专利名称：一种基于h.264_avc视频流完整性认证脆弱水印的方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于H. 264_AVC视频流完整性认证脆弱水印的方法。
背景技术：
随着多媒体网络技术的飞速发展，数字多媒体信息，特别是视频信息的交流已经达到前所未有的程度。然而，视频信息在传输过程中极易遭受各种无意或有意的篡改攻击， 这使得人们对视频信息的完整性和内容的真实性产生怀疑。如果篡改涉及国家安全、法庭举证等重要内容时，则可能会造成严重的后果。因此，如何在网络环境中对视频信息内容的真实性、完整性实施有效的保护已经成为近年来多媒体信息安全领域研究的热点。脆弱性水印作为一种保密通信技术，是解决这一问题最有效的方法之一。它将数据、图像等水印信息以人所不可感知的方式嵌入视频信息中，通过对该水印信息的。现有的基于H. 264/AVC的脆弱性水印算法主要是通过调制运动矢量或者中高频 DCT系数嵌入水印信息，该类方法最明显的缺点是计算复杂度大。水印嵌入时，需要先对视频比特流进行解码，然后再结合编码标准调制运动矢量或者DCT系数；水印检测时，同样先要对视频比特流进行解码。为了进一步提高视频水印的实用性，一种最有效的方法是直接在视频比特流中嵌入水印信息，即根据待嵌入的水印信息，修改码流的可变长编码(VLC)码字。然而，H. 264的高效压缩性能使其对编码比特流中的微小变化非常敏感，这使得实现基于H. 264码流域的水印具有很大的困难和挑战。现有技术中通过修改帧内16X16编码模式的视频流嵌入水印，该方案具有很好的不可感知性和较小的码率变化，然而在实际的编码过程中，该类型宏块比较稀少，水印容量相对较小。目前也有通过对视频序列进行统计分析，将CAVLC(基于上下文的自适应变长编码)码字空间分成常用的码字空间和未使用的码字空间2组，然后根据待嵌入比特和码字空间的映射关系嵌入水印，该方案同样具有较好的不可感知性，嵌入容量也相对较大，但是必须先对视频序列进行统计分析才能建立映射规制，而且对码率的影响较大。
发明内容
本发明通过对运动矢量编码比特流的分析，提出一种基于Exp-Golomb (指数哥伦布)码字映射的H. 264/AVC视频水印方法，即在H. 264压缩比特流中，通过替换相应的码字嵌入水印信息。该方法的主要特点在于1)水印嵌入和提取都是基于压缩比特流进行的， 计算复杂度低，具有较好的实用性2、水印嵌入后不改变码字的长度，而且具有较小的视频失真3)可以实现水印的快速提取，满足视频实时处理的要求。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于H. 264_AVC视频流完整性认证脆弱水印的方法，包括在H. 264_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息；解析H. 264片级压缩比特流，根据密钥解码生成特征码；解析宏块级比特流提取水印；根据解密的特征码与提取的水印对视频帧进行完整性认证。所述在H. 264_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息包括自适应变长编码用于DCT残差系数，指数哥伦布用于运动矢量残差dmv以及边信息，其中dmv表示各个子块的残差运动矢量。所述在H. 264_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息包括利用dmv元素的码字空间与待嵌入比特之间的映射关系，将水印嵌入到B帧与P帧的比特流中。所述方法还包括选择I帧内4*4块的编码模式作为水印信息。所述在H. 264_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息包括解析H. 264片级压缩比特流，如果当前片为I帧时，则提取认证码生成水印信息， 如果当前片不是I帧时，则嵌入水印到H. 264比特流。本发明提出一种直接面向H. 264压缩比特流的视频水印算法。首先由密钥选择 I_Slice中的4X4块，并根据其编码模式生成认证码，然后将其以水印的形式嵌AB_Slice
的压缩比特流中。水印的嵌入过程就是对残差运动矢量码字的调制过程，嵌入位置由密钥决定，增强了水印的安全性。本发明嵌入和提取过程简单、快速，并且具有很好的隐蔽性。水印嵌入后仅对视频质量有少量的影响，而对视频比特率没有影响。本发明提出的水印算法具有较好的安全性，主要体现在1)相互映射的码字之间具有相同的码字长度，即水印嵌入后不会对视频文件大小造成影响；幻特征的提取和水印的嵌入都由密钥控制，提高了水印的安全性；3) I.Slice的编码模式和运动矢量都是编解码中的重要信息，在 H. 264/AVC压缩比特流的传输过程中，具有很高的可靠性，可以保证水印的正确提取。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是本发明实施例中的编码片的语法结构示意图；图2是本发明实施例中的码字间的映射关系示意图；图3是本发明实施例中的帧内4X4的9种预测方向示意图；图4是本发明实施例中的水印嵌入流程图；图5是本发明实施例中的水印检测过程示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提出了一种基于H. 264_AVC视频流完整性认证脆弱水印的方法，包括在 H. 264_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息；解析H. 264片级压缩比特流，根据密钥解码生成特征码；解析宏块级比特流提取水印；根据解密的特征码与提取的水印对视频帧进行完整性认证。本发明通过对运动矢量编码比特流的分析，提出一种基于Exp-Golomb (指数哥伦布)码字映射的H. 264/AVC视频水印方法，即在H. 264压缩比特流中，通过替换相应的码字嵌入水印信息。该方法的主要特点在于1)水印嵌入和提取都是基于压缩比特流进行的， 计算复杂度低，具有较好的实用性2、水印嵌入后不改变码字的长度，而且具有较小的视频失真3)可以实现水印的快速提取，满足视频实时处理的要求。H. 264/AVC主要采用CAVLC和Exp-Golomb，把语法元素编码成可变长度的二进制码字CAVLC主要用于DCT残差系数，而Exp-Golomb主要用于运动矢量残差(dmv)以及边信息，如编码模式、参考帧、量化参数等语法元素，其结构可以表示为[m zeros] [1] [b]式中，m zeros称为前缀，由m个零组成，b是携带信息的m位域，m和b的定义如下m = floor (log2(n+l)) (1)b = nl-2m(2)式中，floor (·)表示向下取整，η表示每个码字的索引，它由编码参数k按照一定的方式映射得到。其目的是对经常出现的值赋予较短的码字，而对不经常出现的值赋予较长的码字H. ^4/AVC将根据不同类型的编码参数k选择不同的映射方式。对于运动矢量残差，k将按下式映射到η
f 2\k\ k<0η = 2μ|-1 k>0 (3)与CAVLC码字相比，Exp-Golomb码字对视频内容的依赖性较小，更适合嵌入水印信息。但是，由于边信息码字的改变对视频的影响较大，本发明选择运动矢量残差元素作为水印嵌入载体。H. ^4/AVC为了防止编码数据的错误扩散，将一幅幅编码的视频帧划分成一个或多个相互独立的片(slice)，并以此为单位对比特流进行封装。图1为编码片的语法结构， 其中片头定义了当前片(Scur)的类型，其取值如式(4)所示，dmvi表示各个子块的残差运动矢量
I _ Slice ‘el帧 Scur^P-SUce 、，eP帧(4) B_Slice Scyr e BifjS
本发明利用dmv元素的码字空间与待嵌入比特之间的映射关系，将水印嵌入B_ Slice*P_Slice的比特流中。与常见的通过修改运动矢量嵌入水印的方法相比，直接在码流域嵌入水印具有更好的实用性。然而，H. 264对码流的结构有严格的定义，如果随意地修改码字会引起视频的严重失真，甚至会导致解码器无法正常解码。因此，需要有选择性地嵌入。(1)嵌入位置的选择选择幅值在一定范围内的dmv嵌入水印信息，即d0彡|dmv|彡dl，本发明中取do = 2，dl = 7这主要是因为1)在H. ^4/AVC实际编码过程中，残差运动矢量幅值普遍较小而且修改幅值较小的运动矢量对视频质量和码率影响较小；2)当运动矢量I dmv| = 0或1时， 没有合适地替换码字。设可嵌入水印的位置用集合V表示，即
权利要求
1.一种基于H. 264_AVC视频流完整性认证脆弱水印的方法，其特征在于，包括在H. 264_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息；解析H. 264片级压缩比特流，根据密钥解码生成特征码；解析宏块级比特流提取水印；根据解密的特征码与提取的水印对视频帧进行完整性认证。
2.如权利要求1所述的基于H.264_AVC视频流完整性认证脆弱水印的方法，其特征在于，所述在H. ^4_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息包括自适应变长编码用于DCT残差系数，指数哥伦布用于运动矢量残差Clmv以及边信息，其中dmv表示各个子块的残差运动矢量。
3.如权利要求2所述的基于H.264_AVC视频流完整性认证脆弱水印的方法，其特征在于，所述在H. ^4_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息包括利用dmv元素的码字空间与待嵌入比特之间的映射关系，将水印嵌入到B帧与P帧的比特流中。
4.如权利要求1所述的基于H.264_AVC视频流完整性认证脆弱水印的方法，其特征在于，所述方法还包括选择I帧内4*4块的编码模式作为水印信息。
5.如权利要求4所述的基于H.264_AVC视频流完整性认证脆弱水印的方法，其特征在于，所述在H. ^4_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息包括解析H. 264片级压缩比特流，如果当前片为I帧时，则提取认证码生成水印信息，如果当前片不是I帧时，则嵌入水印到H. 264比特流。
全文摘要
本发明实施例公开了一种基于H.264_AVC视频流完整性认证脆弱水印的方法，该方法包括在H.264_AVC压缩比特流中采用自适应变长编码和指数哥伦布通过替换相应的码字嵌入水印信息；解析H.264片级压缩比特流，根据密钥解码生成特征码；解析宏块级比特流提取水印；根据解密的特征码与提取的水印对视频帧进行完整性认证。实施本发明，水印嵌入和提取都是基于压缩比特流进行的，计算复杂度低，具有较好的实用性；水印嵌入后不改变码字的长度，而且具有较小的视频失真；可以实现水印的快速提取，满足视频实时处理的要求。
文档编号H04N7/46GK102364949SQ201110355489
公开日2012年2月29日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者刘海亮, 杨艾琳, 罗笑南, 苏航, 陈湘萍 申请人:中山大学深圳研究院