基于3D高效率视频编码背景的信息隐藏算法

任 帅，索 丽，张 弢，杨 涛，慕德俊

(1.长安大学 信息工程学院，西安 710064； 2.长安大学 电子与控制工程学院，西安 710064； 3.西北工业大学 自动化学院，西安 710072)

基于3D高效率视频编码背景的信息隐藏算法

任 帅1*，索 丽1，张 弢2，杨 涛1，慕德俊3

(1.长安大学 信息工程学院，西安 710064； 2.长安大学 电子与控制工程学院，西安 710064； 3.西北工业大学 自动化学院，西安 710072)

(*通信作者电子邮箱maxwellren@qq.com)

针对秘密信息在公开网络传输的安全性和容量性问题，提出了一种基于高效率视频编码(HEVC)背景的信息隐藏算法。利用HEVC中多视点图像的背景图作为载体，首先对其进行lαβ分解得到三个灰度分量子图,然后选取α和β分量子图作离散余弦变换,最后将秘密信息重复嵌入到载体区域中。隐藏区域选取能量权重较低的α及β分量子图的离散余弦变换中频系数区域，且进行重复嵌入，使得算法具有良好的不可见性和鲁棒性。实验结果表明，所提算法比基于帧间和帧内算法不可见性分别提高16.1%和11.4%，鲁棒性分别提高55.5%和20.2%。

高效率视频编码背景；离散余弦变换；lαβ颜色空间；信息隐藏；3D视频

0 引言

信息隐藏技术以秘密信息传输的“存在级”安全成为网络与信息安全领域的应用热点[1]，其中载体的选择至关重要。现阶段，3D视频因能提供真实场景的立体感与视点交互而越来越受到人们的欢迎，是下一代视频系统发展的主要方向[2]。3D视频因采用多视点拍摄而带来大量的时间和空间冗余数据，应用的广泛性与数据的冗余性使得3D视频或将成为信息隐藏技术的首选载体[3-4]。

在基于3D视频的信息隐藏应用中，文献[5]依据帧内4×4块的预测模式与待嵌入比特之间的映射规则实现嵌入，但对于不同的测试序列差异性较大，统计建立的映射规则不具有普遍适用性。文献[6]通过纹理复杂度较高的帧内4×4亮度块调制预测模式，但拉格朗日率失真模型有35种预测模式，计算复杂度比较大。文献[7]提出一种基于运动矢量空间编码的高效率视频编码(High Efficiency Video Coding, HEVC)背景信息隐藏方法，根据给出的运动矢量空间构建与编码方法，定义运动矢量集合与该空间中点的映射关系，通过修改运动矢量集合映射值进行信息隐藏的方法，但嵌入容量很小。

为了解决目前基于3D视频的信息隐藏算法存在的容量小和算法复杂度高的问题，本文提出了一种基于3D-HEVC背景的信息隐藏算法。首先对多视点图进行前/背景分离，并对背景图进行lαβ分解；然后选取α与β分量进行离散余弦变换(DiscreteCosineTransform,DCT)，选取DCT中频系数作为信息隐藏区域；最后把秘密信息作混沌置乱后进行重复嵌入。算法充分利用背景图和α、β分量的弱能量性使算法具有很好的不可见性，利用置乱和冗余策略则使算法具有较好的鲁棒性。

1 3D-HEVC背景图和lαβ颜色模型应用

1.1 3D-HEVC的信息隐藏应用

HEVC是国际电信联盟电信标准分局和国际标准化组织联合制定的下一代视频编码标准，3D-HEVC则是基于HEVC的新3D标准，以多视点视频纹理加深度信息格式进行编码[8]。不同视点间的纹理图有重合的背景，即产生背景冗余信息，为信息隐藏提供嵌入信息的区域。视点图像的前景图能量较高，不可见性较差，因此不作为嵌入区域，而背景图的能量性较小，所以在背景图中相同的区域冗余嵌入信息，可抗击视频压缩攻击，提高算法的鲁棒性，冗余重复嵌入策略如图1所示。

图1 背景图冗余嵌入位置示意图

1.2lαβ颜色空间的信息隐藏应用说明

lαβ颜色空间在信息隐藏技术中的最大优势在于基本上消除了RGB颜色空间的强相关性，而且l、α、β分量具有明显的能量差别，如图2所示。信息隐藏则利用能量特性，在α、β两个低能量分量嵌入隐藏信息，较为容易地实现信息隐藏应用的不可见性要求[9]。

图2 Lena lαβ颜色空间分解能量示意图

2 基于3D-HEVC背景的信息隐藏算法

2.1 载体预处理

从3D视频解码器端取出多视点视频序列第一帧纹理图，通过深度信息阈值对其前景和背景进行分离，获取各自前景图和背景图，分别记作wl和vl(l=0,1,2 )。背景分离采用深度图信息阈值T进行分离，T通过视频序列的相机参数获取确定：小于阈值T为前景，大于阈值T为背景。从3个视点的背景图中各自取出一个8×8矩阵块进行块匹配，寻找重复块的位置直到遍历整个背景图。

视点0、视点1和视点2的背景图中取出的矩阵块分别记作A、B、C，两个块中相同像素点的个数记作n，则相似率为Qij=n/64，阈值T=0.85。块的匹配规则如表1所示。

表1 背景图中重复块数目与位置关系

2.2 算法设计

利用3D-HEVC背景和lαβ颜色空间分量权重特性，设计的信息隐藏算法具体步骤如下：

步骤1 首先根据载体预处理规则(表1)对载体进行预处理操作，得到记录重复块位置的数组X、Y、Z。

步骤2 根据数组X、Y、Z中的位置信息提取相应的块进行lαβ分解，分解出载体图像的3个分量子图分别记为lh、αh、βh(h=X，Y，Z)。

步骤3αX进行DCT得到系数矩阵αij，对αij作zig-zag[10]排序生成矩阵B1×64，取8个中频系数(B20至B27)作为秘密信息的嵌入区域，对其进行编码处理生成序列C，规则如表2所示。

表2 编码处理规则

步骤4 利用公式产生一组混沌序列，然后根据阈值函数对生成的混沌序列进行二值化处理，产生二维矩阵Pck，将Pck与秘密图像数据作异或操作，得到置乱序列N[j]。

步骤5 嵌入秘密信息N，嵌入规则如表3所示。

表3 秘密信息嵌入规则

步骤6 对αf、βh分量(f=Y,Z;h=X,Y,Z) 图作相同的处理，重复块嵌入相同的秘密信息。

步骤7 将嵌入秘密信息后的DCT系数进行逆变换，生成含密图像α和β。

步骤8 将l、α和β重新合成RGB图像。

步骤9 将含密的背景图与前景图合成生成最终的带有秘密信息的视点图。

根据上述信息隐藏算法的实施步骤，信息的提取则首先需要依据载体预处理规则对含密图像进行预处理，得到记录重复块位置的数组X、Y、Z；其次根据数组X、Y、Z中的位置信息提取相应的块进行lαβ分解；再次，依据信息嵌入过程中的步骤3和步骤5，作DCT，提取置乱的秘密信息；最后将置乱的含密信息作混沌变化得到秘密信息。

3 性能分析及实验仿真

3.1 不可见性实验

对信息隐藏算法进行实验仿真，仿真环境为Matlab，载体图像为3幅1 024×768多视角灰度图像，隐藏信息为64×64Baboon二值图像。图3为可视化实验效果示意图。

图3 可视化实验效果示意图

如图4所示，在100幅图像中进行信息隐藏，横坐标表示嵌入量，用2k表示，0≤2k≤65 536 b，纵坐标为嵌入量对应的平均峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio, PSNR)，数据显示算法在k≤10时具有PSNR≥44.32 dB的高不可见性。

图4 不可见性实验结果

3.2 不可见性实验对比

按照PSNR对本文算法和基于帧间和帧内算法进行评价，从而进行不可见性对比，本文算法、基于帧间的算法和基于帧内的算法的PSNR分别为44.513 2dB、38.327 0dB和39.950 1dB。本文算法比基于帧间和帧内算法不可见性分别提高16.1%和11.4%。

3.3 鲁棒性实验

鲁棒性是基于视频信息隐藏技术的难点，本文算法利用的3D视频HEVC技术，最初的作用就是压缩，所以特别需要对算法的鲁棒性进行有效性验证。

由于本文设定嵌入信息为二值图像，故针对二值图像的数据恢复制定如下判别策略，利用鲁棒性检验值Q进行定量衡量( 0≤Q≤100)，Q值大小与鲁棒性正相关。Q值如式(1)所示：

Q=w×p

(1)

其中：w和p的计算式分别如式(2)、(3)所示。

(2)

(3)

其中：n为是正方形二值图像的边宽；μ和η为纹理对比步长，μ,η∈{1, 2, …,k}，k=(n-1)/2，文中实验为μ=1、η=1的结果。

图5是在剪切、压缩、高斯噪声、椒盐噪声、滤波等攻击下提取秘密图像的实验结果，提取出的信息均可识别，证明算法在常见的噪声和滤波攻击时具有较好的鲁棒性。

图5 攻击及还原信息鲁棒性实验结果

由图5可视化结果中的“椒盐噪声”实验可以看出Q=33.55时，嵌入信息仍可识别，即当Q>33，便可识别出秘密图像。如图6中本文算法的实验数据所示，进行剪切和压缩对比实验，当受到剪切率低于50%，压缩率低于73%时Q>33，证明算法具有较好的鲁棒性。

3.4 鲁棒性实验对比

分别对本文算法和基于帧间和帧内算法生成的含密图像进行随机剪切和压缩，按照鲁棒性检验值方法进行评价，如图6所示。

图6 剪切和压缩对比实验

本文算法剪切实验和JPEG2000实验的鲁棒性检验值的平均值约为51.323 7，而基于帧间的信息隐藏算法约为32.998 0，基于帧内的信息隐藏算法约为42.698 9。因此，本文算法相比基于帧间和帧内的信息隐藏算法鲁棒性分别提高55.5%和20.2%。

4 结语

本文利用广泛应用的3D视频作为信息隐藏的掩体，给出了基于能量思维的3D视频信息隐藏应用普适方法。该方法可使秘密信息传输者根据应用要求计出具有高鲁棒性和安全性的信息隐藏算法。本文算法在嵌入秘密信息时，图像本身的灰度值发生了一定的变化，但在秘密信息的提取过程中运用原有阈值进行前景和背景的分离将产生一定的误差，后续将着力研究DCT中频系数块的大小与误差的关系，解决阈值的准确选取问题。

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ThisworkispartiallysupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61402052),theNaturalScienceBasicResearchPlanofShaanxiProvince(2014JM2- 6105),theChinaPostdoctoralScienceFoundation(2015M572510),theShaanxiProvincePostdoctoralScienceFoundation,theNaturalScienceFoundationofTibet(2015ZR- 14- 20),theSpecialFundforBasicScientificResearchofCentralCollegesofChang’anUniversity(310832151092),theNationalCollegeStudents’InnovativeEntrepreneurialTrainingFoundation(201510710044).

REN Shuai, born in 1982, Ph. D., associate professor. His research interests include information hiding, digital watermarking, information security risk assessment.

SUO Li, born in 1990, M. S. candidate. Her research interests include information hiding.

ZHANG Tao, born in 1984, Ph. D., associate professor. Her research interests include information hiding, digital watermarking.

YANG Tao, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include information hiding.

MU Dejun, born in 1963, Ph. D., professor. His research interests include cryptology.

Information hiding algorithm based on 3D high efficiency video coding background

REN Shuai1*, SUO Li1, ZHANG Tao2, YANG Tao1, MU Dejun3

(1.SchoolofInformationEngineering,Chang’anUniversity,Xi’anShaanxi710064,China; 2.SchoolofElectronicandControlEngineering,Chang’anUniversity,Xi’anShaanxi710064,China; 3.CollegeofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’anShaanxi710072,China)

In order to solve the problems of security and capacity of confidential information during public network transmission, an information hiding algorithm based on the High Efficiency Video Coding (HEVC) background was proposed. The background image of multi-view images in HEVC was used as the carrier. Firstly, the background image was decomposed into three gray-scale components by usinglαβcolorspacetheory.Then,theimagecomponentssuchasαandβwere transformed by Discrete Cosine Transform (DCT) method. Finally, the confidential information was embedded into the region of carrier repeatedly. With relative low energy weight, the mid-frequency coefficient regions ofαandβcomponents after DCT were both chosen as the hidden regions to be embedded repeatedly with the confidential information, which makes the proposed algorithm have good invisibility and robustness. The experimental results show that, compared with the algorithms based on intra-frame and inter-frame, the invisibility of the proposed algorithm was improved respectively by about 16.1% and 11.4% while the robustness of the proposed algorithm was increased respectively by about 55.5% and 20.2%.

High Efficiency Video Coding (HEVC) background; Discrete Cosine Transform (DCT);lαβcolor space theory; information hiding; 3D videos

2016- 12- 06;

2017- 02- 24。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61402052)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JM2- 6105)；中国博士后科学基金资助项目(2015M572510)；陕西省博士后科学基金资助项目；西藏自治区自然科学基金资助项目(2015ZR- 14- 20)；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310832151092)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201510710044)。

任帅(1982—)，男，山西太原人，副教授，博士，CCF会员，主要研究方向：信息隐藏、数字水印、信息安全风险评估；索丽(1990—)，女，新疆乌鲁木齐人，硕士研究生，主要研究方向：信息隐藏； 张弢(1984—)，女，山西吕梁人，副教授，博士，主要研究方向：信息隐藏、数字水印； 杨涛(1992—)，男，河南三门峡人，硕士研究生，主要研究方向：信息隐藏； 慕德俊(1963—)，男，山东荣城人，教授，博士，主要研究方向：密码学。

1001- 9081(2017)06- 1616- 04

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.06.1616

TP309.2;TP

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