基于宏塊劃分方式擾動的視頻隱寫方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于宏塊劃分方式擾動的視頻隱寫方法，包括秘密信息的嵌入過程和秘密信息的提取過程。在秘密信息的嵌入過程中建立了兩個隱蔽信道，分別采用不同的隱寫碼進行秘密信息的嵌入，在秘密信息的提取過程中依次從這兩個隱蔽信道提取秘密信息。優(yōu)選采用隱寫碼Syndrome?Trellis?Code以及Wet?Paper?Code建立兩個隱蔽信道，進行秘密信息的嵌入和提取。本發(fā)明綜合應用多種隱寫碼進行視頻隱寫，擁有較高嵌入效率，能夠有效抵抗現(xiàn)有視頻隱寫分析方法的攻擊，特別適合進行高安全性的隱蔽通信；可以針對不同的應用場景定制不同的宏塊劃分方式擾動代價，擁有較高的靈活性。
【專利說明】基于宏塊劃分方式擾動的視頻隱寫方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于信息安全領域，涉及H.264/AVC視頻編碼標準下一種基于宏塊劃分方式擾動的視頻隱寫方法以及該方法在隱蔽通信中的應用。
【背景技術(shù)】
[0002]信息安全領域中的信息隱藏技術(shù)由隱寫和隱寫分析兩部分組成，前者主要研究如何將秘密信息嵌入圖像、音頻、視頻等載體以達到隱蔽通信的目的，而后者則采用機器學習、模式識別等方法以區(qū)分普通載體和經(jīng)過隱寫的文件。
[0003]一般地，在設計隱寫算法時，需要綜合考慮以下幾個方面因素:
[0004]I)不可感知性:要求隱寫前后的載體對于人體感官而言是不可區(qū)分的，即無法僅憑借人類的聽覺和視覺來判斷載體是否經(jīng)過隱寫；
[0005]2)魯棒性:要求隱寫文件即使受到一定的擾動，例如有損壓縮或傳輸過程中的噪聲干擾等，也應該能恢復其中的秘密信息；
[0006]3)嵌入容量:要求在保證不可感知性和一定程度魯棒性的前提下，應該盡可能多地向載體中嵌入秘密信息；
[0007]4)嵌入效率:要求在嵌入信息量一定的前提下，應該盡可能降低對載體的修改程度；
[0008]5)安全性:要求即使擁有對該隱寫算法的先驗知識，現(xiàn)有的隱寫分析方法也無法以足夠高的正確率區(qū)分普通載體和經(jīng)過該算法隱寫的文件。
[0009]經(jīng)過專家學者們的多年研究，圖像隱寫得到了長足的進步和發(fā)展，出現(xiàn)了諸如F5、HUGO等許多經(jīng)典隱寫算法。然而，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日新月異以及視頻編碼標準的推陳出新，視頻已經(jīng)成為當前流行程度最高并且無可替代的傳播媒介，其相對于圖像的優(yōu)勢在于，應用場景更加豐富，傳遞的信息量更大。因此，視頻正逐步取代圖像，成為隱寫中更加適合的載體。
[0010]相比圖像隱寫，視頻隱寫尚且處于比較初級的階段，它一般可以分為以下兩大類:
[0011]I)空域視頻隱寫:即直接修改視頻幀的原始像素值以嵌入秘密信息；
[0012]2)壓縮域視頻隱寫:即在視頻的編碼過程中融入隱寫算法機制，將壓縮編碼和隱寫嵌入同時進行。
[0013]莫斯科大學開發(fā)的著名視頻隱寫軟件MSU Stego Video采用的是空域視頻隱寫算法。由于視頻原始幀需要經(jīng)過有損壓縮并且在傳輸過程中存在噪聲干擾，因此，空域視頻隱寫算法常常采用差錯控制編碼技術(shù)以及重復嵌入的手段，以保證接收端能夠正確恢復出其中的秘密信息。
[0014]壓縮域視頻隱寫算法按照秘密信息嵌入域的不同，可以分為以下幾類:
[0015]I)基于運動向量的視頻隱寫算法:其基本思想是輕微修改視頻編碼過程中運動估計環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的運動向量以嵌入秘密信息。例如:有學者提出首先選取長度大于預設閾值的運動向量，再根據(jù)該運動向量的角度范圍選擇其水平分量或者垂直分量進行修改。
[0016]2)基于幀內(nèi)預測模式的視頻隱寫算法:該類算法一般基于H.264/AVC視頻編碼標準，即通過修改I幀中宏塊的幀內(nèi)預測模式以嵌入秘密信息。例如:有學者提出首先設定某種映射規(guī)則將“4x4幀內(nèi)預測”中的9種預測模式映射到二進制數(shù)O或1，在此映射規(guī)則下，再根據(jù)秘密信息并結(jié)合矩陣編碼，對I幀中宏塊的幀內(nèi)預測模式進行修改。
[0017]3)基于變換系數(shù)的視頻隱寫算法:該類算法直接修改視頻編碼過程中量化后的變換系數(shù)以嵌入信息。例如:在H.264/AVC視頻編碼標準下，有學者提出，首先在I幀中確定某個按照“4x4幀內(nèi)預測”編碼的塊，再根據(jù)其臨塊的預測模式，選擇該塊中的一對DCT量化系數(shù)進行修改以避免出現(xiàn)差錯傳遞的現(xiàn)象。
[0018]4)基于熵編碼的視頻隱寫算法:其基本思想是修改視頻編碼過程中的熵編碼結(jié)果以嵌入秘密信息；
[0019]5)基于宏塊劃分方式的視頻隱寫算法:該類算法一般基于H.264/AVC視頻編碼標準，即通過修改宏塊的劃分方式以嵌入秘密信息。例如:有學者提出，首先對宏塊所有可能的劃分方式進行編碼，然后根據(jù)秘密信息比特流所代表的碼字對宏塊劃分方式進行相應的修改。
[0020]空域視頻隱寫算法的優(yōu)點是魯棒性比較強，即使受到一定程度的干擾也能恢復其中的秘密信息；缺點是算法種類比較少，并且由于秘密信息一般需要重復嵌入，因此嵌入容量有限。
[0021]壓縮域視頻隱寫算法的優(yōu)點是嵌入域選擇性多，算法種類豐富，缺點如下:
[0022]I)魯棒性一般不如空域視頻隱寫算法；
[0023]2)嵌入域中可供修改的部分較為有限導致嵌入容量往往不如空域視頻隱寫算法;
[0024]3)隱寫前后載體受到的擾動大，嵌入效率低；
[0025]4)安全性低，基本上都有針對性的隱寫分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]本發(fā)明的目的在于，提供一種H.264/AVC視頻編碼標準下基于宏塊劃分方式擾動，綜合應用多種隱寫碼，擁有較高嵌入效率，能夠有效抵抗現(xiàn)有視頻隱寫分析方法攻擊的壓縮域視頻隱寫算法。
[0027]本發(fā)明相比其他壓縮域視頻隱寫算法，提出了一種宏塊劃分方式擾動代價的計算模型，在此基礎上通過構(gòu)建雙層隱蔽信道并結(jié)合隱寫碼以嵌入信息?？梢?，本發(fā)明提出的隱寫嵌入框架及思想有別于以往任何視頻隱寫算法，特別適合進行高安全性的隱蔽通信。
[0028]根據(jù)調(diào)研，在目前所有的視頻隱寫算法中，都是通過單一隱蔽信道嵌入秘密信息，本發(fā)明在嵌入過程中，建立了兩個隱蔽信道，分別采用不同的隱寫碼(即下文所述的隱寫碼I和隱寫碼2)進行秘密信息的嵌入，在提取過程中，依次從這兩個隱蔽信道提取秘密信肩、O
[0029]具體來說，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0030]一種基于宏塊劃分方式擾動的視頻隱寫方法，其中秘密信息的嵌入過程包括以下步驟:[0031]I)預處理:在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，先執(zhí)行按位異或操作，得到二進制數(shù)O或1，并將所有異或結(jié)果寫成向量X1，再利用[7，
4]漢明碼將前7位映射到3個二進制數(shù)，并將所有映射結(jié)果寫成向量X11 ；
[0032]2)構(gòu)建第一層隱蔽信道:將步驟I)中所得向量X1作為第一層隱蔽信道的載體，根據(jù)隱寫碼I的工作原理，按照通信雙方事先約定好的參數(shù)生成奇偶校驗矩陣H1，并構(gòu)造出滿足H1X1 ’ = m的Xl’，其中m表示該隱蔽信道中待嵌入的秘密信息，X；表示經(jīng)過修改的載體向量；
[0033]3)構(gòu)建第二層隱蔽信道:將步驟I)中所得向量X11作為第二層隱蔽信道的載體，此時，根據(jù)第一層隱蔽信道的嵌入結(jié)果，若某個按照8X8方式劃分的宏塊不需要修改其子宏塊的劃分方式，則該宏塊在X11中對應的3個二進制數(shù)為濕點(嵌入代價為無窮大，不能修改)，否則為干點(可以修改)，在此基礎上，根據(jù)隱寫碼2的工作原理，按照通信雙方事先約定好的參數(shù)生成奇偶校驗矩陣Ηπ，并構(gòu)造出滿足HIlXlI’ = m的Χπ’，其中m表示該隱蔽信道中待嵌入的秘密信息，X11'表示經(jīng)過修改的載體向量；
[0034]4)根據(jù)步驟2)可以確定當前視頻幀中有哪些按照8X8方式劃分的宏塊需要改變其子宏塊的劃分方式，進一步根據(jù)步驟3)可以確定具體的修改方式；
[0035]5)根據(jù)以上所得結(jié)果編碼當前視頻幀以完成對兩層隱蔽信道的秘密信息嵌入；
[0036]6)按照視頻文件的幀編碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至5)直到秘密信息全部嵌入完畢，得到最終的隱寫視頻文件。
[0037]進一步地，上述方法還包括秘密信息的提取過程，包括以下步驟:
[0038]I)解碼當前視頻幀，對每個按照8 X 8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達執(zhí)行按位異或操作，得到二進制數(shù)O或1，并將所有異或結(jié)果寫成向量X1 ;
[0039]2)提取第一層隱蔽信道中的秘密信息:根據(jù)隱寫碼I的工作原理，按照通信雙方事先約定好的參數(shù)生成奇偶校驗矩陣H1，計算H1X1，所得結(jié)果即為提取的秘密信息比特；
[0040]3)提取第二層隱蔽信道中的秘密信息:對當前視頻幀中每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，取前7位采用[7，4]漢明碼進行映射，并將所有映射結(jié)果寫成向量x?，根據(jù)隱寫碼2的工作原理，按照通信雙方事先約定好的參數(shù)生成奇偶校驗矩陣Ηπ，計算ΗπΧπ，所得結(jié)果即為提取的秘密信息比特；
[0041]4)按照視頻文件的幀解碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至3)直到秘密信息全部提取完畢。
[0042]在上述方案基礎上，本發(fā)明進一步做了改進，即對采用的隱寫碼I和隱寫碼2進行了優(yōu)選。在嵌入過程(圖1)中建立的兩個隱蔽信道，分別采用隱寫碼Syndrome TrellisCode (STC)以及Wet Paper Code (WPC)進行秘密信息的嵌入，在提取過程(圖2)中，依次從這兩個隱蔽信道提取秘密信息。關于STC和WPC的簡述如下:
[0043]用X表示原始載體向量，用X’表示隱寫嵌入后的載體向量，用H表示奇偶校驗矩陣，用m表不秘密信息向量,則:
[0044][I] STC能夠構(gòu)造出滿足Hx’ = m的X’，并且使得隱寫嵌入代價最??；
[0045][2]如果給定X中某些元素為濕點(不能修改)，其余元素為干點(可以修改)，WPC能夠以較高概率構(gòu)造出滿足Hx’ = m的X’。
[0046]本發(fā)明根據(jù)H.264/AVC視頻編碼標準中的宏塊劃分方式(圖3)，選擇按照8X8方式劃分的宏塊作為嵌入域，并對子宏塊的4種劃分方式進行編碼(圖4)，因此，一個按照8X8方式劃分的宏塊可以用8位二進制數(shù)表示。
[0047]H.264/AVC視頻編碼標準中宏塊最優(yōu)劃分方式的選擇原理簡述如下:
[0048][I]設定宏塊的劃分方式集合F = {Pl, p2,…，pj ；
[0049][2]對于F中的任意劃分方式Pi，按照公式Jpi = D+λ R計算相應的“碼率失真度最優(yōu)化(RDO) ”數(shù)值,其中，D表不宏塊失真度，R表不編碼宏塊所需碼率，λ表不權(quán)衡D和R的調(diào)節(jié)參數(shù)，λ越大則越傾向于低碼率高失真度，反之則越傾向于高碼率低失真度；
[0050][3]選擇數(shù)值最小的/&對應的劃分方式作為宏塊的最優(yōu)劃分方式。
[0051]根據(jù)以上原理，本發(fā)明按照公式r = JP1- Jpk計算宏塊劃分方式的擾動代價，其
中Pci表不該宏塊的最優(yōu)劃分方式，Pi表不修改后的宏塊劃分方式。
[0052]本發(fā)明提出的采用隱寫碼STC和WPC的基于宏塊劃分方式擾動的視頻隱寫方法，其中秘密信息的嵌入過程包括以下步驟(如無特殊說明，以下步驟均由計算機執(zhí)行):
[0053]I)在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達執(zhí)行按位異或操作，得到二進制數(shù)O或I，并將所有異或結(jié)果寫成載體向量X ;
[0054]2)在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊，分別計算其8位二進制數(shù)表達中第i位被置反后對應的宏塊劃分方式擾動代價Y i，并選擇最終計算所得的8個擾動代價中的最大值作為此宏塊的隱寫嵌入代價；
[0055]3)構(gòu)建第一層隱蔽信道:根據(jù)隱寫碼Syndrome Trellis Code (STC)的工作原理，先按照預先指定的負載率α以及參數(shù)矩陣H，構(gòu)建奇偶校驗矩陣Hsrc,再構(gòu)造出滿足HstcX' =m并且使得隱寫嵌入代價D(x，x’)達到最小的X’，其中，m表示第一層信道中待嵌入的秘密信息，X’表示通過第一層信道隱寫嵌入后被修改的載體向量；X和X’對應位置上的二進制數(shù)若不相同，則表示相應的按照8X8方式劃分的宏塊需要修改其子宏塊的劃分方式，若相同則表示不需要修改；
[0056]4)構(gòu)建第二層隱蔽信道:在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，取前7位組成向量ν并計算HtcV = ω，其中Hh。為[7，4]漢明碼的奇偶校驗矩陣，ω為計算結(jié)果，其長度為3;根據(jù)第一層隱蔽信道的嵌入結(jié)果，若某個按照8X8方式劃分的宏塊需要修改其子宏塊的劃分方式，則將其對應的ω中的3個二進制數(shù)記作干點，否則記作濕點，將該幀中所有按照8X8方式劃分的宏塊所對應的ω組成隱寫碼Wet Paper Code (WPC)所需的載體向量X，同時用預先指定的種子K生成WPC所需的奇偶校驗矩陣Hwrc，最后得到滿足HwrcX’ =111的1’，其中x’表示通過第二層信道隱寫嵌入后被修改的載體向量，m表不第二層信道中待嵌入的秘密信息；
[0057]5)根據(jù)第一層隱蔽信道中相應載體向量的修改結(jié)果，確定當前視頻幀中有哪些按照8X8方式劃分的宏塊需要修改其子宏塊的劃分方式，將它們記作集合Ψ，進一步根據(jù)第二層隱蔽信道中相應載體向量的修改結(jié)果，確定Ψ中的每個宏塊應該如何去修改其子宏塊的劃分方式；
[0058]6)根據(jù)以上所得結(jié)果編碼當前視頻幀以完成對兩層隱蔽信道的秘密信息嵌入；
[0059] 7)按照視頻文件的幀編碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至6)直到秘密信息全部嵌入完畢，得到最終的隱寫視頻文件。[0060]進一步地，采用隱寫碼STC和WPC的秘密信息的提取過程包括以下步驟(如無特殊說明，以下步驟均由計算機執(zhí)行):
[0061]I)解碼當前視頻幀，對每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達執(zhí)行按位異或操作，得到二進制數(shù)O或I，并將所有異或結(jié)果寫成向量X ;
[0062]2)提取第一層隱蔽信道中的秘密信息:根據(jù)隱寫碼Syndrome Trellis Code (STC)的工作原理，按照預先指定的負載率α以及參數(shù)矩陣H，構(gòu)建奇偶校驗矩陣Hsrc，計算HSTex，所得結(jié)果即為提取的秘密信息比特；
[0063]3)提取第二層隱蔽信道中的秘密信息:在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，取前7位組成向量ν并計算HreV = ω，其中Hh。為[7，
4]漢明碼的奇偶校驗矩陣，ω為計算結(jié)果，其長度為3 ;將該幀中所有按照8X8方式劃分的宏塊所對應的ω組成WPC所需的向量X，同時用預先指定的種子K生成WPC所需的奇偶校驗矩陣Hwrc，計算Hwrcx,所得結(jié)果即為提取的秘密信息比特；
[0064]4)按照視頻文件的幀解碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至3)直到秘密信息全部提取完畢。
[0065]本發(fā)明的視頻隱寫方法對相關【技術(shù)領域】的有益效果如下:
[0066]I)嵌入容量大。目前所有的視頻隱寫算法都只能建立一個隱蔽信道以嵌入秘密信息，本發(fā)明充分利用所選嵌入域的特性，建立了兩層隱蔽信道分別進行秘密信息嵌入，因此擁有較大的嵌入容量。本發(fā)明還可以根據(jù)不同的應用場景，改變第一層隱蔽信道的秘密信息負載率甚至棄用第二層隱蔽信道從而調(diào)節(jié)整體嵌入容量，因此擁有較高的靈活性。
[0067]2)嵌入效率高。在圖像隱寫和視頻隱寫中，可以結(jié)合隱寫碼，使得在嵌入秘密信息的同時能夠最小化對載體的修改代價或修改次數(shù)，從而提高嵌入效率。然而，目前絕大部分視頻隱寫算法都未采用隱寫碼，極少數(shù)算法由于隱蔽信道數(shù)量上的限制只采用了一種隱寫碼，這些因素都導致了算法嵌入效率低下。本發(fā)明在建立的兩層隱蔽信道中分別采用隱寫碼Syndrome Trellis Code和Wet Paper Code,通過修改嵌入域中的少量嵌入單元就能夠達到同時修改兩層隱蔽信道中的載體向量以嵌入秘密信息的目的，因此極大提高了嵌入效率。
[0068]3)安全性高。目前視頻隱寫算法幾乎都有針對性的隱寫分析方法，在實際應用中安全性較低。本發(fā)明由于采用了隱寫碼，對嵌入域的修改程度很小，因此隱寫產(chǎn)生的視頻和正常編碼的視頻在諸如視頻質(zhì)量、比特率以及其他統(tǒng)計特性上幾乎沒有差異，不僅如此，本發(fā)明由于采用了全新的嵌入域和嵌入思想，因此能夠回避以往視頻隱寫算法在隱寫分析中所暴露的弱點。綜合以上因素并通過實驗證明，本發(fā)明可以有效抵抗現(xiàn)有隱寫分析方法的攻擊。
[0069]4)可定制的宏塊劃分方式擾動代價。本發(fā)明是通過修改宏塊的劃分方式以進行秘密信息的隱寫嵌入，因此需要對宏塊劃分方式的擾動代價進行有效評價。不同的評價機制可能導致不同的隱寫嵌入效果并對算法的安全性產(chǎn)生影響。本發(fā)明通過計算當前宏塊的劃分方式和它的最佳劃分方式在Rate Distortion Optimization(RDO)數(shù)值上的差異以評價此宏塊的劃分方式擾動代價，在隱寫嵌入時優(yōu)先修改那些對整體編碼性能影響較小的宏塊的劃分方式?？梢?，本發(fā)明是在保證視頻編碼性能不產(chǎn)生明顯擾動的前提下進行隱寫嵌入的。除此之外，針對不同的應用場景，本發(fā)明可以定制不同的宏塊劃分方式擾動代價，因此擁有較高的靈活性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0070]圖1是本發(fā)明的秘密信息嵌入示意圖；
[0071]圖2是本發(fā)明的秘密信息提取示意圖；
[0072]圖3是H.264/AVC視頻編碼標準中宏塊劃分方式示意圖；
[0073]圖4是子宏塊劃分方式編碼示意圖；
[0074]圖5是本發(fā)明的秘密信息嵌入流程圖；
[0075]圖6是本發(fā)明的秘密信息提取流程圖；
[0076]圖7是一個按照8X8方式劃分的宏塊及其8位二進制數(shù)表達式，以及分別將式中的每個二進制數(shù)置反后對應宏塊的劃分方式示意圖；
[0077]圖8是采用“基于運動向量回復特性的視頻隱寫分析方法”對本發(fā)明進行攻擊的ROC曲線。
【具體實施方式】
[0078]下面結(jié)合附圖5-7 對本發(fā)明作進一步描述。
[0079]在采用本發(fā)明進行秘密信息隱寫嵌入前，可以先對需要嵌入的數(shù)據(jù)進行加密，得到隨機的二進制數(shù)據(jù)流。本發(fā)明提出的基于宏塊劃分方式擾動的視頻隱寫方法的秘密信息嵌入流程如圖5所示，具體操作細節(jié)如下:
[0080]I)獲取需要進行隱寫嵌入的視頻幀，對于該幀中每個按照8X8方式劃分的宏塊，首先求出其8位二進制數(shù)表達(圖7)，再對該表達式執(zhí)行按位異或操作，得到O或1，最后依次將所有按照此方式得到的O或I組成向量X ;
[0081]2)對于該幀中每個按照8X8方式劃分的宏塊，分別計算其8位二進制數(shù)表達中第i位被置反后對應的宏塊劃分方式(圖7)擾動代價Y i，并選擇最終計算所得的8個擾動代價中的最大值作為此宏塊的隱寫嵌入代價，最后將所有按照此方式得到的隱寫嵌入代價組成向量1' ；
[0082]3)應用隱寫碼Syndrome Trellis Code (STC)建立第一層隱蔽信道并向其中嵌入
秘密信息。首先根據(jù)通信雙方事先約定好的負載率α以及參數(shù)矩陣S，建立STC所需的奇
偶校驗矩陣Hsrc，再將步驟I)所得向量X作為STC所需的載體，并結(jié)合步驟2)所得向量1'，應用STC構(gòu)造出滿足HSTex’ = m并且使得總體隱寫嵌入代價D (X，X’)最小的X’，其中m表示通過第一層隱蔽信道嵌入的秘密信息，X’表示經(jīng)過隱寫嵌入后的載體向量，X和X’若對應位置上的二進制數(shù)不同，則說明相應按照8X8方式劃分的宏塊需要修改其子宏塊的劃分方式，反之則不需要修改，D (X，X’)表示所有需要修改劃分方式的宏塊對應的隱寫嵌入代價之和；
[0083]4)應用隱寫碼Wet Paper Code (WPC)建立第二層隱蔽信道并向其中嵌入秘密信息。對于當前幀中每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，取前7位組成向量V并計算HlffiV = ω，其中HtcS [7，4]漢明碼的奇偶校驗矩陣，ω為計算結(jié)果，長度為3，根據(jù)步驟3)，若該宏塊需要修改其劃分方式則將ω中的3個二進制數(shù)都記作干點(可以修改)，否則都記作濕點(修改代價為無窮大，即不可以修改)。將所有按照此方式得到的ω組成WPC所需的載體向量χ，并根據(jù)通信雙方事先約定好的種子K產(chǎn)生WPC所需的奇偶校驗矩陣Hwrc，最后應用WPC構(gòu)造出滿足Hwrcx' = m的χ’，其中m表示通過第二層隱蔽信道嵌入的秘密信息，X’表示經(jīng)過隱寫嵌入后的載體向量；
[0084]5)根據(jù)步驟3)的結(jié)果，對于當前幀中每個按照8X8方式劃分的宏塊，若其子宏塊的劃分方式需要修改，則進一步根據(jù)步驟(4)的結(jié)果，對比該宏塊對應的ω以及經(jīng)過WPC隱寫嵌入后所得的ω’，從而確定其8位二進制數(shù)表達中需要置反的某個數(shù)字的位置，并最終確定該宏塊的修改形式；
[0085]6)根據(jù)步驟5)中的結(jié)果編碼該幀，即完成對兩個隱蔽信道的秘密信息嵌入；
[0086]7)按照視頻文件的幀編碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至6)直到秘密信息全部嵌入完畢，得到最終的隱寫視頻文件。
[0087]本發(fā)明提出的基于宏塊劃分方式擾動的視頻隱寫算法的秘密信息提取流程如圖6所示，具體操作細節(jié)如下:
[0088]I)獲取需要提取秘密信息的視頻幀，對于該幀中所有按照8X8方式劃分的宏塊，首先求出其8位二進制數(shù)表達(圖7)，再對該表達式執(zhí)行按位異或操作，得到O或1，最后依次將所有按照此方式得到的O或I組成向量χ ;
[0089]2)提取第一層隱蔽信道中的秘密信息。首先根據(jù)通信雙方事先約定好的負載率α以及參數(shù)矩陣H，建立Syndrome Trellis Code (STC)所需的奇偶校驗矩陣Hstc，再使用
步驟I)所得向量χ計算HsrcX，計算結(jié)果即為提取的秘密信息比特；
[0090]3)提取第二層隱蔽信道中的秘密信息。對于該巾貞中每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，取前7位組成向量ν并計算HreV = ω，其中Hh。為[7，4]漢明碼的奇偶校驗矩陣，ω為計算結(jié)果，將所有按照此方式得到的ω組成WPC所需的載體向量X，并根據(jù)通信雙方事先約定好的種子K產(chǎn)生WPC所需的奇偶校驗矩陣Hwrc，最后，計算HwrcX,所得結(jié)果即為提取的秘密信息比特；
[0091]4)按照視頻文件的幀解碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至3)直到秘密信息全部提取完畢。
[0092]從以上【具體實施方式】可以看出，在本發(fā)明的嵌入流程中，根據(jù)應用場景的需要，既可以調(diào)節(jié)第一層隱蔽信道的負載率α以影響整體的嵌入容量，還可以定制不同的宏塊劃分方式擾動代價計算模型以影響安全性和視頻質(zhì)量等，因此本發(fā)明具有較強的適應性和靈活性。
[0093]如表I所示，選取14個格式為CIF (352 X 288)的標準視頻測試序列進行各項性能指標測評，其中，“嵌入算法” 一欄中的“STD”表示H.264/AVC視頻編碼標準，“Yang’ s”表示學者Yang所提出的一種基于宏塊劃分方式的視頻隱寫算法。由于STD并不進行秘密信息的隱寫嵌入，因此其所對應的“秘密消息長度(kb) ”和“嵌入效率”這兩欄均填“Ν/A”。從表中數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過本發(fā)明隱寫嵌入后的視頻文件，具有優(yōu)異的視覺保真度，并且只會出現(xiàn)非常微小的比特率波動。不僅如此，本發(fā)明在嵌入效率上遠遠優(yōu)于Yang所提出的基于宏塊劃分方式的視頻隱寫算法。
[0094]考慮到尚未出現(xiàn)針對本發(fā)明的視頻隱寫分析方法，作為折中，選擇“基于運動向量回復特性(MVRB)的視頻隱寫分析方法”，對本發(fā)明進行攻擊，該方法在攻擊基于運動向量的視頻隱寫算法時效果顯著。從圖8中可以看出，相應的ROC曲線非常貼近對角線，說明該視頻隱寫分析方法無法區(qū)分經(jīng)過本發(fā)明隱寫后的視頻文件和普通載體文件。因此，在針對性的視頻隱寫分析方法出現(xiàn)前，本發(fā)明具有非常高的安全性。
[0095]表1.各項性能指標測評結(jié)果
[0096]
【權(quán)利要求】
1.一種基于宏塊劃分方式擾動的視頻隱寫方法，包括秘密信息的嵌入過程，其特征在于，所述秘密信息的嵌入過程包括以下步驟: 1)在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，先執(zhí)行按位異或操作，得到二進制數(shù)O或1，并將所有異或結(jié)果寫成向量X1，再利用[7，4]漢明碼將前7位映射到3個二進制數(shù)，并將所有映射結(jié)果寫成向量X11 ； 2)將步驟I)中所得向量X1作為第一層隱蔽信道的載體，根據(jù)隱寫碼I的工作原理，按照通信雙方事先約定好的參數(shù)生成奇偶校驗矩陣H1，并構(gòu)造出滿足H1X1 ’ = m的Xl’，其中m表不該隱蔽信道中待嵌入的秘密信息，X1'表不經(jīng)過修改的載體向量； 3)將步驟I)中所得向量X11作為第二層隱蔽信道的載體，此時，根據(jù)第一層隱蔽信道的嵌入結(jié)果，若某個按照8X8方式劃分的宏塊不需要修改其子宏塊的劃分方式，則該宏塊在x?中對應的3個二進制數(shù)為濕點，否則為干點；在此基礎上，根據(jù)隱寫碼2的工作原理，按照通信雙方事先約定好的參數(shù)生成奇偶校驗矩陣Ηπ，并構(gòu)造出滿足HIlXlI’ = m的χπ’，其中m表不該隱蔽信道中待嵌入的秘密信息，X11'表不經(jīng)過修改的載體向量； 4)根據(jù)步驟2)確定當前視頻幀中有哪些按照8X8方式劃分的宏塊需要改變其子宏塊的劃分方式，進一步根據(jù)步驟3)確定具體的修改方式； 5)根據(jù)以上所得結(jié)果編碼當前視頻幀以完成對兩層隱蔽信道的秘密信息嵌入； 6)按照視頻文件的幀編碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至5)直到秘密信息全部嵌入完畢，得到最終的隱寫視頻文件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括秘密信息的提取過程，所述秘密信息的提取過程包括以下步驟: 1)解碼當前視頻幀，對每個按照8X 8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達執(zhí)行按位異或操作，得到二進制數(shù)O或1，并將所有異或結(jié)果寫成向量X1 ； 2)提取第一層隱蔽信道中的秘密信息:根據(jù)隱寫碼I的工作原理，按照通信雙方事先約定好的參數(shù)生成奇偶校驗矩陣H1，計算H1X1，所得結(jié)果即為提取的秘密信息比特； 3)提取第二層隱蔽信道中的秘密信息:對當前視頻幀中每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，取前7位采用[7，4]漢明碼進行映射，并將所有映射結(jié)果寫成向量xn，根據(jù)隱寫碼2的工作原理，按照通信雙方事先約定好的參數(shù)生成奇偶校驗矩陣Ηπ，計算ΗπΧπ，所得結(jié)果即為提取的秘密信息比特； 4)按照視頻文件的幀解碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至3)直到秘密信息全部提取完畢。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述隱寫碼I為STC，所述隱寫碼2為WPC。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述秘密信息的嵌入過程包括以下步驟: 1)在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達執(zhí)行按位異或操作，得到二進制數(shù)O或I，并將所有異或結(jié)果寫成載體向量X ； 2)在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊，分別計算其8位二進制數(shù)表達中第i位被置反后對應的宏塊劃分方式擾動代價Y i，并選擇最終計算所得的8個擾動代價中的最大值作為此宏塊的隱寫嵌入代價；3)根據(jù)隱寫碼STC的工作原理，先按照預先指定的負載率α以及參數(shù)矩陣H，構(gòu)建奇偶校驗矩陣Hsrc,再構(gòu)造出滿足U =m并且使得隱寫嵌入代價D(x，x’)達到最小的X’，其中，m表不第一層信道中待嵌入的秘密信息，X’表不通過第一層信道隱寫嵌入后被修改的載體向量^和^對應位置上的二進制數(shù)若不相同，則表示相應的按照8X8方式劃分的宏塊需要修改其子宏塊的劃分方式，若相同則表不不需要修改； 4)在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，取前7位組成向量ν并計算HreV = ω，其中Hre為[7，4]漢明碼的奇偶校驗矩陣，ω為計算結(jié)果，其長度為3 ;根據(jù)第一層隱蔽信道的嵌入結(jié)果，若某個按照8 X 8方式劃分的宏塊需要修改其子宏塊的劃分方式，則將其對應的ω中的3個二進制數(shù)記作干點，否則記作濕點，將該幀中所有按照8X8方式劃分的宏塊所對應的ω組成隱寫碼WPC所需的載體向量X，同時用預先指定的種子K生成WPC所需的奇偶校驗矩陣Hwrc,最后得到滿足HwrcY = m的X’，其中X’表示通過第二層信道隱寫嵌入后被修改的載體向量，m表示第二層信道中待嵌入的秘密信息； 5)根據(jù)第一層隱蔽信道中相應載體向量的修改結(jié)果，確定當前視頻幀中有哪些按照8X8方式劃分的宏塊需要修改其子宏塊的劃分方式，將它們記作集合Ψ，進一步根據(jù)第二層隱蔽信道中相應載體向量的修改結(jié)果，確定Ψ中的每個宏塊應該如何去修改其子宏塊的劃分方式； 6)根據(jù)以上所得結(jié)果編碼當前視頻幀以完成對兩層隱蔽信道的秘密信息嵌入； 7)按照視頻文件的 幀編碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至6)直到秘密信息全部嵌入完畢，得到最終的隱寫視頻文件。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述秘密信息的提取過程包括以下步驟: 1)解碼當前視頻幀，對每個按照8X 8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達執(zhí)行按位異或操作，得到二進制數(shù)O或I，并將所有異或結(jié)果寫成向量X ； 2)提取第一層隱蔽信道中的秘密信息:根據(jù)隱寫碼STC的工作原理，按照預先指定的負載率α以及參數(shù)矩陣H構(gòu)建奇偶校驗矩陣Hsrc，計算Hsrcx，所得結(jié)果即為提取的秘密信息比特； 3)提取第二層隱蔽信道中的秘密信息:在當前視頻幀中，對每個按照8X8方式劃分的宏塊的8位二進制數(shù)表達，取前7位組成向量ν并計算HreV = ω，其中Hh。為[7，4]漢明碼的奇偶校驗矩陣，ω為計算結(jié)果，其長度為3 ;將該幀中所有按照8X8方式劃分的宏塊所對應的ω組成WPC所需的向量X，同時用預先指定的種子K生成WPC所需的奇偶校驗矩陣Hwrc，計算Hwrcx,所得結(jié)果即為提取的秘密信息比特； 4)按照視頻文件的幀解碼順序，對余下每幀重復執(zhí)行步驟I)至3)直到秘密信息全部提取完畢。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:根據(jù)應用場景的需要調(diào)節(jié)第一層隱蔽信道的負載率，以影響整體的嵌入容量。
7.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:根據(jù)應用場景的需要定制不同的宏塊劃分方式擾動代價計算模型，以影響安全性和視頻質(zhì)量。
【文檔編號】H04N19/176GK104010193SQ201410233838
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】張弘, 曹紜, 趙險峰, 于海波 申請人:中國科學院信息工程研究所