一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法和装置。该方法包括以下步骤：1)输入待嵌入载体视频并获取其信道参数，所述信道参数包括每个块是否为非参考块、每个非参考块中的非零DCT系数值及其嵌入代价；2)将所有非参考块中的非零DCT系数作为隐蔽信道的载体，对其进行隐写编码；3)对待嵌入载体视频进行压缩，在压缩的过程中，根据步骤1)获取的信道参数与步骤2)获得的编码结果，对所有非参考块中的非零DCT系数应用最低比特位进行替换修改，得到隐写视频文件。本发明专利技术应用载体块间去耦合技术避免代价漂移现象的产生，特别适用于对实时性要求不高而对安全性能要求较高的隐蔽通信场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法和装置
本专利技术涉及一种视频信息隐藏(VideoInformationHiding)方法，具体涉及一种主要适用于H.264/AVC压缩视频的自适应信息隐藏设计框架，以及一种在此框架下的具体信息隐藏方法和装置。该方法以帧内预测编码产生的离散余弦变换(DiscreteCosineTransform，DCT)系数作为嵌入元素，基于块间去耦合技术，在实现消息嵌入的同时达到嵌入代价最小化的目的，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(DigitalWatermarking)。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(SpatialDomain)和压缩域(CompressedDomain)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(IntraPredictionMode)，帧间预测模式(InterPredictionMode)，DCT系数，运动向量(MotionVector)，熵编码系数(EntropyCodingCoefficients)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。当前主流的自适应隐写方案几乎都采用了图1所示的代价最小化嵌入模型来进行消息嵌入，该模型中最关键的部分就是代价的设计，基于选定的代价函数计算每个嵌入位置的代价，然后借助STC码(SyndromeTrellisCode)进行秘密信息的嵌入。关于STC的简述如下：设x＝(x1,x2,…,xn)T为原始二进制载体向量；x′＝(x′1,x′2,…,x′n)T为经过隐写嵌入后的载体向量；为正实数向量且表示将x中的元素xi修改成x′i的代价；H为奇偶校验矩阵；m为秘密信息向量。则STC能够构造出满足Hx′＝m的x′，并且使得隐写嵌入代价最小，其中，函数δ满足在当前信息隐藏研究领域，基于STC(Syndrome-TrellisCodes)的自适应代价最小化模型的安全性和实用性得到广泛认可(参考文献：FillerT,JudasJ,FridrichJ.Minimizingadditivedistortioninsteganographyusingsyndrome-trelliscodes[J].IEEETransactionsonInformationForensicsandSecurity,2011,6(3):920-935.)，并且已经成功应用于高性能图像隐蔽通信方案的设计中。但是由于视频压缩编码中预测机制的存在，作为信息载体的压缩视频数据元素之间存在着高度依赖关系，这使得对当前元素的修改会对后续元素的嵌入代价产生级联影响，且无法预测，这严重影响代价最小化目的实现。目前以量化DCT系数为嵌入元素的H.264视频信息隐藏方法可以分为两大类：一类方法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”(DistortionDrift)，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：YunxiaLiu,MingshengHu,XiaojingMa,andHongguoZhao.Anewrobustdatahidingmethodforh.264/avcwithoutintra-framedistortiondrift.Neurocomputing,151,Part3:1076-1085,2015)。由于无法自由选择嵌入位置，在该嵌入模式下无法适用基于STC的代价最小化嵌入模型。另一类方法在压缩编码的过程中实施对DCT系数的修改(中国专利“一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法”，申请号：201610554530.X)，这一类方法可以完全避免在“失真漂移”现象的产生，但是与图像嵌入元素(像素值/DCT系数值)不同，压缩视频嵌入元素不满足基本相互独立的性质，这导致在嵌入过程中对当前元素的修改会对后续元素的嵌入代价产生级联影响，且无法预测，这使得根据先前载体元素计算的代价没有意义，从而导致整体上代价最小化努力的失败。我们把这种现象称为代价漂移(CostDrift)。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201610554530.X的中国专利“一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法”公开了一种与压缩编码过程紧耦合的H.264视频信息隐藏方法，该方法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。但是该方法无法在I帧DCT系数域应用基于STC的代价最小化嵌入模型，从而无法实现真正意义上的自适应嵌入。相关问题可以通过本专利技术在一定程度上得到解决。(2)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4×4亮度块抽取出来，分别对每个4×4亮度块进行整数离散余弦变换；根据每个4×4亮度块整数离散余弦变换后的系数，将每个4×4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4×4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：1)输入待嵌入载体视频并获取其信道参数，所述信道参数包括每个块是否为非参考块、每个非参考块中的非零DCT系数值及其嵌入代价；2)将所有非参考块中的非零DCT系数作为隐蔽信道的载体，对其进行隐写编码；3)对待嵌入载体视频进行压缩，在压缩的过程中，根据步骤1)获取的信道参数与步骤2)获得的编码结果，对所有非参考块中的非零DCT系数应用最低比特位进行替换修改，得到隐写视频文件。

【技术特征摘要】
1.一种基于块间去耦合的视频信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：1)输入待嵌入载体视频并获取其信道参数，所述信道参数包括每个块是否为非参考块、每个非参考块中的非零DCT系数值及其嵌入代价；2)将所有非参考块中的非零DCT系数作为隐蔽信道的载体，对其进行隐写编码；3)对待嵌入载体视频进行压缩，在压缩的过程中，根据步骤1)获取的信道参数与步骤2)获得的编码结果，对所有非参考块中的非零DCT系数应用最低比特位进行替换修改，得到隐写视频文件。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非参考块是不被后续相邻块参考的分块，将所有不被其右方、左下方、正下方和右下方相邻分块中的任何一个参考的4×4亮度分量DCT系数块称为非参考块。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述待嵌入载体视频为H.264视频或其它包含帧内预测的视频。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)对于未经压缩的原始视频，对其进行压缩编码，在压缩编码过程中记录下信道参数；对于已压缩的原始视频，调用标准解码器将其完全解压，随后再将解压后的视频进行压缩编码，在压缩编码的过程中记录下信道参数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)根据隐写编码的工作原理，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′。6.根据权利要求5所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹纭，赵险峰，刘长军，
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