多功能水印攝像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多功能水印攝像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0總結(jié)數(shù)字權(quán)利是多媒體行業(yè)面臨的一個(gè)重要問題。由于缺乏有效的版權(quán)保護(hù)措施,視頻產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展受到了嚴(yán)重制約1數(shù)字視頻水印技術(shù)針對(duì)以上不足,本文提出一種多功能水印攝像機(jī),它在已有拍攝、錄制與監(jiān)控等視頻采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出在視頻獲取的同時(shí)嵌入多功能水印,以達(dá)到版權(quán)保護(hù)、內(nèi)容認(rèn)證和保密通信的目的。其主要實(shí)現(xiàn)方案為:一種多功能水印攝像機(jī),它包括視頻采集設(shè)備、壓縮碼流存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和視頻壓縮及水印嵌入設(shè)備。其中,視頻采集設(shè)備由攝像頭和視頻采集卡組成,攝像頭根據(jù)用戶需要采集HDTV、SDTV、D1、CIF及QCIF不等分辨率的模擬視頻信號(hào),由視頻采集卡編碼成4:4:4、4:2:2或4:2:0的3種格式的YUV數(shù)字視頻序列。視頻壓縮及水印嵌入設(shè)備由數(shù)字視頻壓縮模塊和數(shù)字水印嵌入模塊組成,數(shù)字水印嵌入模塊在數(shù)字視頻壓縮模塊執(zhí)行的同時(shí)以內(nèi)置方式嵌入多功能數(shù)字水印信息。壓縮碼流存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備由USB串口模塊、移動(dòng)硬盤、觸摸屏模塊和以太網(wǎng)接口組成,視頻壓縮及水印嵌入設(shè)備通過USB串口模塊與移動(dòng)硬盤和觸摸屏模塊進(jìn)行通訊,具體來說,USB串口模塊提供2個(gè)USB2.0接口,一個(gè)執(zhí)行移動(dòng)硬盤與視頻壓縮及水印嵌入設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信;另一個(gè)執(zhí)行觸摸屏模塊與視頻壓縮及水印嵌入設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。此外,視頻碼流還可通過以太網(wǎng)口傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端或服務(wù)器。因此本攝像機(jī)能帶來的有益效果為:(1)在已有拍攝、錄制與監(jiān)控等視頻采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出在視頻獲取的同時(shí)嵌入多功能水印,達(dá)到版權(quán)保護(hù)、內(nèi)容認(rèn)證和保密通信的目的。(2)運(yùn)用內(nèi)置式壓縮域視頻水印技術(shù),在視頻壓縮的同時(shí)嵌入水印信息,因此不受壓縮過程的影響,同時(shí)水印的提取可以直接在部分解碼條件下進(jìn)行,具有更好的實(shí)時(shí)性和兼容性。(3)在視頻獲取的最源端——視頻拍攝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采集的視頻序列進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮和水印嵌入,極大提高了視頻內(nèi)容完整性和版權(quán)的置信度,且生成的視頻流能適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。本攝像機(jī)能完成的數(shù)字水印算法功能為:(1)壓縮域魯棒視頻水印算法:在應(yīng)用較低的區(qū)域嵌入水印,使水印算法在保證一定魯棒性的前提下具有較高的視覺觀賞質(zhì)量。采用互魯棒性視頻水印,即在壓縮域視頻中嵌入具有互魯棒性的雙重水印。不同的算法對(duì)于攻擊的魯棒程度也會(huì)有所不同,因此選取兩種對(duì)不同攻擊操作分別具有良好魯棒性的水印算法,將魯棒水印采用兩種算法分別嵌入到壓縮視頻的不同區(qū)域。在壓縮視頻經(jīng)受惡意攻擊時(shí),至少有一種算法對(duì)于此類攻擊魯棒,因此通過兩種水印算法可用于版權(quán)保護(hù)的魯棒視頻水印。一種實(shí)現(xiàn)方案是:通過分析DCT系數(shù)和運(yùn)動(dòng)矢量在視頻不同區(qū)域?qū)θ祟愐曈X系統(tǒng)的空間和時(shí)間敏感度,應(yīng)用H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)時(shí),把Watson8×8DCT量化視覺模型推廣到4×4整數(shù)變換上,在水印嵌入過程中結(jié)合區(qū)域的視覺敏感度,自適應(yīng)調(diào)整嵌入強(qiáng)度,提高了重建視頻的視頻效果;或者選擇視覺敏感度法的互補(bǔ)性來提高壓縮視頻對(duì)不同攻擊的抵抗能力。(2)壓縮域脆弱視頻水印算法:本算法用于內(nèi)容認(rèn)證和視頻傳輸糾錯(cuò),目前的脆弱水印算法大多只能提供視頻壓縮碼流部分內(nèi)容的認(rèn)證(如DCT系數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量等),本攝像機(jī)提供一種能夠?qū)嚎s碼流內(nèi)容進(jìn)行全面認(rèn)證的脆弱水印可行方案如下:首先提取運(yùn)動(dòng)矢量的特征,然后將運(yùn)動(dòng)矢量的特征作為水印嵌入到量化后DCT高頻系數(shù)中。這樣,無論是運(yùn)動(dòng)矢量還是DCT系數(shù)被篡改,都會(huì)引起水印信息的變化,因此可以進(jìn)行更為全面的內(nèi)容認(rèn)證。脆弱水印還可用于視頻傳輸中的糾錯(cuò)與差錯(cuò)復(fù)原。傳統(tǒng)的壓縮視頻糾錯(cuò)主要采用針對(duì)壓縮標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)法規(guī)則的方法,只要接收到的視頻碼流符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的語(yǔ)法規(guī)則,就認(rèn)為沒有誤碼情況發(fā)生。本攝像機(jī)還采用另一種脆弱水印和語(yǔ)法規(guī)則相結(jié)合的誤碼檢測(cè)可行方案如下:首先將脆弱水印嵌入壓縮碼流中,在解碼的同時(shí)提取脆弱水印。如果發(fā)現(xiàn)提取的水印信息和嵌入水印不同,則認(rèn)為相應(yīng)位置有誤碼發(fā)生。這樣不僅可以檢測(cè)出語(yǔ)法錯(cuò)誤,而且可以檢測(cè)出內(nèi)容錯(cuò)誤但語(yǔ)法仍然符合標(biāo)準(zhǔn)的情況。對(duì)于發(fā)生差錯(cuò)的部分,可以按照滿足水印嵌入規(guī)則的方式對(duì)其進(jìn)行修改,從而恢復(fù)錯(cuò)誤并提高視覺質(zhì)量。(3)壓縮域視頻保密通信:即通過在視頻序列中嵌入秘密信息實(shí)現(xiàn)軍事情報(bào)和商業(yè)機(jī)密的隱藏通信。秘密信息可以通過圖1(33)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)輸入,經(jīng)圖1(311)實(shí)時(shí)隱藏于壓縮視頻數(shù)據(jù)中,當(dāng)多媒體產(chǎn)品被當(dāng)作明文通過公共信道傳輸時(shí),受權(quán)方通過事先約定的密鑰和算法提取出秘密信息,不容易引起第三方的質(zhì)疑,嵌入算法能抵抗大多數(shù)隱寫分析軟件,從而達(dá)到保密通信的目的。2錄像視頻監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行如圖1所示,多功能水印攝像機(jī),它由視頻采集設(shè)備(10)、視頻壓縮及水印嵌入設(shè)備(20)和壓縮碼流存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備(30)組成。(10)由攝像頭(11)和視頻采集卡(12)組成,(11)根據(jù)用戶需要采集HDTV、SDTV、D1、CIF及QCIF不等分辨率的模擬視頻信號(hào),由(12)編碼成4:4:4、4:2:2或4:2:0的3種格式的YUV數(shù)字視頻序列;(20)由數(shù)字視頻壓縮模塊(21)和數(shù)字水印嵌入模塊(22)組成,(21)提供數(shù)字電視廣播、視頻點(diǎn)播、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻存儲(chǔ)及直播級(jí)的視頻壓縮質(zhì)量,(22)在(21)執(zhí)行的同時(shí)以內(nèi)置方式嵌入用于版權(quán)保護(hù)、內(nèi)容認(rèn)證和保密通信的多功能數(shù)字水印信息,此數(shù)字水印信息可以根據(jù)需要產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字水印標(biāo)簽,是不可見的,包括內(nèi)容標(biāo)識(shí)、所有者、日期和時(shí)間等信息,并可由用戶在保證長(zhǎng)度范圍的前提下自行編輯添加此水印標(biāo)簽內(nèi)容,也可以是用于保密通信的秘密信息的內(nèi)容;(30)由USB串口模塊(31)、移動(dòng)硬盤(32)、觸摸屏模塊(33)和以太網(wǎng)接口(34)組成,(20)輸出嵌入水印的壓縮碼流通過(31)存儲(chǔ)在(32)中,(31)提供USB2.0接口(310)和(311),(310)執(zhí)行(32)與(20)間的數(shù)據(jù)通信;(311)執(zhí)行(33)與(20)間的數(shù)據(jù)通信,提供多功能水印攝像機(jī)系統(tǒng)操作及控制命令、用戶現(xiàn)場(chǎng)的手寫字、指紋或公司標(biāo)志等水印信息的輸入。視頻碼流還可以通過以太網(wǎng)口(34)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端或服務(wù)器。本攝像機(jī)的視頻壓縮技術(shù)采用H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)。即將X264代碼經(jīng)部分優(yōu)化到能實(shí)時(shí)壓縮D1格式25Hz后燒寫到DM642的FLASH中脫機(jī)運(yùn)行,當(dāng)需要采集HDTV或SDTV更大分辨率的視頻時(shí),考慮到視頻拍攝的片斷性特點(diǎn),在現(xiàn)場(chǎng)不能實(shí)時(shí)完成的壓縮編碼與水印嵌入任務(wù),可以選擇事后繼續(xù)處理的方式。本攝像機(jī)系統(tǒng)的硬件實(shí)施方式如圖2所示。在拍攝現(xiàn)場(chǎng),攝像機(jī)開機(jī)上電引導(dǎo)(60)FLASH中的啟動(dòng)程序,再將固化其中的應(yīng)用程序?qū)?30)中,啟動(dòng)(10)開始拍攝原始RGB真彩色視頻序列,經(jīng)(20)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換成所需要格式的YUV信號(hào),再存儲(chǔ)在(70)中,(50)通過高速緩存(40)訪問(30)中的數(shù)據(jù)和程序,進(jìn)行視頻壓縮編碼,同時(shí)(30)通過向(70)中讀取原始水印信息,進(jìn)行水印編碼和水印嵌入,最后得到嵌入水印的視頻壓縮碼流寫入到(70)中,還可以通過(80)將嵌入水印信息的視頻碼流傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端或服務(wù)器,完成多功能水印攝像過程。本攝像機(jī)系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行流程如圖3所示。水印攝像機(jī)上電引導(dǎo),啟動(dòng)任務(wù)1,完成一幀視頻數(shù)據(jù)的采集,給任務(wù)2發(fā)出任務(wù)1已完成消息,任務(wù)2啟動(dòng),進(jìn)行原始水印信息的讀取和編碼水印信息生成,完成后向任務(wù)3發(fā)出任務(wù)2已完成消息,任務(wù)3啟動(dòng),進(jìn)行視頻壓縮編碼和水印嵌入,任務(wù)3執(zhí)行耗時(shí)長(zhǎng),任務(wù)重,占系統(tǒng)資源最多。待任務(wù)3執(zhí)行結(jié)束向任務(wù)40發(fā)出任務(wù)3已完成消息,啟動(dòng)任務(wù)40,將嵌入水印的壓縮碼流寫入移動(dòng)硬盤中,當(dāng)選擇遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)時(shí),可啟動(dòng)任務(wù)41,完成視頻碼流的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能,得到經(jīng)壓縮的嵌入水印的原始視頻數(shù)據(jù),用于后續(xù)的編輯、制作、發(fā)布和流通。由于嵌入了魯棒水印、脆弱水印和秘密信息,因此現(xiàn)場(chǎng)拍攝的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)具備了版權(quán)保護(hù)、內(nèi)容認(rèn)證與完整和保密通信等多種功能,能夠保護(hù)合法者的權(quán)益。3psnr性能分析我們利用合眾達(dá)VPM642開發(fā)板進(jìn)行了本攝像機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試,測(cè)試結(jié)果的主要指標(biāo)為編碼效率和視覺質(zhì)量。視頻的壓縮編碼使用H.264代碼對(duì)于緩慢變化的視頻場(chǎng)景,其壓縮效率可以達(dá)到25:1,甚至以上,而對(duì)于變化劇烈的視頻場(chǎng)景,其壓縮效率大約為10:1。反應(yīng)視覺效果的PSNR值都保持在37dB以上,甚至有些能達(dá)到42dB。完全符合編碼前后視覺效果基本保持不變的要求。foreman(5)括號(hào)內(nèi)的5表示測(cè)試幀數(shù)為5,其它類同;PSNR都是以dB為單位;fps表示一秒鐘編碼多少幀;kb/s表示碼率;圖4是wmcam100.yuv中第63幀。圖5是wmcam5.264(經(jīng)wmcam100.yuv編碼得到)重建圖像的63幀。從圖中可以看出,除高速旋動(dòng)的電風(fēng)扇葉內(nèi)有稍微的模糊外,其余都取得了很好的視頻效果,這是因?yàn)樗荘幀編碼的幀。4數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件技術(shù)組成本文提出一種基于壓縮域數(shù)字視頻水印概念的新型多功能水印攝像機(jī)。涉及的技術(shù)領(lǐng)域包