CN109257521A - 一种stc信息隐藏算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种STC信息隐藏算法，针对视频信息隐藏算法嵌入容量有限、嵌入后视频质量低的问题，本发明结合视频帧间失真迭代、帧内纹理性和运动特性对失真的影响，提出一种利用帧序号、图像帧纹理性和运动特性构建失真代价函数，用此函数为载密数据分配STC信息嵌入时的代价。同时，针对帧间失真迭代的问题，以后编码帧优先嵌入的原则嵌入信息，实现基于STC和代价分配的最小失真信息隐藏算法。该算法计算简单，容易实现，具有良好的嵌入容量和含密视频质量，具有实用价值。

Description

一种STC信息隐藏算法

技术领域

本发明涉及数字视频信息隐藏技术领域，特别是一种STC(Syndrome-TrellisCodes，综合格码)信息隐藏算法，将秘密信息嵌入在视频序列QDCT(Quaternion DiscreteCosine Transform，量化离散余弦变换)系数中，能有效地使失真最小。

背景技术

由于近年来互联网的飞速发展和视频压缩技术的成熟，以及各种功能强大的视频处理软件的出现，使得数字视频的传输、存储、复制及编辑等处理变得方便快捷的同时，也使人们开始关注多媒体信息安全问题。信息隐藏技术是一种将秘密信息隐藏在已有媒体中的信息安全技术，媒体的冗余信息越多，秘密信息越容易隐藏，就越安全。信息隐藏的历史可以追溯到公元前440年的隐写术，在数字时代，信息隐藏技术已经成为信息安全研究领域的热点。

视频信息隐藏方法按照嵌入位置的数据表示，将信息隐藏方法分为有直方图平移、频谱扩展、位平面代换等方法，同时考虑到嵌入后的失真，基于代价分配的最小失真方法也是信息隐藏技术的重要分支。

文献“Decomposing Joint Distortion for Adaptive Steganography”(WeimingZhang,Zhuo Zhang,Lili Zhang,Hanyi Li,and Nenghai Yu，IEEE Transactions onCircuits and System for Video technology,vol.27,no.10,2017)提出因信息嵌入带来的失真主要有加性失真和非加性失真。两种失真可以用联合失真计算，文献定义的像素块联合失真，更能合理地反映真实的嵌入失真。因此信息隐藏技术不仅是信息嵌入方法的研究，也是嵌入失真、所嵌信息的目的达到与否的评估研究。文献“Inter-frame distortiondrift analysis for reversible data hiding in encrypted H.264/AVC videobitstreams”(Yuanzhi Yao,Weiming Zhang,Nenghai Yu,Signal Processing,vol.128,pp.531–545,2016)对视频的帧间失真进行了研究，在视频序列为IPPP时，由于P帧间的相互参考，失真逐帧累加，使得在同一个GOP(Group of Pictures，图片组)内，随着帧数的增加，失真逐渐增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在IPPP视频序列的QDCT系数上以最小失真秘密信息的信息隐藏算法。该算法能有效预测每个QDCT系数上嵌入信息后的失真，从而选择最小失真的方式实现嵌入。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种STC信息隐藏算法，根据失真代价函数f_cost计算帧内每个载体元素的失真代价；

第m个载体元素嵌入的失真代价函数f_cost(m)为

其中，

factor_l为帧序号对嵌入失真的影响因子，i为当前帧f_i的帧序号；

factor_Mv为运动特性对嵌入失真的影响因子，Mv_x,Mv_y为该帧的运动矢量；

factor_f(m)＝1-Wf_k，factor_f为纹理特性对嵌入失真的影响因子，Wf_k表示第k个频带的纹理度，k＝1,2,3,4分别对应QDCT系数分成的低、中、中高和高频四个频带；其中，

fz(k)是第k个频带内所有系数的集合，AC_r,c是4×4块位于r行c列的系数；

Sum_f是载体元素所在频带内所有系数的和；

sign()为符号函数。

进一步的技术方案为，

STC嵌入信息时，以先编码帧的目标失真小于后编码帧的失真为原则，为每帧预设嵌入失真：

其中，d_i和d_i-1分别为当前帧的预设失真和参考帧的失真，d为把当前未嵌入信息平均嵌入在剩余的每帧中带来的失真，Num_f为一个GOP中的总帧数，η表示相邻帧在失真上的增量因子；

每帧参考预设嵌入失真，以负载优先或失真优先的方式嵌入信息。

与现有的视频信息隐藏算法相比，本发明基于帧内块的纹理性，同时考虑了视频帧图像块内不同频率系数对帧间失真的影响，结合STC实现具有最小失真的信息隐藏算法，从而有利于本发明的推广应用。

附图说明

图1为4×4块的各系数及所属频率域分布图。

图2为影响失真代价函数的各因子关系图。

图3为嵌入信息后各帧视频序列PSNR值变化图。

具体实施方式

本发明利用视频帧间相关性、帧内的纹理特性以及运动特性，设计了一种视频帧的QDCT系数嵌入信息的失真代价函数，并基于该失真代价函数设计具有最小失真的STC信息隐藏算法。

本发明包括视频QDCT域上的失真代价函数定义和基于STC和代价分配的信息隐藏算法两个部分。

视频帧QDCT域上的失真代价函数定义部分，主要步骤如下：

首先，基于P帧间的相互参考，参考帧的误差会迭代到当前帧并层层迭代，因此帧序号成为影响信息隐藏中嵌入失真的一个因素，并与失真成反比。其次，基于帧或块运动特性对失真的影响，当前帧可由参考帧与运动残差计算得到，运动性较强的块具有较大的运动残差，在当前帧中所占的比例也较大，修改运动残差产生的失真影响也较大，因此，运动性的强弱与失真成正比关系。接着，基于视频帧内图像块的频率分布(纹理性)对失真有遮蔽效应，用纹理度来表示频率区域内的纹理性，建立失真与纹理的反比关系。最后，基于以上三个因素，用指数函数建立以失真代价为因变量，帧序号、运动特性以及纹理性作为自变量的函数关系。

基于STC和代价分配的信息隐藏算法，主要步骤如下：

首先，生成每帧的载密数据。每帧图像以4×4块为单位计算边缘点，并以此为纹理性依据将帧内块分成平坦、纹理以及边缘区域，分别选取各个纹理区域中具有最小帧间失真的元素作为载密数据。其次，根据失真代价分配函数为每个载密数据分配失真代价，用STC在每帧中嵌入信息。同时由于帧间失真的迭代，在逐帧嵌入信息时，以信息主要嵌入在GOP后编码帧为原则减少帧间失真迭代。最后，在接收端，在解码后的反量化前提取信息。

具体如下：

假设设计当前帧的第m个载体元素的失真代价。

1、视频帧QDCT域上嵌入信息的失真函数定义：

(1)帧序号对嵌入失真的影响。在视频帧中，已编码的P帧作为待编码P帧的参考帧，参考帧的失真迭代是当前帧失真的组成部分。参考帧的帧序号决定失真迭代的影响范围。设一个GOP内有N_gop帧，帧序号为i的当前帧f_i的失真会迭代到其后面(N_gop-i)帧，因此，帧序号越小，失真迭代的影响就越大，记factor_l为帧序号对嵌入失真的影响因子，可用反比关系表示为

(2)运动特性对嵌入失真的影响。运动残差和运动向量是衡量帧间运动特性的变量。每帧均由参考帧与运动残差组成，运动性强的帧或块，运动残差在该帧中所占的比例较大，嵌入失真对帧或块的影响也较大。因此失真代价与运动特性成正比，记factor_Mv为运动特性对嵌入失真的影响因子，用该块或帧的运动矢量(Mv_x,Mv_y)表示为：

(3)纹理特性对嵌入失真的影响。对一个4×4块内的QDCT系数(如图1所示)，将QDCT系数分成低、中、中高和高频四个频率带(简称频带，图片中不同颜色的区域表示不同的频带)，为了更好地刻画频域纹理特性，用纹理度表示每个频带的纹理特性，记为

其中Wf_k表示第k个频带的纹理度，AC_r,c图1中4×4块(r,c)位置的系数，fz(k)是第k个频域内所有系数的集合。受纹理特性对嵌入失真有掩蔽效应，记factor_f为纹理特性对嵌入失真的影响因子，可表示为：

factor_f(m)＝1-Wf_k,k＝1,2,3,4

(4)嵌入失真定义

在一个载体数据上嵌入信息，除了要考虑以上因素对嵌入的影响外，结合±1嵌入，还要考虑在载体上嵌入+1和-1的代价区分。记Sum_f是载体数据所在频带内所有系数的和，我们认为当Sum_f>0时，在嵌入+1的代价小于嵌入-1，反之亦然。基于帧序号、运动特性以及纹理特性对嵌入失真的影响(如图2)，结合指数函数的性质，第_m个载体数据嵌入失真代价函数f_cost的定义如下：

其中sign(·)为符号函数，该失真代价函数在选择载体数据时生成。

2、基于STC和代价分配的信息隐藏算法：

(1)载密数据生成，将每个视频帧分成互不重叠的16×16宏块，并计算每块内以4×4为单位的边缘像素，根据边缘像素的数目，将帧内宏块分成平坦、纹理以及边缘区域，将平坦区域的低频QDCT系数、纹理区的高频QDCT系数以及边缘区的中频和中高频QDCT系数作为载密数据备选。为了使嵌入失真最小，考虑到图1中集合{AC_(2,2)AC_(2,4)AC_(4,2)AC_(4,4)}中的系数具有最小帧间失真，根据图像块的纹理性选择图该集合中的元素作为载密数据，即平坦块对应AC_(2,2)，纹理块对应AC_(4,4)，边缘块对应AC_(2,4)和AC_(4,2)。假设每帧有N₄个4×4的块，那么该帧的载密数据N_c有：

N₄≤N_c≤2N₄

(2)根据失真代价分配函数计算失真代价，并以16×16的块为单位排列载密数据。为使帧间失真最小，STC嵌入信息时，以先编码帧的目标失真小于后编码帧的失真为原则，为每帧预设嵌入失真：

其中d_i和d_i-1分别为当前帧的预设失真以及参考帧的失真，d为把当前未嵌入信息平均嵌入在剩余的每帧中带来的失真，Num_f为一个GOP中的总帧数，η表示相邻帧在失真上的增量因子，通过实验验证，当η＝3时，可以获得较好效果。每帧参考预设失真，以负载优先或失真优先的方式嵌入信息。

(3)在接收端，在解码后的反量化前提取信息。

本发明方法的效果可以通过含密视频质量验证，主要包括：

1.嵌入容量与视频质量

选取单帧尺寸144×176的10帧(一个GOP)原始YUV格式的foreman、coastguard、hall、akiyo、grandma、silent 6个视频序列作为样本序列。信息隐藏算法的嵌入容量与含密视频质量密切相关。为了对比嵌入容量，在六个样本序列中嵌入5400bit、9000bits和10800bits秘密信息。用PSNR(Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比)、MSE(Mean-Square Error，均方误差)以及SSIM(Structural Similarity index，结构相似指数)作为衡量嵌入后视频质量的参数，实验结果见表1。由信息嵌入的数量较大(与图3相比)，多数帧都承担了信息嵌入，而不同数量级的信息嵌入造成视频质量相差较小(表1中数据可见)，因此本发明涉及的失真代价函数是有效的。如，当嵌入容量从5400bit增加到10800bit时，PSNR仅降了1.05dB。

2.视频质量降级

本发明涉及的信息隐藏算法选取的载密数据具有较低的帧间失真，同时失真代价函数中也充分考虑了帧内和帧间影响失真代价的因素，因此视频质量降级较小。图3是嵌入信息后各帧视频序列PSNR值变化图(嵌入的信息量见图所示)。从图3可以看出，由于信息隐藏以后编码帧优先嵌入的原则，当待嵌信息较少，只有部分后编码帧嵌入信息，先编码帧的失真接近于0，后编码帧的失真大部分是由于嵌入引起的失真，因此本发明中涉及以后编码帧优先嵌入，并预设第一帧的失真的方法有效，与平均在每帧中嵌入信息相比，单独使用该方法可降低帧间失真。

3.结合图3和表1的实验结果，以及失真代价分配函数和逐帧嵌入方法的原理，可以得出结论：1)失真代价分配函数是为每个载体元素预测嵌入操作可能带来的失真，主要考虑直接嵌入失真，因此移植到其他方案中也能起到减小嵌入失真的作用；2)后编码帧优先嵌入，并为每帧预分配目标失真，是一种减小帧间失真的策略，从图3可看出，当嵌入信息较少时，部分先编码帧没有嵌入信息或嵌入较少的信息，从而减少帧间失真，因此移动到其他方案也能起到减小帧间失真的效果。

表1含密视频质量

Claims (2)

1.一种STC信息隐藏算法，其特征在于，根据失真代价函数f_cost计算帧内每个载体元素的失真代价；

第m个载体元素嵌入的失真代价函数f_cost(m)为

其中，

factor_l为帧序号对嵌入失真的影响因子，i为当前帧f_i的帧序号；

factor_Mv为运动特性对嵌入失真的影响因子，Mv_x,Mv_y为该帧的运动矢量；

factor_f(m)＝1-Wf_k，factor_f为纹理特性对嵌入失真的影响因子，Wf_k表示第k个频带的纹理度，k＝1,2,3,4分别对应QDCT系数分成的低、中、中高和高频四个频带；其中，

fz(k)是第k个频带内所有系数的集合，AC_r,c是4×4块位于r行c列的系数；

Sum_f是载体元素所在频带内所有系数的和；

sign(·)为符号函数。

2.如权利要求1所述的一种STC信息隐藏算法，其特征在于，STC嵌入信息时，以先编码帧的目标失真小于后编码帧的失真为原则，为每帧预设嵌入失真：

其中，d_i和d_i-1分别为当前帧的预设失真和参考帧的失真，d为把当前未嵌入信息平均嵌入在剩余的每帧中带来的失真，Num_f为一个GOP中的总帧数，η表示相邻帧在失真上的增量因子；

每帧参考预设嵌入失真，以负载优先或失真优先的方式嵌入信息。