本發(fā)明公開了一種基于運動矢量殘差的視頻隱寫算法，具體涉及在H.264/AVC編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻序列的運動矢量殘差中一種使用改進(jìn)的LSB修改規(guī)則，利用自適應(yīng)的矩陣編碼進(jìn)行秘密信息嵌入和提取的隱寫算法，屬于計算機(jī)領(lǐng)域中信息隱藏與數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，信息安全得到了越來越多普通百姓、企業(yè)和政府的重視。我國也也提出了“沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國家安全”的口號。信息安全主要包括四個方面：物理安全、行為安全、數(shù)據(jù)安全、內(nèi)容安全。傳統(tǒng)的信息安全領(lǐng)域更多的重視密碼學(xué)的研究，通過對信息的加密達(dá)到實現(xiàn)信息安全的目的。然而加密后的信息表現(xiàn)出的不可理解性暴露的加密行為本身，很容易被攻擊方察覺，從而被研究解密，更甚者被主動攻擊，造成信息傳輸?shù)闹袛啵@給加密信息的傳輸造成了較大威脅。為了解決這一問題，信息隱藏技術(shù)在近幾年得到了長足發(fā)展。信息隱藏技術(shù)以隱藏秘密信息為目的，避免攻擊方察覺到秘密信息的存在。同時，嵌入秘密信息的文件在大眾數(shù)字載體中傳播，在保證內(nèi)容安全的同時又保證了行為的安全，從而達(dá)到通信安全的目的。在實際使用中，將密碼學(xué)與信息隱藏技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高了通信的安全性。

隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展，居民人均使用帶寬的迅速提高，網(wǎng)絡(luò)視頻點播和視頻直播服務(wù)得到了越來越多人的喜愛，數(shù)字視頻技術(shù)(如數(shù)字電視、數(shù)碼攝像機(jī)、視頻監(jiān)控錄像等)也得到了長足的發(fā)展，數(shù)字視頻在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用如視頻直播、視頻點播、視頻通信、視頻會議等也越來越普遍。視頻文件容量較大，且為了保證解碼的穩(wěn)定和正確，往往具有冗余信息多的特點。因此，網(wǎng)絡(luò)視頻文件是信息隱寫的良好載體。

由于感光設(shè)備記錄的原始視頻信號信息量巨大，不利于視頻文件的存儲于傳輸，因此，在視頻文件存儲與傳輸之前，要進(jìn)行壓縮編碼，以節(jié)約存儲空間及傳輸帶寬。在當(dāng)今的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中，H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用最廣的一個，它是由是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電信聯(lián)盟(ITU)在2003年共同提出新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。因為H.264標(biāo)準(zhǔn)具有其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的許多優(yōu)點。首先，它具備出色的壓縮性能，與前一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比在同等視頻質(zhì)量下能將碼率減小一半。同時，H.264標(biāo)準(zhǔn)的容錯能力很強(qiáng)，提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。最后，標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，具備良好的網(wǎng)絡(luò)親和性，使得的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸。這些特性使得H.264標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用變得越來越廣泛。近幾年，針對H.264標(biāo)準(zhǔn)視頻文件的隱寫術(shù)研究得到了越來越多人的重視。

H.264技術(shù)在視頻壓縮編碼過程包含幀內(nèi)預(yù)、幀間預(yù)測、變換編碼等過程，其中包含宏塊劃分、運動估計、離散余弦變換、熵編碼等技術(shù)過程。這些復(fù)雜的技術(shù)過程為秘密信息的隱寫研究提供了大量的空間。H.264標(biāo)準(zhǔn)下的視頻文件隱寫術(shù)也成為了一種十分有前景的研究方向。綜上所述，面對日益嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全形勢，以視頻文件為載體，特別是以H.264標(biāo)準(zhǔn)的視頻文件為載體的隱寫術(shù)研究，為信息隱藏技術(shù)研究提供了新方向，在保證通信安全方面有著重要的意義。

目前，國內(nèi)外研究人員已進(jìn)行了大量的H.264視頻隱寫技術(shù)研究。這些研究充分利用了在數(shù)字水印、圖片隱寫技術(shù)以及早期視頻標(biāo)準(zhǔn)文件隱寫技術(shù)中的已有研究，并發(fā)展出了新的研究方向。目前的H.264視頻隱寫技術(shù)根據(jù)其隱寫位置的不同可分為：前置式、內(nèi)置式、后置式三種。前置式指的是發(fā)送者將秘密信息直接嵌入到原始視頻流流中，形成含秘密信息的原始視頻信號，然后進(jìn)行視頻壓縮編碼的方式；內(nèi)置式方法指將嵌入過程與視頻編碼器結(jié)合發(fā)送者在視頻編碼過程中，同時嵌入秘密消息的方法；后置式又稱為碼流域視頻信息隱藏算法，指發(fā)送者直接將秘密消息嵌入到壓縮碼流中的方法。前置式的秘密信息需經(jīng)過視頻壓縮過程，會造成部分秘密信息丟失，不利于信息提取；后置式直接將秘密消息嵌入到壓縮碼流中，此種方法一般會帶來較明顯的視覺失真；內(nèi)置式在秘密信息丟失和視覺失真方面與其他兩種方式相比都有較好的表現(xiàn)。因此，內(nèi)置式隱寫方法是H.264隱寫技術(shù)的合適選擇。具體來說，內(nèi)置式隱寫方法可分為量化后的DCT系數(shù)位置直接嵌入、在運動矢量位置直接嵌入、綜合利用編碼模式的嵌入等嵌入方式：

1、在量化后的DCT系數(shù)位置直接嵌入的隱寫方法：因為對量化后的DCT系數(shù)進(jìn)行秘密信息的嵌入，信息不會受量化失真的影響，可以較為完整的提取，算法復(fù)雜度低，嵌入容量大。因此量化后的DCT系數(shù)位置嵌入在國內(nèi)得到了大量的研究。目前該方面的算法包括：利用耦合系數(shù)對進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)牧炕驞CT系數(shù)位置嵌入方法；利用CSF函數(shù)選擇不敏感的DCT系數(shù)，對視頻進(jìn)行碼率控制的同時完成秘密信息嵌入的方法；利用紋理特征判斷當(dāng)前編碼的塊是否為紋理塊，自適應(yīng)修改I幀每個宏塊亮度分量量化后的交流系數(shù)，利用復(fù)雜度低的能量差嵌入水印，增加其頑健性的算法；利用紋理特征及編碼模式進(jìn)行隱寫位置判斷，防止失真漂移的算法等。

2、在運動矢量位置直接嵌入的隱寫方法：與量化后的DCT系數(shù)相比，由于H.264高壓縮比的特性，在壓縮過程中嵌入的秘密信息容易被當(dāng)作冗余數(shù)據(jù)過濾掉，利用視頻運動相關(guān)性是解決這一問題的最好方法。此外，由于運動補(bǔ)償技術(shù)和殘差編碼的使用，在運動矢量中嵌入消息對重建視頻的視覺質(zhì)量影響很小，只憑人類視覺無法感知質(zhì)量差異。因此在運動矢量中嵌入秘密信息更有優(yōu)越性?？偨Y(jié)來說，目前基于運動矢量的視頻隱寫方法可以分為以下三類：基于運動矢量角度或幅值的視頻隱寫方法；基于預(yù)測誤差的視頻隱寫方法；基于運動估計選擇次優(yōu)運動矢量的視頻隱寫方法。

3、綜合利用編碼模式的隱寫方法：此類方法的特點是，無論是在量化后的DCT系數(shù)位置還是在運動矢量位置進(jìn)行隱寫，在嵌入秘密信息前對秘密信息進(jìn)行編碼，選擇對載體的修改位置和修改規(guī)則以完成嵌入。近些年，關(guān)于利用編碼模式進(jìn)行隱寫的研究得到了發(fā)展，出現(xiàn)了利用諸如矩陣編碼、濕紙編碼、綜合網(wǎng)格編碼進(jìn)行秘密信息嵌入的方法。綜合利用編碼模式進(jìn)行信息嵌入不但提高了隱寫的效率和容量，也降低了秘密信息對視頻質(zhì)量的影響，提升了嵌入的隱秘性。

目前，國內(nèi)外對于視頻文件的隱寫方法研究已經(jīng)較為深入，但現(xiàn)有的部分隱寫算法存在隱寫容量小、嵌入效率低或嵌入隱秘性差的缺點。綜合利用編碼模式的隱寫算法在解決這些問題的方面有著較好的表現(xiàn)，但利用編碼模式提升嵌入效率的同時，必須對嵌入位置及嵌入規(guī)則進(jìn)行選擇。例如在運動矢量位置使用矩陣編碼對LSB進(jìn)行取法嵌入，會使隱寫后的視頻運動矢量殘差統(tǒng)計直方圖坡度變緩并整體向正無窮方向偏移，同時還會破壞運動矢量的時空相關(guān)性，很容易被隱寫分析算法檢測到。

本發(fā)明專利提出一種基于運動矢量殘差的視頻隱寫算法，該算法結(jié)合了矩陣編碼，在減少對載體的修改量以提升嵌入效率的同時保持了運動矢量殘差的直方圖特征，能較好抵抗基于運動矢量之間時空相關(guān)性的隱寫分析，并具有較好的視覺不可見性。主要概括如下：

1、選擇運動矢量殘差作為秘密信息的隱寫位置。研究H.264/AVC編碼架構(gòu)的特點，利用運動信息對碼率影響小，不會被環(huán)路濾波過濾等特點，選擇在運動信息中隱寫秘密信息。研究視頻運動矢量的時空相關(guān)性，利用運動矢量殘差能在一定程度上代表運動矢量(MV)的時空相關(guān)性的特點，選擇運動矢量殘差(MVD)作為隱寫位置，利用運動矢量殘差的最低有效位(LSB)作為載體，解決了基于運動矢量的隱寫算法會破壞運動矢量時空相關(guān)性的問題。

2、設(shè)計保持運動矢量殘差統(tǒng)計特征的秘密信息的嵌入規(guī)則。根據(jù)運動矢量殘差信息統(tǒng)計直方圖符合拉普拉斯分布這一特點，確定嵌入規(guī)則必須能保持?jǐn)?shù)值為-1、0、1的運動矢量殘差的統(tǒng)計特征這一原則，設(shè)計了四個計數(shù)器及一個隊列，以盡量能保證每有一個數(shù)值為-1或者1的運動矢量殘差因為LSB取反而數(shù)值變成0，就會有一個數(shù)值為0的運動矢量殘差因為LSB取反而數(shù)值變成-1或者1，從而保持?jǐn)?shù)值為-1、0、1的運動矢量殘差的統(tǒng)計特征。此方法能夠很好的保持運動矢量殘差的統(tǒng)計直方圖，從而使該算法能較好的抵抗基于運動矢量的時空相關(guān)性的隱寫分析算法攻擊。

3、設(shè)計不同的矩陣嵌入秘鑰，以自適應(yīng)嵌入秘密信息。通過統(tǒng)計計算當(dāng)前編碼宏塊的b8mode值確定宏塊的運動分割類型及可用于隱寫的運動矢量殘差的數(shù)量。設(shè)計選擇不同大小的矩陣嵌入秘鑰，在秘密信息嵌入和提取時，根據(jù)運動矢量殘差的數(shù)量自適應(yīng)的選擇矩陣嵌入秘鑰以完成嵌入和提取，使平均嵌入效率達(dá)到了每修改1bit載體能嵌入3bit秘密信息。此算法提高了隱寫容量，提升隱寫效率。

4、設(shè)計隱寫與提取算法，確保秘密信息的完全嵌入和提取的完整性和一致性。隱寫嵌入時首先將秘密信息的長度嵌入到載體中，在提取時首先提取秘密信息長度，以此作為嵌入和提取的計數(shù)器，以保證秘密信息嵌入和提取的完整性。嵌入方和提取方共享提前設(shè)計好的相同的加密秘鑰和矩陣秘鑰，以保證提取方能夠完整正確的提取出秘密信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明從數(shù)據(jù)安全的角度出發(fā)，通過對現(xiàn)有視頻隱寫技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有視頻隱寫方法中普遍存在的對視頻運動信息統(tǒng)計直方圖影響大，容易破壞運動矢量時空相關(guān)性等問題。為了克服和改進(jìn)現(xiàn)有視頻隱寫方法中存在的問題，本發(fā)明專利提供了一種基于運動矢量殘差的視頻隱寫算法，該算法能夠安全高效的對需要隱寫的秘密信息進(jìn)行處理，能夠完整一致地嵌入和提取秘密信息，有較好的視覺不可見性，并且能較好的抵抗基于運動矢量時空相關(guān)性的隱寫分析算法，可以滿足用戶對數(shù)據(jù)安全的需求。

本發(fā)明專利為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

一種基于運動矢量殘差的視頻隱寫算法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、選擇運動矢量殘差作為秘密信息的隱寫位置。研究H.264/AVC編碼架構(gòu)的特點，利用運動信息對碼率影響小，不會被環(huán)路濾波過濾等特點，選擇在運動信息中隱寫秘密信息。研究視頻運動矢量的時空相關(guān)性，利用運動矢量殘差能在一定程度上代表運動矢量(MV)的時空相關(guān)性的特點，選擇運動矢量殘差(MVD)作為隱寫位置，利用運動矢量殘差的最低有效位(LSB)作為載體，解決了基于運動矢量的隱寫算法會破壞運動矢量時空相關(guān)性的問題。

步驟二、設(shè)計保持運動矢量殘差統(tǒng)計特征的秘密信息的嵌入規(guī)則。根據(jù)運動矢量殘差信息統(tǒng)計直方圖符合拉普拉斯分布這一特點，確定嵌入規(guī)則必須能保持?jǐn)?shù)值為-1、0、1的運動矢量殘差的統(tǒng)計特征這一原則，設(shè)計了四個計數(shù)器及一個隊列，以盡量能保證每有一個數(shù)值為-1或者1的運動矢量殘差因為LSB取反而數(shù)值變成0，就會有一個數(shù)值為0的運動矢量殘差因為LSB取反而數(shù)值變成-1或者1，從而保持?jǐn)?shù)值為-1、0、1的運動矢量殘差的統(tǒng)計特征。

步驟三、設(shè)計不同的矩陣嵌入秘鑰，以自適應(yīng)嵌入秘密信息。通過統(tǒng)計計算當(dāng)前編碼宏塊的b8mode值確定宏塊的運動分割類型及可用于隱寫的運動矢量殘差的數(shù)量。根據(jù)可隱寫運動矢量殘差的數(shù)量，設(shè)計選擇不同大小的矩陣秘鑰，以提高隱寫容量，提升隱寫效率。

步驟四、設(shè)計隱寫與提取算法，確保秘密信息的完全嵌入和提取的完整性和一致性。隱寫嵌入時首先將秘密信息的長度嵌入到載體中，在提取時首先提取秘密信息長度，以此作為嵌入和提取的計數(shù)器，以保證秘密信息嵌入和提取的完整性。嵌入方和提取方共享提前設(shè)計好的相同的加密秘鑰和矩陣秘鑰，以保證秘密信息嵌入和提取的一致性。

如所述步驟一中，選擇運動矢量殘差作為秘密信息的隱寫位置的原理及優(yōu)勢包括：根據(jù)H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)的編碼特點，在運動信息中嵌入信息較于在量化后的DCT系數(shù)中進(jìn)行嵌入，對碼率的影響較小。此外，由于H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)自身特點，視頻的編解碼過程中進(jìn)行的環(huán)路濾波可能會導(dǎo)致在量化后的DCT系數(shù)中嵌入的秘密信息被過濾掉，因此選擇運動信息作為秘密信息的嵌入位置。

運動矢量的時空相關(guān)性可以通過運動矢量在空間域和時間域上的差分來度量。設(shè)宏塊的運動矢量為MV_t(x，y)，其中t為宏塊所在的幀號，(x，y)表示宏塊在幀中的位置。MV_t-1(x′，y′)為當(dāng)前宏塊在參考幀t-1中的最佳匹配宏塊，則該宏塊的運動矢量的時間相關(guān)性可以表示為：D_t＝MV_t-1(x′，y′)-MV_t(x，y)?？臻g相關(guān)性根據(jù)水平、垂直、對角線、反對角線四個方向可表示為：D_sh＝MV_t(x-1，y)-MV_t(x，y)，D_sv＝MV_t(x，y-1)-MV_t(x，y)，D_sd＝MV_t(x-1，y-1)-MV_t(x，y)，D_sm＝MV_t(x+1，y-1)-MV_t(x，y)。運動矢量與運動矢量殘差的關(guān)系可表示為：MV_t(x，y)＝PMV_t(x，y)+MVD_t(x，y)，其中，MVD_t(x，y)為運動矢量殘差，PMV_t(x，y)為預(yù)測運動矢量。根據(jù)H.264/AVC的預(yù)測規(guī)則，若當(dāng)前宏塊以左側(cè)宏塊的運動矢量為預(yù)測運動矢量，則：PMV_t(x，y)＝MV_t(x-1，y)，則運動矢量的空間相關(guān)性可表示為：D_sh＝-MVD_t(x，y)，易證得若當(dāng)前宏塊選擇其他的運動矢量預(yù)測方式也能得出與上述類似的結(jié)論。若宏塊在左側(cè)宏塊可用的情況下均以左側(cè)宏塊運動矢量為預(yù)測運動矢量，左側(cè)不可用時以上方宏塊運動矢量作為預(yù)測運動矢量，則：MV_t(x，y)＝MV_t(x-1，y)+MVD_t(x，y)，進(jìn)而可以推導(dǎo)出最終得到公式：

根據(jù)H.264/AVC編碼標(biāo)準(zhǔn)的原理，每一幀(0，0)位置宏塊為skip宏塊，則MV_t(0，0)＝(0，0)，上述公式可改寫為：

則運動矢量的時間相關(guān)性可表示為：

易證得若宏塊選擇其他的運動矢量預(yù)測方式也能得出與上述類似的結(jié)論。

綜上所述，運動矢量殘差與運動矢量的時空相關(guān)性有著較強(qiáng)的聯(lián)系。本發(fā)明專利選擇運動信息中的運動矢量殘差位置進(jìn)行秘密信息的嵌入，能夠有針對性的設(shè)計嵌入規(guī)則，保持運動矢量的時空相關(guān)性。

如所述步驟二中，設(shè)計保持運動矢量殘差統(tǒng)計特征的秘密信息的嵌入規(guī)則的步驟包括：對于H.264/AVC視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其視頻序列的運動矢量殘差統(tǒng)計直方圖符合拉布拉斯分布。傳統(tǒng)的LSB取反嵌入規(guī)則，會形成系數(shù)對相互轉(zhuǎn)化。例如若某一運動矢量殘差數(shù)值為1，LSB取反后變?yōu)?；若數(shù)值為2，LSB取反后變?yōu)?；若數(shù)值為-1，因為負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼表示，LSB取反后變?yōu)?2。由此可得，使用傳統(tǒng)LSB取反嵌入規(guī)則，會使運動矢量殘差直方圖在嵌入后變緩，并且向正無窮方向偏移。進(jìn)一步觀察運動矢量殘差統(tǒng)計直方圖可得，除-1、0、1外其他數(shù)值所占比例較小，且除0外其他的偶數(shù)數(shù)值所占比例與比其絕對值大1的相鄰奇數(shù)數(shù)值所占比例差別較小。因此，我們設(shè)計以下LSB嵌入規(guī)則：

1)設(shè)置計數(shù)器count_0p1＝0、count_0m1＝0、count_p10＝0、count_m10＝0，空隊列sequence；

2)選擇MVD水平垂直兩個分量中絕對值較大的一個設(shè)為MVD_b為嵌入載體；

3)若MVD_b為1，則將MVD_b-1變?yōu)?，count_p10++，將1入隊sequence；

4)若MVD_b為-1，則將MVD_b+1變?yōu)?，count_m10++，將-1入隊sequence；

5)若MVD_b為0，且sequence非空，則sequence出隊一個元素，若元素為1，則將MVD_b加1變?yōu)?，count_0p1++；若元素為-1，則將MVD_b減1變?yōu)?1，count_0m1++；

6)若MVD_b為0，且sequence空，判斷計數(shù)器，若則將MVD_b加1變?yōu)?，count_0p1++；否則，將MVD_b減1變?yōu)?1，count_0m1++；

7)若MVD_b不為-1，、0、1，且MVD_b為正奇數(shù)或負(fù)偶數(shù)，則將MVD_b減1；

8)若MVD_b不為-1、0、1，且MVD_b為正偶數(shù)或負(fù)奇數(shù)，則將MVD_b加1。

本發(fā)明專利使用上述嵌入規(guī)則使±1和0形成系數(shù)對，其余偶數(shù)與比其絕對值大1的相鄰奇數(shù)形成系數(shù)對，在嵌入操作時相互轉(zhuǎn)換，對直方圖影響小，在隱寫嵌入前后能基本保持運動矢量殘差的統(tǒng)計直方圖，進(jìn)而在一定程度上保持了運動矢量的時空相關(guān)性。

如所述步驟三中，設(shè)計不同的矩陣嵌入秘鑰，以自適應(yīng)嵌入秘密信息的步驟包括：隱寫算法的設(shè)計從以下兩方面進(jìn)行考慮：1、嵌入信息時應(yīng)盡量使運動矢量殘差保持原有的統(tǒng)計特征；2、嵌入信息時應(yīng)盡量減少對運動矢量殘差的修改。為了減少對運動矢量殘差的修改，引入矩陣編碼，實現(xiàn)僅修改1bit載體能嵌入多bit信息的算法。H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)中宏塊有不同的劃分方式，對應(yīng)的運動矢量殘差數(shù)量也不同。每一個宏塊有對應(yīng)的mb_type值，每一個副宏塊有對應(yīng)的b8mode值。預(yù)先設(shè)計好多個矩陣嵌入秘鑰，并對上述兩個值進(jìn)行計算判斷，以決定選擇哪個矩陣嵌入秘鑰進(jìn)行嵌入。設(shè)計不同的矩陣嵌入秘鑰，使算法能夠自適應(yīng)的使用不同數(shù)量的MVD作為載體，在運動平緩的區(qū)域嵌入較少的信息，在運動復(fù)雜的區(qū)域嵌入較多的信息，從而提高隱寫容量，提升隱寫效率。矩陣嵌入秘鑰按照以下規(guī)則設(shè)計：設(shè)某個矩陣嵌入秘鑰為a行，則該秘鑰為一個a行2^a-1列二元矩陣矩陣的每一列剛好是列號的二進(jìn)制表示，如一個3行7列二元矩陣：根據(jù)H.264/AVC特點，提前設(shè)計好H_2×3、H_3×7、H_4×15三個矩陣嵌入秘鑰。實際嵌入時使用矩陣嵌入的算法，矩陣嵌入秘鑰的選擇規(guī)則如下：

1)讀取宏塊mb_type，若mb_type的值不為4、5、6、7或8，則不進(jìn)行嵌入；

2)讀取宏塊mb_type，若mb_type的值為4、5、6、7或8，計算宏塊所有b8mode的和l，計算符合條件的a使2^a-1≤l＜2^a+1-1，選擇矩陣作為矩陣嵌入的秘鑰。

如所述步驟四中，設(shè)計隱寫與提取算法，確保秘密信息的完全嵌入和提取的完整性和一致性的步驟包括：在秘密信息隱寫嵌入前，將其轉(zhuǎn)化為加密的二進(jìn)制表示并計算長度L，將L轉(zhuǎn)化為32位二進(jìn)制先將嵌入到載體中，以此作為嵌入的計數(shù)器，保證了秘密信息嵌入的完整性；在提取秘密信息時，先提取32位二進(jìn)制信息并解密獲得秘密信息長度L，以此作為提取的計數(shù)器，保證了秘密信息提取的完整性。嵌入方和提取方共享提前設(shè)計好的相同的加密秘鑰和矩陣秘鑰。在嵌入時，設(shè)加密后的要嵌入的秘密信息序列為m′，按照權(quán)利4中規(guī)則取相應(yīng)的a行2^a-1列矩陣嵌入秘鑰載體序列為g′，計算得到序列h＝(h₁h₂...h_a)。將h與按列進(jìn)行對比找到中與h相同的一列設(shè)為第b列，將載體序列g(shù)′中第b為按照權(quán)利3中規(guī)則取反，獲得修改后的載體序列G′即可完成嵌入。在提取時，獲得修改后的載體序列G′，按照權(quán)利4中規(guī)則取相應(yīng)的a行2^a-1列矩陣嵌入秘鑰計算將m′解密后即可獲得從該載體序列中提取出的秘密信息序列。本發(fā)明專利使用以上算法，保證了秘密信息嵌入和提取的一致性。

本發(fā)明專利采用以上技術(shù)方案，與小有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明選擇運動矢量殘差作為秘密信息的隱寫位置，對碼率影響小，不會被環(huán)路濾波過濾等。利用運動矢量殘差的最低有效位(LSB)作為載體，與使用運動矢量作為嵌入位置的的隱寫方法相比具有相同容量和嵌入效率，并解決了使用運動矢量作為嵌入位置的隱寫算法會破壞運動矢量時空相關(guān)性的問題。

(2)本發(fā)明設(shè)計了一種保持運動矢量殘差統(tǒng)計特征的秘密信息的嵌入規(guī)則，設(shè)計了四個計數(shù)器及一個隊列，以盡可能保證每有一個數(shù)值為-1或者1的運動矢量殘差因為LSB取反而數(shù)值變成0，就會有一個數(shù)值為0的運動矢量殘差因為LSB取反而數(shù)值變成-1或者1，從而保持?jǐn)?shù)值為-1、0、1的運動矢量殘差的統(tǒng)計直方圖等特征。

(3)本發(fā)明設(shè)計了一系列不同尺寸的矩陣嵌入秘鑰，通過統(tǒng)計計算當(dāng)前編碼宏塊的運動分割類型及可用于隱寫的運動矢量殘差的數(shù)量，設(shè)計選擇不同大小的矩陣嵌入秘鑰，以自適應(yīng)嵌入秘密信息，使平均嵌入效率達(dá)到了每修改1bit載體能嵌入3bit秘密信息，提高了隱寫容量，提升了隱寫效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2是秘密信息隱寫嵌入過程的流程圖。

圖3是LSB修改規(guī)則的流程圖。

圖4是秘密信息提取過程的流程圖。

具體實施方式

為了解決現(xiàn)有視頻隱寫算法會使隱寫后的視頻運動矢量殘差統(tǒng)計直方圖坡度變緩并整體向正無窮方向偏移，同時還會破壞運動矢量的時空相關(guān)性的問題，本發(fā)明提出了一種基于運動矢量殘差的視頻隱寫算法，其整體流程如圖1所示。

以下結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明：

實施例一

本發(fā)明的實施例一介紹了基于運動矢量殘差的矩陣編碼隱寫嵌入過程，以及矩陣嵌入秘鑰選擇過程，其具體步驟流程如圖2所示，包括：

(1)將需要嵌入的秘密信息轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制形式并加密得到序列M＝(m₁m₂...m_n)，n為秘密信息M的長度。將n轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制形式并加密可以得到序列N＝(n₁n₂...n₃₂)。得到待嵌入序列M′＝N+M＝(n₁n₂...n₃₂m₁m₂...m_n)。

(2)設(shè)置計數(shù)器count_m＝0表示已嵌入的信息位數(shù)。

(3)讀取判斷count_m，若count_m＜n+32執(zhí)行(4)，否則執(zhí)行(7)。

(4)按順序讀取當(dāng)前編碼宏塊的MVD序列，選擇MVD水平垂直兩個分量中絕對值較大的一個為嵌入載體，將其LSB信息按順序保存為序列g(shù)＝(lsb₁lsb₂...lsb_l)，l為序列g(shù)的長度。計算符合條件的a使得2^a-1≤l＜2^a+1-1，取為嵌入載體序列，count_m+＝a。

(5)從序列M′中按順序取a位得到序列m′，取相應(yīng)的a行2^a-1列二元矩陣嵌入秘鑰計算得到序列h＝(h₁h₂...h_a)。將h與對比找到中與h相同的一列設(shè)為第b列。

(6)將g′中第b位lsb_b按規(guī)則取反，該宏塊MVD修改嵌入完成，將其熵編碼寫入碼流，完成該宏塊編碼；進(jìn)行下一宏塊編碼，跳轉(zhuǎn)至(3)；

(7)嵌入結(jié)束，繼續(xù)完成視頻編碼。

實施例二

本發(fā)明實施例二介紹了保持運動矢量殘差統(tǒng)計特征的LSB修改規(guī)則，其具體步驟流程如圖3所示，包括：

(1)設(shè)置計數(shù)器count_0p1＝0、count_0m1＝0、count_p10＝0、count_m10＝0，空隊列sequence。

(2)若MVD_b為1，則將MVD_b-1變?yōu)?，count_p10++，將1入隊sequence。

(3)若MVD_b為-1，則將MVD_b+1變?yōu)?，count_m10++，將-1入隊sequence。

(4)若MVD_b為0，且sequence非空，則sequence出隊一個元素，若元素為1，則將MVD_b+1變?yōu)?，count_0p1++；若元素為-1，則將MVD_b-1變?yōu)?1，count_0m1++。

(5)若MVD_b為0，且sequence空，判斷計數(shù)器，若則將MVD_b+1變?yōu)?，count_0p1++；否則，將MVD_b-1變?yōu)?1，count_0m1++。

(6)若MVD_b不為-1，、0、1，且MVD_b為正奇數(shù)或負(fù)偶數(shù)，則將MVD_b-1。

(7若MVD_b不為-1、0、1，且MVD_b為正偶數(shù)或負(fù)奇數(shù)，則將MVD_b+1。

實施例三

本發(fā)明實施例三介紹了接收方在接收到載密視頻文件后，使用相同的矩陣嵌入秘鑰選擇和矩陣嵌入編碼提取規(guī)則進(jìn)行還原并提取秘密信息的過程，其具體步驟流程如圖4所示，包括：

(1)設(shè)置計數(shù)器count_n＝0、count_m＝0；

(2)若count_n＜32執(zhí)行(3)，否則執(zhí)行(5)；

(3)按順序讀取當(dāng)前解碼宏塊的MVD序列，選擇MVD水平垂直兩個分量中絕對值較大的一個為載體，將其LSB信息保存為序列G＝(lsb₁lsb₂...lsb_l)，l為序列G的長度。計算符合條件的a使得2^a-1≤l＜2^a+1-1，取為秘密信息的載體序列；

(4)取相應(yīng)的a行2^a-1列二元矩陣計算m′＝(m₁m₂...m_a)為從該載體序列中提取出的信息序列，count_n+＝a，完成該宏塊解碼，進(jìn)行下一宏塊解碼，跳轉(zhuǎn)至(2)；

(5)提取完前32位信息序列，將其解密轉(zhuǎn)化后獲得秘密信息的長度L；

(6)若count_m＜L，執(zhí)行step7，否則執(zhí)行step9；

(7)按順序讀取當(dāng)前解碼宏塊的MVD序列，選擇MVD水平垂直兩個分量中絕對值較大的一個為載體，將其LSB信息保存為序列G＝(lsb₁lsb₂...lsb_l)，l為序列G的長度。計算符合條件的a使得2^a-1≤l＜2^a+1-1，取為秘密信息的載體序列。

(8)取相應(yīng)的a行2^a-1列二元矩陣計算m′＝(m₁m₂...m_a)為從該載體序列中提取出的信息序列，count_m+＝a，完成該宏塊解碼；進(jìn)行下一宏塊解碼，跳轉(zhuǎn)至step6；

(9)信息序列提取完成，將所有提取出的m′按順序連接成序列M＝(m₁m₂...m_L)，將M解密轉(zhuǎn)化獲得秘密信息。

以上結(jié)合附圖以及四個實施例對本發(fā)明的實施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。