基于帧内预测编码的视频隐写方法技术

本发明专利技术提供了基于帧内预测编码的视频隐写方法，通过构造合适的失真函数后利用STC进行实际嵌入，能确保修改预测模式造成的失真是接近最小的。本发明专利技术发送方嵌入消息时，从第一个关键帧I1开始嵌入，根据映射规则得到最优组集

【技术实现步骤摘要】
基于帧内预测编码的视频隐写方法
本专利技术属于视频信息隐藏技术，具体为基于帧内预测编码的视频隐写方法。
技术介绍
隐写术是保证消息传输隐秘性的重要手段。消息加密虽然可以保证消息的私密性，但消息传递的行为会被攻击者知晓，且加密后的乱码形态的密文也会引起攻击者的兴趣；相比之下，隐写术可以保证消息传输行为的不可见，攻击者无法分辨这是一次普通传输还是含密传输，因此隐写术是加密技术的重要补充。隐写术可以应用在各类安全级别高的消息传输领域，有效防止攻击者的攻击。视频隐写技术可以对视频编码时运动矢量、量化DCT系数、可变长度编码和帧内预测模式(IPM)等不同编码环节进行修改，实现秘密消息的隐藏。发送方通过使用视频隐写技术把秘密消息隐藏到视频载体中，接收方可以顺利获得秘密，同时第三方不会发现秘密的存在。如今基于帧内预测的视频隐写方案，一般都假设修改每个4x4预测块所造成影响是一样的，尽可能地减少修改次数，能有效减少视频失真；然而这种思路容易导致对实际修改影响的描述不足。因此有必要结合新方案来更好地描述整体的嵌入影响，从而实现最小扰动的秘密嵌入。
技术实现思路
为了解决现有视频隐写技术所存在的问题，本专利技术提供了基于帧内预测编码的视频隐写方法，该方法通过构造合适的失真函数后利用自适应隐写编码技术(STC)进行实际嵌入，这样能确保修改预测模式造成的失真是接近最小的。本专利技术采用如下技术方案来实现：基于帧内预测编码的视频隐写方法，包括以下步骤：发送方和接收方在隐写传输前，共同协商映射规则，映射规则将所有4x4块可能使用的预测模式分为3组；发送方嵌入消息：选定载体视频X，将其解码为原始视频帧序列，获得其中的关键帧I1,I2,…；从第一个关键帧I1开始嵌入，设I1嵌入的秘密消息为m1,1和m1,2；对I1使用帧内预测编码得到所有将用帧内4x4块预测编码的像素块，以及这些像素块使用帧内预测编码得到的最优预测模式；进一步根据映射规则得到最优组集利用最优组集计算出每个4x4块的绝对误差和预测偏差，和计算时所使用的预测模式；将最优组集作为载体向量，秘密消息序列m1,1和对应的4x4块嵌入扰动集送入自适应编码的第一层嵌入器，得到含秘组集将含秘组集作为载体向量，秘密消息序列m1,2和对应的4x4块嵌入扰动集送入自适应编码的第二层嵌入器，得到含秘组集根据含秘组集选用每个4x4块的最终预测模式，生成视频编码；对下一个关键帧嵌入消息，直到完成所有秘密消息的嵌入，或是使用完所有的关键帧；利用标准编码器完成视频编码的其余部分，最终生成含密编码视频X′；接收方提取消息：利用解码器从含密编码视频X′中获取帧内预测编码后的关键帧I′1,I＇2,…；从第一个关键帧I＇1开始消息提取，利用解码器得到I1中每个4x4块的预测模式；进一步根据映射规则得到含密组集将含密组集作为含密向量，送入自适应编码的第一层提取器，得到秘密消息序列m1,1，送入自适应编码的第二层提取器，得到秘密消息序列m1,2；对下一个关键帧进行消息提取，直到完成所有秘密消息的提取，或是使用完所有的关键帧。优选地，所述预测模式为π(i)∈{0,1,…,8}；所述最优组集第一层嵌入器得到的含秘组集第二层嵌入器得到的含秘组集优选地，第一层嵌入器中，每个4x4块的嵌入扰动为：其中为每个4x4块的绝对误差和预测偏差。优选地，第二层嵌入器中，每个4x4块的嵌入扰动为：其中为每个4x4块的绝对误差和预测偏差。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：1、本专利技术利用自适应隐写编码(STC)设计隐写方案，基于帧内预测模式定义了失真函数；通过构造合适的失真函数后，利用自适应隐写编码技术(STC)进行实际嵌入，这样能确保修改预测模式造成的失真是接近最小的。本专利技术作为基于内部预测模式的视频隐写技术，可以更好地保存视频质量，而现有基于IPM的方法仅对合适的4×4帧内预测模式进行信息嵌入，而且非最优选择规则严重破坏了IPM的统计特性，使得基于IPM校准(IPMC)的隐写方法很容易被隐写分析工具检测。2、引入映射规则来扩展每个块的可选模式的范围，以增加修改预测模式的选择范围，进一步减少修改所造成的失真。这样可以确保在嵌入过程中以给定的嵌入率最大限度地保持IPM的最优性，从而有效抵抗基于IPM校准(IPMC)的隐写分析方法的检测。3、本方法将信息嵌入在帧内预测环节，因此嵌入容量较高，可以传输的信息更多。本方法利用视频压缩质量设计嵌入位置，同时结合主流隐写编码方法，因此安全性更高。本方法可以提供高容量、高安全级别的视频隐写功能，应用在伪装成视频应用的隐秘信息通信里，例如可以应用在视频点播、视频录制、视频云存储、视频推荐等环境，将重要信息嵌入视频数据，实现秘密信息的可靠、不被察觉的传输，具有较好的实际应用价值。附图说明图1是嵌入方案选用的9种帧内预测模式示意图；图2是消息嵌入流程图；图3是消息提取流程图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例本专利技术结合了自适应隐写编码(STC)和映射规则来设计隐写方案，通过构造扰动函数来描述嵌入影响，采用自适应隐写编码技术(STC)来实现嵌入，同时结合映射规则来进一步缩小扰动影响。由于增加绝对误差和(SAD)导致预测模式复原现象更频繁的出现，所以我们在定义扰动函数时考虑了SAD预测偏差(SPD)。利用预测模式的绝对误差和(SAD)作为关键因素来构造扰动函数，嵌入方案应尽可能地遍历整个模式空间来找到适当的嵌入模式，因此，我们在此引入了预测模式和模式组之间的映射规则，以完成遍历；最后采用STC来实现实际的嵌入。此外，利用预测模式和预测组构建映射规则来扩展每个4x4块的可选模式的范围。本专利技术能有效保持视频的预测最优特性，以防止被基于校准的隐写分析方法发现秘密存在。本专利技术设有发送方和接收方，在隐写传输前，它们共同协商映射规则。映射规则如下：H.264的帧内预测编码将关键帧分割成4x4和16x16的块，映射规则将所有4x4块可能使用的预测模式分为3组，如下所示：gp1＝{md0,md1,md4}gp2＝{md3,md5,md8}gp3＝{md2,md6,md7}其中mdi表示预测模式i，每个预测模式对应的预测扫描顺序如图1所示。该映射规则是我们在大量视频帧序列分析基础上得到的一个较好的分组方法。如图1所示，在9种预测模式中，灰色部分代表的是一个4x4的预测块，在帧内预测过程中，4x4预测块根据其左邻及上邻的亮度单元来进行预测取值，而预测模式决定了预测块取值的方向，每种预测模式含义如表1所示。表1.方案所使用9种预测模式图1的0号图中，使用预测模式0(Vertical)进行取值时，4x4预测块里每一列的亮度单元等于该列垂直方向上的邻边亮度值。而其中较特殊的预测模式为2号图中的平均值预测(DC)，预测块的值等于邻边(A+B+C+D+I+J+K+L+M)/7。如果在帧内预测期间，原本最优预测模式为mdi，我们却使用模式mdj，则该模式替换所产生的SAD预测偏差(SPD)为：SPDi,j＝|SAD(mdi)-SAD(mdj)|SAD(mdi)是使用模式mdi产生的预测SAD。我们选择若干视频序列作为实验序列，观察当最优预测模式替换成其他8种模式时所产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于帧内预测编码的视频隐写方法，其特征在于，包括以下步骤：发送方和接收方在隐写传输前，共同协商映射规则，映射规则将所有4x4块可能使用的预测模式分为3组；发送方嵌入消息：选定载体视频X，将其解码为原始视频帧序列，获得其中的关键帧I1,I2,…；从第一个关键帧I1开始嵌入，设I1嵌入的秘密消息为m1,1和m1,2；对I1使用帧内预测编码得到所有将用帧内4x4块预测编码的像素块，以及这些像素块使用帧内预测编码得到的最优预测模式；进一步根据映射规则得到最优组集

【技术特征摘要】
1.基于帧内预测编码的视频隐写方法，其特征在于，包括以下步骤：发送方和接收方在隐写传输前，共同协商映射规则，映射规则将所有4x4块可能使用的预测模式分为3组；发送方嵌入消息：选定载体视频X，将其解码为原始视频帧序列，获得其中的关键帧I1,I2,…；从第一个关键帧I1开始嵌入，设I1嵌入的秘密消息为m1,1和m1,2；对I1使用帧内预测编码得到所有将用帧内4x4块预测编码的像素块，以及这些像素块使用帧内预测编码得到的最优预测模式；进一步根据映射规则得到最优组集利用最优组集计算出每个4x4块的绝对误差和预测偏差，和计算时所使用的预测模式；将最优组集作为载体向量，秘密消息序列m1,1和对应的4x4块嵌入扰动集送入自适应编码的第一层嵌入器，得到含秘组集将含秘组集作为载体向量，秘密消息序列m1,2和对应的4x4块嵌入扰动集送入自适应编码的第二层嵌入器，得到含秘组集根据含秘组集选用每个4x4块的最终预测模式，生成视频编码；对下一个关键帧嵌入消息，直到完成所有秘密消息的嵌入，或是使用完所有的关键帧；利用标准编码器完成视频编码的其余部分，最终生成含密编码视频X′；接收方提取消息：利用解码器从含密编码视频X′中获取帧内预测编码后的关键帧I′1,I′2,…；从第一个关键帧I′1开始消息提取，利用解码器得到I1中每个4x4块的预...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯丙文，翁健，聂乾开，许序跋，魏凯敏，刘志全，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44