基于DCT系数的H264视频的可逆隐藏算法研究

摘要：本文介绍了基于DCT系数的H264视频的可逆隐藏算法的关键技术和嵌入隐藏过程，首先选出符合要求的量化后的DCT系数，将秘密信息隐藏在量化后的DCT系数中;在解码端相应提取隐藏信息，还原系数。这类算法对视频质量影响较小，能实现对视频的无失真还原，提高了隐藏信息的容量。

关键词：DCT系数，视频隐藏，可逆，H264

引言

信息隐藏技术是将秘密信息嵌入到载体中进行传送的一种技术。载体通常为文本、图像、音频和视频。视频相对于音频和图像具有更大的载体容量和更多的可嵌入点，其次以图像为载体的数字隐写的安全性也受到越来越多的分析威胁。所以近年来数字视频隐写成为学者们研究的热点。在互联网传输原始视频一般都会考虑网速，会有额定带宽的限制，原始视频具有较大的数据量往往导致传输速度慢。因此传输输原始视频之前都会对其进行编码压缩。显然，需要结合视频编码解码技术标准来研究如何在视频中隐藏信息就会大大提高传输速率。目前市场广泛认可的是新一代视频编解码标准H.264/AVC[1]，该标准具有很好的压缩性能。所以研究基于H.264[2]视频的可逆信息隐藏算法会具有广阔的市场前景。

1基于DCT系数的H264可逆视频隐藏关键技术

根据秘密信息嵌入视频中的时机不同，视频隐藏技术一般分为三类：压缩视频数字隐藏技术、原始视频序列隐藏技术以及与视频压缩过程相结合的隐藏技术。原始视频序列隐藏技术是直接嵌入秘密信息到原始视频中，然后再对载密视频进行压缩编码。压缩视频数字隐藏技术方法把秘密信息嵌入到压缩后的视频码流中。与视频压缩过程相结合的隐藏技术把嵌入隐藏信息的过程与视频压缩过程结合起来，通过在压缩视频时，产生的各种数据携带隐藏信息。Hsu 等[3]将隐藏信息嵌入到量化后的DCT中频系数中，并且通过 P和B 帧中具有零运动矢量的子块来传递信息，缺点是提取隐藏信息时必须有原始视频信息的参与。Simitopoulos等人[4]提出一种基于HVS特性和DCT变换的视频水印算法，算法首先在MPEG编码时，把变换后的8×8块分成5种类型，得到掩蔽矩阵，然后选择在量化后的DCT系数中嵌入水印。该算法的优点是很好的运用了HVS的特性，缺点是不能实现水印的盲提取。文献[5]在每个宏块中选取含非零系数最多的4×4子块，将秘密信息嵌入到最后一个非零系数和紧跟其后的零系数上，最后再进行熵编码写入码流。还有一类方法不是直接在 DCT 系数中嵌入信息，是通过调制量化后DCT系数嵌入信息的方法，EMD[6]编码、APPM[7]以及文献[8]都属于此类算法，还有利用运动矢量进行信息嵌入[9-10]。目前，大多數H.264/AVC可逆视频隐藏算法，主要存在嵌入容量不足的问题，运用普通解码器解码含水印码流视频质量下降较多以及算法复杂度较高的问题。

2基于DCT系数隐藏信息的实现过程

2.1整数DCT变换和熵编码

DCT变换因有着简单、快速、易实现的优点而被多数视频压缩标准所采纳。H.264采用了整数DCT变换，H.264视频编码的技术亮点之一就是采用了整数DCT变换。考虑到视频编码的实时性以及计算的精度和速度，所以H.264视频编码标准选择使用整数DCT变换。

H.264/AVC编码器在对残差系数进行整数DCT变换和量化后，需要进一步将量化后的DCT系数进行熵编码，然后打包写入码流，这一过程是无损的，也就是说H.264格式的码流经过熵解码后可以得到无失真的量化后DCT系数。

在H.264/AVC标准中，主要采用了两种熵编码方案，分别是CAVLC和CABAC。

2.2隐藏信息的嵌入和提取

一般来说，对于4×4子块的量化后系数，经过Zig-Zag扫描后，后几个系数多为0，图1是foreman测试序列中第一帧第一个宏块的第一个4×4子块量化后DCT系数Zig-Zag扫描图。

由图易见，Zig-Zag扫描的一维序列为{9，-12，3，3，-3，-11，-5，1，-1，0，0，-2，0，1，0，0}，最后一位DCT系数一般都为0。我们就可以利用最后一个系数来嵌入隐藏信息。因为通常来说，这个系数为AC系数，且集中在高频上，这样，改变这个系数，有利于隐藏信息的不可见性DCT系数中嵌入信息过程如图2所示。

提取隐藏信息过程是嵌入过程的逆过程，算法从H264/AVC中的载密视频流提取隐藏信息。由于熵编码是一种无损压缩编码方法，保证了秘密信息的提取。提取过程如图3所示。

3结语

本文主要介绍了基于DCT系数的H264可逆视频隐藏算法的关键技术，以及嵌入隐藏信息和提取隐藏信息的实现过程。该类算法在量化后的DCT系数中隐藏信息，对载密视频质量影响较小，能实现对视频的无失真还原，具有较大的隐藏信息容量，将会是今后以后研究的重点。

参考文献

[1] 毕厚杰，王健. 新一代视频压缩编码标准----H.264/AVC[M]. 北京：人民邮电出版社安，2009.

[2] Sullivan G J， Ohm J， Han W， et al. Overview of the high efficiency video coding（HEVC）standard. Circuits and Systems for Video Technology， IEEE Transactions on， 2012，22（12）：1649-1668.

[3] Hsu C T， Wu， J L. DCT-based watermarking for video [J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 1998， 44（1）： 206-216.

[4] Simitopoulos D， Tsaftaris S A， Boulgouris N V， et al. Compressed-domain video watermarking of MPEG streams： Multimedia and Expo， 2002. ICME'02. Proceedings. 2002 IEEE International Conference on， 2002，1：569-572.

[5] 黄凯.H.264/AVC视频水印算法研究[D].泉州：华侨大学，2014：34-48.

[6] Zhang Xinpeng， Wang shuozhong， Han W， Efficient staganographic Embedding by Exploiting Modi cation Direction[J]. IEEE Communications letters ， 2006，10（11）.

[7] Hong Wien， Chen Tung-Shou. A novel data embedding method using adaptive pixelPair Matching[J].IEEE Transactionson Information Forensics and Security，2012，7（1）： 176-184.

[8] Hong W， Chen T S， Luo C W. Data embedding Using pixel value differencing and Dia-mond Encoding with multiple Base notational system[J].Journal of systems and Soft-ware，2012，85（5）：1166-1175.

[9] Hua Cao， Jingli Zhou，Shengsheng Yu， et al.Implement of semi-fragile blind watermark algorithm for H.264 low bit-rates video stream[J]. Acta Electronica Sinica，2006，34（1）：40-44.

[10] Liu Z， Liang H， Niu X， et al. A robust video watermarking in motion vectors .Proceedings of International Conference on Signal Processing， 2004： III-2358-2361.

作者簡介：

邓方舟（1989-  ），男，安徽安庆人，汉族，网络工程师，硕士研究生，桂林师范高等专科学校网络与教育技术中心，541000，广西桂林市，主要研究方向：计算机网络及图像处理

基金项目：2018年桂林师范高等专科学校科研项目“基于图像的分类算法和可逆信息隐藏算法研究”（项目编号：KYB201816）