H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法技术

本发明专利技术公开了H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法，密信嵌入时，对H.264视频压缩码流进行熵解码，获取CBP系数和宏块预测模式、选择I4、P16×16、P16×8、P8×16、P8×8宏块、对亮度CBP系数进行嵌入、对色度CBP系数进行嵌入、继续熵编码得到压缩视频。本发明专利技术结合CBP系数特点和H.264/AVC视频编码原理，设计了视频视觉质量无损的嵌入和提取方案。对宏块CBP系数进行调制，嵌入密信后视频视觉质量完全保真且嵌入过程中不存在无效修改，提高了方法的嵌入效率，保障了视频质量和方法安全性。

【技术实现步骤摘要】
H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法
本专利技术涉及视频压缩域的隐写
，具体涉及一种H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法，是一种基于宏块CBP系数值的H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法。
技术介绍
21世纪，人类社会进入了信息时代，互联网及通信技术的蓬勃发展导致信息数量爆炸式增长。“互联网+”理念给人们提供多元化选择的同时，也带来了越来越多的潜在威胁。网络是一个公开的平台，保密级别再高的网络也存在被破解的风险。从民生问题到国家安全，信息的重要性越发得到体现。在机遇与挑战并存的信息时代，如何保障信息安全成了世界性研究课题。多媒体信息隐写是信息安全领域的重要分支。数字视频因其数据量大，能容纳密信数量多的特点，成为理想的隐写载体。H.264/AVC是目前使用最广泛的视频编码标准，广泛应用在互联网的各种产品中，因此研究以其为载体的隐写方法有重要的理论意义和实际应用价值。传统的信息隐藏方法在信息嵌入过程中多多少少会修改载体的某些特征值，且这种变化通常不可逆，从而造成载体的永久失真。但在某些应用场景中，载体的原始数据需要完整地保留，任何一点失真都会造成不可估量的影响，比如在医学图像中嵌入病人信息、在机密文件中隐藏访问权限等。针对这种无法接受载体失真的信息隐藏场景，可逆信息隐藏技术得以发挥作用。可逆信息隐藏是以可逆的方式将信息隐藏到数字媒体中，通过设计合理的调制策略，使得信息嵌入过程造成的载体失真可逆。差值扩展和直方图平移算法是两种主要的可逆信息隐藏技术，可以应用于图像、视频等载体。可逆信息隐藏技术在图像信息隐藏领域发展的较为成熟，其中基于空间域的成果最为丰富。2003年8月JunTian在期刊IEEETransactionsonCircuits&SystemsforVideoTechnology中发表文章《Reversibledataembeddingusingadifferenceexpansion》，首次提出了差值扩展可逆隐写算法模式，利用整数哈尔(Haar)小波变换扩展相邻像素对的差值嵌入密信。2006年Ni等人在期刊IEEETransactionsonCircuits&SystemsforVideoTechnology中发表文章《Reversibledatahiding》，提出了基于直方图平移理论的可逆信息隐藏算法，与其他可逆隐写算法相比，直方图平移算法具有较低的计算复杂度且具有较好的隐藏性能。图像可逆信息隐藏很多研究理论可被推广到视频可逆信息隐藏当中。选择QDCT系数来嵌入密信是以视频为载体的可逆信息隐藏算法中最为常见的做法。2012年Lin等人在期刊ProceedingsofWorldAcademyofScienceEngineering&Technology中发表文章《ReversiblewatermarkingforH.264/AVCvideos》，提出了基于直方图平移理论的可逆水印算法，该算法收集了所有4×4块QDCT系数的最后一个非零系数，并用前一个系数预测后一个系数得到预测残差，在预测残差的直方图中进行修改嵌入水印信息。2012年Liu等人在JournalofSoftware上发表文章《ReversibleDataHidingSchemeBasedOnH.264/AVCwithoutDistortionDrift》，针对修改I帧引入的漂移误差提出了消除漂移误差的可逆信息隐藏算法。2016年Zhao等人在期刊MultimediaTools&Applications上发表文章《Anoveltwo-dimensionalhistogrammodificationforreversibledataembeddingintostereoH.264video》，对传统一维直方图平移技术上进行了改进，提出了二维直方图平移策略在H.264/AVC视频QDCT系数上嵌入密信，系数修改幅度为1时最多可嵌入3比特密信。此算法大大提高了嵌入效率，提升嵌入容量的同时也能获得较好的视觉质量。目前基于视频的可逆信息隐藏算法普遍存在以下不足：1、嵌入过程中的修改使得载体视频像素值发生变化，引入失真造成视频视觉质量下降。尽管按照可逆信息隐藏的定义，此类失真可以在提取过程中完全地恢复，但在接收方提取密信之前，载体中仍然存在失真。因此含密载体文件在信道传输时仍然需要考虑视频视觉质量下降带来的安全性问题。2、可逆信息隐藏算法在设计调制策略时，为了保证可逆普遍存在无效修改，即对载体进行修改但不携带任何密信。例如直方图平移算法中需要对峰值点和零点之间所有点进行平移，不嵌入密信；差值扩展算法中需要在载体中额外嵌入位置图来实现可逆，同样属于无效修改。无效修改降低了算法效率。
技术实现思路
本专利技术针对可逆隐写技术在视频隐写领域存在的不足，提供了一种基于宏块CBP系数值的H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法；本方法在嵌入密信的同时不引入任何失真，嵌入后能得到视频视觉质量完全无损的视频，大大提高了方法的安全性。本专利技术的目的可以通过如下技术方案实现：H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法，包括密信嵌入和密信提取两个部分，其特征在于，所述的密信嵌入包括以下步骤：1)对H.264视频压缩码流进行熵解码，读取当前解码帧的第一个宏块，获得其宏块预测模式；2)判断当前宏块预测模式是否为I4、P16×16、P16×8、P8×16或P8×8：若是，读取当前宏块的CBP系数值，执行步骤3)；否则，读取下一个宏块，重新执行步骤2)；3)依次读取CBP系数的低4位，若当前位等于1，则跳过此位，不嵌入密信；若当前位等于0，则嵌入1比特密信；嵌入规则是将当前位修改为与待嵌密信值一致；4)读取CBP系数的高2位，按以下三种情况进行处理：第一，若其值为10，则跳过此两位，不嵌入密信；第二，若其值为00，可嵌入2比特或1比特密信，嵌入规则是：当密信为1时，将当前两位修改为10；当密信为00时，不作修改；当密信为01时，将当前两位修改为01；第三，若其值为01，可嵌入1比特密信；嵌入规则是：当密信为1时，将当前两位修改为10；当密信为0时，不作修改；5)读取下一个宏块，获得其宏块预测模式，跳到步骤2)；若当前帧遍历完毕，重新对该帧进行熵编码，读取下一帧，跳到步骤1)，若视频序列中所有帧均已处理完毕，或者密信全部嵌入完毕，则结束嵌入过程，输出嵌密后的视频码流；所述的密信提取过程包括以下步骤：(1)对H.264视频压缩码流进行熵解码，读取当前解码帧的第一个宏块，获得其宏块预测模式；(2)判断当前宏块预测模式是否为I4、P16×16、P16×8、P8×16或P8×8：若是，读取当前宏块的CBP系数值，执行步骤(3)；否则，读取下一个宏块，重新执行步骤(2)；(3)依次读取CBP系数的低4位，若当前位等于0，则提取1比特密信，其值为0；若当前位等于1，则进一步读取该位所对应的8×8亮度子块，判断其所含系数是否全为0：若是，则提取1比特密信，其值为1，同时将当前CBP系数位重置为0；否则，认为该位无密信隐藏，不作提取；(4)读取CBP系数的高2位，按以下三种情况进行处理；A)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法，包括密信嵌入和密信提取两个部分，其特征在于，所述的密信嵌入包括以下步骤：1)对H.264视频压缩码流进行熵解码，读取当前解码帧的第一个宏块，获得其宏块预测模式；2)判断当前宏块预测模式是否为I4、P16×16、P16×8、P8×16或P8×8：若是，读取当前宏块的CBP系数值，执行步骤3)；否则，读取下一个宏块，重新执行步骤2)；3)依次读取CBP系数的低4位，若当前位等于1，则跳过此位，不嵌入密信；若当前位等于0，则嵌入1比特密信；嵌入规则是将当前位修改为与待嵌密信值一致；4)读取CBP系数的高2位，按以下三种情况进行处理：第一，若其值为10，则跳过此两位，不嵌入密信；第二，若其值为00，可嵌入2比特或1比特密信，嵌入规则是：当密信为1时，将当前两位修改为10；当密信为00时，不作修改；当密信为01时，将当前两位修改为01；第三，若其值为01，可嵌入1比特密信；嵌入规则是：当密信为1时，将当前两位修改为10；当密信为0时，不作修改；5)读取下一个宏块，获得其宏块预测模式，跳到步骤2)；若当前帧遍历完毕，重新对该帧进行熵编码，读取下一帧，跳到步骤1)，若视频序列中所有帧均已处理完毕，或者密信全部嵌入完毕，则结束嵌入过程，输出嵌密后的视频码流；所述的密信提取过程包括以下步骤：(1)对H.264视频压缩码流进行熵解码，读取当前解码帧的第一个宏块，获得其宏块预测模式；(2)判断当前宏块预测模式是否为I4、P16×16、P16×8、P8×16或P8×8：若是，读取当前宏块的CBP系数值，执行步骤(3)；否则，读取下一个宏块，重新执行步骤(2)；(3)依次读取CBP系数的低4位，若当前位等于0，则提取1比特密信，其值为0；若当前位等于1，则进一步读取该位所对应的8×8亮度子块，判断其所含系数是否全为0：若是，则提取1比特密信，其值为1，同时将当前CBP系数位重置为0；否则，认为该位无密信隐藏，不作提取；(4)读取CBP系数的高2位，按以下三种情况进行处理；A)若其值为00，则提取2比特密信，其值为00，无需修改当前2位CBP系数；B)若其值为01，需读取该宏块的色度分量，若其DC系数全为0，可提取2比特密信，其值为01，同时将当前2位CBP系数重置为00；若其DC系数不全为0，可提取1比特密信，其值为0，无需修改当前2位CBP系数；C)若其值为10，需读取该宏块的色度分量，若其所有系数均为0，可提取1比特密信，其值为1，并将当前2位CBP系数重置为00；若其AC系数全为0但DC系数不全为0，可提取1比特密信，其值为1，并将当前2位CBP系数重置为01；若其AC系数不全为0，则跳过当前宏块不进行密信提取，也无需修改当前2位CBP系数；(5)读取下一个宏块，获得其宏块预测模式，跳到步骤(2)，若当前帧遍历完毕，重新对该帧进行熵编码，读取下一帧，跳到步骤(1)，若视频序列中所有帧均已处理完毕，或者密信全部提取完毕，则结束提取过程，输出密信提取后的视频码流。...

【技术特征摘要】
1.H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法，包括密信嵌入和密信提取两个部分，其特征在于，所述的密信嵌入包括以下步骤：1)对H.264视频压缩码流进行熵解码，读取当前解码帧的第一个宏块，获得其宏块预测模式；2)判断当前宏块预测模式是否为I4、P16×16、P16×8、P8×16或P8×8：若是，读取当前宏块的CBP系数值，执行步骤3)；否则，读取下一个宏块，重新执行步骤2)；3)依次读取CBP系数的低4位，若当前位等于1，则跳过此位，不嵌入密信；若当前位等于0，则嵌入1比特密信；嵌入规则是将当前位修改为与待嵌密信值一致；4)读取CBP系数的高2位，按以下三种情况进行处理：第一，若其值为10，则跳过此两位，不嵌入密信；第二，若其值为00，可嵌入2比特或1比特密信，嵌入规则是：当密信为1时，将当前两位修改为10；当密信为00时，不作修改；当密信为01时，将当前两位修改为01；第三，若其值为01，可嵌入1比特密信；嵌入规则是：当密信为1时，将当前两位修改为10；当密信为0时，不作修改；5)读取下一个宏块，获得其宏块预测模式，跳到步骤2)；若当前帧遍历完毕，重新对该帧进行熵编码，读取下一帧，跳到步骤1)，若视频序列中所有帧均已处理完毕，或者密信全部嵌入完毕，则结束嵌入过程，输出嵌密后的视频码流；所述的密信提取过程包括以下步骤：(1)对H.264视频压缩码流进行熵解码，读取当前解码帧的第一个宏块，获得其宏块预测模式；(2)判断当前宏块预测模式是否为I4、P16×16、P16×8、P8×16或P8×8：若是，读取当前宏块的CBP系数值，执行步骤(3)；否则，读取下一个宏块，重新执行步骤(2)；(3)依次读取CBP系数的低4位，若当前位等于0，则提取1比特密信，其值为0；若当前位等于1，则进一步读取该位所对应的8×8亮度子块，判断其所含系数是否全为0：若是，则提取1比特密信，其值为1，同时将当前CBP系数位重置为0；否则，认为该位无密信隐藏，不作提取；(4)读取CBP系数的高2位，按以下三种情况进行处理；A)若其值为00，则提取2比特密信，其值为00，无需修改当前2位CBP系数；B)若其值为01，需读取该宏块的色度分量，若其DC系数全为0，可提取2比特密信，其值为01，同时将当前2位CBP系数重置为00；若其DC系数不全为0，可提取1比特密信，其值为0，无需修改当前2位CBP系数；C)若其值为10，需读取该宏块的色度分量，若其所有系数均为0，可提取1比特密信，其值为1，并将当前2位CBP系数重置为00；若其AC系数全为0但DC系数不全为0，可提取1比特密信，其值为1，并将当前2位CBP系数重置为01；若其AC系数不全为0，则跳过当前宏块不进行密信提取，也无需修改当前2位CBP系数；(5)读取下一个宏块，获得其宏块预测模式，跳到步骤(2)，若当前帧遍历完毕，重新对该帧进行熵编码，读取下一帧，跳到步骤(1)，若视频序列中所有帧均已处理完毕，或者密信全部提取完毕，则结束提取过程，输出密信提取后的视频码流。2.根据权利要求1所述的H.264/AVC视频视觉质量无损可逆信息隐藏方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡永健，彭诗云，刘琲贝，王宇飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44