基于加權矩陣的HEVC信息隱藏算法

石方夏+任帥+張弢+索麗

摘 要：針對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的問題，文中提出了一種基于加權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構劃分成塊，選取其中紋理復雜度較高的3個4×4亮度塊做lαβ分解得到3個灰度分量子圖，對α分量子圖做DCT變換，選取3個中頻系數(shù)的LSB位按塊的順序組合成1個3×3大小的矩陣作為信息隱藏區(qū)域，利用加權矩陣實現(xiàn)秘密信息的嵌入。實驗表明，最多修改2個DCT系數(shù)就可以實現(xiàn)5 bit秘密信息的隱藏且避免了視頻比特率的過快增長。

關鍵詞：HEVC；加權矩陣；信息隱藏；DCT

中圖分類號：TP309.2；TP301.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

信息隱藏技術以秘密信息傳輸?shù)摹按嬖诩墶卑踩蔀榫W(wǎng)絡與信息安全領域的應用熱點，其中載體的選擇至關重要。現(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準。與其他視頻壓縮標準相比，HEVC壓縮性更好，在高清和超清等視頻應用領域發(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[3]在HEVC標準下提出了一種消除幀內(nèi)失真漂移算法，利用歸零假設對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，但嵌入容量較小；文獻[4]利用幀內(nèi)4×4亮度塊預測編碼過程中的35種預測模式，依據(jù)預測模式和角度值的映射表，將預測模式映射成角度值，并通過秘密信息和預測模式角度差的映射關系，調(diào)制模式之間的角度差，完成秘密信息的嵌入，但修改預測模式極易引起視頻失真；文獻[5]通過建立（4，3）碼標準陣列譯表，根據(jù)陣列譯表與預測模式的關系，調(diào)制幀內(nèi)4×4亮度塊的預測模式，實現(xiàn)秘密信息的嵌入，但在重新編碼時，修改預測模式的編碼較容易引起視頻失真。

本文提出了一種加權矩陣的HEVC信息隱藏算法。首先將HEVC視頻圖像按照四叉樹結構劃分成塊，選取其中紋理復雜度較高的3個4×4亮度塊進行l(wèi)αβ分解；然后選取α分量進行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矩陣算法進行嵌入。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和加權矩陣的應用

1.1 HEVC編碼單元

HEVC支持將編碼視頻劃分為若干個編碼樹單元（Coding Tree Units，CTU）。而CTU的概念從H.264視頻標準中的宏塊發(fā)展而來。將CTU按照四叉樹結構進行劃分得到編碼單元（Coding Units，CU），同一層次上4個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雜。一個CU可以包含一個或多個預測單元（Predict Unit，PU），PU是進行預測的基本單元。但CU到PU的劃分只能進行一次，PU的尺寸從4×4到64×64不等。

1.2 信息隱藏算法設計

設秘密信息l是長度為m的二進制串，w=[lb（（n2+6n-3）/4）]，X為一個含有n（n為奇數(shù)）個元素的塊，Xi為塊中像素的LSB位，K是長度為n的行向量，行向量K的構造過程為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）計算，其中Ki· Xi是兩個矩陣的點乘；

（2）將長度為m的二進制串轉換成十進制數(shù)p；

（3）計算S=p-f，若S=0，不做任何修改，若S<0，則S=S+2w；

（4）從加權矩陣K中最多尋找2個點，使這2個點之和等于S；

（5）將X中與這2個點對應位置的像素值加1。

秘密信息提取過程為，然后將p轉換成二進制數(shù)。

2 基于加權矩陣的HEVC信息隱藏算法

2.1 載體預處理

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

首先把4×4亮度塊轉換成二值圖像，然后按式（1）進行計算：

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)）中相對坐標為（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雜度越高，所以選取3個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）將秘密信息轉換成十進制數(shù)m；

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

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

（5）計算（其中Ki· Xi是兩個矩陣的點乘）；endprint

（6）計算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個值，使這2個值的和等于S；

（8）將矩陣X中與這2個值對應位置的值加1。

例如，3個4×4亮度塊的DCT系數(shù)為{0.4，0.5，0.6}，取其LSB位數(shù)構成矩陣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{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DCT系數(shù)，便實現(xiàn)了5 bit秘密信息的隱藏。

秘密信息獲取時，取DCT系數(shù)的LSB位構成系數(shù)矩陣X。

2.2.2 信息提取

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

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

（3），將p轉換成二進制數(shù)；

（4）將置亂的含密信息做混沌系列變化，得到含密圖像。

3 性能分析及實驗仿真

3.1 不可見性實驗

本文算法在HEVC的參考軟件HM12.0上進行了算法仿真。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[6]的PSNR差值圖。文獻[6]是在4個連續(xù)4×4亮度塊中通過修改一個預測模式編碼實現(xiàn)的3 bit秘密信息嵌入。由于修改預測模式編碼會對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 性能對比

表2所列為QP=26時測試序列的性能結果。為了進行試驗對比，文中選擇了與文獻[6]相同的5個不同分辨率的測試序列。

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，相對于原始圖像性能降低。通過對比可發(fā)現(xiàn)兩個算法的編碼比特率相近，但本算法的DPSNR相對更低，原因在于文獻[6]修改的是預測模式編碼，因此視頻的客觀質(zhì)量相對于本算法修改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[6]，文獻[6]在4個4×4亮度塊中嵌入了3 bit信息，而本文是在3個4×4亮度塊中嵌入了5 bit信息。通過以上分析可得出結論，即本文算法在嵌入秘密信息后對視頻的影響小，且嵌入容量大。

4 結 語

本文利用HEVC視頻作為信息隱藏的載體，提出了基于加權矩陣的HEVC視頻信息隱藏算法，本算法的加權矩陣系數(shù)分散在3個塊中，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DCT系數(shù)就可實現(xiàn)5 bit秘密信息的隱藏，同時還避免了視頻比特率的過快增長。嵌入與提取秘密信息操作簡單，具有普遍適用性。

參考文獻

[1] Wang R， Xu M K， Ping X J， et al. Steganalysis of spatial images based on segmentation[J]. Zidonghua Xuebao/acta Automatica Sinica， 2014，40（12）：2936-2943.

[2]黃凱奇， 陳曉棠，康運鋒，等.智能視頻監(jiān)控技術綜述[J].計算機學報，2015，38（6）：1093-1118.

[3] 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.

[4] WANG jia-ji， WANG Rang-ding，Li Wei， et al.A high-ca- pacity information hiding algorithm for hevc based on in- tra prediction mode[J].Journal of Computational Information Systems，2014，10（20）：8933-8943.

[5]楊潔，李松斌，鄧浩江，等.基于幀內(nèi)預測模式調(diào)制的HEVC信息隱藏方法[J].網(wǎng)絡與信息安全學報，2016，2（9）：30-39.

[6]尹秋來，王宏霞，趙楊，等.一種新的基于預測模式的H.264視頻信息隱藏算法[C]//中國密碼學會2012年會論文集，2012：142-146.

[7]董曉慧，林其偉，許東旭.一種采用內(nèi)預測模式的HEVC視頻信息隱藏算法[J].華僑大學學報（自然科學版），2015，36（3）：275-279.

[8]王家驥，王讓定，李偉，等.HEVC幀內(nèi)預測模式和分組碼的視頻信息隱藏[J].光電子·激光，2015（5）：942-950.

[9]張英男，張敏情，羅鵬.結合改進矩陣編碼的奇異值修改視頻隱寫算法[J].華中科技大學學報（自然科學版），2016，44（3）：89-93.

[10]彭振龍，桂小林，安健，等.一種基于次優(yōu)加權矩陣的灰度圖像信息隱藏算法[J].四川大學學報（工程科學版），2015，47（6）：139-143.

[11]左力文，駱挺，蔣剛毅，等.結合恰可察覺編碼失真模型的HEVC大容量信息隱藏方法[J].中國圖象圖形學報，2017，22（4）：443-451.

[12]盛琪，王讓定，黃美玲，等.一種針對HEVC預測模式隱寫的檢測算法[J].光電子·激光，2017（4）：433-440.

[13]蘇亞娟.基于矩陣編碼的空域信息隱藏算法[J]計算機工程與設計，2009，30（23）：5344-5347.

[14]李海輝，王宏霞，吳漢舟.基于多分類的QDCT域大容量H.264/AVC視頻信息隱藏算法[J].光電子·激光，2017（4）：404-410.

[15]薛帥，戴青，馮東華，等.基于改進的LSB視頻信息隱藏方法[J].計算機應用與軟件，2015，32（1）：157-160.endprint