專利名稱：基于信息變長分組結(jié)構(gòu)的h.264大容量信息隱藏方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種視頻信息隱藏方法，具體是視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H. 264中基于信息變長分組結(jié)構(gòu)的大容量信息隱藏算法。
背景技術(shù)：
信息隱藏技術(shù)是將秘密信息嵌入到公開的數(shù)字媒體中(如文本、圖像、音頻、視頻等)，以不引起第三方注意的方式進(jìn)行隱密傳輸?shù)囊环N通信手段。通常來說，信息隱藏技術(shù)具有嵌入容量和安全性兩方面的重要特性。前者可保證通信時(shí)能夠傳輸足夠多的數(shù)據(jù)；而安全性要求算法不對宿主視頻造成人為的修改痕跡，在信息隱藏后，載體仍保持統(tǒng)計(jì)特性不變，并且在秘密信息嵌入與提取過程中使用密鑰，以確保即使隱蔽通信被發(fā)現(xiàn)，也無法準(zhǔn)確提取信息。近年來，圖像信息隱藏技術(shù)得到快速發(fā)展，已有相當(dāng)多的算法被提出。而視頻 信息隱藏技術(shù)由于受到計(jì)算復(fù)雜度等因素的制約，發(fā)展相對落后，但由于視頻具有豐富的時(shí)間軸信息，能夠嵌入更多的標(biāo)識信息，無疑使得視頻信息隱藏技術(shù)具有極高的研究價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用中，由于視頻數(shù)據(jù)量龐大，存儲及傳輸時(shí)必須對其進(jìn)行壓縮。目前常用的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)包括JPEG，MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4等，其中，H. 264是由IS0/IEC與ITU-T制定的新一代的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，相對于以往的標(biāo)準(zhǔn)，H. 264引入諸如空域內(nèi)的幀內(nèi)預(yù)測、1/4象素精度的運(yùn)動估計(jì)、多參考幀與多種大小塊的幀間預(yù)測等新技術(shù)。在壓縮效率，以及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性方面，H. 264都比以往的視頻編碼格式有明顯提高，因此基于H. 264標(biāo)準(zhǔn)研究視頻信息隱藏技術(shù)，具有很強(qiáng)的市場應(yīng)用前景。根據(jù)存在形式的不同，視頻隱藏技術(shù)可以分為針對未壓縮視頻的和壓縮視頻的兩類。然而為了便于存儲和傳輸，通常需要對未壓縮視頻進(jìn)行編碼，因此該類算法需要能抵抗視頻壓縮，并使得秘密信息嵌入前后的視頻流長度盡可能保持不變。而壓縮視頻中的信息隱藏算法則不存在這一問題?，F(xiàn)有的壓縮視頻中的信息隱藏算法，通常都是根據(jù)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)來嵌入信息的，例如，修改I巾貞編碼時(shí)產(chǎn)生的離散余弦變換(discrete cosine transform, DCT)系數(shù)或運(yùn)動預(yù)測時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動向量，但是這類方法在嵌入信息后還需進(jìn)行差值補(bǔ)償，不僅增加了計(jì)算復(fù)雜度，而且有可能對視頻質(zhì)量造成較大影響，而在變長編碼(variable lengthcoding, VLC)時(shí)產(chǎn)生的可變長碼中嵌入信息，則不需要這一過程。文獻(xiàn)[I]針對H. 264幀內(nèi)4X4塊的預(yù)測模式，將9種預(yù)測模式分成兩組，引入4種不同嵌入密度模板，通過修改當(dāng)前4X4塊的預(yù)測模式來映射標(biāo)識信息，文獻(xiàn)[2]是在文獻(xiàn)[I]的基礎(chǔ)上做出的改進(jìn)，有選擇性的選取巾貞內(nèi)4X4塊嵌入標(biāo)識信息,每個巾貞內(nèi)4X4塊嵌入2 bitsfg息。這兩種方法都是利用模板嵌入標(biāo)識信息具有隨機(jī)性，且無法適用不同圖像，無法保證解碼的視頻質(zhì)量。通過對H. 264進(jìn)行深度解讀和分析，幀內(nèi)4X4塊的預(yù)測模式調(diào)制方法更適用于視頻加密算法。文獻(xiàn)[3]通過調(diào)制所有宏塊的幀間預(yù)測模式嵌入標(biāo)識信息，每個宏塊隱藏2bits標(biāo)識信息，方法簡單，但算法透明性難以保證，并且算法只利用了部分幀間預(yù)測模式，沒有完全利用編碼產(chǎn)生的幀間信息，限制了算法的信息隱藏容量。并且以上三種算法均沒有考慮宏塊自身存在適合隱藏信息特性的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H. 264中基于信息變長分組結(jié)構(gòu)的大容量信息隱藏算法，有效緩解視頻質(zhì)量與信息隱藏量之間的矛盾。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下—種基于信息變長分組結(jié)構(gòu)的H. 264大容量信息隱藏方法,其特征在于包括以下內(nèi)容信息變長分組H. 264幀間編碼共規(guī)定了 7種尺寸的塊模式(16X16、16X8、8X16、8X8、8X4、4X8,4X4),并采用基于樹結(jié)構(gòu)的運(yùn)動補(bǔ)償。每個16X 16宏塊可以分割為I個16X 16塊， 或2個16 X 8塊，或2個8 X 16塊，或4個8 X 8塊，當(dāng)宏塊選定8X8的模式時(shí)，對于每個8X8塊還可進(jìn)一步分割為I個8X8塊，或2個8X4塊，或2個4X8塊，或4個4X4塊；待隱藏信息每個分割都可以轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制01代碼表示，而任何標(biāo)識文件最終都可以轉(zhuǎn)化為一連串的二進(jìn)制碼流，利用改進(jìn)的Exp-Golomb碼字結(jié)構(gòu)思想，將二進(jìn)制標(biāo)識信息劃分為7類長度為2或3bits的互不重復(fù)的信息組11、000、001、010、011、100、101，若干這七類信息組的排列組合可以形成任意排列的二進(jìn)制信息；H. 264幀間預(yù)測的7種模式與所有待隱藏信息組之間的一一對應(yīng)的映射規(guī)則，16X16對應(yīng)信息組11、16 X 8對應(yīng)信息組000、8 X 16對應(yīng)信息組001、8 X 8對應(yīng)信息組010、8X4對應(yīng)信息組011、4 X 8對應(yīng)信息組100、4 X 4對應(yīng)信息組101，基于該映射規(guī)則，通過調(diào)制當(dāng)前宏塊的幀間預(yù)測模式實(shí)現(xiàn)視頻信息隱藏；嵌入點(diǎn)排除規(guī)則H. 264在幀間宏塊中還引入了跳轉(zhuǎn)(SKIP)和直接預(yù)測的模式(DIRECT，模式為0)，主要適用于靜止宏塊，產(chǎn)生嵌入點(diǎn)排除規(guī)則(I)、幀間預(yù)測模式標(biāo)記為16X16宏塊，若為SKIP模式，不用來隱藏標(biāo)識信息；嵌入點(diǎn)排除規(guī)則(2):H. 264邊緣宏塊(即第一行和第一列的所有宏塊)的幀間預(yù)測過程做特別處理，不選擇在這些位置隱藏標(biāo)識信息。所述的基于信息變長分組結(jié)構(gòu)的H. 264大容量信息隱藏方法，其特征在于具體包括以下內(nèi)容信息變長分組H. 264采用基于塊匹配的運(yùn)動預(yù)測方式，H. 264幀間編碼共規(guī)定了 7種尺寸的塊模式16X16、16X8、8X16、8X8、8X4、4X8、4X4，并采用基于樹結(jié)構(gòu)的運(yùn)動補(bǔ)償，每個16X16宏塊可以分割為I個16X16塊，或2個16X8塊，或2個8X16塊，或4個8X8塊，當(dāng)編碼宏塊選定8X8塊模式時(shí)，對于每個8X8宏塊還可進(jìn)一步分割為I個8X8塊，或2個8 X 4 ±夾，或2個4X 8 ±夾，或4個4X 4塊，H. 264幀間預(yù)測模式選擇的具體方法為，編碼器對編碼宏塊的每一種幀間預(yù)測模式進(jìn)行運(yùn)動估計(jì)，在運(yùn)動估計(jì)過程中引入拉格朗日的率失真優(yōu)化方法進(jìn)行模式選擇，通過取式(I)的最小值得到幀間預(yù)測的最優(yōu)模式J(m, XmouJ = SAD(sx(m)) + Xmolion x R(m - p)(I)
其中m=(mx，my)為候選的運(yùn)動矢量,p= (px, py)為預(yù)測的運(yùn)動矢量，Xnwtim拉格朗日因子，R(m-p)表示對運(yùn)動矢量差分編碼需要的比特?cái)?shù)，SAD(s，c(m))為視頻源信號s和編碼視頻信號c之間的絕對誤差之和；待隱藏信息每個分割都可以轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制01代碼表示，最終都可以轉(zhuǎn)化為一連串的二進(jìn)制碼流，利用改進(jìn)的Exp-Golomb碼字結(jié)構(gòu)思想，提出信息變長分組規(guī)則，將二進(jìn)制標(biāo)識信息劃分為7種長度為2或3bits的互不重復(fù)的信息組，一部分預(yù)測模式對應(yīng)2bits的信息組，另一部分預(yù)測模式對應(yīng)3bits信息組，若干這七類信息組的排列組合可以形成任意排列的二進(jìn)制信息，改進(jìn)的Exp-Golomb的碼字結(jié)構(gòu)及信息變長分組規(guī)則如下式M = floor (log2 (Code + 7) (2)INFO = Code + 7 - 2M(3)
權(quán)利要求
1.一種基于信息變長分組結(jié)構(gòu)的H. 264大容量信息隱藏方法,其特征在于包括以下內(nèi)容 信息變長分組 H.264幀間編碼共規(guī)定了 7種尺寸的塊模式(16X16、16X8、8X16、8X8、8X4、4X8、4X4)，并采用基于樹結(jié)構(gòu)的運(yùn)動補(bǔ)償，每個16X 16宏塊可以分割為I個16X 16塊，或2個16X8塊，或2個8X16塊，或4個8X8塊；當(dāng)宏塊選定8X8的模式時(shí)，對于每個8X8塊還可進(jìn)ー步分割為I個8X8塊,或2個8X4塊,或2個4X8塊,或4個4X4塊； 待隱藏信息每個分割都可以轉(zhuǎn)換為ニ進(jìn)制Ol代碼表示，而任何標(biāo)識文件最終都可以轉(zhuǎn)化為一連串的ニ進(jìn)制碼流，利用改進(jìn)的Exp-Golomb碼字結(jié)構(gòu)思想，將ニ進(jìn)制標(biāo)識信息劃分為7類長度為2或3bits的互不重復(fù)的信息組11、000、001、010、011、100、101，若干這七類信息組的排列組合可以形成任意排列的ニ進(jìn)制信息； H.264幀間預(yù)測的7種模式與所有待隱藏信息組之間的一一對應(yīng)的映射規(guī)則，16X16對應(yīng)信息組11、16X8對應(yīng)信息組000、8X 16對應(yīng)信息組001、8X8對應(yīng)信息組010、8X4對應(yīng)信息組011、4X8對應(yīng)信息組100、4X4對應(yīng)信息組101，基于該映射規(guī)則，通過調(diào)制當(dāng)前宏塊的幀間預(yù)測模式實(shí)現(xiàn)視頻信息隱藏； 嵌入點(diǎn)排除規(guī)則 H.264在幀間宏塊中還引入了跳轉(zhuǎn)(SKIP)和直接預(yù)測的模式(DIRECT，模式為O)，主要適用于靜止宏塊，產(chǎn)生嵌入點(diǎn)排除規(guī)則(I)、幀間預(yù)測模式標(biāo)記為16X16宏塊，若為SKIP模式，不用來隱藏標(biāo)識信息；嵌入點(diǎn)排除規(guī)則(2) H. 264邊緣宏塊(即第一行和第一列的所有宏塊)的幀間預(yù)測過程做特別處理，不選擇在這些位置隱藏標(biāo)識信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于信息變長分組結(jié)構(gòu)的H.264大容量信息隱藏方法，其特征在于具體包括以下內(nèi)容 信息變長分組 H.264采用基于塊匹配的運(yùn)動預(yù)測方式，H. 264幀間編碼共規(guī)定了 7種尺寸的塊模式16X16、16X8、8X16、8X8、8X4、4X8、4X4，并采用基于樹結(jié)構(gòu)的運(yùn)動補(bǔ)償，每個16X16宏塊可以分割為I個16\16±夾，或2個16\8±夾，或2個8\16±夾，或4個8\8±夾，當(dāng)編碼宏塊選定8X8塊模式時(shí)，對于每個8X8宏塊還可進(jìn)ー步分割為I個8X8 ±夾，或2個8X4土夾，或2個4X8 ±夾，或4個4X4 ±夾， H.264幀間預(yù)測模式選擇的具體方法為，編碼器對編碼宏塊的每ー種幀間預(yù)測模式進(jìn)行運(yùn)動估計(jì)，在運(yùn)動估計(jì)過程中引入拉格朗日的率失真優(yōu)化方法進(jìn)行模式選擇，通過取式(O的最小值得到幀間預(yù)測的最優(yōu)模式 J(m~K,O,,J = SAD(sx(m)) + Xmotion X R{m - p)(I) 其中m=(mx，my)為候選的運(yùn)動矢量，p=(px，py)為預(yù)測的運(yùn)動矢量，Xnrotim拉格朗日因子，R(m-p)表示對運(yùn)動矢量差分編碼需要的比特?cái)?shù)，SAD(s，c(m))為視頻源信號s和編碼視頻信號c之間的絕對誤差之和； 待隱藏信息每個分割都可以轉(zhuǎn)換成ニ進(jìn)制01代碼表示，最終都可以轉(zhuǎn)化為ー連串的ニ進(jìn)制碼流，利用改進(jìn)的Exp-Golomb碼字結(jié)構(gòu)思想，提出信息變長分組規(guī)則，將ニ進(jìn)制標(biāo)識信息劃分為I種長度為2或3bits的互不重復(fù)的信息組，一部分預(yù)測模式對應(yīng)2bits的信息組，另一部分預(yù)測模式對應(yīng)3bits信息組，若干這七類信息組的排列組合可以形成任意排列的ニ進(jìn)制信息，改進(jìn)的Exp-Golomb的碼字結(jié)構(gòu)及信息變長分組規(guī)則如下式M = floor (log2 (Code + 7) (2)INFO = Code + 7 - 2M(3) Code表示對應(yīng)7種幀間預(yù)測模式的十進(jìn)制數(shù)值，M表示標(biāo)識信息組的長度，INFO為信息組十進(jìn)制數(shù)值；fl00r()表示向下取整函數(shù)；以此類推，對每個塊尺寸賦予的ニ值化信息以及與信息組映射結(jié)果如表I所示 表I
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于信息變長分組結(jié)構(gòu)的H.264大容量信息隱藏方法。具體是在H.264幀間預(yù)測環(huán)節(jié)，引入信息變長分組的概念，利用改進(jìn)的Exp-Golomb碼字結(jié)構(gòu)思想，將標(biāo)識信息劃分為7類長度為2或3bits的互不重復(fù)的全信息組，并設(shè)計(jì)7種幀間預(yù)測模式與所有待隱藏信息組之間的映射規(guī)則?；谠撚成湟?guī)則，本發(fā)明調(diào)制當(dāng)前宏塊的幀間預(yù)測模式實(shí)現(xiàn)視頻信息隱藏。宿主宏塊位置由規(guī)定的“嵌入點(diǎn)排除規(guī)則”確定，每個宿主宏塊對應(yīng)2或3bits標(biāo)識信息，滿足視頻信息隱藏算法的大容量需求。標(biāo)識信息的提取過程無需原始視頻，只須對碼流中的幀間預(yù)測模式部分進(jìn)行解碼即可完成，符合視頻實(shí)時(shí)處理要求。
文檔編號H04N7/26GK102685500SQ20121014045
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者吳從中, 夏娜, 宣曼, 尤小泉, 張國富, 李小紅, 汪萌, 洪日昌, 蘇兆品, 蔣建國, 詹曙, 齊美彬 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)