一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法技术

技术编号:13964754 阅读:47 留言:0更新日期:2016-11-09 08:50
本发明专利技术涉及一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法,其核心思想是基于完全编码,通过与压缩编码紧耦合的方式实现高安全性或高容量的无失真漂移现象的信息隐藏。该方法基于完全压缩编码设计,能够完全避免失真漂移现象的产生;同时引入了独立编码单元的概念,可以支持用户根据不同需要对设计框架进行不同配置,以满足对安全性或对嵌入容量的需求偏好。该方法有别于以往的任意H.264视频隐写方法,特别适用于对实时性要求不高而对算法性能(安全性或嵌入容量)要求较高的隐蔽通信场景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种视频信息隐藏(Video Information Hiding)方法,具体涉及一种与H.264/AVC压缩编码过程紧耦合的信息隐藏设计框架,以及一种在此框架下的具体信息隐藏方法。该方法通过在完全编码过程中修改离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)系数达到消息嵌入的目的,属于信息安全
中的信息隐藏子领域。
技术介绍
当前以数字多媒体内容作为载体的信息隐藏技术主要分为两大类:隐写(Steganography)和水印(Digital Watermarking)。隐写技术主要用于隐蔽通信,可以将秘密信息嵌入到数字媒介中而不损坏它的载体的质量,使得第三方对于隐蔽信道不可感知。因此密钥、数字签名、商业情报等私密信息都可以在开放的网络环境中安全的传送。水印技术主要用于版权保护,将标识信息嵌入数字媒介而不影响原载体的使用价值,也不容易被探知和再次修改,是实现防伪溯源、版权保护的有效办法。近年来,随着高性能网络技术与压缩编码技术的飞速发展,数字视频已经成为互联网上最具有影响力的信息媒介之一。在线存储,在线分享,在线点播,在线直播等应用获得用户井喷式增长的同时,也为视频信息隐藏技术的发展带来了新的契机。一方面,海量的视频资源与频发的视频传输给基于视频的隐蔽通信提供了很好的隐身环境,有助于发挥视频隐写容量大的优势;另一方面,数字视频容易被拷贝和篡改,需要更高性能的水印技术对著作权信息和完整性进行保护。视频信息隐藏总体上可分为空域(Spatial Domain)和压缩域(Compressed Domain)两大类方法,前者通过直接修改视频帧的原始像素值以嵌入秘密信息;后者则对压缩视频各编码系数进行修改,包括帧内预测模式(Intra Prediction Mode),帧间预测模式(Inter Prediction Mode),DCT系数,运动向量(Motion Vector),熵编码系数(Entropy Coding Coefficients)等等。由于空域隐藏方法不能抵抗压缩编码,导致隐蔽消息在压缩后不能保证完全被提取,故而现阶段具有实用价值的视频信息隐藏方法往往是基于压缩域进行设计的。这些方法根据选择的嵌入元素自然地分为若干大类,其中,基于DCT系数的方法最为普遍,也最为受到关注。首先,这是因为DCT系数几乎是压缩视频中占比最大的元素,为信息隐藏提供了充足的容量;其次,基于DCT系数的方法对视频压缩质量(包括重建视觉质量与压缩效率)影响不大;最后,现有很多先进的图像信息隐藏方法都是基于DCT系数设计的,这对视频信息隐藏方法的设计具有很好的借鉴意义。当前,基于H.264视频DCT系数的视频信息隐藏方法大多采用部分解码的方式获取DCT系数,对系数进行修改,然后直接将修改后的系数重新熵编码为压缩码流。这种设计思路的优点是实现简单,由于避免了压缩编码中开销最大的运动搜索过程,相关算法对硬件性能要求低,并且能够很好地满足实时性处理要求。但是这类方法的最大的问题在于“失真漂移”(Distortion Drift),这是由H.264的帧内预测技术的特点决定的。为了更好地去除空间域冗余,H.264编码标准在之前压缩编码的基础之上引入了帧内预测,这意味着每一个4×4帧内预测像素块的编码都是基于相邻已编码宏块进行的。因此如果随意地对解压的DCT系数进行修改,那么在解码时由于系数嵌入引入的误差会不断累积,从而严重影响后续重建块的视觉质量,甚至造成解码失败(参考文献:Xiaojing Ma,Zhitang Li,Hao Tu,and Bochao Zhang.A data hiding algorithm for h.264/avc video streams without intra-frame distortion drift.Circuits and Systems for Video Technology,IEEE Transactions on,20(10):1320-1330,2010)。为了解决这个问题,基于部分解码的隐藏方法一般采用两种策略来避免或者是减轻“失真漂移”的现象。策略一是嵌入前对嵌入元素进行预判,只选择不会造成误差累积的系数进行嵌入(参考文献:Yunxia Liu,Mingsheng Hu,Xiaojing Ma,and Hongguo Zhao.A new robust data hiding method for h.264/avc without intra-frame distortion drift.Neurocomputing,151,Part 3:1076-1085,2015)。策略二是根据嵌入后的失真情况生成补偿信号并进行叠加(参考文献:Weijing Huo,Yuesheng Zhu,and Hongyuan Chen.A controllable error-drift elimination scheme for watermarking algorithm in h.264/avc stream.Signal Processing Letters,IEEE,18(9):535-538,2011)。但是这两种策略本质上都是折中方案,都是以极大牺牲嵌入容量或者是嵌入安全性为代价来换取视觉质量的保持。前者的选择策略会排除相当大部分的可嵌入位置,从而导致嵌入容量急剧下降,后者则需要在嵌入过程中引入反馈机制,增加算法复杂性的同时,也不能避免补偿信号引入新的误差,甚至对压缩效率产生不可忽视的影响。经过专利查询,在本领域内已有的相关专利申请情况如下:(1)专利申请号为201510015101.0的中国专利“一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入及提取方法”公开了一种H.264/AVC压缩域视频水印嵌入及提取方法,该方法利用H.264/AVC编码器对原始视频进行压缩编码,对I帧视频的宏块亮度数据,按照H.264/AVC视频编码标准将每个宏块的16个4x4亮度块抽取出来,分别对每个4x4亮度块进行整数离散余弦变换;根据每个4x4亮度块整数离散余弦变换后的系数,将每个4x4亮度块分为纹理块和非纹理块;根据二进制水印信息,调制每个宏块的局部能量差;将嵌入二进制水印后的4x4亮度块熵编码,得到含水印视频流。由于该方法对每个宏块进行DCT变换后根据纹理对嵌入块进行了筛选,但是并不能保证对筛选后得到的系数进行修改不引入失真漂移,并且该方法没有考虑到用于隐写所需的安全性设置,故该方法和本专利技术的设计思路与具体实现方式明显不同。(2)专利申请号为201410828416.2的中国专利“无帧内误差漂移的H.264/AVC压缩域鲁棒视频水印嵌入及提取方法”公开了一种无帧内误差漂移的H.264/AVC压缩域鲁棒视频水印嵌入及提取方法,该方法通过解析出I帧中预测编码模式为Intra_4×4的宏块中非零残差系数的个数大于阈值的残差系数矩阵,再通过调制残差系数矩阵与相应水印模板之间的正负相关性,将水印嵌入在I帧中的预测编码模式为Intra_4×4的宏块中的4×4子块中。由于本专利技术从原理上不会产生帧内误差漂移现象,故该方法与本专利技术的基本目的、设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法,其步骤包括:1)输入待嵌入视频;2)对待嵌入视频的I帧、P帧和B帧确定独立的编码单元;3)进行模式选择:如果要求高安全性,则进入步骤4)继续执行;如果要求高嵌入容量,则跳过步骤4)直接进入步骤5);4)将单个独立编码单元中的所有非零DCT系数作为隐蔽信道的载体,根据所选隐写码的工作原理,按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H,计算出满足Hx'=m的x',其中m表示该隐蔽信道中待嵌入的秘密消息比特,x'表示经过修改的载体向量的最低比特位向量,然后令m=x';5)对当前独立编码单元中的所有非零DCT系数应用最低比特位替换修改,使得修改后的系数最低比特位向量等于m,同时保持非零;6)继续编码当前独立编码单元,如果是I帧则继续编码当前4×4或16×16宏块直至输出对应熵编码码流;如果是P帧或B帧则对整个帧应用重编码,输出相应熵编码码流;7)按照视频文件的编码顺序,对余下待编码块或待编码帧重复执行步骤2)至6)直到秘密信息全部嵌入完毕,得到最终的隐写视频文件。

【技术特征摘要】
1.一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法,其步骤包括:1)输入待嵌入视频;2)对待嵌入视频的I帧、P帧和B帧确定独立的编码单元;3)进行模式选择:如果要求高安全性,则进入步骤4)继续执行;如果要求高嵌入容量,则跳过步骤4)直接进入步骤5);4)将单个独立编码单元中的所有非零DCT系数作为隐蔽信道的载体,根据所选隐写码的工作原理,按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H,计算出满足Hx'=m的x',其中m表示该隐蔽信道中待嵌入的秘密消息比特,x'表示经过修改的载体向量的最低比特位向量,然后令m=x';5)对当前独立编码单元中的所有非零DCT系数应用最低比特位替换修改,使得修改后的系数最低比特位向量等于m,同时保持非零;6)继续编码当前独立编码单元,如果是I帧则继续编码当前4×4或16×16宏块直至输出对应熵编码码流;如果是P帧或B帧则对整个帧应用重编码,输出相应熵编码码流;7)按照视频文件的编码顺序,对余下待编码块或待编码帧重复执行步骤2)至6)直到秘密信息全部嵌入完毕,得到最终的隐写视频文件。2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤1)中,如果输入的待嵌入视频是采集的未经压缩的原始视频,则直接进行编码;如果待嵌入视频是压缩视频,则先...

【专利技术属性】
技术研发人员:曹纭王禹赵险峰于海波
申请(专利权)人:中国科学院信息工程研究所
类型:发明
国别省市:北京;11

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