CN105681803B - 一种大容量的hevc视频信息隐藏方法 - Google Patents

一种大容量的hevc视频信息隐藏方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大容量的HEVC视频信息隐藏方法，其包括隐秘信息隐藏和隐秘信息提取两部分，在隐秘信息隐藏部分首先确立11个预测模式分组，并确定I帧中的每个帧内4×4亮度块的最优预测模式所属的预测模式分组；然后根据提取的两位比特信息及I帧中的每个帧内4×4亮度块的最优预测模式所属的预测模式分组，进行隐秘信息嵌入操作；在隐秘信息提取部分首先确立11个预测模式分组，并确定I帧中的每个4×4的编码块的最优预测模式所属的预测模式分组；然后根据I帧中的每个4×4的编码块的最优预测模式及最优预测模式所属的预测模式分组，进行隐秘信息提取操作；优点是其在保证视频主客观质量的前提下，能够有效地提高隐秘信息嵌入容量。

Description

一种大容量的HEVC视频信息隐藏方法
技术领域
本发明涉及一种信息隐藏技术，尤其是涉及一种大容量的HEVC视频信息隐藏方法。
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趋严重，信息安全问题日益凸显。而信息隐藏技术对遏制数字化多媒体的非法使用、保护信息免受干扰和破坏起着重要的作用。
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，核心目标是在H.264/AVC的基础上编码效率有重大提升，特别是针对高清视频的处理。HEVC高效的压缩性能和处理能力使其在高清、超高清等视频应用领域发挥着重要作用。研究基于HEVC标准的视频信息隐藏算法具有较高的理论价值和现实意义，目前基于H.264/AVC标准的视频信息隐藏算法研究比较成熟，而基于HEVC标准的视频信息隐藏算法尚处在起步阶段。
基于H.264/AVC标准的视频信息隐藏算法有如基于修改DCT系数、调制运动矢量信息和调制预测模式的隐藏方案等。在针对帧内预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法研究中，如：HU Yang,ZHANG Chun-tian,SU Yu-ting.Information hiding for H.264/AVC[J].Acta Electronica Sinica,2008,36(4):690-694.(胡洋，张春田，苏育挺，基于H.264/AVC的视频信息隐藏算法，电子学报，2008年36卷第四期，690-694页)提出的视频信息隐藏算法是通过调制帧内预测模式，根据帧内4×4亮度块的预测模式和隐秘信息的映射关系完成嵌入，然而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，因此该视频信息隐藏算法不具有普遍适用性。又如：Yang G B,Li JJ,He Y L,Kang Z W.An information hiding algorithm based on intra-predictionmodes and matrix coding for H.264/AVC video stream[J].AEU-InternationalJournal of Electronics and Communications,2011,65(4):331-337.(一种基于帧内预测模式和矩阵编码的H.264/AVC信息隐藏算法，国际电子与通信杂志,2011年65卷第四期，331-337页)提出的信息隐藏算法是通过引入矩阵编码，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。再如：Xu D W,Wang R D,Wang J C.Prediction mode modulated data-hiding algorithm for H.264/AVC[J].Journal of Real-Time Image Processing,2012,7(4):205-214.(徐达文，王让定，王家骥，基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法，实时图像处理学报，2012年第七卷第四期，205-214页)提出的信息隐藏算法是根据隐秘信息与预测模式的映射关系，调制最优预测模式为与隐秘信息奇偶性相同且率失真代价值最小的预测模式完成信息嵌入。
上述基于H.264/AVC标准的视频信息隐藏算法并不能直接用于基于HEVC标准的视频信息隐藏，而现有的基于HEVC标准的视频信息隐藏算法如Chang P C,Chung K L,Chen JJ,et al.A DCT/DST-based error propagation-free data hiding algorithm for HEVCintra-coded frames[J].Journal of Visual Communication and ImageRepresentation,2013.(一种基于DCT/DST的抑失真漂移HEVC帧内编码信息隐藏算法，视觉传达与图像再现杂志，2013年)，其可以有效地控制帧内失真漂移，减弱帧内失真漂移的累积效应，提高HEVC视频信息隐藏算法的视觉效果，然而该算法的隐秘信息嵌入容量较小。因此，有必要研究一种在保证视频主客观质量的前提下提高隐秘信息嵌入容量的基于HEVC标准的视频信息隐藏方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大容量的HEVC视频信息隐藏方法，其在保证视频主客观质量的前提下，能够有效地提高隐秘信息嵌入容量。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大容量的HEVC视频信息隐藏方法，其特征在于包括隐秘信息隐藏和隐秘信息提取两部分，所述的隐秘信息隐藏部分的具体步骤如下：
①_1、确立11个预测模式分组，每个预测模式分组包含4个预测模式；
①_2、将待处理的HEVC视频中当前待处理的帧定义为当前帧；
①_3、判断当前帧是否为I帧，如果是，则执行步骤①_4；否则，执行步骤①_10；
①_4、将当前帧中当前待处理的帧内4×4亮度块定义为当前块；
①_5、提取当前块的最优预测模式；并从待嵌入的隐秘信息中提取出第j位比特信息和第j+1位比特信息，其中，j的初始值为1，1≤j≤J，J表示待嵌入的隐秘信息的长度；
①_6、如果当前块的最优预测模式仅出现在1个预测模式分组中，则将该预测模式分组确定为当前块的最优预测模式所属的预测模式分组，如果当前块的最优预测模式出现在多个预测模式分组中，则从这多个预测模式分组中任选1个预测模式分组，并确定为当前块的最优预测模式所属的预测模式分组；然后根据提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息及当前块的最优预测模式所属的预测模式分组，进行当前块的隐秘信息嵌入操作，具体过程为：
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“00”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第1个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第1个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7；
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“01”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第2个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第2个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7；
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“10”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第3个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第3个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7；
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“11”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第4个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第4个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7；
①_7、如果当前块编码时的率失真代价值小于当前块所在的8×8编码块编码时的率失真代价值且小于当前块所在的16×16编码块编码时的率失真代价值且小于当前块所在的32×32编码块编码时的率失真代价值且小于当前块所在的64×64编码块编码时的率失真代价值，则令j＝j+2，然后执行步骤①_8，其中，j＝j+2中的“＝”为赋值符号；
如果当前块编码时的率失真代价值大于当前块所在的8×8编码块编码时的率失真代价值或大于当前块所在的16×16编码块编码时的率失真代价值或大于当前块所在的32×32编码块编码时的率失真代价值或大于当前块所在的64×64编码块编码时的率失真代价值，则保持j不变，然后执行步骤①_8；
①_8、将当前帧中下一个待处理的帧内4×4亮度块作为当前块，然后返回步骤①_5继续执行，直至当前帧中的所有帧内4×4亮度块处理完毕；
①_9、将待处理的HEVC视频中下一帧待处理的帧作为当前帧，然后返回步骤①_3继续执行，直至待处理的HEVC视频中的所有帧处理完毕，得到含隐秘信息的HEVC视频；
所述的隐秘信息提取部分的具体步骤如下：
②_1、确立11个预测模式分组，每个预测模式分组包含4个预测模式；
②_2、将待处理的含隐秘信息的HEVC视频中当前待处理的帧定义为当前帧；
②_3、判断当前帧是否为I帧，如果是，则执行步骤②_4；否则，执行步骤②_8；
②_4、将当前帧中当前待处理的编码块定义为当前编码块；
②_5、判断当前编码块的尺寸大小是否为4×4，如果是，则执行步骤②_6；否则，执行步骤②_7；
②_6、提取当前编码块的最优预测模式；如果当前编码块的最优预测模式仅出现在1个预测模式分组中，则将该预测模式分组确定为当前编码块的最优预测模式所属的预测模式分组，如果当前编码块的最优预测模式出现在多个预测模式分组中，则从这多个预测模式分组中任选1个预测模式分组，并确定为当前编码块的最优预测模式所属的预测模式分组；然后根据当前编码块的最优预测模式及当前编码块的最优预测模式所属的预测模式分组，进行当前编码块的隐秘信息提取操作，具体过程为：
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第1个预测模式，则提取出两位比特信息“00”，然后执行步骤②_7；
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第2个预测模式，则提取出两位比特信息“01”，然后执行步骤②_7；
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第3个预测模式，则提取出两位比特信息“10”，然后执行步骤②_7；
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第4个预测模式，则提取出两位比特信息“11”，然后执行步骤②_7；
②_7、将当前帧中下一个待处理的编码块作为当前编码块，然后返回步骤②_5继续执行，直至当前帧中的所有编码块处理完毕；
②_8、将待处理的含隐秘信息的HEVC视频中下一帧待处理的帧作为当前帧，然后返回步骤②_3继续执行，直至待处理的含隐秘信息的HEVC视频中的所有帧处理完毕，完成隐秘信息的提取。
所述的步骤①_1和所述的步骤②_1中的11个预测模式分组的确定过程为：
A1、选取一个包含有不同内容、不同分辨率的HEVC视频的视频库；
A2、获取视频库中的每个HEVC视频中的每帧I帧中的每个帧内4×4亮度块采用35种预测模式分别编码时的率失真代价值，得到每个帧内4×4亮度块对应的35个率失真代价值；然后将每个帧内4×4亮度块对应的值最小的率失真代价值相应的预测模式作为该帧内4×4亮度块的最优预测模式，将每个帧内4×4亮度块对应的值次小的率失真代价值相应的预测模式作为该帧内4×4亮度块的次优预测模式；
A3、从视频库中的所有HEVC视频中的所有I帧中的所有帧内4×4亮度块中，找出最优预测模式为标识号为k的预测模式的所有帧内4×4亮度块；然后从最优预测模式为标识号为k的预测模式的所有帧内4×4亮度块的次优预测模式中，找出出现概率按从大到小排序后的前5个次优预测模式；接着将标识号为k的预测模式及对应的前5个次优预测模式构成一个集合；其中，0≤k≤34；
A4、确定第i个预测模式分组，具体过程为：A4_1、从得到的35个集合中任选4个集合；A4_2、对所选的4个集合进行交集运算，然后判断得到的交集中包含的预测模式的个数是否大于3个，如果是，则执行步骤A4_3；否则，从得到的35个集合中重新任选4个集合，然后返回步骤A4_2继续执行；A4_3、将所选的4个集合中的最优预测模式提取出，当提取出的4个最优预测模式的标识号均在2～34之间时按标识号的顺序排列4个最优预测模式；当提取出的4个最优预测模式的标识号在0～34之间时将标识号在2～34之间的最优预测模式按标识号的顺序排列在前，若仅剩下标识号为0的最优预测模式则将该最优预测模式排列在后，若剩有标识号为0和1的最优预测模式则先后将标识号为1的最优预测模式和标识号为0的最优预测模式排列在后；然后将排列后的4个最优预测模式作为第i个预测模式分组包含的4个预测模式；接着执行步骤A5；其中，i的初始值为1，1≤i≤11；
A5、判断i是否小于11，如果是，则令i＝i+1，然后返回步骤A4继续执行；否则，停止预测模式分组确定过程，共得到11个预测模式分组；其中，i＝i+1中的“＝”为赋值符号。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)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嵌入隐秘信息，通过修改一个4×4亮度块的预测模式，嵌入两比特的隐秘信息，与常见的基于帧内预测模式的视频信息隐藏方法相比，大大提高了隐藏容量。
2)由于修改预测模式对嵌入隐秘信息后的视频的主客观质量影响很大，因此本发明在考虑了最优预测模式和次优预测模式关系的情况下，将最优预测模式调制为次优预测模式，这种方式降低了因嵌入隐秘信息造成的视频主客观质量的下降，且对视频编码比特率和PSNR值的影响也很小。
附图说明
图1a为本发明方法中的隐秘信息隐藏部分的总体实现框图；
图1b为本发明方法中的隐秘信息提取部分的总体实现框图；
图2a为最优预测模式为标识号为8的预测模式时次优预测模式的概率分布情况示意图；
图2b为最优预测模式为标识号为9的预测模式时次优预测模式的概率分布情况示意图；
图2c为最优预测模式为标识号为10的预测模式时次优预测模式的概率分布情况示意图；
图2d为最优预测模式为标识号为11的预测模式时次优预测模式的概率分布情况示意图；
图3a为BasketballDrill测试视频序列中的1帧I帧编码并重建得到的重建图像；
图3b为利用本发明方法对BasketballDrill测试视频序列中的1帧I帧嵌入隐秘信息后编码并重建得到的重建图像；
图4a为Vidyo1测试视频序列中的1帧I帧编码并重建得到的重建图像；
图4b为利用本发明方法对Vidyo1测试视频序列中的1帧I帧嵌入隐秘信息后编码并重建得到的重建图像；
图5a为BasketballDrill测试视频序列未嵌入隐秘信息时的PSNR值曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR值曲线的比较示意图；
图5b为Vidyo1测试视频序列未嵌入隐秘信息时的PSNR值曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR值曲线的比较示意图；
图5c为Vidyo4测试视频序列未嵌入隐秘信息时的PSNR值曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR值曲线的比较示意图；
图5d为Vidyo3测试视频序列未嵌入隐秘信息时的PSNR值曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR值曲线的比较示意图；
图6为BasketballDrill、Vidyo1、Vidyo4、Vidyo3测试视频序列利用现有的基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的隐藏容量比较示意图；
图7为BasketballDrill、Vidyo1、Vidyo4、Vidyo3测试视频序列利用现有的基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的编码比特率比较示意图；
图8为BasketballDrill、Vidyo1、Vidyo4、Vidyo3测试视频序列利用现有的基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR差值示意图。
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。
本发明提出的一种大容量的HEVC视频信息隐藏方法，其包括隐秘信息隐藏和隐秘信息提取两部分，所述的隐秘信息隐藏部分的总体实现框图如图1a所示，其具体步骤如下：
①_1、确立11个预测模式分组，每个预测模式分组包含4个预测模式。
①_2、将待处理的HEVC视频中当前待处理的帧定义为当前帧。
①_3、判断当前帧是否为I帧，如果是，则执行步骤①_4；否则，即当前帧为P帧或B帧时执行步骤①_10。
①_4、将当前帧中当前待处理的帧内4×4亮度块定义为当前块。
①_5、提取当前块的最优预测模式；并从待嵌入的隐秘信息中提取出第j位比特信息和第j+1位比特信息，其中，j的初始值为1，1≤j≤J，J表示待嵌入的隐秘信息的长度。
①_6、如果当前块的最优预测模式仅出现在1个预测模式分组中(对于标识号为2至34之间的预测模式只会出现在1个预测模式分组中)，则将该预测模式分组确定为当前块的最优预测模式所属的预测模式分组，如果当前块的最优预测模式出现在多个预测模式分组中(对于标识号为0和1的预测模式会出现在多个预测模式分组中)，则从这多个预测模式分组中任选1个预测模式分组，并确定为当前块的最优预测模式所属的预测模式分组；然后根据提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息及当前块的最优预测模式所属的预测模式分组，进行当前块的隐秘信息嵌入操作，具体过程为：
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“00”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第1个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第1个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7。
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“01”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第2个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第2个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7。
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“10”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第3个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第3个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7。
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“11”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第4个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第4个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7。
①_7、如果当前块编码时的率失真代价值小于当前块所在的8×8编码块编码时的率失真代价值且小于当前块所在的16×16编码块编码时的率失真代价值且小于当前块所在的32×32编码块编码时的率失真代价值且小于当前块所在的64×64编码块编码时的率失真代价值，则令j＝j+2，然后执行步骤①_8，其中，j＝j+2中的“＝”为赋值符号。
如果当前块编码时的率失真代价值大于当前块所在的8×8编码块编码时的率失真代价值或大于当前块所在的16×16编码块编码时的率失真代价值或大于当前块所在的32×32编码块编码时的率失真代价值或大于当前块所在的64×64编码块编码时的率失真代价值，则保持j不变，然后执行步骤①_8。
①_8、将当前帧中下一个待处理的帧内4×4亮度块作为当前块，然后返回步骤①_5继续执行，直至当前帧中的所有帧内4×4亮度块处理完毕。
①_9、将待处理的HEVC视频中下一帧待处理的帧作为当前帧，然后返回步骤①_3继续执行，直至待处理的HEVC视频中的所有帧处理完毕，得到含隐秘信息的HEVC视频。
所述的隐秘信息提取部分的总体实现框图如图1b所示，其的具体步骤如下：
②_1、确立11个预测模式分组，每个预测模式分组包含4个预测模式。
②_2、将待处理的含隐秘信息的HEVC视频中当前待处理的帧定义为当前帧。
②_3、判断当前帧是否为I帧，如果是，则执行步骤②_4；否则，即当前帧为P帧或B帧时执行步骤②_8。
②_4、将当前帧中当前待处理的编码块定义为当前编码块。
②_5、判断当前编码块的尺寸大小是否为4×4，如果是，则执行步骤②_6；否则，执行步骤②_7。
②_6、提取当前编码块的最优预测模式；如果当前编码块的最优预测模式仅出现在1个预测模式分组中(对于标识号为2至34之间的预测模式只会出现在1个预测模式分组中)，则将该预测模式分组确定为当前编码块的最优预测模式所属的预测模式分组，如果当前编码块的最优预测模式出现在多个预测模式分组中(对于标识号为0和1的预测模式会出现在多个预测模式分组中)，则从这多个预测模式分组中任选1个预测模式分组，并确定为当前编码块的最优预测模式所属的预测模式分组；然后根据当前编码块的最优预测模式及当前编码块的最优预测模式所属的预测模式分组，进行当前编码块的隐秘信息提取操作，具体过程为：
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第1个预测模式，则提取出两位比特信息“00”，然后执行步骤②_7。
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第2个预测模式，则提取出两位比特信息“01”，然后执行步骤②_7。
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第3个预测模式，则提取出两位比特信息“10”，然后执行步骤②_7。
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第4个预测模式，则提取出两位比特信息“11”，然后执行步骤②_7。
②_7、将当前帧中下一个待处理的编码块作为当前编码块，然后返回步骤②_5继续执行，直至当前帧中的所有编码块处理完毕。
②_8、将待处理的含隐秘信息的HEVC视频中下一帧待处理的帧作为当前帧，然后返回步骤②_3继续执行，直至待处理的含隐秘信息的HEVC视频中的所有帧处理完毕，完成隐秘信息的提取。
预测模式的修改会影响HEVC视频的质量，如果最优预测模式与替换的预测模式差异性较大，则会对HEVC视频的主客观质量造成很大影响。通过调制预测模式嵌入隐秘信息时，本发明希望能将最优预测模式调制为次优预测模式，尽可能接近原视频效果。考虑到预测模式之间的相关性，对于每一种最优预测模式，分析确定次优预测模式的概率分布情况。本发明对HEVC视频库中的不同分辨率的视频测试序列中的预测模式进行统计，图2a给出了最优预测模式为标识号为8的预测模式时次优预测模式的概率分布情况；图2b给出了最优预测模式为标识号为9的预测模式时次优预测模式的概率分布情况；图2c给出了最优预测模式为标识号为10的预测模式时次优预测模式的概率分布情况；图2d给出了最优预测模式为标识号为11的预测模式时次优预测模式的概率分布情况。从图2a至图2d中可以看出，最优预测模式邻近的若干个预测模式成为次优预测模式的概率非常高，即相近角度的预测模式存在很强的空间相关性，预测效果接近。标识号为0的预测模式为Intra_Planar，标识号为1的预测模式为Intra_DC，预测方式与方向无关，出现的概率也较高。本发明根据统计的次优预测模式的分布情况，建立预测模式和隐秘信息的分组映射关系，调制预测模式嵌入隐秘信息。为了提高嵌入容量，修改一位预测模式嵌入两比特信息，对应4种预测效果相近的预测模式，即将35种预测模式进行分组，每组有4个备选预测模式。即在此具体实施例中，步骤①_1和步骤②_1中的11个预测模式分组的确定过程为：
A1、选取一个包含有不同内容、不同分辨率的HEVC视频的视频库。
A2、获取视频库中的每个HEVC视频中的每帧I帧中的每个帧内4×4亮度块采用35种预测模式分别编码时的率失真代价值，得到每个帧内4×4亮度块对应的35个率失真代价值；然后将每个帧内4×4亮度块对应的值最小的率失真代价值相应的预测模式作为该帧内4×4亮度块的最优预测模式，将每个帧内4×4亮度块对应的值次小的率失真代价值相应的预测模式作为该帧内4×4亮度块的次优预测模式。
A3、从视频库中的所有HEVC视频中的所有I帧中的所有帧内4×4亮度块中，找出最优预测模式为标识号为k的预测模式的所有帧内4×4亮度块；然后从最优预测模式为标识号为k的预测模式的所有帧内4×4亮度块的次优预测模式中，找出出现概率按从大到小排序后的前5个次优预测模式；接着将标识号为k的预测模式及对应的前5个次优预测模式构成一个集合；其中，0≤k≤34。
考虑到预测模式之间的空间相关性和各组的重合程度，对于任一个最优预测模式，根据次优预测模式出现的概率分布情况，选取出现概率高的前5种预测模式与最优预测模式组成一个含有6个元素的集合。如图2a中，最优预测模式为标识号为8的预测模式，出现概率按从大到小排序后的前5个次优预测模式依次为标识号为9、标识号为7、标识号为0、标识号为10、标识号为1的预测模式。将标识号为8、标识号为9、标识号为7、标识号为0、标识号为10、标识号为1的预测模式构成一个集合。
A4、确定第i个预测模式分组，具体过程为：A4_1、从得到的35个集合中任选4个集合；A4_2、对所选的4个集合进行交集运算，然后判断得到的交集中包含的预测模式的个数是否大于3个，如果是，则执行步骤A4_3；否则，从得到的35个集合中重新任选4个集合，然后返回步骤A4_2继续执行；A4_3、将所选的4个集合中的最优预测模式提取出，当提取出的4个最优预测模式的标识号均在2～34之间时按标识号的顺序排列4个最优预测模式；当提取出的4个最优预测模式的标识号在0～34之间时将标识号在2～34之间的最优预测模式按标识号的顺序排列在前，若仅剩下标识号为0的最优预测模式则将该最优预测模式排列在后，若剩有标识号为0和1的最优预测模式则先后将标识号为1的最优预测模式和标识号为0的最优预测模式排列在后；然后将排列后的4个最优预测模式作为第i个预测模式分组包含的4个预测模式；接着执行步骤A5；其中，i的初始值为1，1≤i≤11。
A5、判断i是否小于11，如果是，则令i＝i+1，然后返回步骤A4继续执行；否则，停止预测模式分组确定过程，共得到11个预测模式分组；其中，i＝i+1中的“＝”为赋值符号。
本发明通过对HEVC视频库中的不同分辨率的视频测试序列中的预测模式进行统计，确定的11个预测模式分组如下：第1个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为2、3、4、0的预测模式，第2个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为5、6、7、0的预测模式，第3个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为8、9、10、11的预测模式，第4个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为12、13、1、0的预测模式，第5个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为14、15、16、0的预测模式，第6个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为17、18、19、0的预测模式，第7个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为20、21、22、0的预测模式，第8个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为23、24、25、0的预测模式，第9个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为26、27、28、0的预测模式，第10个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为29、30、1、0的预测模式，第11个预测模式分组中包含的预测模式依次为标识号为31、32、33、34的预测模式。
在本实施例中，在隐秘信息隐藏部分已确立11个预测模式分组，因此实际处理过程中，在隐秘信息提取部分无需再次确立11个预测模式分组，直接将隐秘信息隐藏部分已确立11个预测模式分组传输给隐秘信息提取部分即可。
为了进一步验证本发明方法的可行性和有效性，进行仿真实验。
在HEVC的参考软件HM12.0上进行仿真，实验中使用了不同类别的测试视频序列，参考软件的主要编码配置参数如表1所列，剩余参数均采用默认配置。
表1参考软件HM的主要参数配置
配置 参数
编码帧数 96
帧率 30fps
帧周期 16
图像组的大小 8
变换跳过的率失真量化 1
图3a给出了BasketballDrill测试视频序列中的1帧I帧编码并重建得到的重建图像；图3b给出了利用本发明方法对BasketballDrill测试视频序列中的1帧I帧嵌入隐秘信息后编码并重建得到的重建图像；图4a给出了Vidyo1测试视频序列中的1帧I帧编码并重建得到的重建图像；图4b给出了利用本发明方法对Vidyo1测试视频序列中的1帧I帧嵌入隐秘信息后编码并重建得到的重建图像。对比图3a与图3b，并对比图4a和图4b，可以看出利用本发明方法嵌入隐秘信息并没有对视频质量造成感知影响。
另外实验还从编码视频的客观质量(PSNR)、编码比特率(BRI)和信息隐藏容量(HBQ)对本发明方法进行评估。
BRI和PSNR的定义如下：ΔPSNR＝PSNR'Y-PSNRY，其中，R'表示嵌入隐秘信息后的比特率，R表示未嵌入隐秘信息的比特率，PSNR'Y表示嵌入隐秘信息后的亮度峰值信噪比值，PSNRY表示未嵌入隐秘信息的亮度峰值信噪比值。
图5a给出了BasketballDrill测试视频序列未嵌入隐秘信息时的PSNR值曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR值曲线的比较；图5b给出了Vidyo1测试视频序列未嵌入隐秘信息时的PSNR值曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR值曲线的比较；图5c给出了Vidyo4测试视频序列未嵌入隐秘信息时的PSNR值曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR值曲线的比较；图5d给出了Vidyo3测试视频序列未嵌入隐秘信息时的PSNR值曲线与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR值曲线的比较。图5a至图5b中的“origimal”表示未嵌入隐秘信息的情况，“embedded”表示嵌入隐秘信息的情况。从图5a至图5b中可以看出，嵌入隐秘信息后视频的PSNR值略有降低，载密视频与原始视频的PSNR差值都在0.05dB以内。
表2给出了编码量化参数QP为26时BasketballDrill、Vidyo1、Vidyo4、Vidyo3测试视频序列利用本发明方法嵌入隐秘信息后的测试结果。
表2性能测试结果(QP＝26)
测试视频序列 BRI(％) ΔPSNR HBQ(bits)
BasketballDrill 2.94 -0.02 29778
Vidyo1 2.12 -0.01 22312
Vidyo3 2.44 -0.03 28240
Vidyo4 1.78 -0.01 19820
对表2中的数据进行分析，可以得到以下结论：
(1)对于不同的测试视频序列，帧内4×4亮度块的数目不同，导致视频隐藏容量的差异。
(2)嵌入隐秘信息前后的PSNR值和码率变化不大，对视频质量影响很小，满足信息隐藏中的视觉隐蔽性。
为了评价本发明方法的性能，将Xu D W,Wang R D,Wang J C.Prediction modemodulated data-hiding algorithm for H.264/AVC[J].Journal of Real-Time ImageProcessing,2012,7(4):205-214.(徐达文，王让定，王家骥，基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法，实时图像处理学报，2012年第七卷第4期，205-214页)在HEVC标准测试模型HM12.0上实现。
图6给出了BasketballDrill、Vidyo1、Vidyo4、Vidyo3测试视频序列利用现有的基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的隐藏容量比较；图7给出了BasketballDrill、Vidyo1、Vidyo4、Vidyo3测试视频序列利用现有的基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的编码比特率比较；图8给出了BasketballDrill、Vidyo1、Vidyo4、Vidyo3测试视频序列利用现有的基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法与利用本发明方法嵌入隐秘信息后的PSNR差值。图6和图7中斜线表示的为本发明方法，而网络线表示的为现有的基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法。现有的基于修改预测模式的H.264/AVC信息隐藏算法是根据隐秘信息与预测模式的映射关系，调制最优预测模式为与隐秘信息奇偶性相同且率失真代价值最小的预测模式完成隐秘信息嵌入，修改一位预测模式嵌入一比特隐秘信息；而本发明方法建立的预测模式和隐秘信息的分组映射关系，修改一位预测模式嵌入两比特信息，替换的预测模式选取临近的预测效果相近的预测模式，可能不是次优的预测模式。从图6至图8中可以看出，利用本发明方法的编码比特率略有上升，PSNR差值仅下降0.01dB左右，嵌入容量有了大幅提高，增加了近一倍的嵌入容量。

Claims (2)

1.一种大容量的HEVC视频信息隐藏方法，其特征在于包括隐秘信息隐藏和隐秘信息提取两部分，所述的隐秘信息隐藏部分的具体步骤如下：
①_1、确立11个预测模式分组，每个预测模式分组包含4个预测模式；
①_2、将待处理的HEVC视频中当前待处理的帧定义为当前帧；
①_3、判断当前帧是否为I帧，如果是，则执行步骤①_4；否则，执行步骤①_10；
①_4、将当前帧中当前待处理的帧内4×4亮度块定义为当前块；
①_5、提取当前块的最优预测模式；并从待嵌入的隐秘信息中提取出第j位比特信息和第j+1位比特信息，其中，j的初始值为1，1≤j≤J，J表示待嵌入的隐秘信息的长度；
①_6、如果当前块的最优预测模式仅出现在1个预测模式分组中，则将该预测模式分组确定为当前块的最优预测模式所属的预测模式分组，如果当前块的最优预测模式出现在多个预测模式分组中，则从这多个预测模式分组中任选1个预测模式分组，并确定为当前块的最优预测模式所属的预测模式分组；然后根据提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息及当前块的最优预测模式所属的预测模式分组，进行当前块的隐秘信息嵌入操作，具体过程为：
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“00”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第1个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第1个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7；
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“01”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第2个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第2个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7；
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“10”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第3个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第3个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7；
当提取的第j+1位比特信息和第j位比特信息为“11”时，判断当前块的最优预测模式是否为其所属的预测模式分组中的第4个预测模式，如果是，则不修改当前块的最优预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并对当前块不进行重新编码，然后执行步骤①_7；否则，将当前块的最优预测模式修改为其所属的预测模式分组中的第4个预测模式实现当前块的隐秘信息嵌入操作，并采用修改后的预测模式对当前块进行重新编码，然后执行步骤①_7；
①_7、如果当前块编码时的率失真代价值小于当前块所在的8×8编码块编码时的率失真代价值且小于当前块所在的16×16编码块编码时的率失真代价值且小于当前块所在的32×32编码块编码时的率失真代价值且小于当前块所在的64×64编码块编码时的率失真代价值，则令j＝j+2，然后执行步骤①_8，其中，j＝j+2中的“＝”为赋值符号；
如果当前块编码时的率失真代价值大于当前块所在的8×8编码块编码时的率失真代价值或大于当前块所在的16×16编码块编码时的率失真代价值或大于当前块所在的32×32编码块编码时的率失真代价值或大于当前块所在的64×64编码块编码时的率失真代价值，则保持j不变，然后执行步骤①_8；
①_8、将当前帧中下一个待处理的帧内4×4亮度块作为当前块，然后返回步骤①_5继续执行，直至当前帧中的所有帧内4×4亮度块处理完毕；
①_9、将待处理的HEVC视频中下一帧待处理的帧作为当前帧，然后返回步骤①_3继续执行，直至待处理的HEVC视频中的所有帧处理完毕，得到含隐秘信息的HEVC视频；
所述的隐秘信息提取部分的具体步骤如下：
②_1、确立11个预测模式分组，每个预测模式分组包含4个预测模式；
②_2、将待处理的含隐秘信息的HEVC视频中当前待处理的帧定义为当前帧；
②_3、判断当前帧是否为I帧，如果是，则执行步骤②_4；否则，执行步骤②_8；
②_4、将当前帧中当前待处理的编码块定义为当前编码块；
②_5、判断当前编码块的尺寸大小是否为4×4，如果是，则执行步骤②_6；否则，执行步骤②_7；
②_6、提取当前编码块的最优预测模式；如果当前编码块的最优预测模式仅出现在1个预测模式分组中，则将该预测模式分组确定为当前编码块的最优预测模式所属的预测模式分组，如果当前编码块的最优预测模式出现在多个预测模式分组中，则从这多个预测模式分组中任选1个预测模式分组，并确定为当前编码块的最优预测模式所属的预测模式分组；然后根据当前编码块的最优预测模式及当前编码块的最优预测模式所属的预测模式分组，进行当前编码块的隐秘信息提取操作，具体过程为：
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第1个预测模式，则提取出两位比特信息“00”，然后执行步骤②_7；
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第2个预测模式，则提取出两位比特信息“01”，然后执行步骤②_7；
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第3个预测模式，则提取出两位比特信息“10”，然后执行步骤②_7；
如果当前编码块的最优预测模式为其所属的预测模式分组中的第4个预测模式，则提取出两位比特信息“11”，然后执行步骤②_7；
②_7、将当前帧中下一个待处理的编码块作为当前编码块，然后返回步骤②_5继续执行，直至当前帧中的所有编码块处理完毕；
②_8、将待处理的含隐秘信息的HEVC视频中下一帧待处理的帧作为当前帧，然后返回步骤②_3继续执行，直至待处理的含隐秘信息的HEVC视频中的所有帧处理完毕，完成隐秘信息的提取。
2.根据权利要求1所述的一种大容量的HEVC视频信息隐藏方法，其特征在于所述的步骤①_1和所述的步骤②_1中的11个预测模式分组的确定过程为：
A1、选取一个包含有不同内容、不同分辨率的HEVC视频的视频库；
A2、获取视频库中的每个HEVC视频中的每帧I帧中的每个帧内4×4亮度块采用35种预测模式分别编码时的率失真代价值，得到每个帧内4×4亮度块对应的35个率失真代价值；然后将每个帧内4×4亮度块对应的值最小的率失真代价值相应的预测模式作为该帧内4×4亮度块的最优预测模式，将每个帧内4×4亮度块对应的值次小的率失真代价值相应的预测模式作为该帧内4×4亮度块的次优预测模式；
A3、从视频库中的所有HEVC视频中的所有I帧中的所有帧内4×4亮度块中，找出最优预测模式为标识号为k的预测模式的所有帧内4×4亮度块；然后从最优预测模式为标识号为k的预测模式的所有帧内4×4亮度块的次优预测模式中，找出出现概率按从大到小排序后的前5个次优预测模式；接着将标识号为k的预测模式及对应的前5个次优预测模式构成一个集合；其中，0≤k≤34；
A4、确定第i个预测模式分组，具体过程为：A4_1、从得到的35个集合中任选4个集合；A4_2、对所选的4个集合进行交集运算，然后判断得到的交集中包含的预测模式的个数是否大于3个，如果是，则执行步骤A4_3；否则，从得到的35个集合中重新任选4个集合，然后返回步骤A4_2继续执行；A4_3、将所选的4个集合中的最优预测模式提取出，当提取出的4个最优预测模式的标识号均在2～34之间时按标识号的顺序排列4个最优预测模式；当提取出的4个最优预测模式的标识号在0～34之间时将标识号在2～34之间的最优预测模式按标识号的顺序排列在前，若仅剩下标识号为0的最优预测模式则将该最优预测模式排列在后，若剩有标识号为0和1的最优预测模式则先后将标识号为1的最优预测模式和标识号为0的最优预测模式排列在后；然后将排列后的4个最优预测模式作为第i个预测模式分组包含的4个预测模式；接着执行步骤A5；其中，i的初始值为1，1≤i≤11；
A5、判断i是否小于11，如果是，则令i＝i+1，然后返回步骤A4继续执行；否则，停止预测模式分组确定过程，共得到11个预测模式分组；其中，i＝i+1中的“＝”为赋值符号。
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