朱厲洪，周 詮，呼延烺

（西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所 空間微波技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710100）

0 引 言

隱寫(xiě)術(shù)按載體可劃分為圖像隱寫(xiě)［1－4］、音頻隱寫(xiě)［5］以及視頻隱寫(xiě)［6－9］等。其中，視頻隱藏算法的研究近年來(lái)成為熱點(diǎn)。文獻(xiàn) ［6］利用量化后DCT系數(shù)的奇偶性來(lái)隱藏信息；文獻(xiàn) ［7］指出了MV幅值作為閾值選擇CMV進(jìn)行信息隱藏的缺點(diǎn)，提出了預(yù)測(cè)誤差作為閾值選擇CMV的觀(guān)點(diǎn)；文獻(xiàn) ［8］利用I幀宏塊的編碼模式進(jìn)行秘密信息的隱藏；文獻(xiàn) ［9］則就I幀中隱藏信息會(huì)帶來(lái)錯(cuò)誤漂移的情況進(jìn)行研究，并給出了解決的方案?？偟亩?，當(dāng)前視頻的隱藏技術(shù)主要可以劃分為利用DCT系數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量、量化后的DCT系數(shù)、預(yù)測(cè)模式等幾個(gè)方面［10］。隨著研究的深入和隱藏容量的提高，使得視頻嵌入視頻成為了可能。Yang等［11］結(jié)合H.264的特性，提出了一種利用DCT系數(shù)進(jìn)行高比特率信息嵌入的方法，并指出可將其應(yīng)用于視頻嵌入視頻中。肖柏創(chuàng)等［12］在Yang算法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高比特率的視頻嵌入視頻方案，其嵌入算法將Yang的8個(gè)系數(shù)嵌入改為5個(gè)系數(shù)嵌入，降低了算法的復(fù)雜度，但原理和性能并未發(fā)生較大改變。雖然當(dāng)前的研究取得一定的效果，但仍存在以下問(wèn)題：①秘密信息嵌入時(shí)未考慮視頻的幀間相關(guān)性。②都只是針對(duì)秘密信息為原始視頻的情況展開(kāi)討論。這兩方面的缺陷制約了視頻嵌入視頻方案的性能。視頻是一組圖像序列，且每幀之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，信息嵌入時(shí)相關(guān)性的利用將進(jìn)一步提高算法的性能；另一方面，視頻魯棒隱藏算法的隱藏容量較小，宿主視頻每幀中隱藏的數(shù)據(jù)量有限。而視頻的數(shù)據(jù)量是海量的，如果不對(duì)秘密視頻進(jìn)行壓縮編碼，那么一幀秘密圖像需要隱藏在多幀的宿主視頻中，這樣勢(shì)必會(huì)帶來(lái)實(shí)時(shí)性不高、秘密視頻隱藏幀數(shù)少等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于編碼和預(yù)測(cè)的視頻嵌入視頻算法。該算法將視頻在視頻中的嵌入過(guò)程看成是秘密視頻隱秘通信的過(guò)程。首先，將秘密視頻壓縮編碼成碼流，從而有效減少秘密視頻的比特?cái)?shù)；其次，應(yīng)用糾錯(cuò)和交織編碼以克服壓縮碼流對(duì)誤碼敏感的缺陷；最后，在嵌入時(shí)，利用幀間相關(guān)性，在IntDCT （integer discrete cosine transform）域進(jìn)行相鄰幀的系數(shù)預(yù)測(cè)，并以預(yù)測(cè)的差值直方圖為載體進(jìn)行秘密視頻的嵌入，進(jìn)一步增強(qiáng)隱秘傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 本文算法概述

正如上文所述，雖然當(dāng)前視頻嵌入視頻的研究取得了一些進(jìn)展，但仍有一些缺點(diǎn)需要克服。在本節(jié)中，我們描述了這些缺點(diǎn)并給出了解決方案的細(xì)節(jié)。本文所提出的算法由預(yù)處理和信息隱藏兩部分組成，其算法流程如圖1所示。

1.1 預(yù)處理

預(yù)處理的目的是為了提高隱秘傳輸?shù)男?，其由壓縮編碼、糾錯(cuò)編碼和交織編碼3部分組成。

采用壓縮編碼是基于以下方面的考慮：

（1）高效的編碼可以有效提高隱秘傳輸?shù)男剩?/p>

（2）視頻數(shù)據(jù)間具有很高的相關(guān)性，易于壓縮，可以在較小的失真情況下獲得較高的壓縮比。

（3）從實(shí)時(shí)性的角度考慮，視頻經(jīng)過(guò)編碼再隱藏具有更好的實(shí)時(shí)性。例如文獻(xiàn) ［12］中以32幀CIF格式視頻嵌入一幀QCIF格式視頻。采用編碼后再隱藏的方法可以有效降低秘密視頻相鄰幀間的時(shí)間間隔；

糾錯(cuò)碼和交織編碼的應(yīng)用則是為了提高視頻壓縮碼流的魯棒性。由于采用了幀間預(yù)測(cè)、熵編碼等高效的編碼手段，壓縮編碼在取得高效編碼效率的同時(shí)，也使得編碼后的視頻碼流對(duì)誤碼較為敏感。糾錯(cuò)碼的使用就是為了克服這一缺陷，交織編碼的應(yīng)用則主要是為了避免突發(fā)性錯(cuò)誤的發(fā)生。

1.2 隱藏算法

1.2.1 信息的嵌入

步驟1 將H×W 大小的載體視頻的當(dāng)前幀Vk（k＝1，2，…，n），劃分成尺寸為4×4且互不重疊的子塊Sub（i，j），其中i∈ ［1，H／4］，j∈ ［1，W／4］。然后對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行IntDCT 變換得到變換后的子塊 D（i，j）；

步驟2 依次掃描當(dāng)前幀中的D（i，j），并提取出每個(gè)變換子塊D（i，j）中 （4，4）位置的高頻系數(shù)，組成矩陣Fn；

步驟3 利用前面幀的高頻系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)Fn，得到差值Cn。預(yù)測(cè)方式如下所示

其中αi表示預(yù)測(cè)的權(quán)值，i＝1，2，…，n－1。由于與當(dāng)前幀越鄰近的幀與當(dāng)前幀的相關(guān)性越強(qiáng)，故αi滿(mǎn)足αn－1＞αn－2＞…＞α1?？闪瞀羒＝2i／ （n2－n），如圖2 （a）所示。但為了降低算法的復(fù)雜度，僅選用前一幀作為參考幀，即P’n＝F’n－1。由于Fn與F’n－1具有較強(qiáng)的相關(guān)性，故Cn集中于0值附近，如圖2（b）所示。

步驟4 將預(yù)處理后的秘密信息碼流Si按式 （1）～式（3）所示方法進(jìn)行信息的嵌入，其中l(wèi)表示Si碼流的長(zhǎng)度；

T：閾值

其中，Round（.）表示四舍五入，mod（.）表示取模操作。嵌入信息后Cn的分布如圖3所示。

步驟5 將嵌入信息后的C’n與Fn相加，得到嵌入信息后的F’n，然后按照提取時(shí)的掃描順序替換其對(duì)應(yīng)的變換子塊D（i，j）中 （4，4）位置的高頻系數(shù)；

步驟6 進(jìn)行IntDCT反變換得到當(dāng)前的含密幀，對(duì)幀中的像素進(jìn)行四舍五入操作后輸出，同時(shí)對(duì)當(dāng)前的含密幀進(jìn)行步驟2中的操作，并將提取出的矩陣作為下一次嵌入的F’n－1；

步驟7 重復(fù)上述操作直到秘密視頻嵌入完畢。

1.2.2 信息的提取

步驟1 將宿主視頻按照4×4進(jìn)行分塊，并進(jìn)行IntDCT變換；

步驟2 順序掃描每個(gè)變換塊D（i，j）中 （4，4）位置的高頻系數(shù)，然后組成矩陣Fn；

步驟3 按下式所示得到Cn

步驟4 提取秘密視頻信息，其方法如下所示

步驟5 重復(fù)以上步驟，直至秘密信息提取完畢。

2 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

實(shí)驗(yàn)圖像來(lái)源于倫斯勒理工學(xué)院圖像處理中心的標(biāo)準(zhǔn)圖像庫(kù)中代表不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的CIF（352×288）格式視頻序列News、Forman、Mobile作為宿主視頻，如圖4所示。秘密視頻采用QCIF（176×144）格式的視頻序列Forman。視頻編碼采用H.264／AVC編解碼參考軟件JM8.6，不采用率失真最優(yōu)化 （RDO），編碼模式采用IPPPPP…的格式。實(shí)驗(yàn)中圖像的質(zhì)量通過(guò)峰值信噪比 （PSNR）來(lái)衡量

式中：C（i，j），S（i，j）——原始圖像和含密圖像 （i，j）位置的像素，w×h表示圖像的尺寸。

比特誤碼率 （bit error rate，BER）用來(lái)衡量接收端提取出的秘密信息的準(zhǔn)確率，如下所示。其中N表示秘密信息的比特?cái)?shù)，m為錯(cuò)誤提取出的比特?cái)?shù)

2.1 嵌入算法的分析

為了更好地將本文算法與以往算法進(jìn)行對(duì)比，表1列出了3組不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度視頻序列為宿主視頻的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中PSNR（dB）、BER（%）分別表示利用文獻(xiàn) ［11］算法以及本文算法嵌入秘密信息后載體圖像的峰值信噪比和接收端提取秘密信息的誤碼率，QP表示宿主視頻編碼時(shí)的量化步長(zhǎng)，秘密信息為一串二進(jìn)制的偽隨機(jī)碼流。

表1 的數(shù)據(jù)表明本文的算法與文獻(xiàn) ［11］算法相比，即魯棒性相當(dāng)?shù)那闆r下圖像的信噪比平均可獲得3.03dB的增益。換言之，如果圖像質(zhì)量相同，則本文的算法將具有更好的魯棒性。另外，本文算法在1／128容量且能抵抗H.264在量化步長(zhǎng)QP＝24的壓縮情況下，圖像的質(zhì)量＞37dB，說(shuō)明本文所提算法具有較大的隱藏容量和良好的不可見(jiàn)性。因此，較之于以往算法，本文算法的應(yīng)用將為視頻在視頻中的隱秘傳輸提供了有力的保障。

2.2 本文所提方案分析

表1 只給出了本文的嵌入算法與以往算法的性能對(duì)比，應(yīng)用本文所提出的方案，即預(yù)處理與嵌入算法相結(jié)合時(shí)，優(yōu)越性將進(jìn)一步凸顯。圖5、圖6分別給出了文獻(xiàn) ［11］和本文所提方案的實(shí)驗(yàn)效果，其中參數(shù)N、PSNR分別代表48幀宿主視頻隱藏的秘密視頻幀數(shù)和接收端提取秘密視頻的峰值信噪比，QP表示宿主視頻編碼的量化步長(zhǎng)。取合適的閾值，使2種算法嵌入后的載體的PSNR為39dB。

表1 嵌入算法實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比

首先來(lái)看文獻(xiàn) ［11］的效果。秘密視頻信息在未編碼的情況下，需要48幀CIF宿主視頻隱藏1幀QCIF秘密視頻信息，即352×288／16×48＝176×144×1.5×8＝304128 bit。仿真流程為：首先將秘密視頻轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼流后進(jìn)行信息的嵌入，然后將含密視頻進(jìn)行編碼，最后從解碼后的視頻中提出秘密信息。實(shí)驗(yàn)效果如圖5所示。

圖5 文獻(xiàn) ［11］效果

由于本文的算法綜合應(yīng)用了編碼和隱藏技術(shù)，所以隱藏的秘密視頻的幀數(shù)和質(zhì)量與壓縮編碼、糾錯(cuò)編碼以及隱藏算法的參數(shù)設(shè)置有關(guān)。設(shè)置秘密視頻壓縮編碼的量化步長(zhǎng)為16，隱藏算法的閾值T＝170。BCH（n，k）表示糾錯(cuò)碼參數(shù)的設(shè)置。仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出應(yīng)用本文的所提出的算法后，嵌入隱藏信息的混合視頻的PSNR＞42dB，具有較高的保真度。

2.3 實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)

從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本文算法的性能要明顯由于以往算法，驗(yàn)證了算法的有效性：

首先，在嵌入算法方面，從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，較之于文獻(xiàn) ［11］的算法在容量和魯棒性大致相當(dāng)?shù)那闆r下，圖像質(zhì)量平均獲得了3.03dB的增益。

其次，當(dāng)綜合應(yīng)用本文算法 （預(yù)處理和嵌入算法結(jié)合）時(shí)，從圖5、圖6的實(shí)驗(yàn)仿真效果圖中可以看到，在宿主視頻壓縮編碼的QP＝16和QP＝20的情況下，較之于文獻(xiàn)［11］，采用本文算法后圖像質(zhì)量平均獲得2.38dB和16.74 dB增益，并且隱藏的幀數(shù)分別平均提高了17倍和14倍。

圖6 本文算法效果

3 結(jié)束語(yǔ)

視頻信息正逐步的取代文字和圖像成為當(dāng)前人們獲取信息的重要途徑?；诖嗽颍疚尼槍?duì)秘密信息為視頻的隱秘通信進(jìn)行了分析和研究。為了提高當(dāng)前視頻嵌入視頻算法的隱秘通信效率和抵抗攻擊的性能，將編碼和信息隱藏技術(shù)相結(jié)合提出了一種視頻壓縮碼流在視頻中嵌入的方案。該方案將信息隱藏等效為一個(gè)通信系統(tǒng)。為了提高信道的可靠性，提出了一種基于幀間預(yù)測(cè)差值直方圖的嵌入算法；為了提高信道的傳輸效率，秘密信息在嵌入前采用預(yù)處理的策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出本方案所提出的視頻嵌入視頻的方法提高了隱藏的幀數(shù)，提高了接收端提取秘密信息的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了隱秘視頻的高效傳輸，為視頻嵌入視頻提供了一種新的思路。但本文方法在誤碼超過(guò)糾錯(cuò)范圍時(shí)的效果還有待改進(jìn)，因此，在以后的研究中準(zhǔn)備借鑒以往的工作，從區(qū)域選擇［13］等方面入手增強(qiáng)算法抗攻擊能力的方法，另一方面從差錯(cuò)控制［14］等方面入手來(lái)增強(qiáng)秘密信息的健壯性。

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