一种基于运动矢量残差的视频隐写算法制造技术

本发明专利技术基于H.264/AVC的视频编解码架构，提出了一种基于运动矢量残差(Motion Vector Difference，MVD)的视频隐写算法。通过证明运动矢量残差与运动矢量时空相关性的联系，利用运动矢量残差的统计特征设计嵌入规则，结合矩阵编码算法，设计了一些列不同尺寸的矩阵嵌入秘钥，自适应地将秘密信息嵌入到视频的压缩过程中，使运动矢量残差在隐写前后能较好的保持原有的直方图特征。本发明专利技术公开的算法具有较好的视觉不可见性，并且能较好抵抗基于运动矢量时空相关性的隐写分析。

A video steganography algorithm based on motion vector residuals

The invention of H.264/AVC video codec framework based on a residual based on motion vector (Motion Vector Difference, MVD) video steganography algorithm. By proving the motion vector residuals and motion vector spatio-temporal correlation relation, using the design of embedded statistical rules of motion vector residuals, combined with matrix encoding algorithm, set up a series of different size matrix embedding secret key, adaptively embed secret information into the video compression process, the motion vector residuals in stego can maintain the histogram the characteristics of the original good. The algorithm of the invention has better visual invisibility, and can better resist the Steganalysis Based on the spatio-temporal correlation of motion vectors.

【技术实现步骤摘要】
一种基于运动矢量残差的视频隐写算法
本专利技术公开了一种基于运动矢量残差的视频隐写算法，具体涉及在H.264/AVC编码标准视频序列的运动矢量残差中一种使用改进的LSB修改规则，利用自适应的矩阵编码进行秘密信息嵌入和提取的隐写算法，属于计算机领域中信息隐藏与数据安全领域。
技术介绍
随着互联网信息技术的发展，信息安全得到了越来越多普通百姓、企业和政府的重视。我国也也提出了“没有网络安全就没有国家安全”的口号。信息安全主要包括四个方面：物理安全、行为安全、数据安全、内容安全。传统的信息安全领域更多的重视密码学的研究，通过对信息的加密达到实现信息安全的目的。然而加密后的信息表现出的不可理解性暴露的加密行为本身，很容易被攻击方察觉，从而被研究解密，更甚者被主动攻击，造成信息传输的中断，这给加密信息的传输造成了较大威胁。为了解决这一问题，信息隐藏技术在近几年得到了长足发展。信息隐藏技术以隐藏秘密信息为目的，避免攻击方察觉到秘密信息的存在。同时，嵌入秘密信息的文件在大众数字载体中传播，在保证内容安全的同时又保证了行为的安全，从而达到通信安全的目的。在实际使用中，将密码学与信息隐藏技术相结合，进一步提高了通信的安全性。随着网络建设的发展，居民人均使用带宽的迅速提高，网络视频点播和视频直播服务得到了越来越多人的喜爱，数字视频技术(如数字电视、数码摄像机、视频监控录像等)也得到了长足的发展，数字视频在现实生活中的应用如视频直播、视频点播、视频通信、视频会议等也越来越普遍。视频文件容量较大，且为了保证解码的稳定和正确，往往具有冗余信息多的特点。因此，网络视频文件是信息隐写的良好载体。由于感光设备记录的原始视频信号信息量巨大，不利于视频文件的存储于传输，因此，在视频文件存储与传输之前，要进行压缩编码，以节约存储空间及传输带宽。在当今的视频编码标准中，H.264/AVC标准是应用最广的一个，它是由是国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)在2003年共同提出新一代视频压缩编码标准。因为H.264标准具有其他标准无法比拟的许多优点。首先，它具备出色的压缩性能，与前一代视频压缩标准相比在同等视频质量下能将码率减小一半。同时，H.264标准的容错能力很强，提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。最后，标准充分考虑了网络应用，具备良好的网络亲和性，使得的文件能容易地在不同网络上传输。这些特性使得H.264标准的应用变得越来越广泛。近几年，针对H.264标准视频文件的隐写术研究得到了越来越多人的重视。H.264技术在视频压缩编码过程包含帧内预、帧间预测、变换编码等过程，其中包含宏块划分、运动估计、离散余弦变换、熵编码等技术过程。这些复杂的技术过程为秘密信息的隐写研究提供了大量的空间。H.264标准下的视频文件隐写术也成为了一种十分有前景的研究方向。综上所述，面对日益严峻的网络安全形势，以视频文件为载体，特别是以H.264标准的视频文件为载体的隐写术研究，为信息隐藏技术研究提供了新方向，在保证通信安全方面有着重要的意义。目前，国内外研究人员已进行了大量的H.264视频隐写技术研究。这些研究充分利用了在数字水印、图片隐写技术以及早期视频标准文件隐写技术中的已有研究，并发展出了新的研究方向。目前的H.264视频隐写技术根据其隐写位置的不同可分为：前置式、内置式、后置式三种。前置式指的是发送者将秘密信息直接嵌入到原始视频流流中，形成含秘密信息的原始视频信号，然后进行视频压缩编码的方式；内置式方法指将嵌入过程与视频编码器结合发送者在视频编码过程中，同时嵌入秘密消息的方法；后置式又称为码流域视频信息隐藏算法，指发送者直接将秘密消息嵌入到压缩码流中的方法。前置式的秘密信息需经过视频压缩过程，会造成部分秘密信息丢失，不利于信息提取；后置式直接将秘密消息嵌入到压缩码流中，此种方法一般会带来较明显的视觉失真；内置式在秘密信息丢失和视觉失真方面与其他两种方式相比都有较好的表现。因此，内置式隐写方法是H.264隐写技术的合适选择。具体来说，内置式隐写方法可分为量化后的DCT系数位置直接嵌入、在运动矢量位置直接嵌入、综合利用编码模式的嵌入等嵌入方式：1、在量化后的DCT系数位置直接嵌入的隐写方法：因为对量化后的DCT系数进行秘密信息的嵌入，信息不会受量化失真的影响，可以较为完整的提取，算法复杂度低，嵌入容量大。因此量化后的DCT系数位置嵌入在国内得到了大量的研究。目前该方面的算法包括：利用耦合系数对进行误差补偿的量化后DCT系数位置嵌入方法；利用CSF函数选择不敏感的DCT系数，对视频进行码率控制的同时完成秘密信息嵌入的方法；利用纹理特征判断当前编码的块是否为纹理块，自适应修改I帧每个宏块亮度分量量化后的交流系数，利用复杂度低的能量差嵌入水印，增加其顽健性的算法；利用纹理特征及编码模式进行隐写位置判断，防止失真漂移的算法等。2、在运动矢量位置直接嵌入的隐写方法：与量化后的DCT系数相比，由于H.264高压缩比的特性，在压缩过程中嵌入的秘密信息容易被当作冗余数据过滤掉，利用视频运动相关性是解决这一问题的最好方法。此外，由于运动补偿技术和残差编码的使用，在运动矢量中嵌入消息对重建视频的视觉质量影响很小，只凭人类视觉无法感知质量差异。因此在运动矢量中嵌入秘密信息更有优越性。总结来说，目前基于运动矢量的视频隐写方法可以分为以下三类：基于运动矢量角度或幅值的视频隐写方法；基于预测误差的视频隐写方法；基于运动估计选择次优运动矢量的视频隐写方法。3、综合利用编码模式的隐写方法：此类方法的特点是，无论是在量化后的DCT系数位置还是在运动矢量位置进行隐写，在嵌入秘密信息前对秘密信息进行编码，选择对载体的修改位置和修改规则以完成嵌入。近些年，关于利用编码模式进行隐写的研究得到了发展，出现了利用诸如矩阵编码、湿纸编码、综合网格编码进行秘密信息嵌入的方法。综合利用编码模式进行信息嵌入不但提高了隐写的效率和容量，也降低了秘密信息对视频质量的影响，提升了嵌入的隐秘性。目前，国内外对于视频文件的隐写方法研究已经较为深入，但现有的部分隐写算法存在隐写容量小、嵌入效率低或嵌入隐秘性差的缺点。综合利用编码模式的隐写算法在解决这些问题的方面有着较好的表现，但利用编码模式提升嵌入效率的同时，必须对嵌入位置及嵌入规则进行选择。例如在运动矢量位置使用矩阵编码对LSB进行取法嵌入，会使隐写后的视频运动矢量残差统计直方图坡度变缓并整体向正无穷方向偏移，同时还会破坏运动矢量的时空相关性，很容易被隐写分析算法检测到。本专利技术专利提出一种基于运动矢量残差的视频隐写算法，该算法结合了矩阵编码，在减少对载体的修改量以提升嵌入效率的同时保持了运动矢量残差的直方图特征，能较好抵抗基于运动矢量之间时空相关性的隐写分析，并具有较好的视觉不可见性。主要概括如下：1、选择运动矢量残差作为秘密信息的隐写位置。研究H.264/AVC编码架构的特点，利用运动信息对码率影响小，不会被环路滤波过滤等特点，选择在运动信息中隐写秘密信息。研究视频运动矢量的时空相关性，利用运动矢量残差能在一定程度上代表运动矢量(MV)的时空相关性的特点，选择运动矢量残差(MVD)作为隐写位置，利用运动矢量残差的最低有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于运动矢量残差的视频隐写算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、选择运动矢量残差作为秘密信息的隐写位置。研究H.264/AVC编码架构的特点，利用运动信息对码率影响小，不会被环路滤波过滤等特点，选择在运动信息中隐写秘密信息。研究视频运动矢量的时空相关性，利用运动矢量残差能在一定程度上代表运动矢量(MV)的时空相关性的特点，选择运动矢量残差(MVD)作为隐写位置，利用运动矢量残差的最低有效位(LSB)作为载体，解决了基于运动矢量的隐写算法会破坏运动矢量时空相关性的问题。步骤二、设计保持运动矢量残差统计特征的秘密信息的嵌入规则。根据运动矢量残差信息统计直方图符合拉普拉斯分布这一特点，确定嵌入规则必须能保持数值为‑1、0、1的运动矢量残差的统计特征这一原则，设计了四个计数器及一个队列，以尽量能保证每有一个数值为‑1或者1的运动矢量残差因为LSB取反而数值变成0，就会有一个数值为0的运动矢量残差因为LSB取反而数值变成‑1或者1，从而保持数值为‑1、0、1的运动矢量残差的统计特征。步骤三、设计不同的矩阵嵌入秘钥，以自适应嵌入秘密信息。通过统计计算当前编码宏块的b8mode值确定宏块的运动分割类型及可用于隐写的运动矢量残差的数量。根据可隐写运动矢量残差的数量，设计选择不同大小的矩阵秘钥，以提高隐写容量，提升隐写效率。步骤四、设计隐写与提取算法，确保秘密信息的完全嵌入和提取的完整性和一致性。隐写嵌入时首先将秘密信息的长度嵌入到载体中，在提取时首先提取秘密信息长度，以此作为嵌入和提取的计数器，以保证秘密信息嵌入和提取的完整性。嵌入方和提取方共享提前设计好的相同的加密秘钥和矩阵秘钥，以保证秘密信息嵌入和提取的一致性。...

【技术特征摘要】
1.一种基于运动矢量残差的视频隐写算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、选择运动矢量残差作为秘密信息的隐写位置。研究H.264/AVC编码架构的特点，利用运动信息对码率影响小，不会被环路滤波过滤等特点，选择在运动信息中隐写秘密信息。研究视频运动矢量的时空相关性，利用运动矢量残差能在一定程度上代表运动矢量(MV)的时空相关性的特点，选择运动矢量残差(MVD)作为隐写位置，利用运动矢量残差的最低有效位(LSB)作为载体，解决了基于运动矢量的隐写算法会破坏运动矢量时空相关性的问题。步骤二、设计保持运动矢量残差统计特征的秘密信息的嵌入规则。根据运动矢量残差信息统计直方图符合拉普拉斯分布这一特点，确定嵌入规则必须能保持数值为-1、0、1的运动矢量残差的统计特征这一原则，设计了四个计数器及一个队列，以尽量能保证每有一个数值为-1或者1的运动矢量残差因为LSB取反而数值变成0，就会有一个数值为0的运动矢量残差因为LSB取反而数值变成-1或者1，从而保持数值为-1、0、1的运动矢量残差的统计特征。步骤三、设计不同的矩阵嵌入秘钥，以自适应嵌入秘密信息。通过统计计算当前编码宏块的b8mode值确定宏块的运动分割类型及可用于隐写的运动矢量残差的数量。根据可隐写运动矢量残差的数量，设计选择不同大小的矩阵秘钥，以提高隐写容量，提升隐写效率。步骤四、设计隐写与提取算法，确保秘密信息的完全嵌入和提取的完整性和一致性。隐写嵌入时首先将秘密信息的长度嵌入到载体中，在提取时首先提取秘密信息长度，以此作为嵌入和提取的计数器，以保证秘密信息嵌入和提取的完整性。嵌入方和提取方共享提前设计好的相同的加密秘钥和矩阵秘钥，以保证秘密信息嵌入和提取的一致性。2.如权利1所述的一种基于运动矢量残差的视频隐写算法，其特征在于选择运动矢量残差作为秘密信息的隐写位置，包括：根据H.264/AVC标准的编码特点，在运动信息中嵌入信息较于在量化后的DCT系数中进行嵌入，对码率的影响较小。此外，由于H.264/AVC标准自身特点，视频的编解码过程中进行的环路滤波可能会导致在量化后的DCT系数中嵌入的秘密信息被过滤掉，因此选择运动信息作为秘密信息的嵌入位置。运动矢量的时空相关性可以通过运动矢量在空间域和时间域上的差分来度量。设宏块的运动矢量为MVt(x，y)，其中t为宏块所在的帧号，(x，y)表示宏块在帧中的位置。MVt-1(x′，y′)为当前宏块在参考帧t-1中的最佳匹配宏块，则该宏块的运动矢量的时间相关性可以表示为：Dt＝MVt-1(x′，y′)-MVt(x，y)。空间相关性根据水平、垂直、对角线、反对角线四个方向可表示为：Dsh＝MVt(x-1，y)-MVt(x，y)，Dsv＝MVt(x，y-1)-MVt(x，y)，Dsd＝MVt(x-1，y-1)-MVt(x，y)，Dsm＝MVt(x+1，y-1)-MVt(x，y)。运动矢量与运动矢量残差的关系可表示为：MVt(x，y)＝PMVt(x，y)+MVDt(x，y)，其中，MVDt(x，y)为运动矢量残差，PMVt(x，y)为预测运动矢量。根据H.264/AVC的预测规则，若当前宏块以左侧宏块的运动矢量为预测运动矢量，则：PMVt(x，y)＝MVt(x-1，y)，则运动矢量的空间相关性可表示为：Dsh＝-MVDt(x，y)，易证得若当前宏块选择其他的运动矢量预测方式也能得出与上述类似的结论。若宏块在左侧宏块可用的情况下均以左侧宏块运动矢量为预测运动矢量，左侧不可用时以上方宏块运动矢量作为预测运动矢量，则：MVt(x，y)＝MVt(x-1，y)+MVDt(x，y)，进而可以推导出最终得到公式：根据H.264/AVC编码标准的原理，每一帧(0，0)位置宏块为skip宏块，则MVt(0，0)＝(0，0)，上述公式可改写为：则运动矢量的时间相关性可表示为：易证得若宏块选择其他的运动矢量预测方式也能得出与上述类似的结论。综上所述，运动矢量残差与运动矢量的时空相关性有着较强的联系。选择运动信息中的运动矢量残差位置进行秘密信息的嵌入，能够有针对性的设计嵌入规则，保持运动矢量的时空相关性。3.如权利1所述的一种基于运动矢量残差的视频隐写算法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：段然，陈丹，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32