基于編碼的視頻嵌入視頻方法的研究*

朱厲洪，周 詮

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710100）

信息隱藏是20世紀(jì)90年代提出的一種解決信息安全問(wèn)題的新方法。它通過(guò)把隱秘信息隱藏于可公開(kāi)的數(shù)字媒體 (載體)中以達(dá)到安全傳遞隱秘信息或保證載體的完整性及所有權(quán)歸屬等目的。當(dāng)前而言，信息隱藏研究的載體主要針對(duì)靜止圖像，但隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究以視頻為載體的隱藏技術(shù)。參考文獻(xiàn)[1]利用量化后DCT系數(shù)的奇偶性來(lái)隱藏信息。參考文獻(xiàn)[2]指出了依據(jù)MV幅值作為閾值選擇CMV進(jìn)行信息隱藏的缺點(diǎn)，提出了依據(jù)預(yù)測(cè)誤差作為閾值選擇CMV的觀點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[3]結(jié)合H.264的特性，提出了一種利用DCT系數(shù)進(jìn)行高比特率信息嵌入方法。參考文獻(xiàn)[4]則利用I幀宏塊的編碼模式進(jìn)行秘密信息的隱藏。而參考文獻(xiàn)[5]則針對(duì) I幀中隱藏信息會(huì)帶來(lái)錯(cuò)誤漂移的情況進(jìn)行研究，并給出了解決的方案?？偠灾?，當(dāng)前視頻的隱藏技術(shù)主要可以劃分為利用DCT系數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量、量化后的DCT系數(shù)、預(yù)測(cè)模式等幾個(gè)方面。

視頻隱藏的蓬勃發(fā)展激起了研究者在視頻中嵌入視頻的靈感。SWANSON[6]首先提出了在視頻中嵌入視頻的思路，利用一種基于高比特信息隱藏算法的向量射線比較法，將秘密視頻信息隱藏于載體視頻中完成傳輸，避免了單獨(dú)傳輸易丟失的缺點(diǎn)；肖柏創(chuàng)[7]等人對(duì)YANG3]的算法進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了高比特率的視頻嵌入視頻的方案。盡管這些方法都取得了一定的效果，但都只是針對(duì)秘密為原始視頻的情況展開(kāi)討論，并未考慮秘密信息為壓縮視頻碼流的情況。視頻魯棒隱藏算法的隱藏容量較小，宿主視頻每幀中隱藏的數(shù)據(jù)量有限。而視頻的數(shù)據(jù)量是海量的，如果不對(duì)秘密視頻進(jìn)行壓縮編碼，那么一幀秘密圖像需要隱藏在多幀的宿主視頻中，這樣勢(shì)必會(huì)帶來(lái)實(shí)時(shí)性不高、秘密視頻隱藏幀數(shù)少等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了將秘密信息壓縮編碼后再嵌入視頻的信息隱藏方案。該方案將視頻的嵌入過(guò)程看成是秘密視頻隱蔽通信的過(guò)程。首先將秘密視頻壓縮編碼成碼流，從而有效地減少秘密視頻的比特?cái)?shù)。同時(shí)為了克服壓縮碼流誤碼敏感的缺陷，應(yīng)用了糾錯(cuò)和交織編碼增加秘密信息抗誤碼的性能。在嵌入時(shí)，選用魯棒性較好的變換域的隱藏算法進(jìn)行嵌入，進(jìn)一步增加隱蔽傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 視頻嵌入視頻方案概述

1.1 算法的改進(jìn)

本文的隱藏算法在對(duì)參考文獻(xiàn)[3]的算法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。參考文獻(xiàn)[3]的嵌入算法如下：

(1)將宿主視頻按照4×4塊大小進(jìn)行整數(shù)DCT變換，并按照 zigzag掃描的順序選取前 8個(gè)系數(shù)(c0，c1，c2，…，c6，c7)組成向量 V；

(2)計(jì)算 l和 lT：

其中，T表示閾值，[.]表示四舍五入操作。

(3)計(jì) 算 l′T：

其中，嵌入 1 時(shí)，+0.25；反之，-0.25

(4)計(jì)算 l′和 V′：

Yang的提取算法如下：

(1)計(jì) 算 l″和 l″T：

(2)I=l″T-[l″T]

秘密信息的值取決于I的數(shù)值。

與其他格式相比，視頻在視頻中的嵌入對(duì)實(shí)時(shí)性的要求更高。參考文獻(xiàn)[3]算法在魯棒性和圖像質(zhì)量方面都具有良好的性能，但由于其嵌入的步驟要涉及到zigzag掃描、向量計(jì)算等，若直接將其應(yīng)用到視頻嵌入視頻的方案中，將不利于實(shí)時(shí)性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，本文在保持了原算法性能的前提下，對(duì)算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，縮短嵌入所需的時(shí)間。圖 1是 CIF(352288)格式的 News、Moblie和Foreman視頻序列按照 4×4分塊、整數(shù)DCT變換后低頻在塊中的能量示意圖，

圖1 DCT變換能量集中示意圖

從圖中可以看出塊中的能量集中于直流系數(shù)，占到前8個(gè)系數(shù)總能量的0.95～0.99，則，將提取端的 l′、l、lT、l′T等參數(shù)帶入到 V′中，則：

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化式(6)，對(duì) News、Moblie和 Foreman視頻序列進(jìn)行了抗壓縮的魯棒性實(shí)驗(yàn)，秘密信息為隨機(jī)序列，其誤碼均值的結(jié)果如表1所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，選用直流系數(shù)的魯棒性和8個(gè)低頻系數(shù)抗壓縮的性能近似。因此，可將式(6)簡(jiǎn)化為：

同理，接收端中DCT變換后的能量也主要集中在直流分量上。因此，可以在保證魯棒性和圖像質(zhì)量等算法性能的基礎(chǔ)上，利用直流系數(shù)作為載體完成秘密信息的嵌入，這樣有利于視頻實(shí)時(shí)性嵌入目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1.2 視頻嵌入算法

秘密視頻信息嵌入框架如圖2所示。

(1)對(duì)秘密視頻采用視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼。

(2)利用糾錯(cuò)碼提高系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí)利用交織技術(shù)防止突發(fā)錯(cuò)誤的出現(xiàn)。

表1 選用1～8個(gè)低頻系數(shù)抗壓縮性能的比較

圖2 視頻嵌入框架

(3)隱藏算法：

①將宿主視頻按照4×4進(jìn)行分塊，并進(jìn)行整數(shù)DCT變換；

②選取每塊中的直流系數(shù)D(i，j)，進(jìn)行如下操作：

其中，m表示秘密信息。

③計(jì)算 l′和 V′：

④將 V′寫(xiě)回到 4×4塊中；

⑤重復(fù)上述過(guò)程直到秘密信息嵌入完全。

1.3 視頻提取算法

秘密視頻提取的框架如圖3所示。

圖3 視頻提取框圖

(1)提取算法

①將宿主視頻按4×4分塊，并進(jìn)行整數(shù)DCT變換；

②l″=D(i，j)；

④ I=l″T-[l″T]

⑥重復(fù)上述操作直到將秘密信息提取完畢為止；

(2)交織和糾錯(cuò)解碼；

(3)視頻解碼。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，采用 CIF(352×288)格式視頻序列 News、Forman、Mobile作為宿主視頻，秘密視頻為QCIF(176×144)格式的視頻序列Forman。視頻編碼采用H.264/AVC編解碼參考軟件JM8.6，編碼模式采用IPPPPP…的格式。

表2列出了3組不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度視頻序列為宿主視頻的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中 PSNR/dB、TIME/s、BER/%分別表示利用參考文獻(xiàn)[3]算法以及本文算法嵌入秘密信息前后載體圖像的峰值信噪比、嵌入算法所需的時(shí)間和宿主視頻經(jīng)過(guò)編碼后接收端提取秘密信息的誤碼率。QP表示編碼宿主視頻時(shí)的量化步長(zhǎng)。

表2 嵌入算法實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比表

當(dāng)秘密視頻未編碼時(shí)，隱藏1幀QCIF視頻信息需要48幀CIF宿主視頻。按照參考文獻(xiàn)[3]的算法提出的秘密視頻效果圖如圖4所示。其中參數(shù)N、PSNR分別代表每48幀宿主視頻隱藏的秘密視頻幀數(shù)和接收端提取的秘密視頻的峰值信噪比，QP表示宿主視頻編碼時(shí)的量化步長(zhǎng)。

圖4 參考文獻(xiàn)[3]效果示意圖

由于本文算法對(duì)采用了壓縮和糾錯(cuò)編碼，隱藏視頻的幀數(shù)與秘密視頻編碼的步長(zhǎng)和BCH的參數(shù)有關(guān)。當(dāng)QP=16時(shí)，編碼后的秘密視頻的 PSNR=45.82 dB，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 本文算法效果示意圖

從以上的仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，應(yīng)用本文的所提出的算法后，嵌入隱藏信息的混合視頻信號(hào)與原始視頻幾乎沒(méi)有什么差別，達(dá)到了隱藏信息透明的要求。從表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，在相同壓縮比的情況下，本文的算法較之于參考文獻(xiàn)[3]的算法縮短了嵌入所需的時(shí)間，且誤碼率平均減少了76.6%，具有更好的抗壓縮性能。而當(dāng)綜合采用編碼和隱藏算法后，本文算法的優(yōu)越性進(jìn)一步凸顯，從圖4、圖5的實(shí)驗(yàn)仿真效果圖中可以看到，在相同壓縮比的情況，隱藏幀數(shù)提高了5～11倍，并且接收端提取秘密信息的質(zhì)量也獲得了明顯改善。

本文提出了一種視頻壓縮碼流在視頻中嵌入的方案，為了避免視頻壓縮碼流對(duì)誤碼敏感的缺點(diǎn)，在隱藏算法上采用了高比特率的魯棒算法，通過(guò)修改視頻的亮度分量Y在變換域中的直流系數(shù)來(lái)嵌入秘密信息；同時(shí)秘密信息在嵌入前采用預(yù)處理的策略，即先對(duì)秘密視頻進(jìn)行壓縮編碼、糾錯(cuò)和交織編碼等預(yù)處理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出本方案所提出的視頻嵌入視頻的方法提高了隱藏的幀數(shù)及接收端提取秘密信息的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了隱秘視頻的高效傳輸，為視頻嵌入視頻提供了一種新的思路。

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