CN107529061B - 基于压缩感知和信息隐藏的视频差错掩盖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压缩感知和信息隐藏的视频差错掩盖方法，基于压缩感知的视频帧特征生成，在接收端对视频信号差错掩盖以有效地保障视频内容的画面质量，兼顾嵌入容量和重构误差限制。本发明充分利用了压缩视频信号中帧间相关性以及压缩感知的高压缩性和高重构性能，实现了对有损视频的差错掩盖，并且也可以将其他原因引起的差错进行掩盖。与现有的基于信息隐藏的视频差错掩盖算法相比，既能保证较小的嵌入数据量，同时又保证用有限的数据以较高的准确率重构原始的运动残差，算法容易实现，具有良好的传输透明性和较好的掩盖性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压缩感知和信息隐藏的视频差错掩盖算法，是一种特别适用于在接收端掩盖有损信道引起差错的方法，即在经过有损传输的条件下，能有效地保障视频内容的画面质量。
背景技术
近年来，由于互联网的快速发展、视频技术的成熟，以及各种功能强大的视频处理软件的出现，使得数字视频的使用越来越广泛。但是，对于传输信道，特别是无线信道，信道状态随机变化，不能保证信号的无损传输。视频信号是一种可视化的信号呈现方式，对画面质量要求较高。因此，在接收端对视频信号差错掩盖是一种恢复可视化画面的有效技术手段。
按照差错掩盖所用信息的不同，差错掩盖方法可分为基于信息隐藏的方法和基于帧内(或帧间)相关性的方法。受嵌入容量的限制，基于帧内(或帧间)相关性的差错掩盖方法研究较多，而关于信息隐藏的视频差错掩盖方法研究相对较少。文献“A Robust ErrorConcealment Technique Using Data Hiding for Image and Video Transmission OverLossy Channels”(Chowdary B.Adsumilli，Mylène C.Q.Farias，Sanjit K.Mitra，andMarco Carli，IEEE Transactions on Circuits and System for video Technology，Vol.15，No.11，pp.1394-1406，2005.)提出一种面向有损信道基于信息隐藏的鲁棒差错掩盖方法，该方法将原始视频帧的二级离散小波变换(discrete wavelet transform，DWT)的近似分量进行半色调变换得到二值图像，并将其作为特征信息嵌入到原始帧中，其中第一级DWT变换后的近似分量作为下一级变换的输入。这种方法的优点是嵌入数据量小，可保证嵌入信息后的含密视频的高可视质量。但该方法在恢复原始视频帧时，需要进行逆半色调处理和二级逆DWT变换。其中二级逆DWT变换中将细节分量置零，因此会丢失一部分帧信息，加之逆半色调处理误差，造成恢复帧误差增大，从而影响差错掩盖效果。文献“AdaptiveVideo Error Concealment Using Reversible Data Hiding”(Yuanzhi Yao，WeimingZhang，Nenghai Yu，Proceeding of International Conference on MultimediaInformation Networking and Security(MINES)，2012，pp.658-661.)提出一种将每帧的ROI(Region of Interest)区域的信息嵌入在背景区域中。ROI区域的坐标在一个GOP(Group ofPicture)中是共享的。这种方法的优点是保护每帧的运动像素。如果在传输中该帧出现差错，在接收端从背景区域中提取运动像素从而掩盖差错。但是对快速运动的视频而言，不同帧的运动区域相差可能比较大，ROI区域的共享使得运动区域误差扩大，可能把运动像素误作为背景像素，从而造成接收端的失真。因此，利用视频的自身重要特征，研究用信息隐藏的方法进行视频差错掩盖具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压缩感知和信息隐藏的视频差错掩盖算法，使之克服现有技术的以上缺点，有效掩盖接收端视频中出现的差错，从而实现视频内容的完整性以及画面的可视化。
为实现这样的目的，本发明利用压缩感知的高压缩率和高重构性与信息隐藏所需求的透明传输性，以及差错掩盖所需求的高准确恢复相一致的优势，设计了一种基于压缩感知和信息隐藏的视频差错掩盖方法。包括如下的技术手段：
基于压缩感知和信息隐藏的视频差错掩盖方法，基于压缩感知的视频帧特征生成，在接收端对视频信号差错掩盖以有效地保障视频内容的画面质量，兼顾嵌入容量和重构误差限制，包括以下主要步骤：
(1)基于压缩感知的帧特征生成和嵌入
首先将视频信号以n帧为单位分为不同的帧组；各帧组具有背景帧和非背景帧，其中：
首先将视频信号以n帧为单位分为不同的帧组，帧组中的第一帧为背景帧。算法中，背景帧作为参考帧不产生相应的特征信息，只嵌入极少量用以帧定位和位置纠错的信息。其次，为了能在接收端产生同样的帧组，每帧的第一行嵌入用于标记是否是背景帧的标记信息。对于背景帧，将帧组的位置信息通过随机的方式嵌入在背景帧中。非背景帧的嵌入信息分为两个部分，一部分是为了能在接收端确定每帧在视频序列中的位置，而将每帧的帧序号、帧组序号以及对应帧组的帧数作为头信息嵌入在每帧的第二行，另一部分是置乱的特征信息，称为负载。负载的计算步骤是先计算当前帧与背景帧的运动残差，接着用压缩感知的方法对运动残差进行线性随机压缩，得到当前帧的特征信息，这样每个帧组得到n-1个帧特征信息。为了避免信道差错造成嵌入信息的连续丢失，将每帧组的n-1个特征信息逐数据随机置乱，然后按顺序产生与原始特征信息同数量的待嵌信息，即负载。最后，将待嵌信息通过对RGB格式视频帧的颜色三元组奇偶调制进行嵌入，得到含密视频。
(2)信息的提取和差错掩盖：
信息的提取过程是嵌入的逆过程，首先从每帧的第一行提取背景帧的标记，从而恢复出与发送端同样的帧分组。接着，从背景帧中提取帧组的位置信息，从非背景帧的第二行提取头信息，并与帧组位置信息一起用于判断是否出现丢帧差错。如果发生丢帧，则差错掩盖分为两步：第一步，用背景帧代替该丢帧；第二步，标志该帧为差错帧，并在帧内差错掩盖阶段进行差错掩盖。然后，以帧组为单位，提取帧组内的所有负载信息，并反置乱，得到n-1帧的特征信息。最后，用压缩感知的重构算法，从当前帧的特征信息中通过非线性迭代方法重构出运动残差，并基于集合论的方法用接收端原始的运动残差和重构的运动残差定位出当前帧的运动区域和背景区域以及差错位置。若差错位置位于运动区域，则用背景帧中相应像素和重构的运动残差值的和掩盖该差错，若差错位置位于背景区域，则用背景帧中的相应像素掩盖对应的差错，从而实现差错掩盖。
与现有的基于信息隐藏的视频差错掩盖算法相比，本发明充分利用了压缩视频信号中帧间相关性以及压缩感知的高压缩性和高重构性能，这样既能保证较小的嵌入数据量，同时又保证用有限的数据以较高的准确率重构原始的运动残差。
附图说明
图1为本发明方法的工作框图。
图2为差错像素集合SE、噪声像素集合SN以及运动像素集合SMV的关系图。
图3为嵌入信息后视频帧与原始视频的相关性图。
图4为传输透明性测试结果表(单位：dB)。
图5为差错掩盖效果测试结果表(单位：dB)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
1、基于压缩感知的视频帧特征生成并嵌入主要步骤：
(1)视频信号的帧分组。将N帧的原始视频帧fi，i＝1，2，…，N分为m帧组，每组有n帧，记第i个帧组中的各帧为fij，j＝1，2，…n其中fi1为背景帧。
(2)计算各非背景帧的特征信息。根据下式计算每个非背景帧的运动残差，
Rij＝fij-fi1，j＝2，3，…，n
为减小数据量，将运动残差进行1/2下采样，得到原来1/4大小的运动残差Rij′，并用压缩感知中的线性随机压缩的方法得到对应帧的特征信息，可用下式表示：
其中CS是压缩感知操作，Wij′的尺寸是原始帧尺寸的1/16，表示取下整数。
(3)信息的嵌入。每帧中嵌入的信息分为两部分，第一部分是标记信息F∈{0，1}10，其中前两位为冗余信息，后8位是标记信息，用于在接收端得到与发送端同样的帧分组，其中前两位为冗余信息，后面8位是标记信息。第二部分是要嵌入的特征信息，特征信息由头信息和负载组成，其中帧fij的头信息表示为{i，j，n}，负载信息可由下式得到：
Wi＝{Wi2，Wi3，…，Win}＝scramble({Wi2′，Wi3′，…，Win′})
其中Wi2与Wi2′的尺寸相同，scramble(·)是随机置乱操作。
由于每帧的前几行属于背景区域，对视频信息的内容影响不明显，因此背景帧的标记信息和头信息分别嵌入在第一行和第二行，对非背景帧，负载信息也是以二进制码的形式嵌入，同一个坐标处的三个分量像素嵌入2比特信息，用下式表示：
其中fijG(k，l)，fijB(k，l)，fijR(k，l)分别表示帧fij的G分量、B分量和R分量在坐标(k，1)处的像素值。背景帧标记信息、各帧头信息的嵌入方法与负载的嵌入方法相同。由于背景帧嵌入的特征信息较少，采用随机选择嵌入位置的方法嵌入对应的二进制码，嵌入方法是上式中的(a)式。
2、提取视频特征信息进行差错掩盖：
(1)提取信息并恢复原始特征信息。对接收到的视频帧，从每帧中提取背景标记信息，恢复原始的帧组。每个帧组中逐帧提取头信息，每个背景帧中提取帧组位置信息，两者共同作为判断是否发生丢帧的依据。再从非背景帧中提取负载，对一个帧组中的负载反置乱，得到每帧的特征信息。信息提取过程是嵌入过程的逆过程。
(2)丢帧差错掩盖。视频信号的丢帧差错掩盖分为两步：
第一步用背景帧代替当前丢帧，设第i帧组中第j帧丢失，相应操作用下式表示：
f′in＝f′i(n-1)，…，f′i(j+1)＝f′ij，f′ij＝f′i1，
其中f′ij表示接收端的第i帧组中的第j帧。第二步是掩盖帧内差错，见帧内差错掩盖部分。
(3)帧内差错掩盖。帧内差错掩盖分为以下几步：
第一步，计算当前帧与背景帧的运动残差Rmv，用阈值T1判断运动或差错像素，并得到当前帧的差错图样，用下式表示：
其中T1通过多次实验取得，Pmve中值1的坐标位置是运动像素或差错像素，0的坐标位置是背景像素。
第二步，用当前帧的特征信息重构运动残差，用下式表示：
Rremv＝CS-1(W″ij)
其中CS-1是通过非线性迭代压缩感知重构算法，W″ij为恢复的特征信息。用阈值T2作判断运动像素和重构带来的噪声，得到重构运动残差的图样，用下式表示：
其中T2由实验效果决定取值，由于重构的运动残差小于实际残差，因此T2≤T1，Premv中值1的坐标位置是运动像素或噪声像素，0的坐标位置是非噪声的背景像素。
第三步，计算当前运动残差与重构运动残差的差值D，并用阈值T3判断差错像素和噪声像素，得到差错和噪声图样，用下式表示：
其中T3经过反复实验取得，由于D是原始残差与重构残差的差值，因此T3≤T2，Pd中值1的坐标位置是差错像素或噪声像素，0的坐标位置是原始像素。
第四步，综合以上几个图样，由集合论可得到差错像素集合SE、噪声像素集合SN以及运动像素集合SMV，它们的关系可用图2表示，如果差错像素位于运动区域，则用相应位置的背景像素与重构运动残差像素和进行掩盖，反之用相应位置的背景像素掩盖，用下式表示：
其中f″ij(k，l)是掩盖后的视频帧。
本发明方法的效果可以通过以下性能分析验证：
(1)传输透明性
选取“hall”、“foreman”以及“Akiyo”三个视频中的30帧进行嵌入测试，嵌入后的峰值信噪比(Peak Signal Noise Rate，PSNR)用下式表示：
其中
其中fn和f′n分别嵌入水印前后的帧号为n的载体帧，测试结果见图3，由表可见，嵌入后PSNR值均在50dB以上，可见本算法具有较好的传输透明性。
(2)嵌入信息后视频序列相关性
由于压缩感知的随机线性压缩处理后，数据呈现压缩矩阵的高斯随机性(实验中用的是高斯随机矩阵进行压缩)，因此帧特征信息呈现高斯分布，嵌入信息的视频信号应保持原来的相关性，测试结果如图4所示，由图可见，嵌入信息后视频帧基本保持了原始视频的相关性。
(3)差错掩盖效果
为了对比差错掩盖效果，对比不同视频嵌入前后的PSNR值，相差越大，差错掩盖效果越好，测试结果见图5，由图可见，每个视频序列的PSNR值平均改善了8dB以上，差错掩盖效果较好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于压缩感知和信息隐藏的视频差错掩盖方法，基于压缩感知的视频帧特征生成，在接收端对视频信号差错掩盖以有效地保障视频内容的画面质量，兼顾嵌入容量和重构误差限制，其特征在于，包括以下主要步骤：
(1)基于压缩感知的帧特征生成和嵌入
首先将视频信号以n帧为单位分为不同的帧组；各帧组具有背景帧和非背景帧，其中：
帧组中的第一帧为背景帧；背景帧在算法中作为参考帧使用，帧组的位置信息通过随机的方式嵌入在背景帧中用以帧丢失时的帧定位和纠错；每帧的第一行嵌入用于标记是否是背景帧的标记信息；
非背景帧的嵌入信息分为两个部分，一部分是为了能在接收端确定每帧在视频信号中的位置，而将每帧的帧序号、帧组序号以及对应的帧组中的帧数作为头信息嵌入在每帧的第二行；另一部分是置乱的特征信息，称为负载，负载的计算步骤是：先计算每个当前帧与帧组中背景帧的运动残差，接着用压缩感知的方法对每个当前帧的运动残差进行线性随机压缩，每个帧组得到n-1帧特征信息；为了避免信道差错造成嵌入信息的连续丢失，将经过压缩生成的每个帧组中的n-1帧特征信息随机置乱，然后按顺序产生与原始特征信息同数量的每帧待嵌信息，最后，将待嵌信息通过对视频帧RGB格式的颜色三元组的奇偶调制嵌入，便得到含密视频；
(2)信息的提取和差错掩盖
信息的提取过程是嵌入的逆过程，首先从每帧的第一行提取背景帧的标记，从而恢复出与发送端同样的帧分组，接着，从背景帧中提取帧组的位置信息，从非背景帧的第二行提取头信息，并与帧组位置信息一起用于判断是否丢帧；如果发生丢帧，则差错掩盖分为两步，第一步用背景帧代替该丢帧，第二步运动残差在帧内差错阶段完成；然后，以帧组为单位，提取帧组内的所有负载信息，并反置乱，得到n-1个帧的特征信息，最后，用压缩感知的重构算法，从当前帧的特征信息中通过非线性迭代重构出运动残差，并基于集合论的方法用接收端原始的运动残差和重构的运动残差定位出当前帧的运动区域和背景区域以及差错位置；若差错位置位于运动区域，则用背景帧中相应像素和重构的运动残差值的和掩盖该差错，若差错位置位于背景区域，则用背景帧中的相应像素掩盖对应的差错，从而实现差错掩盖。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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