CN108965887A

CN108965887A - 一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法和装置

Info

Publication number: CN108965887A
Application number: CN201810699822.1A
Authority: CN
Inventors: 曹纭; 赵险峰; 刘长军
Original assignee: Institute of Information Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Information Engineering of CAS
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: CN108965887B

Abstract

本发明涉及一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法和装置。该方法包括以下步骤：1)输入待嵌入载体视频并获取其信道参数，所述信道参数包括每个块是否为非参考块、每个非参考块中的非零DCT系数值及其嵌入代价；2)将所有非参考块中的非零DCT系数作为隐蔽信道的载体，对其进行隐写编码；3)对待嵌入载体视频进行压缩，在压缩的过程中，根据步骤1)获取的信道参数与步骤2)获得的编码结果，对所有非参考块中的非零DCT系数应用最低比特位进行替换修改，得到隐写视频文件。本发明应用载体块间去耦合技术避免代价漂移现象的产生，特别适用于对实时性要求不高而对安全性能要求较高的隐蔽通信场景。

Description

一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法和装置

技术领域

本发明涉及一种视频信息隐藏(Video Information Hiding)方法，具体涉及一种主要适用于H.264/AVC压缩视频的自适应信息隐藏设计框架，以及一种在此框架下的具体信息隐藏方法和装置。该方法以帧内预测编码产生的离散余弦变换(Discrete CosineTransform，DCT)系数作为嵌入元素，基于块间去耦合技术，在实现消息嵌入的同时达到嵌入代价最小化的目的，属于信息安全技术领域中的信息隐藏子领域。

背景技术

当前以数字多媒体内容作为载体的信息隐藏技术主要分为两大类：隐写(Steganography)和水印(Digital Watermarking)。隐写技术主要用于隐蔽通信，可以将秘密信息嵌入到数字媒介中而不损坏它的载体的质量，使得第三方对于隐蔽信道不可感知。因此密钥、数字签名、商业情报等私密信息都可以在开放的网络环境中安全的传送。水印技术主要用于版权保护，将标识信息嵌入数字媒介而不影响原载体的使用价值，也不容易被探知和再次修改，是实现防伪溯源、版权保护的有效办法。

近年来，随着高性能网络技术与压缩编码技术的飞速发展，数字视频已经成为互联网上最具有影响力的信息媒介之一。在线存储，在线分享，在线点播，在线直播等应用获得用户井喷式增长的同时，也为视频信息隐藏技术的发展带来了新的契机。一方面，海量的视频资源与频发的视频传输给基于视频的隐蔽通信提供了很好的隐身环境，有助于发挥视频隐写容量大的优势；另一方面，数字视频容易被拷贝和篡改，需要更高性能的水印技术对著作权信息和完整性进行保护。

视频信息隐藏总体上可分为空域(Spatial Domain)和压缩域(CompressedDomain)两大类方法，前者通过直接修改视频帧的原始像素值以嵌入秘密信息；后者则对压缩视频各编码系数进行修改，包括帧内预测模式(Intra Prediction Mode)，帧间预测模式(Inter Prediction Mode)，DCT系数，运动向量(Motion Vector)，熵编码系数(EntropyCoding Coefficients)等等。由于空域隐藏方法不能抵抗压缩编码，导致隐蔽消息在压缩后不能保证完全被提取，故而现阶段具有实用价值的视频信息隐藏方法往往是基于压缩域进行设计的。这些方法根据选择的嵌入元素自然地分为若干大类，其中，基于DCT系数的方法最为普遍，也最为受到关注。首先，这是因为DCT系数几乎是压缩视频中占比最大的元素，为信息隐藏提供了充足的容量；其次，基于DCT系数的方法对视频压缩质量(包括重建视觉质量与压缩效率)影响不大；最后，现有很多先进的图像信息隐藏方法都是基于DCT系数设计的，这对视频信息隐藏方法的设计具有很好的借鉴意义。

当前主流的自适应隐写方案几乎都采用了图1所示的代价最小化嵌入模型来进行消息嵌入，该模型中最关键的部分就是代价的设计，基于选定的代价函数计算每个嵌入位置的代价，然后借助STC码(Syndrome Trellis Code)进行秘密信息的嵌入。关于STC的简述如下：

设x＝(x₁,x₂,…,x_n)^T为原始二进制载体向量；x′＝(x′₁,x′₂,…,x′_n)^T为经过隐写嵌入后的载体向量；为正实数向量且表示将x中的元素x_i修改成x′_i的代价；H为奇偶校验矩阵；m为秘密信息向量。则STC能够构造出满足Hx′＝m的x′，并且使得隐写嵌入代价最小，其中，函数δ满足

在当前信息隐藏研究领域，基于STC(Syndrome-Trellis Codes)的自适应代价最小化模型的安全性和实用性得到广泛认可(参考文献：Filler T,Judas J,FridrichJ.Minimizing additive distortion in steganography using syndrome-trelliscodes[J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2011,6(3):920-935.)，并且已经成功应用于高性能图像隐蔽通信方案的设计中。但是由于视频压缩编码中预测机制的存在，作为信息载体的压缩视频数据元素之间存在着高度依赖关系，这使得对当前元素的修改会对后续元素的嵌入代价产生级联影响，且无法预测，这严重影响代价最小化目的实现。

目前以量化DCT系数为嵌入元素的H.264视频信息隐藏方法可以分为两大类：一类方法采用部分解码的方式获取DCT系数，对系数进行修改，然后直接将修改后的系数重新熵编码为压缩码流。这种设计思路的优点是实现简单，由于避免了压缩编码中开销最大的运动搜索过程，相关算法对硬件性能要求低，并且能够很好地满足实时性处理要求。但是这类方法的最大的问题在于“失真漂移”(Distortion Drift)，因此如果随意地对解压的DCT系数进行修改，那么在解码时由于系数嵌入引入的误差会不断累积，从而严重影响后续重建块的视觉质量，甚至造成解码失败(参考文献：Yunxia Liu,Mingsheng Hu,Xiaojing Ma,and Hongguo Zhao.A new robust data hiding method for h.264/avc without intra-frame distortion drift.Neurocomputing,151,Part 3:1076-1085,2015)。由于无法自由选择嵌入位置，在该嵌入模式下无法适用基于STC的代价最小化嵌入模型。另一类方法在压缩编码的过程中实施对DCT系数的修改(中国专利“一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法”，申请号：201610554530.X)，这一类方法可以完全避免在“失真漂移”现象的产生，但是与图像嵌入元素(像素值/DCT系数值)不同，压缩视频嵌入元素不满足基本相互独立的性质，这导致在嵌入过程中对当前元素的修改会对后续元素的嵌入代价产生级联影响，且无法预测，这使得根据先前载体元素计算的代价没有意义，从而导致整体上代价最小化努力的失败。我们把这种现象称为代价漂移(Cost Drift)。

经过专利查询，在本领域内已有的相关专利申请情况如下：

(1)专利申请号为201610554530.X的中国专利“一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法”公开了一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法，该方法通过与压缩编码紧耦合的方式实现高安全性或高容量的无失真漂移现象的信息隐藏。但是该方法无法在I帧DCT系数域应用基于STC的代价最小化嵌入模型，从而无法实现真正意义上的自适应嵌入。相关问题可以通过本发明在一定程度上得到解决。

(2)专利申请号为201510015101.0的中国专利“一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入及提取方法”公开了一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入及提取方法，该方法利用H.264/AVC编码器对原始视频进行压缩编码，对I帧视频的宏块亮度数据，按照H.264/AVC视频编码标准将每个宏块的16个4×4亮度块抽取出来，分别对每个4×4亮度块进行整数离散余弦变换；根据每个4×4亮度块整数离散余弦变换后的系数，将每个4×4亮度块分为纹理块和非纹理块；根据二进制水印信息，调制每个宏块的局部能量差；将嵌入二进制水印后的4×4亮度块熵编码，得到含水印视频流。由于该方法对每个宏块进行DCT变换后根据纹理对嵌入块进行了筛选，不满足适用代价最小化嵌入模型的基本要求，故该方法和本发明的设计思路与具体实现方式明显不同。

(3)专利申请号为201410828416.2的中国专利“无帧内误差漂移的H.264/AVC压缩域鲁棒视频水印嵌入及提取方法”公开了一种无帧内误差漂移的H.264/AVC压缩域鲁棒视频水印嵌入及提取方法，该方法通过解析出I帧中预测编码模式为Intra_4×4的宏块中非零残差系数的个数大于阈值的残差系数矩阵，再通过调制残差系数矩阵与相应水印模板之间的正负相关性，将水印嵌入在I帧中的预测编码模式为Intra_4×4的宏块中的4×4子块中。由于该方法没有考虑适用代价最小化嵌入模型的基本要求，故与本发明的基本目的、设计思路和具体实现方式明显不同。

(4)专利申请号为201310110552.3的中国专利“一种视频数字水印的嵌入、提取方法和装置”公开了一种基于区域DCT系数的H264视频水印方法。该方法首先对视频I帧进行区域划分，通过计算每个区域的能量，选择合适的视频区域DCT系数进行水印嵌入。由于该方法属于部分解码方法，对每个宏块的DCT嵌入块进行了筛选，不满足适用代价最小化嵌入模型的基本要求，故该方法和本发明的设计思路与具体实现方式明显不同。

(5)专利申请号为201210505031.3的中国专利“一种基于区域DCT系数的H264视频水印方法”提供了一种视频数字水印的嵌入、提取方法和装置。该方法在嵌入时将视频流划分宏块，并对每个宏块进行离散余弦变换，而后根据变换系数筛选出纹理块并对纹理块进行系数Z行排序得到纹理块的系数矩阵，最后根据二进制序列和纹理块的系数矩阵完成水印信息的嵌入。由于该方法对每个宏块进行DCT变换后根据纹理对嵌入块进行了筛选，不满足适用代价最小化嵌入模型的基本要求，故该方法和本发明的设计思路与具体实现方式明显不同。

(6)专利申请号为201110184501.6的中国专利“一种面向H.264/AVC视频的信息隐藏方法”公开了一种面向H.264/AVC视频的信息隐藏方法，通过修改I帧的DCT系数实现水印信息的嵌入，而对于B帧和P帧则通过修改MVD数据实现隐密信息的嵌入。由于该方法在压缩过程当中需要对4×4块进行选择，并且应用NNZ映射进行嵌入，不满足适用代价最小化嵌入模型的基本要求，故该方法和本发明的设计思路与具体实现方式明显不同。

发明内容

本发明的目的在于，通过研究H.264帧内预测编码的处理机制，提出适用于预测编码的自适应嵌入设计框架，能够根据具体的要求设计出嵌入代价最小化的信息隐藏方法。

本发明相比其他基于量化DCT系数的H.264视频隐写方法，该方法应用了载体块间去耦合技术，能够完全避免代价漂移现象的产生。可见，本发明提出的方法有别于以往的任意H.264视频信息隐藏方法，特别适用于对实时性要求不高而对安全性能要求较高的隐蔽通信场景。

具体来说，本发明采用的技术方案如下：

一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法，包括以下步骤：

1)输入待嵌入载体视频并获取其信道参数，所述信道参数包括每个块是否为非参考块、每个非参考块中的非零DCT系数值及其嵌入代价；

2)将所有非参考块中的非零DCT系数作为隐蔽信道的载体，对其进行隐写编码；

3)对待嵌入载体视频进行压缩，在压缩的过程中，根据步骤1)获取的信道参数与步骤2)获得的编码结果，对所有非参考块中的非零DCT系数应用最低比特位进行替换修改，得到隐写视频文件。

进一步地，所述非参考块是不被后续相邻块参考的分块，将所有不被其右方、左下方、正下方和右下方相邻分块中的任何一个参考的4×4亮度分量DCT系数块称为非参考块。

进一步地，步骤1)所述待嵌入载体视频为H.264视频或其它包含帧内预测的视频。

进一步地，步骤1)对于未经压缩的原始视频，对其进行压缩编码，在压缩编码过程中记录下信道参数；对于已压缩的原始视频，调用标准解码器将其完全解压，随后再将解压后的视频进行压缩编码，在压缩编码的过程中记录下信道参数。

进一步地，步骤2)根据隐写编码的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H，计算出满足Hx′＝m的x′，其中m表示该隐蔽信道中待嵌入的秘密消息比特，x′表示经过修改的载体向量的最低比特位向量，然后令m＝x′。

进一步地，步骤3)根据m对所有非参考块中的非零DCT系数应用最低比特位进行替换修改，使得修改后的系数最低比特位向量等于m，同时保持非零，从而得到最终的隐写视频文件。

进一步地，还包括秘密信息的提取过程，包括以下步骤：

a)输入待提取秘密信息的含密视频，对其进行解码，在解码的过程中识别并记录每一个非参考块的非零DCT系数，并顺序记录其最低比特位为向量x；

b)按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H，计算m＝Hx，得到提取的秘密信息。

与上面方法对应地，本发明还提供一种基于块间去耦合的视频信息隐藏装置，其包括：

信道参数获取模块，负责获取输入的待嵌入载体视频的信道参数，所述信道参数包括每个块是否为非参考块、每个非参考块中的非零DCT系数值及其嵌入代价；

编码模块，负责将所有非参考块中的非零DCT系数作为隐蔽信道的载体，对其进行隐写编码；

隐写模块，负责对待嵌入载体视频进行压缩，在压缩的过程中，根据所述信道参数获取模块获取的信道参数与所述编码模块获得的编码结果，对所有非参考块中的非零DCT系数应用最低比特位进行替换修改，得到隐写视频文件。

进一步地，上述装置还包括秘密信息提取模块，负责提取含密视频中的秘密信息。

本发明的视频信息隐藏方法对相关技术领域的有益效果如下：

1)消息嵌入过程与H.264编码过程紧耦合，不会造成失真漂移现象，同时应用块间去耦合技术消除了嵌入过程中载体块之间的相互影响，使得应用基于STC的代价最小化嵌入模型成为可能，有利于在压缩视频中实现真正意义上的内容自适应嵌入，在很大程度上提高了算法性能。

2)基于STC隐写编码的嵌入策略配置丰富，安全性高。可以根据视频内容的不同特点选取对编码单元大小、嵌入强度等参数进行合理配置。另外，可以针对量化DCT系数设计不同的代价计算函数来满足不同情况下的安全性要求。针对不同的应用场景，本发明可以定制不同的量化DCT系数扰动代价计算模型，因此拥有较高的灵活性。

附图说明

图1是本发明的基于STC编码的代价最小化嵌入示意图；

图2是本发明的H.264标准4×4分块帧内预测模式示意图；

图3是本发明的秘密消息嵌入流程图；

图4是本发明的秘密消息提取流程图；

图5是使用中国专利201610554530.X中的方法进行信息隐藏后的含密视频示意截图；

图6是使用本发明进行信息隐藏后的含密视频示意截图。

具体实施方式

本发明提出的数字视频信息隐藏方法适用于各种符合H.264或具有类似特征(包含帧内预测)编码标准的数字内容，其核心思想是通过选择非参考块作为嵌入载体块，避免嵌入过程中产生代价漂移问题，实现真正意义上的代价最小化嵌入。

首先介绍本发明提出的块间去耦合技术。本发明称所有参与嵌入的4×4亮度分量DCT系数块为隐写载体块，去耦合的目的是使得压缩编码过程中，对当前载体块的改动，不会对后续载体块产生影响。由于H.264在帧内编码时采用了帧内预测机制，每一个4×4分块都有可能被后续相邻块作为参考进行编码，所以对当前块的修改，会对后续分块的编码过程产生影响。本发明认为可以通过选择不被相邻块参考的分块进行嵌入，从而完全避免代价漂移的产生。如图2所示，H.264帧内预测编码时，为每个4×4分块提供了9种预测模式，对应不同的预测依赖关系。可以看出，当前分块在帧内预测过程中，可能且只能受到左上方、上方、右上方和左方的一个或多个相邻分块的影响。例如在模式3下，当前分块的预测编码会受到上方和右上方两个相邻分块的影响，而不会受到左方和左上方两个相邻分块的影响。另一方面，当前编码块可能且只能被其右方、左下方、正下方和右下方的一个或多个相邻编码块所参考。本发明将所有不被其右方、左下方、正下方和右下方分块中的任何一个相邻分块参考的4×4亮度分量DCT系数块称为“非参考块”，对“非参考块”的修改不会对后续分块的编码造成影响。块间去耦合技术通过对每个块的被参考情况进行分析，选出所有非参考块作为载体块，参与代价最小化的自适应嵌入。

本实施例提出的一种基于块间去耦合的H.264视频信息隐藏方法，其流程如图3所示，包括以下步骤：

1)预处理：输入待嵌入载体视频V，如果V是未经压缩的原始视频，则将其标记为V^R，并对其进行标准H.264压缩编码(一次压缩)，在编码过程中，记录下信道参数。否则调用标准解码器将其完全解压得到V^R，随后再将解压后的视频视为原始视频输入系统进行压缩编码，在压缩编码的过程中，记录下信道参数。预处理过程中的信道参数包括每个块是否为非参考块，每个非参考块中DCT系数的嵌入代价等。

2)信息隐藏编码：将步骤1)中所得所有非参考块中的非零DCT系数作为隐蔽信道的载体，根据STC隐写码的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H，计算出满足Hx′＝m的x′，其中m表示该隐蔽信道中待嵌入的秘密消息比特，x′表示经过修改的载体向量的最低比特位向量，然后令m＝x′；

3)二次压缩嵌入：对V^R进行二次压缩(采用H.264标准压缩编码)，在压缩的过程中，根据步骤1)获得的信道参数与步骤2)获得的编码结果，根据m对所有非参考块中的非零DCT系数应用最低比特位进行替换修改，使得修改后的系数最低比特位向量等于m，同时保持非零；

4)得到最终的隐写视频文件。

进一步地，上述方法还包括秘密信息的提取过程，其流程如图4所示，包括以下步骤：

1)预处理：输入待提取的含密视频V，对其进行解码，在解码的过程中识别并记录每一个非参考块的非零DCT系数，并顺序记录其最低比特位为向量x；

2)按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H，计算m＝Hx；

3)得到提取的隐蔽消息。

以下通过一般例子，描述如何以压缩视频中的某个I帧F为载体进行消息嵌入的完整过程。

1)解压F至空域，得到未压缩视频帧F^R(上标R表示其解压到空域的像素帧)，在此过程中，完成嵌入信道的构建：

a)判断每个4×4亮度分量块是否为非参考块，将所有非参考块记为记为C＝{B₁,B₂,…,B_N}；

b)取C中每个非参考块对应的DCT系数块中的非零系数，按zig-zag顺序组成系数向量x＝{x₁,x₂,…,x_M}^T；

c)根据预先设计的代价函数(本例中将DCT系数的量化误差作为代价)计算x＝{x₁,x₂,…,x_M}^T对应的代价向量

2)STC编码，将x、Γ与需要嵌入的消息比特向量m输入STC编码器，得到满足嵌入要求的x′＝{x′₁,x′₂,…,x′_M}T；

3)对F^R进行二次压缩编码，在此过程当中，根据x′对所有非参考块中的非零DCT系数进行相应修改，完成消息嵌入。

为验证本发明涉及到的信息隐藏方法的效果，挑选6个视频进行验证性试验，6个视频具体参数如表1所列。实验使用的H.264编码器集成了背景技术中提到的中国专利201610554530.X公开的方法和本发明提出信息隐藏方法，QP设置为28，GOP设置为12。嵌入后相关结果记录于表2，图5和图6分别是利用两种方法得到的含密视频示意截图。通过对比可以看出，在嵌入容量相当的情况下，两种方法对压缩质量的影响都很小，本发明在压缩率及视觉质量上有一定的优势。

表1.测试视频列表

视频ID

名称

格式

编码标准

分辨率

长度

大小MB

1

Walk

YUV

N/A

CIF

15s

54.5

2

Speedbag

YUV

N/A

480P

22s

281

3

Stockholm

AVI

MPEG-4

480P

24s

6.64

4

Crowd run

AVI

H.264

720P

20s

31

5

Aspen

MKV

MPEG-4

480P

22s

9.33

6

Control Fire

FLV

H.264

720P

22s

10.5

表2.测试结果

本发明另一实施例提供一种基于块间去耦合的视频信息隐藏装置，其包括：

上述装置进一步还可包括秘密信息提取模块，负责按照前文所述的方法提取含密视频中的秘密信息。

本发明将相互影响的载体块隔离开，对当前块的修改不会对后续载体块产生影响，从而可以支持在压缩编码的过程中实现自适应消息嵌入。具体实施方式不限于STC隐写编码，其他隐写编码诸如汉明编码、BCH编码及湿纸编码等都可以以类似的方式进行应用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims

1.一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非参考块是不被后续相邻块参考的分块，将所有不被其右方、左下方、正下方和右下方相邻分块中的任何一个参考的4×4亮度分量DCT系数块称为非参考块。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述待嵌入载体视频为H.264视频或其它包含帧内预测的视频。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)对于未经压缩的原始视频，对其进行压缩编码，在压缩编码过程中记录下信道参数；对于已压缩的原始视频，调用标准解码器将其完全解压，随后再将解压后的视频进行压缩编码，在压缩编码的过程中记录下信道参数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)根据隐写编码的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H，计算出满足Hx′＝m的x′，其中m表示该隐蔽信道中待嵌入的秘密消息比特，x′表示经过修改的载体向量的最低比特位向量，然后令m＝x′。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3)根据m对所有非参考块中的非零DCT系数应用最低比特位进行替换修改，使得修改后的系数最低比特位向量等于m，同时保持非零，从而得到最终的隐写视频文件。

7.如权利要求1～6中任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括秘密信息的提取过程，包括以下步骤：

8.一种基于块间去耦合的视频信息隐藏装置，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述非参考块是不被后续相邻块参考的分块，将所有不被其右方、左下方、正下方和右下方相邻分块中的任何一个参考的4×4亮度分量DCT系数块称为非参考块。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括秘密信息提取模块，负责提取含密视频中的秘密信息。