求差得到最终提取出的信息。例如读取位置的像素亮度值为128，服务器端保存的差值为127，则提取出的水印信息为1，与嵌入的信息相同。
将提取出的信息与正确的嵌入信息进行对比，如果每一组都相同，则可以说视频的完整性未受到破坏；如果有任一组不同，则就可以说视频完整性受到了破坏。
权利要求
1.结合GOP帧结构的视频水印方法与系统，其特征是由用户信息和视频信息共同生成数字水印，结合GOP帧结构信息分配数字水印信息，由水印数据确定嵌入位置并作相应处理，具体包括嵌入水印信息和提取水印信息两个部分。
2.根据权利要求I所述的结合GOP帧结构的视频水印方法与系统，其特征是所述嵌入水印信息部分，具体步骤为 步骤一、对用户信息和视频信息通过约定算法生成嵌入的信息； 步骤二、将视频解码并分组视频帧，据视频的GOP帧结构信息分配待嵌入的水印信息； 步骤三、依据嵌入信息经过约定算法确定嵌入水印的位置； 步骤四、读取相应位置像素的信息，与嵌入信息求差，对应将其作为完整性信息保存在服务器。
3.根据权利要求I所述的结合GOP帧结构的视频水印方法与系统，其特征是所述提取水印信息部分，具体步骤为 步骤一、将视频解码并分组成视频帧； 步骤二、对用户信息和视频信息求得嵌入信息； 步骤三、通过此嵌入信息确定水印的位置； 步骤四、在这些位置上读出像素信息，然后将其与服务器上保存的完整性信息求出差值得到水印信息。
4.根据权利要求2所述的嵌入水印信息部分，其特征是所述的约定算法，其具体实现为对用户账号和视频上传时间使用散列算法，得到摘要信息，以此作为嵌入的信息。
5.根据权利要求2所述的嵌入水印信息部分，其特征是所述的根据视频的GOP帧结构信息分配待嵌入的水印信息，具体指对要添加水印的视频文件解码，以一个GOP结构为一组，可以根据帧的不同类型或通过一定的算法动态地确定在各帧中嵌入信息的多少。
6.根据权利要求2所述的嵌入水印信息部分，其特征是所述的确定嵌入水印的位置，具体实现时是通过待嵌水印信息之中在嵌入信息之前的那些信息中O和I的个数来确定具体行列位置。
全文摘要
本发明公开了一种结合GOP帧结构的视频水印方法与系统，由用户信息和视频信息共同生成数字水印，结合GOP帧结构信息分配数字水印信息，由水印数据确定嵌入位置并作相应处理，具体包括嵌入水印信息和提取水印信息两个部分。包括对用户信息和视频信息通过一个约定的算法得到嵌入的信息，根据视频的GOP帧结构信息分配待嵌入的水印信息，确定嵌入水印位置和相应信息嵌入处理，并保存对应的视频完整性信息；对用户信息和视频信息求得嵌入信息，通过此嵌入信息找出水印的位置，在这些位置上读出视频信息，然后将其与服务器差值信息做比较得到水印信息。应用本发明可以简单快速地对视频进行添加和提取水印，同时保存的额外的差值信息对于服务器来说也相当小。本发明的技术方案具有良好的发展前景。
文档编号H04N7/26GK102946531SQ20121030249
公开日2013年2月27日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者王健, 高晖, 葛浩, 杜红阳 申请人:南京大学