В этом исследовании не участвовали люди, участники, животные или клинические образцы. Поэтому одобрение институциональной этики и информированное согласие не требовались.
Материалы и программное обеспечение
Для развертывания фреймворка использовалась среда Hyperledger Fabric версии 2.4.8, CouchDB, Docker Containers, развертывание Minifab, мультимедийные приложения для обработки FFmpeg и язык программирования Go. Hyperledger Fabric предоставляла услуги для децентрализованного управления реестром и выполнения смарт-контрактов, в то время как CouchDB эффективно хранила и извлекала информацию об авторских правах через внецепочное хранилище. FFmpeg использовался для предварительной обработки видео и извлечения видеокадров, а перцептивные алгоритмы хеширования применялись через библиотеки хеширования изображений на языке программирования Go. Список всех инструментов и их соответствующих описаний иллюстрирован в Таблице материалов.
Архитектура фреймворка
Предлагаемый фреймворк использует алгоритмы перцептивного хеширования в разрешённом блокчейне Hyperledger Fabric, чтобы обеспечить децентрализованный подход к защите авторских прав и валидации права собственности на видео. Фреймворк состоит из пяти основных компонентов: предобработки видео, генерации перцептивного хеша, регистрации авторских прав на основе блокчейна и проверки на основе сходства. В этом фреймворке Hyperledger Fabric служит слоем доверия, предоставляя неизменные записи владения, а CouchDB — хранение вне цепочки. Общая архитектура предлагаемой структуры показана на рисунке 1.
Модель системы проверки авторских прав
Подробный рабочий процесс исследуемой системы показан на рисунке 2. Всё начинается с захвата видео, затем следует регулярное извлечение кадров с использованием FFmpeg. Извлеченные фреймы обрабатываются в среде реализации Hyperledger Fabric, которая включает такие действия, как регистрация права собственности, администрирование сертификатов, взаимодействие с пирами и проверка транзакций. К извлечённым кадрам применяется перцептивное хеширование, затем вычисление расстояния Хэмминга для оценки степени сходства. Если дистанция Хэмминга ниже порога, кадр считается аутентичным и похожим на зарегистрированный контент; в противном случае он рассматривается как модифицированный контент.
Получение видео, предобработка и создание перцептивного хеширования
Видеообразцы, использованные в эксперименте, представляли собой MP4-файлы в разрешении 480p, средняя продолжительность около 26 секунд. В наборе оценочных данных было 15 видеообразцов, включая оригинальное референсное видео и несколько модифицированных версий. Эти модификации включали типичные задачи по редактированию, такие как изменение частоты кадров, вставка, удаление или замена кадров, а также применение искажений, таких как обрезка, масштабирование, вращение и эффекты наложения. В наборе данных также были добавления сжатия, шума, текста и стикеров, эффекты глитча и многое другое. Все видео были в формате MP4 с разрешением 480p и проходили те же этапы предварительной обработки и генерации отпечатков пальцев. Разработанный для проверки устойчивости системы, этот набор данных охватывает широкий спектр реальных сценариев, связанных с нарушениями и манипуляциями. До того как видеофайлы были обнаружены и подтверждены авторскими правами, проходили предварительную обработку в FFmpeg. Кадры из видеофайлов извлекались с интервалом в 1 секунду для получения сжатых сводок контента в виде визуального контента, который оставался вычислительно дешевым в обработке. Далее эти кадры были преобразованы в оттенки серого и нормализованы, чтобы минимизировать изменения интенсивности пикселей, вызванные условиями освещения, кодированием и разницами сжатия.
Для получения отпечатков видеоконтента использовались четыре функции перцептивного хеширования в виде среднего хеширования (aHash), дифференциального хеширования (dHash), перцептивного хеша (pHash) и вейвлетного хеша (wHash).
Для генерации хеша кадры сначала преобразовывались в оттенки серого и изменялись до размера 8x8 пикселей для вычисления aHash и dHash. С помощью aHash 64-битный отпечаток генерировался путём сравнения каждого пикселя со средним значением серого. Алгоритм dHash делал что-то похожее, создавая 64-битный отпечаток, но он изучал различия по интенсивности горизонтальных пикселей соседних пикселей. Для pHash кадры изменялись до 32x32 пикселей, затем вычислялось дискретное косинусное преобразование. Для получения 64-битного перцептивного отпечатка использовались только низкочастотные коэффициенты DCT 8x8. Что касается wHash, кадры снова были изменены до 32x32 пикселей, но на этот раз обработаны с помощью вейвлет-преобразования Хара. Из извлечённых коэффициентов вейвлетов с самой низкой частотой был сгенерирован 64-битный хеш. Все эти параметры направлены на хороший баланс между вычислительной эффективностью и мощностью для обычных видеокорректировок.
Для эффективных вычислений хеш-функций эти изображения были нормализованы и изменены по размеру. Метод среднего хеширования работает путём сравнения интенсивности пикселей с интенсивностью среднего значения изображения. Дифференциальный хешинг работает аналогично, но фокусируется на локальных градиентах путём сравнения интенсивности пикселей с интенсивностью соседних пикселей. Перцептивное хеширование использует признаки Фурье, возникающие из DCT, тогда как вейвлет-хеширование опирается на результаты вейвлет-преобразования для извлечения признаков.
Регистрация и проверка авторских прав на основе блокчейна
Полученные отпечатки перцептивных пальцев, метаданные владения, временные метки и детали транзакций передаются в блокчейн Hyperledger Fabric через смарт-контракт vitChain. Реализация блокчейна включает две организации, двух узлов, двух упорядоченных узлов, двух узлов сертификационного центра (CA) и базы данных состояний CouchDB, все связаны автоканалом. Разрешённый блокчейн-фреймворк обеспечивает безопасную обработку, ограниченный доступ и хранение данных авторских прав от подделок.
Процедура регистрации авторских прав начинается после того, как владелец контента загружает видео через пользовательский интерфейс. Когда пользователь отправляет видео для регистрации авторских прав, уровень приложения вызывает смарт-контракт vitChain через Hyperledger Fabric SDK. Эта регистрация включает уникальный идентификатор транзакции, данные владельца, видео ID, временную метку и четыре типа перцептивных хеш-значений: aHash, dHash, pHash и wHash. Также есть метаданные о контенте. Приложение отправляет предложение о транзакции поддерживающим партнерам. Эти узлы затем запускают логику смарт-контракта и обеспечивают соответствие транзакции политике одобрения. После успешной валидации транзакция переходит на сервис заказа. Здесь верифицированные транзакции группируются в блоки и отправляются узлам-узлам для включения в реестр. Тем временем связанные метаданные попадают в CouchDB. Они подключаются к записям блокчейна через идентификатор транзакции, что позволяет легко делать поиск и сохраняет согласованность как в блокчейне, так и вне её данных.
После предварительной обработки и перцептивных вычислений отпечатки пальцев вместе с соответствующими метаданными собираются в транзакцию, которую выполняет смарт-контракт. Проверка транзакций проводится участвующими партнерами в соответствии с установленной политикой одобрения. После одобрения транзакция передаётся в сервис заказа для включения в блок распределённого реестра. Для надёжной работы мы включили базовую обработку ошибок в процессы регистрации и проверки. Перед транзакцией приложение проверяет обязательные метаданные, информацию о владении и перцептивные хеши, чтобы избежать проблем. Если транзакции не соответствуют правилам одобрения или имеют недопустимые параметры, узлы одноранга отклоняют их напрямую. Когда возникают проблемы, такие как сбои в связи или ошибки обработки, система фиксирует их и отправляет предупреждение администратора. Это помогает предотвратить распространение незначительных ошибок обработки по системе. Во время проверки авторских прав видео с некорректными метаданными или повреждёнными хэш-значениями исключаются из процесса проверки. Видео, для которых не удаётся получить отпечатки пальцев, также исключены из процесса проверки. В целом, эти шаги поддерживают чистоту данных и укрепляют надёжность фреймворка. Информация о собственности на защищённое авторским правом видео становится неизменной и доступна для последующего извлечения.
Проверка
Процесс верификации включает аналогичные этапы предварительной обработки и вычисления отпечатков пальцев, после чего следует сравнение отпечатков с сохранёнными в блокчейне с использованием измерения сходства на основе расстояния Хэмминга. На основе показателя сходства смарт-контракт определяет информацию об авторских правах на представленное видео. Рабочий процесс взаимодействия показан на рисунке 3.
Проверка авторских прав на основе сходства
Процесс проверки авторских прав сравнивает перцептивные отпечатки, полученные из видео запроса, с отпечатками, ранее хранящимися в блокчейн-системе. Тот же процесс предварительной обработки и генерации хеша, используемый при регистрации, повторяется на этапе верификации для поддержания согласованности. Сходство измеряется с помощью расстояния Хэмминга, которое учитывает количество разниц битов между двумя хеш-значениями. Меньшие расстояния Хэмминга указывают на большее сходство между двумя видео, а более высокие расстояния — на манипуляции контентом. Чтобы проверить, совпадает ли видео запроса с зарегистрированным видео, мы использовали расстояние Хэмминга между их перцептивными хеш-значениями. На основе предварительных экспериментов был выбран порог расстояния по Хэммингу в 20 для обеспечения оптимального баланса между устойчивостью к обычным операциям обработки видео и чувствительностью к несанкционированным модификациям. Видео с дистанцией Хэмминга 20 или меньше считались отражающими одинаковый защищённый авторским правом контент. Если бы было больше, это было бы серьёзными переменами. Этот 20 был выбран для обработки распространённых видеомонтажей, таких как сжатие, фильтрация, транскодирование и изменение частоты кадров, но при этом он всё равно фиксирует несанкционированные изменения. Измеряются сходство для всех собранных отпечатков рамок, затем агрегируются для получения вывода по проверке авторских прав. Видео, отклоняющиеся от зарегистрированного контента, отмечаются для дополнительной проверки.
Среда развертывания
Тестовая среда была создана с использованием контейнеров Docker и инструмента оркестрации Minifab. Блокчейн-сеть на базе Hyperledger Fabric версии 2.4.8 была развернута с CouchDB в качестве слоя данных состояния и хранения данных смарт-контрактов. Смарт-контракт vitChain был реализован в Go и внедрен с использованием жизненного цикла цепного кода Hyperledger Fabric. Параметры развертывания приведены в таблице 2. Сеть состояла из двух участвующих организаций: создателя контента и видеографа. Для обеспечения целостности транзакций и предотвращения несанкционированной регистрации или изменений авторских прав была внедрена политика многоорганизационного одобрения, требующая одобрения обеих организаций перед тем, как транзакция может быть внесена в реестр. В частности, политика одобрения следовала правилу AND, выражаемому как AND ('ContentCreatorMSP.peer', 'VideographerMSP.peer').