CN107318022B - 一种基于h.265标准无失真漂移的视频隐写方法 - Google Patents

一种基于h.265标准无失真漂移的视频隐写方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，包括隐秘信息嵌入和提取；在嵌入阶段，获取原始网络视频源文件和待嵌入的隐密信息，对隐密信息进行二进制化、信息终止位等预处理；根据视频编码时的预测模式来确定嵌入位置并嵌入预处理后的隐密信息，直到识别到信息终止位为止；在提取阶段，获取经过网络传输的载体视频码流文件，对该视频码流进行解码并在与嵌入部分相对应的位置提取出嵌入的隐密信息直到识别到信息终止位；对提取的信息恢复得到原始隐密信息；该方法实现了视频隐写的无失真漂移，具有良好的PSNR；由于隐密信息隐藏位置为频域残差高频系数，因而载体视频BD‑Rate增加幅度很小。

Description

一种基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法
技术领域
本发明属于信息隐藏技术领域，更具体地，涉及一种基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法。
背景技术
为了实现在网络视频传递过程中的隐秘通信，国内外研究学者提出了很多利用现有网络中的网络数据流进行隐秘通信的隐写算法。这些隐写算法依据有无失真漂移以及鲁棒性能可分为三类，第一类是不考虑无失真漂移的视频隐写算法，其关注于具体的载体视频嵌入位置，以及选取的嵌入位置所带来的嵌入容量的影响。第二类是考虑了嵌入所带来的失真漂移提出的无失真漂移的视频隐写算法，但隐蔽的载体通常是图像、文本、音频视频等，常用于数字水印领域，用于进行数字作品的产权保护，其关注于强调嵌入的载体视觉效果性能。第三类考虑了视频隐写的鲁棒性能，专注于含有隐秘信息的载体作品被修改、删除及隐秘信息的可检测性等方面，可以良好的抵御剪切、旋转、压缩等处理。
上述的第二、第三类方案分别考虑了视频隐写无失真漂移算法和鲁棒性，但其是以H.264/AVC视频编解码标准作为出发点，未充分考虑主流视频编解码技术的更新换代，在视频编码压缩率上性能较差，特别是在现今视频的分辨率需求越来越高，以1080p为代表的高清视频已逐渐成为网络视频的主流趋势。而以H.264视频作为承载的第二、第三类方案无法充分满足低压缩率和高分辨率的需求矛盾。现有的以H.265编解码标准为出发点的视频隐写方法，但由于其基本关注点在于改动视频的预测单元划分模式或基于像素的预测编码等，对于载体视频的改动性较大，其视频质量(主观评价或PSNR)较低，无法有效地达到视频隐写隐秘性的目的，抗隐写分析能力较弱。
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H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，其目的在于解决视频隐写过程中高压缩率与高清分辨率需求相矛盾的问题，提高视频质量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，包括如下步骤：
(1)对拟嵌入的隐秘信息进行二进制化并在获得的二进制码流的尾部添加信息终止位的预处理；
(2)在编码端，将预处理后的隐秘信息嵌入到载体视频中根据预测模式选定的预测单元块内，对嵌入了隐秘信息的预测单元块进行熵编码；
(3)在解码端，根据预设的解码参数对接收到的载体视频进行熵解码，对解码获得的包含隐秘信息的预测单元块进行隐秘信息提取，并与隐秘信息提取同步地对载体视频进行解压缩和视频重构。
优选地，上述基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，在视频码流未完全接收的情况下，在解码到含有隐秘信息的当前预测单元块时不对其进行隐秘信息提取，而是等到当前预测单元块周边邻块的预测单元块的视频数据都解码完成之后再从当前的预测单元块中提取隐含的隐秘信息，以实现隐秘信息在载体视频解码播放时的实时准确提取。
按照H.265/HEVC国际标准的规定，符合H.265/HEVC国际标准的载体视频的预测单元块的预测模式包括DC模式，Planar模式和{2,3,...,34}三十三种角度预测模式；上述基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，优选根据以下方法选定拟嵌入隐秘信息的预测单元块；
判断当前预测单元块周边邻块的预测单元块是否同时满足如下条件：
当前预测单元块的右上预测单元块的预测模式Top_Right_Pred_Mode满足角度预测模式{10,11,...,34；DC}中的任一种；
当前预测单元块的右预测单元块的预测模式Right_Pred_Mode满足角度预测模式{26,27,...,34}中的任一种；
当前预测单元块的右下预测单元块的预测模式Down_Right_Pred_Mode满足角度预测模式{26,27,...,34；2,3,...,10；DC；Planar}中的任一种；
当前预测单元块的下预测单元块的预测模式Down_Pred_Mode满足角度预测模式{2,3,...,10}中的任一种；
当前预测单元块的左下预测单元块的预测模式Down_Left_Pred_Mode满足角度预测模式{2,3,...,26}中的任一种；
若是，则以当前预测单元块作为选定的预测单元块，若否，则采用上述条件对载体视频中的下一个预测单元块进行判断；
本发明根据预测模式精细设置判断条件来选定隐秘信息的嵌入位置，以保证对当前预测单元块的残差系数数据的修改不会通过预测方式传递给它的周边邻块，由此实现无失真漂移的隐秘信息嵌入。
优选地，上述基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，其隐秘信息嵌入的方法具体如下：
(2.1)对载体视频的第q帧进行编码时，按照下式(1)或(2)将预处理后的隐秘信息的当前比特嵌入到当前选定的预测单元块中；
若嵌入的信息比特为1，按式(1)进行嵌入；若嵌入的信息比特为0，按式(2)进行嵌入；其中，Yi,j是指当前帧内4×4预测单元块的i,j位置的系数；其中，q≥0；i是指当前4×4残差亮度块系数位置的横坐标，j是指当前4×4残差亮度块系数位置的纵坐标；
(2.2)判断隐秘信息的下一个比特是否为信息终止位，若是，则进入步骤(2.3)；若否，则将该比特作为当前比特，并进入步骤(2.1)；
(2.3)判断第q帧是否为载体视频最后一帧，若是，则进入步骤(2.4)；若否，则令q＝q+1，并进入步骤(2.1)；
(2.4)判断隐秘信息的信息终止位是否已全部嵌入，若是，则结束；若否，表明载体视频源容量过小、隐秘信息未嵌入完全，则更换载体视频后再进入步骤(2.1)。
为了准确地在提取端提取信息，可根据拟嵌入的隐秘信息以及当前预测单元残差系数的奇偶性来进行隐秘信息的调制，若拟嵌入的隐秘信息比特为1，则将残差系数调整为偶数；若拟嵌入的隐秘信息比特为0，则将残差系数调整为奇数。
优选地，上述基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，其隐秘信息提取的方法具体如下：
(3.1)对载体视频的第p帧进行熵解码，获取载体视频的第p帧内预测单元块的预测模式、残差系数矩阵；p≥0；
(3.2)判断当前预测单元块是否满足预设的提取条件，若是，则进入步骤(3.3)；若否，则判断下一个预测单元块是否满足预设的提取条件，直至当前帧预测单元块解码完，进入步骤(3.4)；
其中，提取条件如下，当前预测单元块的周边邻块预测模式同时满足如下条件：
当前预测单元块的右邻块满足预测模式26、27、......、34的任一种；
当前预测单元块的右上邻块满足预测模式10、11、......、34，DC的任一种；
当前预测单元块的右下邻块满足预测模式26、27、......、34,2、3、......、10，DC，Planar的任一种；
当前预测单元块的下邻块满足预测模式2、3、......、10的任一种；
当前预测单元块的左下邻块满足预测模式2、3、......、26的任一种；
本步骤中，为了实现隐秘信息实时提取，提取处理并不是在解码出当前预测单元的预测模式信息、残差系数信息后立即进行，而是在等待其周边邻块的右上、右、右下、下、左下邻块的预测模式信息都解码出来之后，再对当前预测单元块进行是否满足提取条件的判别，然后对满足提取条件的当前预测单元进行隐秘信息提取；
原因在于，若在周边邻块的预测单元还未完全解码，即周边邻块的预测模式信息并不一定是有效的的情况下对当前预测单元进行信息提取，会导致秘密信息的误提取，即嵌入信息的位置与提取信息的位置不一致。
(3.3)通过判断预测单元块残差系数的奇偶性来进行隐秘信息提取，具体为：
若|Yi,j|mod2＝0,那么提取出的隐秘信息比特为0；
若|Yi,j|mod2＝1,那么提取出的隐秘信息比特为1；
(3.4)判断第p帧是否是载体视频的最后一帧，若是，则进入步骤(3.5),若否，则令p＝p+1，并进入步骤(3.1)；
(3.5)判断提取到的隐秘信息是否包括完整的信息终止位，若是，则结束；若否，表明载体视频源容量过少，隐秘信息未提取完全，则显示已提取的隐秘信息，并进入步骤(3.6)；
(3.6)对提取出来的隐秘信息比特流进行去信息终止位，反二进制化处理，恢复出原始的隐秘信息。
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)本发明提供的基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，与现有的其他视频隐写方案相比，由于充分考虑了视频内容相邻预测单元预测模式的分布特点，有效地防止了嵌入信息所导致的视频内容的失真漂移现象，该方法通过选定周边预测块特定的预测模式，能够有效地防止对当前预测单元块的修改通过预测的方式传递到其周边邻块中去。因而载体视频具有良好的视觉效应，其评价指标PSNR(Peak Signal to Noise Ratio)基本与原视频一致；
(2)本发明提供的基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，与现有其它具有鲁棒性的数字水印方案相比，由于其具有高效的压缩效率和先进的预测方式，适用于网络高清视频的需求；由于网络视频流约占互联网流量的90％，因此其应用环境极为广阔，易于应用且隐藏信息不容易被发现；
(3)本发明提供的基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，与已有的视频隐写算法相比，区别在于本方法基于H.265标准所独有的预测单元的划分结构和35种预测方式，因此本发明适用于国际最新的视频编解码标准H.265/HEVC，与视频领域最新技术接轨，且对载体视频码率无影响的特点；
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法的总体流程示意图；
图2是本发明实施例中视频隐写信息的嵌入方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中信息嵌入和提取时当前预测单元周边邻块预测单元所满足的条件的示意图；
图4是预测单元33种角度预测模式预测方向的示意图；
图5是本发明实施例中视频隐写信息的提取方法的流程示意图。
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。
本发明实施例提供的基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，其总体流程如图1所示，包括隐秘信息嵌入和提取；在嵌入阶段，获取原始网络视频源文件和待嵌入的隐密信息，对隐密信息进行二进制化、信息终止位等预处理；根据视频编码时的预测模式来确定嵌入位置并嵌入预处理后的隐密信息，直到碰见信息终止位为止。在提取阶段，获取经过网络传输的载体视频码流文件，对该视频码流进行解码并在与嵌入部分相对应的位置提取出嵌入的隐密信息直到遇见信息终止位；对提取的信息恢复得到原始隐密信息。
以下结合对4x4子块进行隐秘信息嵌入和提取为例，来具体阐述本发明；其中，4x4子块的系数值不全为0；如图2所示，是本发明实施例中视频隐写信息的嵌入方法的流程示意图，具体包括以下步骤：
(1)获取将作为载体视频的网络视频源，并对用户拟嵌入的隐秘信息进行预处理，包括二进制化处理以及加入信息终止位；实施例中，信息终止位包括16个比特位，数值为0x0001；
(2)对载体视频进行压缩处理，包括对当前预测单元预测、变换和量化处理，在熵编码当前预测单元的残差系数数据前，获取当前预测单元周边邻块的预测模式信息；
(3)根据如下条件来选定当前预测单元作为嵌入隐秘信息的位置；将满足以下条件的4x4子块作为选定的当前预测单元块：
4x4子块的右邻块满足预测模式26、27、......、34中的任意一种；
4x4子块的右上邻块满足预测模式10、11、......、34，DC中的任意一种；
4x4子块的右下邻块满足预测模式26、27、......、34,2、3、......、10，DC，Planar中的任意一种；
4x4子块的下邻块满足预测模式2、3、......、10的任意一种；
4x4子块的左下邻块满足预测模式2、3、......、26中的任意一种；
譬如：某4x4子块的右邻块预测模式为27、右上邻块预测模式为10、右下邻块预测模式为26、下邻块预测模式为10、左下邻块预测模式为2，则该4x4子块的可作为当前预测块来嵌入隐秘信息。
其中的预测模式是指利用周边邻块像素值来预测当前块像素值的句法元素，数值0-34分别表示从周边邻块的不同位置的像素值或不同方向来预测当前块的像素值，具体计算方法记载在H.265标准文档中。
(4)对载体视频的第q帧进行编码，按照下式(1)或(2)将预处理后的隐秘信息的当前比特嵌入到选定的当前预测单元块中；
若嵌入的信息比特为1，按式(1)进行嵌入；若嵌入的信息比特为0，按式(2)进行嵌入；其中，Yi,j是指当前帧内4×4预测单元块的i,j位置的系数；i是指当前4×4残差亮度块系数位置的横坐标，j是指当前4×4残差亮度块系数位置的纵坐标；q≥0；
(5)判断隐秘信息的下一个比特是否为信息终止位，若是，则进入步骤(6)；若否，则将该比特作为当前比特，并进入步骤(4)；
(6)判断第q帧是否为载体视频最后一帧，若是，则进入步骤(7)；若否，则令q＝q+1，并进入步骤(4)；
(7)判断隐秘信息的信息终止位是否已全部嵌入，若是，则结束；若否，表明载体视频源容量过小、隐秘信息未嵌入完全，则更换载体视频并进入步骤(2)。
举例说明如下：假设隐秘信息是{s1,s2,......,sp}＝{郑州}，将该隐秘信息预处理获得如下比特流形式的隐秘信息：
110101101010001111010110110111010000000000000001
该例中选取的视频源为官方测试视频BlowingBubbles，在对BlowingBubbles视频源进行熵编码之前，根据当前预测单元周边邻块的预测模式上述判定条件来确定嵌入隐秘信息的预测单元；当熵编码到第一帧LCU(Largest Coded Unit)地址索引为1，块内索引为116时的预测单元块满足条件，其周边邻块的预测模式分别是：右邻块预测模式为34，右下邻块预测模式为27，右上预测模式为1，下邻块预测模式为7，左下邻块预测模式为21；获取到当前预测单元的残差系数为：
2 0 -2 1
-1 -1 1 0
0 0 0 0
0 0 0 0
本例中，嵌入隐秘信息后的残差系数矩阵为：
3 1 -2 1
0 -1 1 0
1 0 1 0
0 0 1 1
在本实施例中，信息嵌入和提取时当前预测单元周边邻块预测单元所满足的条件的如图3所示；其中所涉及的具体角度预测模式对应的方向如图4所示。
如图5所示，为本发明实施例中视频隐写信息的提取方法的流程示意图，具体包括如下步骤：
(1)获取载有隐秘信息的视频码流文件，并配置解码器所需要的配置参数，包括指定解码的码流文件、输出文件；
(2)对载体视频的第p帧进行熵解码，获取载体视频的第p帧包括预测单元块的预测模式、残差系数矩阵的语法元素信息；p≥0；
(3)判断当前预测单元块是否满足预设的提取条件，若是，则进入步骤(4)；若否，则判断下一个预测单元块是否满足预设的提取条件，直至当前帧所有的预测单元块解码完，进入步骤(5)；
实施例中，预设的提取条件如下：
4x4子块的右邻块满足预测模式26、27、......、34中的一种，
右上邻块满足预测模式10、11、......、34，DC中的一种，
右下邻块满足预测模式26、27、......、34,2、3、......、10，DC，Planar中的一种，
下邻块满足预测模式2、3、......、10中的一种，
左下邻块满足预测模式2、3、......、26中的一种；
(4)通过判断预测单元块残差系数的奇偶性来进行隐秘信息提取，具体为：
若|Yi,j|mod2＝0,那么提取出的隐秘信息比特为0；
若|Yi,j|mod＝1,那么提取出的隐秘信息比特为1；
(5)判断第p帧是否是载体视频的最后一帧，若是，则进入步骤(6),若否，则令p＝p+1，并进入步骤(2)；
(6)判断提取到的隐秘信息是否包括完整的信息终止位，若是，则结束；若否，表明载体视频源容量过少，隐秘信息未提取完全，则显示已提取的隐秘信息，并进入步骤(7)；
(7)对提取出来的隐秘信息比特流去信息终止位，反二进制化处理，恢复出原始的隐秘信息。
举例如下：接收到的码流文件是BlowingBubbles.bin，假设当前嵌入隐秘信息的预测单元为第一帧LCU地址索引为1，块内索引为116，在熵解码预测单元的预测模式和残差系数信息后，熵解码当前预测单元的右下预测单元块，即块内索引为119时对嵌入到当前预测单元的隐秘信息进行提取，获取到当前预测单元的残差系数矩阵为：
3 1 -2 1
0 -1 1 0
1 0 1 0
0 0 1 1
提取出的隐秘信息比特流为：1101011010100011。
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 (6)

1.一种基于H.265标准无失真漂移的视频隐写方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对拟嵌入的隐秘信息进行二进制化并在获得的二进制码流的尾部添加信息终止位的预处理；
(2)在编码端，将预处理后的隐秘信息嵌入到载体视频中根据预测模式选定的预测单元块内，对嵌入了隐秘信息的预测单元块进行熵编码；
(3)在解码端，根据预设的解码参数对接收到的载体视频进行熵解码，对解码获得的包含隐秘信息的预测单元块进行隐秘信息提取，并与隐秘信息提取同步地对载体视频进行解压缩和视频重构；
根据以下方法选定拟嵌入隐秘信息的预测单元块；
判断当前预测单元块周边邻块的预测单元块是否同时满足如下条件：
当前预测单元块的右上预测单元块的预测模式满足H.265/HEVC国际标准中预测单元角度预测模式{10,11,...,34；DC}中的任意一种；
当前预测单元块的右预测单元块的预测模式满足H.265/HEVC国际标准中预测单元角度预测模式{26,27,...,34}中的任意一种；
当前预测单元块的右下预测单元块的预测模式满足H.265/HEVC国际标准中预测单元角度预测模式{26,27,...,34；2,3,...,10；DC；Planar}中的任意一种；
当前预测单元块的下预测单元块的预测模式满足H.265/HEVC国际标准中预测单元角度预测模式{2,3,...,10}中的任意一种；
当前预测单元块的左下预测单元块的预测模式满足H.265/HEVC国际标准中预测单元角度预测模式{2,3,...,26}中的任意一种；
若是，则以当前预测单元块作为选定的预测单元块，若否，则采用上述条件对载体视频中的下一个预测单元块进行判断。
2.如权利要求1所述的视频隐写方法，其特征在于，当视频码流未完全接收时，在解码到含有隐秘信息的当前预测单元块时不对其进行隐秘信息提取，而是等到当前预测单元块周边邻块的视频数据都解码完成之后再从所述当前预测单元块中提取隐秘信息。
3.如权利要求1或2所述的视频隐写方法，其特征在于，隐秘信息嵌入的方法具体如下：
(2.1)对载体视频的第q帧进行编码时，按照下式(1)或(2)将预处理后的隐秘信息的当前比特嵌入到当前选定的预测单元块中；
若嵌入的信息比特为1，按式(1)进行嵌入；若嵌入的信息比特为0，按式(2)进行嵌入；
其中，Yi,j是指当前帧内4×4预测单元块的(i,j)位置的系数；i是指当前4×4残差亮度块系数位置的横坐标，j是指当前4×4残差亮度块系数位置的纵坐标；q≥0；
(2.2)判断隐秘信息的下一个比特是否为信息终止位，若是，则进入步骤(2.3)；若否，则将所述比特作为当前比特，并进入步骤(2.1)；
(2.3)判断第q帧是否为载体视频最后一帧，若是，则进入步骤(2.4)；若否，则令q＝q+1，并进入步骤(2.1)；
(2.4)判断隐秘信息的信息终止位是否已全部嵌入，若是，则结束；若否，则更换载体视频后进入步骤(2.1)。
4.如权利要求1或2所述的视频隐写方法，其特征在于，隐秘信息提取的方法具体如下：
(3.1)对载体视频的第p帧进行熵解码，获取载体视频的第p帧预测单元块的预测模式、残差系数矩阵；p≥0；
(3.2)判断当前预测单元块是否满足预设的提取条件，若是，则进入步骤(3.3)；若否，则判断下一个预测单元块是否满足预设的提取条件，直至当前帧预测单元块解码完，进入步骤(3.4)；
(3.3)通过判断预测单元块残差系数的奇偶性来进行隐秘信息提取，具体为：
若|Yi,j|mod2＝0,那么提取出的隐秘信息比特为0；
若|Yi,j|mod2＝1,那么提取出的隐秘信息比特为1；
(3.4)判断第p帧是否是载体视频的最后一帧，若是，则进入步骤(3.5),若否，则令p＝p+1，并进入步骤(3.1)；
(3.5)判断提取到的隐秘信息是否包括完整的信息终止位，若是，则结束；若否，表明载体视频源容量过少，隐秘信息未提取完全，则显示已提取的隐秘信息，并进入步骤(3.6)；
(3.6)对提取出来的隐秘信息比特流进行去信息终止位，反二进制化处理，恢复出原始的隐秘信息。
5.如权利要求4所述的视频隐写方法，其特征在于，所述提取条件为：当前预测单元块的周边邻块预测模式同时满足如下条件：
当前预测单元块的右邻块满足H.265/HEVC国际标准中预测单元预测模式26、27、......、34的任一种；
当前预测单元块的右上邻块满足H.265/HEVC国际标准中预测单元预测模式10、11、......、34，DC的任一种；
当前预测单元块的右下邻块满足H.265/HEVC国际标准中预测单元预测模式26、27、......、34,2、3、......、10，DC，Planar的任一种；
当前预测单元块的下邻块满足H.265/HEVC国际标准中预测单元预测模式2、3、......、10的任一种；
当前预测单元块的左下邻块满足H.265/HEVC国际标准中预测单元预测模式2、3、......、26的任一种。
6.如权利要求4所述的视频隐写方法，其特征在于，所述提取处理并不是在解码出当前预测单元的预测模式信息、残差系数信息后立即进行，而是在等待其周边邻块的右上、右、右下、下、左下邻块的预测模式信息都解码出来之后，再对当前预测单元块进行是否满足提取条件的判别，然后对满足提取条件的当前预测单元进行隐秘信息提取,以实现视频隐写在载体视频解码播放时的实时准确提取。
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