基于DCT系數(shù)的H264視頻的可逆隱藏算法研究

摘要：本文介紹了基于DCT系數(shù)的H264視頻的可逆隱藏算法的關(guān)鍵技術(shù)和嵌入隱藏過程，首先選出符合要求的量化后的DCT系數(shù)，將秘密信息隱藏在量化后的DCT系數(shù)中;在解碼端相應(yīng)提取隱藏信息，還原系數(shù)。這類算法對(duì)視頻質(zhì)量影響較小，能實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的無失真還原，提高了隱藏信息的容量。

關(guān)鍵詞：DCT系數(shù)，視頻隱藏，可逆，H264

引言

信息隱藏技術(shù)是將秘密信息嵌入到載體中進(jìn)行傳送的一種技術(shù)。載體通常為文本、圖像、音頻和視頻。視頻相對(duì)于音頻和圖像具有更大的載體容量和更多的可嵌入點(diǎn)，其次以圖像為載體的數(shù)字隱寫的安全性也受到越來越多的分析威脅。所以近年來數(shù)字視頻隱寫成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)傳輸原始視頻一般都會(huì)考慮網(wǎng)速，會(huì)有額定帶寬的限制，原始視頻具有較大的數(shù)據(jù)量往往導(dǎo)致傳輸速度慢。因此傳輸輸原始視頻之前都會(huì)對(duì)其進(jìn)行編碼壓縮。顯然，需要結(jié)合視頻編碼解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來研究如何在視頻中隱藏信息就會(huì)大大提高傳輸速率。目前市場(chǎng)廣泛認(rèn)可的是新一代視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC[1]，該標(biāo)準(zhǔn)具有很好的壓縮性能。所以研究基于H.264[2]視頻的可逆信息隱藏算法會(huì)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1基于DCT系數(shù)的H264可逆視頻隱藏關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)秘密信息嵌入視頻中的時(shí)機(jī)不同，視頻隱藏技術(shù)一般分為三類：壓縮視頻數(shù)字隱藏技術(shù)、原始視頻序列隱藏技術(shù)以及與視頻壓縮過程相結(jié)合的隱藏技術(shù)。原始視頻序列隱藏技術(shù)是直接嵌入秘密信息到原始視頻中，然后再對(duì)載密視頻進(jìn)行壓縮編碼。壓縮視頻數(shù)字隱藏技術(shù)方法把秘密信息嵌入到壓縮后的視頻碼流中。與視頻壓縮過程相結(jié)合的隱藏技術(shù)把嵌入隱藏信息的過程與視頻壓縮過程結(jié)合起來，通過在壓縮視頻時(shí)，產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)攜帶隱藏信息。Hsu 等[3]將隱藏信息嵌入到量化后的DCT中頻系數(shù)中，并且通過 P和B 幀中具有零運(yùn)動(dòng)矢量的子塊來傳遞信息，缺點(diǎn)是提取隱藏信息時(shí)必須有原始視頻信息的參與。Simitopoulos等人[4]提出一種基于HVS特性和DCT變換的視頻水印算法，算法首先在MPEG編碼時(shí)，把變換后的8×8塊分成5種類型，得到掩蔽矩陣，然后選擇在量化后的DCT系數(shù)中嵌入水印。該算法的優(yōu)點(diǎn)是很好的運(yùn)用了HVS的特性，缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)水印的盲提取。文獻(xiàn)[5]在每個(gè)宏塊中選取含非零系數(shù)最多的4×4子塊，將秘密信息嵌入到最后一個(gè)非零系數(shù)和緊跟其后的零系數(shù)上，最后再進(jìn)行熵編碼寫入碼流。還有一類方法不是直接在 DCT 系數(shù)中嵌入信息，是通過調(diào)制量化后DCT系數(shù)嵌入信息的方法，EMD[6]編碼、APPM[7]以及文獻(xiàn)[8]都屬于此類算法，還有利用運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行信息嵌入[9-10]。目前，大多數(shù)H.264/AVC可逆視頻隱藏算法，主要存在嵌入容量不足的問題，運(yùn)用普通解碼器解碼含水印碼流視頻質(zhì)量下降較多以及算法復(fù)雜度較高的問題。

2基于DCT系數(shù)隱藏信息的實(shí)現(xiàn)過程

2.1整數(shù)DCT變換和熵編碼

DCT變換因有著簡(jiǎn)單、快速、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)而被多數(shù)視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)所采納。H.264采用了整數(shù)DCT變換，H.264視頻編碼的技術(shù)亮點(diǎn)之一就是采用了整數(shù)DCT變換?？紤]到視頻編碼的實(shí)時(shí)性以及計(jì)算的精度和速度，所以H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)選擇使用整數(shù)DCT變換。

H.264/AVC編碼器在對(duì)殘差系數(shù)進(jìn)行整數(shù)DCT變換和量化后，需要進(jìn)一步將量化后的DCT系數(shù)進(jìn)行熵編碼，然后打包寫入碼流，這一過程是無損的，也就是說H.264格式的碼流經(jīng)過熵解碼后可以得到無失真的量化后DCT系數(shù)。

在H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)中，主要采用了兩種熵編碼方案，分別是CAVLC和CABAC。

2.2隱藏信息的嵌入和提取

一般來說，對(duì)于4×4子塊的量化后系數(shù)，經(jīng)過Zig-Zag掃描后，后幾個(gè)系數(shù)多為0，圖1是foreman測(cè)試序列中第一幀第一個(gè)宏塊的第一個(gè)4×4子塊量化后DCT系數(shù)Zig-Zag掃描圖。

由圖易見，Zig-Zag掃描的一維序列為{9，-12，3，3，-3，-11，-5，1，-1，0，0，-2，0，1，0，0}，最后一位DCT系數(shù)一般都為0。我們就可以利用最后一個(gè)系數(shù)來嵌入隱藏信息。因?yàn)橥ǔ碚f，這個(gè)系數(shù)為AC系數(shù)，且集中在高頻上，這樣，改變這個(gè)系數(shù)，有利于隱藏信息的不可見性DCT系數(shù)中嵌入信息過程如圖2所示。

提取隱藏信息過程是嵌入過程的逆過程，算法從H264/AVC中的載密視頻流提取隱藏信息。由于熵編碼是一種無損壓縮編碼方法，保證了秘密信息的提取。提取過程如圖3所示。

3結(jié)語

本文主要介紹了基于DCT系數(shù)的H264可逆視頻隱藏算法的關(guān)鍵技術(shù)，以及嵌入隱藏信息和提取隱藏信息的實(shí)現(xiàn)過程。該類算法在量化后的DCT系數(shù)中隱藏信息，對(duì)載密視頻質(zhì)量影響較小，能實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的無失真還原，具有較大的隱藏信息容量，將會(huì)是今后以后研究的重點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

鄧方舟（1989- ?），男，安徽安慶人，漢族，網(wǎng)絡(luò)工程師，碩士研究生，桂林師范高等?？茖W(xué)校網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心，541000，廣西桂林市，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及圖像處理

基金項(xiàng)目：2018年桂林師范高等專科學(xué)?？蒲许?xiàng)目“基于圖像的分類算法和可逆信息隱藏算法研究”（項(xiàng)目編號(hào)：KYB201816）