帧复制篡改有个基本要求, 即尽量减少对视频连续性的影响, 以达到不突兀的效果, 因此, 复制帧一般通过参考被复制帧进行编码。在H.264编码中, 存在多帧参考机制, 如果编码过程中被复制帧属于复制帧多帧参考帧中的一帧, 就会造成复制帧的宏块强度异常。

基于宏块强度的视频帧复制篡改检测流程如图1所示, 主要分为以下几个步骤：P帧化和多帧参考化、宏块强度异常判定、帧复制篡改的判定及篡改点的定位。

图1

Fig.1

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	图1 基于宏块强度的视频帧复制篡改检测流程图Fig.1 Flow chart of detecting the forged video with frames duplicated based on macroblock intensity

为了检验帧复制篡改检测方法的有效性, 本文随机分别对5段动态视频（存在运动的人或物的视频）和5段静态视频^[11]（画面完全静止, 不存在运动的人和物的视频）进行单帧相邻复制篡改、连续帧的相邻复制篡改、单帧非相邻复制篡改和连续帧的非相邻复制篡改。视频帧复制篡改后, 用H.264编码标准进行编码。然后对待检测视频进行P帧化和多帧参考化, 如利用FFMPEG的命令：

ffmpeg/bin/ffmpeg.exe -i a.mp4 -bf 0 -refs 15 b.mp4

通过“ -bf 0” 命令将输入的视频a.mp4的B帧数设置为0进行P帧化, 通过“ -refs 15” 命令将视频参考帧数设置为15帧进行多帧参考化。之后再按照帧复制篡改检测流程逐帧进行宏块数量的统计并计算帧的宏块强度, 得到实验结果如图2、图3。

图2

Fig.2

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	图2 动态视频的宏块强度Fig.2 Macroblock intensity changing from a dynamic video

图3

Fig.3

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	图3 静态视频的宏块强度Fig.3 Macroblock intensity changing from a static video

从动态视频的帧复制篡改检测结果图2可知, 运用零向量宏块强度和跳跃宏块强度于动态视频的帧复制篡改检测中都有不错的效果, 但复制帧的零向量宏块强度异常特征没有跳跃宏块强度异常特征显著。原因在于：在编码过程中, 复制帧与被复制帧中相同的宏块在复制帧中被标记为跳跃宏块一般存在于复制帧与被复制帧位置相邻或较接近的情况下。而复制帧与被复制帧位置相对较远时, 两者相同的宏块则在复制帧中被编码为零向量宏块。又由于在两帧位置相对较近的情况下, 视频编码时算法会更加精准, 所以, 复制帧中跳跃宏块相对更多, 零向量宏块相对较少。也就是说, 复制帧中跳跃宏块强度异常强的幅度大于复制帧中零向量宏块强度异常强的幅度。所以, 针对动态视频的帧复制篡改检测, 跳跃宏块强度的检测灵敏度较零向量宏块强度更高。

从静态视频的帧复制篡改检测结果图3可知, 将零向量宏块强度运用于静态视频帧复制篡改检测中的效果没有动态视频的好。静态视频中, 帧与帧之间的差异不大, 导致复制帧与被复制帧之间的相对相似性不突出, 加上静态视频复制帧与被复制帧之间非相邻, 更削弱了复制帧与非相邻的被复制帧在帧序列中的相对相似性。此时, 视频编码算法难以将被复制帧作为复制帧的主要参考帧来编码复制帧, 零向量宏块强度便不能起到作用。因此, 零向量宏块强度不适用于静态视频中的帧复制篡改检测。静态视频中, 复制帧与被复制帧之间相邻或较接近时, 视频编码算法就近优先将相邻的被复制帧作为复制帧的主要参考帧, 虽然帧间差异小, 但复制帧和相邻的被复制帧之间相对相似性较其他帧更强, 此时跳跃宏块强度能起作用。因此, 跳跃宏块强度适用于静态视频中的帧复制篡改检测。

综合动态视频和静态视频实验结果, 零向量宏块强度的检测方法不适用于静态视频但适用于动态视频; 跳跃宏块强度的检测方法在动态视频和静态视频的帧复制篡改检测中都适用, 且跳跃宏块强度的视频帧复制篡改检测方法的灵敏度较零向量宏块强度更高, 即本文提出的检测方法更适用于复制帧与被复制帧相邻或较接近的帧复制篡改检测。

由于宏块强度的异常帧判定存在较主观的判断, 为解决此问题, 本文针对视频篡改点判定定义相对异常度A和B, 并通过相关实验, 得出参考阈值。

（3）

（4）

式（3）中, Z(n)为第n帧的零向量宏块强度, Z(n)为第n帧所在的GOP里所有P帧的平均零向量宏块强度, A适用于利用零向量宏块强度检测帧复制篡改的篡改点判定。式（4）中, S(n)为第n帧的跳跃宏块强度, S(n)为第n帧所在的GOP里所有P帧的平均跳跃宏块强度, B适用于利用跳跃宏块强度检测帧复制篡改的篡改点判定。在视频帧序列中的一个GOP中, 若存在第n帧满足A>6或B>6时, 基本可以判定该帧所在处为疑似篡改点。

为了检验篡改点的相对异常度的可行性, 本文利用篡改点的相对异常度对上文图2动态视频中的“ 第9帧在帧序列14-16处复制三次” 篡改视频进行篡改点定位, 结果如表1和表2。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 视频帧的相对异常度A Table 1 The relative abnormality (A) of a video's frames 帧序列 相对异常度 A 帧序列 相对异常度 A 帧序列 相对异常度 A 1 0 12 0.901 23 0.283 2 0.461 13 0.474 24 0.159 3 1.667 14 10.571 25 0.127 4 0.562 15 0.098 26 0.429 5 0.599 16 0.012 27 0.448 6 0.442 17 5.655 28 0.381 7 1.341 18 0.788 29 0.144 8 1.003 19 0.577 30 0.352 9 1.051 20 0.253 31 0.120 10 0.507 21 0.148 32 0.081 11 1.754 22 0.487 33 0.127

表1 视频帧的相对异常度A Table 1 The relative abnormality (A) of a video's frames

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 视频帧的相对异常度B Table 2 The relative abnormality (B) of a video's frames 帧序列 相对异常度 B 帧序列 相对异常度 B 帧序列 相对异常度 B 1 0 12 0.632 23 0.378 2 0.384 13 0.814 24 0.560 3 0.317 14 0.197 25 0.723 4 0.360 15 4.212 26 0.336 5 0.442 16 13.632 27 0.364 6 0.384 17 0.175 28 0.348 7 0.345 18 0.509 29 1.024 8 0.292 19 0.309 30 0.653 9 0.240 20 0.740 31 0.378 10 0.459 21 0.671 32 0.583 11 0.265 22 0.529 33 0.746

表2 视频帧的相对异常度B Table 2 The relative abnormality (B) of a video's frames

由表1和表2结果可知, “ 第9帧在帧序列14-16处复制三次” 篡改视频中帧序列为14的相对异常度A和帧序列为16的相对异常度B满足条件, 可以判定为疑似篡改点, 验证了相对异常度A和B判定篡改点的可行性。

针对视频的帧复制篡改问题, 本文利用帧复制篡改后视频中的复制帧与被复制帧的相关性增强, 导致复制帧内零向量宏块强度或跳跃宏块强度较正常帧异常强的特性, 提出了基于宏块强度的视频帧复制篡改检测方法。实验表明, 通过计算复制帧的零向量宏块强度和跳跃宏块强度能有效检测出帧复制篡改视频, 并对篡改点进行定位, 能在一定程度上为视频的帧复制篡改检测提供有效的鉴定意见。但本文提出的篡改检测方法也存在不足, 由于P帧的单向预测性, 若复制帧的帧序列小于被复制帧, 则利用宏块强度检测出的可能为被复制帧, 无法定位复制帧。但即使复制帧的帧序列小于被复制帧时存在无法定位复制帧的不足, 本文提出的帧复制篡改检测方法依然能够通过判断被复制帧的宏块强度是否异常来确定待检测视频是否为篡改视频, 有助于非法证据排除。