专利名称：采用数字水印技术的视频采集方法
技术领域：
本发明涉及多媒体信息安全，特别涉及采用数字水印技术的视频采集方法。
背景技术：
随着计算机技术的飞速发展，视频采集技术，尤其是数字视频监控技术在我们的生活和工作的各个方面得到了广泛的应用，如银行系统中的柜员机监控，交通系统中的车辆违章和流量监控，生活中的小区安全监控等等。视频监控技术在诸如安全防范、信息获取和指挥调度等方面都具有极大的应用价值。
视频监控系统的发展大致经历了三个阶段。第一代是模拟监控系统，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统；第二代是数字化本地视频监控系统；第三代远程视频监控系统。第二、三代视频监控系统都采用了数字化技术，以数字的形式对视频数据进行编码、存储、传输和播放。
数字化技术给我们带来各种便利的同时，也给视频数据的管理带来一系列的问题。主要是视频数据的安全性和可靠性等问题。
视频数据的安全性在许多视频采集应用中，有许多需要保护的关键信息和敏感信息，例如视频采集的时间、地点等。例如在交通监控系统中，某条街道某个时间段允许车辆通行，其它时间禁止车辆通行，那么视频采集的时间、地点就是非常关键的信息。常用的办法，是将这些重要的数据以单独的文件存放，或者存储在视频数据的用户自定义字段，或者以文件名来标识这些信息，有的干脆以标签的形式来标记。然而这些方法都是极不安全的，由于各种有意或无意的操作，这些重要的信息可能丢失，而且更为重要的是，可能被恶意者利用或者伪造。
视频数据的可靠性视频采集系统所采集的视频数据本身的可靠性也是一个值得关注的问题。最高人民法院公布的新的司法规定指出，私下录制的录音录像资料等，将可以作为证据使用。而利用现有的视频编辑、处理技术，很容易对视频数据进行篡改，比如修改视频中某人的头像，几乎可以做到天衣无缝。即使是在银行、交通监控系统这种属于单位行为的情况，也很难保证视频数据不被恶意者篡改。因此，如何保证所采集的视频数据是可靠的、未经修改的，是一个重要的问题。上述问题采用传统的密码技术并不能得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全和可靠的采用数字水印技术的视频采集方法。
为实现上述目的，一种采用数字水印技术的视频采集方法，包括步骤对视频数据进行采集；对采集的视频数据进行实时编码；在对视频数据实时编码的同时在视频数据中嵌入数字水印。
本发明具有广泛的应用前景，在银行、交通等视频监控系统中，对所采集的视频数据要求有高度的安全性和可靠性，本发明能够满足这样的要求。
图1是视频处理和水印处理流程图；图2是视频编码和水印嵌入示意图；图3是视频解码和水印提取示意图；图4是鲁棒水印嵌入和提取示意图；图5是脆弱水印嵌入和提取示意图。
具体实施例方式
本发明的主要特征是在对采集的视频数据进行实时编码的同时，采用数字水印技术，在视频数据中嵌入标识信息，从而提高视频数据的安全性和可靠性。
附图1描述了对视频数据进行处理的基本流程，首先通过摄像头采集原始的视频数据；然后对采集的数据进行实时编码，在编码的同时嵌入数字水印，以保证数据的安全性和可靠性，得到嵌入了水印的编码视频数据；对编码的视频数据可以进行存储、传输等处理；在需要的时候，对编码视频数据进行解码和播放，在解码的同时，可以提取出数字水印，以保证数据的安全性和可靠性。
附图2描述了在视频编码时进行水印嵌入，附图3描述了在视频解码时进行水印提取，这里水印处理是密钥相关的，也就是说，水印嵌入时采用一个密钥，水印提取时，只有掌握了该密钥，才能提取出所嵌入的水印。分别采用鲁棒水印和脆弱水印技术来保证数据的安全性和可靠性。
保证视频数据的安全性这里视频数据的安全性，主要是指与视频数据相关的一些关键的和敏感的信息，不会被恶意者利用、删除、修改和伪造，在对视频数据进行了有意或无意的处理之后，这些信息仍然能够被合法用户提取出来。
为了更好了保护与视频数据相关的重要信息，需要将这些信息与视频数据本身结合在一起，我们采用一种称为鲁棒水印的技术，在对摄像头采集的视频数据进行编码的同时，采用鲁棒水印技术嵌入与视频数据相关的重要信息。视频编码时水印嵌入见附图2，视频解码时水印提取见附图3。
水印的嵌入位置从下面三个方面进行考虑·内部编码帧，帧间编码帧；·亮度分量，颜色分量；·DCT低频系数，中频系数，高频系数。
嵌入位置是可变的，可以只在内部编码帧亮度分量的DCT低频系数中嵌入，也可以在所有帧的亮度和颜色分量的全部DCT系数中嵌入。根据水印嵌入量，以及所需的鲁棒性来确定选取在哪些系数中嵌入水印。
采用基于扩频的方法进行水印的嵌入和提取。
水印嵌入对于1比特的待嵌入信息b∈{-1，1}，通过一个长为r随机序列Ppi∈{-1，1}进行扩展，然后，选择适当的放大因子α∶αi＞0放大，得到随机序列wi＝b·αi·pi，再在宿主信号X中加上该序列，就得到了嵌入水印的信号Ssi＝xi+b·αi·pi水印提取设信号S受到有意的或无意的攻击之后，成为信号R。要检测R中的水印，计算信号R与随机序列P之间的相关性c=Σi=1rpi·ri]]>判断c的正负值便可以得到所嵌入的信息。
为了实现较好的鲁棒性和不可感知性，我们定义一个8×8放大因子矩阵，在DCT系数的不同频段上，选取不同的放大因子αi。
为了提高水印嵌入处理的效率，我们修改视频编码的过程，在对视频数据进行编码的同时，进行水印的嵌入，如附图4。在对系数进行DCT变换之后，如果该系数块被选择作为水印嵌入，则采用上面的扩频方法进行水印嵌入，1比特的水印信息扩展并嵌入到r个宿主信号中，扩展因子r的长度的选取是可变的，为了实现较好的鲁棒性，一般要求大于1000，同时，调整r的长度，可以实现信息按帧嵌入。
同时需要修改视频解码的过程，在对视频数据进行解码的同时，进行水印的提取，如附图4。在对系数进行变长码解码、反扫描和反量化之后，如果该系数块被选择作为水印嵌入，则采用上面的扩频方法进行水印提取。
我们采用的基于扩频的鲁棒水印技术满足下面的特点鲁棒性水印的鲁棒性是我们最为强调的一点，嵌入在视频中的数字水印，在对视频进行了各种有意或无意的处理之后，如帧插入、删除、以其它编码格式重新编码等，仍然能够检测得到。
视觉不可感知性嵌入的水印是不可见的，也就是说，嵌入了水印之后对视频的质量不会造成明显的影响。
安全性水印嵌入时采用一个密钥，只有知道了该密钥，才能提取、移去所嵌入的信息。安全性同时还体现在密钥空间足够大，以防止穷举搜索攻击；可以采用多个密钥，嵌入不同的信息。
盲水印方案一些数字水印技术，在水印检测时还需要原始的、未添加水印的数据，称为非盲水印，否则称为盲水印。在视频监控的应用中，我们是在采集数据的同时，进行编码和嵌入水印，是不能获得未添加水印的数据的，因此，我们这里需要采用盲水印方案。
保证视频数据的可靠性这里视频数据的可靠性，主要是指能够确认对所采集的视频数据是否进行了篡改，如果确认了视频数据已被修改，能够检测和定位出在数据的什么位置进行了修改。
我们采用一种称为脆弱水印的技术，在对摄像头采集的视频数据进行编码的同时，在视频数据中嵌入脆弱水印。参见附图2、附图3。
脆弱水印的嵌入位置同鲁棒水印一样，从三个方面进行考虑，因此可以只在内部编码帧亮度分量的DCT低频系数中嵌入，也可以在所有帧的亮度和颜色分量的全部DCT系数中嵌入。嵌入位置的选取，取决于对脆弱水印检测和定位篡改的能力的要求，嵌入位置越多，能够检测和定位篡改的能力就越强，但同时给视频质量造成的影响也就越大，可以根据不同的应用要求选择不同的嵌入位置。
同时，考虑到与鲁棒水印的互操作性，在鲁棒水印嵌入的强度足够强的情况下，脆弱水印的嵌入位置可以与鲁棒水印的嵌入位置重叠，即某个系数，可能在DCT变换之后用于鲁棒水印的嵌入，在量化之后又用于脆弱水印的嵌入；或者在鲁棒水印嵌入强度不是很高的情况下，脆弱嵌入的嵌入位置与鲁棒水印的嵌入位置不能重叠，以避免出现因嵌入脆弱水印而破坏鲁棒水印的情况。
采用基于最低有效位(LSB)的方法进行水印的嵌入和提取。
水印嵌入水印嵌入包括两个过程，首先是生成认证信息，然后是嵌入认证信息。认证信息的生成基于这样的事实DCT系数的DC系数是稳定的，如果对其进行修改会明显破坏视频的质量；同时两个块同一位置上的低频AC系数之间的相对大小也是稳定的，进行量化等处理一般不会破坏这两个AC系数的大小的相对关系，根据这样的性质，我们选择DC系数和AC系数，得到认证信息，该认证信息是与密钥相关的，我们用H表示选择DC和AC系数，并生成认证信息的过程，k1表示处理中用到的密钥，则认证信息可以表示为M＝H(DC，AC，k1)接下来需要将这些信息嵌入到量化之后的DCT系数中去，我们采用LSB方法，即修改系数的最低有效位，如果要嵌入比特0，则修改系数的最低位为0，否则为1，我们根据密钥k2选择嵌入位置，我们用E来表示在宿主信号X嵌入水印的过程，得到嵌入了水印的信号SS＝E(X，M，k2)根据不同的应用要求，我们采用不同的嵌入参数，如果只需要检测到某帧是否进行了篡改，则根据一帧的DC和AC系数来生成认证信息，并在这一帧嵌入这一认证信息；如果需要检测篡改是在一帧的哪一块上进行的，则可以把一帧分块，根据每块的DC和AC系数(还可以根据相邻块的DC和AC系数，这样可以避免替换攻击)生成认证信息，并按块嵌入认证信息。
水印提取如果知道了水印嵌入的密钥k1和k2，则可以根据和水印嵌入时类似的步骤，首先得到认证信息M＝H(DC，AC，k1)同时，用D表示从S中提取出水印的过程M′＝D(S，k2)比较M和M′是否相同，如果不同，则表示进行了篡改。
为了提高水印嵌入处理的效率，我们修改视频编码的过程，在对视频数据进行编码的同时，进行水印的嵌入，如附图5。在对系数进行DCT变换、量化之后，如果该系数块被选择作为水印嵌入，则采用上面的LSB方法在量化系数中进行水印嵌入。
同时需要修改视频解码的过程，在对视频数据进行解码的同时，进行水印的提取，如附图5。在对系数进行变长码解码、反扫描之后，如果该系数块被选择作为水印嵌入，则采用上面的LSB方法进行水印提取。
我们采用的基于LSB的脆弱水印技术满足下面的特点检测和定位篡改首先，如果对视频数据进行了修改，通过脆弱水印能够检测到是否进行了修改；其次，能够确认这种修改是发生在什么位置；同时，同鲁棒水印一样，这里嵌入的水印满足视觉不可感知性、安全性、盲水印方案等特点。
权利要求
1.一种采用数字水印技术的视频采集方法，包括步骤对视频数据进行采集；对采集的视频数据进行实时编码；在对视频数据实时编码的同时在视频数据中嵌入数字水印。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的数字水印包括鲁棒水印和脆弱水印。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述嵌入鲁棒水印包括步骤生成认证信息的步骤；嵌入认证信息的步骤。
4.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述嵌入脆弱水印包括步骤生成认证信息的步骤；嵌入认证信息的步骤。
5.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述鲁棒水印和脆弱水印的嵌入位置可以重叠或不重叠。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的数字水印标识了视频采集的时间、地点和其它某些重要信息。
全文摘要
一种采用数字水印技术的视频采集方法，包括步骤对视频数据进行采集；对采集的视频数据进行实时编码；在对视频数据实时编码的同时在视频数据中嵌入数字水印。本发明具有广泛的应用前景，在银行、交通等视频监控系统中，对所采集的视频数据要求有高度的安全性和可靠性，本发明能够满足这样的要求。
文档编号H04N7/64GK1507279SQ0215602
公开日2004年6月23日 申请日期2002年12月11日 优先权日2002年12月11日
发明者邹潇湘, 李锦涛, 林守勋, 黄晁, 彭聪, 刘书昌 申请人:中国科学院计算技术研究所