[发明专利]基于光流周期特性的视频帧率上转篡改检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子取证技术领域，具体涉及一种基于光流周期特性的视频帧率上转篡改检测方法。

背景技术

随着时代的进步，数字视频已成为人们日常生活中不可缺少的组成部分。同时，随着多媒体技术的发展，视频编辑软件的不断更新，即使是普通的计算机用户都能轻易地编辑视频，使得视频数据的可信度严重降低。因此开展对数字视频的取证研究变得日益迫切和重要。

时域篡改是视频篡改手段中最简单和常见的篡改方式，主要包含：帧删除、帧插入、帧复制-粘贴等等。帧率上转是一种特殊的帧插入操作，它通过周期性地在原始视频帧序列中插入一些新的帧，实现将视频从较低帧率转为较高帧率的目的，提高视频质量。但帧率上转技术也能被用于伪造：篡改者为了骗取网络点击量，或为了合并两个不同帧率的视频等一些不合法的目的而故意将低帧率的视频转为高帧率的视频。因此对帧率上转篡改类型的研究是必要的。典型的插帧算法是通过参考相邻帧的图像信息进行线性插帧，算法模型为：其中，f[i]表示视频序列的第i帧图像，w_j表示插帧权重，f[i+j]表示参考帧图像，参考帧的帧序号范围为[-k₁,0)∪(0,k₂]，k₁，k₂为整数。在实际应用中，商业软件在设计时不仅要满足功能需求，同时还要兼顾时间效率和存储要求，因此目前大多数的商业软件采用的是参考前后帧进行权重估计的方式产生新视频帧的方法来实现视频帧率的上转操作。，如ImTOO video Converter，AVS video converter，Any video converter，WinAVI Video Converter等等，通常在插帧时只参考了前一帧图像，即在算法模型中，k₁＝1，k₂＝0，w_-1＝0。目前针对帧率上转篡改检测的研究成果还比较少。一种基于结构相似度分析的检测方法通过分析采用权重估计方式产生新的视频帧与前后帧存在一定相似关系的帧率上转原理，提出了通过计算帧间结构相似度的周期性变化来判断视频是否经过帧率上转篡改，该算法能够有效检测未经压缩的视频和H.264/AVC格式视频，对噪声具有一定的鲁棒性，但这种算法受视频二次压缩影响较大，对于经过压缩的视频算法检测结果不理想。

发明内容：

为了提高视频帧率上转篡改检测方法对压缩操作的鲁棒性，本发明提出了一种基于光流周期特性的检测方法，它适用于典型的帧率上转篡改技术。这种篡改方式是指在原始帧序列中通过复制相邻帧图像信息的方法进行周期性地插入一些新的帧。从帧率上转典型的插帧原理分析可知，插帧操作时仅仅是复制了前一帧的图像信息，并未考虑相邻帧图像的连续运动信息，因此，本发明通过分析视频每帧图像的像素点在相邻帧间的光流信息判断视频是否经过帧率上转篡改。如果视频经过帧率上转篡改操作，那么在插帧位置处会丢失一定的运动信息，造成光流不连续。同时，由于帧率上转篡改是周期性的插帧操作，因此，这种光流的不连续现象也是周期性的。首先将视频转化为帧图像序列，然后采用Horn-Schunck光流法计算帧图像的每个像素点在相邻帧间运动信息，得到水平方向和垂直方向的光流矢量，再计算相邻帧光流变化率，并利用快速傅里叶变换进行频谱分析，得到光流变化率的频率幅值谱图。对于篡改视频，光流变化率的频率幅值谱图中会有明显的尖峰存在。因此本发明依据频谱图的最大幅值与平均幅值的比值判别视频是否经过帧率上转篡改，若比值超过一定阈值，说明视频经过帧率上转篡改，否则说明视频未经过帧率上转篡改。

为实现本发明的目的采用的技术方案如下：

第一步，计算相邻帧间像素点光流。光流是指空间运动物体在观测成像面上的像素运动的瞬时速度。假设帧图像的大小为M×N，像素点(x,y)在t时刻的灰度值为I(x,y,t)，在t+dt时刻，该像素点运动到(x+dx,y+dy)，此时对应的灰度值为I(x+dx,y+dy,t+dt)。像素点(x,y)的光流矢量计算公式如下：

其中，分别表示该像素点灰度值沿x、y、t方向的变化率。表示该像素点沿着x和y方向(水平方向和垂直方向)的移动速度，即光流，和分别表示u邻域和v领域中的均值。k表示迭代的次数，光流初始值u⁽⁰⁾、v⁽⁰⁾为0。迭代结束后得到像素点(x,y)沿着水平方向和垂直方向的光流u、v。

第二步，计算光流变化率。分别计算水平方向、垂直方向的光流变化率，计算公式如下：