基于编码的视频嵌入视频方法的研究*

朱厉洪，周 诠

（中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术国家重点实验室，陕西 西安 710100）

信息隐藏是20世纪90年代提出的一种解决信息安全问题的新方法。它通过把隐秘信息隐藏于可公开的数字媒体 (载体)中以达到安全传递隐秘信息或保证载体的完整性及所有权归属等目的。当前而言，信息隐藏研究的载体主要针对静止图像，但随着多媒体技术的发展，越来越多的学者开始研究以视频为载体的隐藏技术。参考文献[1]利用量化后DCT系数的奇偶性来隐藏信息。参考文献[2]指出了依据MV幅值作为阈值选择CMV进行信息隐藏的缺点，提出了依据预测误差作为阈值选择CMV的观点。参考文献[3]结合H.264的特性，提出了一种利用DCT系数进行高比特率信息嵌入方法。参考文献[4]则利用I帧宏块的编码模式进行秘密信息的隐藏。而参考文献[5]则针对 I帧中隐藏信息会带来错误漂移的情况进行研究，并给出了解决的方案。总而言之，当前视频的隐藏技术主要可以划分为利用DCT系数、运动矢量、量化后的DCT系数、预测模式等几个方面。

视频隐藏的蓬勃发展激起了研究者在视频中嵌入视频的灵感。SWANSON[6]首先提出了在视频中嵌入视频的思路，利用一种基于高比特信息隐藏算法的向量射线比较法，将秘密视频信息隐藏于载体视频中完成传输，避免了单独传输易丢失的缺点；肖柏创[7]等人对YANG3]的算法进行了改进，实现了高比特率的视频嵌入视频的方案。尽管这些方法都取得了一定的效果，但都只是针对秘密为原始视频的情况展开讨论，并未考虑秘密信息为压缩视频码流的情况。视频鲁棒隐藏算法的隐藏容量较小，宿主视频每帧中隐藏的数据量有限。而视频的数据量是海量的，如果不对秘密视频进行压缩编码，那么一帧秘密图像需要隐藏在多帧的宿主视频中，这样势必会带来实时性不高、秘密视频隐藏帧数少等问题。

针对上述问题，本文提出了将秘密信息压缩编码后再嵌入视频的信息隐藏方案。该方案将视频的嵌入过程看成是秘密视频隐蔽通信的过程。首先将秘密视频压缩编码成码流，从而有效地减少秘密视频的比特数。同时为了克服压缩码流误码敏感的缺陷，应用了纠错和交织编码增加秘密信息抗误码的性能。在嵌入时，选用鲁棒性较好的变换域的隐藏算法进行嵌入，进一步增加隐蔽传输的可靠性。

1 视频嵌入视频方案概述

1.1 算法的改进

本文的隐藏算法在对参考文献[3]的算法进行深入研究的基础上对其进行了改进。参考文献[3]的嵌入算法如下：

(1)将宿主视频按照4×4块大小进行整数DCT变换，并按照 zigzag扫描的顺序选取前 8个系数(c0，c1，c2，…，c6，c7)组成向量 V；

(2)计算 l和 lT：

其中，T表示阈值，[.]表示四舍五入操作。

(3)计 算 l′T：

其中，嵌入 1 时，+0.25；反之，-0.25

(4)计算 l′和 V′：

Yang的提取算法如下：

(1)计 算 l″和 l″T：

(2)I=l″T-[l″T]

秘密信息的值取决于I的数值。

与其他格式相比，视频在视频中的嵌入对实时性的要求更高。参考文献[3]算法在鲁棒性和图像质量方面都具有良好的性能，但由于其嵌入的步骤要涉及到zigzag扫描、向量计算等，若直接将其应用到视频嵌入视频的方案中，将不利于实时性目标的实现。因此，本文在保持了原算法性能的前提下，对算法进行了简化，缩短嵌入所需的时间。图 1是 CIF(352288)格式的 News、Moblie和Foreman视频序列按照 4×4分块、整数DCT变换后低频在块中的能量示意图，

图1 DCT变换能量集中示意图

从图中可以看出块中的能量集中于直流系数，占到前8个系数总能量的0.95～0.99，则，将提取端的 l′、l、lT、l′T等参数带入到 V′中，则：

为了进一步简化式(6)，对 News、Moblie和 Foreman视频序列进行了抗压缩的鲁棒性实验，秘密信息为随机序列，其误码均值的结果如表1所示。通过实验数据可以看出，选用直流系数的鲁棒性和8个低频系数抗压缩的性能近似。因此，可将式(6)简化为：

同理，接收端中DCT变换后的能量也主要集中在直流分量上。因此，可以在保证鲁棒性和图像质量等算法性能的基础上，利用直流系数作为载体完成秘密信息的嵌入，这样有利于视频实时性嵌入目标的实现。

1.2 视频嵌入算法

秘密视频信息嵌入框架如图2所示。

(1)对秘密视频采用视频编码标准进行编码。

(2)利用纠错码提高系统的鲁棒性，同时利用交织技术防止突发错误的出现。

表1 选用1～8个低频系数抗压缩性能的比较

图2 视频嵌入框架

(3)隐藏算法：

①将宿主视频按照4×4进行分块，并进行整数DCT变换；

②选取每块中的直流系数D(i，j)，进行如下操作：

其中，m表示秘密信息。

③计算 l′和 V′：

④将 V′写回到 4×4块中；

⑤重复上述过程直到秘密信息嵌入完全。

1.3 视频提取算法

秘密视频提取的框架如图3所示。

图3 视频提取框图

(1)提取算法

①将宿主视频按4×4分块，并进行整数DCT变换；

②l″=D(i，j)；

④ I=l″T-[l″T]

⑥重复上述操作直到将秘密信息提取完毕为止；

(2)交织和纠错解码；

(3)视频解码。

2 实验结果

实验中，采用 CIF(352×288)格式视频序列 News、Forman、Mobile作为宿主视频，秘密视频为QCIF(176×144)格式的视频序列Forman。视频编码采用H.264/AVC编解码参考软件JM8.6，编码模式采用IPPPPP…的格式。

表2列出了3组不同运动强度视频序列为宿主视频的仿真实验结果，其中 PSNR/dB、TIME/s、BER/%分别表示利用参考文献[3]算法以及本文算法嵌入秘密信息前后载体图像的峰值信噪比、嵌入算法所需的时间和宿主视频经过编码后接收端提取秘密信息的误码率。QP表示编码宿主视频时的量化步长。

表2 嵌入算法实验仿真对比表

当秘密视频未编码时，隐藏1帧QCIF视频信息需要48帧CIF宿主视频。按照参考文献[3]的算法提出的秘密视频效果图如图4所示。其中参数N、PSNR分别代表每48帧宿主视频隐藏的秘密视频帧数和接收端提取的秘密视频的峰值信噪比，QP表示宿主视频编码时的量化步长。

图4 参考文献[3]效果示意图

由于本文算法对采用了压缩和纠错编码，隐藏视频的帧数与秘密视频编码的步长和BCH的参数有关。当QP=16时，编码后的秘密视频的 PSNR=45.82 dB，实验结果如图5所示。

图5 本文算法效果示意图

从以上的仿真实验可以看出，应用本文的所提出的算法后，嵌入隐藏信息的混合视频信号与原始视频几乎没有什么差别，达到了隐藏信息透明的要求。从表2的实验数据中可以看出，在相同压缩比的情况下，本文的算法较之于参考文献[3]的算法缩短了嵌入所需的时间，且误码率平均减少了76.6%，具有更好的抗压缩性能。而当综合采用编码和隐藏算法后，本文算法的优越性进一步凸显，从图4、图5的实验仿真效果图中可以看到，在相同压缩比的情况，隐藏帧数提高了5～11倍，并且接收端提取秘密信息的质量也获得了明显改善。

本文提出了一种视频压缩码流在视频中嵌入的方案，为了避免视频压缩码流对误码敏感的缺点，在隐藏算法上采用了高比特率的鲁棒算法，通过修改视频的亮度分量Y在变换域中的直流系数来嵌入秘密信息；同时秘密信息在嵌入前采用预处理的策略，即先对秘密视频进行压缩编码、纠错和交织编码等预处理。通过实验数据可以看出本方案所提出的视频嵌入视频的方法提高了隐藏的帧数及接收端提取秘密信息的质量，实现了隐秘视频的高效传输，为视频嵌入视频提供了一种新的思路。

[1]LI Y，CHEN H.-X，ZHAO Y.A new method of data hiding based on H.264 encoded video sequences[J].IEEE Int.Conf.Signal Processing，2010：1833-1836.

[2]ALY H A.Data hiding in motion vectors of compressed video based on their associated prediction error[J].IEEE Trans.Inform.Forensics Security，2011，6(1)：14-18.

[3]YANG M，BOURBAKIS N.High bitrate multimedia information hiding for digital image/video under lossy compression[J].SPIE Journal of Electrical Imaging，2007(16)：1-12.

[4]HU Y，ZHANG C，SU Y.Information hiding based on intra prediction modes H.264/AVC[J].In Proc.IEEE Int.Conf.Multimedia and Expo，ICME，2007：1231-1234.

[5]Ma Xiaojing，Li Zhitang，Tu Hao，et al.A data hiding algorithm for H.264/AVC video streams without intra-frame distortion drift[J].IEEE Trans.Circuits Syst.Video Technol.，2010，20(10)：1320-1330.

[6]SWANSON M D，ZHU B，AHMED T H.Date hiding for video-in-video[C].Proceed-ings of the 1997 International Conference on Image Processing.Sanata Barbara′CA，IEEE Comput Soc，1997(2)：676-679.

[7]肖柏创，王首道，司薇.高比特率信息隐藏技术的视频嵌入视频方案[J].北京工业大学学报，2011，37(8)：1249-1254.