基于3D高效率視頻編碼背景的信息隱藏算法

任 帥，索 麗，張 弢，楊 濤，慕德俊

(1.長安大學 信息工程學院，西安 710064； 2.長安大學 電子與控制工程學院，西安 710064； 3.西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710072)

基于3D高效率視頻編碼背景的信息隱藏算法

任 帥1*，索 麗1，張 弢2，楊 濤1，慕德俊3

(1.長安大學 信息工程學院，西安 710064； 2.長安大學 電子與控制工程學院，西安 710064； 3.西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710072)

(*通信作者電子郵箱maxwellren@qq.com)

針對秘密信息在公開網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩院腿萘啃詥栴}，提出了一種基于高效率視頻編碼(HEVC)背景的信息隱藏算法。利用HEVC中多視點圖像的背景圖作為載體，首先對其進行l(wèi)αβ分解得到三個灰度分量子圖,然后選取α和β分量子圖作離散余弦變換,最后將秘密信息重復嵌入到載體區(qū)域中。隱藏區(qū)域選取能量權(quán)重較低的α及β分量子圖的離散余弦變換中頻系數(shù)區(qū)域，且進行重復嵌入，使得算法具有良好的不可見性和魯棒性。實驗結(jié)果表明，所提算法比基于幀間和幀內(nèi)算法不可見性分別提高16.1%和11.4%，魯棒性分別提高55.5%和20.2%。

高效率視頻編碼背景；離散余弦變換；lαβ顏色空間；信息隱藏；3D視頻

0 引言

信息隱藏技術(shù)以秘密信息傳輸?shù)摹按嬖诩墶卑踩蔀榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用熱點[1]，其中載體的選擇至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，3D視頻因能提供真實場景的立體感與視點交互而越來越受到人們的歡迎，是下一代視頻系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[2]。3D視頻因采用多視點拍攝而帶來大量的時間和空間冗余數(shù)據(jù)，應(yīng)用的廣泛性與數(shù)據(jù)的冗余性使得3D視頻或?qū)⒊蔀樾畔㈦[藏技術(shù)的首選載體[3-4]。

在基于3D視頻的信息隱藏應(yīng)用中，文獻[5]依據(jù)幀內(nèi)4×4塊的預測模式與待嵌入比特之間的映射規(guī)則實現(xiàn)嵌入，但對于不同的測試序列差異性較大，統(tǒng)計建立的映射規(guī)則不具有普遍適用性。文獻[6]通過紋理復雜度較高的幀內(nèi)4×4亮度塊調(diào)制預測模式，但拉格朗日率失真模型有35種預測模式，計算復雜度比較大。文獻[7]提出一種基于運動矢量空間編碼的高效率視頻編碼(High Efficiency Video Coding, HEVC)背景信息隱藏方法，根據(jù)給出的運動矢量空間構(gòu)建與編碼方法，定義運動矢量集合與該空間中點的映射關(guān)系，通過修改運動矢量集合映射值進行信息隱藏的方法，但嵌入容量很小。

為了解決目前基于3D視頻的信息隱藏算法存在的容量小和算法復雜度高的問題，本文提出了一種基于3D-HEVC背景的信息隱藏算法。首先對多視點圖進行前/背景分離，并對背景圖進行l(wèi)αβ分解；然后選取α與β分量進行離散余弦變換(DiscreteCosineTransform,DCT)，選取DCT中頻系數(shù)作為信息隱藏區(qū)域；最后把秘密信息作混沌置亂后進行重復嵌入。算法充分利用背景圖和α、β分量的弱能量性使算法具有很好的不可見性，利用置亂和冗余策略則使算法具有較好的魯棒性。

1 3D-HEVC背景圖和lαβ顏色模型應(yīng)用

1.1 3D-HEVC的信息隱藏應(yīng)用

HEVC是國際電信聯(lián)盟電信標準分局和國際標準化組織聯(lián)合制定的下一代視頻編碼標準，3D-HEVC則是基于HEVC的新3D標準，以多視點視頻紋理加深度信息格式進行編碼[8]。不同視點間的紋理圖有重合的背景，即產(chǎn)生背景冗余信息，為信息隱藏提供嵌入信息的區(qū)域。視點圖像的前景圖能量較高，不可見性較差，因此不作為嵌入?yún)^(qū)域，而背景圖的能量性較小，所以在背景圖中相同的區(qū)域冗余嵌入信息，可抗擊視頻壓縮攻擊，提高算法的魯棒性，冗余重復嵌入策略如圖1所示。

圖1 背景圖冗余嵌入位置示意圖

1.2lαβ顏色空間的信息隱藏應(yīng)用說明

lαβ顏色空間在信息隱藏技術(shù)中的最大優(yōu)勢在于基本上消除了RGB顏色空間的強相關(guān)性，而且l、α、β分量具有明顯的能量差別，如圖2所示。信息隱藏則利用能量特性，在α、β兩個低能量分量嵌入隱藏信息，較為容易地實現(xiàn)信息隱藏應(yīng)用的不可見性要求[9]。

圖2 Lena lαβ顏色空間分解能量示意圖

2 基于3D-HEVC背景的信息隱藏算法

2.1 載體預處理

從3D視頻解碼器端取出多視點視頻序列第一幀紋理圖，通過深度信息閾值對其前景和背景進行分離，獲取各自前景圖和背景圖，分別記作wl和vl(l=0,1,2 )。背景分離采用深度圖信息閾值T進行分離，T通過視頻序列的相機參數(shù)獲取確定：小于閾值T為前景，大于閾值T為背景。從3個視點的背景圖中各自取出一個8×8矩陣塊進行塊匹配，尋找重復塊的位置直到遍歷整個背景圖。

視點0、視點1和視點2的背景圖中取出的矩陣塊分別記作A、B、C，兩個塊中相同像素點的個數(shù)記作n，則相似率為Qij=n/64，閾值T=0.85。塊的匹配規(guī)則如表1所示。

表1 背景圖中重復塊數(shù)目與位置關(guān)系

2.2 算法設(shè)計

利用3D-HEVC背景和lαβ顏色空間分量權(quán)重特性，設(shè)計的信息隱藏算法具體步驟如下：

步驟1 首先根據(jù)載體預處理規(guī)則(表1)對載體進行預處理操作，得到記錄重復塊位置的數(shù)組X、Y、Z。

步驟2 根據(jù)數(shù)組X、Y、Z中的位置信息提取相應(yīng)的塊進行l(wèi)αβ分解，分解出載體圖像的3個分量子圖分別記為lh、αh、βh(h=X，Y，Z)。

步驟3αX進行DCT得到系數(shù)矩陣αij，對αij作zig-zag[10]排序生成矩陣B1×64，取8個中頻系數(shù)(B20至B27)作為秘密信息的嵌入?yún)^(qū)域，對其進行編碼處理生成序列C，規(guī)則如表2所示。

表2 編碼處理規(guī)則

步驟4 利用公式產(chǎn)生一組混沌序列，然后根據(jù)閾值函數(shù)對生成的混沌序列進行二值化處理，產(chǎn)生二維矩陣Pck，將Pck與秘密圖像數(shù)據(jù)作異或操作，得到置亂序列N[j]。

步驟5 嵌入秘密信息N，嵌入規(guī)則如表3所示。

表3 秘密信息嵌入規(guī)則

步驟6 對αf、βh分量(f=Y,Z;h=X,Y,Z) 圖作相同的處理，重復塊嵌入相同的秘密信息。

步驟7 將嵌入秘密信息后的DCT系數(shù)進行逆變換，生成含密圖像α和β。

步驟8 將l、α和β重新合成RGB圖像。

步驟9 將含密的背景圖與前景圖合成生成最終的帶有秘密信息的視點圖。

根據(jù)上述信息隱藏算法的實施步驟，信息的提取則首先需要依據(jù)載體預處理規(guī)則對含密圖像進行預處理，得到記錄重復塊位置的數(shù)組X、Y、Z；其次根據(jù)數(shù)組X、Y、Z中的位置信息提取相應(yīng)的塊進行l(wèi)αβ分解；再次，依據(jù)信息嵌入過程中的步驟3和步驟5，作DCT，提取置亂的秘密信息；最后將置亂的含密信息作混沌變化得到秘密信息。

3 性能分析及實驗仿真

3.1 不可見性實驗

對信息隱藏算法進行實驗仿真，仿真環(huán)境為Matlab，載體圖像為3幅1 024×768多視角灰度圖像，隱藏信息為64×64Baboon二值圖像。圖3為可視化實驗效果示意圖。

圖3 可視化實驗效果示意圖

如圖4所示，在100幅圖像中進行信息隱藏，橫坐標表示嵌入量，用2k表示，0≤2k≤65 536 b，縱坐標為嵌入量對應(yīng)的平均峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio, PSNR)，數(shù)據(jù)顯示算法在k≤10時具有PSNR≥44.32 dB的高不可見性。

圖4 不可見性實驗結(jié)果

3.2 不可見性實驗對比

按照PSNR對本文算法和基于幀間和幀內(nèi)算法進行評價，從而進行不可見性對比，本文算法、基于幀間的算法和基于幀內(nèi)的算法的PSNR分別為44.513 2dB、38.327 0dB和39.950 1dB。本文算法比基于幀間和幀內(nèi)算法不可見性分別提高16.1%和11.4%。

3.3 魯棒性實驗

魯棒性是基于視頻信息隱藏技術(shù)的難點，本文算法利用的3D視頻HEVC技術(shù)，最初的作用就是壓縮，所以特別需要對算法的魯棒性進行有效性驗證。

由于本文設(shè)定嵌入信息為二值圖像，故針對二值圖像的數(shù)據(jù)恢復制定如下判別策略，利用魯棒性檢驗值Q進行定量衡量( 0≤Q≤100)，Q值大小與魯棒性正相關(guān)。Q值如式(1)所示：

Q=w×p

(1)

其中：w和p的計算式分別如式(2)、(3)所示。

(2)

(3)

其中：n為是正方形二值圖像的邊寬；μ和η為紋理對比步長，μ,η∈{1, 2, …,k}，k=(n-1)/2，文中實驗為μ=1、η=1的結(jié)果。

圖5是在剪切、壓縮、高斯噪聲、椒鹽噪聲、濾波等攻擊下提取秘密圖像的實驗結(jié)果，提取出的信息均可識別，證明算法在常見的噪聲和濾波攻擊時具有較好的魯棒性。

圖5 攻擊及還原信息魯棒性實驗結(jié)果

由圖5可視化結(jié)果中的“椒鹽噪聲”實驗可以看出Q=33.55時，嵌入信息仍可識別，即當Q>33，便可識別出秘密圖像。如圖6中本文算法的實驗數(shù)據(jù)所示，進行剪切和壓縮對比實驗，當受到剪切率低于50%，壓縮率低于73%時Q>33，證明算法具有較好的魯棒性。

3.4 魯棒性實驗對比

分別對本文算法和基于幀間和幀內(nèi)算法生成的含密圖像進行隨機剪切和壓縮，按照魯棒性檢驗值方法進行評價，如圖6所示。

圖6 剪切和壓縮對比實驗

本文算法剪切實驗和JPEG2000實驗的魯棒性檢驗值的平均值約為51.323 7，而基于幀間的信息隱藏算法約為32.998 0，基于幀內(nèi)的信息隱藏算法約為42.698 9。因此，本文算法相比基于幀間和幀內(nèi)的信息隱藏算法魯棒性分別提高55.5%和20.2%。

4 結(jié)語

本文利用廣泛應(yīng)用的3D視頻作為信息隱藏的掩體，給出了基于能量思維的3D視頻信息隱藏應(yīng)用普適方法。該方法可使秘密信息傳輸者根據(jù)應(yīng)用要求計出具有高魯棒性和安全性的信息隱藏算法。本文算法在嵌入秘密信息時，圖像本身的灰度值發(fā)生了一定的變化，但在秘密信息的提取過程中運用原有閾值進行前景和背景的分離將產(chǎn)生一定的誤差，后續(xù)將著力研究DCT中頻系數(shù)塊的大小與誤差的關(guān)系，解決閾值的準確選取問題。

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ThisworkispartiallysupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61402052),theNaturalScienceBasicResearchPlanofShaanxiProvince(2014JM2- 6105),theChinaPostdoctoralScienceFoundation(2015M572510),theShaanxiProvincePostdoctoralScienceFoundation,theNaturalScienceFoundationofTibet(2015ZR- 14- 20),theSpecialFundforBasicScientificResearchofCentralCollegesofChang’anUniversity(310832151092),theNationalCollegeStudents’InnovativeEntrepreneurialTrainingFoundation(201510710044).

REN Shuai, born in 1982, Ph. D., associate professor. His research interests include information hiding, digital watermarking, information security risk assessment.

SUO Li, born in 1990, M. S. candidate. Her research interests include information hiding.

ZHANG Tao, born in 1984, Ph. D., associate professor. Her research interests include information hiding, digital watermarking.

YANG Tao, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include information hiding.

MU Dejun, born in 1963, Ph. D., professor. His research interests include cryptology.

Information hiding algorithm based on 3D high efficiency video coding background

REN Shuai1*, SUO Li1, ZHANG Tao2, YANG Tao1, MU Dejun3

(1.SchoolofInformationEngineering,Chang’anUniversity,Xi’anShaanxi710064,China; 2.SchoolofElectronicandControlEngineering,Chang’anUniversity,Xi’anShaanxi710064,China; 3.CollegeofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’anShaanxi710072,China)

In order to solve the problems of security and capacity of confidential information during public network transmission, an information hiding algorithm based on the High Efficiency Video Coding (HEVC) background was proposed. The background image of multi-view images in HEVC was used as the carrier. Firstly, the background image was decomposed into three gray-scale components by usinglαβcolorspacetheory.Then,theimagecomponentssuchasαandβwere transformed by Discrete Cosine Transform (DCT) method. Finally, the confidential information was embedded into the region of carrier repeatedly. With relative low energy weight, the mid-frequency coefficient regions ofαandβcomponents after DCT were both chosen as the hidden regions to be embedded repeatedly with the confidential information, which makes the proposed algorithm have good invisibility and robustness. The experimental results show that, compared with the algorithms based on intra-frame and inter-frame, the invisibility of the proposed algorithm was improved respectively by about 16.1% and 11.4% while the robustness of the proposed algorithm was increased respectively by about 55.5% and 20.2%.

High Efficiency Video Coding (HEVC) background; Discrete Cosine Transform (DCT);lαβcolor space theory; information hiding; 3D videos

2016- 12- 06;

2017- 02- 24。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(61402052)；陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃項目(2014JM2- 6105)；中國博士后科學基金資助項目(2015M572510)；陜西省博士后科學基金資助項目；西藏自治區(qū)自然科學基金資助項目(2015ZR- 14- 20)；長安大學中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(310832151092)；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201510710044)。

任帥(1982—)，男，山西太原人，副教授，博士，CCF會員，主要研究方向：信息隱藏、數(shù)字水印、信息安全風險評估；索麗(1990—)，女，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，主要研究方向：信息隱藏； 張弢(1984—)，女，山西呂梁人，副教授，博士，主要研究方向：信息隱藏、數(shù)字水??； 楊濤(1992—)，男，河南三門峽人，碩士研究生，主要研究方向：信息隱藏； 慕德俊(1963—)，男，山東榮城人，教授，博士，主要研究方向：密碼學。

1001- 9081(2017)06- 1616- 04

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.06.1616

TP309.2;TP

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