[发明专利]一种具有两种水印MPEG视频的嵌入与检测方法

摘要

本发明提供了具有两种水印MPEG视频的嵌入与检测方法，包括：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；第二步，生成组序水印信息和组内帧序水印信息，将完整性水印信息中的组序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面I帧嵌入点的Cr色度块、Cb色度块、宏块第一个亮度块和宏块第四个亮度块中；第三步，对带水印信息的MPEG视频进行内容认证水印信息和完整性水印信息的提取和检测，判断预先在MPEG视频中嵌入水印信息的MPEG视频的完整性。该方法采用内容认证水印信息和完整性水印信息两种类型的水印信息预先嵌入视频中，并检测两种水印信息的完整性来判断视频是否被篡改，从而大大提高MPEG视频篡改检测的可靠性和准确性。

主权项

1.一种具有两种水印MPEG视频的嵌入与检测方法，其特征在于：包括个步骤：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，首先，生成组序水印信息，并将组序水印信息转换成二进制表示形式；生成组内帧序水印信息，并将组内帧序水印信息转换成二进制表示形式，将二进制表示形式的组序水印信息和二进制表示形式的组内帧序水印信息作为完整性水印信息；然后，设定将完整性水印信息嵌入到MPEG视频时画面帧嵌入点的数量和各画面帧嵌入点的位置；将完整性水印信息中的组序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面I帧嵌入点的Cr色度块，将完整性水印信息中的组内帧序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面I帧嵌入点的Cb色度块；将完整性水印信息中的组序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面帧嵌入点的宏块第一个亮度块中，将完整性水印信息中的组内帧序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面帧嵌入点的宏块第四个亮度块中，以实现完整性水印信息的嵌入，得到带水印信息的MPEG视频；其中，水印信息为内容认证水印信息和完整性水印信息；第三步，首先，对第二步得到的带水印信息的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，判断带水印信息的MPEG视频中各个宏块的内容认证水印信息是否被篡改；然后，对第二步得到的带水印信息的MPEG视频进行完整性水印信息的提取，并对提取的完整性水印信息进行检测，判断带水印信息的MPEG视频中各画面帧嵌入点的完整性水印信息是否被篡改；最后，根据MPEG视频中内容认证水印信息和完整性水印信息是否被篡改的判断结果，来判断预先在MPEG视频中嵌入水印信息的MPEG视频的完整性；第一步，所述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视频是指：包括以下步骤：步骤S0101：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S0102：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S0103：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S0101～步骤S0103生成；步骤S0104：将步骤S0103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，所述生成组序水印信息，并将组序水印信息转换成二进制表示形式；生成组内帧序水印信息，并将组内帧序水印信息转换成二进制表示形式是指：包括以下步骤：步骤S0201：对MPEG视频画面组序号进行hash值计算，则第i个画面组内所有画面帧的组序水印信息为：其中，G_i为第i个画面组的顺序号；步骤S0202：将步骤S0201第i个画面组内所有画面帧的组序水印信息的十进制表示形式转换为二进制表示形式，当二进制表示形式的组序水印信息码元数不足9位时，在前面用“0”补足；步骤S0203：除了画面组内第一帧外，其它帧的组内帧序水印信息采用自身的序号；第一帧的组内帧序水印信息为该画面组内最后一个帧的序号；步骤S0204：将步骤S0203的组内帧序水印信息的十进制表示形式转换为二进制表示形式，当二进制表示形式的组内帧序水印信息码元数不足9位时，在前面用“0”补足；第二步中，所述设定将完整性水印信息嵌入到MPEG视频时画面帧嵌入点的数量和各画面帧嵌入点的位置是指：首先，确定画面帧嵌入点的数量N个，其中，每个画面帧嵌入点包括9个宏块，9个宏块由1个中心宏块和围绕该中心宏块的8个宏块组成；每个宏块包括一个Cr色度块、一个Cb色度块和四个亮度块；其次，按照下述规则确定每个画面帧嵌入点中心宏块的位置，以得到该画面帧嵌入点中9个宏块的位置：每个画面帧嵌入点中心宏块与最上面一行宏块的距离为4n‑1(n＝1，2，3，…)，与最左边一列宏块的距离为4m‑1(m＝1，2，3，…)；第二步中，所述将完整性水印信息中的组序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面I帧嵌入点的Cr色度块，将完整性水印信息中的组内帧序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面I帧嵌入点的Cb色度块是指：包括以下步骤：步骤S0301：计算每个宏块中Cr色度块的DCT中高频系数的平方和DMH：其中，表示Cr块中第i个DCT中高频系数；步骤S0302：根据9个宏块的位置，将组序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面I帧嵌入点每个宏块的Cr色度块中：若待嵌入的二进制表示形式的组序水印信息为“1”，且待嵌入Cr色度块的DCT中高频系数平方和DMH为0，则在当前宏块的相邻宏块中寻找最优宏块，将最优宏块中Cr色度块的DCT中高频系数替换当前宏块中Cr色度块的DCT中高频系数；其中，最优宏块是指Cr色度块的DCT中高频系数平方和DMH最小且非0；若待嵌入的二进制表示形式的组序水印信息为“0”，且待嵌入Cr色度块的DCT中高频系数平方和DMH为非0，则将待嵌入水印的宏块中Cr色度块的DCT中高频系数置为0；码元数为9位的组序水印信息依照上述方法按从左到右、从上到下的顺序嵌入到画面帧嵌入点中9个宏块的Cr色度块中；步骤S0303：计算每个宏块中Cb色度块的DCT中高频系数的平方和DMH：其中，表示Cb块中第i个DCT中高频系数；步骤S0304：根据9个宏块的位置，将组内帧序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面I帧嵌入点每个宏块的Cb色度块中：若待嵌入的二进制表示形式的组内帧序水印信息为“1”，且待嵌入Cb色度块的DCT中高频系数平方和DMH为0，则在当前宏块的相邻宏块中寻找最优宏块，将最优宏块中Cb色度块的DCT中高频系数替换当前宏块中Cb色度块的DCT中高频系数；其中，最优宏块是指Cb色度块的DCT中高频系数平方和DMH最小且非0；若待嵌入的二进制表示形式的组内帧序水印信息为“0”，且待嵌入Cb色度块的DCT中高频系数平方和DMH为非0，则将待嵌入水印的宏块中Cb色度块的DCT中高频系数置为0；码元数为9位的组内帧序水印信息依照上述方法按从左到右、从上到下的顺序嵌入到画面帧嵌入点中9个宏块的Cb色度块中；第二步，所述将完整性水印信息中的组序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面帧嵌入点的宏块第一个亮度块中，将完整性水印信息中的组内帧序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面帧嵌入点的宏块第四个亮度块中是指：包括以下步骤：步骤S0305：根据9个宏块的位置，将组序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面帧嵌入点的每个宏块第一个亮度块中：若待嵌入的二进制表示形式的组序水印信息为“0”，则按以下公式计算得到该宏块中嵌入组序水印信息的第一个亮度块：其中，Y₁为原始第一个亮度块；若待嵌入的二进制表示形式的组序水印信息为“1”，则计算若Y^#的值为0，则设置第一亮度块中第40个DCT中高频系数为1：若Y^#的值为非0，则不进行操作；步骤S0306：根据9个宏块的位置，将组内帧序水印信息嵌入到MPEG视频的各画面帧嵌入点的每个宏块第四个亮度块中：若待嵌入的二进制表示形式的组内帧序水印信息为“0”，则按以下公式计算得到该宏块中嵌入组内帧序水印信息的第四个亮度块：其中，Y₄为原始第四个亮度块；若待嵌入的二进制表示形式的组内帧序水印信息为“1”，则计算若Y^#的值为0，则设置第四亮度块中第40个DCT中高频系数为1：若Y^#的值为非0，则不进行操作；第三步中，所述对第二步得到的带水印信息的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，判断带水印信息的MPEG视频中各个宏块的内容认证水印信息是否被篡改是指：包括以下步骤：步骤S0401：提取带水印信息的MPEG视频的其中一个宏块中4个亮度块的DCT低频系数：其中为带水印信息的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S0402：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S0403：利用各亮度块的压缩感知特征值F_i生成带水印信息的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，以生成带水印信息的MPEG视频中的内容认证水印信息；带水印信息的MPEG视频的其它宏块的内容认证水印信息按照步骤S0401～步骤S0403提取；步骤S0404：根据步骤S0403提取带水印信息的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：带水印信息的MPEG视频中内容认证水印信息为1的亮度块的检测值：带水印信息的MPEG视频中内容认证水印信息为2的亮度块的检测值：带水印信息的MPEG视频中内容认证水印信息为3的亮度块的检测值：带水印信息的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为带水印信息的MPEG视频中其中一个宏块的亮度块；步骤S0405：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视频中内容认证水印信息被篡改，并将该宏块存储的MPEG视频内容改为全黑；否则，判断为该宏块存储的MPEG视频中内容认证水印信息未被篡改；判断带水印信息的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S0404～步骤S0405进行；最后得到的MPEG视频即为篡改检测结果的视频；第三步中，所述对第二步得到的带水印信息的MPEG视频进行完整性水印信息的提取是指：根据第二步得到的画面帧嵌入点的数量、各画面帧嵌入点的位置和每个画面帧嵌入点中9个宏块的位置，对带水印信息的MPEG视频进行完整性水印信息的提取，包括以下步骤：步骤S0501：计算每个宏块中Cr色度块的DCT中高频系数的平方和DMH：其中，表示Cr块中第i个DCT中高频系数；若Cr色度块的DCT中高频系数平方和DMH为0，则对应Cr色度块的二进制表示形式的组序水印信息为“0”，否则对应Cr色度块的二进制表示形式的组序水印信息为“1”；依次类推计算得到画面帧嵌入点中各个宏块的Cr色度块的组序水印信息；按照从左到右、从上到下的顺序排列则得到9个宏块的Cr色度块的组序水印信息；步骤S0502：计算每个宏块中Cb色度块的DCT中高频系数的平方和DMH：其中，表示Cb块中第i个DCT中高频系数；若Cb色度块的DCT中高频系数平方和DMH为0，则对应Cb色度块的二进制表示形式的组内帧序水印信息为“0”，否则对应Cb色度块的二进制表示形式的组内帧序水印信息为“1”；依次类推计算得到画面帧嵌入点中各个宏块的Cb色度块的组内帧序水印信息；按照从左到右、从上到下的顺序排列则得到9个宏块的Cb色度块的组内帧序水印信息；步骤S0503：对各画面帧嵌入点的各个宏块第一个亮度块进行以下操作：其中，为水印信息的MPEG视频中宏块的第一个亮度块；若Y^#为0，则对应第一亮度块的二进制表示形式的组序水印信息为“0”，否则对应第一亮度块的二进制表示形式的组序水印信息为“1”；依次类推计算得到画面帧嵌入点中各个宏块的第一亮度块的组序水印信息；按照从左到右、从上到下的顺序排列则得到9个宏块的第一亮度块的组序水印信息；步骤S0504：对各画面帧嵌入点的各个宏块第四个亮度块进行以下操作：其中，为带水印信息的MPEG视频中宏块的第四个亮度块；若Y^#为0，则对应第四亮度块的二进制表示形式的组内帧序水印信息为“0”，否则对应第四亮度块的二进制表示形式的组内帧序水印信息为“1”；依次类推计算得到画面帧嵌入点中各个宏块的第四亮度块的组内帧序水印信息；按照从左到右、从上到下的顺序排列则得到9个宏块的第四亮度块的组内帧序水印信息；第三步中，所述对提取的完整性水印信息进行检测，判断带水印信息的MPEG视频中各画面帧嵌入点的完整性水印信息是否被篡改是指，包括以下步骤：步骤S0601：将各画面帧嵌入点9个宏块中Cr色度块的组序水印信息、Cb色度块的组内帧序水印信息、第一亮度块的组序水印信息和第四亮度块的组内帧序水印信息作为各画面帧嵌入点的完整性水印信息，并与第一步生成的完整性水印信息作比较；步骤S0602：统计各画面帧嵌入点的完整性水印信息与第一步生成的完整性水印信息相同的数量；在同一画面帧中，若完整性水印信息与第一步生成的完整性水印信息相同的嵌入点的数量大于且等于嵌入点总数的则判断该画面帧的完整性水印信息未被篡改，当前画面帧为正常帧，并执行步骤S0603；否则判断该画面帧的完整性水印信息被篡改；步骤S0603：将正常帧中完整性水印信息相同的嵌入点的完整性水印信息作为当前画面帧的完整性水印信息，并将完整性水印信息的二进制表示形式转换为十进制表示形式；第三步中，所述根据MPEG视频中内容认证水印信息和完整性水印信息是否被篡改的判断结果，来判断预先在MPEG视频中嵌入水印信息的MPEG视频的完整性是指：若步骤S0405判断宏块存储的MPEG视频中内容认证水印信息被篡改，或者步骤S0602判断画面帧的完整性水印信息被篡改，则判定预先在MPEG视频中嵌入水印信息的MPEG视频被篡改；否则，判定预先在MPEG视频中嵌入水印信息的MPEG视频未被篡改。