CN111343466B - 一种基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法,包括:S1,计算DCT系数对在不同迁移方式下的嵌入效率;S2,获取已知视频的DCT系数对;S3,根据已知视频的DCT系数对的基本分布规律和在不同迁移方式下的嵌入效率为不同类型的DCT系数对选择相应的迁移方式,将选择的迁移方式作为相应的二维直方图平移规则,其中将相同的DCT系数对作为一类型;S4,获取待数据隐藏的视频及其DCT系数对;S5,按照所述二维直方图平移规则对待数据隐藏的视频的DCT系数对进行修改以嵌入数据;本发明更好地考虑了不同迁移方法的嵌入效率的差异性,并结合DCT系数对的取值分布情况来设计出更好的二维直方图平移方法,从而使得本发明可以取得更优化的载密视频质量。

Description

一种基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法
技术领域
本发明涉及多媒体信息安全技术领域,特别是涉及一种基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法。
背景技术
随着互联网的高速发展以及数字信号处理技术的进步,视频作为一种包含丰富信息的载体获得了广泛的应用,其中H.264/AVC编码标准是如今使用得最多的一种视频编码标准。
H.264/AVC视频可逆数据隐藏技术利用人眼的视觉冗余和视频的数据冗余,可以在难以使人觉察的情况下把秘密信息隐藏在H.264/AVC视频中。以直方图平移为代表的H.264/AVC视频可逆数据隐藏技术的特点在于不仅可以从载密H.264/AVC视频中完整地提取出秘密信息,而且提取秘密信息后的H.264/AVC视频可以无损地恢复为原始的H.264/AVC视频。H.264/AVC视频可逆数据隐藏技术可以应用在军事和医学等需要无损恢复的场景中,具有重要的实用价值。
Xu等人(D.Xu and R.Wang,“Two-dimensional reversible datahiding-basedapproach for intra-frame error concealment in H.264/AVC,”Signal Processing:Image Communication,vol.47,pp.369–379,2016)和Li等人(D.Li,Y.Zhang,X.Li,K.Niu,X.Yang,and Y.Sun,“Two-dimensionalhistogram modification based reversible datahiding using motion vectorforH.264,”Multimedia Tools and Applications,vol.78,p.8167-8181,2019),都针对H.264/AVC视频提出了一种新的基于二维直方图平移的可逆数据隐藏方法,从而改进了传统的二维直方图平移的隐藏效率,但这些方法仍然具有一定的优化空间。
发明内容
针对现有技术存在的视频质量不够好缺点,本发明设计了一种能够优化视频质量的基于二维直方图平移的频可逆数据隐藏方法。
本申请的具体方案如下:
一种基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法,包括:
S1,计算DCT系数对在不同迁移方式下的嵌入效率;
S2,获取已知视频的DCT系数对,并对DCT系数对进行统计,得出DCT系数对的基本分布规律;
S3,根据已知视频的DCT系数对的基本分布规律和在不同迁移方式下的嵌入效率为不同类型的DCT系数对选择相应的迁移方式,将选择的迁移方式作为相应的二维直方图平移规则,其中将相同的DCT系数对作为一类型;
S4,获取待数据隐藏的视频及其DCT系数对;
S5,按照所述二维直方图平移规则对待数据隐藏的视频的DCT系数对进行修改以嵌入数据;
S6,输出待数据隐藏的视频所有宏块的解码语法元素,并对解码语法元素进行无损的部分重编码,得到载密的视频比特流,完成视频的可逆数据隐藏。
优选地,所述DCT系数对在不同迁移方式下的嵌入效率的公式为:
Figure BDA0002371075650000031
其中Bi为迁移方式i能嵌入的比特数,Vi为迁移方式i所导致的DCT系数的改变量;pn为迁移方式i中某一个出度n的发生概率,且
Figure BDA0002371075650000032
bn为该出度n所能嵌入的比特数,vn为该出度n所导致的DCT系数的改变量。
优选地,获取已知视频的DCT系数对的步骤包括:对已知视频的比特流进行解码,按zig-zag扫描顺序获取每个4×4块中第7到第16个DCT系数,并按顺序进行两两配对,得到DCT系数对。
优选地,步骤S3包括:将不同类型的DCT系数对按照数量由多到少依次排列;为数量较多的DCT系数对类型选择嵌入效率较高的迁移方法;对于数量较少的DCT系数对类型,若还存在可用的嵌入效率较高的迁移方法,则为数量较少的DCT系数对类型选择可用的嵌入效率较高的迁移方法,若不存在可用的嵌入效率较高的迁移方法,则为数量较少的DCT系数对类型选择嵌入效率较低的迁移方法。
优选地,DCT系数对的基本分布规律为:从坐标轴原点开始向外,DCT系数对的数量逐渐减少,离原点越远的DCT系数对数量越少。
优选地,所述待数据隐藏的视频为H.264/AVC视频。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
与现有的基于二维直方图平移的H.264/AVC视频可逆数据隐藏技术相比,本发明首先计算DCT系数对在不同迁移方式下的嵌入效率,更好地考虑了不同迁移方法的嵌入效率的差异性,并通过结合DCT系数对的取值分布情况来设计出更好的二维直方图平移方法(规则),从而使得本发明可以取得更优化的载密视频质量;同时由于嵌入效率中考虑到的DCT系数修改量实际上对文件本身(待数据隐藏的视频)的大小也有影响,因而对载密视频的文件增长也有一定程度的优化。
附图说明
图1为本发明的基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法的示意性流程图;
图2为本发明的基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法的流程框图;
图3为本发明的使用值为(0,0)的DCT系数对进行隐藏时所设计的二维直方图平移图。
图4为本发明的不使用值为(0,0)的DCT系数对进行隐藏时所设计的二维直方图平移图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参见图1-2、一种基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法,包括:
S1,计算DCT系数对在不同迁移方式下的嵌入效率;所述DCT系数对在不同迁移方式下的嵌入效率的公式为:
Figure BDA0002371075650000041
其中Bi为迁移方式i能嵌入的比特数,Vi为迁移方式i所导致的DCT系数的改变量;pn为迁移方式i中某一个出度n的发生概率,且
Figure BDA0002371075650000042
bn为该出度n所能嵌入的比特数,vn为该出度n所导致的DCT系数的改变量。
以图3为例,比如(0,0)点使用的5个出度的迁移方式,假设待嵌入信息的比特0和比特1是均匀分布的,即0和1出现的概率均为1/2,则该迁移方式的嵌入效率为:
Figure BDA0002371075650000051
其他迁移方式的嵌入效率计算类似。
S2,获取已知视频的DCT系数对,并对DCT系数对进行统计,得出DCT系数对的基本分布规律;获取已知视频的DCT系数对的步骤包括:对已知视频的比特流进行解码,按zig-zag扫描顺序获取每个4×4块中第7到第16个DCT系数,并按顺序进行两两配对,得到DCT系数对。DCT系数对的基本分布规律为:从坐标轴原点开始向外,DCT系数对的数量逐渐减少,离原点越远的DCT系数对数量越少,并且原点(0,0)在大多数情况下都会占据较大的比例。
S3,根据已知视频的DCT系数对的基本分布规律和在不同迁移方式下的嵌入效率为不同类型的DCT系数对选择相应的迁移方式,将选择的迁移方式作为相应的二维直方图平移规则,其中将相同的DCT系数对作为一类型;步骤S3包括:将不同类型的DCT系数对按照数量由多到少依次排列;为数量较多的DCT系数对类型选择嵌入效率较高的迁移方法;对于数量较少的DCT系数对类型,若还存在可用的嵌入效率较高的迁移方法,则为数量较少的DCT系数对类型选择可用的嵌入效率较高的迁移方法,若不存在可用的嵌入效率较高的迁移方法,则为数量较少的DCT系数对类型选择嵌入效率较低的迁移方法。即对数量较多的DCT系数对类型优先使用嵌入效率较高的迁移方法,在这些DCT系数对完成迁移方式的选择后,数量较少的DCT系数对类型再继续选择可用迁移方法中效率较高的方法,从而设计出相应的二维直方图平移方法。根据DCT系数对的基本分布规律,从坐标轴原点开始向外,DCT系数对的数量逐渐减少,越靠近原点的系数对应该优先使用嵌入效率高的迁移方法。
需要明说的是,上一段落中的“数量较多的DCT系数对”、“数量较少的DCT系数对”、“嵌入效率较高”和“嵌入效率较低”描述中包括较多、较少、较高、较低等不确定词汇,但是作为本领域的技术人员均能熟知和明确它们在上一段落具体语境中所代表的具体意思。
当使用系数对(0,0)时,所设计的二维直方图平移方法如图3所示;图3的迁移方式举例说明如下:
当DCT系数对(x,y)=(0,0)时,其迁移方式为:
Figure BDA0002371075650000061
当DCT系数对为(x,y)=(0,1)时,其迁移方式为:
Figure BDA0002371075650000062
当DCT系数对为(x,y)=(0,2)时,其迁移方式为:
(x′,y′)=(x,y+1)
其中(x′,y′)为嵌入信息后的DCT系数对。
当不使用系数对(0,0)时,所设计的二维直方图平移方法如图4所示,图4的迁移方式举例说明如下:
当DCT系数对为(x,y)=(0,1)时,其迁移方式为:
Figure BDA0002371075650000071
当DCT系数对为(x,y)=(-1,1)时,其迁移方式为:
Figure BDA0002371075650000072
当DCT系数对为(x,y)=(-2,1)时,其迁移方式为:
Figure BDA0002371075650000073
S4,获取待数据隐藏的视频及其DCT系数对;所述待数据隐藏的视频为H.264/AVC视频。获取待数据隐藏的视频的DCT系数对的方法和获取已知视频的DCT系数对的方法相同。
S5,按照所述二维直方图平移规则对待数据隐藏的视频的DCT系数对进行修改以嵌入数据,直至嵌入了所有需要嵌入的信息。
以图4为例,如果当前的DCT系数对为(0,1):读取1比特的信息mi,若mi=0,则系数对无需改动;若mi=1,则继续读取下一个比特mi+1,若mi+1=0,则系数对更改为(0,2);若mi+1=1,则系数对更改为(-1,1)。至此完成一个系数对的数据嵌入,继续对下一个系数对进行处理。若当前系数对是不能携带信息的类型,则只需要进行平移,而无须读取待嵌入的信息。
S6,输出待数据隐藏的视频所有宏块的解码语法元素,并对解码语法元素进行无损的部分重编码,得到载密的视频比特流,完成视频的可逆数据隐藏。
由于H.264/AVC使用上下文自适应的熵编码方式,而数据隐藏步骤改变了DCT系数的值,导致DCT系数的编码结果可能发生改变。因此完成数据隐藏后需要收集所有宏块的语法元素,并将这些语法元素重新经过无损的部分编码来得到载密的H.264/AVC视频比特流。部分重编码过程无需经过耗时的模式决策环节,只需要熵编码即可。
其中,可逆的意思是视频在嵌入信息后可以无损地恢复为没有嵌入信息的原视频。举一个一维直方图平移例子,比如值为1-10的dct系数各有若干个,假设我要用1来隐藏信息,那么我首先会把2-10的数全部加1,此时值为2的数就变成零个了。然后就可以读取要嵌入的信息对为1的dct系数进行更改:如果信息为0,那么dct系数为1保持不变;如果值为1那么dct系数变为2。换言之,这样操作之后可以知道2是由1变来的,所以在还原视频的时候先把所有的2变回1,然后把所有值为3-11的数都减1,这就完成了恢复。
本方案所提出的基于二维直方图平移的H.264/AVC视频可逆数据隐藏方法首先通过计算得出不同迁移方法的效率差异,然后结合DCT系数对的基本统计特性对不同类型的系数对进行迁移方法的决策,从而设计出两个更优的二维直方图平移方法。相比于现有的相关方法,所设计的两个二维直方图平移方法能够提高载密视频的质量以及减少载密视频文件大小的增长。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于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。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法,其特征在于,包括:
S1,计算DCT系数对在不同迁移方式下的嵌入效率;
S2,获取已知视频的DCT系数对,并对DCT系数对进行统计,得出DCT系数对的基本分布规律;
S3,根据已知视频的DCT系数对的基本分布规律和在不同迁移方式下的嵌入效率为不同类型的DCT系数对选择相应的迁移方式,将选择的迁移方式作为相应的二维直方图平移规则,其中将相同的DCT系数对作为一类型;
S4,获取待数据隐藏的视频及其DCT系数对;
S5,按照所述二维直方图平移规则对待数据隐藏的视频的DCT系数对进行修改以嵌入数据;
S6,输出待数据隐藏的视频所有宏块的解码语法元素,并对解码语法元素进行无损的部分重编码,得到载密的视频比特流,完成视频的可逆数据隐藏;
步骤S3包括:
将不同类型的DCT系数对按照数量由多到少依次排列;为数量多的DCT系数对类型选择嵌入效率高的迁移方法;对于数量少的DCT系数对类型,若还存在可用的嵌入效率高的迁移方法,则为数量少的DCT系数对类型选择可用的嵌入效率高的迁移方法,若不存在可用的嵌入效率高的迁移方法,则为数量少的DCT系数对类型选择嵌入效率低的迁移方法。
2.根据权利要求1所述的基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法,其特征在于,所述DCT系数对在不同迁移方式下的嵌入效率的公式为:
Figure FDA0003114305010000021
其中Bi为迁移方式i能嵌入的比特数,Vi为迁移方式i所导致的DCT系数的改变量;pn为迁移方式i中某一个出度n的发生概率,且
Figure FDA0003114305010000022
bn为该出度n所能嵌入的比特数,vn为该出度n所导致的DCT系数的改变量。
3.根据权利要求1所述的基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法,其特征在于,获取已知视频的DCT系数对的步骤包括:
对已知视频的比特流进行解码,按zig-zag扫描顺序获取每个4×4块中第7到第16个DCT系数,并按顺序进行两两配对,得到DCT系数对。
4.根据权利要求1所述的基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法,其特征在于,DCT系数对的基本分布规律为:从坐标轴原点开始向外,DCT系数对的数量逐渐减少,离原点越远的DCT系数对数量越少。
5.根据权利要求1所述的基于二维直方图平移的视频可逆数据隐藏方法,其特征在于,所述待数据隐藏的视频为H.264/AVC视频。
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