CN104159117B - 一种hevc视频的信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HEVC视频的信息隐藏方法，其包括隐秘信息嵌入和隐秘信息提取两部分，在隐秘信息嵌入部分中通过分析HEVC编解码结构，针对尺寸大小为4×4的预测单元，在帧内预测编码过程中调制预测模式，利用拉格朗日率失真模型自适应的选取帧内编码模式以决定是否嵌入隐秘信息；并通过建立待嵌入的两比特信息与预测模式的角度差区间的对应关系，根据待嵌入的两比特信息修改预测模式完成信息嵌入，连续的两个尺寸大小为4×4的预测单元大部分情况下只需修改一个预测单元的预测模式，在隐藏容量相同的情况下减少了修改位数，降低了因嵌入隐秘信息造成视频质量下降的影响，很好地保证了视频的主客观质量，大大降低了嵌入隐秘信息对视频码流的影响。

Description

一种HEVC视频的信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种信息隐藏技术，尤其是涉及一种HEVC(High Efficiency VideoCoding)视频的信息隐藏方法。

背景技术

随着多媒体的广泛应用和网络技术的快速发展，数字化信息的应用与传播已成为人们生活不可或缺的组成部分。同时，数字化信息被仿造、篡改和攻击的现象日益严重，信息安全问题变得越来越突出。信息隐藏技术有助于遏制数字化多媒体的非法使用，目前，信息隐藏技术已成为信息安全领域的研究热点。

HEVC是由国际电信组织和移动视频专家组制定的新一代视频压缩编码标准，是继H.264/AVC之后的高性能视频编码标准，其核心目标是在H.264/AVC的基础上，压缩效率提高一倍。HEVC高效的压缩性能和并行化处理能力，使得其在高清、超高清等视频应用领域发挥着重要作用。

目前，针对H.264/AVC视频的信息隐藏算法的研究比较成熟，如基于修改DCT系数、调制运动矢量信息和调制预测模式的隐藏方案等。基于调制预测模式的隐藏方案研究中，Hu等人通过调制帧内预测模式，根据帧内的4×4亮度块的预测模式和隐秘信息的映射关系完成嵌入，这种信息隐藏方法由于映射关系是根据对多个视频测试序列的统计结果建立的，而不同的视频测试序列可能存在差异性，因此这种信息隐藏方法不具有普遍适用性；Yang等人引入矩阵编码，建立隐秘信息和预测模式的映射关系，在三个帧内的4×4亮度块中嵌入两比特隐秘信息，只需修改一位预测模式，这种信息隐藏方法虽然减少了预测模式修改的位数，但是信息嵌入率不高，隐藏容量低下。而目前针对HEVC视频的信息隐藏算法还未见具体报道，且由于HEVC在编码结构上与H.264/AVC存在差异性，因此针对H.264/AVC视频的信息隐藏算法并不能直接应用于HEVC视频上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种HEVC视频的信息隐藏方法，其能够很好地保证视频的主客观质量，对视频码流的影响很小。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种HEVC视频的信息隐藏方法，包括隐秘信息嵌入和隐秘信息提取两部分，其特征在于所述的隐秘信息嵌入部分具体包括以下步骤：

①-1、在隐秘信息嵌入端，将待嵌入隐秘信息的原始的HEVC视频中当前待编码的帧定义为当前编码帧；

①-2、判断当前编码帧是否为I帧，如果是，则将当前编码帧中当前正在处理的第i个预测单元定义为当前预测单元，然后执行步骤①-3；否则，对当前编码帧不处理，然后执行步骤①-11；其中，1≤i≤I，i的初始值为1，I表示当前编码帧中包含的预测单元的总个数；

①-3、判断当前预测单元的尺寸大小是否为4×4，如果是，则执行步骤①-4；否则，对当前预测单元不处理，然后令i＝i+1，再执行步骤①-10；其中，i＝i+1中的“＝”为赋值符号；

①-4、将以当前预测单元为开始的四个连续的尺寸大小为4×4的预测单元作为一个预测单元组合，然后按序将预测单元组合中的前两个预测单元分为第一组，将预测单元组合中的后两个预测单元分为第二组；接着将预测单元组合中的第一组定义为当前组；

①-5、取出待嵌入的隐秘信息中的第p比特信息和第p+1比特信息作为当前待嵌入的两比特信息，其中，1≤p≤P-1，p的初始值为1，P表示隐秘信息的总长度；对当前组中的两个预测单元进行帧内预测编码，在帧内预测编码过程中确定当前组中的每个预测单元的预测模式，如果当前组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，则将当前组中的两个预测单元各自的预测模式映射成角度值，对应记为D₁和D₂，然后计算D₁和D₂的角度值绝对差值，记为D，D＝|D₁-D₂|，再执行步骤①-6，其中，k₁表示当前组中的第一个预测单元的预测模式的数字标识，k₂表示当前组中的第二个预测单元的预测模式的数字标识，k₁∈[2,34]，k₂∈[2,34]，符号“||”为取绝对值符号；

如果当前组中的一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，而另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则对当前组中的两个预测单元各自的预测模式不进行修改，当前组中的两个预测单元没有嵌入隐秘信息，然后执行步骤①-8；

如果当前组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，则直接执行步骤①-7；

①-6、建立当前待嵌入的两比特信息与角度差区间的对应关系，然后根据当前待嵌入的两比特信息与角度差区间的对应关系，确定是否修改当前组中的两个预测单元的预测模式，具体过程为：如果D属于当前待嵌入的两比特信息对应的任一个角度差区间，则对当前组中的两个预测单元各自的预测模式不进行修改，当前组中的两个预测单元已嵌入隐秘信息，然后令p＝p+2，再执行步骤①-8，其中，p＝p+2中的“＝”为赋值符号；

如果D不属于当前待嵌入的两比特信息对应的任一个角度差区间，则保持当前组中的其中一个预测单元的预测模式不变，修改当前组中的另一个预测单元的预测模式，假设保持不变的预测模式映射成的角度值为D_x，则搜索所有满足以下条件的角度值：假设搜索得到的角度值为D_y，则要求|D_x-D_y|属于当前待嵌入的两比特信息对应的任一个角度差区间，然后将搜索得到的所有角度值分别映射成预测模式，接着计算采用这些映射成的预测模式时当前组中的另一个预测单元的率失真代价，再将率失真代价最小的预测模式作为当前组中的另一个预测单元的预测模式，完成了预测模式的修改，当前组中的两个预测单元已嵌入隐秘信息，最后对当前组中的另一个预测单元用修改的预测模式重新进行帧内预测编码，再令p＝p+2，之后执行步骤①-8，其中，p＝p+2中的“＝”为赋值符号；

①-7、根据当前待嵌入的两比特信息，修改当前组中的两个预测单元各自的预测模式，对于当前组中的第1个预测单元，如果当前待嵌入的两比特信息的第一位信息为0，则当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式不进行修改，当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为0，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第1个预测单元重新进行帧内预测编码；如果当前待嵌入的两比特信息的第一位信息为1，则当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为1，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第1个预测单元重新进行帧内预测编码，当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式不进行修改；

对于当前组中的第2个预测单元，如果当前待嵌入的两比特信息的第二位信息为0，则当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式不进行修改，当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为0，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第2个预测单元重新进行帧内预测编码；如果当前待嵌入的两比特信息的第二位信息为1，则当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为1，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第2个预测单元重新进行帧内预测编码，当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式不进行修改；

在当前组中的两个预测单元各自的预测模式处理完毕后，当前组中的两个预测单元已嵌入隐秘信息，然后令p＝p+2，再执行步骤①-8，其中，p＝p+2中的“＝”为赋值符号；

①-8、将预测单元组合中的第二组作为当前组，然后返回步骤①-5继续执行，当预测单元组合中的二组处理完毕后，执行步骤①-9；

①-9、如果预测单元组合中的每组中的两个预测单元满足：其中一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则确定预测单元组合中的所有预测单元均没有嵌入隐秘信息，然后令i＝i+4，再执行步骤①-10，其中，i＝i+4中的“＝”为赋值符号；

如果预测单元组合中只有一组中的两个预测单元满足：两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，或者两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，则在预测模式修改后的前提下，比较预测单元组合中的所有预测单元的率失真代价之和与这四个尺寸大小为4×4的预测单元的上一级尺寸大小为8×8的预测单元的率失真代价，当前者小于后者时，选择尺寸大小为4×4的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型；当前者大于或等于后者时，选择尺寸大小为8×8的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型，然后令i＝i+4，并令p＝p-2，再执行步骤①-10，其中，i＝i+4和p＝p-2中的“＝”为赋值符号；

如果预测单元组合中的两组满足：两组中共四个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，或者两组中共四个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，或者其中一组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，而另一组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，则在预测模式修改后的前提下，比较预测单元组合中的所有预测单元的率失真代价之和与这四个尺寸大小为4×4的预测单元的上一级尺寸大小为8×8的预测单元的率失真代价，当前者小于后者时，选择尺寸大小为4×4的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型；当前者大于或等于后者时，选择尺寸大小为8×8的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型，然后令i＝i+4，并令p＝p-4，再执行步骤①-10，其中，i＝i+4和p＝p-4中的“＝”为赋值符号；

①-10、将当前编码帧中待处理的第i个预测单元作为当前预测单元，然后返回步骤①-3继续执行，直至当前编码帧中的所有预测单元处理完毕；

①-11、将原始的HEVC视频中的下一帧待编码的帧作为当前编码帧，然后返回步骤①-2继续执行，直至隐秘信息全部嵌入完毕或原始的HEVC视频中的所有帧处理完毕；

所述的隐秘信息提取部分具体包括以下步骤：

②-1、在隐秘信息提取端，利用HEVC标准解码器对其接收到的含隐秘信息的HEVC视频码流进行解码；

②-2、将含隐秘信息的HEVC视频码流中解码得到的第i'个预测单元定义为当前预测单元，其中，1≤i'≤I'，i'的初始值为1，I'表示含隐秘信息的HEVC视频码流中包含的预测单元的总个数；

②-3、判断当前预测单元是否属于I帧，如果是，则执行步骤②-4；否则，不对当前预测单元进行隐秘信息提取，然后令i'＝i'+1，再执行步骤②-6；其中，i'＝i'+1中的“＝”为赋值符号；

②-4、判断当前预测单元的尺寸大小是否为4×4，如果是，则将当前预测单元及已解码的下一个尺寸大小为4×4的预测单元作为一个组合，然后执行步骤②-5；否则，不对当前预测单元进行隐秘信息提取，然后令i'＝i'+1，再执行步骤②-6；其中，i'＝i'+1中的“＝”为赋值符号；

②-5、如果组合中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，则将组合中的两个预测单元各自的预测模式映射成角度值，对应记为D₁'和D₂'，然后计算D₁'和D₂'的角度值绝对差值，记为D'，D'＝|D₁'-D₂'|，再建立待提取的两比特信息与D'所属的角度差区间的对应关系，接着根据待提取的两比特信息与D'所属的角度差区间的对应关系，提取得到两比特信息，之后令i'＝i'+2，执行步骤②-6；其中，k₁'表示组合中的第一个预测单元的预测模式的数字标识，k₂'表示组合中的第二个预测单元的预测模式的数字标识，k₁'∈[2,34]，k₂'∈[2,34]，符号“||”为取绝对值符号，i'＝i'+2中的“＝”为赋值符号；

如果组合中的一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，而另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则不对组合中的两个预测单元进行隐秘信息提取，然后令i'＝i'+2，再执行步骤②-6，其中，i'＝i'+2中的“＝”为赋值符号；

如果组合中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，则根据预测模式的数字标识提取隐秘信息，如果预测模式的数字标识为0，则提取得到一比特信息为0，如果预测模式的数字标识为1，则提取得到一比特信息为1；然后令i'＝i'+2，再执行步骤②-6，其中，i'＝i'+2中的“＝”为赋值符号；

②-6、将含隐秘信息的HEVC视频码流中解码得到的第i'个预测单元作为当前预测单元，然后返回步骤②-3继续执行，直至提取出含隐秘信息的HEVC视频码流中的隐秘信息或含隐秘信息的HEVC视频码流解码完毕。

所述的步骤①-6中当前待嵌入的两比特信息与角度差区间的对应关系为：假设当前待嵌入的两比特信息为00，则对应的角度差区间为或或或假设当前待嵌入的两比特信息为01，则对应的角度差区间为或或或假设当前待嵌入的两比特信息为10，则对应的角度差区间为或或或假设当前待嵌入的两比特信息为11，则对应的角度差区间为或或或

所述的步骤②-5中待提取的两比特信息与D'所属的角度差区间的对应关系为：假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为00；假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为01；假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为10；假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为11。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明方法通过分析HEVC编解码结构，针对尺寸大小为4×4的预测单元，在帧内预测编码过程中调制预测模式，利用拉格朗日率失真模型自适应的选取帧内编码模式以决定是否嵌入隐秘信息，这种隐秘信息嵌入方式能够很好地保证视频的主客观质量。

2)本发明方法通过建立待嵌入的两比特信息与预测模式的角度差区间的对应关系，根据待嵌入的两比特信息修改预测模式完成信息嵌入，连续的两个尺寸大小为4×4的预测单元大部分情况下只需修改一个预测单元的预测模式，在隐藏容量相同的情况下减少了修改位数，降低了因嵌入隐秘信息造成视频质量下降的影响，很好地保证了视频的主客观质量，大大降低了嵌入隐秘信息对视频码流的影响。

附图说明

图1为本发明方法的隐秘信息嵌入部分的实现流程框图；

图2为一个LCU的划分过程示意图；

图3为HEVC中帧内35种预测模式的示意图；

图4a为BQMall视频的第1帧未嵌隐秘信息的重建图像帧；

图4b为BasketballDrill视频的第1帧未嵌隐秘信息的重建图像帧；

图5a为BQMall视频的第1帧嵌入隐秘信息后的重建图像帧；

图5b为BasketballDrill视频的第1帧嵌入隐秘信息后的重建图像帧；

图6a为Vidyo_1视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图；

图6b为Vidyo_3视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图；

图6c为Vidyo_4视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图；

图6d为BasketballDrill视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图；

图6e为BQMall视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图。

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。

在HEVC视频中引入了三种基本单元，即编码单元(CU)、预测单元(PU)和变换单元(TU)。编码单元的尺寸有四种，分别为64×64、32×32、16×16、8×8，如图2所示采用四叉树结构一个尺寸为64×64的编码单元可以分为4个尺寸为32×32的编码单元，一个尺寸为32×32的编码单元可以分为4个尺寸为16×16的编码单元，一个尺寸为16×16的编码单元可以分为4个尺寸为8×8的编码单元，在四叉树结构中尺寸为64×64的编码单元的深度为0，尺寸为32×32的编码单元的深度为1，尺寸为16×16的编码单元的深度为2，尺寸为8×8的编码单元的深度为3；预测单元是编码单元中传递预测模式的单元，每个预测单元含有一组预测信息，即帧内预测过程中的预测模式和帧间预测过程的运动信息，尺寸为64×64的编码单元对应的预测单元的尺寸也为64×64，尺寸为32×32的编码单元对应的预测单元的尺寸也为32×32，尺寸为16×16的编码单元对应的预测单元的尺寸也为16×16，尺寸为8×8的编码单元对应的预测单元可以分成4个尺寸为4×4的预测单元，每种不同尺寸的预测单元都有35种预测模式，如图3所示，包括33种具有方向性的预测模式、Planar模式和DC模式，DC模式用数字0标识，Planar模式用数字1标识，33种具有方向性的预测模式分别用数字2到34标识。

HEVC采用了基于编码单元的四叉树划分结构，一个最大编码单元LCU(即尺寸为64×64的编码单元)的划分过程为：首先进行LCU的分割过程，当LCU不划分时，其深度为0，尺寸为64×64，利用相同尺寸的预测单元对该编码单元进行预测编码，得到该编码单元的率失真代价；然后进一步将尺寸为64×64的编码单元划分为4个尺寸为32×32的编码单元，尺寸为32×32的编码单元的深度为1，同理可以得到每个尺寸为32×32的编码单元的率失真代价，如此递归的划分下去，当划分到尺寸为8×8的编码单元时，编码单元的尺寸达到最小，此时进行预测编码时，相同尺寸的预测单元可以进一步划分为4个尺寸为4×4的预测单元，至此LCU的递归遍历过程结束，开始进行反向裁剪，在深度为3时，首先需要比较4个尺寸为4×4的预测单元的率失真代价之和与一个尺寸为8×8的预测单元的率失真代价的大小，如果4个尺寸为4×4的预测单元的率失真代价之和小于尺寸为8×8的预测单元的率失真代价，则选择尺寸为4×4的预测单元，否则，选择尺寸为8×8的预测单元，依次类推，直到深度为0，完成编码单元尺寸的选择。

本发明提出的一种HEVC视频的信息隐藏方法，其包括隐秘信息嵌入和隐秘信息提取两部分，其中，隐秘信息嵌入部分的流程如图1所示，其具体包括以下步骤：

①-1、在隐秘信息嵌入端，将待嵌入隐秘信息的原始的HEVC视频中当前待编码的帧定义为当前编码帧。

①-2、判断当前编码帧是否为I帧，如果是，则将当前编码帧中当前正在处理的第i个预测单元定义为当前预测单元，然后执行步骤①-3；否则，对当前编码帧不处理，然后执行步骤①-11；其中，1≤i≤I，i的初始值为1，I表示当前编码帧中包含的预测单元的总个数。

①-3、判断当前预测单元的尺寸大小是否为4×4，如果是，则执行步骤①-4；否则，对当前预测单元不处理，然后令i＝i+1，再执行步骤①-10；其中，i＝i+1中的“＝”为赋值符号。

①-4、将以当前预测单元为开始的四个连续的尺寸大小为4×4的预测单元作为一个预测单元组合，然后按序将预测单元组合中的前两个预测单元分为第一组，将预测单元组合中的后两个预测单元分为第二组；接着将预测单元组合中的第一组定义为当前组。

①-5、取出待嵌入的隐秘信息中的第p比特信息和第p+1比特信息作为当前待嵌入的两比特信息，其中，1≤p≤P-1，p的初始值为1，P表示隐秘信息的总长度；对当前组中的两个预测单元进行帧内预测编码，在帧内预测编码过程中确定当前组中的每个预测单元的预测模式，如果当前组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，则将当前组中的两个预测单元各自的预测模式映射成角度值，对应记为D₁和D₂，然后计算D₁和D₂的角度值绝对差值，记为D，D＝|D₁-D₂|，再执行步骤①-6，其中，k₁表示当前组中的第一个预测单元的预测模式的数字标识，k₂表示当前组中的第二个预测单元的预测模式的数字标识，k₁∈[2,34]，k₂∈[2,34]，符号“||”为取绝对值符号。

表1具体给出了预测模式与角度值的映射关系。

表1 预测模式与角度值的映射关系表

如果当前组中的一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，而另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则对当前组中的两个预测单元各自的预测模式不进行修改，当前组中的两个预测单元没有嵌入隐秘信息，然后执行步骤①-8。

如果当前组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，即当前组中的两个预测单元的预测模式分别为0和0或分别为0和1或分别为1和0或1和1，则直接执行步骤①-7。

①-6、建立当前待嵌入的两比特信息与角度差区间的对应关系，然后根据当前待嵌入的两比特信息与角度差区间的对应关系，确定是否修改当前组中的两个预测单元的预测模式，具体过程为：如果D属于当前待嵌入的两比特信息对应的任一个角度差区间，则对当前组中的两个预测单元各自的预测模式不进行修改，当前组中的两个预测单元已嵌入隐秘信息，然后令p＝p+2，再执行步骤①-8，其中，p＝p+2中的“＝”为赋值符号。

如果D不属于当前待嵌入的两比特信息对应的任一个角度差区间，则保持当前组中的其中一个预测单元的预测模式不变，修改当前组中的另一个预测单元的预测模式，即修改两个预测单元中的任何一个预测单元的预测模式，假设保持不变的预测模式映射成的角度值为D_x，则搜索所有满足以下条件的角度值：假设搜索得到的角度值为D_y，则要求|D_x-D_y|属于当前待嵌入的两比特信息对应的任一个角度差区间，然后将搜索得到的所有角度值分别映射成预测模式，接着计算采用这些映射成的预测模式时当前组中的另一个预测单元的率失真代价，按大小顺序对各个率失真代价进行排序，再将率失真代价最小的预测模式作为当前组中的另一个预测单元的预测模式，完成了预测模式的修改，当前组中的两个预测单元已嵌入隐秘信息，最后对当前组中的另一个预测单元用修改的预测模式重新进行帧内预测编码，再令p＝p+2，之后执行步骤①-8，其中，p＝p+2中的“＝”为赋值符号。

在此具体实施例中，步骤①-6中当前待嵌入的两比特信息与角度差区间的对应关系为：假设当前待嵌入的两比特信息为00，则对应的角度差区间为或或或假设当前待嵌入的两比特信息为01，则对应的角度差区间为或或或假设当前待嵌入的两比特信息为10，则对应的角度差区间为或或或假设当前待嵌入的两比特信息为11，则对应的角度差区间为或或或如表2所列。

①-7、根据当前待嵌入的两比特信息，修改当前组中的两个预测单元各自的预测模式，对于当前组中的第1个预测单元，如果当前待嵌入的两比特信息的第一位信息为0，则当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式不进行修改，不用对当前组中的第1个预测单元重新进行帧内预测编码，当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为0，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第1个预测单元重新进行帧内预测编码；如果当前待嵌入的两比特信息的第一位信息为1，则当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为1，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第1个预测单元重新进行帧内预测编码，当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式不进行修改，不用对当前组中的第1个预测单元重新进行帧内预测编码。

对于当前组中的第2个预测单元，如果当前待嵌入的两比特信息的第二位信息为0，则当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式不进行修改，不用对当前组中的第2个预测单元重新进行帧内预测编码，当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为0，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第2个预测单元重新进行帧内预测编码；如果当前待嵌入的两比特信息的第二位信息为1，则当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为1，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第2个预测单元重新进行帧内预测编码，当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式不进行修改，不用对当前组中的第2个预测单元重新进行帧内预测编码。

在当前组中的两个预测单元各自的预测模式处理完毕后，当前组中的两个预测单元已嵌入隐秘信息，然后令p＝p+2，再执行步骤①-8，其中，p＝p+2中的“＝”为赋值符号。

①-8、将预测单元组合中的第二组作为当前组，然后返回步骤①-5继续执行，当预测单元组合中的二组处理完毕后，执行步骤①-9。

①-9、如果预测单元组合中的每组中的两个预测单元满足：其中一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则确定预测单元组合中的所有预测单元均没有嵌入隐秘信息，然后令i＝i+4，再执行步骤①-10，其中，i＝i+4中的“＝”为赋值符号。

如果预测单元组合中只有一组中的两个预测单元满足：两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，或者两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，即如果预测单元组合中只有一组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内或者两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，而另一组中的其中一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则在预测模式修改后的前提下，比较预测单元组合中的所有预测单元的率失真代价之和与这四个尺寸大小为4×4的预测单元的上一级尺寸大小为8×8的预测单元的率失真代价，当前者小于后者时，选择尺寸大小为4×4的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型；当前者大于或等于后者时，选择尺寸大小为8×8的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型，然后令i＝i+4，并令p＝p-2，再执行步骤①-10，其中，i＝i+4和p＝p-2中的“＝”为赋值符号。

如果预测单元组合中的两组满足：两组中共四个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，或者两组中共四个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，或者其中一组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，而另一组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，则在预测模式修改后的前提下，比较预测单元组合中的所有预测单元的率失真代价之和与这四个尺寸大小为4×4的预测单元的上一级尺寸大小为8×8的预测单元的率失真代价，当前者小于后者时，选择尺寸大小为4×4的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型；当前者大于或等于后者时，选择尺寸大小为8×8的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型，然后令i＝i+4，并令p＝p-4，再执行步骤①-10，其中，i＝i+4和p＝p-4中的“＝”为赋值符号。

①-10、将当前编码帧中待处理的第i个预测单元作为当前预测单元，然后返回步骤①-3继续执行，直至当前编码帧中的所有预测单元处理完毕。

①-11、将原始的HEVC视频中的下一帧待编码的帧作为当前编码帧，然后返回步骤①-2继续执行，直至隐秘信息全部嵌入完毕或原始的HEVC视频中的所有帧处理完毕。

隐秘信息提取部分具体包括以下步骤：

②-1、在隐秘信息提取端，利用HEVC标准解码器对其接收到的含隐秘信息的HEVC视频码流进行解码。

②-2、将含隐秘信息的HEVC视频码流中解码得到的第i'个预测单元定义为当前预测单元，其中，1≤i'≤I'，i'的初始值为1，I'表示含隐秘信息的HEVC视频码流中包含的预测单元的总个数。

②-3、判断当前预测单元是否属于I帧，如果是，则执行步骤②-4；否则，不对当前预测单元进行隐秘信息提取，然后令i'＝i'+1，再执行步骤②-6；其中，i'＝i'+1中的“＝”为赋值符号。

②-4、判断当前预测单元的尺寸大小是否为4×4，如果是，则将当前预测单元及已解码的下一个尺寸大小为4×4的预测单元作为一个组合，然后执行步骤②-5；否则，不对当前预测单元进行隐秘信息提取，然后令i'＝i'+1，再执行步骤②-6；其中，i'＝i'+1中的“＝”为赋值符号。

②-5、如果组合中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，则将组合中的两个预测单元各自的预测模式映射成角度值，对应记为D₁'和D₂'，然后计算D₁'和D₂'的角度值绝对差值，记为D'，D'＝|D₁'-D₂'|，再建立待提取的两比特信息与D'所属的角度差区间的对应关系，接着根据待提取的两比特信息与D'所属的角度差区间的对应关系，提取得到两比特信息，之后令i'＝i'+2，执行步骤②-6；其中，k₁'表示组合中的第一个预测单元的预测模式的数字标识，即k₁'表示当前预测单元的预测模式的数字标识，k₂'表示组合中的第二个预测单元的预测模式的数字标识，即k₂'表示当前预测单元的下一个预测单元的预测模式的数字标识，k₁'∈[2,34]，k₂'∈[2,34]，符号“||”为取绝对值符号，i'＝i'+2中的“＝”为赋值符号。

如果组合中的一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，而另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则不对组合中的两个预测单元进行隐秘信息提取，然后令i'＝i'+2，再执行步骤②-6，其中，i'＝i'+2中的“＝”为赋值符号。

如果组合中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，即组合中的两个预测单元的预测模式分别为0和0或分别为0和1或分别为1和0或1和1，则根据预测模式的数字标识提取隐秘信息，如果预测模式的数字标识为0，则提取得到一比特信息为0，如果预测模式的数字标识为1，则提取得到一比特信息为1；然后令i'＝i'+2，再执行步骤②-6，其中，i'＝i'+2中的“＝”为赋值符号。

在此具体实施例中，步骤②-5中待提取的两比特信息与D'所属的角度差区间的对应关系为：假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为00；假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为01；假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为10；假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为11，如表2所列。

②-6、将含隐秘信息的HEVC视频码流中解码得到的第i'个预测单元作为当前预测单元，然后返回步骤②-3继续执行，直至提取出含隐秘信息的HEVC视频码流中的隐秘信息或含隐秘信息的HEVC视频码流解码完毕。

表2 两比特信息与角度差区间的对应关系表

以下为对本发明方法进行测试，以说明本发明方法的有效性和可行性。

本发明方法测试主要在HEVC测试模型HM12.0上进行。测试平台的硬件配置为：Intel(R)Core(TM)i5-2450CPU，主频2.50GHz，内存4.0GB；操作系统为Windows7，64位；开发工具为Microsoft Visual Studio2010。HEVC测试模型HM12.0的主要编码参数为：高效率配置，随机访问模式，编码帧数为96帧，I帧的图像组GOP(Group of Pictures)的长度为8，I帧的周期长度Intra Period(Period of I-Frame)为16。

图4a给出了BQMall视频的第1帧未嵌隐秘信息的重建图像帧，图4b给出了BasketballDrill视频的第1帧未嵌隐秘信息的重建图像帧，图5a给出了BQMall视频的第1帧嵌入隐秘信息后的重建图像帧，图5b给出了BasketballDrill视频的第1帧嵌入隐秘信息后的重建图像帧。从图4a至图5b中可以看出，利用本发明方法进行隐秘信息隐藏并没有对视频质量造成感知影响。

图6a给出了Vidyo_1视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图；图6b给出了Vidyo_3视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图；图6c给出了Vidyo_4视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图；图6d给出了BasketballDrill视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图；图6e给出了BQMall视频未嵌隐秘信息的PSNR曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR曲线对比图。从图6a至图6e中可以看出，利用本发明方法嵌入隐秘信息后视频的PSNR值略有降低，但载密视频与原始视频的PSNR差值都在0.05dB以内，对视频的画质质量没有造成影响。

采用ΔPSNR和BRI对应表示平均峰值信噪比PSNR和编码比特率的变化幅度，ΔPSNR＝PSNR_Y′-PSNR_Y，其中，PSNR_Y′表示嵌入隐秘信息后I帧的亮度值的平均峰值信噪比，PSNR_Y表示未嵌入隐秘信息前I帧的亮度值的平均峰值信噪比，R'表示嵌入隐秘信息后I帧的比特率，R表示未嵌入隐秘信息前I帧的比特率。表3列出了QP＝26时BQMall、BasketballDrill、Vidyo_1、Vidyo_3和Vidyo_4视频测试序列的性能测试结果，通过对表3中的数据分析，对于不同的视频测试序列，帧内4×4块的数目不同，导致视频隐藏容量的差异；嵌入信息前后的峰值信噪比PSNR值和编码比特率变化不大，对视频质量影响很小，满足信息隐藏中的视觉隐蔽性。

表3 各视频测试序列的性能测试结果(QP＝26)

Claims (1)

1.一种HEVC视频的信息隐藏方法，包括隐秘信息嵌入和隐秘信息提取两部分，其特征在于所述的隐秘信息嵌入部分具体包括以下步骤：

①-1、在隐秘信息嵌入端，将待嵌入隐秘信息的原始的HEVC视频中当前待编码的帧定义为当前编码帧；

①-2、判断当前编码帧是否为I帧，如果是，则将当前编码帧中当前正在处理的第i个预测单元定义为当前预测单元，然后执行步骤①-3；否则，对当前编码帧不处理，然后执行步骤①-11；其中，1≤i≤I，i的初始值为1，I表示当前编码帧中包含的预测单元的总个数；

①-3、判断当前预测单元的尺寸大小是否为4×4，如果是，则执行步骤①-4；否则，对当前预测单元不处理，然后令i＝i+1，再执行步骤①-10；其中，i＝i+1中的“＝”为赋值符号；

①-4、将以当前预测单元为开始的四个连续的尺寸大小为4×4的预测单元作为一个预测单元组合，然后按序将预测单元组合中的前两个预测单元分为第一组，将预测单元组合中的后两个预测单元分为第二组；接着将预测单元组合中的第一组定义为当前组；

①-5、取出待嵌入的隐秘信息中的第p比特信息和第p+1比特信息作为当前待嵌入的两比特信息，其中，1≤p≤P-1，p的初始值为1，P表示隐秘信息的总长度；对当前组中的两个预测单元进行帧内预测编码，在帧内预测编码过程中确定当前组中的每个预测单元的预测模式，如果当前组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，则将当前组中的两个预测单元各自的预测模式映射成角度值，对应记为D₁和D₂，然后计算D₁和D₂的角度值绝对差值，记为D，D＝|D₁-D₂|，再执行步骤①-6，其中，k₁表示当前组中的第一个预测单元的预测模式的数字标识，k₂表示当前组中的第二个预测单元的预测模式的数字标识，k₁∈[2,34]，k₂∈[2,34]，符号“||”为取绝对值符号；

如果当前组中的一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，而另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则对当前组中的两个预测单元各自的预测模式不进行修改，当前组中的两个预测单元没有嵌入隐秘信息，然后执行步骤①-8；

如果当前组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，则直接执行步骤①-7；

①-6、建立当前待嵌入的两比特信息与角度差区间的对应关系，然后根据当前待嵌入的两比特信息与角度差区间的对应关系，确定是否修改当前组中的两个预测单元的预测模式，具体过程为：如果D属于当前待嵌入的两比特信息对应的任一个角度差区间，则对当前组中的两个预测单元各自的预测模式不进行修改，当前组中的两个预测单元已嵌入隐秘信息，然后令p＝p+2，再执行步骤①-8，其中，p＝p+2中的“＝”为赋值符号；

如果D不属于当前待嵌入的两比特信息对应的任一个角度差区间，则保持当前组中的其中一个预测单元的预测模式不变，修改当前组中的另一个预测单元的预测模式，假设保持不变的预测模式映射成的角度值为D_x，则搜索所有满足以下条件的角度值：假设搜索得到的角度值为D_y，则要求|D_x-D_y|属于当前待嵌入的两比特信息对应的任一个角度差区间，然后将搜索得到的所有角度值分别映射成预测模式，接着计算采用这些映射成的预测模式时当前组中的另一个预测单元的率失真代价，再将率失真代价最小的预测模式作为当前组中的另一个预测单元的预测模式，完成了预测模式的修改，当前组中的两个预测单元已嵌入隐秘信息，最后对当前组中的另一个预测单元用修改的预测模式重新进行帧内预测编码，再令p＝p+2，之后执行步骤①-8，其中，p＝p+2中的“＝”为赋值符号；

所述的步骤①-6中当前待嵌入的两比特信息与角度差区间的对应关系为：假设当前待嵌入的两比特信息为00，则对应的角度差区间为或或或假设当前待嵌入的两比特信息为01，则对应的角度差区间为或或或假设当前待嵌入的两比特信息为10，则对应的角度差区间为或或或假设当前待嵌入的两比特信息为11，则对应的角度差区间为或或或

①-7、根据当前待嵌入的两比特信息，修改当前组中的两个预测单元各自的预测模式，对于当前组中的第1个预测单元，如果当前待嵌入的两比特信息的第一位信息为0，则当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式不进行修改，当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为0，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第1个预测单元重新进行帧内预测编码；如果当前待嵌入的两比特信息的第一位信息为1，则当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为1，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第1个预测单元重新进行帧内预测编码，当当前组中的第1个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第1个预测单元的预测模式不进行修改；

对于当前组中的第2个预测单元，如果当前待嵌入的两比特信息的第二位信息为0，则当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式不进行修改，当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为0，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第2个预测单元重新进行帧内预测编码；如果当前待嵌入的两比特信息的第二位信息为1，则当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为0时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式进行修改，使其数字标识为1，然后采用修改后的预测模式对当前组中的第2个预测单元重新进行帧内预测编码，当当前组中的第2个预测单元的预测模式的数字标识为1时，对当前组中的第2个预测单元的预测模式不进行修改；

在当前组中的两个预测单元各自的预测模式处理完毕后，当前组中的两个预测单元已嵌入隐秘信息，然后令p＝p+2，再执行步骤①-8，其中，p＝p+2中的“＝”为赋值符号；

①-8、将预测单元组合中的第二组作为当前组，然后返回步骤①-5继续执行，当预测单元组合中的二组处理完毕后，执行步骤①-9；

①-9、如果预测单元组合中的每组中的两个预测单元满足：其中一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则确定预测单元组合中的所有预测单元均没有嵌入隐秘信息，然后令i＝i+4，再执行步骤①-10，其中，i＝i+4中的“＝”为赋值符号；

如果预测单元组合中只有一组中的两个预测单元满足：两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，或者两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，则在预测模式修改后的前提下，比较预测单元组合中的所有预测单元的率失真代价之和与这四个尺寸大小为4×4的预测单元的上一级尺寸大小为8×8的预测单元的率失真代价，当前者小于后者时，选择尺寸大小为4×4的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型；当前者大于或等于后者时，选择尺寸大小为8×8的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型，然后令i＝i+4，并令p＝p-2，再执行步骤①-10，其中，i＝i+4和p＝p-2中的“＝”为赋值符号；

如果预测单元组合中的两组满足：两组中共四个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，或者两组中共四个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，或者其中一组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，而另一组中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，则在预测模式修改后的前提下，比较预测单元组合中的所有预测单元的率失真代价之和与这四个尺寸大小为4×4的预测单元的上一级尺寸大小为8×8的预测单元的率失真代价，当前者小于后者时，选择尺寸大小为4×4的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型；当前者大于或等于后者时，选择尺寸大小为8×8的预测单元作为对应的尺寸大小为8×8的编码单元的预测单元类型，然后令i＝i+4，并令p＝p-4，再执行步骤①-10，其中，i＝i+4和p＝p-4中的“＝”为赋值符号；

①-10、将当前编码帧中待处理的第i个预测单元作为当前预测单元，然后返回步骤①-3继续执行，直至当前编码帧中的所有预测单元处理完毕；

①-11、将原始的HEVC视频中的下一帧待编码的帧作为当前编码帧，然后返回步骤①-2继续执行，直至隐秘信息全部嵌入完毕或原始的HEVC视频中的所有帧处理完毕；

所述的隐秘信息提取部分具体包括以下步骤：

②-1、在隐秘信息提取端，利用HEVC标准解码器对其接收到的含隐秘信息的HEVC视频码流进行解码；

②-2、将含隐秘信息的HEVC视频码流中解码得到的第i'个预测单元定义为当前预测单元，其中，1≤i'≤I'，i'的初始值为1，I'表示含隐秘信息的HEVC视频码流中包含的预测单元的总个数；

②-3、判断当前预测单元是否属于I帧，如果是，则执行步骤②-4；否则，不对当前预测单元进行隐秘信息提取，然后令i'＝i'+1，再执行步骤②-6；其中，i'＝i'+1中的“＝”为赋值符号；

②-4、判断当前预测单元的尺寸大小是否为4×4，如果是，则将当前预测单元及已解码的下一个尺寸大小为4×4的预测单元作为一个组合，然后执行步骤②-5；否则，不对当前预测单元进行隐秘信息提取，然后令i'＝i'+1，再执行步骤②-6；其中，i'＝i'+1中的“＝”为赋值符号；

②-5、如果组合中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，则将组合中的两个预测单元各自的预测模式映射成角度值，对应记为D₁'和D₂'，然后计算D₁'和D₂'的角度值绝对差值，记为D'，D'＝|D₁'-D₂'|，再建立待提取的两比特信息与D'所属的角度差区间的对应关系，接着根据待提取的两比特信息与D'所属的角度差区间的对应关系，提取得到两比特信息，之后令i'＝i'+2，执行步骤②-6；其中，k₁'表示组合中的第一个预测单元的预测模式的数字标识，k₂'表示组合中的第二个预测单元的预测模式的数字标识，k₁'∈[2,34]，k₂'∈[2,34]，符号“||”为取绝对值符号，i'＝i'+2中的“＝”为赋值符号；

如果组合中的一个预测单元的预测模式的数字标识在区间[2,34]内，而另一个预测单元的预测模式的数字标识为0或1，则不对组合中的两个预测单元进行隐秘信息提取，然后令i'＝i'+2，再执行步骤②-6，其中，i'＝i'+2中的“＝”为赋值符号；

如果组合中的两个预测单元各自的预测模式的数字标识为0或1，则根据预测模式的数字标识提取隐秘信息，如果预测模式的数字标识为0，则提取得到一比特信息为0，如果预测模式的数字标识为1，则提取得到一比特信息为1；然后令i'＝i'+2，再执行步骤②-6，其中，i'＝i'+2中的“＝”为赋值符号；

所述的步骤②-5中待提取的两比特信息与D'所属的角度差区间的对应关系为：假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为00；假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为01；假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为10；假设D'所属的角度差区间为或或或则对应的待提取的两比特信息为11；

②-6、将含隐秘信息的HEVC视频码流中解码得到的第i'个预测单元作为当前预测单元，然后返回步骤②-3继续执行，直至提取出含隐秘信息的HEVC视频码流中的隐秘信息或含隐秘信息的HEVC视频码流解码完毕。