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摘要：本文提出一种改进的基于H.264/AVC标准的信息隐藏算法，通过构建I帧宏块的编码模式与嵌入信息之间的映射关系嵌入隐秘信息。在嵌入过程中引入矩阵编码建立信息与载体间的映射关系。实验仿真结果表明所提算法与同类算法相比具有更好的载体利用率，同时对视频码率和主客观质量的影响也得到较好的效果。
关键词：矩阵编码；信息隐藏；预测模式；H.264/AVC
中图分类号：TN919.81文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2013) 05-0000-03
1引言
随着多媒体技术和信息技术的发展，视频等媒体的传播、存储变得越来越便利。然而，与此同时也带来一些版权保护等现实问题。现如今，信息隐藏作为一种保密通信技术，已经成为多媒体信息安全领域研究的重点和热点课题[1]。视频作为一种重要的信息载体，通常被人们作为信息载体来隐藏秘密信息。目前，在现有的基于H.264/AVC信息隐藏算法中主要是通过修改DCT系数嵌入信息[2-5]。Spyridon K等[6]提出利于IPCM编码方式进行信息嵌入，算法比较新颖，实时性较好。因IPCM是精细纹理区的高保真编码方式，信息嵌入后视频质量保持很好，但是由于IPCM编码宏块较少，故寻找可利用的IPCM块较难。Kapotas S K等[7]提出通过限定帧间宏块的编码模式来嵌入信息，算法没有考虑各种不同编码模式的率失真代价，对视频质量和码流影响较大。王让定等[8]提出利用编码模式的奇偶性和二值待嵌入信息比特之間的映射关系分别在I、P、B帧中嵌入信息。但是算法没有充分考虑到编码模式的修改对视频质量和码流的影响。本文通过引入矩阵编码思想对文献[8]算法进行改进，取得了对码流影响较小以及较好的主客观视频质量效果。
2矩阵编码
矩阵编码是一种特殊的、基于循环码的编码技术。Crandall[9]最先提出矩阵编码可以应用到基于LSB替换的信息伪装系统中来提高嵌入效率。下面举例说明矩阵编码是如何提高嵌入效率的。在a1、a2、a3三个位置嵌入x1、x2两个比特，最多只改变一位，有下列4种情况：
x1=a1 a3，x2=a3 a2；不变
x1≠a1 a3，，x2=a2 a3；改变a1
x1=a1 a3，x2≠a2 a3；改变a2
x1≠a1 a3，x2≠a2 a3；改变a3
在这4种情形下最多都只改变了1个比特位，平均改变的比特数是0.75。本文借此思想将其应用到视频信息隐藏中以此来降低对载体即预测模式的修改量，提高信息嵌入效率。
3信息隐藏算法
3.1建立映射规则
本文根据H.264/AVC标准的特点，在信息嵌入时引入矩阵编码理论思想建立映射规则，从而保证在映射与文献[8]相同信息比特数而所需修改的预测模式少。本文首先对Intra_4×4模式分为偶数类区间（0，2，4，6，8）与奇数类区间（1，3，5，7）。然后先将符合条件的Intra_4×4（以下简写为I4）块每三个分为一组，在每一组中嵌入两个比特数据，并且最多只修改一个I4模式。如：I4a、I4b、I4c为一组，当需要同时改变I4a和I4c时，我们只要改变I4b使它们满足对应关系。当I4模式为奇数类区间odd（1，3，5，7）时表示为1，当I4模式为偶数类区间even（0，2，4，6，8）时，表示为0。具体方法如下：
分别用V1、V2、和V3表示三个I4块模式的对应的信息，即“0”或者“1”。
1）如果此时嵌入的数据是“00”，考虑下面几种情况
当V1⊕V2=0(其中⊕表示异或)并且V2⊕V3=0，则不需要改动任何一个I4块模式。
当V1⊕V2=1并且V2⊕V3=0，则只需改动I4a为另外一模式类区间中最优模式。
当V1⊕V2=0并且V2⊕V3=1，则只需改动I4c到另外一模式类区间中最优模式。
当V1⊕V2=1并且V2⊕V3=1，则只需改动I4b到另外一模式类区间中最优模式。
2）同理，如果需要嵌入的数据为“01”、“10”、“11”相应作以下处理。
按照上述的映射规则，必须对能被修改的Intra_4×4模式进行分组。本文借鉴文献[10]中的分组方法。如图1所示，利用特定模板容量为3/16、3/8、9/16、3/4等作为信息嵌入位置，根据映射规则要求模版内阴影块的个数必须为3的倍数。在图中每个小方格代表与其位置对应的I4块，阴影表示可嵌入点。因嵌入模版多样性，嵌入位置模版可以根据密钥决定，每个密钥唯一的指定一个模版用于确定嵌入点位置。模版的尺寸、最大嵌入密度和嵌入点排列方式可以根据具体情况来制定。
3/16模板 3/8模板 9/16模板 3/4模板
图1特定的嵌入模板
3.2嵌入方案
本文列上述的嵌入模版将信息隐藏于帧内预测模式中。引入矩阵编码建立嵌入信息与载体之间的映射关系。具体信息嵌入框图如图2。
图2嵌入信息原理框图
具体信息映射嵌入过程如下：
Step1：对待嵌入隐秘信息进行置乱；
Step2：用密钥选择嵌入模版；
Step3：根据所选模版和矩阵编码规则映射隐秘信息，对嵌入信息的I4块重新编码；
Step4：信息嵌入完毕，结束，否则转入Step3；
3.3提取方案
本文算法对隐秘信息的提取操作简单、快速，只需要对I帧部分解码就可以提取隐秘信息，而不需要完整的视频解码，也不需要提供原始的视频信息。具体步骤如下：
Step1：对I帧部分解码读取I帧I4模式信息；
Step2：用对应密钥选取模版；
Step3：是否含隐秘信息，若含有转4，否则寻找下一个16×16宏块；
Step4：用所选的模版，对选取的I4模式只需要两两异或，即可得映射比特信息。提取时只需要计算 和 即可；
Step5：提取完毕，反置乱和解密，即得真实隐秘信息，结束；否则转3。
4实验结果
本文在H.264/AVC的参考软件JM8.6上对所提算法进行仿真，其编码配置参数如表1所示。实验中分别对6个QICF格式的测试序列（Foreman、Carphone、Mobile、Silent、News、Mother-daughter）进行了信息隐藏和提取，待隐藏的信息为随机二值序列。如图3所示为本文算法和文献[8]算法在序列Foreman、Mother-daughter的I帧隐藏信息前后的视频主观质量对比。
表1编码配置参数
Parameter Value
Coding frame 100
Struct of GOP IBPBPBPBPB
Cycle of I frame 10
QP 28
Entropy coding algorithm CABAC
Whether of use RDO Use
Number of reference frame 5
Frame rate 30 frame/s
Partitioning block use all
在嵌入信息量方面与文献[8]进行比较，如图4所示。信息容量相比有了明显的提高，嵌入信息量约在1.5-2倍之间。表2中所表示的是信噪比PSNR、码率增加率BRI两个方面与文献[8]算法进行的比较结果。通过对6个标准测试序列试验，从图3、图4、表2的比较中可以看出本文所提算法在嵌入量、码率增加、对视频质量影响等方面都优于文献[8]的算法。
原始I帧 本文算法 文献[8]算法
图3 信息嵌入前后视频主观质量对比图
图4嵌入信息量HBQ对比图
表2本文算法与文献[8]算法在PSNR和BRI方面的对比
视频序列 PSNRI(dB) BRI（%）
本文算法 文献[8]算法 本文算法 文献[8]算法
Mother-daughter -0.02 -0.04 1.32 2.87
News +0.01 -0.03 1.82 2.52
Car phone -0.01 -0.03 1.48 4.03
Mobile +0.02 +0.01 1.57 2.02
Silent +0.02 -0.08 1.61 2.10
Foreman +0.01 -0.05 1.54 3.72
5结束语
本文提出了一种改进的信息隐藏算法，引入矩阵编码思想利用H.264帧内预测模式建立隐秘信息与预测模式间的映射关系进行信息嵌入。通过实验表明算法在信息嵌入过程中对载体的修改率小同时也获得了较高的嵌入率，保证了视频的主客观质量和较小的码流的比特率增加量。
参考文献：
[1]Wu M, Liu B. Data hiding in image and video: Part I—Fundamental issues and solutions[J].IEEE Transaction on Image Processing,2003,12(6):685-695.
[2]NOORKAMI M,MERSEREAU R M. Compressed-domain video watermarking for H.264.Proceedings of ICIP[C].Genova,Italy,2005:890-893.
[3]马秀莹,林家俊.信息隐藏性能评价方法[J].中国图形图像学报,2011,16(2):209-214.
[4]郭宝安,陈彪,张飚.完全质量保持的AVS视频可逆信息隐藏算法[J].中国图形图像学报,2012,17(1):13-17.
[5]刘争艳,李絮,陈蕴.基于二维映射关系的视频信息隐藏算法[J].计算机工程,2010,36(22):225-227.
[6]Spyridon K. Kapotas, Athanassios N. Skodras. Real time data hiding by exploiting the IPCM macroblocks in H.264/AVC streams [J].Journal of Real-Time Image Processing,2009,4(1):33-41.
[7]Kapotas S K, Skodras A N. A new data hiding scheme for scene change detection in H.264 encoded video sequences. Proceedings of ICME[C].2008:177-280.
[8]王让定,朱洪留,徐达文.基于编码模式的H.264/AVC视频信息隐藏算法[J].光电工程,2010,37(5):144-150.
[9]R Crandall.Some notes on steganography.http://os.inf.tu- dresden.de/～westfeld/crandall.pdf,1998.
[10]胡洋,張春田,苏育挺.基于H.264/AVC的视频信息隐藏算法[J].电子学报,2008,36(4):690-694.
[作者简介]刘争艳（1981.3-），男，安徽省合肥市，现职称：讲师，学历：硕士，研究方向：视频图像处理、信息安全。
[资助基金项目]阜阳师范学院自然科学基金项目（2012FSKJ10）；安徽省教育厅自然科学基金项目(KJ2013Z259)。
关键词：矩阵编码；信息隐藏；预测模式；H.264/AVC
中图分类号：TN919.81文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2013) 05-0000-03
1引言
随着多媒体技术和信息技术的发展，视频等媒体的传播、存储变得越来越便利。然而，与此同时也带来一些版权保护等现实问题。现如今，信息隐藏作为一种保密通信技术，已经成为多媒体信息安全领域研究的重点和热点课题[1]。视频作为一种重要的信息载体，通常被人们作为信息载体来隐藏秘密信息。目前，在现有的基于H.264/AVC信息隐藏算法中主要是通过修改DCT系数嵌入信息[2-5]。Spyridon K等[6]提出利于IPCM编码方式进行信息嵌入，算法比较新颖，实时性较好。因IPCM是精细纹理区的高保真编码方式，信息嵌入后视频质量保持很好，但是由于IPCM编码宏块较少，故寻找可利用的IPCM块较难。Kapotas S K等[7]提出通过限定帧间宏块的编码模式来嵌入信息，算法没有考虑各种不同编码模式的率失真代价，对视频质量和码流影响较大。王让定等[8]提出利用编码模式的奇偶性和二值待嵌入信息比特之間的映射关系分别在I、P、B帧中嵌入信息。但是算法没有充分考虑到编码模式的修改对视频质量和码流的影响。本文通过引入矩阵编码思想对文献[8]算法进行改进，取得了对码流影响较小以及较好的主客观视频质量效果。
2矩阵编码
矩阵编码是一种特殊的、基于循环码的编码技术。Crandall[9]最先提出矩阵编码可以应用到基于LSB替换的信息伪装系统中来提高嵌入效率。下面举例说明矩阵编码是如何提高嵌入效率的。在a1、a2、a3三个位置嵌入x1、x2两个比特，最多只改变一位，有下列4种情况：
x1=a1 a3，x2=a3 a2；不变
x1≠a1 a3，，x2=a2 a3；改变a1
x1=a1 a3，x2≠a2 a3；改变a2
x1≠a1 a3，x2≠a2 a3；改变a3
在这4种情形下最多都只改变了1个比特位，平均改变的比特数是0.75。本文借此思想将其应用到视频信息隐藏中以此来降低对载体即预测模式的修改量，提高信息嵌入效率。
3信息隐藏算法
3.1建立映射规则
本文根据H.264/AVC标准的特点，在信息嵌入时引入矩阵编码理论思想建立映射规则，从而保证在映射与文献[8]相同信息比特数而所需修改的预测模式少。本文首先对Intra_4×4模式分为偶数类区间（0，2，4，6，8）与奇数类区间（1，3，5，7）。然后先将符合条件的Intra_4×4（以下简写为I4）块每三个分为一组，在每一组中嵌入两个比特数据，并且最多只修改一个I4模式。如：I4a、I4b、I4c为一组，当需要同时改变I4a和I4c时，我们只要改变I4b使它们满足对应关系。当I4模式为奇数类区间odd（1，3，5，7）时表示为1，当I4模式为偶数类区间even（0，2，4，6，8）时，表示为0。具体方法如下：
分别用V1、V2、和V3表示三个I4块模式的对应的信息，即“0”或者“1”。
1）如果此时嵌入的数据是“00”，考虑下面几种情况
当V1⊕V2=0(其中⊕表示异或)并且V2⊕V3=0，则不需要改动任何一个I4块模式。
当V1⊕V2=1并且V2⊕V3=0，则只需改动I4a为另外一模式类区间中最优模式。
当V1⊕V2=0并且V2⊕V3=1，则只需改动I4c到另外一模式类区间中最优模式。
当V1⊕V2=1并且V2⊕V3=1，则只需改动I4b到另外一模式类区间中最优模式。
2）同理，如果需要嵌入的数据为“01”、“10”、“11”相应作以下处理。
按照上述的映射规则，必须对能被修改的Intra_4×4模式进行分组。本文借鉴文献[10]中的分组方法。如图1所示，利用特定模板容量为3/16、3/8、9/16、3/4等作为信息嵌入位置，根据映射规则要求模版内阴影块的个数必须为3的倍数。在图中每个小方格代表与其位置对应的I4块，阴影表示可嵌入点。因嵌入模版多样性，嵌入位置模版可以根据密钥决定，每个密钥唯一的指定一个模版用于确定嵌入点位置。模版的尺寸、最大嵌入密度和嵌入点排列方式可以根据具体情况来制定。
3/16模板 3/8模板 9/16模板 3/4模板
图1特定的嵌入模板
3.2嵌入方案
本文列上述的嵌入模版将信息隐藏于帧内预测模式中。引入矩阵编码建立嵌入信息与载体之间的映射关系。具体信息嵌入框图如图2。
图2嵌入信息原理框图
具体信息映射嵌入过程如下：
Step1：对待嵌入隐秘信息进行置乱；
Step2：用密钥选择嵌入模版；
Step3：根据所选模版和矩阵编码规则映射隐秘信息，对嵌入信息的I4块重新编码；
Step4：信息嵌入完毕，结束，否则转入Step3；
3.3提取方案
本文算法对隐秘信息的提取操作简单、快速，只需要对I帧部分解码就可以提取隐秘信息，而不需要完整的视频解码，也不需要提供原始的视频信息。具体步骤如下：
Step1：对I帧部分解码读取I帧I4模式信息；
Step2：用对应密钥选取模版；
Step3：是否含隐秘信息，若含有转4，否则寻找下一个16×16宏块；
Step4：用所选的模版，对选取的I4模式只需要两两异或，即可得映射比特信息。提取时只需要计算 和 即可；
Step5：提取完毕，反置乱和解密，即得真实隐秘信息，结束；否则转3。
4实验结果
本文在H.264/AVC的参考软件JM8.6上对所提算法进行仿真，其编码配置参数如表1所示。实验中分别对6个QICF格式的测试序列（Foreman、Carphone、Mobile、Silent、News、Mother-daughter）进行了信息隐藏和提取，待隐藏的信息为随机二值序列。如图3所示为本文算法和文献[8]算法在序列Foreman、Mother-daughter的I帧隐藏信息前后的视频主观质量对比。
表1编码配置参数
Parameter Value
Coding frame 100
Struct of GOP IBPBPBPBPB
Cycle of I frame 10
QP 28
Entropy coding algorithm CABAC
Whether of use RDO Use
Number of reference frame 5
Frame rate 30 frame/s
Partitioning block use all
在嵌入信息量方面与文献[8]进行比较，如图4所示。信息容量相比有了明显的提高，嵌入信息量约在1.5-2倍之间。表2中所表示的是信噪比PSNR、码率增加率BRI两个方面与文献[8]算法进行的比较结果。通过对6个标准测试序列试验，从图3、图4、表2的比较中可以看出本文所提算法在嵌入量、码率增加、对视频质量影响等方面都优于文献[8]的算法。
原始I帧 本文算法 文献[8]算法
图3 信息嵌入前后视频主观质量对比图
图4嵌入信息量HBQ对比图
表2本文算法与文献[8]算法在PSNR和BRI方面的对比
视频序列 PSNRI(dB) BRI（%）
本文算法 文献[8]算法 本文算法 文献[8]算法
Mother-daughter -0.02 -0.04 1.32 2.87
News +0.01 -0.03 1.82 2.52
Car phone -0.01 -0.03 1.48 4.03
Mobile +0.02 +0.01 1.57 2.02
Silent +0.02 -0.08 1.61 2.10
Foreman +0.01 -0.05 1.54 3.72
5结束语
本文提出了一种改进的信息隐藏算法，引入矩阵编码思想利用H.264帧内预测模式建立隐秘信息与预测模式间的映射关系进行信息嵌入。通过实验表明算法在信息嵌入过程中对载体的修改率小同时也获得了较高的嵌入率，保证了视频的主客观质量和较小的码流的比特率增加量。
参考文献：
[1]Wu M, Liu B. Data hiding in image and video: Part I—Fundamental issues and solutions[J].IEEE Transaction on Image Processing,2003,12(6):685-695.
[2]NOORKAMI M,MERSEREAU R M. Compressed-domain video watermarking for H.264.Proceedings of ICIP[C].Genova,Italy,2005:890-893.
[3]马秀莹,林家俊.信息隐藏性能评价方法[J].中国图形图像学报,2011,16(2):209-214.
[4]郭宝安,陈彪,张飚.完全质量保持的AVS视频可逆信息隐藏算法[J].中国图形图像学报,2012,17(1):13-17.
[5]刘争艳,李絮,陈蕴.基于二维映射关系的视频信息隐藏算法[J].计算机工程,2010,36(22):225-227.
[6]Spyridon K. Kapotas, Athanassios N. Skodras. Real time data hiding by exploiting the IPCM macroblocks in H.264/AVC streams [J].Journal of Real-Time Image Processing,2009,4(1):33-41.
[7]Kapotas S K, Skodras A N. A new data hiding scheme for scene change detection in H.264 encoded video sequences. Proceedings of ICME[C].2008:177-280.
[8]王让定,朱洪留,徐达文.基于编码模式的H.264/AVC视频信息隐藏算法[J].光电工程,2010,37(5):144-150.
[9]R Crandall.Some notes on steganography.http://os.inf.tu- dresden.de/～westfeld/crandall.pdf,1998.
[10]胡洋,張春田,苏育挺.基于H.264/AVC的视频信息隐藏算法[J].电子学报,2008,36(4):690-694.
[作者简介]刘争艳（1981.3-），男，安徽省合肥市，现职称：讲师，学历：硕士，研究方向：视频图像处理、信息安全。
[资助基金项目]阜阳师范学院自然科学基金项目（2012FSKJ10）；安徽省教育厅自然科学基金项目(KJ2013Z259)。