CN115334316A - 一种无帧内失真漂移的hevc视频自适应隐写方法 - Google Patents

一种无帧内失真漂移的hevc视频自适应隐写方法 Download PDF

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CN115334316A CN202210748204.8A CN202210748204A CN115334316A CN 115334316 A CN115334316 A CN 115334316A CN 202210748204 A CN202210748204 A CN 202210748204A CN 115334316 A CN115334316 A CN 115334316A
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徐达文
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杨璘
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Abstract

本发明公开了一种无帧内失真漂移的HEVC视频自适应隐写方法，其在隐秘信息嵌入过程中，从H.265/HEVC视频中的所有I帧中的所有尺寸为4×4的编码单元中，找出满足条件的编码单元作为载体；考虑载体中的所有像素点的QDST系数绝对值的分布失真和载体的块内失真，计算每个载体模拟嵌入1或0时的失真代价值；根据所有载体模拟嵌入1或0时的失真代价值，在设定负载率后利用STC编码将隐秘信息序列嵌入到部分载体中，得到对应的含密载体；对原始视频进行压缩编码，在压缩编码的变换量化过程中用含密载体中的QDST系数替换相应位置的原始的QDST系数；优点是提高了隐写后的视频画面质量，对视频码流修改影响较小，且隐写安全性高。

Description

一种无帧内失真漂移的HEVC视频自适应隐写方法
技术领域
本发明涉及一种视频信息隐藏技术，尤其是涉及一种无帧内失真漂移的HEVC视频自适应隐写方法。
背景技术
在当今社会中，智能设备已经越来越普及了，人们可以通过文字、音频、图像或视频等渠道获取各种各样的信息内容。然而，与此同时，数字化信息被篡改、仿造或攻击的现象日趋严重，如何保护数字媒体的信息内容、遏制数字媒体的非法使用已经成为一个亟需解决的热门问题。信息隐藏是一种将隐秘信息隐藏于公开传输信道中，并且无法凭人们直观的视觉和听觉察觉出来的技术，是一种强有力的隐秘通信和版权保护的手段。在数字化多媒体信息隐藏技术中，自适应信息隐藏技术是极其重要的组成部分，其能够根据失真函数自适应地将隐秘信息嵌入到载体中，并且能够通过STC(Syndrome-Trellis Codes，综合网格码)等隐写编码将嵌入的失真最小化，达到卓越的视觉效果和高效的编码效率。
由于数字视频的数据量普遍比较庞大，因此其通常是以压缩的形式在公开传输信道中进行传输的，HEVC(High Efficiency Video Coding，高效视频编码)是最新一代视频压缩编码标准，其核心目标是在H.264/AVC的基础上，压缩效率提高一倍，在高清、超高清等视频应用领域发挥重要作用。所以，研究H.265/HEVC视频的自适应信息隐藏技术具有较大的现实意义和理论价值。虽然自适应信息隐藏技术在音频和图像领域已经有了许多的研究工作，但是由于视频载体与音频和图像两者的差异性，这些研究工作并不能直接迁移到视频信息隐藏技术领域中，因此，需要研究H.265/HEVC视频的特性，并针对其视频特性，设计一种H.265/HEVC视频的自适应信息隐藏技术。
现有的H.265/HEVC视频的自适应信息隐藏技术利用视频信号的冗余信息，将隐秘信息隐藏在载体中，根据嵌入信息时修改的位置不同，主要分为：基于预测模式的修改、基于DCT/DST系数的修改、基于运动矢量的修改和基于熵编码的修改等算法，但是修改这些载体会引起视频的视觉质量的下降。因此，有必要设计一种能够使修改载体导致的失真达到最小化的HEVC视频自适应隐写方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无帧内失真漂移的HEVC视频自适应隐写方法，其能够很好地降低嵌入失真，从而提高了隐写后的视频画面质量，其对视频码流修改影响较小，并且其隐写安全性高。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种无帧内失真漂移的HEVC视频自适应隐写方法，包括隐秘信息嵌入和隐秘信息提取两部分，其特征在于：
所述的隐秘信息嵌入的具体过程为：
步骤1_1：采用H.265/HEVC标准编码器对原始视频进行压缩编码，得到H.265/HEVC视频，在压缩编码过程中保存H.265/HEVC视频中的每帧中的每个编码树单元中的每个编码单元的预测模式和深度、每个编码单元对应的PU划分模式、每个编码单元中的每个像素点的QDST系数；其中，编码树单元的尺寸为64×64，编码单元的尺寸为64×64或32×32或16×16或8×8或4×4；
步骤1_2：按序遍历H.265/HEVC视频中的所有帧，将当前遍历的帧定义为当前帧；
步骤1_3：判断当前帧是否为I帧，如果当前帧为I帧，则执行步骤1_4；如果当前帧不为I帧，则直接执行步骤1_7；
步骤1_4：按序遍历当前帧中的所有尺寸为4×4的编码单元，将当前遍历的尺寸为4×4的编码单元定义为当前单元；
步骤1_5：如果当前单元仅存在相邻的尺寸为4×4的左下方编码单元且左下方编码单元的预测模式的数字标识在区间[2,26]内，及相邻的尺寸为4×4的正下方编码单元且正下方编码单元的预测模式的数字标识在区间[2,10]内；或者，如果当前单元仅存在相邻的尺寸为4×4的右上方编码单元且右上方编码单元的预测模式的数字标识在区间[10,34]内或为1，及相邻的尺寸为4×4的正右方编码单元且正右方编码单元的预测模式的数字标识在区间[26,34]内，则将当前单元作为载体，然后执行步骤1_6；
对于其余情况，对当前单元不作处理，然后直接执行步骤1_6；
步骤1_6：遍历当前帧中下一个尺寸为4×4的编码单元，将其作为当前单元，然后返回步骤1_5继续执行，直至当前帧中的所有尺寸为4×4的编码单元全部遍历完毕，然后执行步骤1_7；
步骤1_7：遍历H.265/HEVC视频中的下一帧，将其作为当前帧，然后返回步骤1_3继续执行，直至H.265/HEVC视频中的所有帧全部遍历完毕，然后执行步骤1_8；
步骤1_8：计算每个载体模拟嵌入1或0时的失真代价值，对于任一个载体，设定该载体为H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元，则将该载体模拟嵌入1或0时的失真代价值记为ρm,n(i,j)，
Figure BDA0003720209930000031
其中，1≤m≤M，M表示H.265/HEVC视频中包含的帧的总帧数，1≤n≤N，N表示H.265/HEVC视频中的第m帧中包含的编码树单元的总个数，1≤i≤16，1≤j≤16，α和β均为比例系数，α+β＝1，α＜β，φm,n(i,j)表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中的所有像素点的QDST系数绝对值的分布失真代价值，
Figure BDA0003720209930000032
Dabs,max表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中的所有像素点的QDST系数中绝对值最大的QDST系数，符号“| |”为取绝对值符号，Ds表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中的所有像素点的QDST系数中需要修改的第s个QDST系数，需要修改的第1个QDST系数至第9个QDST系数对应为H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中坐标位置为(0,0)的像素点的QDST系数、坐标位置为(0,2)的像素点的QDST系数、坐标位置为(0,3)的像素点的QDST系数、坐标位置为(2,1)的像素点的QDST系数、坐标位置为(2,2)的像素点的QDST系数、坐标位置为(2,3)的像素点的QDST系数、坐标位置为(3,1)的像素点的QDST系数、坐标位置为(3,2)的像素点的QDST系数、坐标位置为(3,3)的像素点的QDST系数，
Figure BDA0003720209930000033
表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元的块内失真代价值，
Figure BDA0003720209930000041
Qstep表示H.265/HEVC视频的编码量化步长；
步骤1_9：根据所有载体模拟嵌入1或0时的失真代价值，在设定负载率payload后利用STC编码将给定的隐秘信息序列嵌入到部分载体中，得到部分载体各自对应的含密载体，嵌入优化的方法为：STC编码从隐秘信息序列中选择嵌入的隐秘信息为1时，将
Figure BDA0003720209930000042
作为第一系数优化矩阵，对STC编码选择的载体中的每个像素点的QDST系数进行优化，优化后的QDST系数作为选择的载体对应的含密载体中对应的像素点的QDST系数，对于选择的载体中的任一个像素点，将其QDST系数与第一系数优化矩阵中对应位置的系数相加实现优化；STC编码从隐秘信息序列中选择嵌入的隐秘信息为0时，将
Figure BDA0003720209930000043
作为第二系数优化矩阵，对STC编码选择的载体中的每个像素点的QDST系数进行优化，优化后的QDST系数作为选择的载体对应的含密载体中对应的像素点的QDST系数，对于选择的载体中的任一个像素点，将其QDST系数与第二系数优化矩阵中对应位置的系数相加实现优化；其中，payload∈(0,0.5]，嵌入隐秘信息的载体的个数为载体总数与payload的乘积；
步骤1_10：采用H.265/HEVC标准编码器对原始视频进行压缩编码，在压缩编码的变换量化过程中用含密载体中的QDST系数替换相应位置的原始的QDST系数，压缩编码得到含密视频码流；
所述的隐秘信息提取的具体过程为：
步骤2_1：采用H.265/HEVC标准解码器对含密视频码流进行解码，得到解码视频，在解码过程中保存解码视频中的每帧中的每个编码树单元中的每个编码单元的预测模式和深度、每个编码单元对应的PU划分模式、每个编码单元中的每个像素点的QDST系数；
步骤2_2：按照步骤1_2至步骤1_7的过程，以相同的方式获得解码视频中的所有帧中的所有载体；
步骤2_3：按照步骤1_9中相同的负载率payload，利用STC编码对步骤2_2获得的部分载体进行解码，提取得到隐秘信息序列。
所述的步骤1_8中，α＝0.1，β＝0.9。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明方法通过对QDST系数绝对值的分布失真和块内失真的分析，设计了自适应的失真代价值计算函数，并使用STC编码对QDST系数进行自适应数据隐藏，能够很好地降低嵌入失真，从而有效地提高隐写后的视频画面质量。
2)本发明方法在修改QDST系数时综合考虑了视频编码的熵编码过程，通过分析修改QDST系数前后块内系数修改的分布情况和修改系数导致的块内失真变化等因素，来降低修改后的QDST系数对熵编码产生的影响，从而降低了视频码率增长，提高了隐写的安全性。
3)本发明方法能够保证隐秘信息有效地被提取出，并且隐写过程和提取过程是与HEVC视频压缩过程相结合的，因此可以应用于现实生活中的实时通信当中。
附图说明
图1为本发明方法中的隐秘信息嵌入的总体实现框图；
图2为本发明方法中的隐秘信息提取的总体实现框图；
图3a为α与β的不同比值下利用本发明方法对BlowingBubbles测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值；
图3b为α与β的不同比值下利用本发明方法对BasketballDrill测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值；
图3c为α与β的不同比值下利用本发明方法对BasketballDrillText测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值；
图3d为α与β的不同比值下利用本发明方法对Cactus测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值；
图3e为α与β的不同比值下利用本发明方法对BasketballDrive测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值；
图3f为α与β的不同比值下利用本发明方法对BQTerrace测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值；
图4为分别利用本发明方法和对比方法以及没有使用STC编码的直接嵌入算法(Direct Embedding，DE)对各个测试视频序列进行隐写后的BIR值对比示意图；
图5为分别利用本发明方法和对比方法对各个测试视频序列进行隐写的抵抗隐写分析性能比较示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的一种无帧内失真漂移的HEVC视频自适应隐写方法，包括隐秘信息嵌入和隐秘信息提取两部分。
如图1所示，所述的隐秘信息嵌入的具体过程为：
步骤1_1：采用H.265/HEVC标准编码器对原始视频进行压缩编码，得到H.265/HEVC视频，在压缩编码过程中保存H.265/HEVC视频中的每帧中的每个编码树单元(CTU，CodingTree Unit)中的每个编码单元(CU，Coding Unit)的预测模式和深度、每个编码单元对应的PU(Prediction Unit)划分模式、每个编码单元中的每个像素点的QDST(QuantizedDiscrete Sine Transform，量化离散正弦变换)系数；其中，编码树单元的尺寸为64×64，编码单元的尺寸为64×64或32×32或16×16或8×8或4×4。
步骤1_2：按序遍历H.265/HEVC视频中的所有帧，将当前遍历的帧定义为当前帧。
步骤1_3：判断当前帧是否为I帧，如果当前帧为I帧，则执行步骤1_4；如果当前帧不为I帧，则直接执行步骤1_7。
步骤1_4：按序遍历当前帧中的所有尺寸为4×4的编码单元(尺寸为4×4的编码单元的深度为3，PU划分模式为3)，将当前遍历的尺寸为4×4的编码单元定义为当前单元。
步骤1_5：如果当前单元仅存在相邻的尺寸为4×4的左下方编码单元且左下方编码单元的预测模式的数字标识在区间[2,26]内，及相邻的尺寸为4×4的正下方编码单元且正下方编码单元的预测模式的数字标识在区间[2,10]内；或者，如果当前单元仅存在相邻的尺寸为4×4的右上方编码单元且右上方编码单元的预测模式的数字标识在区间[10,34]内或为1，及相邻的尺寸为4×4的正右方编码单元且正右方编码单元的预测模式的数字标识在区间[26,34]内，则将当前单元作为载体，然后执行步骤1_6。
对于其余情况，对当前单元不作处理，然后直接执行步骤1_6。
上述，左下方编码单元为位于当前单元的左下方的尺寸为4×4的编码单元，正下方编码单元为位于当前单元的正下方的尺寸为4×4的编码单元，右上方编码单元为位于当前单元的右上方的尺寸为4×4的编码单元，正右方编码单元为位于当前单元的正右方的尺寸为4×4的编码单元。
步骤1_6：遍历当前帧中下一个尺寸为4×4的编码单元，将其作为当前单元，然后返回步骤1_5继续执行，直至当前帧中的所有尺寸为4×4的编码单元全部遍历完毕，至此确定了当前帧中的所有载体，然后执行步骤1_7。
步骤1_7：遍历H.265/HEVC视频中的下一帧，将其作为当前帧，然后返回步骤1_3继续执行，直至H.265/HEVC视频中的所有帧全部遍历完毕，至此确定了所有帧中的所有载体，然后执行步骤1_8。
步骤1_8：计算每个载体模拟嵌入1或0时的失真代价值，对于任一个载体，设定该载体为H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元，则将该载体模拟嵌入1或0时的失真代价值记为ρm,n(i,j)，
Figure BDA0003720209930000071
其中，1≤m≤M，M表示H.265/HEVC视频中包含的帧的总帧数，1≤n≤N，N表示H.265/HEVC视频中的第m帧中包含的编码树单元的总个数，1≤i≤16，1≤j≤16，α和β均为比例系数，α+β＝1，α＜β，φm,n(i,j)表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中的所有像素点的QDST系数绝对值的分布失真代价值，
Figure BDA0003720209930000072
Dabs,max表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中的所有像素点的QDST系数中绝对值最大的QDST系数，符号“| |”为取绝对值符号，Ds表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中的所有像素点的QDST系数中需要修改的第s个QDST系数，需要修改的第1个QDST系数至第9个QDST系数对应为H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中坐标位置为(0,0)的像素点(即左上角像素点)的QDST系数、坐标位置为(0,2)的像素点的QDST系数、坐标位置为(0,3)的像素点的QDST系数、坐标位置为(2,1)的像素点的QDST系数、坐标位置为(2,2)的像素点的QDST系数、坐标位置为(2,3)的像素点的QDST系数、坐标位置为(3,1)的像素点的QDST系数、坐标位置为(3,2)的像素点的QDST系数、坐标位置为(3,3)的像素点的QDST系数，
Figure BDA0003720209930000081
表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元的块内失真代价值，
Figure BDA0003720209930000082
Qstep表示H.265/HEVC视频的编码量化步长。
QDST系数在压缩域可以表示图像的纹理性，一个视频序列经过量化的QDST系数有如下两个特性：(1)绝对值越大的QDST系数出现的频率越低；(2)随着QDST系数的绝对值的增加，其出现的频率下降的幅度减小。一个视频序列的QDST系数主要集中在0和绝对值小的部分上，其中QDST系数为-1、0、1的个数占总个数的比例平均达到95％左右，而绝对值大于1的QDST系数不到5％。QDST系数值越大，对块内相关性影响越小，反之，QDST系数值越小，对块内相关性影响越大。因此在设计载体模拟嵌入1或0时的失真代价值时，修改的QDST系数的绝对值越大，修改导致的失真越小。根据幂律分布的特征研究一个视频序列的QDST系数绝对值的分布，得到
Figure BDA0003720209930000083
对于尺寸为4×4的编码单元，其DST变换矩阵H表示为：
Figure BDA0003720209930000084
a＝29，b＝55，c＝74，d＝84，在缩放过程中使用的校正矩阵E是一个与H大小相同的矩阵，E中的所有元素的值都是1/128。缩放和量化在HEVC编码器中一起执行。DST变换和量化的过程可以表示为：
Figure BDA0003720209930000085
其中，Y表示DST变换和量化后的DST系数矩阵，X表示尺寸为4×4的编码单元的原始残差矩阵，上标“T”表示向量或矩阵的转置，“·”表示逐元素相乘，Qstep表示编码量化参数QP对应的量化步长，
Figure BDA0003720209930000091
在DST变换和量化后，将隐秘信息W嵌入到Y中，基于压缩域嵌入的隐藏算法，嵌入的信息以误差矩阵的形式嵌入到Y中，得到Y'，Y'＝Y+W。
编码过程中Y'没有参与像素的重构过程，所以在解码端，可以直接对Y'进行反量化和反变换，以获得修改后的残差矩阵，记为X'，
Figure BDA0003720209930000092
所以将隐秘信息嵌入到QDST系数上，会引起块内的失真，将修改量化变换系数导致的块内失真矩阵定义为原始残差矩阵X和修改后的残差矩阵X'的差值，记为ΔX，
Figure BDA0003720209930000093
因此当嵌入隐秘信息
Figure BDA0003720209930000094
或者
Figure BDA0003720209930000095
到QDST系数中，经过计算，ΔX可表示为：
Figure BDA0003720209930000096
即令
Figure BDA0003720209930000097
从分析可以看到，修改QDST系数得到的ΔX中的最后一行和最后一列都是零向量，所以本发明方法不会存在帧内失真漂移。
比较本发明方法与对比方法(Liu Y X,Liu S Y,Zhao H G,et al.A new datahiding method for H.265/HEVC video streams without intra-frame distortiondrift[J].Multimedia Tools&Applications,2019,78(6):6459-6486.(一种新型的无帧内失真漂移的H.265/HEVC数据隐藏方法))在修改QDST系数导致的块内失真上的效果。
对比方法指出嵌入的隐秘信息矩阵需要满足的多系数形式为：
Figure BDA0003720209930000098
或者
Figure BDA0003720209930000101
嵌入的隐秘信息矩阵为
Figure BDA0003720209930000102
时，ΔX可表示为：
Figure BDA0003720209930000103
嵌入的隐秘信息矩阵为
Figure BDA0003720209930000104
时，ΔX可表示为：
Figure BDA0003720209930000105
表1列举了编码量化参数QP从11变化到40时本发明方法与对比方法在修改QDST系数导致的块内失真上的效果对比。
表1编码量化参数QP从11变化到40时本发明方法与对比方法在修改QDST系数导致的块内失真上的效果对比
Figure BDA0003720209930000106
Figure BDA0003720209930000111
从表1中可以看出，无论选取的QP大小如何，本发明方法在修改QDST系数导致的块内失真上的效果都优于对比方法，产生的块内失真更小，主要是因为对比方法将嵌入失真分散到第三行或者第三列的像素点上(参见
Figure BDA0003720209930000112
和
Figure BDA0003720209930000113
)，而本发明方法产生的失真集中第三行第三列这一个像素点上(参见
Figure BDA0003720209930000114
)。
在本实施例中，步骤1_8中，α＝0.1，β＝0.9。由于不同的比例系数将会对本发明方法产生不同的影响，因此对比例系数的取值做一个讨论分析。为了提升隐写后视频的画面质量，块内失真代价值
Figure BDA0003720209930000115
在载体模拟嵌入1或0时的失真代价值中所占比例应该更高，即应设置β的值大于α的值。图3a给出了α与β的不同比值下利用本发明方法对BlowingBubbles测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值，图3b给出了α与β的不同比值下利用本发明方法对BasketballDrill测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值，图3c给出了α与β的不同比值下利用本发明方法对BasketballDrillText测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值，图3d给出了α与β的不同比值下利用本发明方法对Cactus测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值，图3e给出了α与β的不同比值下利用本发明方法对BasketballDrive测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值，图3f给出了α与β的不同比值下利用本发明方法对BQTerrace测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值。从图3a至图3f中可以看出，α与β的不同比值下利用本发明方法对各个测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值有着较为明显的变化，但是总体而言，随着β所占比例的不断加大，PSNR值有着不同程度的提升。实验发现在所有不同比值设置中，当α与β的比值为1：9时，本发明方法在所有测试视频序列上的PSNR值达到相对最优，因此选择α与β的比值为1:9，如取α＝0.1，β＝0.9。
步骤1_9：根据所有载体模拟嵌入1或0时的失真代价值，在设定负载率payload后利用STC(Syndrome-Trellis Codes，综合网格码)编码将给定的隐秘信息序列嵌入到部分载体(Num×payload个)中，得到部分载体各自对应的含密载体，嵌入优化的方法为：STC编码从隐秘信息序列中选择嵌入的隐秘信息为1时，将
Figure BDA0003720209930000121
作为第一系数优化矩阵，对STC编码选择的载体中的每个像素点的QDST系数进行优化，优化后的QDST系数作为选择的载体对应的含密载体中对应的像素点的QDST系数，对于选择的载体中的任一个像素点，将其QDST系数与第一系数优化矩阵中对应位置的系数相加实现优化；STC编码从隐秘信息序列中选择嵌入的隐秘信息为0时，将
Figure BDA0003720209930000122
作为第二系数优化矩阵，对STC编码选择的载体中的每个像素点的QDST系数进行优化，优化后的QDST系数作为选择的载体对应的含密载体中对应的像素点的QDST系数，对于选择的载体中的任一个像素点，将其QDST系数与第二系数优化矩阵中对应位置的系数相加实现优化；其中，payload∈(0,0.5]，在本实施例中payload取0.4，嵌入隐秘信息的载体的个数为载体总数Num与payload的乘积即Num×payload，给定的隐秘信息序列可以是有效信息，如图片、文本等。
步骤1_10：采用H.265/HEVC标准编码器对原始视频进行压缩编码，在压缩编码的变换量化过程中用含密载体中的QDST系数(即优化后的QDST系数)替换相应位置的原始的QDST系数，压缩编码得到含密视频码流。
如图2所示，所述的隐秘信息提取的具体过程为：
步骤2_1：采用H.265/HEVC标准解码器对含密视频码流进行解码，得到解码视频，在解码过程中保存解码视频中的每帧中的每个编码树单元中的每个编码单元的预测模式和深度、每个编码单元对应的PU划分模式、每个编码单元中的每个像素点的QDST系数。
步骤2_2：按照步骤1_2至步骤1_7的过程，以相同的方式获得解码视频中的所有帧中的所有载体。
步骤2_3：按照步骤1_9中相同的负载率payload，利用STC编码对步骤2_2获得的部分载体(Num×payload个)进行解码，提取得到隐秘信息序列。
为进一步说明本发明方法的可行性和有效性，对本发明方法进行实验。
在HEVC的参考软件模型HM16.20上实现本发明方法并进行仿真实验，实验中使用了不同分辨率和纹理复杂度的标准视频序列作为测试视频序列，测试视频序列的分辨率信息列于表2。表3给出了HEVC的参考软件模型HM16.20的主要编码配置参数，其它参数按照默认配置。
表2测试视频序列的分辨率
Figure BDA0003720209930000131
从表2中可以看出，不同的测试视频序列的嵌入容量(Capacity)出现差异，主要因为分辨率和视频内容不同，符合嵌入条件的帧内亮度块(即编码单元)的数目也不一致，导致嵌入隐秘信息的数目差别很大。相同分辨率的不同测试视频序列(如Cactus和BasketballDrive)，由于视频内容的不同，因此符合嵌入条件的帧内亮度块的数目也不一致，导致嵌入容量出现差异。
表3 HEVC的参考软件模型HM16.20的主要编码配置参数
参数Parameter 配置Configuration
Version HM16.20
GOP structure I-P-P-P
QP 28
IntraPeriod 4
IntraQPOffset 0
将嵌入的负载率设置为0.4，负载率即需要修改的载体占符合嵌入条件的载体的比例。为了证明本发明方法的有效性，通过几个实验评估了利用本发明方法的视频客观质量、比特率增长率、安全性。
1)视频客观质量分析
表4给出了在嵌入容量相等的情况下，分别利用本发明方法和对比方法(Liu Y X,Liu S Y,Zhao H G,et al.A new data hiding method for H.265/HEVC video streamswithout intra-frame distortion drift[J].Multimedia Tools&Applications,2019,78(6):6459-6486.(一种新型的无帧内失真漂移的H.265/HEVC数据隐藏方法))以及没有使用STC编码的直接嵌入算法(Direct Embedding，DE)对表2所列的各个测试视频序列进行处理得到的含密视频的PSNR值和SSIM值与原始视频序列的PSNR值和SSIM值的对应比较情况。
表4性能测试结果比较
Figure BDA0003720209930000141
从表4中可以看出，本发明方法相比于对比方法和DE方法，在PSNR和SSIM上有一些明显的优势。对于BasketballDrill测试视频序列，利用本发明方法得到的含密视频的PSNR值的大小为38.5083dB，比原始视频序列的PSNR值下降0.0495dB，而利用对比方法得到的含密视频的PSNR值的大小下降0.0857dB，利用DE方法得到的含密视频的PSNR值的大小下降0.8435dB。结果显示本发明方法在视频客观质量的评估上具有优势。
2)码率变化即比特率增长率分析
图4给出了分别利用本发明方法和对比方法以及没有使用STC编码的直接嵌入算法(Direct Embedding，DE)对表2所列的各个测试视频序列进行隐写后的BIR值对比，BIR值越大，说明隐写导致视频的比特数增加越多，也就是说视频在信道中的传输过程中需要更大的开销。从图4中可以看出，本发明方法的BIR值都要低于对比方法，以BlowingBubbles测试视频序列为例，经对比方法进行隐写后的BIR值为0.4752％，比经本发明方法进行隐写后的BIR值高出了0.1987％。从而验证本发明方法在BIR这方面存在优越性。
3)安全性分析即抵抗隐写分析
抵抗隐写分析性能是隐写算法评估的重要指标，在此采用文献Shi,H N,Sun T F,Jiang X H et al.A HEVC video steganalysis against DCT/DST-based steganography[J]International Journal of Digital Crime and Forensics,2021,13(3):19-33.(一种针对基于DCT/DST的隐写术的HEVC视频隐写分析)给出的隐写分析方法，对本发明方法和对比方法的抵抗隐写分析性能进行评估。将每个测试视频序列以一个GOP长度为单位进行分割，最终得到了每个测试视频序列对应的60个原始视频子序列和60个隐写视频子序列；将原始视频子序列和隐写视频子序列按3：1的比例随机划分成训练集和测试集，并使用libSVM工具包来训练分类模型，并对每个测试视频序列的测试集进行预测20次，最终得到平均检测率。图5给出了分别利用本发明方法和对比方法对表2所列的各个测试视频序列进行隐写的抵抗隐写分析性能比较，从图5中可以看出，本发明方法的检测率均在50％左右，因此本发明方法具有较高的隐蔽性。

Claims (2)

1.一种无帧内失真漂移的HEVC视频自适应隐写方法，包括隐秘信息嵌入和隐秘信息提取两部分，其特征在于：
所述的隐秘信息嵌入的具体过程为：
步骤1_1：采用H.265/HEVC标准编码器对原始视频进行压缩编码，得到H.265/HEVC视频，在压缩编码过程中保存H.265/HEVC视频中的每帧中的每个编码树单元中的每个编码单元的预测模式和深度、每个编码单元对应的PU划分模式、每个编码单元中的每个像素点的QDST系数；其中，编码树单元的尺寸为64×64，编码单元的尺寸为64×64或32×32或16×16或8×8或4×4；
步骤1_2：按序遍历H.265/HEVC视频中的所有帧，将当前遍历的帧定义为当前帧；
步骤1_3：判断当前帧是否为I帧，如果当前帧为I帧，则执行步骤1_4；如果当前帧不为I帧，则直接执行步骤1_7；
步骤1_4：按序遍历当前帧中的所有尺寸为4×4的编码单元，将当前遍历的尺寸为4×4的编码单元定义为当前单元；
步骤1_5：如果当前单元仅存在相邻的尺寸为4×4的左下方编码单元且左下方编码单元的预测模式的数字标识在区间[2,26]内，及相邻的尺寸为4×4的正下方编码单元且正下方编码单元的预测模式的数字标识在区间[2,10]内；或者，如果当前单元仅存在相邻的尺寸为4×4的右上方编码单元且右上方编码单元的预测模式的数字标识在区间[10,34]内或为1，及相邻的尺寸为4×4的正右方编码单元且正右方编码单元的预测模式的数字标识在区间[26,34]内，则将当前单元作为载体，然后执行步骤1_6；
对于其余情况，对当前单元不作处理，然后直接执行步骤1_6；
步骤1_6：遍历当前帧中下一个尺寸为4×4的编码单元，将其作为当前单元，然后返回步骤1_5继续执行，直至当前帧中的所有尺寸为4×4的编码单元全部遍历完毕，然后执行步骤1_7；
步骤1_7：遍历H.265/HEVC视频中的下一帧，将其作为当前帧，然后返回步骤1_3继续执行，直至H.265/HEVC视频中的所有帧全部遍历完毕，然后执行步骤1_8；
步骤1_8：计算每个载体模拟嵌入1或0时的失真代价值，对于任一个载体，设定该载体为H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元，则将该载体模拟嵌入1或0时的失真代价值记为ρm,n(i,j)，
Figure FDA0003720209920000021
其中，1≤m≤M，M表示H.265/HEVC视频中包含的帧的总帧数，1≤n≤N，N表示H.265/HEVC视频中的第m帧中包含的编码树单元的总个数，1≤i≤16，1≤j≤16，α和β均为比例系数，α+β＝1，α＜β，φm,n(i,j)表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中的所有像素点的QDST系数绝对值的分布失真代价值，
Figure FDA0003720209920000022
Dabs,max表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中的所有像素点的QDST系数中绝对值最大的QDST系数，符号“||”为取绝对值符号，Ds表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中的所有像素点的QDST系数中需要修改的第s个QDST系数，需要修改的第1个QDST系数至第9个QDST系数对应为H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元中坐标位置为(0,0)的像素点的QDST系数、坐标位置为(0,2)的像素点的QDST系数、坐标位置为(0,3)的像素点的QDST系数、坐标位置为(2,1)的像素点的QDST系数、坐标位置为(2,2)的像素点的QDST系数、坐标位置为(2,3)的像素点的QDST系数、坐标位置为(3,1)的像素点的QDST系数、坐标位置为(3,2)的像素点的QDST系数、坐标位置为(3,3)的像素点的QDST系数，
Figure FDA0003720209920000023
表示H.265/HEVC视频中的第m帧中的第n个编码树单元中第i行第j列的尺寸为4×4的编码单元的块内失真代价值，
Figure FDA0003720209920000024
Qstep表示H.265/HEVC视频的编码量化步长；
步骤1_9：根据所有载体模拟嵌入1或0时的失真代价值，在设定负载率payload后利用STC编码将给定的隐秘信息序列嵌入到部分载体中，得到部分载体各自对应的含密载体，嵌入优化的方法为：STC编码从隐秘信息序列中选择嵌入的隐秘信息为1时，将
Figure FDA0003720209920000031
作为第一系数优化矩阵，对STC编码选择的载体中的每个像素点的QDST系数进行优化，优化后的QDST系数作为选择的载体对应的含密载体中对应的像素点的QDST系数，对于选择的载体中的任一个像素点，将其QDST系数与第一系数优化矩阵中对应位置的系数相加实现优化；STC编码从隐秘信息序列中选择嵌入的隐秘信息为0时，将
Figure FDA0003720209920000032
作为第二系数优化矩阵，对STC编码选择的载体中的每个像素点的QDST系数进行优化，优化后的QDST系数作为选择的载体对应的含密载体中对应的像素点的QDST系数，对于选择的载体中的任一个像素点，将其QDST系数与第二系数优化矩阵中对应位置的系数相加实现优化；其中，payload∈(0,0.5]，嵌入隐秘信息的载体的个数为载体总数与payload的乘积；
步骤1_10：采用H.265/HEVC标准编码器对原始视频进行压缩编码，在压缩编码的变换量化过程中用含密载体中的QDST系数替换相应位置的原始的QDST系数，压缩编码得到含密视频码流；
所述的隐秘信息提取的具体过程为：
步骤2_1：采用H.265/HEVC标准解码器对含密视频码流进行解码，得到解码视频，在解码过程中保存解码视频中的每帧中的每个编码树单元中的每个编码单元的预测模式和深度、每个编码单元对应的PU划分模式、每个编码单元中的每个像素点的QDST系数；
步骤2_2：按照步骤1_2至步骤1_7的过程，以相同的方式获得解码视频中的所有帧中的所有载体；
步骤2_3：按照步骤1_9中相同的负载率payload，利用STC编码对步骤2_2获得的部分载体进行解码，提取得到隐秘信息序列。
2.根据权利要求1所述的一种无帧内失真漂移的HEVC视频自适应隐写方法，其特征在于所述的步骤1_8中，α＝0.1，β＝0.9。
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