3D H.264视频可逆信息隐藏技术研究

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棱镜门事件震惊了全世界,网络信息的安全问题亟待解决。加密后的信息不易被解读,却暴露了加密行为,容易引起第三方的注意。用信息隐藏技术把信息嵌入到大众媒体中,能保证信息和传递行为的双重隐蔽。不可逆的信息隐藏技术会造成载体的永久失真,而用可逆信息隐藏技术能在提取信息后完整地恢复出原始载体,可以保存有用的多媒体并消除日后被破解的风险。在3D H.264视频中可逆地隐藏信息时,一是在使用预测技术编解码的3D H.264视频中隐藏信息,仅仅修改一个块就可能造成其它视点、其它帧或本帧中其它块的改变,就是引起视差、帧间或帧内失真漂移;二是传统的直方图平移算法通过单独地修改一个系数的值来嵌入一比特信息,视频质量、容量和嵌入效率都受到了局限;三是一般的可逆信息隐藏算法的随机选择空间小,容易被破解。因此,针对这些问题对3D H.264视频可逆信息隐藏技术进行研究。提出限制失真漂移的方法。3D H.264视频编解码结构应用了帧内预测、帧间预测和视差预测,如果只是简单修改一个量化后的离散余弦变换(Quantized discrete cosine transform, QDCT)亮度系数来嵌入信息,就可能会引起帧内失真漂移、帧间失真漂移和视差失真漂移。因此,依据3D H.264视频的预测结构,提出避免视差和帧间失真漂移的方法。在不预测其它视点的帧中嵌入信息可以避免视差失真漂移,在不预测本视点其它帧的帧中嵌入信息可以避免帧间失真漂移。另外,通过分析帧内失真漂移的原理,提出三种限制帧内失真漂移的方法:(1)在有帧间或视差预测宏块的帧内限制失真漂移。在4×4变换的帧间或视差预测宏块中,选择非最底端或最右列的4×4块嵌入信息,不会引起帧内失真漂移。(2)根据邻块所属的宏块类型限制帧内失真漂移。若当前块的右方和下方的邻块的宏块类型不是帧内预测的,则选择当前块为可嵌入块。(3)在任意帧内限制失真漂移,通过判断邻块的宏块类型或帧内预测模式来选择可嵌入块。实验表明,这几种方法都有效地限制了失真漂移。与其它方法相比,将提出的三种限制帧内失真漂移的方法用于隐藏信息都能够获得更高的视频质量、嵌入容量和嵌入效率提出双QDCT亮度系数关联的二维直方图平移可逆信息隐藏算法,一是根据双系数关联隐藏多比特信息的可逆算法,二是双系数联合隐藏两比特信息的可逆算法。传统的直方图平移算法是通过单独地修改一个系数的值来嵌入一比特信息,没有考虑系数之间的关联。为了进一步提高嵌入容量,降低视频失真,提出联合双系数来嵌入多比特信息的二维直方图平移算法。从限制失真漂移的可嵌入块中随机地选择两个QDCT亮度交流系数作为可嵌入系数对,从视频中选出的所有可嵌入系数对值的分布便构成二维系数直方图。将系数对的值划分到不相交的集合,根据系数对的值所在的集合来扩展或平移二维系数直方图,完成信息的嵌入。用两个亮度系数联合嵌入信息,当最多将一个QDCT亮度系数的值加上或减去1时,用第一种算法最多可以同时嵌入三比特信息,用第二种算法最多可以同时嵌入两比特信息。实验表明,与传统的二维直方图平移算法相比,用第一种算法可以获得更高的嵌入容量、视频质量和嵌入效率;当嵌入相同量的信息时,用第二种算法嵌入信息也可以获得更高的嵌入效率和更小的视频失真。提出多系数关联的立体直方图平移可逆信息隐藏算法,一是多系数联合隐藏定长信息的可逆算法,二是根据多系数关联和信息比特值来隐藏变长信息的可逆算法。为了打破传统直方图平移算法单一修改系数和嵌入信息的局限性,提出多系数关联的立体直方图平移算法。从一个限制失真漂移的可嵌入的4×4块中随机地选择三个QDCT亮度交流系数作为一个可嵌入单元,将系数单元划分到不相交的集合,根据系数单元所属集合来隐藏信息和修改载体。为了嵌入两比特信息,一般只需将一个QDCT系数的值至多加上1。用第一种算法嵌入信息时,用值在同一个集合中的系数单元隐藏的信息长度是固定的。第二种算法不仅依据系数单元的值,还要看嵌入的信息比特值,系数单元的值确定时,嵌入信息的长度会因信息比特值的不同而不同。实验表明,与其它可逆信息隐藏算法相比,在嵌入相同量的信息时,用这两种可逆算法隐藏信息都可以获得更好的视频质量和嵌入效率。提出利用正交向量特性的可逆信息隐藏算法。一般的可逆信息隐藏算法的随机选择空间小,如果第三方得到算法和隐藏信息的载体,就能很快地提取出信息。为了增强抗隐写分析能力,提出具有大随机空间的可逆信息隐藏算法。用随机种子生成一个不重复的随机序列,用可嵌入块中与随机序列对应的QDCT亮度交流系数构成一个载体向量。随机地生成一个模值较小的偏移向量(元素个数与载体向量的相同),将偏移向量与载体向量的向量内积划分成儿个不相交的区间,依据内积值所属区间嵌入信息。当嵌入的一比特信息为0时不修改载体,否则依据向量积的正负将载体向量加上或减去偏移向量。信息接收方使用随机种子构建出载体向量和偏移向量,根据两向量内积所属区间提取信息并恢复载体。载体向量和偏移向量构成方式的数量超过了1.0×1014,这就加大了第三方窃取信息的难度。实验表明,与几种可逆信息隐藏算法相比,用这种算法嵌入信息能够获得更好的视频质量和不可检测性。
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