CN107197298B - 一种基于多元组的无失真漂移的hevc视频可逆隐写方法 - Google Patents
一种基于多元组的无失真漂移的hevc视频可逆隐写方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,包括嵌入和提取;在嵌入端:对原始视频进行熵解码处理得到量化DST系数;以残差绝对值大于阈值T的4×4亮度块内作为备选嵌入块;向备选嵌入块内的多元组中的嵌入系数进行信息嵌入,并调整补偿系数对嵌入引起的块内嵌入误差进行补偿,以消除误差在块间的传递,达到消除帧内失真漂移的目的;所有的量化DST系数重新熵编码得到目标嵌入视频;在提取端,对接收到的目标嵌入视频进行熵解码,得到视频帧的帧内预测模式与量化DST系数;以残差绝对值大于阈值T的4×4亮度块作为备选可提取块;根据可提取块指定位置系数来提取信息,利用多元组的逆操作来恢复视频;对提取到的信息解密后得到原始秘密信息;克服了HEVC帧内信息嵌入引起失真漂移的缺陷并实现可逆隐写。
Description
技术领域
本发明属于信息安全技术领域,更具体地,涉及一种基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法。
背景技术
可逆隐写技术能够将特定信息嵌入到载体,并允许合法用户在提取该信息后无失真地恢复出原始载体,在军事、医学、司法等对图像内容敏感的领域受到了广泛关注。内置式隐写是视频隐写方法中最适合的方法,但由于嵌入操作带来的像素值的变化会通过帧内预测影响到相邻块产生误差,并且该误差通过帧内预测传递下去并逐步累积导致严重的视觉失真造成帧内失真漂移,破坏隐写的不可感知性。由于帧内失真漂移的存在,现有的H.264视频可逆隐写算法为了保证秘密信息在视觉上的不可感知性,一般都选择了较小的嵌入量,而甚少考虑控制帧内失真漂移问题。现有技术提出利用耦合系数来控制帧内失真漂移,或利用邻块帧内预测模式来筛选不会产生失真漂移的特殊块进行可逆嵌入,上述两种现有技术都是针对4×4亮度块进行嵌入。
耦合系数通过一个系数嵌入另一个系数补偿的方式,可使得嵌入块内特定的参考像素不产生失真,如果进一步研究匹配的预测模式来进行嵌入,则可以避免失真漂移。但是耦合系数依然会使块内其它像素产生失真,该失真与补偿系数的变动大小相关。数据表明,耦合系数方案在H.265(HEVC)环境下的嵌入失真明显高于在H.264环境下的嵌入失真。利用特殊块进行可逆嵌入的方案对嵌入块的邻块帧内预测模式要求严格,会极大限制嵌入容量。与H.264标准不同,HEVC对4×4亮度块使用的是DST变换而非DCT变换,且帧内预测模式增加到35种,这使得以往基于DCT变换的耦合系数等方案不再适用,针对HEVC视频控制帧内失真漂移的可逆隐写方法有待进一步研究。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,其目的在于克服HEVC帧内信息嵌入引起失真漂移的缺陷并实现可逆隐写。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,包括嵌入和提取;其嵌入方法具体包括如下步骤:
(1)对原始视频进行熵解码处理得到量化DST系数;
(2)选择残差绝对值大于阈值T的4×4亮度块内作为备选嵌入块;
(3)向备选嵌入块内的多元组中的嵌入系数进行信息嵌入,并调整补偿系数对嵌入引起的块内嵌入误差进行补偿,以消除误差在块间的传递,达到消除帧内失真漂移的目的;
(4)所有的量化DST系数重新熵编码得到目标嵌入视频。
优选地,上述基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,从HEVC目标嵌入视频中提取信息的方法,其多元组通过与DST系数进行补偿运算获得,满足同时使4×4亮度块最后1列和最后1行不因为嵌入而发生变化。
优选地,上述基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,采用的多元组为
其中,a00是指亮块的量化直流系数,a02、a03、a20、a22、a23、a30、a32是指多元组的补偿系数,a33是指多元组的嵌入系数。
优选地,上述基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,根据以下方法来确定备选嵌入块:将量化直流系数a00绝对值大于阈值T的4×4亮度块判定为备选嵌入块;其中,阈值T不小于3。
优选地,上述基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,根据以下方法来进行信息嵌入:
对于不符合嵌入条件的4×4亮度块不嵌入任何信息,且对DST系数无改动;
对于备选嵌入块,按照下式进行嵌入:
当备选嵌入块的多元组的嵌入系数a33为0、且待嵌入比特为1时,
当备选嵌入块的多元组的嵌入系数a33为0、且待嵌入比特为0时,保持多元组原系数不变,
当备选嵌入块的多元组的嵌入系数a33大于0时,
当备选嵌入块的多元组的嵌入系数a33小于0时,
优选地,上述基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,从HEVC目标嵌入视频中提取信息的方法,包括如下步骤:
(1)对接收到的目标嵌入视频进行熵解码,得到视频帧的帧内预测模式与量化DST系数;
(2)选择残差绝对值大于阈值T的4×4亮度块作为备选可提取块;
(3)根据可提取块指定位置系数是否为0或1来提取信息,利用多元组的逆操作来恢复视频;
(4)对提取到的信息解密后得到原始秘密信息。
优选地,上述基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,从HEVC目标嵌入视频中提取信息时,根据如下方法对待提取的嵌入块进行解调:
若待提取的嵌入块的多元组的嵌入系数a33为0,则提取出的信息比特为0;若待提取的嵌入块的多元组的嵌入系数a33为1,则提取出的信息比特为1;对提取到的信息M″解密后得到原始秘密信息M'={m1',m2',…,mN'},mi'∈{0,1}。
优选地,上述基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,从HEVC目标嵌入视频中提取信息时,按照如下方法对所有待提取的嵌入块进行多元组的逆操作,对视频进行恢复;
当亮度块的多元组的嵌入系数a33大于1,
当亮度块的多元组的嵌入系数a33小于0,
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
(1)在HEVC视频帧内预测编码环境下,嵌入块是否引发帧内失真漂移与其邻块的预测模式直接相关,如果邻块的预测模式需要使用嵌入块的像素作为参考像素,则嵌入带来的误差就会传递到邻块,造成失真漂移;失真漂移问题会极大的加剧嵌入导致的失真,针对这一问题,本发明首先对帧内预测过程中发生嵌入误差传递的参考像素与预测模式间的对应关系进行建模,对35种帧内预测模式涉及到的参考像素位置进行归纳和分类,推导出误差在块间传递的具体判断条件,对于不会发生误差块间传递的嵌入块,可以直接进行可逆信息隐藏;对于会发生误差块间传递的嵌入块,利用具有补偿效应的多元组来避免失真漂移。
(2)由于16×16及8×8亮度块内的视频内容比较平缓,嵌入容易引起明显的视觉失真;现有的基于DCT系数修改的方法一般选取4×4亮度块中的量化后DCT系数嵌入信息;本发明同样针对4×4亮度块进行信息隐藏并解决失真漂移问题;本发明提出多元组来解决失真漂移问题,基于4×4亮度残差块边缘的关键像素值(即最右边一列的像索和最下面一行的像素)的嵌入误差与嵌入QDST系数位置的关系,建立嵌入误差与系数位置关系公式,分别对最右边一列像素的嵌入误差和最下面一行像素的嵌入误差进行归零假设,并推导出能够同时解决多种失真漂移的多元组;基于对多元组的逆操作,实现了可逆隐写。
(3)嵌入过程根据嵌入系数的奇偶性进行调制,以使得嵌入系数的奇偶性与待嵌入信息保持一致,并向着增大嵌入系数的绝对值的方向进行对嵌入系数和补偿系数的微调。
附图说明
图1是实施例提供的基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法的嵌入流程示意图;
图2是实施例中预测块Bi,j与邻块关系示意图;
图3是33种帧内方向预测模式示意图;
图4是实施例中对邻块模式进行定义的示意图;
图5是实施例提供的基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法的提取流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例提供的基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,其嵌入流程如图1所示,包括如下步骤:
(1)对原始视频进行熵解码处理得到量化DST系数;
(2)选择残差绝对值大于阈值T的4×4亮度块内作为备选嵌入块;
(3)向备选嵌入块内的多元组中的嵌入系数进行信息嵌入,并调整补偿系数对嵌入引起的块内嵌入误差进行补偿,以消除误差在块间的传递,达到消除帧内失真漂移的目的;
(4)所有的量化DST系数重新熵编码得到目标嵌入视频。
实施例提供的基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,从HEVC目标嵌入视频中提取信息的流程如图2所示,包括如下步骤:
(1)对接收到的目标嵌入视频进行熵解码,得到视频帧的帧内预测模式与量化DST系数;
(2)选择残差绝对值大于阈值T的4×4亮度块作为备选可提取块;
(3)根据可提取块指定位置系数是否为0或1来提取信息,利用多元组的逆操作来恢复视频;
(4)对提取到的信息解密后得到原始秘密信息。
发送方和接收方共享多元组、阈值T和密钥;对应于嵌入位置,提取块为视频帧内直流系数绝对值大于T的4×4亮度块。
以下以如下多元组为例来具体阐述实施例提供的基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法的嵌入和提取;
(1)嵌入信息为二值比特流M={m1,m2,…,mN},mi∈{0,1};在嵌入之前,对嵌入信息M进行加密处理;
(2)根据预设的嵌入条件来确定备选嵌入块;本实施例中,预设的嵌入条件为:将量化直流系数a00绝对值大于阈值T的4×4亮度块判定为备选嵌入块;
(3)对于不符合嵌入条件的4×4亮度块不嵌入任何信息,且对DST系数无改动;对于符合预设的嵌入条件的亮度块,按照下式进行嵌入:
当亮度块的多元组的嵌入系数a33为0、且待嵌入比特为1时,
当亮度块的多元组的嵌入系数a33为0、且待嵌入比特为0时,保持原系数不变,
当亮度块的多元组的嵌入系数a33大于0时,
当亮度块的多元组的嵌入系数a33小于0时,
嵌入过程根据嵌入系数的奇偶性进行调制,以使得嵌入系数的奇偶性与待嵌入信息保持一致,并向着增大嵌入系数的绝对值的方向进行对嵌入系数和补偿系数的微调。
与上述嵌入对应的,对接收到的视频流信息进行提取的过程具体如下:
(1)根据预设的提取条件来确定待提取的嵌入块;本实施例中,预设的提取条件为:将量化直流系数a00绝对值大于阈值T的4×4亮度块判定为待提取的嵌入块;
(2)根据如下方法对待提取的嵌入块进行解调:
若待提取的嵌入块的多元组的嵌入系数a33为0,则提取出的信息比特为0;若待提取的嵌入块的多元组的嵌入系数a33为1,则提取出的信息比特为1;对提取到的信息M″解密后得到原始秘密信息M'={m1',m2',…,mN'},mi'∈{0,1};
(3)按照如下方法对所有待提取的嵌入块进行多元组的逆操作,对视频进行恢复;
当亮度块的多元组的嵌入系数a33大于1,
当亮度块的多元组的嵌入系数a33小于0,
在HEVC视频帧内预测编码环境下,嵌入块是否引发帧内失真漂移与其邻块的预测模式直接相关,若邻块的预测模式需要使用嵌入块的像素作为参考像素,则嵌入带来的误差就会传递到邻块,造成失真漂移,如图3所示。失真漂移会极大的加剧嵌入导致的失真。本发明对帧内预测过程中发生嵌入误差传递的参考像素与预测模式间的对应关系进行建模,对35种帧内预测模式(其中方向预测模式33种,如图4所示)涉及到的参考像素位置进行分类,确定如图5所示的误差在块间传递的判断条件;对于不会发生误差块间传递的嵌入块,直接进行可逆信息隐藏;对于会发生误差块间传递的嵌入块,利用具有补偿效应的多元组来避免失真漂移。
由于16×16及8×8亮度块内的视频内容比较平缓,嵌入容易引起明显的视觉失真;现有的基于DCT系数修改的方法一般选取4×4亮度块中的量化后DCT系数嵌入信息。本发明也是针对4×4亮度块进行信息隐藏并解决失真漂移问题。本发明采用多元组来解决失真漂移问题,基于4×4亮度残差块边缘的关键像素值(即其最右边一列的像索和最下面一行的像素),分别对最右边一列像素的嵌入误差和最下面一行像素的嵌入误差进行归零假设来确定解决失真漂移的多元组;基于对多元组的逆操作实现可逆隐写。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于多元组的无失真漂移的HEVC视频可逆隐写方法,包括嵌入和提取;其特征在于,嵌入方法具体包括如下步骤:
(1)对原始视频进行熵解码处理得到量化DST系数;
(2)选择残差绝对值大于阈值T的4×4亮度块作为备选嵌入块;
(3)向备选嵌入块内的多元组中的嵌入系数进行信息嵌入,并向着增大嵌入系数的绝对值的方向进行对嵌入系数和补偿系数的微调,对嵌入引起的块内嵌入误差进行补偿,以消除误差在块间的传递,达到消除帧内失真漂移的目的;
(4)所有的量化DST系数重新熵编码得到目标嵌入视频。
2.如权利要求1所述的HEVC视频可逆隐写方法,其特征在于,采用的多元组为
其中,a00是指亮块的量化直流系数,a02、a03、a20、a22、a23、a30、a32是指多元组的补偿系数,a33是指多元组的嵌入系数。
3.如权利要求2所述的HEVC视频可逆隐写方法,其特征在于,根据以下方法来确定备选嵌入块:将量化直流系数a00绝对值大于阈值T的4×4亮度块判定为备选嵌入块;其中,阈值T为不小于3的正整数。
4.如权利要求2或3所述的HEVC视频可逆隐写方法,其特征在于,对备选嵌入块根据以下方法来进行信息嵌入:
当备选嵌入块的多元组的嵌入系数a33为0、且待嵌入比特为1时,
当备选嵌入块的多元组的嵌入系数a33为0、且待嵌入比特为0时,保持多元组原系数不变,
当备选嵌入块的多元组的嵌入系数a33大于0时,
当备选嵌入块的多元组的嵌入系数a33小于0时,
5.如权利要求1或2所述的HEVC视频可逆隐写方法,其特征在于,从目标嵌入视频中提取信息的方法,包括如下步骤:
(1)对接收到的目标嵌入视频进行熵解码,获得视频帧的帧内预测模式与量化DST系数;
(2)选择残差绝对值大于阈值T的4×4亮度块作为备选可提取块;
(3)根据可提取块指定位置系数是否为0或1来提取信息,利用多元组的逆操作来恢复视频;
(4)对提取到的信息解密得到原始秘密信息。
6.如权利要求5所述的HEVC视频可逆隐写方法,其特征在于,从目标嵌入视频中提取信息时,根据如下方法对待提取的嵌入块进行解调:
若待提取的嵌入块的多元组的嵌入系数a33为0,则提取出的信息比特为0;若待提取的嵌入块的多元组的嵌入系数a33为1,则提取出的信息比特为1;对提取到的信息M″解密后得到原始秘密信息M'={m1',m2',…,mN'},mi'∈{0,1}。
7.如权利要求6所述的HEVC视频可逆隐写方法,其特征在于,从HEVC目标嵌入视频中提取信息时,按照如下方法对所有待提取的嵌入块进行多元组的逆操作,对视频进行恢复;
当亮度块的多元组的嵌入系数a33大于1,
当亮度块的多元组的嵌入系数a33小于0,
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