CN103442253B

CN103442253B - 一种加密域h.264/avc视频数据隐藏方法

Info

Publication number: CN103442253B
Application number: CN201310304082.4A
Authority: CN
Inventors: 徐达文
Original assignee: Ningbo University of Technology
Current assignee: Ningbo University of Technology
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-07-17
Also published as: CN103442253A

Abstract

本发明公开了一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法，其包括H.264/AVC视频加密、加密域的H.264/AVC视频数据隐藏及隐秘数据提取三部分，在加密过程中对Intra_4×4预测模式的码字、Intra_16×16预测模式的码字、不为0的运动矢量差分的码字、残差系数的码字进行加密，在视频数据隐藏过程中，采用了码字映射方法；优点是本发明方法对视频加密和数据隐藏都是直接在H.264/AVC码流域进行，不需要对视频进行解码或部分解码，满足了实时视频的应用需求；加密和数据隐藏都是进行等长码字替换操作，对H.264/AVC视频流的码率没有任何增加，因此解决了加密和数据隐藏中的数据扩张问题；同时，隐藏数据后的加密视频流与H.264/AVC标准完全兼容，可用标准H.264/AVC视频解码器进行解码；数据提取与解密完全分离，实用性更强。

Description

一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种视频的数据隐藏技术，尤其是涉及一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法。

背景技术

随着网络环境的优化以及视频编码与通信技术的日益成熟，数字视频的应用范围越来越广泛。但是视频数据安全与隐私保护需求属于无法回避的核心问题。确保视频数据安全性的最佳方法之一就是对视频进行加密，这样攻击者即使获得了视频数据也无法获得其内容，保证了敏感视频的安全。如果敏感视频在参与运算之前需先解密，这就意味着在敏感视频的整个生命周期中，至少有一部分时间是以明文形式存在的，这样会带来严重的隐私问题。加密域信号处理可以在隐私保护的同时进行视频数据运算，可以帮助解决视频安全和隐私的担忧。

通常服务商希望在加密视频中嵌入一些附加消息，如来源信息、所有者身份或者认证数据等，用于管理加密视频。例如，为保护病人隐私，对医学影像等视频信息进行了加密，数据库管理者会在相应的加密视频中嵌入病人的隐私信息和认证信息。然而，无论视频加密还是视频数据隐藏，都要考虑视频压缩编码的影响。鉴于H.264/AVC高效的编码性能和良好的网络适应性，也是目前应用最普及的视频编码标准，加密域H.264/AVC视频数据隐藏技术无疑将成为学术界研究的热点。虽然H.264/AVC视频数据隐藏和H.264/AVC视频加密都得到了快速发展，但是数据变成密文后丧失了原有特性，导致现有H.264/AVC视频数据隐藏技术失效。如何在密文前提下实现数据隐藏，国内外的研究也才刚刚开始，加密和数据隐藏的结合还有很多难点问题有待解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法，其在与H.264/AVC视频压缩编码标准相兼容的前提下对H.264/AVC视频进行加密，且加密安全性高，同时能够在加密后的H.264/AVC视频中进行数据隐藏，且能够保证隐秘信息在加密域和解密域H.264/AVC视频中都能有效地被提取出。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法，其特征在于包括H.264/AVC视频加密、加密域的H.264/AVC视频数据隐藏及隐秘数据提取三部分；

所述的H.264/AVC视频加密的处理过程为：对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为Intra_4×4预测模式的所有宏块，利用第一密钥生成的二值伪随机序列对每个宏块中模式标志位为0的4×4子块的预测模式的码字的后3位比特进行比特异或加密，完成每个宏块的预测模式的加密；对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为Intra_16×16预测模式的所有宏块，利用第二密钥生成的二值伪随机序列对每个宏块的预测模式的码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成每个宏块的预测模式的加密；对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为Intra_chroma预测模式的所有宏块，对每个宏块的预测模式不加密；对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为帧间预测模式且运动矢量差分不为0的所有宏块，利用第三密钥生成的二值伪随机序列对每个宏块的运动矢量差分的指数哥伦布码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成每个宏块的运动矢量差分的加密；对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为帧间预测模式且运动矢量差分为0的所有宏块，对每个宏块的运动矢量差分不加密；对于原始的H.264/AVC视频中残差系数的Level码字的后缀长度不为0的所有宏块，利用第四密钥生成的二值伪随机序列对每个宏块的残差系数的Level码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成每个宏块的残差系数的加密；通过上述加密得到加密域的H.264/AVC视频；

所述的加密的H.264/AVC视频数据隐藏的具体过程为：

②-1、将H.264/AVC视频压缩编码标准中后缀长度为2和3的所有Level码字分成第一码字空间和第二码字空间，第一码字空间和第二码字空间中相对应的两个Level码字的后缀长度和码字长度均相等及Level值接近，且第一码字空间和第二码字空间中相对应的两个Level码字各自对应的Level值均大于0或均小于0；

②-2、对加密域的H.264/AVC视频码流进行解析，识别加密域的H.264/AVC视频码流中残差系数的Level码字；

②-3、将加密域的H.264/AVC视频中当前识别出的Level码字定义为当前码字，将待嵌入的隐秘信息中当前待嵌入的信息比特定义为当前信息比特；

②-4、判断当前码字是否属于第一码字空间或属于第二码字空间，如果是，则采用码字映射方法将当前信息比特嵌入到当前码字中，然后执行步骤②-5；否则，对当前码字不进行处理，然后执行步骤②-5；

②-5、将加密域的H.264/AVC视频中下一个识别出的Level码字作为当前码字，将待嵌入的隐秘信息中下一个待嵌入的信息比特作为当前信息比特位，然后返回步骤②-4继续执行，直至隐秘信息嵌入完毕，完成加密域的H.264/AVC视频数据隐藏，得到含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流；

所述的隐秘数据提取在加密域完成或在解密域完成，在加密域完成隐秘数据提取的具体过程为：

③-1a、采用与步骤②-1相同的方式，将H.264/AVC视频压缩编码标准中后缀长度为2和3的所有Level码字分成第一码字空间和第二码字空间；

③-1b、在加密域，对含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流进行解析，识别含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中残差系数的Level码字；

③-1c、将含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中当前识别出的Level码字定义为当前码字；

③-1d、如果当前码字属于第一码字空间，则提取出信息比特“0”，然后继续执行步骤③-1e；如果当前码字属于第二码字空间，则提取出信息比特“1”，然后继续执行步骤③-1e；如果当前码字不属于第一码字空间也不属于第二码字空间，则直接执行步骤③-1e；

③-1e、将含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中下一个识别出的Level码字作为当前码字，然后返回步骤③-1d继续执行，直至含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中的所有Level码字处理完毕，提取得到隐秘信息；

在解密域完成隐秘数据提取的具体过程为：

③-2a、采用与步骤②-1相同的方式，将H.264/AVC视频压缩编码标准中后缀长度为2和3的所有Level码字分成第一码字空间和第二码字空间；

③-2b、对含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流进行解析，识别含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中加密的预测模式的码字、加密的运动矢量差分的指数哥伦布码字和加密的残差系数的Level码字，对加密的预测模式的码字、加密的运动矢量差分的指数哥伦布码字和加密的残差系数的Level码字进行解密，得到解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流；

③-2c、在解密域，对解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流进行解析，识别解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流中残差系数的Level码字；

③-2d、将解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流中当前识别出的Level码字定义为当前码字；

③-2e、如果当前码字属于第一码字空间，则提取出信息比特“0”，然后继续执行步骤③-2f；如果当前码字属于第二码字空间，则提取出信息比特“1”，然后继续执行步骤③-2f；如果当前码字不属于第一码字空间也不属于第二码字空间，则直接执行步骤③-2f；

③-2f、将解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流中下一个识别出的Level码字作为当前码字，然后返回步骤③-2e继续执行，直至解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流中的所有Level码字处理完毕，提取得到隐秘信息。

所述的H.264/AVC视频加密的具体过程为：

①-1、将原始的H.264/AVC视频中当前待处理的帧定义为当前帧；

①-2、将当前帧中当前待处理的宏块定义为当前宏块；

①-3、判断当前宏块的预测模式为帧内预测模式还是为帧间预测模式，如果当前宏块的预测模式为帧内预测模式，则继续执行步骤①-4，如果当前宏块的预测模式为帧间预测模式，则继续执行步骤①-5；

①-4、当当前宏块的预测模式为Intra_4×4预测模式时，利用第一密钥生成的二值伪随机序列对当前宏块中的所有模式标志位为0的4×4子块的预测模式的码字的后3位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的预测模式的加密，然后执行步骤①-6；

当当前宏块的预测模式为Intra_16×16预测模式时，利用第二密钥生成的二值伪随机序列中的第k2位比特对当前宏块的预测模式的码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的预测模式的加密，然后令k2=k2+1，再执行步骤①-6，其中，k2的初始值为1，k2=k2+1中的“=”为赋值符号；

当当前宏块的预测模式为Intra_chroma预测模式时，对当前宏块的预测模式不加密，然后执行步骤①-6；

①-5、当当前宏块的运动矢量差分不为0时，利用第三密钥生成的二值伪随机序列中的第k3位比特对当前宏块的运动矢量差分的指数哥伦布码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的运动矢量差分的加密，然后令k3=k3+1，再执行步骤①-6，其中，k3的初始值为1，k3=k3+1中的“=”为赋值符号；

当当前宏块的运动矢量差分为0时，对当前宏块的运动矢量差分不加密，然后执行步骤①-6；

①-6、当当前宏块的残差系数的Level码字的后缀长度不为0时，利用第四密钥生成的二值伪随机序列中的第k4位比特对当前宏块的残差系数的Level码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的残差系数的加密，然后令k4=k4+1，再执行步骤①-7，其中，k4的初始值为1，k4=k4+1中的“=”为赋值符号；

①-7、将当前帧中下一个待处理的宏块作为当前宏块，然后返回步骤①-3继续执行，直至当前帧中的所有宏块处理完毕；

①-8、将原始的H.264/AVC视频中下一个待处理的帧作为当前帧，然后返回步骤①-2继续执行，直至原始的H.264/AVC视频中的所有帧处理完毕，得到加密域的H.264/AVC视频。

所述的步骤①-4中当当前宏块的预测模式为Intra_4×4预测模式时，完成当前宏块的预测模式的加密的具体过程为：

①-4a、将当前宏块划分为16个互不重叠的4×4子块，将当前宏块中当前待处理的4×4子块定义为当前子块；

①-4b、判断当前子块的预测模式的模式标志位是否为0，如果是，则将第一密钥生成的二值伪随机序列中的第k1位起的连续三位比特作为当前第一加密比特信息，接着利用当前第一加密比特信息对当前子块的预测模式的码字的后3位比特进行按位比特异或加密，得到当前子块的预测模式加密后的码字，然后令k1=k1+3，再执行步骤①-4c；否则，对当前子块的预测模式的码字不加密，再执行步骤①-4c，其中，k1的初始值为1，k1=k1+3中的“=”为赋值符号；

①-4c、将当前宏块中下一个待处理的4×4子块作为当前子块，然后返回步骤①-4b继续执行，直至当前宏块中的所有4×4子块处理完毕，完成当前宏块的预测模式的加密。

所述的步骤②-4中采用码字映射方法将当前信息比特嵌入到当前码字中的具体过程为：如果当前信息比特为0且当前码字属于第一码字空间，则当前码字保持不变；如果当前信息比特为0且当前码字属于第二码字空间，则用第一码字空间中与当前码字相对应的Level码字替换当前码字；如果当前信息比特位为1且当前码字属于第二码字空间，则当前码字保持不变；如果当前信息比特为1且当前码字属于第一码字空间，则用第二码字空间中与当前码字相对应的Level码字替换当前码字。

所述的步骤②-3中先利用加密隐秘信息的二值伪随机序列对待嵌入的隐秘信息进行加密，然后将加密后的隐秘信息重新作为待嵌入的隐秘信息，再取出当前待嵌入的信息比特；所述的步骤③-1e中利用所述的加密域的H.264/AVC视频数据隐藏过程中采用的加密隐秘信息的二值伪随机序列对提取得到的隐秘信息进行解密；所述的步骤③-2e中利用所述的加密域的H.264/AVC视频数据隐藏过程中采用的加密隐秘信息的二值伪随机序列对提取得到的隐秘信息进行解密。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明方法对视频加密和数据隐藏都是直接在H.264/AVC码流域进行，不需要对视频进行解码或部分解码，满足了实时视频的应用需求。

2）本发明方法对视频加密和数据隐藏都是进行等长码字替换操作，对H.264/AVC视频流的码率没有任何增加，因此解决了视频加密和数据隐藏中的数据扩张问题；同时，加密和隐藏数据后的视频流与H.264/AVC标准完全兼容，可用标准H.264/AVC视频解码器进行解码。

3）数据隐藏者利用本发明方法可以直接在加密的H.264/AVC视频流嵌入隐秘信息，即使数据隐藏者不知道原始视频内容，因此可有效解决视频内容安全和隐私泄露问题；此外，本发明方法既可以在加密域有效地提取出隐秘数据，也可以在解密域有效地提取出隐秘数据，也即数据提取与解密是完全分离，实用性更强。

附图说明

图1a为本发明方法中视频加密和数据隐藏的总体实现框图；

图1b为本发明方法中隐秘数据提取的总体实现框图；

图2为4×4子块与相邻块的示意图；

图3a为后缀长度为2且Level值为正时两个码字空间中的码字对应关系；

图3b为后缀长度为2且Level值为负时两个码字空间中的码字对应关系；

图3c为后缀长度为3且Level值为正时两个码字空间中的码字对应关系；

图3d为后缀长度为3且Level值为负时两个码字空间中的码字对应关系；

图4a为向视频中嵌入隐秘信息“1001”的过程示意图；

图4b为从加密域的视频中提取出隐秘信息“1001”的过程示意图；

图4c为从解密域的视频中提取出隐秘信息“1001”的过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法，其包括H.264/AVC视频加密、加密域的H.264/AVC视频数据隐藏及隐秘数据提取三部分。

在此具体实施例中，为降低计算复杂度，并保持加密后的H.264/AVC视频码流的码率不变，同时具有较高的感知安全性，本发明方法选择对帧内预测模式（IPM）的码字、运动矢量差分（MVD）的码字和残差系数的码字进行加密，H.264/AVC视频加密的处理过程（如图1a所示）为：对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为Intra_4×4预测模式的所有宏块，利用第一密钥生成的二值伪随机序列对每个宏块中模式标志位为0的4×4子块的预测模式的码字的后3位比特进行比特异或加密，完成每个宏块的预测模式的加密；对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为Intra_16×16预测模式的所有宏块，利用第二密钥生成的二值伪随机序列对每个宏块的预测模式的码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成每个宏块的预测模式的加密；对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为Intra_chroma预测模式的所有宏块，对每个宏块的预测模式不加密；对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为帧间预测模式且运动矢量差分不为0的所有宏块，利用第三密钥生成的二值伪随机序列对每个宏块的运动矢量差分的指数哥伦布码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成每个宏块的运动矢量差分的加密；对于原始的H.264/AVC视频中预测模式为帧间预测模式且运动矢量差分为0的所有宏块，对每个宏块的运动矢量差分不加密；对于原始的H.264/AVC视频中残差系数的Level码字的后缀长度不为0的所有宏块，利用第四密钥生成的二值伪随机序列对每个宏块的残差系数的Level码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成每个宏块的残差系数的加密；通过上述加密得到加密域的H.264/AVC视频。即H.264/AVC视频加密的具体过程为：

①-1、将原始的H.264/AVC视频中当前待处理的帧定义为当前帧。

①-2、将当前帧中当前待处理的宏块定义为当前宏块。

①-3、判断当前宏块的预测模式为帧内预测模式还是为帧间预测模式，如果当前宏块的预测模式为帧内预测模式，则继续执行步骤①-4，如果当前宏块的预测模式为帧间预测模式，则继续执行步骤①-5。

①-4、当当前宏块的预测模式为Intra_4×4预测模式时，利用第一密钥生成的二值伪随机序列对当前宏块中的所有模式标志位为0的4×4子块的预测模式的码字的后3位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的预测模式的加密，然后执行步骤①-6。在H.264标准中，4×4子块的Intra_4×4预测模式不是直接进行熵编码的，而是通过相邻块的帧内模式来预测的。如图2所示，对于当前子块E，编码器首先会根据相邻块A和相邻块B计算出当前子块的最可能预测模式MPM_E，即相邻块A和相邻块B中预测模式值最小的那个预测模式，如果相邻块A和相邻块B中存在无效块（当前片外或非帧内Intra_4×4模式），则将当前子块的模式确定为DC模式。当4×4子块的最优预测模式与最可能预测模式相同时，则将4×4子块的模式标志位置为1，保持4×4子块的预测模式不变，否则，将4×4子块的模式标志位置为0，对4×4子块的预测模式的码字的后3位进行比特位异或加密，即具体过程为：当当前宏块的预测模式为Intra_4×4预测模式时，完成当前宏块的预测模式的加密的具体过程为：①-4a、将当前宏块划分为16个互不重叠的4×4子块，将当前宏块中当前待处理的4×4子块定义为当前子块。①-4b、判断当前子块的预测模式的模式标志位是否为0，如果是，则将第一密钥生成的二值伪随机序列中的第k1位起的连续三位比特作为当前第一加密比特信息，接着利用当前第一加密比特信息对当前子块的预测模式的码字的后3位比特进行按位比特异或加密，得到当前子块的预测模式加密后的码字，然后令k1=k1+3，再执行步骤①-4c；否则，对当前子块的预测模式的码字不加密，再执行步骤①-4c，其中，k1的初始值为1，k1=k1+3中的“=”为赋值符号。①-4c、将当前宏块中下一个待处理的4×4子块作为当前子块，然后返回步骤①-4b继续执行，直至当前宏块中的所有4×4子块处理完毕，完成当前宏块的预测模式的加密。

在H.264/AVC中，Intra_16×16预测模式是与编码块模式（CBP）统一编码的。为了保持加密的视频流与H.264/AVC标准解码器兼容，同时码率不发生变化，可以对Intra_16×16预测模式进行加密，保证加密后应该是仅仅预测模式发生变化，而保持CBP不变与码字长度不变。因此本发明方法对Intra_16×16预测模式的加密可以根据一个密钥生成二值伪随机序列，再利用该二值伪随机序列对对应码字的最后一比特进行加密，这样可以保持CBP和码字长度都不变。即当当前宏块的预测模式为Intra_16×16预测模式时，利用第二密钥生成的二值伪随机序列中的第k2位比特对当前宏块的预测模式的码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的预测模式的加密，然后令k2=k2+1，再执行步骤①-6，其中，k2的初始值为1，k2=k2+1中的“=”为赋值符号。

当当前宏块的预测模式为Intra_chroma预测模式时，对当前宏块的预测模式不加密，然后执行步骤①-6。

①-5、当当前宏块的运动矢量差分不为0时，利用第三密钥生成的二值伪随机序列中的第k3位比特对当前宏块的运动矢量差分的指数哥伦布码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的运动矢量差分的加密，然后令k3=k3+1，再执行步骤①-6，其中，k3的初始值为1，k3=k3+1中的“=”为赋值符号。在此，利用第三密钥生成的二值伪随机序列对当前宏块的运动矢量差分的指数哥伦布码字的最后1位比特进行比特异或加密，相当于改变了当前宏块的运动矢量差分的符号，但是码字的长度保持不变，满足格式兼容性，例如运动矢量差分的值为“2”，经过加密后其值变为“-2”，而“2”和“-2”的码字分别为“00100”和“00101”，具有相同的码字长度。

由于当运动矢量差分的值等于0时，在加密过程中其对应的码字“1”是保持不变的，因此当当前宏块的运动矢量差分为0时，对当前宏块的运动矢量差分不加密，然后执行步骤①-6。

①-6、当当前宏块的残差系数的Level码字的后缀长度不为0时，利用第四密钥生成的二值伪随机序列中的第k4位比特对当前宏块的残差系数的Level码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的残差系数的加密，然后令k4=k4+1，再执行步骤①-7，其中，k4的初始值为1，k4=k4+1中的“=”为赋值符号。

①-7、将当前帧中下一个待处理的宏块作为当前宏块，然后返回步骤①-3继续执行，直至当前帧中的所有宏块处理完毕。

上述对宏块的预测模式、运动矢量差分和残差系数进行加密所利用的二值伪随机序列可以是由同一个密钥生成的，也可以是由不同的密钥生成的，即第一密钥、第二密钥、第三密钥和第四密钥可以相同，也可以不相同，但是解密时所采用的密钥与加密时所采用的密钥需一致。

在此具体实施例中，如图1a所示，加密域的H.264/AVC视频数据隐藏的具体过程为：

②-1、将H.264/AVC视频压缩编码标准中后缀长度为2和3的所有Level码字分成第一码字空间和第二码字空间，第一码字空间和第二码字空间中相对应的两个Level码字的后缀长度和码字长度均相等及Level值接近，且第一码字空间和第二码字空间中相对应的两个Level码字各自对应的Level值均大于0或均小于0。

表1给出了H.264/AVC视频压缩编码标准中的Level码字及Level值和后缀长度。在加密域的H.264/AVC视频码流中，隐秘信息是通过替换表1中的Level码字进行嵌入的。用于嵌入隐秘信息的Level码字需满足两条限制：1）嵌入隐秘信息后的视频码流必须保持格式兼容，因此替代的Level码字应该与原码字具有相同的码字长度；2）嵌入隐秘信息对视频的视觉质量影响应该尽可能小，因此替换的Level码字与原码字对应的Level值应该尽量接近。

表1H.264/AVC视频压缩编码标准中的Level码字及Level值和后缀长度

根据步骤②-1给出的码字空间划分方式，将表1中满足条件的所有码字分成第一码字空间C0和第二码字空间C1，图3a给出了后缀长度为2且Level值为正时两个码字空间中的码字对应关系；图3b给出了后缀长度为2且Level值为负时两个码字空间中的码字对应关系；图3c给出了后缀长度为3且Level值为正时两个码字空间中的码字对应关系；图3d给出了后缀长度为3且Level值为负时两个码字空间中的码字对应关系。

②-2、对加密域的H.264/AVC视频码流进行解析，识别加密域的H.264/AVC视频码流中残差系数的Level码字。

②-3、将加密域的H.264/AVC视频中当前识别出的Level码字定义为当前码字，将待嵌入的隐秘信息中当前待嵌入的信息比特定义为当前信息比特。

②-4、判断当前码字是否属于第一码字空间或属于第二码字空间，如果是，则采用码字映射方法将当前信息比特嵌入到当前码字中，然后执行步骤②-5；否则，对当前码字不进行处理，然后执行步骤②-5。在此，采用码字映射方法将当前信息比特嵌入到当前码字中的具体过程为：如果当前信息比特为0且当前码字属于第一码字空间，则当前码字保持不变；如果当前信息比特为0且当前码字属于第二码字空间，则用第一码字空间中与当前码字相对应的Level码字替换当前码字；如果当前信息比特位为1且当前码字属于第二码字空间，则当前码字保持不变；如果当前信息比特为1且当前码字属于第一码字空间，则用第二码字空间中与当前码字相对应的Level码字替换当前码字。

②-5、将加密域的H.264/AVC视频中下一个识别出的Level码字作为当前码字，将待嵌入的隐秘信息中下一个待嵌入的信息比特作为当前信息比特位，然后返回步骤②-4继续执行，直至隐秘信息嵌入完毕，完成加密域的H.264/AVC视频数据隐藏，得到含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流。

在此具体实施例中，由于隐秘信息提取与视频解密是可完全分割的，因此隐秘数据提取可在加密域完成，也可在解密域完成。在加密域完成隐秘数据提取，即数据的嵌入和提取都是在加密域进行的，可有效解决视频内容安全和隐私泄露问题。此外，有些情况下用户需要先对加密视频进行解密，然后从解密后的视频中提取隐秘信息，例如，一个拥有加密密钥（该密钥即为加密时所利用的二值伪随机序列对应的密钥）的授权用户收到含隐秘信息的加密视频，可以先用加密密钥对视频进行解密，解密后的视频仍然含有隐秘信息，该隐秘信息可以用于追踪数据源。

如图1b所示，在加密域完成隐秘数据提取的具体过程为：

③-1a、采用与步骤②-1相同的方式，将H.264/AVC视频压缩编码标准中后缀长度为2和3的所有Level码字分成第一码字空间和第二码字空间。

③-1b、在加密域，对含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流进行解析，识别含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中残差系数的Level码字。

③-1c、将含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中当前识别出的Level码字定义为当前码字。

③-1d、如果当前码字属于第一码字空间，则提取出信息比特“0”，然后继续执行步骤③-1e；如果当前码字属于第二码字空间，则提取出信息比特“1”，然后继续执行步骤③-1e；如果当前码字不属于第一码字空间也不属于第二码字空间，则直接执行步骤③-1e。

③-1e、将含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中下一个识别出的Level码字作为当前码字，然后返回步骤③-1d继续执行，直至含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中的所有Level码字处理完毕，提取得到隐秘信息。

如图1b所示，在解密域完成隐秘数据提取的具体过程为：

③-2a、采用与步骤②-1相同的方式，将H.264/AVC视频压缩编码标准中后缀长度为2和3的所有Level码字分成第一码字空间和第二码字空间。

③-2b、对含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流进行解析，识别含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流中加密的预测模式的码字、加密的运动矢量差分的指数哥伦布码字和加密的残差系数的Level码字，对加密的预测模式的码字、加密的运动矢量差分的指数哥伦布码字和加密的残差系数的Level码字进行解密，得到解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流。

在此，利用第一密钥生成的二值伪随机序列对加密的Intra_4×4预测模式的码字进行解密，解密过程与加密过程一致，即从第一密钥生成的二值伪随机序列中按序取出3位，与Intra_4×4预测模式的宏块中模式标志位为0的子块的预测模式的码字的后3位比特进行按位比特异或解密，并且密钥为同一个，即加密和解密时所利用的二值伪随机序列为同一个；利用第二密钥生成的二值伪随机序列对加密的Intra_16×16预测模式的码字进行解密，解密过程与加密过程一致，即从第二密钥生成的二值伪随机序列中按序取出1位，与Intra_16×16预测模式的码字的最后1位比特进行异或解密，并且密钥为同一个，即加密和解密时所利用的二值伪随机序列为同一个；利用第三密钥生成的二值伪随机序列对加密的运动矢量差分的指数哥伦布码字进行解密，解密过程与加密过程一致，即从第三密钥生成的二值伪随机序列中按序取出1位，与运动矢量差分的指数哥伦布码字的最后1位比特进行异或解密，并且密钥为同一个，即加密和解密时所利用的二值伪随机序列为同一个；利用第四密钥生成的二值伪随机序列对残差系数的Level码字进行解密，解密的过程与加密时利用第四密钥生成的二值伪随机序列对Level码字加密的过程一致，即从第四密钥生成的二值伪随机序列中按序取出1位，与Level码字的最后1位比特进行异或解密，并且密钥为同一个，即加密和解密时所利用的二值伪随机序列为同一个。

③-2c、在解密域，对解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流进行解析，识别解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流中残差系数的Level码字。

③-2d、将解密后的含隐秘信息的H.264/AVC视频码流中当前识别出的Level码字定义为当前码字。

③-2e、如果当前码字属于第一码字空间，则提取出信息比特“0”，然后继续执行步骤③-2f；如果当前码字属于第二码字空间，则提取出信息比特“1”，然后继续执行步骤③-2f；如果当前码字不属于第一码字空间也不属于第二码字空间，则直接执行步骤③-2f。

实施例二：

本实施例的加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法是在实施例一的基础上为进一步提高安全性而提出的，其为防止隐秘信息被提取后泄露，在步骤②-3中先利用加密隐秘信息的二值伪随机序列对待嵌入的隐秘信息进行加密，然后将加密后的隐秘信息重新作为待嵌入的隐秘信息，再取出当前待嵌入的信息比特；这样在提取隐秘数据时就需对提取到的隐秘信息进行解密，即在步骤③-1e中利用加密域的H.264/AVC视频数据隐藏过程中采用的加密隐秘信息的二值伪随机序列对提取得到的隐秘信息进行解密；步骤③-2e中利用加密域的H.264/AVC视频数据隐藏过程中采用的加密隐秘信息的二值伪随机序列对提取得到的隐秘信息进行解密。此处，加密隐秘信息的伪随机序列与加密视频时所利用的二值伪随机序列是分开的。

为进一步说明本发明方法的可行性和有效性，进行举例说明。

假定待嵌入的隐秘信息为“1001”，并假定第四密钥生成的二值伪随机序列为“10111”，从H.264/AVC视频码流中解析出的Level码字为“01010001010010000010110000100”。H.264/AVC视频加密及加密域的H.264/AVC视频数据隐藏的过程如图4a所示。首先利用第四密钥生成的二值伪随机序列对Level码字进行加密，Level码字为01时，由于其后缀长度为0，因此对该Level码字不加密；下一个Level码字为“010”，其后缀长度为1，则利用第四密钥生成的二值伪随机序列对该Level码字的最后一位比特进行异或加密，此时对应的加密序列比特位为“1”，而该Level码字的最后一位比特为“0”，因此加密后的码字为“011”；同理，再下一个Level码字为“00101”，其后缀长度为2，同样对该Level码字的最后一位比特进行异或加密，此时对应的加密序列比特位为“0”，而该Level码字的最后一位比特为“1”，因此加密后的码字为“00101”；后面的依此类推。其次，依据图3中预先设定的码字划分原则，将后缀长度为2和3的所有Level码字分成C0和C1两个码字空间。图4a中，由于加密后的码字“01”和“011”都不属于C0和C1码字空间，所以在数据隐藏过程中会跳过这两个码字，加密后的码字“00101”属于C0码字空间，加密后的码字“0001010”属于C1码字空间，加密后的码字“0000101”属于C0码字空间。最后，进行数据嵌入，例如，当需要嵌入的数据位为“1”，而此时码字“00101”属于C0码字空间，根据嵌入规则，须将码字“00101”映射到对应的C1码字空间，即用C1中的码字“00111”替换码字“00101”，就完成了数据位“1”的嵌入；同理，下一位需要嵌入的数据位为“0”，下一个码字“00101”属于C0码字空间，根据嵌入规则，此时码字“00101”保持不变，就完成了数据位“0”的嵌入；后面依此类推。

在加密域完成隐秘数据提取的过程如图4b所示，判断含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频流中Level码字对应的码字空间，如果属于C0码字空间，则提取隐秘数据位“0”；如果属于C1码字空间，则提取隐秘数据位“1”。在图4b中，由于码字“01”和“011”都不属于C0和C1码字空间，所以在数据提取过程中会跳过这两个码字，下一个码字“00111”属于C1码字空间，所以提取隐秘数据位“1”；下一个码字“00101”属于C0码字空间，所以提取隐秘数据位“0”，后面依此类推，最后可得提取的隐秘数据为“1001”，与嵌入的隐秘数据完全一致。

在解密域完成隐秘数据提取的过程如图4c所示，首先利用含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流进行解密，例如，Level码字为01时，其后缀长度为0，由于该码字没有加密，所以解密过程跳过该码字；下一个Level码字为“011”，其后缀长度为1，则利用第四密钥生成的二值伪随机序列对该Level码字的最后一位比特进行异或解密，此时对应的加密序列比特位为“1”，而Level码字的最后一位比特为“1”，所以解密后的码字为“010”；同理，再下一个Level码字为“00111”，其后缀长度为2，同样对该Level码字最后一位进行异或解密，此时对应的加密序列比特位为“0”，而Level码字的最后一位比特为“1”，所以解密后的码字为“00111”；后面的依此类推。在图4c中，由于码字“01”和“010”都不属于C0和C1码字空间，所以在数据提取过程中会跳过这两个码字，下一个码字“00111”属于C1码字空间，所以提取隐秘数据位“1”；下一个码字“00100”属于C0码字空间，所以提取隐秘数据位“0”，后面依此类推，最后可得提取的隐秘数据为“1001”，与嵌入的隐秘数据完全一致。

Claims

1.一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法，其特征在于包括H.264/AVC视频加密、加密域的H.264/AVC视频数据隐藏及隐秘数据提取三部分；

所述的加密的H.264/AVC视频数据隐藏的具体过程为：

所述的步骤②-4中采用码字映射方法将当前信息比特嵌入到当前码字中的具体过程为：如果当前信息比特为0且当前码字属于第一码字空间，则当前码字保持不变；如果当前信息比特为0且当前码字属于第二码字空间，则用第一码字空间中与当前码字相对应的Level码字替换当前码字；如果当前信息比特为1且当前码字属于第二码字空间，则当前码字保持不变；如果当前信息比特为1且当前码字属于第一码字空间，则用第二码字空间中与当前码字相对应的Level码字替换当前码字；

②-5、将加密域的H.264/AVC视频中下一个识别出的Level码字作为当前码字，将待嵌入的隐秘信息中下一个待嵌入的信息比特作为当前信息比特，然后返回步骤②-4继续执行，直至隐秘信息嵌入完毕，完成加密域的H.264/AVC视频数据隐藏，得到含隐秘信息的加密域的H.264/AVC视频码流；

在解密域完成隐秘数据提取的具体过程为：

2.根据权利要求1所述的一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法，其特征在于所述的H.264/AVC视频加密的具体过程为：

①-2、将当前帧中当前待处理的宏块定义为当前宏块；

当当前宏块的预测模式为Intra_16×16预测模式时，利用第二密钥生成的二值伪随机序列中的第k2位比特对当前宏块的预测模式的码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的预测模式的加密，然后令k2＝k2+1，再执行步骤①-6，其中，k2的初始值为1，k2＝k2+1中的“＝”为赋值符号；

①-5、当当前宏块的运动矢量差分不为0时，利用第三密钥生成的二值伪随机序列中的第k3位比特对当前宏块的运动矢量差分的指数哥伦布码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的运动矢量差分的加密，然后令k3＝k3+1，再执行步骤①-6，其中，k3的初始值为1，k3＝k3+1中的“＝”为赋值符号；

①-6、当当前宏块的残差系数的Level码字的后缀长度不为0时，利用第四密钥生成的二值伪随机序列中的第k4位比特对当前宏块的残差系数的Level码字的最后1位比特进行比特异或加密，完成当前宏块的残差系数的加密，然后令k4＝k4+1，再执行步骤①-7，其中，k4的初始值为1，k4＝k4+1中的“＝”为赋值符号；

3.根据权利要求2所述的一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法，其特征在于所述的步骤①-4中当当前宏块的预测模式为Intra_4×4预测模式时，完成当前宏块的预测模式的加密的具体过程为：

①-4b、判断当前子块的预测模式的模式标志位是否为0，如果是，则将第一密钥生成的二值伪随机序列中的第k1位起的连续三位比特作为当前第一加密比特信息，接着利用当前第一加密比特信息对当前子块的预测模式的码字的后3位比特进行按位比特异或加密，得到当前子块的预测模式加密后的码字，然后令k1＝k1+3，再执行步骤①-4c；否则，对当前子块的预测模式的码字不加密，再执行步骤①-4c，其中，k1的初始值为1，k1＝k1+3中的“＝”为赋值符号；

4.根据权利要求1所述的一种加密域H.264/AVC视频数据隐藏方法，其特征在于所述的步骤②-3中先利用加密隐秘信息的二值伪随机序列对待嵌入的隐秘信息进行加密，然后将加密后的隐秘信息重新作为待嵌入的隐秘信息，再取出当前待嵌入的信息比特；所述的步骤③-1e中利用所述的加密域的H.264/AVC视频数据隐藏过程中采用的加密隐秘信息的二值伪随机序列对提取得到的隐秘信息进行解密；所述的步骤③-2e中利用所述的加密域的H.264/AVC视频数据隐藏过程中采用的加密隐秘信息的二值伪随机序列对提取得到的隐秘信息进行解密。