CN102905134B - 自适应视频数字隐写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的自适应视频数字隐写方法，包括以下步骤：a.将视频文件分解成I帧、B＆P帧；b. 根据B＆P帧中宏块运动矢量的大小，选取运动快速宏块；c.在I帧中选取纹理区；d.将秘密信息嵌入到宏块的运动矢量中；e.将控制信息嵌入到纹理区域中；f.将隐写了秘密信息的B＆P帧和隐写了控制信息的I帧合成载密视频文件。本发明的视频数字隐写方法，通过将秘密信息、控制信息分别嵌入到运动矢量中、纹理区域，具有信息嵌入量大、不影响视频质量、操作简单、性能可靠的优点。本发明的视频数字隐写技术，既能跟上国内信息安全产业的发展推进形势，又可以带来显著的社会效益和军事效益，具有极为广阔的产业化发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种自适应视频数字隐写方法，属于视频分析、数字图像处理、信息隐藏技术领域。
背景技术
随着计算机技术和网络通信技术的迅猛发展，人们越来越多的通过方便快捷的网络来获取各类信息，电子商务、电子政务、网络办公等已成为确保现代社会高效运转不可或缺的工作方式，电子邮件、网络聊天、BBS、博客、微博、微信等成为人们新的日常交流方式。然而，互联网在给人们带来便捷的同时，也带来了信息安全方面的挑战：涉及国家安全、政府机密的文件能否在网络上安全的传输；电子商务中的企业机密能否躲过商业间谍的窃取；个人隐私，如账号、口令等能否得到安全保障。如何解决这一系列的安全问题，为当前乃至相当长时期内的一个研究热点。
作为信息安全技术领域中新兴研究方向，信息隐藏为网络上多媒体信息的安全存储与传输开辟了一条有效途径，受到了各国学术界和企业界的广泛关注。数字隐写作为信息隐藏的一个分支，其在信息安全技术领域具有自身独特的优势，由于有公开的载体作掩护，对外表现的是载体信号的内容和特征，载体的应用价值并没有改变，因而具有更强的信息安全性，第三方很难察觉到秘密信息的存在。随着网络与多媒体技术的发展，视频传播越来越广泛，网络视频发展势头强劲，为数字隐写提供了巨大的应用空间。容量大、传播广使视频成为比数字图像更有潜力的网络隐写载体，引起了广泛关注，近几年视频隐写算法开始不断涌现。
然而，数字隐写技术是一把双刃剑，它既可以用于在公共通信网络中安全、可靠地传递国家政治、经济信息，也可以被敌特机构、恐怖组织所利用，用于计划和组织犯罪活动，使公共信息网络成为破坏社会稳定、危害国家安全和公共安全的通信工具。自“9.11”事件以来，这种利用公共信息网络，以图像、语音、视频等多种数字媒体数据为载体进行秘密通信，从事破坏社会稳定、危害社会安全的非法活动已经引起各国政府和公众的广泛关注。在数字隐写技术中，隐藏信息的载体可以是静止图像、视频、音频、文本等各种网络上传输的文件。视频压缩编码技术和网络流媒体业务的发展，使得视频的应用范围越来越广，同时随着家用摄像机的日益普及和各种操作简便的视频编辑软件的应用，人们可以方便的进行视频的录制、剪辑并在网络上发布、交流，使得网络上的视频传输越来越常见。因此，作为常见的数字媒体形式，视频由于其所具有的大数据量、内容丰富以及统计特性复杂等特点，必定会成为数字隐写的一种重要载体。
Badura Stanislaw等人提出利用VLC和DCT相结合的方法嵌入信息，并且使用一种自适应AC系数选取办法减少嵌入过程对视频质量的影响，同时将提取信息所需要的控制信息嵌入到音频信号中，提高隐写安全性。
Daniela Stanescu等人提出只在I帧DCT系数中嵌入信息而不在P、B帧中嵌入信息，他认为P、B帧能量与I帧相比小很多，要达到较大的嵌入容量并且对视频影响较小的话，对算法要求更高，容易偏离视频压缩标准。
Dai等根据人眼视觉系统对快速运动物体的敏感性不如对慢速运动物体的敏感性高的特点，分析认为运动矢量的幅度越大表明宏块的位置移动越快，在相同修改量情况下，修改大幅度的运动矢量比修改小幅度的运动矢量不容易被察觉，提出一种在MPEG-2视频中把信息嵌入到大幅值运动矢量的嵌入方法。
Zhang Weiming等充分挖掘已嵌入秘密信息比特，获得更高的嵌入效率，在相同的嵌入量下得到更好的隐蔽性。
尽管研究者们已经提出了很多视频数字隐写算法，但在提高算法的隐蔽性和嵌入容量上还有这很大的空间。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种信息嵌入量大、对视频质量影响小的自适应视频数字隐写方法。
本发明的自适应视频数字隐写方法，其特别之处在于，包括以下步骤：a.视频文件分解，将视频文件按照相应的编解码格式分解成I帧、B＆P帧，并获取GOP信息；b.选取运动快速宏块，将B＆P帧按照16*16像素大小的宏块进行分块；然后根据宏块运动矢量的大小，选取出运动快速的宏块；c.选取纹理区，将I帧按照8*8的像素大小进行分块，根据纹理区域判定条件选出纹理区域；d.嵌入秘密信息，将秘密信息嵌入到步骤b选中宏块的运动矢量中，形成隐写了秘密信息的B＆P帧；同时产生提取秘密信息用的控制信息；e.嵌入控制信息，将步骤d中产生的控制信息嵌入到步骤c中获取的纹理区域中，形成隐写了控制信息的I帧；f.合成载密视频文件，将隐写了秘密信息的B＆P帧和隐写了控制信息的I帧合成新的不影响正常播放的载密视频文件。
步骤a中，具有MPEG编解码的图像分为I、B、P帧，I是内部编码帧，P是前向预测帧，B是双向内插帧；整个视频文件分为多个GOP组成，每个GOP包含一个I帧和多个B帧和P帧。步骤b中，根据宏块运动矢量的大小，来选取出运动快速的区域，以便向运动快速区域中嵌入秘密信息，而不会影响视频的整体观看效果。步骤d中，将秘密信息嵌入到符合条件的宏块的运动矢量中。步骤e中，将控制信息嵌入到I帧的纹理区域中，可有效避免对视频画面的影响。
本发明的自适应视频数字隐写方法，包括以下步骤的秘密信息提取过程：1).载密视频文件分解，将载密视频文件根据相应的编解码格式分解成I帧、B＆P帧；2).提取出控制信息，将I帧按照8*8的像素大小进行分块，按照与步骤c中相同的纹理区域判定条件选出纹理区域，并在选出的纹理区域中提取出控制信息；3).提取出秘密信息，将B＆P帧按照16*16像素大小的宏块进行分块，按照与步骤b中相同的方法选取出运动快速的宏块；根据步骤2)中的控制信息在获取的运动快速宏块的运动矢量上提取出秘密信息。
在视频文件中有效地嵌入了秘密信息后，与之对应，还需要秘密信息提取出来。步骤2)中，只有采用了相同的纹理区域判定条件，才能保证获取与嵌入时相一致的纹理区域，才能提取出准确无误的控制信息。同样地，在步骤3)中，也只有采取相同的运动快速宏块的判定方法，才能保证获取与嵌入时相一致的宏块，才能提取出准确无误的秘密信息。
本发明的自适应视频数字隐写方法，设 、为B＆P帧被划分成的宏块的运动矢量的水平分量和垂直分量，为符合条件的宏块的运动矢量阀值；所述步骤b中运动快速宏块的选取包括以下步骤：b-1.比较与的大小；b-2.如果，则该宏块为符合快速运动条件的宏块，可向该宏块的运动矢量的水平分量、运动矢量的垂直分量中嵌入秘密信息；b-3. 如果，则该宏块为不符合条件的宏块，不应向其运动矢量中嵌入秘密信息。
通过计算宏块运动矢量的水平分量与运动矢量的垂直分量平方和后的二次方根，可有效地反映出宏块的运动情况，以便将秘密信息嵌入到运动快速的宏块中。
本发明的自适应视频数字隐写方法，所述步骤d中产生的控制信息包括：B＆P帧所在视频GOP的索引、B＆P帧坐在GOP的索引号、选中宏块在B＆P帧所在的位置及索引号、符合隐写条件的运动矢量数目。
本发明的自适应视频数字隐写方法，步骤e中，随同控制信息嵌入到纹理区域的还有密钥；步骤3) 中，利用控制信息和密钥一同来获取秘密信息。利用密钥来实现对秘密信息的进一步加密，有效增强了秘密信息传输过程中的安全性。
本发明的有益效果是：（1）本发明的视频数字隐写方法，通过将秘密信息嵌入到B＆P帧运动快速区域的运动矢量中，利用人体视觉对快速运动画面的不敏感，不仅秘密信息嵌入量较大，而且基本上不影响视频的观看效果；同时，将秘密信息嵌入过程中生成的控制信息嵌入到I帧的纹理区域，不仅不影响视频质量，而且嵌入量较大，自适应性强。（2）在秘密信息的提取过程中，首先在符合条件的纹理区域提取出控制信息，再在符合条件宏块的运动矢量中获取秘密信息，具有操作简单、性能可靠的优点。（3）在对运动快速宏块的判定过程中，通过计算宏块运动矢量的水平分量与运动矢量的垂直分量平方和后的二次方根的大小，并与设定阀值进行比较，可有效、准确无误的判定那些是符合嵌入条件的宏块。（4）在信息嵌入和提取的过程中，还可使用增强安全性能的密钥。本发明的自适应视频数字隐写方法具有嵌入信息量大、对视频质量影响低、自适应性强、操作简单、性能可靠的优点。
同时，视频数字隐写技术是多媒体信息安全领域的主流发展方向，可广泛应用于互联网上，在电子商务、网上音视频的点播下载、远程教学、广告监控等业务方面，具有重要的应用价值，产生巨大的经济效益。本发明的视频数字隐写技术，既能跟上国内信息安全产业的发展推进形势，又可以带来显著的社会效益和军事效益，具有极为广阔的产业化发展前景。
附图说明
图1为本发明的视频数字隐写方法中秘密信息嵌入过程的流程图；
图2为秘密信息提取过程的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明中秘密信息嵌入过称的流程图，其包括以下步骤：
a.视频文件分解，将视频文件按照相应的编解码格式分解成I帧、B＆P帧，并获取GOP信息；
b.选取运动快速宏块，将B＆P帧按照16*16像素大小的宏块进行分块；然后根据宏块运动矢量的大小，选取出运动快速的宏块；设、为B＆P帧被划分成的宏块的运动矢量的水平分量和垂直分量，为符合条件的宏块的运动矢量阀值；可以按照如下方法进行宏块选取：
b-1.比较与的大小；
b-2.如果，则该宏块为符合快速运动条件的宏块，可向该宏块的运动矢量的水平分量、运动矢量的垂直分量中嵌入秘密信息；
b-3. 如果，则该宏块为不符合条件的宏块，不应向其运动矢量中嵌入秘密信息；
c.选取纹理区，将I帧按照8*8的像素大小进行分块，根据纹理区域判定条件选出纹理区域；
d.嵌入秘密信息，将秘密信息和密钥嵌入到步骤b选中宏块的运动矢量中，形成隐写了秘密信息的B＆P帧；同时产生提取秘密信息用的控制信息；
该步骤中产生的控制信息包括：B＆P帧所在视频GOP的索引、B＆P帧坐在GOP的索引号、选中宏块在B＆P帧所在的位置及索引号、符合隐写条件的运动矢量数目；
e.嵌入控制信息，将步骤d中产生的控制信息嵌入到步骤c中获取的纹理区域中，形成隐写了控制信息的I帧；
f.合成载密视频文件，将隐写了秘密信息的B＆P帧和隐写了控制信息的I帧合成新的不影响正常播放的载密视频文件。
其中，步骤a中，具有MPEG编解码的编码图像被分为三类，分别称为I帧，P帧和B帧，将视频文件安装编解码分为多个GOP组成，每个GOP包含一个I帧和多个B帧、P帧组成。I帧图像采用帧内编码方式，即只利用了单帧图像内的空间相关性，而没有利用时间相关性。P帧和B帧图像采用帧间编码方式，即同时利用了空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测，可以提高压缩效率和图像质量，B帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。
步骤b中，运动快速区域即此宏块存在运动较快物体的区域，间隔帧之间变化较大，因其运动较快，人眼对此区域敏感性较低，在此区域隐写信息不易被人发现。运动快速区域的选择原则是，设定每个分块的水平分量和垂直分量分别为和，其中为选择的第个宏块，如果令为每个宏块幅度值，即，将与设定阈值进行比较，若，则判断该区域是运动快速区域，适合隐写秘密信息，反之则不适合隐写信息。
步骤c中，在I帧纹理区域的判定过程中，图像的纹理区域即是存在某些图像纹理特征的局部图像区域。由于I帧采用独立帧内编码，由于其自身的纹理特征不同，造成其隐藏秘密信息的能力也不同，图像纹理特征的表述方法有很多种，其中比较著名的就是Tamura等人提出的图像纹理特征，包括粗糙度、对比度、方向度、线性度、规整度和粗略度六种属性。此外灰度共生矩阵、自回归纹理模型等也经常被用于图像纹理特征的表述。
步骤d中，在秘密信息的嵌入过程中，为了防止数据的丢失，可以将要传输的秘密信息以冗余嵌入的方式嵌入；步骤e中，将控制信息嵌入到I帧纹理区域的DCT系数中。
如图2所示，给出了秘密信息提取过程的流程图，秘密信息提取时，先由视频流解析过程得到B＆P帧中宏块的运动矢量和I帧的纹理区域，然后从I帧的纹理区域中提取出控制信息，最后根据控制信息和密钥从运动矢量中提取出秘密信息。主要步骤如下：
1).载密视频文件分解，将载密视频文件根据相应的编解码格式分解成I帧、B＆P帧；
2).提取出控制信息，将I帧按照8*8的像素大小进行分块，按照与步骤c中相同的纹理区域判定条件选出纹理区域，并在选出的纹理区域中提取出控制信息；
3).提取出秘密信息，将B＆P帧按照16*16像素大小的宏块进行分块，按照与步骤b中相同的方法选取出运动快速的宏块；根据步骤2)中的控制信息和密钥在获取的运动快速宏块的运动矢量上提取出秘密信息。
Claims (5)
1.一种自适应视频数字隐写方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.视频文件分解，将视频文件按照相应的编解码格式分解成I帧、B＆P帧，并获取GOP信息；
b.选取运动快速宏块，将B＆P帧按照16*16像素大小的宏块进行分块；然后根据宏块运动矢量的大小，选取出运动快速的宏块；
c.选取纹理区，将I帧按照8*8的像素大小进行分块，根据纹理区域判定条件选出纹理区域；
d.嵌入秘密信息，将秘密信息嵌入到步骤b选中宏块的运动矢量中，形成隐写了秘密信息的B＆P帧；同时产生提取秘密信息用的控制信息；
e.嵌入控制信息，将步骤d中产生的控制信息嵌入到步骤c中获取的纹理区域中，形成隐写了控制信息的I帧；
f.合成载密视频文件，将隐写了秘密信息的B＆P帧和隐写了控制信息的I帧合成新的不影响正常播放的载密视频文件。
2.根据权利要求1所述的自适应视频数字隐写方法，其特征在于，包括以下步骤的秘密信息提取过程：
1).载密视频文件分解，将载密视频文件根据相应的编解码格式分解成I帧、B＆P帧；
2).提取出控制信息，将I帧按照8*8的像素大小进行分块，按照与步骤c中相同的纹理区域判定条件选出纹理区域，并在选出的纹理区域中提取出控制信息；
3).提取出秘密信息，将B＆P帧按照16*16像素大小的宏块进行分块，按照与步骤b中相同的方法选取出运动快速的宏块；根据步骤2)中的控制信息在获取的运动快速宏块的运动矢量上提取出秘密信息。
3.根据权利要求1或2所述的自适应视频数字隐写方法，其特征在于，设 、为B＆P帧被划分成的宏块的运动矢量的水平分量和垂直分量，为符合条件的宏块的运动矢量阀值；所述步骤b中运动快速宏块的选取包括以下步骤：
b-1.比较与的大小；
b-2.如果，则该宏块为符合快速运动条件的宏块，可向该宏块的运动矢量的水平分量、运动矢量的垂直分量中嵌入秘密信息；
b-3. 如果，则该宏块为不符合条件的宏块，不应向其运动矢量中嵌入秘密信息。
4.根据权利要求1或2所述的自适应视频数字隐写方法，其特征在于：所述步骤d中产生的控制信息包括：B＆P帧所在视频GOP的索引、B＆P帧坐在GOP的索引号、选中宏块在B＆P帧所在的位置及索引号、符合隐写条件的运动矢量数目。
5.根据权利要求2所述的自适应视频数字隐写方法，其特征在于：步骤e中，随同控制信息嵌入到纹理区域的还有密钥；步骤3)中，利用控制信息和密钥一同来获取秘密信息。
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