基于帧内编码的H.265/HEVC视频信息隐藏方法研究

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随着大数据时代的来临和“互联网+”技术的蓬勃发展,文本、静态图像、音视频等数字多媒体文件已经成为信息的重要载体,广泛应用于新闻、娱乐等各个领域,同时也带来了许多信息安全问题。信息隐藏技术在此背景下应运而生,被广泛运用于隐秘通信、数字多媒体版权保护等领域。由于数字视频具有极大的数据量,因此是信息隐藏的重要载体之一。为了在有限存储空间和带宽下存储和网络传输,数字视频通常以压缩的形式存在,因此研究以最新一代视频压缩标准 H.265/HEVC视频为载体并结合其特有的编码特性的信息隐藏方法显得尤为重要。  本文首先叙述了信息隐藏的背景和研究现状,并重点介绍视频信息隐藏,其次详细描述了最新一代的视频压缩标准 H.265/HEVC帧内编码部分,最后结合帧内编码特点展开信息隐藏算法的研究:  1.概述了 H.265/HEVC视频编码的关键技术,其中详细描述了帧内编码环节,如基于四叉树结构的编码分割技术、多角度帧内预测技术等。同时比较H.265/HEVC与 H.264/AVC在帧内编码技术上的不同,为后续的研究工作奠定基础。  2.研究并提出了一种结合 LSBMR算法和 H.265/HEVC帧内预测模式的视频信息隐藏算法,该算法利用了4×4亮度块帧内预测模式的选择过程,将两比特隐秘信息隐藏于两个连续预测模式之间的函数关系,根据帧内编码过程中率失真模型对模式进行修改,并用修改后的预测模式对当前块进行重编码,降低了因调制预测模式而引起的失真现象。提取隐秘信息的过程相对简单,解码码流中的预测模式即可。实验结果表明所提算法能较好的保证嵌入容量和视频的主客观质量。  3.针对当前已有隐藏算法对预测模式信息修改过多这一问题,研究并提出了一种结合 Hamming+1算法和 H.265/HEVC帧内预测模式的视频信息隐藏算法,该算法将传统的矩阵编码和 LSBMR隐写算法相结合,首先利用矩阵编码将2比特的隐秘信息嵌入到前3个预测模式中,再利用连续4个预测模式之间函数关系实现第3个隐秘信息的嵌入。按符合嵌入规则的最优预测模式对原预测模式进行修改并用修改后的预测模式对当前块进行重编码,降低了因调制预测模式而引起的失真现象。提取隐秘信息仅仅需要解码码流中的预测模式即可。实验结果表明所提算法能较好的保证嵌入容量和视频的主客观质量。  4.针对当前已有算法隐藏之后对视频质量影响较大等问题,研究并提出了一种结合帧内预测模式差值的H.265/HEVC视频信息隐藏算法。对于一个嵌入单元中的2个4×4帧内亮度块预测模式均为有方向性的角度预测模式,做差并取绝对值建立与隐秘信息的映射关系,根据拉格朗日率失真模型调制预测模式完成隐秘信息的嵌入。为了保证隐秘信息的嵌入容量,对于其他情况则按奇偶性对预测模式进行一一修改。提取隐秘信息只需解码码流中嵌入单元的预测模式即可。实验结果表明,隐藏操作对测试序列的影响较小,亮度分量的峰值信噪比(PSNR)值平均下降约0.05d B,对码率影响仅在1.1%以下,隐秘信息嵌入前后的结构相似度(SSIM)值均在0.94以上,能很好的保证视频的主客观质量。
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