CN116320471A - 视频信息隐藏方法、系统、设备及视频隐藏信息提取方法 - Google Patents

视频信息隐藏方法、系统、设备及视频隐藏信息提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种视频信息隐藏方法、系统、设备及视频隐藏信息提取方法，视频信息隐藏方法在第一次视频编码中提取视频中若干非I帧的亮度块；将每个亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并计算每个载体的失真值；根据所有载体的失真值和秘密信息进行STC编码；根据含密二进制载体序列和原始二进制载体序列的区别对原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，并进行熵编码。视频隐藏信息提取方法对完成视频信息隐藏后的视频进行解码获取含密载体系数，通过模二运算得到含密的二进制载体序列；提取含密的二进制载体序列中的秘密信息，并对含密载体系数进行质量恢复。本发明能够保证足够大的嵌入容量，能保证较高的视频质量。

Description

视频信息隐藏方法、系统、设备及视频隐藏信息提取方法
技术领域
本发明涉及视频信息隐藏技术领域，尤其是涉及一种视频信息隐藏方法、系统、设备及视频隐藏信息提取方法。
背景技术
随着网络和电子设备的发展推动了视频信息与人的交互方式和速度，使得视频成为人们生活中难以缺少的一部分。但技术的发展也使视频信息的获取和修改变得更加简单，从而对视频信息的安全造成了威胁。为了保证视频信息的安全性，视频信息隐藏技术随着而生，信息隐藏技术是指在载体数据（如文本，视频）中嵌入秘密信息来生成含密数据，而含密数据并不影响其完整性和可用性，因此能进行的正常的传输而不会引起攻击者的注意。
而现有技术因为修改 I 帧的非零交流变换量化系数会出现帧内失真漂移和帧间失真漂移的情况，使得嵌入信息所带来的失真传播到当前帧的其他块和其他帧，最终累积下来给视频质量造成严重影响。并且现有技术选择失真最小的区域进行嵌入，导致嵌入容量变小。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种视频信息隐藏方法、系统、设备及视频隐藏信息提取方法，即能够保证足够大的嵌入容量，又能保证较高的视频质量。
第一方面，本发明实施例提供了一种视频信息隐藏方法，所述视频信息隐藏方法包括：
获取秘密信息和视频，并在第一次视频编码中提取所述视频中若干非I帧的亮度块；
将每个所述亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并对所述原始载体序列进行模二运算，得到二进制载体序列；
计算所述二进制载体序列的失真值，并根据所述失真值和所述秘密信息，对所述二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列；
在第二次视频编码中，根据所述含密的二进制序列和所述二进制载体序列，对所述原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的所述原始载体序的非零交流变换量化系数；
将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码，以完成视频对所述秘密信息的隐藏。
与现有技术相比，本发明第一方面具有以下有益效果：
本方法获取秘密信息和视频，并提取视频中若干非I帧的亮度块，将每个亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并对原始载体序列进行模二运算，得到二进制载体序列，相较于现有技术使用I帧的亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，本方法不采用I帧的亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，而是采用非I帧的亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，避免了存在帧内失真漂移的现象；计算二进制载体序列的失真值，并根据失真值和秘密信息，对二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列，根据含密的二进制序列和二进制载体序列，对原始载体序列的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的原始载体序的非零交流变换量化系数，将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码，以完成视频对秘密信息的隐藏，本方法将计算得到的整个亮度块的二进制载体序列进行编码，将秘密信息进行隐藏，而不是只采用亮度块的某一部分，因此，本方法增大了秘密信息的嵌入容量，并且本方法是一次性对整个视频进行秘密信息的隐藏，能达到全局最优的嵌入隐藏。
根据本发明的一些实施例，所述计算所述二进制载体序列的失真值，包括：
计算所述二进制载体序列对应的亮度块不同区域的非零交流变换量化系数的第一失真值
Figure SMS_1
；
计算所述二进制载体序列对应帧的不同级别的第二失真值
Figure SMS_2
：
Figure SMS_3
计算所述二进制载体序列的运动矢量的幅度值
Figure SMS_4
：
Figure SMS_5
根据所述第一失真值、所述第二失真值和所述运动矢量的幅度值，计算所述二进制载体序列的失真值
Figure SMS_6
：
Figure SMS_7
其中，
Figure SMS_9
表示所述第一失真值所占的比例，
Figure SMS_13
表示所述第二失真值所占的比例，
Figure SMS_16
表示
Figure SMS_10
所占的比例，
Figure SMS_12
表示x方向的运动矢量，
Figure SMS_15
表示y方向的运动矢量，
Figure SMS_17
表示第
Figure SMS_8
级别，
Figure SMS_11
表示最大级别，
Figure SMS_14
表示常量参数。
根据本发明的一些实施例，所述根据所述失真值和所述秘密信息，对所述二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列，包括：
构造STC算法的校验矩阵的参数和负载率；
根据构造好的所述校验矩阵的参数和所述负载率，将所述二进制载体序列、所述失真值和所述秘密信息输入至所述STC算法进行STC编码，得到含密的二进制序列。
根据本发明的一些实施例，所述在第二次视频编码中，根据所述含密的二进制序列和所述二进制载体序列，对所述原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的所述原始载体序的非零交流变换量化系数，包括：
对每个非I帧进行第二次视频编码时，比较当前非I帧中含密的二进制序列和二进制载体序列的二进制值的区别；
根据所述二进制值的区别对所述原始载体序列的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的所述原始载体序的非零交流变换量化系数。
第二方面，本发明实施例还提供了一种视频隐藏信息提取方法，所述视频隐藏信息提取方法包括：
获取完成视频信息隐藏后的视频；其中，所述视频为上述所述的视频信息隐藏方法完成视频信息隐藏后的视频；
对所述完成视频信息隐藏后的视频进行解码，以获取含密载体系数；
对所述含密载体系数进行模二运算，得到含密的二进制载体序列；
提取所述含密的二进制载体序列中的秘密信息；
对所述含密载体系数进行质量恢复。
与现有技术相比，本发明第二方面具有以下有益效果：
本方法对完成视频信息隐藏后的视频进行解码，以获取含密载体系数；对含密载体系数进行模二运算，得到含密的二进制载体序列，提取含密的二进制载体序列中的秘密信息，通过正确提取秘密信息完成编码端和解码端之间的加密通信；对含密载体系数进行质量恢复，通过在解码端进行质量恢复操作，能够提升解码后的视频质量。
根据本发明的一些实施例，所述对所述完成视频信息隐藏后的视频进行解码，以获取含密载体系数，包括：
对所述完成视频信息隐藏后的视频进行解码，得到每一非I帧中所有亮度块；
在每一非I帧中选取多个面积不超过预设值的亮度块；
将每个所述面积不超过预设值的亮度块的非零交流变换量化系数作为含密载体系数。
根据本发明的一些实施例，所述对所述含密载体系数进行质量恢复，包括：
选取非I帧中面积不超过预设值的亮度块，并选取所述亮度块中非零交流变换量化系数；
若所述非零交流变换量化系数的绝对值大于等于2，则当所述非零交流变换量化系数为正数，将所述非零交流变换量化系数减一；当所述非零交流变换量化系数为负数，将所述非零交流变换量化系数加一，以完成质量恢复。
第三方面，本发明实施例还提供了一种视频信息隐藏系统，所述视频信息隐藏系统包括：
数据获取单元，用于获取秘密信息和视频，并提取所述视频中若干非I帧的亮度块；
第一运算单元，用于将每个所述亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并对所述原始载体序列进行模二运算，得到二进制载体序列；用于计算所述二进制载体序列的失真值；
第一编码单元，用于根据所述失真值和所述秘密信息，对所述二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列；
第二编码单元，用于在第二次视频编码中根据所述含密的二进制序列和所述二进制载体序列，对所述原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的所述原始载体序的非零交流变换量化系数；
熵编码单元，用于将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码，以完成视频对所述秘密信息的隐藏。
第四方面，本发明实施例还提供了一种视频信息隐藏设备，包括至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行如上所述的一种视频信息隐藏方法。
第五方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上所述的一种视频信息隐藏方法。
可以理解的是，上述第二方面至第四方面与相关技术相比存在的有益效果与上述第一方面与相关技术相比存在的有益效果相同，可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一实施例的一种视频信息隐藏方法的流程图；
图2是本发明一实施例的一种视频隐藏信息提取方法的流程图；
图3是本发明一实施例的编码端信息隐藏的流程图；
图4是本发明一实施例的非零交流变换量化系数的失真关系示意图；
图5是本发明一实施例的推导后的非零交流变换量化系数的失真关系示意图；
图6是本发明一实施例的HBP场景下帧的参考示意图；
图7是本发明一实施例的解码端信息提取的流程图；
图8是本发明一实施例的一种视频信息隐藏系统的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
现有技术因为修改 I 帧的非零交流变换量化系数会出现帧内失真漂移和帧间失真漂移的情况，使得嵌入信息所带来的失真传播到当前帧的其他块和其他帧，最终累积下来给视频质量造成严重影响。并且现有技术选择失真最小的区域进行嵌入，导致嵌入容量变小。
为解决上述问题，本发明通过获取秘密信息和视频，并提取视频中若干非I帧的亮度块，将每个亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并对原始载体序列进行模二运算，得到二进制载体序列，相较于现有技术使用I帧的亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，本发明不采用I帧的亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，而是采用非I帧的亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，避免了存在帧内失真漂移的现象；计算二进制载体序列的失真值，并根据失真值和秘密信息，对二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列，根据含密的二进制序列和二进制载体序列，对原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的原始载体序的非零交流变换量化系数，将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码，以完成视频对秘密信息的隐藏，本发明将计算得到的整个亮度块的二进制载体序列进行STC编码，将秘密信息进行隐藏，而不是只采用亮度块的某一部分，因此，本发明增大了秘密信息的嵌入容量，并且本发明是一次性对整个视频进行秘密信息的隐藏，能达到全局最优的嵌入隐藏。本发明还通过对完成视频信息隐藏后的视频进行解码，以获取含密载体系数；对含密载体系数进行模二运算，得到含密的二进制载体序列，提取含密的二进制载体序列中的秘密信息，通过正确提取秘密信息完成编码端和解码端之间的加密通信；对含密载体系数进行质量恢复，通过在解码端进行质量恢复操作，能够提升解码后的视频质量。
参照图1，本发明实施例提供了一种视频信息隐藏方法，本视频信息隐藏方法包括但不限于步骤S110至步骤S150，其中：
步骤S110、获取秘密信息和视频，并在第一次视频编码中提取视频中若干非I帧的亮度块；
步骤S120、将每个亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并对原始载体序列进行模二运算，得到二进制载体序列；
步骤S130、计算二进制载体序列的失真值，并根据失真值和秘密信息，对二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列；
步骤S140、在第二次视频编码中，根据含密的二进制序列和二进制载体序列，对原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的原始载体序的非零交流变换量化系数；
步骤S150、将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码，以完成视频对秘密信息的隐藏。
在一些实施例的步骤S110至步骤S150中，为了避免存在帧内失真漂移的现象，本实施例通过获取秘密信息和视频，并在第一次视频编码中提取视频中若干非I帧的亮度块，将每个亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并对原始载体序列进行模二运算，得到二进制载体序列；为了增大了秘密信息的嵌入容量和达到全局最优的嵌入隐藏，本实施例通过计算二进制载体序列的失真值，并根据失真值和秘密信息，对二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列，在第二次视频编码中，根据含密的二进制序列和二进制载体序列，对原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的原始载体序的非零交流变换量化系数，将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码，以完成视频对秘密信息的隐藏。
在一些实施例中，计算二进制载体序列的失真值，包括：
计算二进制载体序列对应的亮度块不同区域的非零交流变换量化系数的第一失真值
Figure SMS_18
；
计算二进制载体序列对应帧的不同级别的第二失真值
Figure SMS_19
：
Figure SMS_20
计算二进制载体序列的运动矢量的幅度值
Figure SMS_21
：
Figure SMS_22
根据第一失真值、第二失真值和运动矢量的幅度值，计算二进制载体序列的失真值
Figure SMS_23
：
Figure SMS_24
其中，
Figure SMS_26
表示第一失真值所占的比例，
Figure SMS_29
表示第二失真值所占的比例，
Figure SMS_32
表示
Figure SMS_27
所占的比例，
Figure SMS_28
表示x方向的运动矢量，
Figure SMS_31
表示y方向的运动矢量，
Figure SMS_34
表示第
Figure SMS_25
级别，
Figure SMS_30
表示最大级别，
Figure SMS_33
表示常量参数。
在本实施例中，选取了亮度块中的所有区域，并且给予了同一个块中不同区域的非零交流变换量化系数不同大小的损失，这样即保证了足够大的嵌入容量，又保证了较高的视频质量。并且本实施例还分析了在不同级别的帧中嵌入秘密信息所导致的损失大小，并将其作为STC损失函数的一部分，从而使得秘密信息大部分嵌入在被参考次数少的帧中，减少了帧间失真传播。
在一些实施例中，根据失真值和秘密信息，对二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列，包括：
构造STC算法的校验矩阵的参数和负载率；
根据构造好的校验矩阵的参数和负载率，将二进制载体序列、失真值和秘密信息输入至STC算法进行STC编码，得到含密的二进制序列。
在一些实施例中，在第二次视频编码中，根据含密的二进制序列和二进制载体序列，对原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的原始载体序的非零交流变换量化系数，包括：
对每个非I帧进行第二次编码时，比较当前非I帧中含密的二进制序列和二进制载体序列的二进制值的区别；
根据二进制值的区别对原始载体序列的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的原始载体序的非零交流变换量化系数。
参照图2，本发明实施例还提供了一种视频隐藏信息提取方法，本视频隐藏信息提取方法包括但不限于步骤S210至步骤S250，其中：
步骤S210、获取完成视频信息隐藏后的视频；其中，该视频为上述视频信息隐藏方法完成视频信息隐藏后的视频；
步骤S220、对完成视频信息隐藏后的视频进行解码，以获取含密载体系数；
步骤S230、对含密载体系数进行模二运算，得到含密的二进制载体序列；
步骤S240、提取含密的二进制载体序列中的秘密信息；
步骤S250、对含密载体系数进行质量恢复。
在一些实施例的步骤S210至步骤S250中，为了正确提取秘密信息完成编码端和解码端之间的加密通信，本实施例通过获取完成视频信息隐藏后的视频；其中，该视频为上述视频信息隐藏方法完成视频信息隐藏后的视频，对完成视频信息隐藏后的视频进行解码，以获取含密载体系数；对含密载体系数进行模二运算，得到含密的二进制载体序列，提取含密的二进制载体序列中的秘密信息；为了提升解码后的视频质量，本实施例通过对含密载体系数进行质量恢复。
在一些实施例中，对完成视频信息隐藏后的视频进行解码，以获取含密载体系数，包括：
对完成视频信息隐藏后的视频进行解码，得到每一非I帧中所有亮度块；
在每一非I帧中选取多个面积不超过预设值的亮度块；
将每个面积不超过预设值的亮度块的非零交流变换量化系数作为含密载体系数。
在一些实施例中，对含密载体系数进行质量恢复，包括：
选取非I帧中面积不超过预设值的亮度块，并选取亮度块中非零交流变换量化系数；
若非零交流变换量化系数的绝对值大于等于2，则当非零交流变换量化系数为正数，将非零交流变换量化系数减一；当非零交流变换量化系数为负数，将非零交流变换量化系数加一，以完成质量恢复。
在本实施例中，在解码端进行了质量恢复操作，进一步提升了视频质量。
为方便本领域人员理解，以下提供一组最佳实施例：
本实施例是基于H.266/VVC视频编码标准的高嵌入容量和无帧内失真漂移和较弱的帧间失真漂移的新型信息隐藏方法。现有技术的嵌入往往是一个帧接一个帧的嵌入，或者是一个块接一个块的嵌入，而本实施例所采用的嵌入方案是一次性对整个视频进行嵌入，这样能达到全局最优的嵌入，而不是局部最优的嵌入。具体为：
1、编码端，在非I帧的亮度块中进行信息隐藏，参照图3。
步骤一、首先进行第一次视频编码，遍历整个视频的所有非I帧的亮度块；
步骤二：选择面积不超过64的亮度块，将亮度块的非零的AC系数作为原始载体序列；
步骤三：因为STC算法是二进制编码工具，所以需要对原始载体序列进行模二运算，得到原始载体序列对应的二进制载体序列；
步骤四：根据失真函数公式计算得到所有非零交流变换量化系数的失真值并分配给二进制载体序列中的对应元素；
步骤五： 设置构造校验矩阵的参数和负载率，然后将二进制载体序列和对应的失真值以及秘密信息输入 STC 算法中进行STC编码，生成含密的二进制序列；
步骤六：进行第二次视频编码，重新遍历整个视频中所有非I帧的面积不超过64的亮度块，在当前帧中对比含密的二进制序列和二进制载体序列的区别来对原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改；第二次视频编码产生最终的码流；
步骤七：将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码写入码流，完成当前帧的嵌入，遍历完所有非I帧后，完成了整个视频的嵌入，即完成了视频的信息隐藏。
需要说明的是，本实施例的STC算法是现有技术，本发明实施例不作具体描述。本实施例的AC系数为非零交流变换量化系数。设置构造校验矩阵的参数就是STC算法的校验矩阵的基础矩阵的高，而负载率就是秘密信息长度和载体序列长度的比值，由于STC算法并没有约定每个载体元素的失真，所以要自己设置每个载体元素的失真，设置的失真与实际的失真越接近，最后隐写的效果越好，因此，本实施例可以根据实际情况设置构造校验矩阵的参数和负载率，本实施例不做具体限定。
在本实施例中，由于现有技术的嵌入操作是直接修改I帧的非零交流变换量化系数，而I帧是使用帧内预测，而帧内预测会影响其相邻的区域，产生预测误差，并且误差会通过帧内预测一直传递下去，逐步累积产生帧内失真漂移现象，引起视觉失真，破坏信息隐藏的视觉隐蔽性。而本实施例选取的是非I帧的非零交流变换量化系数，所以不存在帧内失真漂移的现象，从而信息隐藏的安全性高。
在本实施例中，失真函数公式计算所有非零交流变换量化系数的失真值的过程为：
本实施例的H.266/VVC 使用多变换核选择（MTS）对亮度块进行变换，并引入了两个新的变换矩阵：DST-VII（整数正弦变换7） 和 DCT-VIII（整数余弦变换8）。DST-VII 和DCT-VIII可以在亮度块（TB）的水平和垂直方向上应用不同的变换矩阵。因此，本实施例的VVC中有六个变换，其中包括Transform Skip，即TS（变换跳过），如表1所示。
表1
Figure SMS_35
本实施例分析了编解码端所有非零交流变换量化系数的变换量化和反量化反变换环节。假设现在使用的变换模式为DCT2（整数余弦变换2），也就是表1中的MTS Indx=0的情况，并且亮度块的大小为4x4。计算变换模式为DCT2的非零交流变换量化系数的失真值具体为：
非零交流变换量化系数在如下公式中进行变换：
Figure SMS_36
其中，
Figure SMS_37
表示残差矩阵，
Figure SMS_38
表示DCT2对应的变换核，
Figure SMS_39
表示变换后的残差矩阵。
非零交流变换量化系数在如下公式中进行量化：
Figure SMS_40
其中，
Figure SMS_41
表示量化步长，
Figure SMS_42
表示四舍五入操作，
Figure SMS_43
表示非零交流变换量化系数矩阵，本实施例所选择的原始载体序列就是
Figure SMS_44
中的非零交流变换量化系数。非零交流变换量化系数矩阵
Figure SMS_45
中的非零交流变换量化系数经过熵编码写入码流后，在解码端接收到码流后进行反量化和反变换得到重建的残差矩阵，其过程如下公式所示：
Figure SMS_46
Figure SMS_47
上式中的两个公式分别代表反量化和反变换，式中的
Figure SMS_48
表示重建的残差矩阵，
Figure SMS_49
，
Figure SMS_50
表示解码端的重建残差系数值。选择非零交流变换量化系数即修改
Figure SMS_51
来隐藏信息，假设嵌入信息后的非零交流变换量化系数矩阵
Figure SMS_52
，
Figure SMS_53
是由于修改
Figure SMS_54
中系数所引起的差值矩阵，因此在解码端进行的反量化和反变换过程如下公式所示：
Figure SMS_55
Figure SMS_56
Figure SMS_57
表示隐藏信息后解码端重建的残差矩阵，
Figure SMS_58
表示隐藏信息后解码端重建的残差矩阵中的重建残差系数值。则可以根据嵌入后重建的残差矩阵和未嵌入信息时的残差矩阵计算得到嵌入后的残差误差矩阵E，E的化简过程如下所示：
Figure SMS_59
Figure SMS_60
然后用
Figure SMS_61
表示修改 4 x 4 块中位置为（i,j）的系数所造成的独立失真，即通过计算残差误差矩阵E的MSE来获得，计算方法如下所示：
Figure SMS_62
接下来依次修改4x4块中16个非零交流变换量化系数可以得到所有非零交流变换量化系数对应的独立失真，整个4x4块的非零交流变换量化系数的失真如下所示：
Figure SMS_63
其中，
Figure SMS_64
表示系数的修改量，A1、A2、A3表示4x4块中非零交流变换量化系数的坐标。
由公式上述公式可以推导出4x4块中所有非零交流变换量化系数的失真关系，如图4所示。而4x4块的其它二维变换模式也可以按照上述过程推导出非零交流变换量化系数的失真关系，根据推导的结果发现对于4x4块使用其它二维变换模式，它的非零交流变换量化系数的失真关系是一致的，如图5所示。因此本实施例给予不同区域的非零交流变换量化系数不同的失真值。在MTS的各种模式下的不同大小的亮度块的A3区域中的非零交流变换量化系数的失真值都设置为1，即最大失真的区域的失真值设为1，而A1区域和A2区域中的非零交流变换量化系数的失真值则根据如下失真公式来给予：
Figure SMS_65
A1={(2,2),(2,4),(4,2),(4,4)}；
A2={(1,2),(1,4),(2,1),(2,3),(3,2),(3,4),(4,1),(4,3)}；
A3={(1,1),(1,3),(3,1),(3,3)}。
比如在DCT2的变换模式下4x4块中的A1区域中的非零交流变换量化系数的失真值是
Figure SMS_66
，A2区域中的非零交流变换量化系数的失真值是
Figure SMS_67
，用
Figure SMS_68
表示不同区域的失真值。这样既能充分利用所有的非零AC系数，又能使得STC算法更倾向于选择嵌入秘密信息到失真最小的区域A1。
需要说明的是，本实施例在嵌入块的选择上不局限于4x4块，但对不同尺寸的二维变换模式下的非零交流变换量化系数的失真值同样按照上述方法进行分析。
在本实施例中，由于现有技术选取了亮度块中最小失真区域的非零交流变换量化系数作为嵌入载体，但是这样会导致嵌入容量减少。因此，本实施例选取了亮度块中的所有区域，并且给予了同一个块中不同区域的非零交流变换量化系数不同大小的损失，这样即保证了足够大的嵌入容量，又保证了较高的视频质量。
本实施例是在HBP结构下，HBP结构下帧的参考情况如图6所示。因为level越小的帧嵌入信息会造成更大的帧间失真漂移，所以STC算法的失真函数应该与level成反比。所以失真函数的一部分如下公式所示。
Figure SMS_69
其中，
Figure SMS_70
表示第
Figure SMS_71
级别，
Figure SMS_72
表示最大级别，
Figure SMS_73
表示常量参数，经过实验得出
Figure SMS_74
取0.4时有最好的效果。
在HBP结构下，分析了在不同级别的帧中嵌入秘密信息所导致的损失大小，并将其作为STC损失函数的一部分，从而使得秘密信息大部分嵌入在被参考次数少的帧中，减少了帧间失真传播。
人眼对于运动较快的物体难以查看其细节，更容易感知运动较慢的物体的变化，在运动较快的块中进行嵌入对图像质量的影响较小，即失真函数与运动矢量成反比。因此本实施例在设计失真函数的时候考虑到编码块的运动特性有利于降低系数的失真传播。视频编码中的帧间预测对于当前编码块会在它的参考帧中搜索到一个最优匹配块。最优匹配块和当前编码块的位移即运动矢量可以在一定程度反映出当前编码块的运动特性，因此本实施例选择使用
Figure SMS_75
运动矢量的幅度值：
Figure SMS_76
其中，
Figure SMS_77
表示x方向的运动矢量，
Figure SMS_78
表示y方向的运动矢量。
所以最终的失真函数计算如下公式所示：
Figure SMS_79
其中，
Figure SMS_80
表示
Figure SMS_81
所占的比例，
Figure SMS_82
表示
Figure SMS_83
所占的比例，
Figure SMS_84
表示
Figure SMS_85
所占的比例，通过实验得到（a,b,c）=(0.55,0.35,0.1)时嵌入效果最好。
2、解码端，在非I帧中的信息提取和质量恢复，参照图7。
步骤一：对编码后的整个视频逐帧进行解码，得到每一非I帧中所有编码后的亮度块；
步骤二：在非I帧中选择面积不超过64的亮度块，将亮度块中非零的AC系数作为含密载体系数；
步骤三：对含密载体系数进行模二运算，得到含密的二进制载体序列；
步骤四；将与编码端信息隐藏时一样的校验矩阵参数和含密的二进制载体序列输入STC 算法中提取出秘密信息；
步骤五：与步骤二相同的选取方法，在非I帧中选择面积不超过64的亮度块，再选取亮度块中非零的AC系数，即非零交流变换量化系数；若非零交流变换量化系数的绝对值大于等于2，则当非零交流变换量化系数为正数，将非零交流变换量化系数减一；当非零交流变换量化系数为负数，将非零交流变换量化系数加一，以完成质量恢复。
本实施例在解码端进行了视频质量恢复，因为嵌入秘密信息时修改非零交流变换量化系数的操作是如果非零交流变换量化系数值为正数，则加一，如果为负数，则减一，所以如果进行了修改，修改后的非零交流变换量化系数绝对值大于等于2，因此在解码端进行质量恢复所做的操作是如果非零交流变换量化系数绝对值大于等于2，则进行相反的操作，比如非零交流变换量化系数为正数，则减一，非零交流变换量化系数为负数，则加一；因为原始载体中绝对值等于1的非零交流变换量化系数占多数，所以此操作能够恢复大部分的非零交流变换量化系数。
本实施例分析了非零交流变换量化系数绝对值的分布，并根据嵌入时对非零交流变换量化系数的改变方法，在解码端进行了质量恢复操作，进一步提升了视频质量。
为了更好的说明，本实施例进行了如下实验：
为了验证该本实施例的技术方案的可行性和性能，将本实施例基于VVC官方标准参考编码器VTM6.0上实现，GOP大小为16，结构为“ IBBBBBBBBBBBBBBP”，量化参数（QP）设置为28，LFNST=1，测试帧数为96，其余参数设置为VTM默认配置。为了更好的评估实验效果，我们使用3种不同分辨率和不同纹理复杂度的视频序列：
BasketballPass_416x240_50.yuv
BasketballDrill_832x480_50.yuv
BQTerrace_1920x1080_60.yuv
峰值信噪比（PSNR）是常见的一个用来评估视频质量的指标，本实施例基于嵌入秘密信息前后的PSNR差异分析本实施例的技术方案对视频质量的影响，并根据信息前后的比特率（Bitrate）增加来分析本实施例的技术方案对视频比特率的影响。
本实施例先分析不考虑时域和考虑时域，以及在考虑时域并做了恢复操作的区别,本实施例的技术方案是考虑了时域并做了恢复操作，参照表2。
表2
Figure SMS_86
与上述实验相同的配置，只改变QP参数，对比只在失真最小区域A1嵌入的现有技术的嵌入容量和在所有区域嵌入的本实施例的技术方案的嵌入容量，参照表3。
表3
Figure SMS_87
实验结果表明本实施例的技术方案的嵌入容量大，而且对视频质量和编码影响较小。
参照图8，本发明实施例还提供了一种视频信息隐藏系统，本视频信息隐藏系统包括数据获取单元110、第一运算单元120、第一编码单元130、第二编码单元140和熵编码单元150，其中：
数据获取单元110，用于获取秘密信息和视频，并提取视频中若干非I帧的亮度块；
第一运算单元120，用于将每个亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并对原始载体序列进行模二运算，得到二进制载体序列；用于计算二进制载体序列的失真值；
第一编码单元130，用于根据失真值和秘密信息，对二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列；
第二编码单元140，用于在第二次视频编码中根据含密的二进制序列和二进制载体序列，对原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的原始载体序的非零交流变换量化系数；
熵编码单元150，用于将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码，以完成视频对秘密信息的隐藏。
需要说明的是，由于本实施例中的一种视频信息隐藏系统与上述的一种视频信息隐藏方法基于相同的发明构思，因此，方法实施例中的相应内容同样适用于本系统实施例，此处不再详述。
本发明实施例还提供了一种视频信息隐藏设备，包括：至少一个控制处理器和用于与至少一个控制处理器通信连接的存储器。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
实现上述实施例的一种视频信息隐藏方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被处理器执行时，执行上述实施例中的一种视频信息隐藏方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S110至步骤S150。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，可使得上述一个或多个控制处理器执行上述方法实施例中的一种视频信息隐藏方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S110至步骤S150的功能。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质（或非暂时性介质）和通信介质（或暂时性介质）。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息（诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据）的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘（DVD）或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种视频信息隐藏方法，其特征在于，所述视频信息隐藏方法包括：
获取秘密信息和视频，并在第一次视频编码中提取所述视频中若干非I帧的亮度块；
将每个所述亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并对所述原始载体序列进行模二运算，得到二进制载体序列；
计算所述二进制载体序列的失真值，并根据所述失真值和所述秘密信息，对所述二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列；
在第二次视频编码中，根据所述含密的二进制序列和所述二进制载体序列，对所述原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的所述原始载体序的非零交流变换量化系数；
将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码，以完成视频对所述秘密信息的隐藏。
2.根据权利要求1所述的视频信息隐藏方法，其特征在于，所述计算所述二进制载体序列的失真值，包括：
计算所述二进制载体序列对应的亮度块不同区域的非零交流变换量化系数的第一失真值
Figure QLYQS_1
；
计算所述二进制载体序列对应帧的不同级别的第二失真值
Figure QLYQS_2
：
Figure QLYQS_3
计算所述二进制载体序列的运动矢量的幅度值
Figure QLYQS_4
：
Figure QLYQS_5
根据所述第一失真值、所述第二失真值和所述运动矢量的幅度值，计算所述二进制载体序列的失真值
Figure QLYQS_6
：
Figure QLYQS_7
其中，
Figure QLYQS_10
表示所述第一失真值所占的比例，
Figure QLYQS_16
表示所述第二失真值所占的比例，
Figure QLYQS_17
表示
Figure QLYQS_9
所占的比例，
Figure QLYQS_11
表示x方向的运动矢量，
Figure QLYQS_13
表示y方向的运动矢量，
Figure QLYQS_14
表示第
Figure QLYQS_8
级别，
Figure QLYQS_12
表示最大级别，
Figure QLYQS_15
表示常量参数。
3.根据权利要求1所述的视频信息隐藏方法，其特征在于，所述根据所述失真值和所述秘密信息，对所述二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列，包括：
构造STC算法的校验矩阵的参数和负载率；
根据构造好的所述校验矩阵的参数和所述负载率，将所述二进制载体序列、所述失真值和所述秘密信息输入至所述STC算法进行STC编码，得到含密的二进制序列。
4.根据权利要求1所述的视频信息隐藏方法，其特征在于，所述在第二次视频编码中，根据所述含密的二进制序列和所述二进制载体序列，对所述原始载体序列中的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的所述原始载体序的非零交流变换量化系数，包括：
对每个非I帧进行第二次视频编码时，比较当前非I帧中含密的二进制序列和二进制载体序列的二进制值的区别；
根据所述二进制值的区别对所述原始载体序列的非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的所述原始载体序的非零交流变换量化系数。
5.一种视频隐藏信息提取方法，其特征在于，所述视频隐藏信息提取方法包括：
获取完成视频信息隐藏后的视频；其中，所述视频为权利要求1至4任一项所述的视频信息隐藏方法完成视频信息隐藏后的视频；
对所述完成视频信息隐藏后的视频进行解码，以获取含密载体系数；
对所述含密载体系数进行模二运算，得到含密的二进制载体序列；
提取所述含密的二进制载体序列中的秘密信息；
对所述含密载体系数进行质量恢复。
6.根据权利要求5所述的视频隐藏信息提取方法，其特征在于，所述对所述完成视频信息隐藏后的视频进行解码，以获取含密载体系数，包括：
对所述完成视频信息隐藏后的视频进行解码，得到每一非I帧中所有亮度块；
在每一非I帧中选取多个面积不超过预设值的亮度块；
将每个所述面积不超过预设值的亮度块的非零交流变换量化系数作为含密载体系数。
7.根据权利要求6所述的视频隐藏信息提取方法，其特征在于，所述对所述含密载体系数进行质量恢复，包括：
选取非I帧中面积不超过预设值的亮度块，并选取所述亮度块中非零交流变换量化系数；
若所述非零交流变换量化系数的绝对值大于等于2，则当所述非零交流变换量化系数为正数，将所述非零交流变换量化系数减一；当所述非零交流变换量化系数为负数，将所述非零交流变换量化系数加一，以完成质量恢复。
8.一种视频信息隐藏系统，其特征在于，所述视频信息隐藏系统包括：
数据获取单元，用于获取秘密信息和视频，并提取所述视频中若干非I帧的亮度块；
第一运算单元，用于将每个所述亮度块的非零交流变换量化系数作为原始载体序列，并对所述原始载体序列进行模二运算，得到二进制载体序列；并计算所述二进制载体序列的失真值
第一编码单元，用于计算所述二进制载体序列的失真值，并根据所述失真值和所述秘密信息，对所述二进制载体序列进行STC编码，得到含密的二进制序列；
第二编码单元，用于在第二次视频编码中，根据所述含密的二进制序列和所述二进制载体序列，对所述原始载体序列中非零交流变换量化系数进行修改，得到修改后的所述原始载体序的非零交流变换量化系数；
熵编码单元，用于将修改后的非零交流变换量化系数进行熵编码，以完成视频对所述秘密信息的隐藏。
9.一种视频信息隐藏设备，其特征在于，包括至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行如权利要求1至4任一项所述的视频信息隐藏方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至4任一项所述的视频信息隐藏方法。
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