视频嵌入视频算法

朱厉洪，周 诠，呼延烺

（西安空间无线电技术研究所 空间微波技术国家级重点实验室，陕西 西安710100）

0 引 言

隐写术按载体可划分为图像隐写［1－4］、音频隐写［5］以及视频隐写［6－9］等。其中，视频隐藏算法的研究近年来成为热点。文献 ［6］利用量化后DCT系数的奇偶性来隐藏信息；文献 ［7］指出了MV幅值作为阈值选择CMV进行信息隐藏的缺点，提出了预测误差作为阈值选择CMV的观点；文献 ［8］利用I帧宏块的编码模式进行秘密信息的隐藏；文献 ［9］则就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。总的而言，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［10］。随着研究的深入和隐藏容量的提高，使得视频嵌入视频成为了可能。Yang等［11］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的方法，并指出可将其应用于视频嵌入视频中。肖柏创等［12］在Yang算法的基础上实现了高比特率的视频嵌入视频方案，其嵌入算法将Yang的8个系数嵌入改为5个系数嵌入，降低了算法的复杂度，但原理和性能并未发生较大改变。虽然当前的研究取得一定的效果，但仍存在以下问题：①秘密信息嵌入时未考虑视频的帧间相关性。②都只是针对秘密信息为原始视频的情况展开讨论。这两方面的缺陷制约了视频嵌入视频方案的性能。视频是一组图像序列，且每帧之间存在较强的相关性，信息嵌入时相关性的利用将进一步提高算法的性能；另一方面，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，本文提出了一种基于编码和预测的视频嵌入视频算法。该算法将视频在视频中的嵌入过程看成是秘密视频隐秘通信的过程。首先，将秘密视频压缩编码成码流，从而有效减少秘密视频的比特数；其次，应用纠错和交织编码以克服压缩码流对误码敏感的缺陷；最后，在嵌入时，利用帧间相关性，在IntDCT （integer discrete cosine transform）域进行相邻帧的系数预测，并以预测的差值直方图为载体进行秘密视频的嵌入，进一步增强隐秘传输的可靠性。

1 本文算法概述

正如上文所述，虽然当前视频嵌入视频的研究取得了一些进展，但仍有一些缺点需要克服。在本节中，我们描述了这些缺点并给出了解决方案的细节。本文所提出的算法由预处理和信息隐藏两部分组成，其算法流程如图1所示。

1.1 预处理

预处理的目的是为了提高隐秘传输的效率，其由压缩编码、纠错编码和交织编码3部分组成。

采用压缩编码是基于以下方面的考虑：

（1）高效的编码可以有效提高隐秘传输的效率；

（2）视频数据间具有很高的相关性，易于压缩，可以在较小的失真情况下获得较高的压缩比。

（3）从实时性的角度考虑，视频经过编码再隐藏具有更好的实时性。例如文献 ［12］中以32帧CIF格式视频嵌入一帧QCIF格式视频。采用编码后再隐藏的方法可以有效降低秘密视频相邻帧间的时间间隔；

纠错码和交织编码的应用则是为了提高视频压缩码流的鲁棒性。由于采用了帧间预测、熵编码等高效的编码手段，压缩编码在取得高效编码效率的同时，也使得编码后的视频码流对误码较为敏感。纠错码的使用就是为了克服这一缺陷，交织编码的应用则主要是为了避免突发性错误的发生。

1.2 隐藏算法

1.2.1 信息的嵌入

步骤1 将H×W 大小的载体视频的当前帧Vk（k＝1，2，…，n），划分成尺寸为4×4且互不重叠的子块Sub（i，j），其中i∈ ［1，H／4］，j∈ ［1，W／4］。然后对每个子块进行IntDCT 变换得到变换后的子块 D（i，j）；

步骤2 依次扫描当前帧中的D（i，j），并提取出每个变换子块D（i，j）中 （4，4）位置的高频系数，组成矩阵Fn；

步骤3 利用前面帧的高频系数来预测Fn，得到差值Cn。预测方式如下所示

其中αi表示预测的权值，i＝1，2，…，n－1。由于与当前帧越邻近的帧与当前帧的相关性越强，故αi满足αn－1＞αn－2＞…＞α1。可令αi＝2i／ （n2－n），如图2 （a）所示。但为了降低算法的复杂度，仅选用前一帧作为参考帧，即P’n＝F’n－1。由于Fn与F’n－1具有较强的相关性，故Cn集中于0值附近，如图2（b）所示。

步骤4 将预处理后的秘密信息码流Si按式 （1）～式（3）所示方法进行信息的嵌入，其中l表示Si码流的长度；

T：阈值

其中，Round（.）表示四舍五入，mod（.）表示取模操作。嵌入信息后Cn的分布如图3所示。

步骤5 将嵌入信息后的C’n与Fn相加，得到嵌入信息后的F’n，然后按照提取时的扫描顺序替换其对应的变换子块D（i，j）中 （4，4）位置的高频系数；

步骤6 进行IntDCT反变换得到当前的含密帧，对帧中的像素进行四舍五入操作后输出，同时对当前的含密帧进行步骤2中的操作，并将提取出的矩阵作为下一次嵌入的F’n－1；

步骤7 重复上述操作直到秘密视频嵌入完毕。

1.2.2 信息的提取

步骤1 将宿主视频按照4×4进行分块，并进行IntDCT变换；

步骤2 顺序扫描每个变换块D（i，j）中 （4，4）位置的高频系数，然后组成矩阵Fn；

步骤3 按下式所示得到Cn

步骤4 提取秘密视频信息，其方法如下所示

步骤5 重复以上步骤，直至秘密信息提取完毕。

2 实验仿真与分析

实验图像来源于伦斯勒理工学院图像处理中心的标准图像库中代表不同运动强度的CIF（352×288）格式视频序列News、Forman、Mobile作为宿主视频，如图4所示。秘密视频采用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，不采用率失真最优化 （RDO），编码模式采用IPPPPP…的格式。实验中图像的质量通过峰值信噪比 （PSNR）来衡量

式中：C（i，j），S（i，j）——原始图像和含密图像 （i，j）位置的像素，w×h表示图像的尺寸。

比特误码率 （bit error rate，BER）用来衡量接收端提取出的秘密信息的准确率，如下所示。其中N表示秘密信息的比特数，m为错误提取出的比特数

2.1 嵌入算法的分析

为了更好地将本文算法与以往算法进行对比，表1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）、BER（%）分别表示利用文献 ［11］算法以及本文算法嵌入秘密信息后载体图像的峰值信噪比和接收端提取秘密信息的误码率，QP表示宿主视频编码时的量化步长，秘密信息为一串二进制的伪随机码流。

表1 的数据表明本文的算法与文献 ［11］算法相比，即鲁棒性相当的情况下图像的信噪比平均可获得3.03dB的增益。换言之，如果图像质量相同，则本文的算法将具有更好的鲁棒性。另外，本文算法在1／128容量且能抵抗H.264在量化步长QP＝24的压缩情况下，图像的质量＞37dB，说明本文所提算法具有较大的隐藏容量和良好的不可见性。因此，较之于以往算法，本文算法的应用将为视频在视频中的隐秘传输提供了有力的保障。

2.2 本文所提方案分析

表1 只给出了本文的嵌入算法与以往算法的性能对比，应用本文所提出的方案，即预处理与嵌入算法相结合时，优越性将进一步凸显。图5、图6分别给出了文献 ［11］和本文所提方案的实验效果，其中参数N、PSNR分别代表48帧宿主视频隐藏的秘密视频帧数和接收端提取秘密视频的峰值信噪比，QP表示宿主视频编码的量化步长。取合适的阈值，使2种算法嵌入后的载体的PSNR为39dB。

表1 嵌入算法实验仿真对比

首先来看文献 ［11］的效果。秘密视频信息在未编码的情况下，需要48帧CIF宿主视频隐藏1帧QCIF秘密视频信息，即352×288／16×48＝176×144×1.5×8＝304128 bit。仿真流程为：首先将秘密视频转化为二进制码流后进行信息的嵌入，然后将含密视频进行编码，最后从解码后的视频中提出秘密信息。实验效果如图5所示。

图5 文献 ［11］效果

由于本文的算法综合应用了编码和隐藏技术，所以隐藏的秘密视频的帧数和质量与压缩编码、纠错编码以及隐藏算法的参数设置有关。设置秘密视频压缩编码的量化步长为16，隐藏算法的阈值T＝170。BCH（n，k）表示纠错码参数的设置。仿真结果如图6所示，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的PSNR＞42dB，具有较高的保真度。

2.3 实验分析总结

从上述的实验结果可以看出本文算法的性能要明显由于以往算法，验证了算法的有效性：

首先，在嵌入算法方面，从表1的实验数据中可以看出，较之于文献 ［11］的算法在容量和鲁棒性大致相当的情况下，图像质量平均获得了3.03dB的增益。

其次，当综合应用本文算法 （预处理和嵌入算法结合）时，从图5、图6的实验仿真效果图中可以看到，在宿主视频压缩编码的QP＝16和QP＝20的情况下，较之于文献［11］，采用本文算法后图像质量平均获得2.38dB和16.74 dB增益，并且隐藏的帧数分别平均提高了17倍和14倍。

图6 本文算法效果

3 结束语

视频信息正逐步的取代文字和图像成为当前人们获取信息的重要途径。基于此原因，本文针对秘密信息为视频的隐秘通信进行了分析和研究。为了提高当前视频嵌入视频算法的隐秘通信效率和抵抗攻击的性能，将编码和信息隐藏技术相结合提出了一种视频压缩码流在视频中嵌入的方案。该方案将信息隐藏等效为一个通信系统。为了提高信道的可靠性，提出了一种基于帧间预测差值直方图的嵌入算法；为了提高信道的传输效率，秘密信息在嵌入前采用预处理的策略。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，提高了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。但本文方法在误码超过纠错范围时的效果还有待改进，因此，在以后的研究中准备借鉴以往的工作，从区域选择［13］等方面入手增强算法抗攻击能力的方法，另一方面从差错控制［14］等方面入手来增强秘密信息的健壮性。

［1］LI Xiaobo，ZHOU Quan.Data hiding transmission method against compression for satellite image based on chaos and slant transform ［J］.Computer Engineering and Design，2013，34（7）：2301－2305 （in Chinese）.［李晓博，周诠.基于混沌和斜变换的卫星图像抗压缩隐藏传输 ［J］.计算机工程与设计，2013，34 （7）：2301－2305.］

［2］LI Xiaobo，ZHOU Quan.A lossless data hiding transmission method for satellite remote sensing image based on histogram modification ［J］.Journal of Astronautics，2013，34 （5）：686－692（in Chinese）.［李晓博，周诠.基于直方图修改的卫星遥感图像无损隐藏传输 ［J］.宇航学报，2013，34 （5）：686－692.］

［3］FAN Jinping，ZHANG Yonglin.Color image encryption technique based on double random phase encoding ［J］.Computer Engineering and Design，2009，30 （24）：5762－5764 （in Chinese）.［范金坪，张永林.基于双随机相位的彩色图像加密隐藏技术 ［J］.计算机工程与设计，2009，30 （24）：5762－5764.］

［4］Khodaei M，Faez K.New adaptive stegano－graphic method using least significant－bit substitution and pixel－value differencing［J］.IET Image Process，2012，6 （6）：677－686.

［5］Yong Feng Huang，Shanyu Tang，Jian Yuan.Stegano－graphy in inactive frames of VoIP streams encoded by source codec［J］.IEEE Trans on Information Forensics and Security，2011，6 （2）：296－306.

［6］Li Y，Chen HX，Zhao Y.A new method of data hiding based on H.264encoded video sequences［C］／／IEEE Int Conf Signal Processing，2010：1833－1836.

［7］Hussein A Aly.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.

［8］Hu Y，Zhang C，Su Y.Information hiding based on intra prediction modes H.264／AVC ［C］／／IEEE Int Conf on Multimedia and Expo，2007：1231－1234.

［9］Xiaojing M，Zhitang L，Hao T，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.

［10］Tamer Shanablen.Data hiding in mpeg video files using multivariate regression and flexible macro block ordering ［J］.IEEE Trans Inform Forensics Security，2012，7 （2）：455－464.

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

［12］XIAO Baichuang，WANG Shoudao，SI Wei.High bit rate information hiding technique for video in video ［J］.Journal of Beijing University of Technology，2011，37 （8）：1249－1254（in Chinese）.［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.］

［13］Zhu Lihong，Zhou Quan.Robust lossless data hiding scheme based on region selection［C］／／Proceeding of the 7th International Conference on Image and Graphics，2013：130－134.

［14］HUANG Xinlin，WANG Gang，LIU Chungang，et al.Unequal error protection for progressive image transmission ［J］.Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition），2011，41 （1）：235－238 （in Chinese）.［黄新林，王钢，刘春刚，等.渐进图像传输的不等差错保护 ［J］.吉林大学学报 （工学版），2011，41 （1）：235－238.］