石方夏+任帥+張弢+索麗

摘 要：針對(duì)信息隱藏容量小及隱藏秘密信息后造成視頻比特率過快增長(zhǎng)的問題，文中提出了一種基于加權(quán)矩陣的高效視頻編碼信息隱藏算法。將HEVC視頻圖像按照四叉樹結(jié)構(gòu)劃分成塊，選取其中紋理復(fù)雜度較高的3個(gè)4×4亮度塊做lαβ分解得到3個(gè)灰度分量子圖，對(duì)α分量子圖做DCT變換，選取3個(gè)中頻系數(shù)的LSB位按塊的順序組合成1個(gè)3×3大小的矩陣作為信息隱藏區(qū)域，利用加權(quán)矩陣實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入。實(shí)驗(yàn)表明，最多修改2個(gè)DCT系數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)5 bit秘密信息的隱藏且避免了視頻比特率的過快增長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：HEVC；加權(quán)矩陣；信息隱藏；DCT

中圖分類號(hào)：TP309.2；TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

信息隱藏技術(shù)以秘密信息傳輸?shù)摹按嬖诩?jí)”安全成為網(wǎng)絡(luò)與信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用熱點(diǎn)，其中載體的選擇至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，多媒體信息自身的冗余性為信息隱藏提供了較大空間，而視頻尤其突出，不僅數(shù)據(jù)量巨大，還存在很大的冗余空間。目前，HEVC（High Efficiency Video Coding，HEVC）是最新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。與其他視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，HEVC壓縮性更好，在高清和超清等視頻應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，因此HEVC視頻圖像成為信息隱藏的首選載體[1，2]。

文獻(xiàn)[3]在HEVC標(biāo)準(zhǔn)下提出了一種消除幀內(nèi)失真漂移算法，利用歸零假設(shè)對(duì)DCT/DST系數(shù)采用不同的嵌入和提取算法，消除了幀內(nèi)失真漂移，但嵌入容量較?。晃墨I(xiàn)[4]利用幀內(nèi)4×4亮度塊預(yù)測(cè)編碼過程中的35種預(yù)測(cè)模式，依據(jù)預(yù)測(cè)模式和角度值的映射表，將預(yù)測(cè)模式映射成角度值，并通過秘密信息和預(yù)測(cè)模式角度差的映射關(guān)系，調(diào)制模式之間的角度差，完成秘密信息的嵌入，但修改預(yù)測(cè)模式極易引起視頻失真；文獻(xiàn)[5]通過建立（4，3）碼標(biāo)準(zhǔn)陣列譯表，根據(jù)陣列譯表與預(yù)測(cè)模式的關(guān)系，調(diào)制幀內(nèi)4×4亮度塊的預(yù)測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入，但在重新編碼時(shí)，修改預(yù)測(cè)模式的編碼較容易引起視頻失真。

本文提出了一種加權(quán)矩陣的HEVC信息隱藏算法。首先將HEVC視頻圖像按照四叉樹結(jié)構(gòu)劃分成塊，選取其中紋理復(fù)雜度較高的3個(gè)4×4亮度塊進(jìn)行l(wèi)αβ分解；然后選取α分量進(jìn)行DCT變換，將DCT中頻系數(shù)作為信息隱藏區(qū)域；最后把秘密信息做混沌置亂后利用加權(quán)矩陣算法進(jìn)行嵌入。算法充分利用α分量的弱能量性，使算法具有很好的不可見性，利用置亂和冗余策略使算法具有較好的魯棒性。

1 HEVC和加權(quán)矩陣的應(yīng)用

1.1 HEVC編碼單元

HEVC支持將編碼視頻劃分為若干個(gè)編碼樹單元（Coding Tree Units，CTU）。而CTU的概念從H.264視頻標(biāo)準(zhǔn)中的宏塊發(fā)展而來。將CTU按照四叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分得到編碼單元（Coding Units，CU），同一層次上4個(gè)CU的尺寸必須相等（尺寸從8×8到64×64不等）。其中，CU越大說明圖像越平緩，反之則說明圖像紋理較復(fù)雜。一個(gè)CU可以包含一個(gè)或多個(gè)預(yù)測(cè)單元（Predict Unit，PU），PU是進(jìn)行預(yù)測(cè)的基本單元。但CU到PU的劃分只能進(jìn)行一次，PU的尺寸從4×4到64×64不等。

1.2 信息隱藏算法設(shè)計(jì)

設(shè)秘密信息l是長(zhǎng)度為m的二進(jìn)制串，w=[lb（（n2+6n-3）/4）]，X為一個(gè)含有n（n為奇數(shù)）個(gè)元素的塊，Xi為塊中像素的LSB位，K是長(zhǎng)度為n的行向量，行向量K的構(gòu)造過程為K=[k1，k2，k3，...，kn]=[1，2，3，...，r-1，r，2r，3r+1，4r+2，5r+3，..，2r+（n-r-1）· （r+1）]，其中r=（n+1）/2。算法的嵌入過程為：

（1）計(jì)算，其中Ki· Xi是兩個(gè)矩陣的點(diǎn)乘；

（2）將長(zhǎng)度為m的二進(jìn)制串轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)p；

（3）計(jì)算S=p-f，若S=0，不做任何修改，若S<0，則S=S+2w；

（4）從加權(quán)矩陣K中最多尋找2個(gè)點(diǎn)，使這2個(gè)點(diǎn)之和等于S；

（5）將X中與這2個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的像素值加1。

秘密信息提取過程為，然后將p轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。

2 基于加權(quán)矩陣的HEVC信息隱藏算法

2.1 載體預(yù)處理

由于人眼對(duì)圖像平滑區(qū)噪聲敏感而對(duì)紋理復(fù)雜區(qū)噪聲不敏感，所以紋理復(fù)雜的區(qū)域較容易隱藏更多的信息，也更容易實(shí)現(xiàn)不可見性。文中采用HM12.0對(duì)圖像進(jìn)行分塊，選擇紋理復(fù)雜度較高的4×4亮度塊作為秘密信息隱藏區(qū)域。

首先把4×4亮度塊轉(zhuǎn)換成二值圖像，然后按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

其中，μ，η∈{1，2，…，k}，k=（n-1）/2，f（i，j）為n×n像素塊（0/1數(shù)據(jù)）中相對(duì)坐標(biāo)為（i，j）處的像素值，μ和η為紋理密度解析參數(shù)，μ和η的取值與紋理解析密度成反比，通常μ=1、η=1。R越大表示圖像紋理復(fù)雜度越高，所以選取3個(gè)R值比較大的4×4亮度塊。

2.2 信息隱藏與提取

2.2.1 信息隱藏

（1）采用Logistic混沌序列對(duì)秘密信息加密，讀取5 bit秘密信息mT（m1，m2，m3，m4，m5）；

（2）將秘密信息轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)m；

（3）選取3個(gè)4×4亮度塊Gi（i=1，2，3），對(duì)Gi做lαβ分解，分解出載體圖像的3個(gè)分量子圖，分別記為lh、 αh、 βh（h=1，2，3）；對(duì)αh做DCT變換得到系數(shù)矩陣αij，對(duì)αij做Zig-Zag排序生成矩陣B1×16，取3個(gè)中頻系數(shù)（B9至B11）；

（4）將Gi的中頻系數(shù)的LSB位按塊的序列號(hào)順序形成一個(gè)3×3的矩陣X；

（5）計(jì)算（其中Ki· Xi是兩個(gè)矩陣的點(diǎn)乘）；endprint

（6）計(jì)算S=m-f，若S=0，無需修改任何像素，若S<0，則S=S+32；

（7）在矩陣K中最多尋找2個(gè)值，使這2個(gè)值的和等于S；

（8）將矩陣X中與這2個(gè)值對(duì)應(yīng)位置的值加1。

例如，3個(gè)4×4亮度塊的DCT系數(shù)為{0.4，0.5，0.6}，取其LSB位數(shù)構(gòu)成矩陣X，秘密m=（11111）2=（31）10。

31-27=4，在矩陣K中第2行第1列的數(shù)為4，將矩陣X第2行第1列的數(shù)加1變成5。修改后的DCT系數(shù)就變成了{(lán)0.4，0.5，0.6}、{0.5，0.5，0.6}、{0.4，0.5，0.6}，僅僅修改了一個(gè)DCT系數(shù)，便實(shí)現(xiàn)了5 bit秘密信息的隱藏。

秘密信息獲取時(shí)，取DCT系數(shù)的LSB位構(gòu)成系數(shù)矩陣X。

2.2.2 信息提取

（1）選取3個(gè)4×4亮度塊（i=1，2，3），對(duì)其做DCT變換得到系數(shù)矩陣αij，對(duì)αij做Zig-Zag排序生成矩陣B1×16，取3個(gè)中頻系數(shù)（B9至B11）；

（2）將中頻系數(shù)的LSB位按塊的序列號(hào)順序排成一個(gè)3×3的矩陣X；

（3），將p轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)；

（4）將置亂的含密信息做混沌系列變化，得到含密圖像。

3 性能分析及實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 不可見性實(shí)驗(yàn)

本文算法在HEVC的參考軟件HM12.0上進(jìn)行了算法仿真。參考軟件的主要編碼配置參數(shù)見表1所列，其余參數(shù)均采用默認(rèn)參數(shù)。圖1分別給出了秘密信息嵌入前后的視頻圖像。通過圖像，我們可發(fā)現(xiàn)此算法對(duì)視頻的質(zhì)量幾乎沒有影響。

圖2所示為隱秘信息嵌入前后PSNR值的曲線圖。從圖中可以看出，嵌入前后PSNR值變化微小，人的肉眼看不出明顯差別。

圖3所示為本算法與文獻(xiàn)[6]的PSNR差值圖。文獻(xiàn)[6]是在4個(gè)連續(xù)4×4亮度塊中通過修改一個(gè)預(yù)測(cè)模式編碼實(shí)現(xiàn)的3 bit秘密信息嵌入。由于修改預(yù)測(cè)模式編碼會(huì)對(duì)圖像紋理造成一定的影響，從而影響視頻的客觀質(zhì)量，而本文最多只修改2位DCT系數(shù)，所以引起的PSNR變化并不大。

3.2 性能對(duì)比

表2所列為QP=26時(shí)測(cè)試序列的性能結(jié)果。為了進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，文中選擇了與文獻(xiàn)[6]相同的5個(gè)不同分辨率的測(cè)試序列。

表2中BRI為編碼比特率，DPSNR為視頻的客觀質(zhì)量，HBQ為嵌入容量。“-”表示嵌入秘密信息后，相對(duì)于原始圖像性能降低。通過對(duì)比可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)算法的編碼比特率相近，但本算法的DPSNR相對(duì)更低，原因在于文獻(xiàn)[6]修改的是預(yù)測(cè)模式編碼，因此視頻的客觀質(zhì)量相對(duì)于本算法修改DCT系數(shù)后的質(zhì)量要差。在HBQ方面，本算法的容量高于文獻(xiàn)[6]，文獻(xiàn)[6]在4個(gè)4×4亮度塊中嵌入了3 bit信息，而本文是在3個(gè)4×4亮度塊中嵌入了5 bit信息。通過以上分析可得出結(jié)論，即本文算法在嵌入秘密信息后對(duì)視頻的影響小，且嵌入容量大。

4 結(jié) 語

本文利用HEVC視頻作為信息隱藏的載體，提出了基于加權(quán)矩陣的HEVC視頻信息隱藏算法，本算法的加權(quán)矩陣系數(shù)分散在3個(gè)塊中，不易被截獲，具有較高的魯棒性；除此之外，本算法還擁有較高容量：最多修改2個(gè)DCT系數(shù)就可實(shí)現(xiàn)5 bit秘密信息的隱藏，同時(shí)還避免了視頻比特率的過快增長(zhǎng)。嵌入與提取秘密信息操作簡(jiǎn)單，具有普遍適用性。

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