专利名称：基于信息变长分组结构的h.264大容量信息隐藏方法
技术领域：
本发明涉及一种视频信息隐藏方法，具体是视频编码标准H. 264中基于信息变长分组结构的大容量信息隐藏算法。
背景技术：
信息隐藏技术是将秘密信息嵌入到公开的数字媒体中(如文本、图像、音频、视频等)，以不引起第三方注意的方式进行隐密传输的一种通信手段。通常来说，信息隐藏技术具有嵌入容量和安全性两方面的重要特性。前者可保证通信时能够传输足够多的数据；而安全性要求算法不对宿主视频造成人为的修改痕迹，在信息隐藏后，载体仍保持统计特性不变，并且在秘密信息嵌入与提取过程中使用密钥，以确保即使隐蔽通信被发现，也无法准确提取信息。近年来，图像信息隐藏技术得到快速发展，已有相当多的算法被提出。而视频 信息隐藏技术由于受到计算复杂度等因素的制约，发展相对落后，但由于视频具有丰富的时间轴信息，能够嵌入更多的标识信息，无疑使得视频信息隐藏技术具有极高的研究价值。在实际应用中，由于视频数据量庞大，存储及传输时必须对其进行压缩。目前常用的视频编码标准包括JPEG，MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4等，其中，H. 264是由IS0/IEC与ITU-T制定的新一代的视频压缩编码标准，相对于以往的标准，H. 264引入诸如空域内的帧内预测、1/4象素精度的运动估计、多参考帧与多种大小块的帧间预测等新技术。在压缩效率，以及网络适应性方面，H. 264都比以往的视频编码格式有明显提高，因此基于H. 264标准研究视频信息隐藏技术，具有很强的市场应用前景。根据存在形式的不同，视频隐藏技术可以分为针对未压缩视频的和压缩视频的两类。然而为了便于存储和传输，通常需要对未压缩视频进行编码，因此该类算法需要能抵抗视频压缩，并使得秘密信息嵌入前后的视频流长度尽可能保持不变。而压缩视频中的信息隐藏算法则不存在这一问题。现有的压缩视频中的信息隐藏算法，通常都是根据视频编码标准的特点来嵌入信息的，例如，修改I巾贞编码时产生的离散余弦变换(discrete cosine transform, DCT)系数或运动预测时产生的运动向量，但是这类方法在嵌入信息后还需进行差值补偿，不仅增加了计算复杂度，而且有可能对视频质量造成较大影响，而在变长编码(variable lengthcoding, VLC)时产生的可变长码中嵌入信息，则不需要这一过程。文献[I]针对H. 264帧内4X4块的预测模式，将9种预测模式分成两组，引入4种不同嵌入密度模板，通过修改当前4X4块的预测模式来映射标识信息，文献[2]是在文献[I]的基础上做出的改进，有选择性的选取巾贞内4X4块嵌入标识信息,每个巾贞内4X4块嵌入2 bitsfg息。这两种方法都是利用模板嵌入标识信息具有随机性，且无法适用不同图像，无法保证解码的视频质量。通过对H. 264进行深度解读和分析，帧内4X4块的预测模式调制方法更适用于视频加密算法。文献[3]通过调制所有宏块的帧间预测模式嵌入标识信息，每个宏块隐藏2bits标识信息，方法简单，但算法透明性难以保证，并且算法只利用了部分帧间预测模式，没有完全利用编码产生的帧间信息，限制了算法的信息隐藏容量。并且以上三种算法均没有考虑宏块自身存在适合隐藏信息特性的问题。
发明内容
本发明提供了视频编码标准H. 264中基于信息变长分组结构的大容量信息隐藏算法，有效缓解视频质量与信息隐藏量之间的矛盾。本发明所采用的技术方案如下—种基于信息变长分组结构的H. 264大容量信息隐藏方法,其特征在于包括以下内容信息变长分组H. 264帧间编码共规定了 7种尺寸的块模式(16X16、16X8、8X16、8X8、8X4、4X8,4X4),并采用基于树结构的运动补偿。每个16X 16宏块可以分割为I个16X 16块， 或2个16 X 8块，或2个8 X 16块，或4个8 X 8块，当宏块选定8X8的模式时，对于每个8X8块还可进一步分割为I个8X8块，或2个8X4块，或2个4X8块，或4个4X4块；待隐藏信息每个分割都可以转换为二进制01代码表示，而任何标识文件最终都可以转化为一连串的二进制码流，利用改进的Exp-Golomb码字结构思想，将二进制标识信息划分为7类长度为2或3bits的互不重复的信息组11、000、001、010、011、100、101，若干这七类信息组的排列组合可以形成任意排列的二进制信息；H. 264帧间预测的7种模式与所有待隐藏信息组之间的一一对应的映射规则，16X16对应信息组11、16 X 8对应信息组000、8 X 16对应信息组001、8 X 8对应信息组010、8X4对应信息组011、4 X 8对应信息组100、4 X 4对应信息组101，基于该映射规则，通过调制当前宏块的帧间预测模式实现视频信息隐藏；嵌入点排除规则H. 264在帧间宏块中还引入了跳转(SKIP)和直接预测的模式(DIRECT，模式为0)，主要适用于静止宏块，产生嵌入点排除规则(I)、帧间预测模式标记为16X16宏块，若为SKIP模式，不用来隐藏标识信息；嵌入点排除规则(2):H. 264边缘宏块(即第一行和第一列的所有宏块)的帧间预测过程做特别处理，不选择在这些位置隐藏标识信息。所述的基于信息变长分组结构的H. 264大容量信息隐藏方法，其特征在于具体包括以下内容信息变长分组H. 264采用基于块匹配的运动预测方式，H. 264帧间编码共规定了 7种尺寸的块模式16X16、16X8、8X16、8X8、8X4、4X8、4X4，并采用基于树结构的运动补偿，每个16X16宏块可以分割为I个16X16块，或2个16X8块，或2个8X16块，或4个8X8块，当编码宏块选定8X8块模式时，对于每个8X8宏块还可进一步分割为I个8X8块，或2个8 X 4 ±夹，或2个4X 8 ±夹，或4个4X 4块，H. 264帧间预测模式选择的具体方法为，编码器对编码宏块的每一种帧间预测模式进行运动估计，在运动估计过程中引入拉格朗日的率失真优化方法进行模式选择，通过取式(I)的最小值得到帧间预测的最优模式J(m, XmouJ = SAD(sx(m)) + Xmolion x R(m - p)(I)
其中m=(mx，my)为候选的运动矢量,p= (px, py)为预测的运动矢量，Xnwtim拉格朗日因子，R(m-p)表示对运动矢量差分编码需要的比特数，SAD(s，c(m))为视频源信号s和编码视频信号c之间的绝对误差之和；待隐藏信息每个分割都可以转换成二进制01代码表示，最终都可以转化为一连串的二进制码流，利用改进的Exp-Golomb码字结构思想，提出信息变长分组规则，将二进制标识信息划分为7种长度为2或3bits的互不重复的信息组，一部分预测模式对应2bits的信息组，另一部分预测模式对应3bits信息组，若干这七类信息组的排列组合可以形成任意排列的二进制信息，改进的Exp-Golomb的码字结构及信息变长分组规则如下式M = floor (log2 (Code + 7) (2)INFO = Code + 7 - 2M(3)
权利要求
1.一种基于信息变长分组结构的H. 264大容量信息隐藏方法,其特征在于包括以下内容 信息变长分组 H.264帧间编码共规定了 7种尺寸的块模式(16X16、16X8、8X16、8X8、8X4、4X8、4X4)，并采用基于树结构的运动补偿，每个16X 16宏块可以分割为I个16X 16块，或2个16X8块，或2个8X16块，或4个8X8块；当宏块选定8X8的模式时，对于每个8X8块还可进ー步分割为I个8X8块,或2个8X4块,或2个4X8块,或4个4X4块； 待隐藏信息每个分割都可以转换为ニ进制Ol代码表示，而任何标识文件最終都可以转化为一连串的ニ进制码流，利用改进的Exp-Golomb码字结构思想，将ニ进制标识信息划分为7类长度为2或3bits的互不重复的信息组11、000、001、010、011、100、101，若干这七类信息组的排列组合可以形成任意排列的ニ进制信息； H.264帧间预测的7种模式与所有待隐藏信息组之间的一一对应的映射规则，16X16对应信息组11、16X8对应信息组000、8X 16对应信息组001、8X8对应信息组010、8X4对应信息组011、4X8对应信息组100、4X4对应信息组101，基于该映射规则，通过调制当前宏块的帧间预测模式实现视频信息隐藏； 嵌入点排除规则 H.264在帧间宏块中还引入了跳转(SKIP)和直接预测的模式(DIRECT，模式为O)，主要适用于静止宏块，产生嵌入点排除规则(I)、帧间预测模式标记为16X16宏块，若为SKIP模式，不用来隐藏标识信息；嵌入点排除规则(2) H. 264边缘宏块(即第一行和第一列的所有宏块)的帧间预测过程做特别处理，不选择在这些位置隐藏标识信息。
2.根据权利要求I所述的基于信息变长分组结构的H.264大容量信息隐藏方法，其特征在于具体包括以下内容 信息变长分组 H.264采用基于块匹配的运动预测方式，H. 264帧间编码共规定了 7种尺寸的块模式16X16、16X8、8X16、8X8、8X4、4X8、4X4，并采用基于树结构的运动补偿，每个16X16宏块可以分割为I个16\16±夹，或2个16\8±夹，或2个8\16±夹，或4个8\8±夹，当编码宏块选定8X8块模式时，对于每个8X8宏块还可进ー步分割为I个8X8 ±夹，或2个8X4土夹，或2个4X8 ±夹，或4个4X4 ±夹， H.264帧间预测模式选择的具体方法为，编码器对编码宏块的每ー种帧间预测模式进行运动估计，在运动估计过程中引入拉格朗日的率失真优化方法进行模式选择，通过取式(O的最小值得到帧间预测的最优模式 J(m~K,O,,J = SAD(sx(m)) + Xmotion X R{m - p)(I) 其中m=(mx，my)为候选的运动矢量，p=(px，py)为预测的运动矢量，Xnrotim拉格朗日因子，R(m-p)表示对运动矢量差分编码需要的比特数，SAD(s，c(m))为视频源信号s和编码视频信号c之间的绝对误差之和； 待隐藏信息每个分割都可以转换成ニ进制01代码表示，最終都可以转化为ー连串的ニ进制码流，利用改进的Exp-Golomb码字结构思想，提出信息变长分组规则，将ニ进制标识信息划分为I种长度为2或3bits的互不重复的信息组，一部分预测模式对应2bits的信息组，另一部分预测模式对应3bits信息组，若干这七类信息组的排列组合可以形成任意排列的ニ进制信息，改进的Exp-Golomb的码字结构及信息变长分组规则如下式M = floor (log2 (Code + 7) (2)INFO = Code + 7 - 2M(3) Code表示对应7种帧间预测模式的十进制数值，M表示标识信息组的长度，INFO为信息组十进制数值；fl00r()表示向下取整函数；以此类推，对每个块尺寸赋予的ニ值化信息以及与信息组映射结果如表I所示 表I
全文摘要
本发明公开了一种基于信息变长分组结构的H.264大容量信息隐藏方法。具体是在H.264帧间预测环节，引入信息变长分组的概念，利用改进的Exp-Golomb码字结构思想，将标识信息划分为7类长度为2或3bits的互不重复的全信息组，并设计7种帧间预测模式与所有待隐藏信息组之间的映射规则。基于该映射规则，本发明调制当前宏块的帧间预测模式实现视频信息隐藏。宿主宏块位置由规定的“嵌入点排除规则”确定，每个宿主宏块对应2或3bits标识信息，满足视频信息隐藏算法的大容量需求。标识信息的提取过程无需原始视频，只须对码流中的帧间预测模式部分进行解码即可完成，符合视频实时处理要求。
文档编号H04N7/26GK102685500SQ20121014045
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者吴从中, 夏娜, 宣曼, 尤小泉, 张国富, 李小红, 汪萌, 洪日昌, 苏兆品, 蒋建国, 詹曙, 齐美彬 申请人:合肥工业大学