一种基于像素自适应补偿的HEVC视频隐写方法与流程

一种基于像素自适应补偿的hevc视频隐写方法
技术领域
[0001]
本发明涉及信息隐藏与视频编码技术领域，尤其涉及一种基于像素自适应补偿的hevc视频隐写方法。


背景技术：

[0002]
视频隐写作为一种以视频为载体的隐蔽通信方式，在面向互联网的隐私保护中发挥了重要作用。
[0003]
像素自适应补偿是高效视频编码hevc中最新引入的环路滤波技术，旨在进一步提升解码重构视频质量。但是，目前还没有利用像素自适应补偿技术的hevc视频隐写方法。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一种基于像素自适应补偿的hevc视频隐写方法，该方法具备在像素补偿值中的自适应载荷分配能力，保证载密视频具有较高的抗检测性能和视频编码质量。
[0005]
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]
一种基于像素自适应补偿的hevc视频隐写方法，包括：
[0007]
对视频进行部分编码以获得载体像素补偿值序列，并计算各个像素补偿值的嵌入代价；
[0008]
根据计算到的各个像素补偿值的嵌入代价，在载体像素补偿值序列中嵌入载荷并最小化视频的嵌入代价，获得载密像素补偿值序列；
[0009]
利用载密像素补偿值序列生成视频编码比特流。
[0010]
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过为像素补偿值设计合理的嵌入代价函数，将载荷嵌入建模为最小化像素补偿值嵌入代价的优化问题。像素补偿值嵌入代价函数考虑了像素率失真代价波动和像素统计分布特性这两个因素。该视频隐写方法具备在像素补偿值中的自适应载荷分配能力，保证载密视频具有较高的抗检测性能和视频编码质量。
附图说明
[0011]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0012]
图1为本发明实施例提供的一种基于像素自适应补偿的hevc视频隐写方法的流程图；
[0013]
图2为本发明实施例提供的用于决定边缘补偿类型的四种方向模式示意图；
[0014]
图3为本发明实施例提供的本发明提出的视频隐写方法与对比视频隐写方法的接
收者操作特征曲线示意图。
具体实施方式
[0015]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0016]
本发明实施例提供一种基于像素自适应补偿的hevc视频隐写方法，如图1所示，其主要包括如下步骤：
[0017]
步骤11，对视频进行部分编码以获得载体像素补偿值序列，并计算各个像素补偿值的嵌入代价。
[0018]
本步骤的优选实施方式如下：
[0019]
1)对视频进行部分编码以获得载体像素补偿值序列x＝(x1,x2,...,x
n
)，其中，x
i
是该视频中第i个通过像素自适应补偿技术计算得到的载体像素补偿值，n为载体像素补偿值的总数。具体实施时，只需要对视频执行部分编码步骤，以得到对应的载体像素补偿值序列即可。
[0020]
2)基于各个像素补偿值，计算像素率失真代价波动和像素统计分布特性
[0021]
3)计算载体像素补偿值的嵌入代价ρ
i
(x
i
,y
i
)：其中，y
i
是第i个载密像素补偿值。
[0022]
本发明实施例中，载体像素补偿值的嵌入代价考虑了像素率失真代价波动和像素统计分布特性这两个因素，下面提供与的优选计算方式。
[0023]
a、像素率失真代价波动的优选计算方式。
[0024]
令s
i
为视频中第i个编码树块的像素集合，则原始像素s
k
与解码重构像素p
k
的失真可以表示为：
[0025][0026]
在载荷嵌入之前，原始像素s
k
与经过像素自适应补偿的滤波像素的失真可以表示为：
[0027][0028]
在载荷嵌入之前，经过像素自适应补偿的像素率失真代价差值可以表示为：
[0029][0030]
其中，n
i
是像素集合s
i
中的像素数目，e
i
是原始像素s
k
与解码重构像素p
k
的差值之和，可以表示为：
[0031][0032]
因此，像素集合s
i
在载荷嵌入之前的率失真代价差值可以表示为：
[0033]
δj＝δd+λ
sao
r
[0034]
其中，λ
sao
为拉格朗日乘子，r为编码像素自适应补偿边信息所需的比特数；
[0035]
在载荷嵌入之后，原始像素s
k
与经过像素自适应补偿的滤波像素的失真可以表示为：
[0036][0037]
其中，δ
i
∈{-1,0,1}是因载荷嵌入对载体像素补偿值的扰动；
[0038]
则像素率失真代价波动表示为：
[0039][0040]
其中，δj'是使用d'
post
计算得到的像素集合s
i
在载荷嵌入之后的率失真代价差值。
[0041]
b、像素统计分布特性的优选计算方式。
[0042]
在hevc视频编码中，像素自适应补偿方式有边缘补偿和区间补偿两种。
[0043]
以边缘补偿为例，用于决定边缘补偿类型的四种方向模式如图2所示。在图2所示的四种方向模式中，通过比较当前像素c与相邻像素a和b的数值关系决定边缘补偿使用的方向模式，如图2所示，所述相邻像素a和b各自位于当前像素c左右两侧、或者各自位于上下两端、或者各自位于左上方与右下方、或者各自位于右上方与左下方。
[0044]
基于像素自适应补偿中的方向模式，计算像素集合s
i
中解码重构像素p
k
的空间相关性u
k
，计算过程为：第一步，令u
k
的初始值为u
k
←
1。第二步，对于每种方向模式，计算(a+b)/2的值并与当前像素c比较；如果c≠(a+b)/2，对u
k
执行加1运算，即u
k
←
u
k
+1。否则u
k
保持不变；当四种方向模式都执行比较运算后，即可得到解码重构像素p
k
的空间相关性u
k
。
[0045]
再通过下式计算像素统计分布特性
[0046][0047]
其中，α是调节参数，v
i
表示为：
[0048][0049]
其中，n
i
是像素集合s
i
中的像素数目。
[0050]
对于使用区间补偿的解码重构像素，同样可以使用上述的像素统计分布特性计算方法。
[0051]
最终，载体像素补偿值的嵌入代价ρ
i
(x
i
,y
i
)可以表示为：
[0052][0053]
步骤12，根据计算到的各个像素补偿值的嵌入代价，在载体像素补偿值序列中嵌
入载荷并最小化视频的嵌入代价，获得载密像素补偿值序列。
[0054]
本发明实施例中，根据在视频中需要嵌入的载荷长度m和计算到的各个像素补偿值的嵌入代价，使用数据嵌入编码stc在载体像素补偿值序列中嵌入载荷并最小化视频的嵌入代价。
[0055]
步骤13，利用载密像素补偿值序列生成视频编码比特流。
[0056]
本发明实施例中，使用载密像素补偿值序列y＝(y1,y2,...,y
n
)对视频进行编码，生成视频编码比特流，完成视频隐写。
[0057]
之后，还可以采用如下方式提取嵌入的载荷：对视频编码比特流进行解码，得到载密像素补偿值序列y，再从载密像素补偿值序列y中提取嵌入的载荷；具体的：根据所有载密像素补偿值的最低有效比特位中嵌入的载荷长度以及次最低有效比特位中嵌入的载荷长度确定数据嵌入编码stc的校验矩阵，将所有载密像素补偿值中最低有效比特位和次最低有效比特位构成载密向量，再将所述校验矩阵与所述载密向量相乘，获得载荷向量，完成载荷提取。
[0058]
本发明实施例提供的上述方案，通过为像素补偿值设计合理的嵌入代价函数，将载荷嵌入建模为最小化像素补偿值嵌入代价的优化问题。像素补偿值嵌入代价函数考虑了像素率失真代价波动和像素统计分布特性这两个因素。该视频隐写方法具备在像素补偿值中的自适应载荷分配能力，保证载密视频具有较高的抗检测性能和视频编码质量。
[0059]
为了测试本发明提出的基于像素自适应补偿的hevc视频隐写方法的抗检测性能，进行了对比实验。对比实验中，将本发明提出的视频隐写方法记为proposed，从现有技术中选取一项对比视频隐写方法并记为baseline。
[0060]
对比实验中，将载体像素补偿值的嵌入代价ρ
i
(x
i
,y
i
)中的调节参数α设置为0.60。对比视频隐写方法中载体像素补偿值的嵌入代价设置为大于零的常数，其余设置与本发明提出的视频隐写方法相同。选取686维度的spam特征进行隐写分析。在对比实验中使用hevc视频编码器x265为实验平台对本发明提出的视频隐写方法进行测试。使用平均每编码树单元嵌入的比特数表示相对载荷嵌入率，单位为bits/ctu。
[0061]
抗检测性能是视频隐写方法的重要评价指标。在对比实验中使用集成分类器绘制的接收者操作特征曲线衡量抗检测性能，其中相对载荷嵌入率r分别设置为0.25bits/ctu、0.50bits/ctu和0.75bits/ctu。如图3所示，为本发明提出的视频隐写方法与对比视频隐写方法的接收者操作特征曲线。在接收者操作特征曲线中，曲线下面积auc越小说明该视频隐写方法的抗检测性能越高，图3中的对角线对应的auc为0.5。
[0062]
视频编码质量是视频隐写方法的另一个重要评价指标。视频编码质量由载密视频视觉质量和载密视频编码效率衡量。常用的载密视频视觉质量的评价指标为峰值信噪比psnr(单位：db)。载体视频峰值信噪比psnr
c
通过比较原始视频序列和载体视频序列计算得到。令δpsnr为载密视频和载体视频之间的亮度分量峰值信噪比差值。使用比特率增加比衡量载密视频编码效率。比特率增加比可以表示为：
[0063][0064]
其中，br
s
和br
c
分别表示载密视频比特率和载体视频比特率。基于本发明提出的视频隐写方法，对18个经典视频序列构成的测试视频库进行了隐写测试。将18个cif格式的视
频序列分割为长度为60帧的不重叠子序列，子序列数目为181。视频序列详细参数见表1。
[0065][0066]
表1测试视频序列参数
[0067]
基于本发明提出的视频隐写方法得到的视频编码质量结果如表2所示，可以看出本发明提出的视频隐写方法能够保证载密视频具有较高的视频编码质量。
[0068][0069]
表2本发明提出的视频隐写方法的视频编码质量
[0070]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0071]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。