CN112312138A - 一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，通过计算在各个视频编码帧的运动矢量中嵌入载荷造成的帧间残差信号失真传播权重，从而决定分配给各个视频编码帧的载荷长度，再将载荷嵌入建模为最小化各个视频编码帧嵌入代价的多目标优化问题；其具备抑制帧间残差信号失真传播的能力，可以更好地保护残差信号的统计特性，提升了现有的基于运动矢量的视频隐写方法的抗检测性能和视频编码质量。

Description

一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法

技术领域

本发明涉及信息隐藏与视频编码技术领域，尤其涉及一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法。

背景技术

视频隐写作为一种以视频为载体的隐蔽通信方式，在面向互联网的隐私保护中发挥了重要作用。

运动矢量是视频隐写的理想载体之一，但是现有的大多数基于运动矢量的视频隐写方法遵循最小化加性嵌入代价原则，在载荷嵌入过程中最小化视频中所有运动矢量的加性嵌入代价之和。这类遵循于最小化加性嵌入代价原则的视频隐写方法忽视了视频编码帧之间的交互嵌入影响，因此，隐写方法的抗检测性能还有待提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，具备抑制帧间残差信号失真传播的能力，可以更好地保护残差信号的统计特性，提升了现有的基于运动矢量的视频隐写方法的抗检测性能和视频编码质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，包括：

使用基于运动矢量的视频隐写方法在各个视频编码帧的载体运动矢量场中嵌入载荷，并基于载荷嵌入前后的残差信号，计算在各个视频编码帧的运动矢量中嵌入载荷造成的帧间残差信号失真传播权重；

基于各个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重，为各个视频编码帧分配相应的载荷长度；

基于分配的载荷长度，在载荷嵌入过程中最小化各个视频编码帧的嵌入代价，生成视频编码比特流。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过计算在各个视频编码帧的运动矢量中嵌入载荷造成的帧间残差信号失真传播权重，从而决定分配给各个视频编码帧的载荷长度；该视频隐写方法具备抑制帧间残差信号失真传播的能力，可以更好地保护残差信号的统计特性，提升了现有的基于运动矢量的视频隐写方法的抗检测性能和视频编码质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤11，使用基于运动矢量的视频隐写方法在各个视频编码帧的载体运动矢量场中嵌入载荷，并基于载荷嵌入前后的残差信号，计算在各个视频编码帧的运动矢量中嵌入载荷造成的帧间残差信号失真传播权重。

本步骤的优选实施方式如下：

1)通过运动估计得到给定图像组内各个视频编码帧的载体运动矢量场MV_t,1≤t≤n，其中，t是视频编码帧在图像组内的索引，n为给定图像组内使用帧间编码的视频编码帧的数目。

2)使用现有的基于运动矢量的视频隐写方法在第t个视频编码帧的载体运动矢量场MV_t中嵌入长度为c_t比特的载荷以得到载密运动矢量场，并生成视频编码比特流，其中，c_t为第t个视频编码帧中载体运动矢量的数目(即视频编码块的数目)，c_t决定了第t个视频编码帧的嵌入容量。

3)计算第t个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重ω_t，表示为：

其中，r_i,j,k是第i个视频编码帧中第j个视频编码块的第k个原始残差信号，r′_i,j,k是第i个视频编码帧中第j个视频编码块的第k个因载荷嵌入而修改的残差信号，u_i,j是第i帧中第j个视频编码块的像素数目，m_t是在第t个视频编码帧中分配的载荷长度，w.r.t表示“关于”的意思。

基于上述方式，最终得到n个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重序列(ω₁,ω₂,...,ω_n)。

步骤12，基于各个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重，为各个视频编码帧分配相应的载荷长度。

本步骤优选实施方式如下：

1)对于给定图像组内n个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重序列(ω₁,ω₂,...,ω_n)，按照升序排列得到(ω_σ(1),ω_σ(2),...,ω_σ(n))，其中ω_σ(1)≤ω_σ(2)≤...≤ω_σ(n)。

2)通过下述方式为各个视频编码帧分配相应的载荷长度：

其中，l^*为当分配给各个视频编码帧的载荷长度之和满足需要嵌入的载荷长度要求，并且帧间残差信号失真传播权重之和取得最小值时的载密视频编码帧的数目；l^*的计算公式为：

其中，m为在给定图像组内需要嵌入的载荷长度。

步骤13，基于分配的载荷长度，在载荷嵌入过程中最小化各个视频编码帧的嵌入代价，生成视频编码比特流。

本步骤优选实施方式如下：

1)根据分配的载荷长度，使用数据嵌入编码STC在各个视频编码帧中分别嵌入载荷并最小化嵌入代价，表示为：

其中，MV_t为第t个视频编码帧的载体运动矢量场，mv_t,j为第t帧中第j个视频编码块的载体运动矢量，

为在MV_t中嵌入载荷后得到的载密运动矢量场(即载密运动矢量集合)，

为第t帧中第j个视频编码块的载密运动矢量，

为反映将载体运动矢量mv_t,j修改为载密运动矢量

造成嵌入影响的嵌入代价，该嵌入代价能够通过基于运动矢量的视频隐写方法计算得到，

为第t个视频编码帧的嵌入代价，n为给定图像组内使用帧间编码的视频编码帧的数目，m为在给定图像组内需要嵌入的载荷长度。

表示将载体运动矢量场MV_t修改为载密运动矢量场

的概率，可以通过m_t计算得到，即分配给第t个视频编码帧的载荷长度

可以表示为：

其中，CMV_tj是现有的基于运动矢量的视频隐写方法中约定的第t帧中第j个视频编码块的候选载密运动矢量集合(即运动矢量的取值范围)，

为将载体运动矢量mv_t,j修改为载密运动矢量

的概率，可以表示为：

其中，λ_π是由数据嵌入编码STC计算得到的参数。

2)通过上述过程1)计算出各个视频编码帧的载密运动矢量场

1≤t≤n，并以此对给定图像组进行编码，生成视频编码比特流，完成视频隐写。

之后，还可以采用如下方式提取嵌入的载荷：对视频编码比特流进行解码，得到载密运动矢量场

1≤t≤n；再从载密运动矢量场

1≤t≤n中提取嵌入的载荷：根据属于载密运动矢量场

1≤t≤n的运动矢量分量的最低有效比特位中嵌入的载荷长度以及次最低有效比特位中嵌入的载荷长度确定数据嵌入编码STC的校验矩阵，将所有运动矢量分量中最低有效比特位和次最低有效比特位构成载密向量，再将所述校验矩阵与所述载密向量相乘以获得载荷向量，完成载荷提取。

本发明实施例上述方案，通过计算在各个视频编码帧的运动矢量中嵌入载荷造成的帧间残差信号失真传播权重，从而决定分配给各个视频编码帧的载荷长度，再将载荷嵌入建模为最小化各个视频编码帧嵌入代价的多目标优化问题；其具备抑制帧间残差信号失真传播的能力，可以更好地保护残差信号的统计特性，提升了现有的基于运动矢量的视频隐写方法的抗检测性能和视频编码质量。

为了测试本发明提出的视频隐写方法对现有的基于运动矢量的视频隐写方法抗检测性能和视频编码质量的提升效果。选取四种现有的基于运动矢量的视频隐写方法作为对比，它们使用的运动矢量嵌入代价函数分别记为A、B、C和D。其中，运动矢量嵌入代价函数A通过运动矢量不确定性反映运动矢量的嵌入代价，运动矢量嵌入代价函数B结合运动矢量统计分布变化和运动矢量预测误差变化反映运动矢量的嵌入代价，运动矢量嵌入代价函数C使用拉格朗日代价局部最优性反映运动矢量的嵌入代价，运动矢量嵌入代价函数D使用归一化载荷嵌入反映运动矢量的嵌入代价。再选取三种经典的视频隐写分析方法进行检测，分别记为S1、S2和S3。其中，视频隐写分析方法S1利用视频重编码过程中的运动矢量复原现象提取特征，视频隐写分析方法S2利用运动矢量预测误差局部最优性提取特征，视频隐写分析方法S3利用拉格朗日代价局部最优性提取特征。

在对比实验中使用H.264/AVC联合模型JM10.2为实验平台对本发明提出的视频隐写方法进行测试，其中图像组结构设置为IPPP，量化参数设置为28，帧率设置为30fps，运动搜索范围设置为±16。使用平均每帧嵌入的比特数表示相对载荷嵌入率，单位为bpf。

抗检测性能是视频隐写方法的重要评价指标。使用最小错误检测率衡量抗检测性能，可以表示为：

其中，P_FA和P_MD(P_FA)分别是虚警概率和漏检概率。对于给定的视频隐写方法，使用平均错误检测率

衡量最终的抗检测性能。平均错误检测率

在使用集成分类器对测试数据集进行十次随机分割的基础上将最小错误检测率P_E取平均值计算得到。平均错误检测率

越高，说明该视频隐写方法越安全。

视频编码质量是视频隐写方法的另一个重要评价指标。视频编码质量由载密视频视觉质量和载密视频编码效率衡量。常用的载密视频视觉质量的评价指标为峰值信噪比PSNR(单位：dB)和结构相似度SSIM。峰值信噪比PSNR和结构相似度SSIM通过比较原始视频序列和解码重构视频序列计算得到。令ΔPSNR为载密视频和载体视频之间的亮度分量峰值信噪比差值，令ΔSSIM为载密视频和载体视频之间的亮度分量结构相似度差值。对于给定的视频隐写方法和相对载荷嵌入率，在所有载密视频的基础上使用平均峰值信噪比差值

和平均结构相似度差值

衡量最终的载密视频视觉质量。

使用比特率增加比衡量载密视频编码效率。比特率增加比可以表示为：

其中，BR_s和BR_c分别表示载密视频比特率和载体视频比特率。对于给定的视频隐写方法和相对载荷嵌入率，在所有载密视频的基础上使用平均比特率增加比

衡量最终的载密视频编码效率。基于本发明的上述实施例，对16个经典视频序列构成的测试视频库进行了隐写测试。将16个视频序列分割为长度为60帧的不重叠子序列，子序列数目为72。视频序列详细参数见表1。

表1测试视频序列参数

表2显示了在不同相对载荷嵌入率时的平均错误检测率，可见本发明提出的视频隐写方法具有较高的抗检测性能。

表2在不同相对载荷嵌入率时的平均错误检测率

表3显示了在相对载荷嵌入率为250bpf时的平均峰值信噪比差值、平均结构相似度差值和平均比特率增加比。可见，本发明提出的视频隐写方法能够保证载密视频具有较高的视频编码质量。

表3在相对载荷嵌入率为250bpf时的平均峰值信噪比差值、平均结构相似度差值和平均比特率增加比

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，其特征在于，包括：

使用基于运动矢量的视频隐写方法在各个视频编码帧的载体运动矢量场中嵌入载荷，并基于载荷嵌入前后的残差信号，计算在各个视频编码帧的运动矢量中嵌入载荷造成的帧间残差信号失真传播权重；

基于各个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重，为各个视频编码帧分配相应的载荷长度；

基于分配的载荷长度，在载荷嵌入过程中最小化各个视频编码帧的嵌入代价，生成视频编码比特流。

2.根据权利要求1所述的一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，其特征在于，计算在各个视频编码帧的运动矢量中嵌入载荷造成的帧间残差信号失真传播权重的步骤包括：

通过运动估计得到给定图像组内各个视频编码帧的载体运动矢量场MV_t,1≤t≤n，其中，t为视频编码帧在图像组内的索引，n为给定图像组内使用帧间编码的视频编码帧的数目；

使用基于运动矢量的视频隐写方法在第t个视频编码帧的载体运动矢量场MV_t中嵌入长度为c_t比特的载荷以得到载密运动矢量场，其中，c_t为第t个视频编码帧中载体运动矢量的数目，也即编码块的数目；

计算第t个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重ω_t，表示为：

其中，r_i,j,k是第i个视频编码帧中第j个视频编码块的第k个像素的原始残差信号，r′_i,j,k是第i个视频编码帧中第j个视频编码块的第k个像素的因载荷嵌入而修改的残差信号，u_i,j是第i帧中第j个视频编码块的像素数目，m_t是在第t个视频编码帧中分配的载荷长度，w.r.t表示“关于”的意思。

最终得到n个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重序列(ω₁,ω₂,...,ω_n)。

3.根据权利要求1所述的一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，其特征在于，所述基于各个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重，为各个视频编码帧分配相应的载荷长度包括：

对于给定图像组内n个视频编码帧的帧间残差信号失真传播权重序列(ω₁,ω₂,...,ω_n)，按照升序排列得到(ω_σ(1),ω_σ(2),...,ω_σ(n))；

再通过下述方式为各个视频编码帧分配相应的载荷长度：

其中，l^*为当分配给各个视频编码帧的载荷长度之和满足需要嵌入的载荷长度要求，并且帧间残差信号失真传播权重之和取得最小值时的载密视频编码帧的数目。

4.根据权利要求3所述的一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，其特征在于，l^*的计算公式为：

其中，m为在给定图像组内需要嵌入的载荷长度。

5.根据权利要求1所述的一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，其特征在于，基于分配的载荷长度，在载荷嵌入过程中最小化各个视频编码帧的嵌入代价，生成视频编码比特流的步骤包括：

根据分配的载荷长度，使用数据嵌入编码STC在各个视频编码帧中分别嵌入载荷并最小化嵌入代价，表示为：

subject to

其中，MV_t为第t个视频编码帧的载体运动矢量场，mv_t,j为第t帧中第j个视频编码块的载体运动矢量，

为在MV_t中嵌入载荷后得到的载密运动矢量场，

为第t帧中第j个视频编码块的载密运动矢量，

为反映将载体运动矢量mv_t,j修改为载密运动矢量

造成嵌入影响的嵌入代价，该嵌入代价能够通过基于运动矢量的视频隐写方法计算得到，MV_t为视频编码帧的载体运动矢量场，

为嵌入载荷后得到的载密运动矢量场，

为第t个视频编码帧的嵌入代价，n为给定图像组内使用帧间编码的视频编码帧的数目，m为在给定图像组内需要嵌入的载荷长度；

通过上式计算出各个视频编码帧的载密运动矢量场

并以此对给定图像组进行编码，生成视频编码比特流，完成视频隐写。

6.根据权利要求5所述的一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，其特征在于，分配给第t个视频编码帧的载荷长度

表示为：

其中，CMV_t,j是基于运动矢量的视频隐写方法中约定的第t帧中第j个视频编码块的候选载密运动矢量集合，

为将载体运动矢量mv_t,j修改为载密运动矢量

的概率，表示为：

其中，λ_π是由数据嵌入编码STC计算得到的参数。

7.根据权利要求1或5所述的一种抑制帧间残差信号失真传播的视频隐写方法，其特征在于，该方法还包括提取嵌入的载荷，方式如下：

对视频编码比特流进行解码，得到载密运动矢量场

其中，n为给定图像组内使用帧间编码的视频编码帧的数目；

再从载密运动矢量场

中提取嵌入的载荷：根据属于载密运动矢量场

的运动矢量分量的最低有效比特位中嵌入的载荷长度以及次最低有效比特位中嵌入的载荷长度确定数据嵌入编码STC的校验矩阵，将所有运动矢量分量中最低有效比特位和次最低有效比特位构成载密向量，再将所述校验矩阵与所述载密向量相乘以获得载荷向量，完成载荷提取。

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