CN104270644A - 基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，主要针对静态摄像头拍摄的监控视频，先提取视频中相邻两帧之间的速度场特征，对水平和垂直方向的速度向量绝对值加和，生成整个视频的水平和垂直方向两个速度场序列，对速度场序列进行分析，针对不同的帧间篡改模式的特点进行视频帧间篡改检测。本发明方法通过速度场特征这一鲁棒性很强的视频特征，能有效检测视频帧删除、帧复制两种类型的视频帧间篡改，为法庭供证视频的完整性和真实性提供有力的检测武器。

Description

基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种视频篡改检测领域的方法，具体是一种基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法。

背景技术

随着互联网技术和数码设备的日益发展，数字视频已经广泛地融入到人们的生活中，并逐渐成为了法庭认证的一个重要证据来源。然而，随着各种视频编辑软件功能越来越完善，很多视频被篡改并流传于网络，导致视频信息不再可靠。如果被篡改的视频作为法庭供证，很难保证视频的完整性和真实性。如何准确地判断一个给定视频是否被篡改，已经成为信息安全领域的一个重要课题。

目前，常见的视频篡改可以分为帧内篡改和帧间篡改两种方式。帧内篡改主要是对一个视频帧中的局部区域(比如某个物体)进行修改和编辑；帧间篡改则是对视频中完整的多个视频帧进行插入、删除和复制。

视频篡改检测算法可以分为两类：视频篡改主动检测算法和视频篡改被动检测算法。视频篡改主动检测算法主要是利用嵌入的数字水印或者数字签名的完整性来判断视频是否被篡改，依赖对视频的预处理。视频篡改被动检测算法主要是利用视频本身的纹理、噪声、运动矢量等特征来判断视频是否被篡改，由于其无需先验知识，相对主动检测算法而言实用性更强。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102413327A，公开日2012-04-11记载了一种“基于压缩传感的半脆弱水印的视频篡改检测方法”，该技术针对MPEG-2视频中I帧图像的编码方式和DCT系数特征，通过压缩传感技术提取I帧的图像特征，生成并嵌入内容认证水印和完整性水印，进行视频完整性初检、视频帧间篡改检测和视频帧内内容认证，属于基于水印的视频篡改主动检测方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，属于视频帧间篡改被动检测方法。本发明方法通过速度场特征这一鲁棒性很强的视频特征，能有效检测视频帧删除、帧复制两种类型的视频帧间篡改，为法庭供证视频的完整性和真实性提供有力的检测武器。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，包括如下步骤：

步骤1：读入待检测的视频，解码为独立的视频帧序列；

步骤2：对解码得到的视频帧序列，提取每两个相邻视频帧之间的速度向量场，对生成的速度向量场的所有水平方向和垂直方向的绝对值分别求和，得到帧的水平方向和垂直方向的两个速度场绝对值的和，将所有帧的速度场绝对值的和按时间排序生成整个视频水平方向和垂直方向的速度场序列；

步骤3：分析速度场序列特征，根据不同的视频帧间篡改模式的特点，利用速度场相对序列特性来判断视频是否被篡改，如果被篡改，则确定篡改类型。

优选地，提取所述的两个相邻视频帧之间的速度向量场，具体包括如下步骤：

步骤2.1：对于解码得到视频中的两个相邻视频帧，对每个视频帧从RGB颜色空间向YUV颜色空间转换,并将其中的Y部分作为下步骤计算主体；

步骤2.2：将经过步骤2.1的两个相邻视频帧分块，并且划分的分块允许有重叠部分，每个分块大小为N×N，块重叠度为L(0<L<1)；

步骤2.3：对两个相邻视频帧按每个分块计算水平方向和垂直方向的速度向量场。由于存在重叠部分，所以每个N×N的大块计算得到的速度向量是作为(N×L)×(N×L)小块的速度向量。

优选的，所述步骤2.2中，分块大小取N＝16，块重叠度取L＝0.75时，得到的速度场序列最好地表征了未篡改帧之间的连续性和篡改帧之间的间断性。

优选地，在所述步骤2.3中，所述的分块计算速度向量场具体包括如下步骤：

步骤2.3.1：对视频两相邻帧中相同位置分块，做快速傅立叶变换(FFT)；

步骤2.3.2：对2.3.1的两分块进行复数共轭乘积；

步骤2.3.3：对2.3.2结果做快速傅立叶反变换，其中最大值位置即为该速度向量，按上述相同方法计算每一个分块，得到视频相邻两帧的速度向量场。

优选地，第i帧和第i+1帧之间的速度场变化率VFCR_(i,i+1)(x)为：

VFCR_(i,i+1)(x)＝S_(i,i+1)(x)/S_(i-1,i)(x)+S_(i,i+1)(x)/S_(i+1,i+2)(x)

其中，S_(i,i+1)(x)为第i帧和第i+1帧之间的水平方向的速度场绝对值和，S_(i-1,i)(x)为第i-1帧和第i帧之间的水平方向的速度场绝对值和，S_(i+1,i+2)(x)为第i+1帧和第i+2帧之间的水平方向的速度场绝对值和。

优选地，若水平方向和垂直方向速度场序列总共存在的速度场尖峰个数小于零，则不存在篡改；

若水平方向和垂直方向速度场序列其中之一存在一个速度场尖峰，或者两方向都只存在一个速度场尖峰，则篡改确定为帧删除篡改；

若水平方向和垂直方向速度场序列总共存在速度场尖峰个数大于等于两个，且不为帧删除篡改类型，则篡改确定为帧复制篡改。

所述速度场尖峰个数的判断方法如下：

对于VFCR_(i,i+1)(x)，VFCR_(i,i+1)(y)序列，计算

$R_i={\max }_i|{\mathrm{VFCR}}_{(i,i+1)}-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{VFCR}}|/s$

其中和s分别是速度场变化率序列的平均值、标准差。当R_i＞λ_i则认为VFCR_(i,i+1)是一个速度场尖峰。删除VFCR_(i,i+1)后，重复R_i计算，直到当R_i≤λ_i时停止。此时即可得到满足条件的速度场尖峰个数。

其中

${\mathrm{\&lambda;}}_i=\frac{t_{(p,n-i-1)}\&times;(n-i)}{\sqrt{\left({n-i-1+t^2}_{(p,n-i-1)}\right)\&times;(n-i+1)}}$

$p=1-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{2\&times;(n-i+1)}$

t_(p,n-i-1)是t分布p概率，(n-i+1)自由度。

本发明所提供的检测方法，针对静态摄像头拍摄的监控视频，通过提取视频中的速度场特征来检测视频帧插入、帧删除这两种类型的视频篡改方式，分析整个视频中速度场特征是否一致，来判断视频是否被篡改，以及定位篡改类型。该方法对于检测监控视频的完整性和真实性非常有效，在鉴定法庭视频供证真实性方面具有重大影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明视频帧间篡改被动检测方法的整体流程图；

图2是本发明视频帧间速度场特征提取流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明所提供的基于速度场一致性的视频帧间篡改被动检测方法，具体为，首先对两个相邻的视频帧进行颜色空间的转换，并对Y部分进行有重叠分块，依次计算出每个分块的速度向量(分为水平分量和垂直分量)，从而得到两个视频帧之间水平和垂直方向的速度向量场。按此方法提取整个视频所有相邻帧之间的速度场特征，对每个视频生成水平方向和垂直方向两个速度场序列。然后对速度场序列进行分析，针对不同帧间篡改方式的特征，来判断视频是否是原始视频，如果不是，再判断其篡改类型。

视频帧间篡改被动检测方法的整体流程如图1所示，其具体步骤为：

第一步：视频解码，具体步骤为：

对于待检测的视频，利用matlab中mmreader函数进行解码，得到独立的视频帧序列，便于下面的步骤中提取每两个相邻视频帧之间的速度场特征。

第二步：速度场特征提取

对解码得到的视频帧序列，提取每两个相邻帧之间的速度场特征：

对于每个视频帧，对其进行可重叠分块N×N，重叠度L(0<L<1)。对于图像中第i块，计算相邻帧相同位置块的交叉相关(cross-correlation)。计算完成后，平移N*(1-L)大小，并进行该块与相邻帧相同位置块的交叉相关。

第三步，速度场水平和垂直方向绝对值求和

对生成的速度场的所有像素点处水平方向和垂直方向的绝对值分别求和，得到水平方向和垂直方向两个速度场绝对值的和。

对于给定的两个视频帧i和i+1，利用下面的公式计算水平方向和垂直方向所有像素点的速度场绝对值和：

$S_{(i,i+1)}\left(x\right)=\underset{w=1}{\overset{\mathrm{width}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{h=1}{\overset{\mathrm{height}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{PX}}_{(i,i+1)}(w,h)$

其中VFX_(i,i+1)(w,h)是(w,h)位置分块的速度场绝对值，width是水平方向分块数，height是视频帧垂直方向分块数，S_(i,i+1)(x)是最终生成的水平方向的速度场绝对值和。将公式中的X换成Y即可得到垂直方向相应的速度场绝对值和。

第四步：生成速度场序列

遍历整个视频，提取所有相邻两帧之间的速度场特征，计算两帧之间水平方向和垂直方向的速度场绝对值的和，将所有帧速度场绝对值的和按时间排序得到整个视频的水平方向和垂直方向两个速度场序列。

第五步：分析速度场一致性，判断篡改类型

计算速度场序列中所有点的速度场变化率，根据不同的视频帧间篡改方式的特征，对视频速度场序列进行分析，判断是否被篡改，如果被篡改，判断其篡改类型。

第i帧和第i+1帧视频之间的速度场变化率VFCR_(i,i+1)(x)的计算方式如下：

VFCR_(i,i+1)(x)＝S_(i,i+1)(x)/S_(i-1,i)(x)+S_(i,i+1)(x)/S_(i+1,i+2)(x)

其中S_(i,i+1)(x)为第i帧和第i+1帧之间的水平方向(X方向)的速度场绝对值和，S_(i-1,i)(x)为第i-1帧和第i帧之间的水平方向的速度场绝对值和，S_(i+1,i+2)(x)为第i+1帧和第i+2帧之间的水平方向的速度场绝对值和。VFCR为速度场变化率的简称(Velocity Field Change Rate)。

具体的速度场一致性检测方法是，计算每个速度场与其前后两个速度场均值之间的比值，记为速度场变化率。然后将速度场变化率序列进行异常点检测测试：

对于VFCR_(i,i+1)(x)，VFCR_(i,i+1)(y)序列，计算

$R_i={\max }_i|{\mathrm{VFCR}}_{(i,i+1)}-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{VFCR}}|/s$

其中和s分别是速度场变化率序列的平均值、标准差。当Ri＞λi则认为VFCR_(i,i+1)是一个速度场尖峰。删除VFCR_(i,i+1)后，重复R_i计算，直到当R_i≤λ_i时停止。此时得到满足条件的尖峰个数。

其中

${\mathrm{\&lambda;}}_i=\frac{t_{(p,n-i-1)}\&times;(n-i)}{\sqrt{\left({n-i-1+t^2}_{(p,n-i-1)}\right)\&times;(n-i+1)}}$

$p=1-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{2\&times;(n-i+1)}$

t_(p,n-i-1)是t分布p概率，(n-i+1)自由度。

若水平方向和垂直方向速度场序列总共存在速度场尖峰脉冲个数小于零，则不存在篡改；

若水平方向和垂直方向速度场序列其中之一存在一个速度场尖峰，或者两方向都只存在一个速度场尖峰，则篡改确定为帧删除篡改；

若水平方向和垂直方向速度场序列总共存在速度场尖峰个数大于等于两个，且不为帧删除篡改类型，则篡改确定为帧复制篡改。

Claims (7)

1.一种基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：读入待检测的视频，解码为独立的视频帧序列；

步骤2：对解码得到的视频帧序列，提取每两个相邻视频帧之间的速度向量场，对生成的速度向量场的所有水平方向和垂直方向的绝对值分别求和，得到帧的水平方向和垂直方向的两个速度场绝对值的和，将所有帧的速度场绝对值的和按时间排序生成整个视频水平方向和垂直方向的速度场序列；

步骤3：分析速度场序列特征，根据不同的视频帧间篡改模式的特点，利用速度场变化率序列尖峰个数来判断视频是否被篡改以及篡改类型。

2.根据权利要求1所述的基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，其特征在于，所述步骤2中，提取每两个相邻视频帧之间的速度向量场，具体包括如下步骤：

步骤2.1：对于解码得到视频中的两个相邻视频帧，对每个视频帧从RGB颜色空间向YUV颜色空间转换，并将其中的Y部分作为下步骤计算主体；

步骤2.2：将经过步骤2.1的两个相邻视频帧分块，并且划分的分块允许有重叠部分，每个分块大小为N×N，块重叠度为L，0＜L＜1；

步骤2.3：对两个相邻视频帧按每个分块计算水平方向和垂直方向的速度向量场，如果存在重叠部分，则每个N×N的大块计算得到的速度向量是作为(N×L)×(N×L)小块的速度向量。

3.根据权利要求2所述的基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，其特征在于，所述步骤2.2中，分块大小取N＝16，块重叠度取L＝0.75时，得到的速度场序列最好地表征了未篡改帧之间的连续性和篡改帧之间的间断性。

4.根据权利要求2所述的基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，其特征在于，所述步骤2.3中，分块计算速度向量场的方法包括如下步骤：

步骤2.3.1：对视频两相邻帧中相同位置分块，做快速傅立叶变换；

步骤2.3.2：对步骤2.3.1的两分块进行复数共轭乘积；

步骤2.3.3：对步骤2.3.2结果做快速傅立叶反变换，其中最大值位置即为该速度向量，按上述相同方法计算每一个分块，得到视频相邻两帧的速度向量场。

5.根据权利要求1至4中任一所述的基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，其特征在于，所述步骤2中，生成速度场序列的方法如下：

对于给定的两个视频帧i和i+1，利用下面的公式计算水平方向和垂直方向所有像素点的速度场绝对值和：

$S_{(i,i+1)}\left(x\right)=\underset{w=1}{\overset{\mathrm{width}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{h=1}{\overset{\mathrm{height}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{VFX}}_{(i,i+1)}(w,h)$

其中，VFX_(i，i+1)(w，h)是指(w，h)位置分块的速度向量绝对值，width是水平方向分块数，height是视频帧垂直方向分块数，S_(i，i+1)(x)是最终生成的水平方向的速度场绝对值和；

$S_{(i,i+1)}\left(y\right)=\underset{w=1}{\overset{\mathrm{width}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{h=1}{\overset{\mathrm{height}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{VFX}}_{(i,i+1)}(w,h)$

其中，S_(i，i+1)(y)是最终生成的垂直方向的速度场绝对值和；

进一步地，第i帧和第i+1帧之间的速度场变化率VFCR_(i，i+1)(x)为：

VFCR_(i，i+1)(x)＝S_(i，i+1)(x)/S_(i-1，i)(x)+S_(i，i+1)(x)/S_(i+1，i+2)(x)

其中，S_(i，i+1)(x)为第i帧和第i+1帧之间的水平方向的速度场绝对值和，S_(i-1，i)(x)为第i-1帧和第i帧之间的水平方向的速度场绝对值和，S_(i+1，i+2)(x)为第i+1帧和第i+2帧之间的水平方向的速度场绝对值和，将所有帧的速度场绝对值和按时间排序生成整个视频水平方向和垂直方向的速度场序列。

6.根据权利要求5所述的基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，其特征在于，所述步骤3中，判断视频是否被篡改以及篡改类型的具体方法如下：

若水平方向和垂直方向速度场序列总共存在速度场尖峰数小于零，则不存在篡改；

若水平方向和垂直方向速度场序列其中之一存在一个速度场尖峰，或者两方向都只存在一个速度场尖峰，则篡改确定为帧删除篡改；

若水平方向和垂直方向速度场序列总共存在速度场尖峰个数大于等于两个，且不为帧删除篡改类型，则篡改确定为帧复制篡改。

7.根据权利要求6所述的基于速度场一致性的视频帧间篡改检测方法，其特征在于，所述速度场尖峰个数的判断方法如下：

对于VFCR_(i，i+1)(x)，VFCR_(i，i+1)(y)序列，计算

$R_i={\max }_i|{\mathrm{VFCR}}_{(i,i+1)}-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{VFCR}}|/s$

其中和s分别是速度场变化率序列的平均值、标准差，当R_i＞λ_i，则认为VFCR_(i，i+1)是一个速度场尖峰，删除VFCR_(i，i+1)后，重复R_i计算，直到当R_i≤λ_i时停止，

此时得到满足条件的速度场尖峰个数，

其中

${\mathrm{\&lambda;}}_i=\frac{t_{(p,n-i-1)}\&times;(n-i)}{\sqrt{(n-i-1+{t^2}_{(p,n-i-1)})\&times;(n-i+1)}}$

$p=1-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{2\&times;(n-i+1)}$

t_(p，n-i-1)是t分布p概率，n-i+1是自由度。