CN111918072A - 结合n维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法、系统及装置 - Google Patents

结合n维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法、系统及装置 Download PDF

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CN111918072A CN202010807865.4A CN202010807865A CN111918072A CN 111918072 A CN111918072 A CN 111918072A CN 202010807865 A CN202010807865 A CN 202010807865A CN 111918072 A CN111918072 A CN 111918072A
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Abstract

本发明公开了一种结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法、系统及装置，首先计算特定筛选的拖尾系数的N维立方特征值，并按照特定的嵌入机制进行修改，盲提取时只需得到嵌入块的拖尾系数，并重新计算其N维立方编码特征值，此时将得到的数值转化为二进制即为嵌入的秘密信息，通过结合视频载体中具有较好嵌入特性的拖尾系数，计算拖尾系数的N维立方特征值，并选择特定的嵌入机制进行修改，在提取时只需得到嵌入块的拖尾系数，并重新计算其N维立方编码，此时将得到的数值转化为二进制就是嵌入的秘密信息，具有较高的不可见性以及较低的修改率，同时比特率增加较少。

Description

结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法、系统及装置
技术领域
本发明属于视频信息隐写领域，具体涉及结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法、系统及装置。
背景技术
随着网络的快速发展，人们的生活变得愈加便捷，但随之而来的安全问题也接踵而至。作为信息安全中的重要分支，隐写技术在保护秘密信息的传输安全方面发挥着重要作用。
随着5G时代的来临，人们更愿意以视频的方式分享自己的所见所感，因此互联网上大量充斥视频载体的多媒体文件。隐写技术是把秘密信息存放在公开的信道上，以公开的方式进行传输，所以研究以视频为载体的隐写算法具有较高的现实意义。
现有技术中：以像素直方图的统计特性为出发点，将其应用于最佳像素的选择过程，并通过对选择出的最佳像素进行修改达到嵌入的目的，算法具有较好的视觉不可见性以及嵌入容量，但嵌入时对载体的改变较大。
针对差分能量调制算法鲁棒性低的问题，结合量化块的水平与竖直区间的对应关系提出一种水印差分能量调制的信息隐藏算法。该算法改善了能量调制算法中鲁棒性低的特点并且提高了嵌入容量，调制后的比特率也得到保持，但嵌入效率不佳。
魏芳芳等人通过载体4×4亮度块的边缘强度将9种预测模式进行了划分，结合矩阵编码技术保证每一个预测模式可以调制4比特秘密信息，实验表明，算法具有较大的隐藏容量，但比特率增加较高。
也有人提出一种基于帧间预测模式中树状结构运动补偿的隐写算法，通过强制添加额外的预测帧并将其作为当前帧的参考帧来增加算法的嵌入容量，但同时导致视频载体整体容量的较大提高，不利于进行网络实时传输，同时对载体的修改率较大。
还有一种新的基于运动矢量的视频隐写算法，通过引入合适的嵌入规则，较好地保持嵌入过程中载体特性并同时增加了嵌入效率，但隐写后码流比特率的增加较大，不利于网络传输。
综上所述，无论是利用视频中较为特殊的运动矢量、帧间预测、帧内预测还是DCT系数，对其修改时，会存在修改率较大或者比特率提升较多的行为，不利于嵌入后视频载体的快速传输。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法、系统及装置，具有较高的不可见性以及较低的修改率，同时比特率增加较少，抗隐写分析效果较好。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法，包括隐写过程和提取过程，具体包括以下步骤：
S11，秘密信息预处理；
S12，根据拖尾系数确定S11所述秘密信息的待嵌入DCT块；
S13，对S12所述拖尾系数分别计算其N维立方编码特征值，得到修改后的载体系数；
S14，将S13所得修改后的载体系数替换对应位置的DCT系数并放回至DCT块中；
S15，重复S11-S14，直至秘密信息嵌入完毕，得到含有秘密信息的载体视频序列；
S21，对S15得到视频序列进行解压缩，并判断其中所有的DCT块中的拖尾系数的个数；
S22，根据嵌入规则，当S21所述DCT块中拖尾系数个数为0、1和2时，不提取，跳过所述DCT块；
S23，提取除S22所述拖尾系数个数为0、1和2以外的所有DCT块，计算DCT块最后的3位非零DCT系数；
S24，计算S23得到非零DCT系数的N维立方编码的特征值，得到编码数值记为K；
S25，将S24所得编码数值K变为二进制计数方式，得到的二进制序列就为此块的嵌入信息；
S26，重复S21-S25，直至秘密信息嵌入完毕，并将所有得到的二进制序列合并成为整体序列m(s)；
S27，将S26提取的秘密信息m(s)与以S11中所述预处理方法进行逆预处理，得到最终的秘密信息。
S11中，采用既能保证实时性，又能保证安全性的流密码加密方法对秘密信息进行预处理，方法如下：
Figure BDA0002629824570000031
式中，m(j)为原始秘密信息，f(j)为处理后的序列，p(j)为随机产生的伪随机序列。
N维立方编码为在N个数中每个数最多修改±k来嵌入一个(2k+1)N进制数，N维立方特征值提取函数如式(1)所示
Figure BDA0002629824570000032
其中，m＝2k+1，由式(3)计算出dif并通过式(4)和(5)得到修改向量δ；
dif＝mod(w-f(g1,g2,…,gN),mN) (3)
Figure BDA0002629824570000033
Figure BDA0002629824570000034
S13中依照下式计算N维立方编码特征值f(C1,C2,C3)，得到修改后的载体系数C'1、C'2和C'3；
Figure BDA0002629824570000041
S12中，以存在3位有效拖尾系数的块作为嵌入位置。
S27中，对伪随机二进制序列采用下式处理：
Figure BDA0002629824570000042
式中，f(s)为最终得到的秘密信息，p(s)为对应的伪随机二进制序列。
包括：隐写模块，用于计算设定筛选的拖尾系数的N维立方特征值，并按照设定的嵌入机制对待隐写视频进行修改；提取模块，用于基于盲提取法得到嵌入待隐写视频的拖尾系数，并重新计算其N维立方编码特征值，并对所得特征值进行二进制转化得到嵌入待隐写视频的秘密信息。
其中，隐写模块包括：
秘密信息预处理单元，用于对秘密信息进行预处理；
待嵌入区域选取单元，用于确定所述秘密信息对视频隐写的待嵌入区域；
DCT系数特征值计算单元，用于计算所述待嵌入区域的DCT系数的N维立方编码特征值，得到修改后的载体系数；
嵌入单元，用于将载体系数替换对应位置的DCT系数并放回至DCT块中；
所述提取模块包括：
解压单元，用于解压视频序列，并判断视频序列中所有的DCT块中的拖尾系数的个数；
DCT块提取单元，用于提取拖尾系数个数为0、1和2以外的所有DCT块，并计算DCT块最后的3位非零DCT系数；
特征值计算单元，用于计算非零DCT系数的N维立方编码的特征值，到编码数值；
序列转换单元，用于将编码数值变为二进制序列，将所有得到的二进制序列合并成为整体序列，即秘密信息；
逆预处理单元，将所述秘密信息与隐写预处理中相同秘钥产生的伪随机二进制序列进行处理。
一种合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写装置，包括一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过结合视频载体中具有较好嵌入特性的拖尾系数，计算拖尾系数的N维立方特征值，并选择特定的嵌入机制进行修改，在提取时只需得到嵌入块的拖尾系数，并重新计算其N维立方编码，此时将得到的数值转化为二进制就是嵌入的秘密信息，具有较高的不可见性以及较低的修改率，同时比特率增加较少。
附图说明
图1a为QCIF测试序列Grandma嵌入前原始视频帧亮度分量示意图。
图1b为QCIF测试序列Grandma嵌入后视频帧亮度分量示意图。
图2a为CIF测试序列Stefan嵌入前视频帧亮度分量示意图。
图2b为CIF测试序列Stefan嵌入后视频帧亮度分量示意图。
图3为嵌入前后视频序列亮度分量PSNR值比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
首先计算设定筛选的拖尾系数的N维立方特征值，并按照设定的嵌入机制进行修改，盲提取时只需得到嵌入块的拖尾系数，并重新计算其N维立方编码特征值，此时将得到的数值转化为二进制即为嵌入的秘密信息。
拖尾系数
拖尾系数是在CAVLC编码过程中产生的。是指块最后连续出现的幅值为1的系数，标准中规定了拖尾系数的个数范围在0到3之间。当满足该条件的系数的数目大于3时，只选择最后三个拖尾系数，其它系数被认为是普通的非零系数。
关于拖尾系数，可示例的：存在4×4DCT块在“之字形扫描”后的一维序列如下：
3，2，1，0，2，1，1，-1，0，1，-1，0，0，0，0，0
序列中的拖尾系数个数为3，值为-1，1，-1(Zigzag扫描后的第8、10和11位)，其它幅值为1的系数(Zigzag扫描后的第3、6和7位)为普通的非零DCT系数。
N维立方编码
N维立方编码就是在N个数中每个数最多修改±k来嵌入一个(2k+1)N进制数的一种编码方式。为了简化公式，设m＝2k+1，特征提取函数如式(1)所示。
Figure BDA0002629824570000061
可由式(2)计算出dif并通过式(3)和(4)得到修改向量δ。
dif＝mod(w-f(g1,g2,…,gN),mN) (2)
Figure BDA0002629824570000062
Figure BDA0002629824570000063
例如，N＝3，k＝2时，原始数据向量o＝(1,2,3)，秘密数据w＝64。首先计算原始数据的特征值为feature＝f(1,2,3)＝86，再由dif＝mod(64-86,125)＝103，计算得到修改向量δ＝(-2,1,-1)，因此载密数据为(1-2,2+1,3-1)＝(-1,3,2)。通过计算载密数据的特征值f(-1,3,2)＝64，以提取出秘密数据。
作为熵编码后产生的DCT系数，拖尾系数不会受到压缩过程的影响，即不会影响嵌入其中的秘密消息。根据拖尾系数的特点以及定义的规则，存在以下15种方式，如表1所示
表1 15种拖尾系数方式
Figure BDA0002629824570000071
当DCT系数中不存在为1或者-1的值时，就不存在拖尾系数，对应表中的序号1，为了便于信息隐藏，此时将非零系数后的第一位数值为0的DCT系数作为嵌入位置。
本发明所述结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法，包括隐写过程和提取过程，具体包括以下步骤：
S11，秘密信息预处理，本发明采用既能保证实时性，又能保证安全性的流密码加密方法对秘密信息进行预处理，方法如下：
Figure BDA0002629824570000072
式中，m(j)为原始秘密信息，f(j)为处理后的序列，p(j)为随机产生的伪随机序列；
S12，确定S11所述秘密信息的待嵌入区域，为了保证秘密信息提取时的有效性，本发明采用拖尾系数中第8种至第15种(即存在3位拖尾系数的方式)作为视频隐写的待嵌入区域，分别记DCT系数为C1、C2和C3；
S13，对S12所述DCT系数C1、C2和C3分别计算其N维立方编码特征值f(C1,C2,C3)，并且依照公式(4)进行计算，得到修改后的载体系数C'1、C'2和C'3；
S14，将S13得到的载体系数C'1、C'2、C'3替换对应位置的DCT系数并放回至DCT块中；
S15，重复S11-S14，直至秘密信息嵌入完毕，得到含有秘密信息的载体视频序列。
在不需要原始载体的情况下的提取算法称为盲提取算法，本发明所述方法为盲提取算法。
S21，对S15得到视频序列进行解压缩，并判断其中所有的DCT块中的拖尾系数的个数；
S22，根据步骤S12中所述的嵌入规则，当S21所述DCT块中拖尾系数个数为0、1和2时，不提取，跳过所述DCT块。
S23，提取除S22所述拖尾系数个数为0、1和2以外的所有DCT块，计算DCT块最后的3位非零DCT系数，记为S'1、S'2和S'3。
S24，计算S23得到系数S'1、S'2和S'3的N维立方编码的特征值f(S'1,S'2,S'3)，得到编码数值记为K。
S25，将S24所得编码数值K变为二进制计数方式，得到的二进制序列就为对应块的嵌入信息。
S26，重复S21-S25，直至秘密信息嵌入完毕，并将所有得到的二进制序列合并成为整体序列m(s)。
S27，将S26提取的秘密信息m(s)与以步骤S1中方法进行逆预处理，公式如下：
Figure BDA0002629824570000081
式中，f(s)为最终得到的秘密信息，p(s)为对应的伪随机二进制序列。
本发明所述方法H.264/AVC编解码的标准测试平台X.264，所用视频是从网络地址为Http://media.xiph.org上下载的标准测试序列，序列格式包括QCIF(176×144)的Grandma、Carphone、Container、Miss-america和Soccer，以及CIF(352×288)的Stefan、Foreman、News、Paris以及Mobile，编码器采用基本档次。
本发明所用秘密信息为随机产生的伪随机01序列。
图1a为QCIF测试序列Grandma的第20、40、60、80帧原始图像中亮度分量，图1b为嵌入后载体对应帧亮度分量。图2a为CIF测试序列Stefan的第20、40、60、80帧原始图像中亮度分量，图2b为嵌入后载体对应帧亮度分量。由图1a、图1b、图2a以及图2b可知，本发明所述方法具有较好的视觉不可见性。
图3所示为嵌入前后不同测试序列亮度分量PSNR值的比较，根据图3，嵌入秘密信息后测试视频序列亮度分量PSNR值下降较少，平均约为0.875dB，表明嵌入过程对视频序列影响较小。
本发明的嵌入位置为熵编码码字中的拖尾系数，实际修改的为量化后的DCT系数，所以选择针对DCT系数修改具有较好检测效果的方法作为检测算法，以判断本章算法的安全性，本发明所述方法来自Digital Video Steganalysis using Collusion Sensitivity中2004年第5403期，第210-221页Sensors,and Command,Control,Communications,andIntelligence,Technologies for Homeland Security and Homeland Defense III,作者为Budhia U,Kundur D.，检测结果如表3所示：
表2抗隐写检测能力分析
Figure BDA0002629824570000091
从表3可以看出，本发明所得结果的FPR与FNR均较高，范德萨范德萨的隐写安全性较高。
载体利用率RS这一指标指出单位数据能够嵌入的比特数。对于N个数据嵌入M比特的密写编码算法的载体利用率RS＝M/N。N维立方编码的载体利用率
Figure BDA0002629824570000092
由式(7)所示：
Figure BDA0002629824570000101
Figure BDA0002629824570000102
表示LSB算法[8]的载体利用率。根据表5可以看出N维立方编码算法相对其他算法而言具备较高载体利用率，并且随k的增大载体利用率将会增大。
表5不同算法的载体利用率
K Rs-LSB Rs-NCC
1 100％ 158.70％
3 100％ 232.19％
K 100％ log2(2K+1)
通过单位比特的平均修改量来衡量编码失真，若嵌入S比特平均修改为L，则单位比特的平均修改量为Re＝L/S；对于N维立方编码，N个数在k值下的平均修改量Changeave，如式(8)所示。
Figure BDA0002629824570000103
N个数在k值下可以嵌入比特数Bitsemb，如式(9)所示。
Bitsemb＝N×log2(2k+1) (9)
进而得到N个数在k值下的单位比特平均修改量由式(10)所示。
Figure BDA0002629824570000104
表6 k和平均单位比特修改量的关系
k Re
1 0.4206
3 0.6106
5 0.7884
7 0.9556
LSB的Re＝0.50，由表6可知当k＝1时N维立方编码算法的失真比LSB更小。
可选的，本发明提供结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写系统，包括：隐写模块，用于计算设定筛选的拖尾系数的N维立方特征值，并按照设定的嵌入机制对待隐写视频进行修改；提取模块，用于基于盲提取法得到嵌入待隐写视频的拖尾系数，并重新计算其N维立方编码特征值，并对所得特征值进行二进制转化得到嵌入待隐写视频的秘密信息；
其中，所述隐写模块包括：秘密信息预处理单元，用于对秘密信息进行预处理；
待嵌入区域选取单元，用于确定所述秘密信息对视频隐写的待嵌入区域；
DCT系数特征值计算单元，用于计算所述待嵌入区域的DCT系数的N维立方编码特征值，得到修改后的载体系数；
嵌入单元，用于将载体系数替换对应位置的DCT系数并放回至DCT块中。
所述提取模块包括：解压单元，用于解压视频序列，并判断视频序列中所有的DCT块中的拖尾系数的个数；
DCT块提取单元，用于提取拖尾系数个数为0、1和2以外的所有DCT块，并计算DCT块最后的3位非零DCT系数；
特征值计算单元，用于计算非零DCT系数的N维立方编码的特征值，到编码数值；
序列转换单元，用于将编码数值变为二进制序列，将所有得到的二进制序列合并成为整体序列，即秘密信息；
逆预处理单元，将所述秘密信息与隐写预处理中相同秘钥产生的伪随机二进制序列进行处理。
本发明还提供一种结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写装置，包括但不限于一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法的部分步骤或所有步骤，存储器还能用于存储秘密信息以及待隐写视频数据。
所述结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写装置可以采用笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站。
其中，处理器可以是中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现成可编程门阵列(FPGA)。
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、固态硬盘(SSD，Solid State Drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(ReRAM,Resistance Random Access Memory)和动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)。

Claims (10)

1.结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法，其特征在于，包括隐写过程和提取过程，具体包括以下步骤：
S11，秘密信息预处理；
S12，根据拖尾系数确定S11所述秘密信息的待嵌入DCT块；
S13，对S12所述拖尾系数分别计算其N维立方编码特征值，得到修改后的载体系数；
S14，将S13所得修改后的载体系数替换对应位置的DCT系数并放回至DCT块中；
S15，重复S11-S14，直至秘密信息嵌入完毕，得到含有秘密信息的载体视频序列；
S21，对S15得到视频序列进行解压缩，并判断其中所有的DCT块中的拖尾系数的个数；
S22，根据嵌入规则，当S21所述DCT块中拖尾系数个数为0、1和2时，不提取，跳过所述DCT块；
S23，提取除S22所述拖尾系数个数为0、1和2以外的所有DCT块，计算DCT块最后的3位非零DCT系数；
S24，计算S23得到非零DCT系数的N维立方编码的特征值，得到编码数值记为K；
S25，将S24所得编码数值K变为二进制计数方式，得到的二进制序列就为此块的嵌入信息；
S26，重复S21-S25，直至秘密信息嵌入完毕，并将所有得到的二进制序列合并成为整体序列m(s)；
S27，将S26提取的秘密信息m(s)与以S11中所述预处理方法进行逆预处理，得到最终的秘密信息。
2.根据权利要求1所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法，其特征在于，S11中，对秘密信息进行预处理的方法如下：
Figure FDA0002629824560000011
式中，m(j)为原始秘密信息，f(j)为处理后的序列，p(j)为随机产生的伪随机序列。
3.根据权利要求1所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法，其特征在于，N维立方编码为在N个数中每个数最多修改±k来嵌入一个(2k+1)N进制数，N维立方特征值提取函数如式(1)所示
Figure FDA0002629824560000021
其中，m＝2k+1，由式(3)计算出dif并通过式(4)和(5)得到修改向量δ；
dif＝mod(w-f(g1,g2,…,gN),mN) (3)
Figure FDA0002629824560000022
Figure FDA0002629824560000023
4.根据权利要求1所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法，其特征在于，S13中依照下式计算N维立方编码特征值f(C1,C2,C3)，得到修改后的载体系数C'1、C'2和C'3；
Figure FDA0002629824560000024
5.根据权利要求1所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法，其特征在于，S12中，以存在3位有效拖尾系数的块作为嵌入位置。
6.根据权利要求1所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法，其特征在于，S27中，对伪随机二进制序列采用下式处理：
Figure FDA0002629824560000025
式中，f(s)为最终得到的秘密信息，p(s)为对应的伪随机二进制序列。
7.结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写系统，其特征在于，包括：隐写模块，用于计算设定筛选的拖尾系数的N维立方特征值，并按照设定的嵌入机制对待隐写视频进行修改；提取模块，用于基于盲提取法得到嵌入待隐写视频的拖尾系数，并重新计算其N维立方编码特征值，并对所得特征值进行二进制转化得到嵌入待隐写视频的秘密信息。
8.根据权利要求7所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写系统，其特征在于，隐写模块包括：
秘密信息预处理单元，用于对秘密信息进行预处理；
待嵌入区域选取单元，用于确定所述秘密信息对视频隐写的待嵌入区域；
DCT系数特征值计算单元，用于计算所述待嵌入区域的DCT系数的N维立方编码特征值，得到修改后的载体系数；
嵌入单元，用于将载体系数替换对应位置的DCT系数并放回至DCT块中；
所述提取模块包括：
解压单元，用于解压视频序列，并判断视频序列中所有的DCT块中的拖尾系数的个数；
DCT块提取单元，用于提取拖尾系数个数为0、1和2以外的所有DCT块，并计算DCT块最后的3位非零DCT系数；
特征值计算单元，用于计算非零DCT系数的N维立方编码的特征值，到编码数值；
序列转换单元，用于将编码数值变为二进制序列，将所有得到的二进制序列合并成为整体序列，即秘密信息；
逆预处理单元，将所述秘密信息与隐写预处理中相同秘钥产生的伪随机二进制序列进行处理。
9.一种合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写装置，其特征在于，包括一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现权利要求1～6中任一项所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现如权利要求1-6中任一项所述的结合N维立方编码的拖尾系数修改视频隐写方法。
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