基于压缩感知特征的MPEG视频内容认证水印嵌入与检测方法与流程

本发明涉及信息安全技术领域，更具体地说，涉及一种基于压缩感知特征的MPEG视频内容认证水印嵌入与检测方法。

背景技术：

随着互联网和多媒体技术的发展，视频作为一种多媒体信息，其在社会中的影响地位越来越重，视频遭受篡改的事件也屡屡发生。与数字图像相比，由于视频制作的复杂性和传播过程的特殊性，数字视频在人们心目中具有一定的公信力，因此针对数字视频的伪造将会造成很大的冲击力和破坏力。篡改和伪造的视频一旦被用于媒体传播、科学发现、保险和法庭证物等，将会对政治、军事和社会的各方面产生严重的影响。

现阶段，采用视频水印和数字签名进行视频篡改检测是研究的热点之一，通过预先在视频中预先嵌入视频水印并检测这些信息的完整性来判断视频是否被篡改。其中，内容认证水印是其中一种用于检测视频是否被篡改的水印信息，因此，如何提高水印信息的保密性效果，使得内容认证水印信息不易伪造和检测的准确性，是当今视频篡改检测的研究热点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于压缩感知特征的MPEG视频内容认证水印嵌入与检测方法，该方法可提高水印信息的保密性效果，使得内容认证水印信息不易伪造，而且可有效保障内容认证水印信息检测的准确性和可靠性。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于压缩感知特征的MPEG视频内容认证水印嵌入与检测方法，其特征在于：包括两个步骤：

第一步，生成内容认证水印信息，并将内容认证水印信息嵌入到MPEG视频全部I帧的各个宏块中，得到带内容认证水印的MPEG视频；

第二步，对第一步得到的带内容认证水印的MPEG视频进行内容认证水印信息的提取，并对提取的内容认证水印信息进行检测，判断带内容认证水印的MPEG视频中各个宏块的内容认证水印信息是否被篡改，实现判断预先在MPEG视频中嵌入内容认证水印信息的MPEG视频的完整性。

第一步中，所述生成内容认证水印信息是指：包括以下步骤：

步骤S0201：提取MPEG视频的其中一个宏块中4个亮度块的DCT低频系数：

其中Y_i为宏块中按存储顺序的第i个亮度块，Y′_i为从第i个亮度块提取出来的DCT低频系数，.*运算符表示矩阵对应位置的元素相乘作为结果矩阵中对应位置的元素；

步骤S0202：求出4个亮度块的特征值，得到第i个亮度块的压缩感知特征值F_i：

F_i＝Φ₁×Y′_i×Φ₂

其中，Φ₁是一个1行8列的高斯矩阵，Φ₂是一个8行1列的高斯压缩参考矩阵；

步骤S0203：利用各亮度块的压缩感知特征值F_i生成内容认证水印信息；具体为：首先按照各亮度块的压缩感知特征值F_i对亮度块进行排序，然后按升序顺序将1、2、3、4分别作为4个亮度块的内容认证水印信息，以生成内容认证水印信息；

其它宏块的内容认证水印信息按照步骤S0201～步骤S0203生成。

在上述方案中，Φ₁与Φ₂为使用者所持有的个性矩阵，作为水印的密钥，在保证此密钥不泄露的情况下，第三方即使获得本发明所述的内容认证水印的生成、嵌入、提取和分析流程，也无法伪造水印信息，保证水印的安全性。特别的，可以为MPEG视频中宏块内存储的4个位置的亮度块分别采用不同的Φ₁与Φ₂，采用多途径控制密钥的使用，防止单一途径密钥泄漏而造成的安全问题，这样可以进一步提高水印的安全性。本发明方法采用二次高斯压缩得出的特征值作为内容认证水印的特征值，若要得到相同的特征值，两个压缩用的参考矩阵缺一不可，以达到保密性的效果，使得水印信息不易伪造。

第一步中，所述将内容认证水印信息嵌入到MPEG视频全部I帧的各个宏块中，得到带内容认证水印的MPEG视频是指：将步骤S0203生成的内容认证水印信息嵌入到MPEG视频的各个宏块中，其中，内容认证水印信息嵌入到MPEG视频的其中一个宏块具体为：

内容认证水印信息为1的亮度块嵌入内容认证水印信息后为：

内容认证水印信息为2的亮度块嵌入内容认证水印信息后为：

内容认证水印信息为3的亮度块嵌入内容认证水印信息后为：

内容认证水印信息为4的亮度块嵌入内容认证水印信息后为：

其中，Y为原始亮度块；

内容认证水印信息按照上述方法嵌入到MPEG视频的其它宏块中。

第二步，所述对第一步得到的带内容认证水印的MPEG视频进行内容认证水印信息的提取是指，包括以下步骤：

步骤S0301：提取带内容认证水印的MPEG视频的其中一个宏块中4个亮度块的DCT低频系数：

其中为带内容认证水印的MPEG视频的宏块中按存储顺序的第i个亮度块，为从第i个亮度块提取出来的DCT低频系数，.*运算符表示矩阵对应位置的元素相乘作为结果矩阵中对应位置的元素；

步骤S0302：求出4个亮度块的特征值，得到第i个亮度块的压缩感知特征值

其中，Φ₁是一个1行8列的高斯矩阵，Φ₂是一个8行1列的高斯压缩参考矩阵；

步骤S0303：利用各亮度块的压缩感知特征值F_i生成带内容认证水印的MPEG视频中的内容认证水印信息；具体为：首先按照各亮度块的压缩感知特征值F_i对亮度块进行排序，然后按升序顺序将1、2、3、4分别作为4个亮度块的内容认证水印信息，以生成带内容认证水印的MPEG视频中的内容认证水印信息；

带内容认证水印的MPEG视频的其它宏块的内容认证水印信息按照步骤S0301～步骤S0303提取。

第二步，所述判断带内容认证水印的MPEG视频中各个宏块的内容认证水印信息是否被篡改，实现判断预先在MPEG视频中嵌入内容认证水印信息的MPEG视频的完整性是指，判断带内容认证水印的MPEG视频中其中一个宏块的内容认证水印信息是否被篡改包括以下步骤：

步骤S0304：根据步骤S0303提取带内容认证水印的MPEG视频中的内容认证水印信息，计算相应内容认证水印信息亮度块的检测值：

带内容认证水印的MPEG视频中内容认证水印信息为1的亮度块的检测值：

带内容认证水印的MPEG视频中内容认证水印信息为2的亮度块的检测值：

带内容认证水印的MPEG视频中内容认证水印信息为3的亮度块的检测值：

带内容认证水印的MPEG视频中内容认证水印信息为4的亮度块的检测值：

其中，Y^wm为带内容认证水印的MPEG视频中其中一个宏块的亮度块；

步骤S0305：对该宏块中每个亮度块的检测值进行判断：若其中一个亮度块的检测值Y^#为非0，则判断该宏块存储的MPEG视频信息被篡改，并将该宏块存储的MPEG视频内容改为全黑，以提示用户知晓该处视频内容被篡改；否则，判断为该宏块存储的MPEG视频信息未被篡改；

判断带内容认证水印的MPEG视频中其它宏块的内容认证水印信息是否被篡改按照步骤S0304～步骤S0305进行；最后得到的MPEG视频即为篡改检测结果的视频。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明基于压缩感知特征的MPEG视频内容认证水印嵌入与检测方法可提高水印信息的保密性效果，使得内容认证水印信息不易伪造，而且可有效保障内容认证水印信息检测的准确性和可靠性。

附图说明

图1是本发明方法中内容认证水印嵌入的流程图；

图2是本发明方法中内容认证水印检测的流程图；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1和图2所示，本发明基于压缩感知特征的MPEG视频内容认证水印嵌入与检测方法，包括两个步骤：

第一步，生成内容认证水印信息，并将内容认证水印信息嵌入到MPEG视频全部I帧的各个宏块中，得到带内容认证水印的MPEG视频；

第二步，对第一步得到的带内容认证水印的MPEG视频进行内容认证水印信息的提取，并对提取的内容认证水印信息进行检测，判断带内容认证水印的MPEG视频中各个宏块的内容认证水印信息是否被篡改，实现判断预先在MPEG视频中嵌入内容认证水印信息的MPEG视频的完整性。

第一步中，上述生成内容认证水印信息是指：包括以下步骤：

步骤S0201：提取MPEG视频的其中一个宏块中4个亮度块的DCT低频系数：

其中Y_i为宏块中按存储顺序的第i个亮度块，Y′_i为从第i个亮度块提取出来的DCT低频系数，.*运算符表示矩阵对应位置的元素相乘作为结果矩阵中对应位置的元素；

步骤S0202：求出4个亮度块的特征值，得到第i个亮度块的压缩感知特征值F_i：

F_i＝Φ₁×Y′_i×Φ₂

其中，Φ₁是一个1行8列的高斯矩阵，Φ₂是一个8行1列的高斯压缩参考矩阵；

步骤S0203：利用各亮度块的压缩感知特征值F_i生成内容认证水印信息；具体为：首先按照各亮度块的压缩感知特征值F_i对亮度块进行排序，然后按升序顺序将1、2、3、4分别作为4个亮度块的内容认证水印信息，以生成内容认证水印信息；

其它宏块的内容认证水印信息按照步骤S0201～步骤S0203生成。

第一步中，上述将内容认证水印信息嵌入到MPEG视频全部I帧的各个宏块中，得到带内容认证水印的MPEG视频是指：将步骤S0203生成的内容认证水印信息嵌入到MPEG视频的各个宏块中，其中，内容认证水印信息嵌入到MPEG视频的其中一个宏块具体为：

内容认证水印信息为1的亮度块嵌入内容认证水印信息后为：

内容认证水印信息为2的亮度块嵌入内容认证水印信息后为：

内容认证水印信息为3的亮度块嵌入内容认证水印信息后为：

内容认证水印信息为4的亮度块嵌入内容认证水印信息后为：

其中，Y为原始亮度块；

内容认证水印信息按照上述方法嵌入到MPEG视频的其它宏块中。

第二步，上述对第一步得到的带内容认证水印的MPEG视频进行内容认证水印信息的提取是指，包括以下步骤：

步骤S0301：提取带内容认证水印的MPEG视频的其中一个宏块中4个亮度块的DCT低频系数：

其中为带内容认证水印的MPEG视频的宏块中按存储顺序的第i个亮度块，为从第i个亮度块提取出来的DCT低频系数，.*运算符表示矩阵对应位置的元素相乘作为结果矩阵中对应位置的元素；

步骤S0302：求出4个亮度块的特征值，得到第i个亮度块的压缩感知特征值

其中，Φ₁是一个1行8列的高斯矩阵，Φ₂是一个8行1列的高斯压缩参考矩阵；

步骤S0303：利用各亮度块的压缩感知特征值F_i生成带内容认证水印的MPEG视频中的内容认证水印信息；具体为：首先按照各亮度块的压缩感知特征值F_i对亮度块进行排序，然后按升序顺序将1、2、3、4分别作为4个亮度块的内容认证水印信息，以生成带内容认证水印的MPEG视频中的内容认证水印信息；

带内容认证水印的MPEG视频的其它宏块的内容认证水印信息按照步骤S0301～步骤S0303提取。

第二步，上述判断带内容认证水印的MPEG视频中各个宏块的内容认证水印信息是否被篡改，实现判断预先在MPEG视频中嵌入内容认证水印信息的MPEG视频的完整性是指，判断带内容认证水印的MPEG视频中其中一个宏块的内容认证水印信息是否被篡改包括以下步骤：

步骤S0304：根据步骤S0303提取带内容认证水印的MPEG视频中的内容认证水印信息，计算相应内容认证水印信息亮度块的检测值：

带内容认证水印的MPEG视频中内容认证水印信息为1的亮度块的检测值：

带内容认证水印的MPEG视频中内容认证水印信息为2的亮度块的检测值：

带内容认证水印的MPEG视频中内容认证水印信息为3的亮度块的检测值：

带内容认证水印的MPEG视频中内容认证水印信息为4的亮度块的检测值：

其中，Y^wm为带内容认证水印的MPEG视频中其中一个宏块的亮度块；

步骤S0305：对该宏块中每个亮度块的检测值进行判断：若其中一个亮度块的检测值Y^#为非0，则判断该宏块存储的MPEG视频信息被篡改，并将该宏块存储的MPEG视频内容改为全黑，以提示用户知晓该处视频内容被篡改；否则，判断为该宏块存储的MPEG视频信息未被篡改；

判断带内容认证水印的MPEG视频中其它宏块的内容认证水印信息是否被篡改按照步骤S0304～步骤S0305进行；最后得到的MPEG视频即为篡改检测结果的视频。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。