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        基于直方圖平移的視頻密文域大容量可逆信息隱藏

        2022-11-30 08:40:18陳培張帥偉林洋平鈕可楊曉元
        計算機應(yīng)用 2022年11期
        關(guān)鍵詞:密文直方圖矢量

        陳培,張帥偉,林洋平,鈕可*,楊曉元

        基于直方圖平移的視頻密文域大容量可逆信息隱藏

        陳培1,2,張帥偉3,林洋平1,鈕可1,2*,楊曉元1,2

        (1.網(wǎng)絡(luò)與信息安全武警部隊重點實驗室(武警工程大學(xué)),西安 710086; 2.武警工程大學(xué) 密碼工程學(xué)院,西安 710086; 3.武警部隊研究院裝備技術(shù)研究所,北京 100012)(?通信作者電子郵箱niuke@163.com)

        針對視頻密文域可逆信息隱藏(RDH)嵌入容量不高的問題,提出一種基于直方圖平移的視頻密文域大容量可逆信息隱藏方案。首先,利用流密碼算法對4×4亮度幀內(nèi)預(yù)測模式和運動矢量差值(MVD)的符號位進行加密,形成視頻密文域;其次,構(gòu)造MVD的二維直方圖,設(shè)計關(guān)于(0,0)對稱的直方圖平移算法;最后,在MVD密文域中進行直方圖平移,實現(xiàn)可分離的視頻密文域可逆信息隱藏。實驗結(jié)果表明,與對比方案相比,所提方案的嵌入容量平均提升263.3%,加密視頻的平均峰值信噪比(PSNR)最高不超過15.956 dB,含密的解密視頻的平均PSNR均能達到30 dB以上。所提方案可以有效提升嵌入容量,適用于更多類型的視頻序列。

        可逆信息隱藏;視頻加密;直方圖平移;大容量;運動矢量差值

        0 引言

        可逆信息隱藏(Reversible Data Hiding, RDH)是信息隱藏技術(shù)的一個重要分支,該技術(shù)能夠在提取出信息后無損地還原載體,主要應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)以及司法等對載體質(zhì)量有特殊要求的領(lǐng)域。近年來,云計算和云存儲等云服務(wù)迅速發(fā)展,用戶在使用各種云服務(wù)時,出于對內(nèi)容隱私的保護,通常需要將內(nèi)容進行加密,再將加密內(nèi)容上傳至云端交由第三方進行管理。云服務(wù)商需要在無法獲得原始內(nèi)容以及不影響用戶數(shù)據(jù)解密的情況下對數(shù)據(jù)內(nèi)容加入標簽,用于云數(shù)據(jù)的管理。出于這種需求,密文域的可逆信息隱藏(Reversible Data Hiding in Encrypted Domain, RDH-ED)得以發(fā)展[1],可分離的RDH-ED要求在密文域和解密后的明文域均可進行信息的準確提取,以適用于更多的應(yīng)用場景。

        近年來,圖像密文域可逆隱藏技術(shù)得到了長足發(fā)展[2-4],但視頻的數(shù)據(jù)量大,編碼標準相較于圖像更加復(fù)雜,因此基于視頻的密文域可逆隱藏技術(shù)相對較少。文獻[5]中通過對H.264視頻碼流中幀內(nèi)預(yù)測模式(Intra-Prediction Mode, IPM)、運動矢量差(Motion Vector Difference, MVD)符號位和量化離散余弦變換(Quantized Discrete Cosine Transform, QDCT)系數(shù)符號位進行加密,對QDCT中高頻系數(shù)使用直方圖平移(Histogram Shifting, HS)進行嵌入[6],該方案在密文域和明文域均可提取信息,是可分離的。為了提高嵌入容量,文獻[7]對文獻[5]中的方案進行改進,以相鄰的兩個系數(shù)組成一個嵌入點,使用二維直方圖平移(2-Dimensional Histogram Shifting, 2DHS)有效提升了嵌入容量,同時保持了方案的可分離性。文獻[8]中對MVD的符號位進行加密,以運動矢量為載體,運用HS每次僅對單個分量嵌入信息,同時引入改變參考幀的重編碼技術(shù)減小視頻失真,實現(xiàn)了可分離性,但總的嵌入容量較小。文獻[9]中則同時對QDCT系數(shù)和MVD符號位進行加密,并將運動矢量的水平和垂直分量視為一個嵌入點,設(shè)計2DHS進行嵌入,提升了嵌入容量;但該方案僅對H.264視頻中P幀語法元素(QDCT系數(shù)和MVD)進行加密,未對I幀進行加密保護,所以加密算法的安全性不夠。以上算法在直方圖中都僅利用到少部分運動矢量,因此嵌入容量達不到大容量要求。

        針對上述視頻密文域算法存在的問題,為了保證視頻加密效果和進一步提高嵌入容量,本文對I幀語法元素(4×4亮度塊IPM,以下簡稱IPM)和P幀語法元素(MVD)進行加密,并在MVD域中利用更多的運動矢量進行信息嵌入。首先,視頻擁有者在視頻編碼過程中對IPM和MVD符號位進行流加密,得到加密視頻碼流;然后,云端服務(wù)商對加密碼流進行解析得到MVD,運用改進的2DHS對MVD進行信息嵌入。實驗結(jié)果表明,所提方案具備可逆性和可分離性,嵌入容量有較大幅提高,加密視頻能保持較低的平均峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR),含密的解密視頻的PSNR保持良好。

        1 方案理論基礎(chǔ)

        1.1 MVD分布

        H.264編碼標準采用運動估計來消除時間冗余信息,在參考幀中搜索最佳匹配塊,并且計算出對應(yīng)的運動矢量。由于相鄰的運動矢量具有很強的相關(guān)性,因此當前塊的運動矢量可以根據(jù)相鄰的已編碼塊的運動矢量進行預(yù)測得到預(yù)測值。當前矢量與預(yù)測值之間的差值就是MVD。因為H.264編碼標準中的運動矢量預(yù)測技術(shù)較為成熟,預(yù)測值與實際運動矢量往往相近。因此,所產(chǎn)生的MVD水平和垂直分量大部分都集中于(0,0)附近,服從二維拉普拉斯分布[10]。

        不失一般性,本文取7個經(jīng)典QCIF(Quarter Common Intermediate Format)測試視頻序列前50幀的MVD進行分析,如表1所示。其中,除city外的6個經(jīng)典視頻序列的MVD大量聚集于(0,0)附近,尤其是水平分量或垂直分量為0的方向上。7個視頻序列中,(0,0)點均占比最大,其余水平分量為0或垂直分量為0的MVD則次之,位于四個象限中的MVD通常占比最少。實際上,絕大部分視頻序列MVD分布情況均與此類似。這一現(xiàn)象為后面的2DHS改進提供了依據(jù)。

        文獻[8-9]中的方法均沒有使用水平分量為0或垂直分量為0的MVD,因此嵌入容量比較有限。針對這一問題,可以通過增加水平或垂直分量為0的嵌入點,并設(shè)計新的平移策略來增加嵌入容量。

        表1 各視頻序列中不同MVD占比

        1.2 密文域二維直方圖平移

        2DHS算法憑借高嵌入容量的優(yōu)勢,是目前最常用的可逆算法。但傳統(tǒng)2DHS算法[8,10]大都是一個平移方向?qū)?yīng)一個消息碼字進行嵌入。如圖1(a)所示,對(0,0)進行嵌入時,可以平移成(0,0)、(0,-1)、(1,0)、(0,1)、(-1,0),對應(yīng)的平移方向分別為{0,↓,→,↑,←}(0表示平移到自身,即保持不變),每個方向均對應(yīng)一個消息碼字,分別為0、10、110、1110、1111。那么本文方案在使用正負取反加密算法的情況下,傳統(tǒng)2DHS就不適用于對(0,0)點進行嵌入。這是因為傳統(tǒng)2DHS不具備中心對稱性,即無法滿足式(1)。如(0,1)和(0,-1)互為明文密文域信息,但兩者對應(yīng)的消息碼字不一致,最終會導(dǎo)致在明文域或密文域提取的信息不正確。

        式中:Extract表示提取操作,(,)為MVD嵌入點。

        因此,針對二維直方圖中的(0,0)點,對其嵌入策略進行改進。如圖1(b)所示,兩個對稱的平移方向?qū)?yīng)同一個消息碼字:平移方向{←,→}對應(yīng)的消息碼字均為11;平移方向{↑,↓}對應(yīng)的消息碼字均為10。這種改進2DHS具有中心對稱性,信息的提取滿足式(1)。也就是說,改進2DHS在密文域和明文域均能準確提取信息,能夠?qū)崿F(xiàn)可分離性。

        圖1 傳統(tǒng)和改進2DHS算法的嵌入策略示意圖

        2 本文方案

        本文的密文域可逆信息隱藏方案流程如圖2所示。

        2.1 視頻加密

        2.1.14×4亮度分量幀內(nèi)預(yù)測模式加密

        為提高編碼效率,H.264在采用4×4塊的幀內(nèi)預(yù)測模式編碼時,通過相鄰塊的預(yù)測模式來預(yù)測當前塊的最大可能預(yù)測模式,編碼流程如圖3所示。如果預(yù)測模式與實際使用的模式相同,則相應(yīng)flag設(shè)為1,只需1 bit傳輸;如果不同,則相應(yīng)flag設(shè)為0,表示預(yù)測模式與實際模式不符,而后將實際模式編碼成3 bit。如表2所示,表中以預(yù)測模式4與實際模式不符的情況進行舉例說明:當實際模式值小于預(yù)測模式值時,按照實際模式值進行編碼;當實際模式值大于預(yù)測模式值時,先將實際模式值減1再進行編碼。

        圖2 本文方案流程

        圖3 IPM編碼流程

        為避免碼率增長,IPM加密僅對flag為0之后的3 bit進行異或加密,置亂幀內(nèi)預(yù)測模式。其加密方式如下:

        表2 44亮度IPM編碼規(guī)則

        2.1.2MVD符號位加密

        H.264視頻編碼標準對MVD進行指數(shù)哥倫布(Exp-Golomb)編碼寫入碼流。MVD及其相應(yīng)Exp-Golomb碼字如表3所示,互為相反數(shù)的兩個值的Exp-Golomb碼長相等,只有最后一位不同(如加粗所示)。因此,對MVD的符號進行取反加密,在保護運動信息的同時,可以有效避免碼率增長。MVD符號加密方式如下:

        表3 Exp-Golomb編碼特點

        2.2 密文域信息嵌入

        2.2.1嵌入算法設(shè)計

        如前所述,一段視頻中的大部分MVD的水平或垂直分量為0。為了確保算法的不可見性,目前大部分2DHS算法均不對0分量進行修改,這也就限制了基于運動矢量嵌入算法的容量。

        針對密文域算法的應(yīng)用場景,設(shè)計一種新的2DHS,以提高嵌入容量。如圖4所示是整個嵌入算法的平移示意圖。

        圖4 嵌入算法平移示意圖

        其中:為事件發(fā)生概率;(,)為原始MVD,(?,?)為平移后的MVD;為待嵌比特,∈{0,1};是待嵌比特為10時(0,0)向(1,0)平移的概率;是待嵌比特為11時(0,0)向(0,1)平移的概率;和可根據(jù)原始嵌入點頻率進行選定,在一定程度上可保持原始比例分布。

        本文設(shè)計的密文域方案是可分離的,如果能保證含密視頻的視覺質(zhì)量,就可以適用于更多的應(yīng)用場景。根據(jù)人眼視覺系統(tǒng)的紋理掩蔽特性,人眼對于紋理復(fù)雜區(qū)域相較于平坦區(qū)域更不敏感。因此為了減小修改0分量引起的較大失真,對(0,0)點的嵌入僅使用8×8以下大小的宏塊;同時為了抑制幀間失真漂移,圖像組長度設(shè)置為5。

        如圖4所示,嵌入點根據(jù)平移策略的不同,可劃分為6個不重疊的集合。集合具體劃分如下:

        2.2.2信息嵌入過程

        本文嵌入算法步驟如下:

        步驟1 解析加密的H.264碼流,讀取出所有的MVD。

        步驟2 遍歷所有的MVD,根據(jù)以下策略進行計算:

        式中:sign(?)為符號函數(shù)。

        步驟3 將計算出的含密MVD重新編碼入加密H.264碼流,輸出含密的加密H.264碼流。

        2.3 信息提取與恢復(fù)

        因為本文算法的每個嵌入點的平移來源都是唯一確定的,所以本文算法是完全可逆的。在對MVD使用正負取反加密算法的情況下,本文嵌入算法構(gòu)造以(0,0)點為中心的對稱平移策略。所提方案在密文域和明文域均能夠提取出正確信息,具備可分離性。

        信息提?。盒畔⑻崛∷惴ㄊ乔度胨惴ǖ哪孢^程。從含密的MVD中用式(6)~(10)逆向提取出信息。

        視頻解密:在擁有密鑰1和2的前提下,分別通過式(3)、(11)對MVD和4×4亮度IPM進行解密,完成視頻解密。

        因為本文方案是可分離的,所以先提取信息再解密視頻與先解密視頻再提取信息都能夠完成信息的準確提取和視頻的完全恢復(fù)。

        3 實驗結(jié)果與分析

        測試視頻序列使用foreman、carphone、salesman、news、container、coastguard、city共7個QCIF標準序列。實驗均在Matlab仿真程序[11-12]進行,圖像組長度設(shè)為5,量化步長設(shè)為27。

        3.1 視頻密文域安全性分析

        視頻加密是為了使內(nèi)容不被非授權(quán)用戶所理解,視頻加密算法需要滿足視覺安全性和密碼安全性[13]。密碼安全性主要取決于加密算法和密鑰隨機性,可以根據(jù)實際需要選擇相應(yīng)算法,本文以ZUC算法為例,確保該方面安全性。視覺安全性可由客觀視頻質(zhì)量和主觀視頻質(zhì)量進行評估。

        PSNR是衡量客觀視頻質(zhì)量的常用指標,如式(12)。通常來說,PSNR大于40 dB說明圖像質(zhì)量極好(即非常接近原始圖像);在30~40 dB通常表示圖像質(zhì)量是好的(即失真可以察覺但可以接受);在20~30 dB說明圖像質(zhì)量差;PSNR低于20 dB的圖像質(zhì)量是不可接受的。如表4所示,在各視頻序列中,本文加密算法表現(xiàn)均優(yōu)于文獻[9]算法。加密視頻的平均PSNR最高不超過15.956 dB,最低可達到9.655 dB,能達到保護重要內(nèi)容的目的。

        其中:、分別為圖像的長寬;(,)為原始圖像(,)處的像素值;?(,)表示修改圖像(,)處的像素值。

        主觀視頻質(zhì)量主要是通過人眼的感受進行衡量。如圖5(b)所示,視頻內(nèi)容在加密之后變得難以理解,沒有泄露重要信息。而文獻[9]的算法僅對P幀的語法元素進行加密,未對I幀加密,使得視頻I幀內(nèi)容全部泄露。綜上所述,加密4×4 IPM和MVD符號的算法具有較強的視覺安全性。

        3.2 嵌入容量與PSNR對比

        嵌入容量是密文域可逆信息隱藏算法的重要評價指標。本文算法是在MVD上進行嵌入,因此嵌入容量的大小主要取決于運動矢量的多少。文獻[7]的算法雖然是QDCT域的算法,但其2DHS算法具有中心對稱性,并且未對水平或垂直分量為0的MVD進行嵌入,可以將其移植到MVD域進行實驗對比。

        表4 本文加密算法與文獻[9]算法的PSNR對比 單位: dB

        圖5 本文算法加密前后對比

        表5 算法的嵌入容量對比

        本文算法在保留文獻[9]算法原有嵌入點的基礎(chǔ)上,還增加了水平或垂直分量為0的MVD作為嵌入點,因此對變化平穩(wěn)的視頻序列的嵌入容量提升效果明顯,對變化大的視頻序列也有一定程度的提升。實驗結(jié)果說明,相較于文獻[9]算法,本文算法可以適用于更多類型的視頻序列。

        表6 各算法的平均PSNR對比

        總的來說,本文算法雖然導(dǎo)致含密視頻的PSNR有所下降,但在滿嵌狀態(tài)下視頻質(zhì)量依然處于可接受范圍,可以根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用場景需要,調(diào)整嵌入率來達到視覺質(zhì)量和嵌入容量的平衡。

        3.3 可逆性與可分離性分析

        嵌入算法的可逆性是指載體在提取出信息后能夠無損恢復(fù)的性質(zhì)。本文采用2DHS,每個含密MVD的平移來源是唯一確定的,因此在提取信息后,MVD可以準確復(fù)原。如圖6所示,給出了carphone、salesman和container三個視頻序列的原始PSNR以及經(jīng)過嵌入提取后的PSNR??梢钥闯觯饕曨l序列對應(yīng)的兩種PSNR折線是重合的,其他視頻序列也是類似情況,這說明本文嵌入算法具有可逆性。

        實驗中在密文域提取出的信息與明文域提取出的信息完全相同,也說明本文方案是可分離的。

        圖6 原始視頻和提取信息視頻PSNR對比

        4 結(jié)語

        本文設(shè)計了一種基于改進2DHS的可分離的視頻密文域可逆信息隱藏方案。該方案充分利用了水平或垂直分量為0的MVD,能有效提升嵌入容量,同時實現(xiàn)了可分離性。這一實現(xiàn)是基于以下方法:對MVD符號位進行正負取反加密并設(shè)計關(guān)于(0,0)對稱平移的2DHS對加密MVD進行嵌入。此外,所提方案是完全可逆的,獲得的解密的含密視頻質(zhì)量保持良好。在下一步工作中將設(shè)計相應(yīng)的失真函數(shù)提高視頻質(zhì)量,以適用于對視頻質(zhì)量要求更高的應(yīng)用場景。

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        High-capacity reversible data hiding in encrypted videos based on histogram shifting

        CHEN Pei1,2, ZHANG Shuaiwei3, LIN Yangping1, NIU Ke1,2*, YANG Xiaoyuan1,2

        (1(),’710086,;2,,’710086,;3,,100012,)

        Aiming at the low embedding capacity of Reversible Data Hiding (RDH) in encrypted videos, a high-capacity RDH scheme in encrypted videos based on histogram shifting was proposed. Firstly, 4×4 luminance intra-prediction mode and the sign bits of Motion Vector Difference (MVD) were encrypted by stream cipher, and then a two-dimensional histogram of MVD was constructed, and (0,0) symmetric histogram shifting algorithm was designed. Finally,(0,0) symmetric histogram shifting algorithm was carried out in the encrypted MVD domain to realize separable RDH in encrypted videos. Experimental results show that the embedding capacity of the proposed scheme is increased by 263.3% on average compared with the comparison schemes, the average Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR) of encrypted video is less than 15.956 dB, and the average PSNR of decrypted video with secret can reach more than 30 dB. The proposed scheme effectively improves the embedding capacity and is suitable for more types of video sequences.

        Reversible Data Hiding (RDH); video encryption; histogram shifting; high-capacity; Motion Vector Difference (MVD)

        This work is partially supported by National Natural Science Foundation of China (61872384).

        CHEN Pei, born in 1998, M. S. candidate. His research interests include information hiding.

        ZHANG Shuaiwei, born in 1991,Ph. D., engineer. His research interests include information security, unmanned equipment.

        LIN Yangpin, born in 1998, M. S. candidate. His research interests include information hiding.

        NIU Ke, born in 1981,Ph. D., associate professor. His research interests include information hiding, multimedia security.

        YANG Xiaoyuan, born in 1959, professor. His research interests include information security, cryptography.

        TP309.2

        A

        1001-9081(2022)11-3633-06

        10.11772/j.issn.1001-9081.2021101722

        2021?10?09;

        2021?12?23;

        2021?12?27。

        國家自然科學(xué)基金資助項目(61872384)。

        陳培(1998—),男,福建仙游人,碩士研究生,主要研究方向:信息隱藏;張帥偉(1991—),男,陜西西安人,工程師,博士,主要研究方向:信息安全、無人裝備;林洋平(1998—),男,四川綿陽人,碩士研究生,主要研究方向:信息隱藏;鈕可(1981—),男,浙江湖州人,副教授,博士,主要研究方向:信息隱藏、多媒體安全;楊曉元(1959—),男,湖南湘潭人,教授,主要研究方向:信息安全、密碼學(xué)。

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