楊潔，李松斌，鄧浩江

（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所國家網(wǎng)絡(luò)新媒體工程技術(shù)研究中心，北京 100190）

基于幀內(nèi)預(yù)測模式調(diào)制的HEVC信息隱藏方法

楊潔，李松斌，鄧浩江

（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所國家網(wǎng)絡(luò)新媒體工程技術(shù)研究中心，北京 100190）

為了進(jìn)一步提高HEVC信息隱藏過程中的嵌入效率，提出了一種HEVC幀內(nèi)預(yù)測模式調(diào)制的信息隱藏方法。該方法根據(jù)密鑰生成每個(gè)CTU的空間點(diǎn)陣維數(shù)N（N=2，3，4），利用幀內(nèi)預(yù)測模式選取規(guī)則選出N個(gè)頂角處的幀內(nèi)預(yù)測模式，通過空間點(diǎn)陣映射算法計(jì)算出映射值F；然后從秘密信息比特文件中讀取N個(gè)比特，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)D。實(shí)現(xiàn)了在N個(gè)幀內(nèi)預(yù)測模式中最多改變一個(gè)模式即可嵌入N個(gè)比特秘密信息。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法具有高嵌入效率、小碼率增加以及視頻質(zhì)量幾乎沒有下降的特性，通過抗隱寫實(shí)驗(yàn)證實(shí)所提方法有高隱蔽性。

HEVC；信息隱藏；幀內(nèi)預(yù)測模式；空間點(diǎn)陣

視頻信息隱藏方法根據(jù)秘密信息嵌入位置的不同，可大致分為兩類：一是在原始圖像或視頻中嵌入秘密信息；二是在圖像或視頻編碼過程中嵌入秘密信息。第一類方法一般對視頻幀像素進(jìn)行操作，按照一定嵌入強(qiáng)度把秘密信息隱藏在像素中。視頻為運(yùn)動(dòng)圖像，該類方法的實(shí)質(zhì)是圖像信息隱藏。該方法直觀、易于理解，但不能很好地抵抗壓縮編碼，即壓縮編碼后嵌入的信息可能丟失，而且，由于在像素上直接操作嵌入秘密信息，會(huì)造成視頻較大失真。第二類方法將信息嵌入到圖像視頻編碼處理過程中，即在編碼的過程中結(jié)合編碼標(biāo)準(zhǔn)某方面的特性進(jìn)行信息的嵌入。

HEVC（high efficiency video coding）是目前最新、最高效的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)［1］，基于HEVC信息隱藏的相關(guān)研究還處在起步階段?，F(xiàn)有的HEVC信息隱藏方法都是在編碼過程中進(jìn)行的。Wang等［2～5］針對幀內(nèi)預(yù)測模式進(jìn)行了信息隱藏，文獻(xiàn)［2］利用最優(yōu)預(yù)測模式和次優(yōu)預(yù)測模式的統(tǒng)計(jì)概率分布，構(gòu)建預(yù)測模式與秘密信息映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)信息隱藏；文獻(xiàn)［3］利用分組碼實(shí)現(xiàn)平均修改1.25個(gè)預(yù)測模式，在4個(gè)連續(xù)的4×4亮度塊中嵌入3 bit秘密信息；文獻(xiàn)［4］建立預(yù)測模式角度差和秘密信息之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)在4×4亮度塊中的信息隱藏；隨后，在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［5］利用Hamming+1減小碼率增量和視頻質(zhì)量下降。Van等［6］通過調(diào)制DCT系數(shù)和運(yùn)動(dòng)矢量殘差值實(shí)現(xiàn)信息隱藏，文獻(xiàn)［7～9］在HEVC編碼過程中通過DCT或DST系數(shù)調(diào)制隱藏秘密信息。針對HEVC熵編碼過程，Jiang等［10］提出了CBIB概念，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)矢量殘差中的CBIB，基于CABAC進(jìn)行信息隱藏，同時(shí)不會(huì)引起碼率增加。

針對HEVC幀內(nèi)預(yù)測模式，本文提出一種嵌入效率更高的信息隱藏算法，實(shí)現(xiàn)在N個(gè)預(yù)測模式中最多修改一個(gè)預(yù)測模式即可嵌入N bit秘密信息。本文以一個(gè)編碼樹單元作為信息隱藏算法的處理對象，在編碼樹單元中選取N（N是通過密鑰生成的隨機(jī)數(shù)）個(gè)預(yù)測模式作為待嵌入載體，然后根據(jù)本文提出的空間點(diǎn)陣方法將待嵌入載體N個(gè)一組映射成2N進(jìn)制數(shù)，通過比對映射值與待嵌入秘密信息的關(guān)系來確定是否調(diào)制預(yù)測模式，實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入。嵌入和提取的過程簡單、快速，并且具有很好的透明性、隱蔽性和安全性。在獲得較高嵌入率的同時(shí)，碼流的比特率僅有少量增加，對視頻的主客觀質(zhì)量沒有造成必然影響。

2 HEVC幀內(nèi)預(yù)測

2.1 HEVC劃分技術(shù)

空間域上的方向性幀內(nèi)預(yù)測是H.264首次引入且獨(dú)有的高效編碼技術(shù)，可以較好地預(yù)測像素在空間域的相關(guān)性并捕獲圖像的空間紋理結(jié)構(gòu)特性，使H.264的幀內(nèi)編碼比之前的編碼標(biāo)準(zhǔn)更高效。HEVC也采用了空間域上的基于方向預(yù)測的幀內(nèi)編碼方法。但是，為了更加靈活和高效地捕獲圖像的局部紋理特征，HEVC采用了更加精細(xì)的方向劃分和更加精確的預(yù)測值生成算法，在更大程度上降低了幀內(nèi)預(yù)測殘差的能量，從而獲得更高的編碼效率。

圖1 CTU的PU樹結(jié)構(gòu)

2.2 亮度幀內(nèi)預(yù)測模式取值

亮度幀內(nèi)預(yù)測模式由2種提案中的幀內(nèi)預(yù)測模式簡化構(gòu)成：任意方向幀內(nèi)預(yù)測方法（ADI，arbitrary direction intra）和角度幀內(nèi)預(yù)測方法（AIP，angular intra prediction），HEVC稱其為簡化的統(tǒng)一化幀內(nèi)預(yù)測（simplified unified intra prediction），每種大小的PU都對應(yīng)35種預(yù)測模式，所有預(yù)測模式的參考像素都是使用當(dāng)前預(yù)測單元上面和左邊相鄰的像素經(jīng)線性插值得到的亞像素。圖2給出了PU塊大小為32×32時(shí)的33種方向預(yù)測分布情況（不包含DC模式和Planar模式）。

1 32

圖2 幀內(nèi)預(yù)測模式

3 預(yù)測模式空間的構(gòu)造與候選預(yù)測模式集生成

設(shè)預(yù)測模式列表為PML=｛P1, P2,…,Pm｝，從列表中取出N（ N≤m）個(gè)預(yù)測模式構(gòu)成一個(gè)N元組：τ=（x1， x2，…，xN），其中，xi（ i≤N）表示從PML取出的某個(gè)預(yù)測模式。

以τ為坐標(biāo)集，xi為第i維坐標(biāo)，可以構(gòu)造出一個(gè)N維立體空間，稱為預(yù)測模式空間，用Γ表示。顯然，對于任意給定的N元組τ，它對應(yīng)Γ中的一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)的值用函數(shù)f（ x1, x2,…,xN）表示。所有?？臻g中的點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)N維空間點(diǎn)陣。

圖3 預(yù)測模式空間構(gòu)造結(jié)果部分示例（N=3）

下面給出對Γ中每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行賦值的方法。

Step 1 對Γ空間中第一維數(shù)軸上的點(diǎn)進(jìn)行賦值：f（ x1）=x1mod2N。

Step 2 將第一維數(shù)軸上點(diǎn)的值擴(kuò)散到二維平面f（ x1， x2）=（f（ x1）+x2）mod2N。

Step 3 將二維平面上點(diǎn)的值擴(kuò)散到三維空間f（ x1， x2， x3）=（f（ x1， x2）+x3）mod2N。

……

Step N 將N-1維空間上點(diǎn)的值擴(kuò)散到N維空間f（ x1, x2,…,xN）=（f（ x1, x2,…,xN-1）+xN）mod2N。

圖3給出了當(dāng)N=3時(shí)按上述方法所構(gòu)造的預(yù)測模式空間部分示例。

根據(jù)上述方法得到的空間點(diǎn)陣如圖3所示，稱該賦值方法為預(yù)測模式空間點(diǎn)陣循環(huán)編碼。下面證明Γ具有如下重要性質(zhì)。

定理1 采用預(yù)測模式空間點(diǎn)陣循環(huán)編碼得到的N維空間點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)的值可簡化表示為

證明 根據(jù)上文空間點(diǎn)陣中點(diǎn)的循環(huán)賦值方法，可得

下面證明（x1mod2N+x2）mod2N=（x1+x）2mod2N。

令（x1mod 2N+ x2）mo d 2N=J 可得x1mod 2N+ x2=J+M 2N，M為非負(fù)整數(shù)，即x1mod 2N=J+ M2N-x2，得x1=J +M 2N-x2+K 2N，K為非負(fù)整數(shù)，將x1代入到（x1+ x2）mo d 2N得

即得

以此類推式，式（1）可進(jìn)行如下變換

即得

定理2 任意給定一個(gè)正整數(shù)D∈｛0，1，2,…, 2N-1｝以及τ=（x1， x2，…，xN），對任意選定的空間點(diǎn)陣的第i個(gè)維度，當(dāng)該維度的坐標(biāo)xi可調(diào)時(shí)，可至少找到一個(gè)點(diǎn)，使f（ x1， x2，…，xN）=D。

證明 由定理1可得

下面首先證明對于第一個(gè)維度上述定理成立。

因此有x1′=D+2NK-（x2+x3+…+xN），K為非負(fù)整數(shù)，下面證明這樣的x1′存在。

用同樣的方法可證明，其他維度上述定理仍然成立，對第i個(gè)維度可計(jì)算得到候選模式集Si。所有維度的候選模式集構(gòu)成嵌入正整數(shù)D時(shí)的可選預(yù)測模式集，用Ω表示。

4 信息的嵌入與提取過程

本文所提信息隱藏算法利用預(yù)測模式N元組τ在點(diǎn)陣空間中的映射值與二值化后待嵌入秘密信息比特塊之間的預(yù)測關(guān)系，將信息嵌入到I幀（關(guān)鍵幀）中亮度分量的某些預(yù)測單元中。本文所提信息隱藏算法如圖4所示。本文以CTU為基本單位進(jìn)行信息嵌入，嵌入前首先對視頻序列進(jìn)行預(yù)編碼，確定最優(yōu)的編碼樹結(jié)構(gòu)及每個(gè)PU的最優(yōu)預(yù)測模式；然后根據(jù)密鑰選取符合給定規(guī)則的PU形成PML，作為信息隱藏載體；將要嵌入的秘密信息進(jìn)行加密并二值化；根據(jù)上文定義的方法，每次從PML中取N個(gè)預(yù)測模式形成N元組τ，從二值化秘密信息中取出N個(gè)比特并將其轉(zhuǎn)化為正整數(shù)D，使用上文介紹的候選模式集生成規(guī)則確定嵌入D時(shí)的可選預(yù)測模式集Ω；根據(jù)已經(jīng)確定的編碼樹結(jié)構(gòu)和Ω，基于率失真優(yōu)化技術(shù)，在Ω中選擇一個(gè)與最低率失真值夾角最小的預(yù)測模式作為最終預(yù)測模式并輸出到碼流中，這樣就得到了隱藏信息后的HEVC視頻流。下面對算法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖4 本文信息隱藏算法流程

4.1 嵌入條件與預(yù)測單元選取

本文的預(yù)測單元選取與預(yù)測單元所在圖像區(qū)域的紋理有關(guān)。在視頻幀的平坦區(qū)域進(jìn)行信息嵌入對視頻的影響較大，這是因?yàn)槠教箙^(qū)域最優(yōu)預(yù)測方向?qū)?yīng)的率失真往往遠(yuǎn)低于其他預(yù)測方向，修改該預(yù)測模式引入附加失真也將較大；相反，在紋理復(fù)雜區(qū)域，各個(gè)預(yù)測模式的率失真值相差較小，進(jìn)行修改影響不大。本文引入一個(gè)簡單的規(guī)則來判定某個(gè)PU是否屬于紋理復(fù)雜區(qū)域，圖像平坦區(qū)域一般CTU包含的PU較少，因此，本文將CTU包含的PU數(shù)量作為判斷該CTU是否進(jìn)行信息隱藏的一個(gè)條件，只有PU數(shù)量超過預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，該CTU才可進(jìn)行信息隱藏。

根據(jù)信息安全的一般法則，假設(shè)本文的信息隱藏算法是公開的，算法的安全性主要依靠用戶的密鑰來保障。因此，本文假設(shè)進(jìn)行信息隱藏的用戶擁有一個(gè)密鑰E，它由多位數(shù)字組成。為了使用戶可以靈活地控制信息嵌入的規(guī)模，本文還引入了嵌入強(qiáng)度，用e表示，它是一個(gè)小數(shù)，值域?yàn)椋?，1］，表示當(dāng)前CTU進(jìn)行信息隱藏的概率。在每個(gè)CTU進(jìn)行信息隱藏之前，由隨機(jī)小數(shù)生成器G生成一個(gè)小數(shù)r，其中0≤r≤1；若r≤e，則當(dāng)前CTU將進(jìn)行信息隱藏；反之，當(dāng)前CTU不進(jìn)行信息隱藏。因此，本文對預(yù)測單元的選取包含2個(gè)層次：確定CTU層和PU層。具體過程可參看下文嵌入過程。

基于上述方法得到的視頻測試序列可嵌入PU，示例如圖5所示（黑色加粗矩形框表示一個(gè)CTU，白色塊表示載體PU），其中每個(gè)CTU最多嵌入4 bit信息，且在CTU的4個(gè)子塊的左上頂角PU上。由于修改預(yù)測模式后，CTU結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，如果結(jié)構(gòu)變化很大，會(huì)導(dǎo)致秘密信息提取很復(fù)雜或不能正確提取，因此本文選擇在子塊的左上頂角PU作為載體，如果4個(gè)子塊的PU經(jīng)過調(diào)制后的預(yù)測模式相同，認(rèn)為此次嵌入失敗，該CTU不進(jìn)行信息嵌入。

圖5 選中的PU示例

4.2 信息的嵌入

信息嵌入算法如下。

Step 1 以密鑰E作為種子，初始化隨機(jī)數(shù)小數(shù)生成器G，設(shè)定初始化嵌入失敗標(biāo)志W(wǎng)為0。

Step 2 編碼端取一個(gè)CTU，由G生成一個(gè)隨機(jī)小數(shù)r，如果r≤e，則轉(zhuǎn)入下一步，否則，跳到Step9。

Step 3 若W為0，計(jì)算當(dāng)前CTU的空間維度數(shù)N=［int100r ］mod3+2，否則，N值繼續(xù)使用上一個(gè)CTU的值。

Step 4 若W為0，從私密信息比特流中取N個(gè)比特，計(jì)算出它們對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)D，否則，D繼續(xù)使用上一個(gè)CTU的值。

Step 6 若F≠D，則固定p1， p2，…，pN中的N-1個(gè)，對剩下的一個(gè)在其候選預(yù)測模式中選擇進(jìn)行修改，使新的F′=D，從所有修改中找出修改角度最小的一個(gè)作為最終修改方案。若F=D，則執(zhí)行Step 8。

Step 7 進(jìn)行二次編碼，二次編碼中根據(jù)新的頂角預(yù)測模式修正幀內(nèi)預(yù)測結(jié)果。

Step 8 判斷整個(gè)CTU的預(yù)測模式是否都等于第一個(gè)幀內(nèi)預(yù)測模式的值，若等于，則設(shè)置失敗標(biāo)志W(wǎng)為1，否則，設(shè)置為0。

Step 9 判斷是否所有CTU都已執(zhí)行完畢，若沒有則返回Step 2，否則，結(jié)束。

4.3 信息的提取

在本文算法中，對隱藏信息的提取操作簡單、快速，僅解碼碼流中的幀內(nèi)預(yù)測模式信息即可實(shí)現(xiàn)信息提取，而不必完整的視頻解碼，也不必提供原始媒體信息。具體過程如下。

Step 1 以密鑰E作為種子，初始化隨機(jī)數(shù)小數(shù)生成器G，設(shè)定初始化嵌入失敗標(biāo)志W(wǎng)為0。

Step 2 解碼端取一個(gè)CTU，由G生成一個(gè)隨機(jī)小數(shù)r，如果r≤e，則轉(zhuǎn)入下一步，否則，跳到Step 6。

Step 3 若W為0，計(jì)算當(dāng)前CTU的空間維度數(shù)N=［int100r ］mod3+2，否則，N值繼續(xù)使用上一個(gè)CTU的值。

Step 5 將F轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制比特，寫進(jìn)私密信息文件。

Step 6 判斷是否所有CTU都已執(zhí)行完畢，若沒有則返回Step 2，否則結(jié)束。

5 實(shí)驗(yàn)

為了充分評論本文方法的性能，本文從隱寫算法對視頻質(zhì)量的影響、碼率增量、嵌入效率以及抗隱寫分析4個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在評估的過程中，引入方法Hamming+1中的嵌入規(guī)則作為在本文選取的預(yù)測模式上進(jìn)行秘密信息的嵌入對比。

5.1 實(shí)驗(yàn)說明

本文方法在HEVC的參考軟件HM14.0上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，選取了6個(gè)常用的測試序列：BasketballDrive、 BQTerrace、Cactus、 Kimono1、ParkScene、Tennis，采用全I(xiàn)幀編碼方式。為了更全面地評價(jià)本文算法，本文測試了本文算法嵌入強(qiáng)度為0.2、0.5和1.0時(shí)對各指標(biāo)的影響。為了便于敘述，本文以CLEAN、ME0.2、ME0.5、ME1.0分別表示未嵌入和3種不同嵌入強(qiáng)度的本文算法。

5.2 視頻質(zhì)量分析

圖6是Cactus_1920x1080_5序列在不同嵌入率下依據(jù)本文算法嵌入前后部分圖像截取，其中，純黑色塊是選取的PU塊，白色塊是修改了幀內(nèi)預(yù)測模式的PU塊。由圖6可知，隨著嵌入率的提升，圖像塊中被選取作為載體的PU預(yù)測模式增多，而載體實(shí)際修改量很小，因此本文算法對視頻質(zhì)量影響極小，下面從視頻質(zhì)量主觀評價(jià)和客觀評價(jià)2個(gè)方面進(jìn)行說明。

圖6 不同嵌入率隱寫前后，部分圖像預(yù)測模式的變化情況

圖7 視頻圖像隱寫前后對照

首先從視頻質(zhì)量主觀評價(jià)進(jìn)行分析，圖7為各個(gè)序列嵌入秘密信息前后的對比圖像。從圖7可以發(fā)現(xiàn)本文算法在嵌入強(qiáng)度為1.0時(shí)對視頻的主觀視覺感官并沒有產(chǎn)生明顯影響，與隱寫算法Hamming+1相比，主觀感受沒有明顯差別。下面從嵌入前后PSNR變化來分析本文算法對視頻的客觀影響，其結(jié)果如圖8所示。

從圖8（a）和圖8（b）可以看出，隨著嵌入強(qiáng)度的增加，PSNR略有下降。在實(shí)驗(yàn)的過程中，本文在嵌入相同數(shù)量的秘密信息時(shí)，對比ME1.0和Hamming+1這2種方法，其PSNR變化如圖8（c）和圖8（d）所示，PSNR下降都很小，并且ME1.0和Hamming+1對PSNR的影響很接近。此外，由圖8可知，PU數(shù)量閾值對PSNR的影響也很小，因此可以通過減小PU數(shù)量閾值來增大嵌入載體數(shù)量。總的來說，采用本文方法嵌入秘密信息后，視頻的客觀質(zhì)量并沒有明顯下降。

5.3 碼率分析

信息隱藏的過程中調(diào)制了PU的幀內(nèi)預(yù)測模式，這種情況通常會(huì)引起壓縮碼率的增加。圖9列出了6個(gè)HEVC序列在采用3種不同嵌入強(qiáng)度進(jìn)行秘密信息嵌入和采用Hamming+1規(guī)則嵌入秘密信息后的視頻壓縮碼率情況，其中，在嵌入相同數(shù)量的秘密信息時(shí)對比了ME1.0和Hamming+1這2種方法的碼率變化情況。

由圖9可以得到與PSNR變化情況相似的結(jié)論，即隨著嵌入強(qiáng)度的增加，碼率增量逐漸變大，ME1.0和Hamming+1這2種方法的碼率增量相當(dāng)且均較小。

5.4 嵌入效率分析

本節(jié)從隱寫嵌入率（HR）、修改率（CR）和嵌入效率（EE）對本文方法進(jìn)行分析。設(shè)載體數(shù)量為N，嵌入秘密信息長度為M，對載體修改的個(gè)數(shù)為K，則HR、CR、EE為

圖8 不同隱寫方法及不同PU數(shù)量閾值下的PSNR變化

圖9 不同隱寫方法及不同PU數(shù)量閾值下的碼率變化

表1 本文算法在不同嵌入強(qiáng)度下的嵌入效率

表1列出了PU數(shù)量閾值為24的情況下，使用3種嵌入強(qiáng)度對6個(gè)HEVC視頻序列進(jìn)行信息隱藏的分析。從表1可以看出，隨著嵌入強(qiáng)度的增加，嵌入比特?cái)?shù)隨之增加，對HR、CR、EE影響很小。本文實(shí)驗(yàn)了在PU數(shù)量閾值為16的情況，其結(jié)果相比PU數(shù)量閾值為24時(shí)，嵌入比特?cái)?shù)有所增加，這是因?yàn)殡S著PU數(shù)量閾值的下降，秘密信息載體數(shù)量會(huì)增加，嵌入比特?cái)?shù)隨之增加。另外，本文實(shí)驗(yàn)了Hamming+1方法，由于該方法是在4個(gè)載體中嵌入3 bit秘密信息，因此，對比實(shí)驗(yàn)在CTU的4個(gè)子塊頂角PU均作為載體的情況下進(jìn)行，6個(gè)視頻的平均結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法的嵌入效率對比結(jié)果

由表2可知，本文方法具有更高的隱寫嵌入率和嵌入效率以及更低的修改率，從理論的角度也可以得到相應(yīng)的結(jié)論。Hamming+1隱寫嵌入率為，即在4個(gè)載體中嵌入3個(gè)比特秘密信息，同時(shí)調(diào)制一個(gè)載體；本文方法隱寫嵌入率為，即在4個(gè)載體中可以嵌入4個(gè)比特秘密信息，同時(shí)最多調(diào)制一個(gè)載體。

表3 不同嵌入強(qiáng)度下信息隱藏檢測結(jié)果

5.5 抗隱寫分析

本節(jié)對本文嵌入方法的抗隱寫性能進(jìn)行評估。一個(gè)優(yōu)秀的信息隱藏算法被隱寫分析算法成功檢測的概率比較低。因此，抵抗隱寫檢測性能是信息隱藏算法評估的重要指標(biāo)，本文采用文獻(xiàn)［12］的隱寫檢測算法對本文方法進(jìn)行抗攻擊性能評估。

對每一個(gè)序列，首先編碼后再解碼得到原始載體的樣本數(shù)據(jù)；然后在編碼過程中運(yùn)用本文嵌入算法，修改嵌入率、PU數(shù)閾值，接著解碼得到不同對照組隱寫后的樣本數(shù)據(jù)。完成以上步驟之后，使用文獻(xiàn)［12］的方法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行隱寫檢測，判斷樣本數(shù)據(jù)是否被嵌入秘密信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以發(fā)現(xiàn)本文算法隱寫檢測成功概率均小于60%，說明本文信息隱藏算法具有很高的隱蔽性。這是因?yàn)楸疚姆糯髮瑑?nèi)預(yù)測模式的修改非常少，即便修改也是在保證預(yù)測方向最小的角度修改，因此運(yùn)用本文信息隱藏方法進(jìn)行秘密信息嵌入解碼后得到的圖像序列，與未隱寫直接解碼的圖像序列差別不是很大，所以本文信息隱藏算法是一個(gè)高隱蔽性的安全信息隱藏算法。

6 結(jié)束語

本文提出了一種HEVC幀內(nèi)預(yù)測模式調(diào)制的信息隱藏方法，實(shí)現(xiàn)了在N個(gè)幀內(nèi)預(yù)測模式中最多改變一個(gè)模式即可嵌入N bit秘密信息。本文具有靈活的嵌入方式，根據(jù)情況設(shè)置N的大小和PU數(shù)量閾值大小來控制嵌入容量和嵌入效率。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法具有高嵌入效率、小碼率增加以及視頻質(zhì)量幾乎沒有下降的特性，同時(shí)本文方法具有高隱蔽性。由于本文方法需要重編碼且只選擇了部分預(yù)測模式作為信息隱藏載體，時(shí)間開銷高且嵌入容易有限，在接下來的研究中，將重點(diǎn)從這2個(gè)方面進(jìn)行更深入的研究。

［1］ SULLIVAN G J， OHM J R， HAN W J， et al. Overview of the high efficiency video coding （HEVC） standard［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2012， 22（12）：1649-1668.

［2］ WANG J J， WANG R D， LI W， et al. A large-capacity information hiding method for HEVC video［C］//The 3rd International Conference on Computer Science and Service System. 2014： 934-937.

［3］ WANG J J， WANG R D， LI W， et al. An information hiding algorithm for HEVC based on intra-prediction mode and block code［J］. Sensors & Transducers， 2014，117（8）： 230-237.

［4］ WANG J J， WANG R D， XU D W， et al. An information hiding algorithm for HEVC based on angle differences of intra prediction mode［J］. Journal of Software， 2015，10（2）：213-221.

［5］ XU J， WANG R D， HUANG ML. An information hiding algorithm for HEVC based on intra-prediction modes and Hamming+1［J］. Journal of Computational Information Systems， 2015，11（15）： 5587-5598.

［6］ VAN L P， PRAETER J D， WALLENDAEL G V， et al. Out-of-the-loop information hiding for HEVC video［C］//2015 IEEE International Conference on Image Processing （ICIP）. 2015：3610-3614.

［7］ TEW Y Q， WONG K. Information hiding in HEVC standard using adaptive coding block size decision［C］//2014 IEEE International Conference on Image Processing （ICIP）. 2014：5502-5506.

［8］ CHANG P C， CHUNG K L， CHEN J J， et al. A DCT/DST-based error propagation-free data hiding algorithm for HEVC intra-coded frames［J］. Journal of Visual Communication and Image Representation， 2014， 25（2）： 239-253.

［9］ ZHANG X Y， AU O C， PANG C， et al. Additional sign bit hiding of transform coefficients in HEVC［C］//2013 IEEE International Conference on Multimedia and Expo Workshops （ICMEW）. 2013： 1-4.

［10］ JIANG B， YANG G B， CHEN W B. A CABAC based HEVC video steganography algorithm without bitrate increase［J］Journal of Computational Information Systems， 2015， 11（6）：2121-2130.

［11］ KIM I K， MIN J， LEE T， et al. Block partitioning structure in the HEVC standard［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2012，22（12）：1697-1706.

［12］ PEVNY T， BAS P， FRIDRICH J. Steganalysis by subtractive pixel adjacency matrix［J］. IEEE Transactions on Information Forensics and Security， 2010，5（2）：215-224.

楊潔（1989-），男，重慶開縣人，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所博士生，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w信號(hào)處理和信息隱藏。

李松斌（1989-），男，福建漳州人，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所副研究員、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w信號(hào)處理與取證。

鄧浩江（1971-），男，北京人，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字音視頻處理、寬帶多媒體通信、模式識(shí)別。

HEVC information hiding approach based on intra prediction modes modulation

YANG Jie， LI Song-bin， DENG Hao-jiang
（National Network New Media Engineering Research Center， Institute of Acoustics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

For further improving the embedding efficiency in the processing of HEVC information hiding， a method for HEVC information hiding based on intra prediction models modulation was proposed. The space lattice dimension N （N = 2， 3， 4） of each CTU was generated according to the key. The selection rule of intra prediction mode was utilized to select N modes which were located at vertex angle. The N modes were mapped to the value F through the space lattice mapping algorithm. Then N bits secret information were read from the bit file and converted to a decimal number D. In this way， N secret information bits were embedded in N intra prediction modes by modifying at most one mode. The experimental results approve that the proposed method has high embedding efficiency， small rate increase and minimal influence on the video quality and the anti-steganalysis experiment confirms that the proposed method has high concealment.

HEVC， information hiding， intra prediction modes， space lattice

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字多媒體技術(shù)的日益成熟，特別是網(wǎng)絡(luò)流媒體的迅速發(fā)展，圖像、音頻、視頻等多媒體的傳輸和交換變得非?？旖莘奖恪Ｒ曨l信息因其直觀性、確定性和高效性等特點(diǎn)，逐漸取代音頻和圖像成為多媒體通信的主流。信息隱藏是把特定的信息隱藏在另一個(gè)稱為載體（cover）的信息中，以得到隱蔽載體（stego cover）的過程，信息隱藏以其獨(dú)特的安全特性、不可見性、頑健性等，已廣泛應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)和隱蔽通信。信息隱藏在各種不同的載體中，視頻是最為廣泛使用的載體。

s： The National Natural Science Foundation of China （No.61303249）， The Application Technology and Development Project of Hainan Province （No.ZDXM2015103）， The Scientific Research Foundation Project of Haikou Laboratory，Institute of Acoustics， Chinese Academy of Sciences （No.IOAHN201601）

TP309.2

A

10.11959/j.issn.2096-109x.2016.00098

2016-07-02；

2016-08-26。通信作者：李松斌，lisongbin_work@126.com

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61303249）；海南省應(yīng)用技術(shù)開發(fā)基金資助項(xiàng)目（No.ZDXM2015103）；中科院聲學(xué)所南海站科研基金資助項(xiàng)目（No.IOAHN201601）