[发明专利]基于切比雪夫矩阵的视频运动补偿帧插值篡改的检测方法

说明书

本发明公开了一种基于切比雪夫矩阵的视频运动补偿帧插值篡改的检测方法，本发明通过分析运动补偿帧插值过程中引起的模糊效果或失真边界或结构，利用切比雪夫矩优异的形状描述能力，实现插值帧的检测。本发明针对经过压缩的和被污染的(出现瞬间模糊或噪声)虚假高帧率视频，能有效的检测插值帧篡改，为真实环境的虚假高帧率视频的检测提供有效的方法。

技术领域

本方法涉及视频信息安全领域，具体涉及一种基于视频运动补偿帧插值篡改的检测方法。

背景技术

随着视频拍摄设备的普及，数字视频丰富了我们的日常生活，也促进了视频自拍和分享的流行。但是，很多拍摄设备，例如智能手机，拍摄质量不理想，视频帧率达不到高清标准。为了能在视频分享网站，例如抖音和优酷等，获取较高的播放率，用户可能将获取的原始低帧率视频分享到这些网站前可能通过简单易操作的视频编辑软件，例如MVTools和MSU等将其帧率进行基于运动补偿的视频帧插值操作，合成出具有较少可视效应的虚假高帧率视频。同时，视频监控已经普及到我们日常生活，伪造者有时为了篡改某个时间段的视频对象而需要将不同时间段不同摄像机拍摄的视频拼接到一起，这中间可能由于不同摄像机拍摄存在不同的帧率视频，伪造者必然会将这些视频进行运动补偿视频帧插值以达到整个合成视频帧率的一致。

运动补偿帧插值(Motion compensation frame interpolation,MCFI)主要根据运动对象的运动轨迹在原始帧间插入新的视频帧来实现视频帧率篡改的操作。其中，运动对象的运动轨迹通过运动估计方法(Motion estimation,ME)估计，插值帧的生成利用运动补偿合成方法(Motion compensation synthesis,MCS)产生。这种方式产生的新的视频帧更符合视频对象的运动规律，更逼近原始视频帧，由此，使用这种方法生成的高帧率视频不会留下任何明显可见的视频效应，更能满足用户的需求。这种方式也普遍集成到了高级的视频编辑工具中，例如MSU或MVTools等。

视频帧插值(Video frame interpolation,VFI)有两种情况，一种情况是帧复制或帧平均，也就是说在两个原始帧间插入的视频帧为两帧中的前一帧或是这两帧对应像素点数值和的平均；这类方法在产生的上转换视频中容易出现人眼容易感知的鬼影或运动抖动现象；另一种情况就是发明涉及的运动补偿帧插值MCFI。

针对第一种情况引起的帧率变化的鉴别，主要的步骤就是计算相邻两帧间的帧间相关性，也就是结构相似度SSIM，并对计算出来的相似度进行进一步的判断，由于帧复制视频上转换方式生成的插入帧为插入点的前一帧的直接复制，这样插入帧与前一帧间就具有一致的结构，也必然具有较高的结构相似度，一般都会大于等于99.5％阈值，所以一旦帧间相似度大于等于这个阈值，就可以将该帧判断为插入帧，同时将该位置设置为1；而原始视频帧间由于存在运动对象，运动对象发生变化，从而视频帧间的结构必然相似度较低，所以，一旦小于阈值就判断为原始帧，设置该位置为0，从而在视频的时间轴方向就转变为0,1值序列，由于视频上转换过程是周期性的在相邻两个原始帧间生成上转帧，这样上述生成的0，1序列必然呈现周期性，通过转变到频率域中分析可以得出最大幅值位置，从而计算出视频原始帧率。

针对采用帧复制方式实现帧插值的篡改高帧率视频，由于帧复制产生的视频插入帧与前一帧相同，具有较高的结构相似度，而采用运动补偿方式生成的插入帧充分考虑帧内运动对象的运动轨迹，在运动补偿帧插值方法利用各种运动估计技术获取运动对象的真实运动轨迹并在这个运动轨迹上采用运动补偿策略生成符合运动规律的视频帧，这类生成的视频帧更加符合原始视频帧，从而它与前一帧的结构相似度就会小于99.5％这个阈值，从而现有的针对帧复制判断方法无法准确的定位它们。而本发明实现由运动补偿帧插值方法产生的高帧率视频中插值帧的检测，能克服该专利或技术的缺点。