一种自适应块尺寸的视频隐写方法与流程

本发明属于信息安全领域，具体涉及一种自适应块尺寸的视频隐写方法。

背景技术：

视频隐写是指在大众主流视频文件的内部隐秘的嵌入秘密信息，从而达到视频文件版权保护、内容认证、以及隐秘通信的目的。由于压缩的视频码流更兼容于实际网络传输的应用场景，因而在视频文件被压缩为码流的过程中嵌入隐秘信息已成为众多视频隐写应用中的一种底层技术。

在已有的基于h.265/hevc视频压缩过程的视频隐写技术中，通过修改帧内、帧间编码参数中的分割标记来达到嵌入隐秘信息的技术目前更多的聚焦于预测单元、编码单元的自适应分割。此类方法主要通过利用每一个编码单元中的自适应编码分割标记序列来嵌入一个4到6位的秘密信息片段，通过对一个给定大小为32×32的cu(codingunit)，前4个16×16的子cu块的编码分割句法元素进行嵌入。该算法充分利用了在i、b、p帧中广泛存在的编码块分割来提高视频隐写嵌入容量，在一个64×64的ctu中，可以看到每一个32×32的编码单元有4个比特位用于嵌入，总共有16个比特位可用于隐秘信息的嵌入。但是，该算法未充分考虑编码单元作为hevc矩阵编码的最基本处理单元，其分割标记的改变会较大的影响整个视频编码的效率，不可避免的造成视频视觉质量的下降和目标码率的增加。因而其算法在视频隐写后，容易遭受隐写分析的察觉，在高安全性的隐秘通信中并不安全。

作为进一步的改进，有学者提出了一种利用预测单元的自适应分割进行视频隐写的方法，其基本思想是利用编码单元在视频预测过程中进一步划分为预测单元的机制，将预测单元已有的划分规则分为2大类，一类用于和隐秘信息的比特“0”相对应，另一类和隐秘信息比特串的“1”对应。该方法从更细粒度控制了整个视频编码的效率，对编码器所选择的最佳编码单元分割方式保持一致，而是在最佳编码单元分割基础之上，自适应的根据所划分的两个类别以及待嵌入的隐秘信息比特信息来实现嵌入，嵌入的方式为强制式的使用带嵌入隐秘信息比特值所对应的类型来划分预测单元。该算法从一定程度上加强了载体视频的视觉质量，其载体视频码率的增加幅度也相应降低。作为进一步的改进，还有学者提出了一种利用错误隐藏技术在变换域的中频系数中嵌入隐秘信息的方式实现视频隐写，该算法具有在同等视觉质量的前提下大幅度提高嵌入容量的优势，但其算法只适用于采用了h.264/avc标准编解码的视频文件，对于现今以及未来4k等所采用的h.265/hevc标准编解码的高分辨率视频而言，其方法并不具备适用性，因为h.265/hevc采用了新的编码结构和预测、变换机制。因而对于基于h.265/hevc标准的自适应块尺寸算法还需要进一步的研究。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自适应块尺寸的视频隐写方法，通过对待嵌入的秘密信息数据进行预处理得到秘密信息比特串，筛选得到候选嵌入块并从秘密信息比特串中取出两位作为当前待嵌入的秘密信息，依据预设的编码规则将当前待嵌入的秘密信息嵌入到当前候选嵌入块变换分割标记比特序列中，以实现秘密信息比特串的嵌入，该处理方式既保证了载体视频在秘密信息提取与非提取两种场景下的正常使用，也最大化的减少了因嵌入信息所引起的视频失真。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自适应块尺寸的视频隐写方法，该方法包括如下嵌入步骤：

s1.对待嵌入的秘密信息数据进行预处理得到秘密信息比特串，对原始视频进行压缩得到当前ctu内部的编码和变换分割方式，依据编码块尺寸筛选得到第一编码块；

s2.依据编码块的变换块分割特征从s1步骤得到的第一编码块中筛选得到候选嵌入块，并将候选嵌入块的分割标记用比特串形式表示；

s3.从秘密信息比特串序列中取出两位作为当前待嵌入的秘密信息，依据预设的嵌入规则将当前待嵌入的秘密信息嵌入到当前候选嵌入块变换分割标记比特序列中，具体为，依据如下步骤更新当前候选嵌入块分割标记比特序列：

将当前待嵌入的秘密信息表示为(m1,m2)，从当前候选嵌入块分割标记比特序列中取前三个比特位作为当前嵌入载体；

设置三个临时符号标记flag1＝false，flag2＝false，flag3＝false，并将当前嵌入载体的第三个分割标记比特位置为0；

判断当前嵌入载体的第一个比特位是否与待嵌入的第一个秘密信息m1相同，不同则flag1修改为真；判断当前嵌入载体的第二个比特位是否与待嵌入的第二个秘密信息m2相同，不同则flag2修改为真；

判断flag1和flag2是否同时为真，是则将flag3修改为真，依据flag3的值更新当前嵌入载体的第三个比特位值，即flag3的值为真则修改第三个分割标记比特位的值；否则，不修改第三个分割标记比特位的值，同时若flag1为真，修改第一个分割标记比特位，若flag2为真，修改第二个分割标记比特位；

s4.从当前候选嵌入块的剩余变换分割比特位中再提取三个比特位作为下一嵌入载体，若剩余比特位数不够时顺次从下一个候选嵌入块中取，依据上述步骤s3更新下一嵌入载体，直至秘密信息比特串序列的所有秘密信息嵌入完成。

作为本发明的进一步改进，对待嵌入的秘密信息数据进行预处理得到秘密信息比特串序列具体为：

将秘密信息数据二值化并加入起始标记符形成秘密信息比特串序列。

作为本发明的进一步改进，选取包括4个8×8变换块的第一编码块作为候选嵌入块。

作为本发明的进一步改进，该方法还包括如下提取步骤：

获取待解码的视频码流文件，利用四叉树递归的方式定位到提取候选块，获取提取候选块的分割标记；

依据当前提取候选块的变换分割标记序列依次提取前三个变换分割标记比特位作为当前提取载体，依据提取规则对当前提取载体进行秘密信息提取；

从当前提取载体中的剩余变换分割标记比特位中再取三个比特位作为下一提取载体，当剩余比特位数不够时顺次从下一个提取候选块中提取变换分割标记比特位，依据提取规则对下一提取载体中含有的秘密信息进行提取，直至秘密信息比特串序列的提取全部完成。

作为本发明的进一步改进，依据提取规则对当前提取载体进行秘密信息提取具体为：

判断当前提取载体的第一个比特位(p1)和第三个比特位(p3)之和为奇数时，待提取的第一个秘密信息m1为1，否则为0；

判断当前提取载体的第一个比特位(p1)和第三个比特位(p3)之和为奇数时，待提取的第二个秘密信息m2为1，否则为0。

作为本发明的进一步改进，对提取秘密信息后的载体视频帧进行常规的编码块级的反变换、反量化和预测重构视频帧，以得到解码后的视频文件。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种终端设备，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，存储单元存储有计算机程序，当程序被处理单元执行时，使得处理单元执行上述方法的步骤。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读介质，其存储有可由终端设备执行的计算机程序，当程序在终端设备上运行时，使得终端设备执行上述方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种自适应块尺寸的视频隐写方法，其通过创新性的利用hevc编码过程中新采用的编码块灵活四叉树分割技术，来实现视频隐写的过程，充分利用已有的视频序列广泛存在的i、p、b帧，在三种类型帧中实现在运动补偿过程中对于最佳变换分割标记的微型修改，以达到嵌入隐秘信息的过程；同时，视频编码变换块根据调整后的变换分割标记执行后续相对应的变换、量化、熵编码残差系数等过程，该处理方式既保证了载体视频在秘密信息提取与非提取两种场景下的正常使用，也最大化的减少了因嵌入信息所引起的视频失真。

本发明的一种自适应块尺寸的视频隐写方法，其在隐秘信息嵌入的过程中，融合已有的具有错误隐藏功能的采用只修改一位句法元素嵌入多位秘密信息的嵌入调制方法，根据最佳变换分割标记的二值化数字特征和待嵌入的隐秘信息的比特串特征，依据相邻的变换分割标记对的数值特征，自适应的嵌入信息。该方法具有在嵌入特定比特信息，分割标记减少较小，嵌入误差的优势，即引入嵌入信息的情况下，最大化的维持视频高视觉质量的前提下，提高视频隐写的嵌入容量。适用于任何基于h.265/hevc编码标准的视频应用，特别是针对于4k、8k等高清视频文件，具有嵌入容量大、视频视觉质量高、码率增幅低、应用范围广的优势。在保持编码单元和预测单元与最佳编码参数一致的前提下，小幅度的修改变换块的分割方式从而达到嵌入隐秘信息的目的，同时，为了进一步减少对载体视频的扰动，采用了具有错误隐藏机制的嵌入调制模式，相较于已有的相关技术，达到了在保证充足的嵌入容量的前提下，使得载体视频的编码效率更高。

附图说明

图1是本发明实施例的一种自适应块尺寸的视频隐写方法的嵌入步骤的示意图；

图2为本发明实施例的分割标记为0110的变换块的结构示例图；

图3为本发明实施例的分割标记为0100的变换块的结构示例图；

图4是本发明实施例的一种自适应块尺寸的视频隐写方法的提取步骤的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1是本发明实施例的一种自适应块尺寸的视频隐写方法的嵌入步骤的示意图。如图1所示，一种自适应块尺寸的视频隐写的方法，其包括如下编码步骤：

s1.对待嵌入的秘密信息数据进行预处理得到秘密信息比特串，对原始视频进行压缩得到当前ctu内部的编码和变换分割方式，依据编码块尺寸筛选得到第一编码块；

该预处理过程具体为,将秘密信息数据二值化并加入起始标记符形成秘密信息比特串，存储该比特串序列。为了准确定位到秘密信息的起始和终止位，需要加入在该比特串序列中加入起始标记符0x000000，同时，起始标记符还可以在重复嵌入秘密信息的场景中准确定位每一次比特串序列的起始和结束。

从当前压缩原始视频的以ctu(codingtreeunit)为根的编码块中筛选得到尺寸大小等于16×16的编码块或大于16×16的编码块作为第一编码块，用于候选的嵌入块。

s2.依据编码块的变换块分割特征从s1步骤得到的第一编码块中筛选得到候选嵌入块，并将候选嵌入块的分割标记用比特串形式表示；

在h.265/hevc视频压缩变换过程中，纹理复杂的图像区域采用更为精细的预测、变换、量化步骤，即保留了视频内容更多的细节特征，对于具有复杂纹理特征的视频区域，嵌入信息所导致的视频失真更不容易被人眼所察觉。

作为一个优选的方案，以纹理特征复杂的包括4个8×8变换块为处理对象，选取包括4个8×8变换块的第一编码块作为候选嵌入块，即嵌入信息的备选块，其16×16大小的变化块的变换分割标记为长度为5的比特串，该比特串形式表示为1x1x2x3x4(x1,x2,x3,x4为0或1)，x1,x2,x3,x4标记当前4个8×8子tu是否进一步分割为16个4×4的tu。在上述长度为5的比特串形式中，这四个变换块分割标记即作为后续步骤中的更新位置。

图2和3为本发明实施例的分割标记分别为0110和0100的变换块的示例图。如图2所示，当前编码块的大小为16×16，其比特串形式表示为10110，在该种情形下，末4位分割标记0110即为待嵌入隐秘信息的候选位置。如图3所示，当前编码块的大小为32×32，其右上位置虚线标注的子tu大小为16×16，子变换块末四位分割标记为0100即为待嵌入隐秘信息的候选位置。

s3.从秘密信息比特串序列中取出两位作为当前待嵌入的秘密信息，依据预设的嵌入规则将当前待嵌入的秘密信息嵌入到当前候选嵌入块变换分割标记比特序列中，具体为，依据如下步骤更新当前候选嵌入块分割标记比特序列：

将当前待嵌入的秘密信息表示为(m1,m2)，当前候选嵌入块分割标记比特序列的末四位为p1p2p3p4，从当前候选嵌入块分割标记比特序列提取三个比特位(p1p2p3)作为当前嵌入载体；

设置三个临时符号标记flag1＝false，flag2＝false，flag3＝false，并将当前编码对象的第三个比特位(p3)置为0；其中，flag1用于表征当前嵌入载体的第一个比特位(p1)是否与待嵌入的第一秘密信息m1相同，flag2用于表征当前嵌入载体的第二个比特位(p1)是否与待嵌入的第二秘密信息m2相同，flag3用于表征当前嵌入载体的第一个比特位(p1)和第二个比特位(p2)记与待嵌入的秘密信息是否都相同；

判断当前嵌入载体的第一个比特位(p1)是否与待嵌入的第一秘密信息m1相同，不同则flag1修改为真；

判断当前嵌入载体的第二个比特位(p2)是否与待嵌入的第二秘密信息m2相同，不同则flag2修改为真；

判断flag1和flag2是否同时为真，是将flag3修改为真，依据flag3的值更新当前编码对象的第三个比特位(p3)值，即flag3的值为真则修改第三个比特位(p3)的值，flag3的值为假则不修改第三个比特位(p3)的值；

否则，依据flag1的值更新第一个比特位(p1)，依据flag2的值更新第二个比特位(p2)值，即flag1的值为真则修改第一个比特位(p1)的值，flag1的值为假则不修改第一个比特位(p1)的值，flag2的值为真则修改第二个比特位(p2)的值，flag2的值为假则不修改第二个比特位(p2)的值；

上述步骤可利用如下程序来实现，

s4.从当前候选嵌入块的剩余变换分割比特位中再提取三个比特位作为下一嵌入载体，若剩余比特位数不够时顺次从下一个候选嵌入块中取，依据上述步骤s3更新下一嵌入载体，直至秘密信息比特串序列的所有秘密信息嵌入完成。

利用hevc编码过程中新采用的编码块灵活四叉树分割技术，来实现视频隐写的过程，充分利用已有的视频序列广泛存在的i、p、b帧，在三种类型帧中实现在帧内、帧间压缩过程中对于最佳变换分割标记的微型修改，以达到嵌入隐秘信息的目的；同时，视频编码变换块根据调整后的变换分割标记执行后续相对应的变换、量化、熵编码残差系数等过程，该处理方式既保证了载体视频在秘密信息提取与非提取两种场景下的正常使用，也最大化的减少了因嵌入信息所引起的视频失真。

图4是本发明实施例的一种自适应块尺寸的视频隐写方法的提取步骤的示意图。如图4所示，一种自适应块尺寸的视频隐写的方法，该方法还包括如下提取步骤：

获取待解码的视频码流文件，利用四叉树递归的方式定位到提取候选块，获取提取候选块的分割标记；

依据当前提取候选块的变换分割标记序列依次提取前三个变换分割标记比特位作为当前提取载体，依据提取规则对当前提取载体进行秘密信息提取；

作为一个优选的方案，依据提取规则对当前提取载体进行秘密信息提取具体为：

判断当前提取载体的第一个比特位(p1)和第三个比特位(p3)之和为奇数时，待解码的第一秘密信息m1为1，否则为0；

判断当前提取载体的第一个比特位(p1)和第三个比特位(p3)之和为奇数时，待解码的第二秘密信息m2为1，否则为0。

作为一个示例，可利用如下程序来实现：

从当前提取载体中的剩余变换分割标记比特位中再取三个比特位作为下一提取载体，当剩余比特位数不够时顺次从下一个提取候选块中提取变换分割标记比特位，依据提取规则对下一提取载体中含有的秘密信息进行提取，直至秘密信息比特串序列的提取全部完成。

作为一个优选的方案，对提取秘密信息后的载体视频帧进行常规的编码块级的反变换、反量化和预测重构视频帧，以得到解码后的视频文件。

一种终端设备，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，存储单元存储有计算机程序，当程序被处理单元执行时，使得处理单元执行上述方法的步骤。

一种计算机可读介质，其存储有可由终端设备执行的计算机程序，当程序在终端设备上运行时，使得终端设备执行上述方法的步骤。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。