CN107948655B - 一种基于cabac的h.264/avc加密视频隐写方法 - Google Patents

一种基于cabac的h.264/avc加密视频隐写方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于CABAC编码的H.264/AVC加密视频隐写方法，该方法先对CABAC编码的H.264/AVC视频进行格式兼容加密。进行隐写时，先对码字进行算术解码，再根据UEG0及UEG3码字的特点，对其后缀部分进行信息隐藏。该方法针对CABAC编码的视频，由于CABAC压缩率更高，使用范围更广，该方法适用于更多的场景。视频中隐藏的信息，既能够在加密的视频中进行提取，也能够在解密后的视频中提取出来。其在加密视频的同时，保留了原始视频格式，以及对加密视频进行隐写处理能力，能够为云存储等应用提供帮助。

Description

一种基于CABAC的H.264/AVC加密视频隐写方法
技术领域
本发明涉及多媒体信息安全领域，更具体地，涉及一种基于CABAC的H.264/AVC加密视频隐写方法。
背景技术
随着云技术的发展，有越来越多的视频数据存储在云端。云端存储带来低成本、随处下载等便利的同时，也使其面临着不小的安全隐患。特别是对于普通用户来说，需要特别注意存储在云端数据的隐私保护问题。一般来说，在传输涉及隐私的视频数据到云端之前，需要对其进行加密。但这往往带来一些问题，例如云端无法对这些加密的数据进行有效的管理、云端应用无法处理这些加密后的数据。加密视频处理技术，为这种问题提供了一种有效的解决方法。即在不泄漏隐私的情况下，直接对加密的视频进行处理。
加密视频信息隐写方法，能够对加密的视频码流进行信息隐藏。在信息隐藏方是第三方的情况下，能够有效地保护视频内容的安全，同时，又不影响信息隐藏的操作。同时，由于CABAC的压缩效率更高，基于CABAC的H.264/AVC加密视频隐写方法适用于更多的场景，能够为云存储、第三方取证等应用提供帮助。
发明内容
本发明提供基于CABAC的H.264/AVC加密视频隐写方法。该方法能够高效的在加密的压缩视频上实现信息的隐藏、提取。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于CABAC的H.264/AVC加密视频隐写方法，包括以下步骤：
S1：对视频进行格式兼容加密；
S2：对加密视频进行算术解码，得到二进制化后的码字；
S3：对二进制化后的码字，进行信息隐藏。
进一步地，所述步骤S1的具体过程是：
S11：随机选取视频中的块，对其所有比特，用AES-CFB进行加密，记为S；
S12：选择视频中随机的块，先进行部分加密，在对其所有比特，利用AES-CFB进行加密，记为R；特别地，对于S中的块，在R中用一个Skip宏块(针对P帧)或者一个随机宏块(针对I帧)补充在其相应位置，用于隐写处理步骤。
S13：对剩余的所有块进行部分加密，记为O，再将其重新组织成一段分辨率缩小了的视频(NVB)，重新计算相关的参数。原始参数保留下来，记为P。
其中，S12及S13所述部分加密方法为：
选取视频码流中用于加密的部分参数的比特，包括残留系数、帧内预测模式、运动向量残差；利用AES-CFB加密算法，对选取的比特进行加密；将加密后的比特替换到原有比特的位置。
S14：将S、R、P，整合为后缀信息，其中，S的块打包在NALU类型为23的NALU中，R、P打包在宏块类型为22的NALU中。
进一步地，所述步骤S2的具体过程是：
S21：利用部分密钥，恢复出不包含S的部分加密的视频码流；
S22：根据加密视频后残留的格式信息，定位到残余非零系数码字(NZ)位置以及运动向量残差码字(MVD)位置；
S23：对视频中NZ和MVD进行算术解码，得到利用UEG0、UEG3进行二进制化后的码字。
进一步地，所述步骤S3的具体过程是：
S31：对于NZ，其信息隐藏过程如下：
对于码字长度L(不包括符号位)不大于14的码字，不进行隐藏；
对于码字长度L(不包括符号位)大于14的码字，对其最后n个比特，进行如下嵌入操作：
Figure BDA0001478023640000021
其中，b为需要隐藏的比特；
S32：对于MVD，其信息隐藏过程如下：
对于码字长度L(不包括符号位)不大于9的码字，不进行隐藏；
对于码字长度L(不包括符号位)大于9的码字，对其最后n个比特，进行如下嵌入操作：
Figure BDA0001478023640000031
其中，b为需要隐藏的比特；
S33：对包含隐藏信息的码字，重新进行算术编码，得到包含隐藏信息的加密视频码流。
进一步地，所述隐写方法，在加密视频上进行信息提取的具体过程是：
S41：利用提供的用于处理的密钥，恢复出具有原始视频结构的码流；
S42：进行算术解码，得到二进制化的NZ码字和MVD码字；
S43：对于长度大于14的NZ码字以及长度大于L的MVD码字，依此从最后n比特中提取出隐藏的信息，具体的公式为：
b′＝xb
其中xb为加密的码字最后n比特中的一个比特。
进一步地，所述隐写方法，在解密后视频上进行信息提取的具体过程是：
S51：利用提供的密钥，对加密的视频进行解密；
S52：进行算术解码，得到二进制化的NZ码字和MVD码字；
S53：对于长度大于14的NZ码字以及长度大于L的MVD码字，依此从最后n比特中提取出隐藏的信息，具体的公式为：
Figure BDA0001478023640000032
其中xb为加密的码字最后n比特中的一个比特，k为用于解密的比特流中对应的比特。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明方法能够对CABAC编码的H.264/AVC加密视频码流，在不完全解码的情况下，进行隐写处理。先对视频进行算术解码，再依据加密视频的码流结构以及UEGk0、UEG3码字的特点，进行信息隐藏。该方法针对CABAC编码的视频，由于CABAC压缩率更高，使用范围更广，该方法适用于更多的场景。其采用直接在压缩码流上处理的方法使得算法效率更高，更适应于实际应用场景。视频中隐藏的信息，既能够在加密的视频中进行提取，也能够在解密后的视频中提取出来。其在加密视频的同时，保留了原始视频格式，以及对加密视频进行隐写处理能力，能够为云存储等应用提供帮助。
附图说明
图1是采用本发明方法的流程图；
图2是采用本发明方法进行隐藏信息提取的示意图；
图3是采用本发明方法进行信息隐藏的结果示例。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1，为本发明方法中的加密域视频隐写方法的流程图，其具体步骤如下：
(1)对视频进行格式兼容加密，可以采用现有的视频格式兼容加密方法对CABAC编码的视频进行格式兼容加密，也可以使用以下的方法：
①选择视频中属于隐私区域的块，对其所有比特，利用AES-CFB进行加密，记为S；
②选择视频中随机的块，先进行部分加密，在对其所有比特，利用AES-CFB进行加密，记为R；特别地，对于S中的块，在R中用一个Skip宏块(针对P帧)或者一个随机宏块(针对I帧)补充在其相应位置。其中对R的第二次加密的密钥，是用于处理的密钥。
③对剩余的所有块进行部分加密，记为O，再将其重新组织成一段分辨率缩小了的视频(NVB)，重新计算相关的参数。原始参数保留下来，记为P。
④将S、R、P，整合为后缀信息，其中，S的块打包在NALU类型为23的NALU中，R、P打包在宏块类型为22的NALU中。
其中，所述的部分加密方法为：
选取视频码流中用于加密的部分参数的比特，包括残留系数、帧内预测模式、运动向量残差；利用AES-CFB加密算法，对选取的比特进行加密；将加密后的比特替换到原有比特的位置。
(2)对加密视频进行算术解码，得到二进制化后的码字：
①利用部分密钥，恢复出不包含S的部分加密的视频码流；如果不要求达到最大嵌入率，此步骤也可以跳过，相应地，只对O中的码字进行隐写处理。
②根据加密视频后残留的格式信息，定位到残余非零系数码字(NZ)位置以及运动向量残差码字(MVD)位置；
③对视频中NZ和MVD进行算术解码，得到利用UEG0、UEG3进行二进制化后的码字。
(3)对二进制化后的码字，进行信息隐藏：
①对于残余非零系数码字NZ，其信息隐藏过程如下：
对于码字长度L(不包括符号位)不大于14的码字，不进行隐藏；
对于码字长度L(不包括符号位)大于14的码字，对其最后n个比特，进行如下嵌入操作：
Figure BDA0001478023640000051
其中，b为需要隐藏的比特，x为加密的码字最后n比特中的一个比特，xb为包含隐写信息的比特；
②对于运动向量残差码字MVD，其信息隐藏过程如下：
对于码字长度L(不包括符号位)不大于9的码字，不进行隐藏；
对于码字长度L(不包括符号位)大于9的码字，对其最后n个比特，进行如下嵌入操作：
Figure BDA0001478023640000052
其中，b为需要隐藏的比特，x为加密的码字最后n比特中的一个比特，xb为包含隐写信息的比特；
③将包含隐写信息的比特，替换到原来的位置，得到包含隐写信息的码字。并对包含隐藏信息的码字，重新进行算术编码，得到包含隐藏信息的加密视频码流。
(4)所述隐写方法，在加密视频上进行信息提取如图2所示，其具体过程是：
①利用提供的用于处理的密钥，恢复出具有原始视频结构的码流。如果使用的是其他的格式兼容加密方法，此步骤可以跳过。如果不要求达到最大嵌入率，此步骤也可以跳过，相应地，只对O中的码字进行隐写处理；
②进行算术解码，得到二进制化的NZ码字和MVD码字；
③对于长度大于14的NZ码字以及长度大于L的MVD码字，依此从最后n比特中提取出隐藏的信息，具体的公式为：
b′＝xb
(5)所述隐写方法，在解密后视频上进行信息提取的具体过程是：
①利用提供的用于处理的密钥，恢复出具有原始视频结构的码流。如果使用的是其他的格式兼容加密方法，此步骤可以跳过。如果不要求达到最大嵌入率，此步骤也可以跳过，相应地，只对O中的码字进行隐写处理；
②进行算术解码，得到二进制化的NZ码字和MVD码字；
③对于长度大于14的NZ码字以及长度大于L的MVD码字，依此从最后n比特中提取出隐藏的信息，具体的公式为：
Figure BDA0001478023640000061
其中xb为加密的码字最后n比特中的一个比特，k为用于解密的比特流中对应的比特。
本发明方法的原理如下：
本发明提供一种基于CABAC编码的H.264/AVC加密视频隐写方法，该方法先对CABAC编码的H.264/AVC视频进行格式兼容加密。进行隐写时，先对码字进行算术解码，再根据UEG0及UEG3码字的特点，对其后缀部分进行信息隐藏。该方法针对CABAC编码的视频，由于CABAC压缩率更高，使用范围更广，该方法适用于更多的场景。视频中隐藏的信息，既能够在加密的视频中进行提取，也能够在解密后的视频中提取出来。
利用本发明方法进行实验的结果：
实验数据为352*176的视频序列，图3为原始视频帧以及包含隐写信息的解密后的视频帧的示例。可以看到，本发明方法在对视频进行隐写处理后，不会造成视频质量的明显下降。
利用本发明方法在测试视频序列中的结果如下表所示：
Figure BDA0001478023640000071
可以看到，使用本发明方法在测试序列上，能够得到很高的嵌入率效果。其中，对比的现有方法是指D.Xu等在“Context adaptive binary arithmetic coding-based datahiding in partially encrypted H.264/AVC videos”(2015，Journal of ElectronicImaging,vol.24,no.3)中提出的在加密视频码流上进行隐写处理的方法。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于CABAC编码的H.264/AVC加密视频的隐写方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对视频进行格式兼容加密；
S2：对加密视频进行算术解码，得到二进制化后的码字；
S3：对二进制化后的码字，进行信息隐藏；
所述步骤S1的具体过程是：
S11：随机选取视频中的块，对其所有比特，用AES-CFB进行加密，记为S；
S12：选择视频中随机的块，先进行部分加密，在对其所有比特，利用AES-CFB进行加密，记为R；
S13：对剩余的所有块进行部分加密，记为O，再将其重新组织成一段分辨率缩小了的视频NVB，重新计算相关的参数，原始参数保留下来，记为P；
S14： 将S、R、P，整合为后缀信息；
所述步骤S2的具体过程是：
S21：利用部分密钥，恢复出不包含S的部分加密的视频码流；
S22：根据加密视频后残留的格式信息，定位到残余非零系数码字NZ位置以及运动向量残差码字MVD位置；
S23：对视频中残余非零系数码字NZ和运动向量残差码字MVD进行算术解码，得到利用UEG0、UEG3进行二进制化后的码字；
所述步骤S3的具体过程是：
S31：对于NZ，其信息隐藏过程如下：
对于码字长度L不大于14的码字，不进行隐藏，其中L不包括符号位；
对于码字长度 L大于14的码字，对其最后n个比特，进行如下嵌入操作，其中L不包括符号位：
Figure 525189DEST_PATH_IMAGE002
其中，b为需要隐藏的比特，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为加密的码字最后n比特中的一个比特，
Figure 550651DEST_PATH_IMAGE004
为包含隐写信息的比特；
S32：对于MVD，其信息隐藏过程如下：
对于码字长度L不大于9的码字，不进行隐藏，其中L不包括符号位；
对于码字长度L大于9的码字，对其最后n个比特，进行如下嵌入操作，其中L不包括符号位：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
S33：对包含隐藏信息的码字，重新进行算术编码，得到包含隐藏信息的加密视频码流。
2.根据权利要求1所述的基于CABAC编码的H.264/AVC加密视频的隐写方法，其特征在于，在加密视频上进行信息提取的具体过程是：
S41： 利用提供的用于处理的密钥，恢复出具有原始视频结构的码流；
S42： 进行算术解码，得到二进制化的NZ码字和MVD码字；
S43： 对于长度大于14的NZ码字以及长度大于9的MVD码字，依此从最后n比特中提取出隐藏的信息，具体的公式为：
Figure 595968DEST_PATH_IMAGE006
。
3.根据权利要求2所述的基于CABAC编码的H.264/AVC加密视频的隐写方法，其特征在于，在解密后视频上进行信息提取的具体过程是：
S41： 利用提供的用于处理的密钥，恢复出具有原始视频结构的码流；
S42： 进行算术解码，得到二进制化的NZ码字和MVD码字；
S43： 对于长度大于14的NZ码字以及长度大于9的MVD码字，依此从最后n比特中提取出隐藏的信息，具体的公式为：
Figure 335385DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为加密的码字最后n比特中的一个比特，k为用于解密的比特流中对应的比特。
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