基于宏块划分方式扰动的视频隐写方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于宏块划分方式扰动的视频隐写方法，包括秘密信息的嵌入过程和秘密信息的提取过程。在秘密信息的嵌入过程中建立了两个隐蔽信道，分别采用不同的隐写码进行秘密信息的嵌入，在秘密信息的提取过程中依次从这两个隐蔽信道提取秘密信息。优选采用隐写码Syndrome?Trellis?Code以及Wet?Paper?Code建立两个隐蔽信道，进行秘密信息的嵌入和提取。本发明综合应用多种隐写码进行视频隐写，拥有较高嵌入效率，能够有效抵抗现有视频隐写分析方法的攻击，特别适合进行高安全性的隐蔽通信；可以针对不同的应用场景定制不同的宏块划分方式扰动代价，拥有较高的灵活性。
【专利说明】基于宏块划分方式扰动的视频隐写方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信息安全领域，涉及H.264/AVC视频编码标准下一种基于宏块划分方式扰动的视频隐写方法以及该方法在隐蔽通信中的应用。
【背景技术】
[0002]信息安全领域中的信息隐藏技术由隐写和隐写分析两部分组成，前者主要研究如何将秘密信息嵌入图像、音频、视频等载体以达到隐蔽通信的目的，而后者则采用机器学习、模式识别等方法以区分普通载体和经过隐写的文件。
[0003]一般地，在设计隐写算法时，需要综合考虑以下几个方面因素:
[0004]I)不可感知性:要求隐写前后的载体对于人体感官而言是不可区分的，即无法仅凭借人类的听觉和视觉来判断载体是否经过隐写；
[0005]2)鲁棒性:要求隐写文件即使受到一定的扰动，例如有损压缩或传输过程中的噪声干扰等，也应该能恢复其中的秘密信息；
[0006]3)嵌入容量:要求在保证不可感知性和一定程度鲁棒性的前提下，应该尽可能多地向载体中嵌入秘密信息；
[0007]4)嵌入效率:要求在嵌入信息量一定的前提下，应该尽可能降低对载体的修改程度；
[0008]5)安全性:要求即使拥有对该隐写算法的先验知识，现有的隐写分析方法也无法以足够高的正确率区分普通载体和经过该算法隐写的文件。
[0009]经过专家学者们的多年研究，图像隐写得到了长足的进步和发展，出现了诸如F5、HUGO等许多经典隐写算法。然而，伴随着互联网技术的日新月异以及视频编码标准的推陈出新，视频已经成为当前流行程度最高并且无可替代的传播媒介，其相对于图像的优势在于，应用场景更加丰富，传递的信息量更大。因此，视频正逐步取代图像，成为隐写中更加适合的载体。
[0010]相比图像隐写，视频隐写尚且处于比较初级的阶段，它一般可以分为以下两大类:
[0011]I)空域视频隐写:即直接修改视频帧的原始像素值以嵌入秘密信息；
[0012]2)压缩域视频隐写:即在视频的编码过程中融入隐写算法机制，将压缩编码和隐写嵌入同时进行。
[0013]莫斯科大学开发的著名视频隐写软件MSU Stego Video采用的是空域视频隐写算法。由于视频原始帧需要经过有损压缩并且在传输过程中存在噪声干扰，因此，空域视频隐写算法常常采用差错控制编码技术以及重复嵌入的手段，以保证接收端能够正确恢复出其中的秘密信息。
[0014]压缩域视频隐写算法按照秘密信息嵌入域的不同，可以分为以下几类:
[0015]I)基于运动向量的视频隐写算法:其基本思想是轻微修改视频编码过程中运动估计环节所产生的运动向量以嵌入秘密信息。例如:有学者提出首先选取长度大于预设阈值的运动向量，再根据该运动向量的角度范围选择其水平分量或者垂直分量进行修改。
[0016]2)基于帧内预测模式的视频隐写算法:该类算法一般基于H.264/AVC视频编码标准，即通过修改I帧中宏块的帧内预测模式以嵌入秘密信息。例如:有学者提出首先设定某种映射规则将“4x4帧内预测”中的9种预测模式映射到二进制数O或1，在此映射规则下，再根据秘密信息并结合矩阵编码，对I帧中宏块的帧内预测模式进行修改。
[0017]3)基于变换系数的视频隐写算法:该类算法直接修改视频编码过程中量化后的变换系数以嵌入信息。例如:在H.264/AVC视频编码标准下，有学者提出，首先在I帧中确定某个按照“4x4帧内预测”编码的块，再根据其临块的预测模式，选择该块中的一对DCT量化系数进行修改以避免出现差错传递的现象。
[0018]4)基于熵编码的视频隐写算法:其基本思想是修改视频编码过程中的熵编码结果以嵌入秘密信息；
[0019]5)基于宏块划分方式的视频隐写算法:该类算法一般基于H.264/AVC视频编码标准，即通过修改宏块的划分方式以嵌入秘密信息。例如:有学者提出，首先对宏块所有可能的划分方式进行编码，然后根据秘密信息比特流所代表的码字对宏块划分方式进行相应的修改。
[0020]空域视频隐写算法的优点是鲁棒性比较强，即使受到一定程度的干扰也能恢复其中的秘密信息；缺点是算法种类比较少，并且由于秘密信息一般需要重复嵌入，因此嵌入容量有限。
[0021]压缩域视频隐写算法的优点是嵌入域选择性多，算法种类丰富，缺点如下:
[0022]I)鲁棒性一般不如空域视频隐写算法；
[0023]2)嵌入域中可供修改的部分较为有限导致嵌入容量往往不如空域视频隐写算法;
[0024]3)隐写前后载体受到的扰动大，嵌入效率低；
[0025]4)安全性低，基本上都有针对性的隐写分析方法。
【发明内容】
[0026]本发明的目的在于，提供一种H.264/AVC视频编码标准下基于宏块划分方式扰动，综合应用多种隐写码，拥有较高嵌入效率，能够有效抵抗现有视频隐写分析方法攻击的压缩域视频隐写算法。
[0027]本发明相比其他压缩域视频隐写算法，提出了一种宏块划分方式扰动代价的计算模型，在此基础上通过构建双层隐蔽信道并结合隐写码以嵌入信息。可见，本发明提出的隐写嵌入框架及思想有别于以往任何视频隐写算法，特别适合进行高安全性的隐蔽通信。
[0028]根据调研，在目前所有的视频隐写算法中，都是通过单一隐蔽信道嵌入秘密信息，本发明在嵌入过程中，建立了两个隐蔽信道，分别采用不同的隐写码(即下文所述的隐写码I和隐写码2)进行秘密信息的嵌入，在提取过程中，依次从这两个隐蔽信道提取秘密信肩、O
[0029]具体来说，本发明采用的技术方案如下:
[0030]一种基于宏块划分方式扰动的视频隐写方法，其中秘密信息的嵌入过程包括以下步骤:[0031]I)预处理:在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，先执行按位异或操作，得到二进制数O或1，并将所有异或结果写成向量X1，再利用[7，
4]汉明码将前7位映射到3个二进制数，并将所有映射结果写成向量X11 ；
[0032]2)构建第一层隐蔽信道:将步骤I)中所得向量X1作为第一层隐蔽信道的载体，根据隐写码I的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H1，并构造出满足H1X1 ’ = m的Xl’，其中m表示该隐蔽信道中待嵌入的秘密信息，X；表示经过修改的载体向量；
[0033]3)构建第二层隐蔽信道:将步骤I)中所得向量X11作为第二层隐蔽信道的载体，此时，根据第一层隐蔽信道的嵌入结果，若某个按照8X8方式划分的宏块不需要修改其子宏块的划分方式，则该宏块在X11中对应的3个二进制数为湿点(嵌入代价为无穷大，不能修改)，否则为干点(可以修改)，在此基础上，根据隐写码2的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵Ηπ，并构造出满足HIlXlI’ = m的Χπ’，其中m表示该隐蔽信道中待嵌入的秘密信息，X11'表示经过修改的载体向量；
[0034]4)根据步骤2)可以确定当前视频帧中有哪些按照8X8方式划分的宏块需要改变其子宏块的划分方式，进一步根据步骤3)可以确定具体的修改方式；
[0035]5)根据以上所得结果编码当前视频帧以完成对两层隐蔽信道的秘密信息嵌入；
[0036]6)按照视频文件的帧编码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至5)直到秘密信息全部嵌入完毕，得到最终的隐写视频文件。
[0037]进一步地，上述方法还包括秘密信息的提取过程，包括以下步骤:
[0038]I)解码当前视频帧，对每个按照8 X 8方式划分的宏块的8位二进制数表达执行按位异或操作，得到二进制数O或1，并将所有异或结果写成向量X1 ;
[0039]2)提取第一层隐蔽信道中的秘密信息:根据隐写码I的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H1，计算H1X1，所得结果即为提取的秘密信息比特；
[0040]3)提取第二层隐蔽信道中的秘密信息:对当前视频帧中每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，取前7位采用[7，4]汉明码进行映射，并将所有映射结果写成向量x?，根据隐写码2的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵Ηπ，计算ΗπΧπ，所得结果即为提取的秘密信息比特；
[0041]4)按照视频文件的帧解码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至3)直到秘密信息全部提取完毕。
[0042]在上述方案基础上，本发明进一步做了改进，即对采用的隐写码I和隐写码2进行了优选。在嵌入过程(图1)中建立的两个隐蔽信道，分别采用隐写码Syndrome TrellisCode (STC)以及Wet Paper Code (WPC)进行秘密信息的嵌入，在提取过程(图2)中，依次从这两个隐蔽信道提取秘密信息。关于STC和WPC的简述如下:
[0043]用X表示原始载体向量，用X’表示隐写嵌入后的载体向量，用H表示奇偶校验矩阵，用m表不秘密信息向量,则:
[0044][I] STC能够构造出满足Hx’ = m的X’，并且使得隐写嵌入代价最小；
[0045][2]如果给定X中某些元素为湿点(不能修改)，其余元素为干点(可以修改)，WPC能够以较高概率构造出满足Hx’ = m的X’。
[0046]本发明根据H.264/AVC视频编码标准中的宏块划分方式(图3)，选择按照8X8方式划分的宏块作为嵌入域，并对子宏块的4种划分方式进行编码(图4)，因此，一个按照8X8方式划分的宏块可以用8位二进制数表示。
[0047]H.264/AVC视频编码标准中宏块最优划分方式的选择原理简述如下:
[0048][I]设定宏块的划分方式集合F = {Pl, p2,…，pj ；
[0049][2]对于F中的任意划分方式Pi，按照公式Jpi = D+λ R计算相应的“码率失真度最优化(RDO) ”数值,其中，D表不宏块失真度，R表不编码宏块所需码率，λ表不权衡D和R的调节参数，λ越大则越倾向于低码率高失真度，反之则越倾向于高码率低失真度；
[0050][3]选择数值最小的/&对应的划分方式作为宏块的最优划分方式。
[0051]根据以上原理，本发明按照公式r = JP1- Jpk计算宏块划分方式的扰动代价，其
中Pci表不该宏块的最优划分方式，Pi表不修改后的宏块划分方式。
[0052]本发明提出的采用隐写码STC和WPC的基于宏块划分方式扰动的视频隐写方法，其中秘密信息的嵌入过程包括以下步骤(如无特殊说明，以下步骤均由计算机执行):
[0053]I)在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达执行按位异或操作，得到二进制数O或I，并将所有异或结果写成载体向量X ;
[0054]2)在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块，分别计算其8位二进制数表达中第i位被置反后对应的宏块划分方式扰动代价Y i，并选择最终计算所得的8个扰动代价中的最大值作为此宏块的隐写嵌入代价；
[0055]3)构建第一层隐蔽信道:根据隐写码Syndrome Trellis Code (STC)的工作原理，先按照预先指定的负载率α以及参数矩阵H，构建奇偶校验矩阵Hsrc,再构造出满足HstcX' =m并且使得隐写嵌入代价D(x，x’)达到最小的X’，其中，m表示第一层信道中待嵌入的秘密信息，X’表示通过第一层信道隐写嵌入后被修改的载体向量；X和X’对应位置上的二进制数若不相同，则表示相应的按照8X8方式划分的宏块需要修改其子宏块的划分方式，若相同则表示不需要修改；
[0056]4)构建第二层隐蔽信道:在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，取前7位组成向量ν并计算HtcV = ω，其中Hh。为[7，4]汉明码的奇偶校验矩阵，ω为计算结果，其长度为3;根据第一层隐蔽信道的嵌入结果，若某个按照8X8方式划分的宏块需要修改其子宏块的划分方式，则将其对应的ω中的3个二进制数记作干点，否则记作湿点，将该帧中所有按照8X8方式划分的宏块所对应的ω组成隐写码Wet Paper Code (WPC)所需的载体向量X，同时用预先指定的种子K生成WPC所需的奇偶校验矩阵Hwrc，最后得到满足HwrcX’ =111的1’，其中x’表示通过第二层信道隐写嵌入后被修改的载体向量，m表不第二层信道中待嵌入的秘密信息；
[0057]5)根据第一层隐蔽信道中相应载体向量的修改结果，确定当前视频帧中有哪些按照8X8方式划分的宏块需要修改其子宏块的划分方式，将它们记作集合Ψ，进一步根据第二层隐蔽信道中相应载体向量的修改结果，确定Ψ中的每个宏块应该如何去修改其子宏块的划分方式；
[0058]6)根据以上所得结果编码当前视频帧以完成对两层隐蔽信道的秘密信息嵌入；
[0059] 7)按照视频文件的帧编码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至6)直到秘密信息全部嵌入完毕，得到最终的隐写视频文件。[0060]进一步地，采用隐写码STC和WPC的秘密信息的提取过程包括以下步骤(如无特殊说明，以下步骤均由计算机执行):
[0061]I)解码当前视频帧，对每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达执行按位异或操作，得到二进制数O或I，并将所有异或结果写成向量X ;
[0062]2)提取第一层隐蔽信道中的秘密信息:根据隐写码Syndrome Trellis Code (STC)的工作原理，按照预先指定的负载率α以及参数矩阵H，构建奇偶校验矩阵Hsrc，计算HSTex，所得结果即为提取的秘密信息比特；
[0063]3)提取第二层隐蔽信道中的秘密信息:在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，取前7位组成向量ν并计算HreV = ω，其中Hh。为[7，
4]汉明码的奇偶校验矩阵，ω为计算结果，其长度为3 ;将该帧中所有按照8X8方式划分的宏块所对应的ω组成WPC所需的向量X，同时用预先指定的种子K生成WPC所需的奇偶校验矩阵Hwrc，计算Hwrcx,所得结果即为提取的秘密信息比特；
[0064]4)按照视频文件的帧解码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至3)直到秘密信息全部提取完毕。
[0065]本发明的视频隐写方法对相关【技术领域】的有益效果如下:
[0066]I)嵌入容量大。目前所有的视频隐写算法都只能建立一个隐蔽信道以嵌入秘密信息，本发明充分利用所选嵌入域的特性，建立了两层隐蔽信道分别进行秘密信息嵌入，因此拥有较大的嵌入容量。本发明还可以根据不同的应用场景，改变第一层隐蔽信道的秘密信息负载率甚至弃用第二层隐蔽信道从而调节整体嵌入容量，因此拥有较高的灵活性。
[0067]2)嵌入效率高。在图像隐写和视频隐写中，可以结合隐写码，使得在嵌入秘密信息的同时能够最小化对载体的修改代价或修改次数，从而提高嵌入效率。然而，目前绝大部分视频隐写算法都未采用隐写码，极少数算法由于隐蔽信道数量上的限制只采用了一种隐写码，这些因素都导致了算法嵌入效率低下。本发明在建立的两层隐蔽信道中分别采用隐写码Syndrome Trellis Code和Wet Paper Code,通过修改嵌入域中的少量嵌入单元就能够达到同时修改两层隐蔽信道中的载体向量以嵌入秘密信息的目的，因此极大提高了嵌入效率。
[0068]3)安全性高。目前视频隐写算法几乎都有针对性的隐写分析方法，在实际应用中安全性较低。本发明由于采用了隐写码，对嵌入域的修改程度很小，因此隐写产生的视频和正常编码的视频在诸如视频质量、比特率以及其他统计特性上几乎没有差异，不仅如此，本发明由于采用了全新的嵌入域和嵌入思想，因此能够回避以往视频隐写算法在隐写分析中所暴露的弱点。综合以上因素并通过实验证明，本发明可以有效抵抗现有隐写分析方法的攻击。
[0069]4)可定制的宏块划分方式扰动代价。本发明是通过修改宏块的划分方式以进行秘密信息的隐写嵌入，因此需要对宏块划分方式的扰动代价进行有效评价。不同的评价机制可能导致不同的隐写嵌入效果并对算法的安全性产生影响。本发明通过计算当前宏块的划分方式和它的最佳划分方式在Rate Distortion Optimization(RDO)数值上的差异以评价此宏块的划分方式扰动代价，在隐写嵌入时优先修改那些对整体编码性能影响较小的宏块的划分方式。可见，本发明是在保证视频编码性能不产生明显扰动的前提下进行隐写嵌入的。除此之外，针对不同的应用场景，本发明可以定制不同的宏块划分方式扰动代价，因此拥有较高的灵活性。
【专利附图】
【附图说明】
[0070]图1是本发明的秘密信息嵌入示意图；
[0071]图2是本发明的秘密信息提取示意图；
[0072]图3是H.264/AVC视频编码标准中宏块划分方式示意图；
[0073]图4是子宏块划分方式编码示意图；
[0074]图5是本发明的秘密信息嵌入流程图；
[0075]图6是本发明的秘密信息提取流程图；
[0076]图7是一个按照8X8方式划分的宏块及其8位二进制数表达式，以及分别将式中的每个二进制数置反后对应宏块的划分方式示意图；
[0077]图8是采用“基于运动向量回复特性的视频隐写分析方法”对本发明进行攻击的ROC曲线。
【具体实施方式】
[0078]下面结合附图5-7 对本发明作进一步描述。
[0079]在采用本发明进行秘密信息隐写嵌入前，可以先对需要嵌入的数据进行加密，得到随机的二进制数据流。本发明提出的基于宏块划分方式扰动的视频隐写方法的秘密信息嵌入流程如图5所示，具体操作细节如下:
[0080]I)获取需要进行隐写嵌入的视频帧，对于该帧中每个按照8X8方式划分的宏块，首先求出其8位二进制数表达(图7)，再对该表达式执行按位异或操作，得到O或1，最后依次将所有按照此方式得到的O或I组成向量X ;
[0081]2)对于该帧中每个按照8X8方式划分的宏块，分别计算其8位二进制数表达中第i位被置反后对应的宏块划分方式(图7)扰动代价Y i，并选择最终计算所得的8个扰动代价中的最大值作为此宏块的隐写嵌入代价，最后将所有按照此方式得到的隐写嵌入代价组成向量1' ；
[0082]3)应用隐写码Syndrome Trellis Code (STC)建立第一层隐蔽信道并向其中嵌入
秘密信息。首先根据通信双方事先约定好的负载率α以及参数矩阵S，建立STC所需的奇
偶校验矩阵Hsrc，再将步骤I)所得向量X作为STC所需的载体，并结合步骤2)所得向量1'，应用STC构造出满足HSTex’ = m并且使得总体隐写嵌入代价D (X，X’)最小的X’，其中m表示通过第一层隐蔽信道嵌入的秘密信息，X’表示经过隐写嵌入后的载体向量，X和X’若对应位置上的二进制数不同，则说明相应按照8X8方式划分的宏块需要修改其子宏块的划分方式，反之则不需要修改，D (X，X’)表示所有需要修改划分方式的宏块对应的隐写嵌入代价之和；
[0083]4)应用隐写码Wet Paper Code (WPC)建立第二层隐蔽信道并向其中嵌入秘密信息。对于当前帧中每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，取前7位组成向量V并计算HlffiV = ω，其中HtcS [7，4]汉明码的奇偶校验矩阵，ω为计算结果，长度为3，根据步骤3)，若该宏块需要修改其划分方式则将ω中的3个二进制数都记作干点(可以修改)，否则都记作湿点(修改代价为无穷大，即不可以修改)。将所有按照此方式得到的ω组成WPC所需的载体向量χ，并根据通信双方事先约定好的种子K产生WPC所需的奇偶校验矩阵Hwrc，最后应用WPC构造出满足Hwrcx' = m的χ’，其中m表示通过第二层隐蔽信道嵌入的秘密信息，X’表示经过隐写嵌入后的载体向量；
[0084]5)根据步骤3)的结果，对于当前帧中每个按照8X8方式划分的宏块，若其子宏块的划分方式需要修改，则进一步根据步骤(4)的结果，对比该宏块对应的ω以及经过WPC隐写嵌入后所得的ω’，从而确定其8位二进制数表达中需要置反的某个数字的位置，并最终确定该宏块的修改形式；
[0085]6)根据步骤5)中的结果编码该帧，即完成对两个隐蔽信道的秘密信息嵌入；
[0086]7)按照视频文件的帧编码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至6)直到秘密信息全部嵌入完毕，得到最终的隐写视频文件。
[0087]本发明提出的基于宏块划分方式扰动的视频隐写算法的秘密信息提取流程如图6所示，具体操作细节如下:
[0088]I)获取需要提取秘密信息的视频帧，对于该帧中所有按照8X8方式划分的宏块，首先求出其8位二进制数表达(图7)，再对该表达式执行按位异或操作，得到O或1，最后依次将所有按照此方式得到的O或I组成向量χ ;
[0089]2)提取第一层隐蔽信道中的秘密信息。首先根据通信双方事先约定好的负载率α以及参数矩阵H，建立Syndrome Trellis Code (STC)所需的奇偶校验矩阵Hstc，再使用
步骤I)所得向量χ计算HsrcX，计算结果即为提取的秘密信息比特；
[0090]3)提取第二层隐蔽信道中的秘密信息。对于该巾贞中每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，取前7位组成向量ν并计算HreV = ω，其中Hh。为[7，4]汉明码的奇偶校验矩阵，ω为计算结果，将所有按照此方式得到的ω组成WPC所需的载体向量X，并根据通信双方事先约定好的种子K产生WPC所需的奇偶校验矩阵Hwrc，最后，计算HwrcX,所得结果即为提取的秘密信息比特；
[0091]4)按照视频文件的帧解码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至3)直到秘密信息全部提取完毕。
[0092]从以上【具体实施方式】可以看出，在本发明的嵌入流程中，根据应用场景的需要，既可以调节第一层隐蔽信道的负载率α以影响整体的嵌入容量，还可以定制不同的宏块划分方式扰动代价计算模型以影响安全性和视频质量等，因此本发明具有较强的适应性和灵活性。
[0093]如表I所示，选取14个格式为CIF (352 X 288)的标准视频测试序列进行各项性能指标测评，其中，“嵌入算法” 一栏中的“STD”表示H.264/AVC视频编码标准，“Yang’ s”表示学者Yang所提出的一种基于宏块划分方式的视频隐写算法。由于STD并不进行秘密信息的隐写嵌入，因此其所对应的“秘密消息长度(kb) ”和“嵌入效率”这两栏均填“Ν/A”。从表中数据可以看出，经过本发明隐写嵌入后的视频文件，具有优异的视觉保真度，并且只会出现非常微小的比特率波动。不仅如此，本发明在嵌入效率上远远优于Yang所提出的基于宏块划分方式的视频隐写算法。
[0094]考虑到尚未出现针对本发明的视频隐写分析方法，作为折中，选择“基于运动向量回复特性(MVRB)的视频隐写分析方法”，对本发明进行攻击，该方法在攻击基于运动向量的视频隐写算法时效果显著。从图8中可以看出，相应的ROC曲线非常贴近对角线，说明该视频隐写分析方法无法区分经过本发明隐写后的视频文件和普通载体文件。因此，在针对性的视频隐写分析方法出现前，本发明具有非常高的安全性。
[0095]表1.各项性能指标测评结果
[0096]
【权利要求】
1.一种基于宏块划分方式扰动的视频隐写方法，包括秘密信息的嵌入过程，其特征在于，所述秘密信息的嵌入过程包括以下步骤: 1)在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，先执行按位异或操作，得到二进制数O或1，并将所有异或结果写成向量X1，再利用[7，4]汉明码将前7位映射到3个二进制数，并将所有映射结果写成向量X11 ； 2)将步骤I)中所得向量X1作为第一层隐蔽信道的载体，根据隐写码I的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H1，并构造出满足H1X1 ’ = m的Xl’，其中m表不该隐蔽信道中待嵌入的秘密信息，X1'表不经过修改的载体向量； 3)将步骤I)中所得向量X11作为第二层隐蔽信道的载体，此时，根据第一层隐蔽信道的嵌入结果，若某个按照8X8方式划分的宏块不需要修改其子宏块的划分方式，则该宏块在x?中对应的3个二进制数为湿点，否则为干点；在此基础上，根据隐写码2的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵Ηπ，并构造出满足HIlXlI’ = m的χπ’，其中m表不该隐蔽信道中待嵌入的秘密信息，X11'表不经过修改的载体向量； 4)根据步骤2)确定当前视频帧中有哪些按照8X8方式划分的宏块需要改变其子宏块的划分方式，进一步根据步骤3)确定具体的修改方式； 5)根据以上所得结果编码当前视频帧以完成对两层隐蔽信道的秘密信息嵌入； 6)按照视频文件的帧编码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至5)直到秘密信息全部嵌入完毕，得到最终的隐写视频文件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括秘密信息的提取过程，所述秘密信息的提取过程包括以下步骤: 1)解码当前视频帧，对每个按照8X 8方式划分的宏块的8位二进制数表达执行按位异或操作，得到二进制数O或1，并将所有异或结果写成向量X1 ； 2)提取第一层隐蔽信道中的秘密信息:根据隐写码I的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵H1，计算H1X1，所得结果即为提取的秘密信息比特； 3)提取第二层隐蔽信道中的秘密信息:对当前视频帧中每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，取前7位采用[7，4]汉明码进行映射，并将所有映射结果写成向量xn，根据隐写码2的工作原理，按照通信双方事先约定好的参数生成奇偶校验矩阵Ηπ，计算ΗπΧπ，所得结果即为提取的秘密信息比特； 4)按照视频文件的帧解码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至3)直到秘密信息全部提取完毕。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述隐写码I为STC，所述隐写码2为WPC。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述秘密信息的嵌入过程包括以下步骤: 1)在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达执行按位异或操作，得到二进制数O或I，并将所有异或结果写成载体向量X ； 2)在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块，分别计算其8位二进制数表达中第i位被置反后对应的宏块划分方式扰动代价Y i，并选择最终计算所得的8个扰动代价中的最大值作为此宏块的隐写嵌入代价；3)根据隐写码STC的工作原理，先按照预先指定的负载率α以及参数矩阵H，构建奇偶校验矩阵Hsrc,再构造出满足U =m并且使得隐写嵌入代价D(x，x’)达到最小的X’，其中，m表不第一层信道中待嵌入的秘密信息，X’表不通过第一层信道隐写嵌入后被修改的载体向量^和^对应位置上的二进制数若不相同，则表示相应的按照8X8方式划分的宏块需要修改其子宏块的划分方式，若相同则表不不需要修改； 4)在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，取前7位组成向量ν并计算HreV = ω，其中Hre为[7，4]汉明码的奇偶校验矩阵，ω为计算结果，其长度为3 ;根据第一层隐蔽信道的嵌入结果，若某个按照8 X 8方式划分的宏块需要修改其子宏块的划分方式，则将其对应的ω中的3个二进制数记作干点，否则记作湿点，将该帧中所有按照8X8方式划分的宏块所对应的ω组成隐写码WPC所需的载体向量X，同时用预先指定的种子K生成WPC所需的奇偶校验矩阵Hwrc,最后得到满足HwrcY = m的X’，其中X’表示通过第二层信道隐写嵌入后被修改的载体向量，m表示第二层信道中待嵌入的秘密信息； 5)根据第一层隐蔽信道中相应载体向量的修改结果，确定当前视频帧中有哪些按照8X8方式划分的宏块需要修改其子宏块的划分方式，将它们记作集合Ψ，进一步根据第二层隐蔽信道中相应载体向量的修改结果，确定Ψ中的每个宏块应该如何去修改其子宏块的划分方式； 6)根据以上所得结果编码当前视频帧以完成对两层隐蔽信道的秘密信息嵌入； 7)按照视频文件的 帧编码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至6)直到秘密信息全部嵌入完毕，得到最终的隐写视频文件。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述秘密信息的提取过程包括以下步骤: 1)解码当前视频帧，对每个按照8X 8方式划分的宏块的8位二进制数表达执行按位异或操作，得到二进制数O或I，并将所有异或结果写成向量X ； 2)提取第一层隐蔽信道中的秘密信息:根据隐写码STC的工作原理，按照预先指定的负载率α以及参数矩阵H构建奇偶校验矩阵Hsrc，计算Hsrcx，所得结果即为提取的秘密信息比特； 3)提取第二层隐蔽信道中的秘密信息:在当前视频帧中，对每个按照8X8方式划分的宏块的8位二进制数表达，取前7位组成向量ν并计算HreV = ω，其中Hh。为[7，4]汉明码的奇偶校验矩阵，ω为计算结果，其长度为3 ;将该帧中所有按照8X8方式划分的宏块所对应的ω组成WPC所需的向量X，同时用预先指定的种子K生成WPC所需的奇偶校验矩阵Hwrc，计算Hwrcx,所得结果即为提取的秘密信息比特； 4)按照视频文件的帧解码顺序，对余下每帧重复执行步骤I)至3)直到秘密信息全部提取完毕。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于:根据应用场景的需要调节第一层隐蔽信道的负载率，以影响整体的嵌入容量。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于:根据应用场景的需要定制不同的宏块划分方式扰动代价计算模型，以影响安全性和视频质量。
【文档编号】H04N19/176GK104010193SQ201410233838
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】张弘, 曹纭, 赵险峰, 于海波 申请人:中国科学院信息工程研究所