CN114900700B - 一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法，包括如下步骤：选取预设特定帧，将特定帧划分为m个正方形区域；根据正方形区域内运动矢量值平均值、运动矢量方向角方差、平衡系数和特定帧内划分区域的个数m，获取修正函数；重复上述步骤直至获取特定帧所有的修正函数；将修正函数按预设比例分为n份，并按照预设顺序排序；根据修正函数的排序，获取修正参数；将运动矢量的水平分量与垂直分量作为一个嵌入对；根据嵌入对值与修正参数，划分嵌入对为多个集合；根据视频解码后所获取的运动矢量所在集合，提取相应信息，并修正运动矢量值。该方法可以有效提高以视频为载体隐写算法的嵌入容量和不可见性。

Description

一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法及系统

技术领域

本发明涉及数据加密技术领域，特别是涉及一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法及系统。

背景技术

当前信息已经成为了人们的一项重要资源，信息的传递对于人们的生活也更加重要。随着网络技术的发展和各类多媒体数据的普及，仅仅依靠密码技术已经无法完全满足当前数据保密通信的要求。为了进一步丰富保密通信的技术手段，信息隐藏技术应运而生，信息隐藏技术可以将秘密信息嵌入到可以公开的载体中，以此来对第三方隐藏秘密通信的行为。嵌入的载体可以为视频、图像、音频等，其中数字视频因为数据量大和编码结构较为复杂，以其为载体可嵌入的绝对信息量，隐写分析相对困难。同时随着短视频的流行，以视频为载体的信息隐藏技术在实际应用中具有良好的表现。

由于视频结构较为复杂，编码后的运动矢量、DCT系数、帧间和帧内预测模式、数据的分块模式等均可作为信息的嵌入点。其中利用运动矢量和DCT系数嵌入信息是当前主流的方法。运动矢量数据具有独立较强、绝对数量多以及结构相对简单的特点，因此具有嵌入信息后安全性可控、嵌入容量大、嵌入速度快的特点。但对其修改后容易产生错误累积和运动偏移，从而较大的影响视频的视觉质量。

信息嵌入会降低视频视觉质量和视频统计特性，特别是当信息嵌入量过大时会对视频视觉质量产生较为严重影响，同时视频统计特性发生显著变化，影响隐蔽通信的安全性。其原因是信息嵌入时会较大的改变原有编码数据和结构引起的。

当隐写者在隐蔽通信中选择基于运动矢量的直方图修正算法时，大容量的直方图在设计上因为小值的运动矢量数量较多，往往会选择小值的运动矢量进行信息嵌入，导致视频视觉质量较差。当通信量较小，不再需要对过多的小值运动矢量进行信息嵌入时，也不能对直方图进行调整以提高视频视觉质量。

因此，提供一种可以有效提高以视频为载体隐写算法的嵌入容量和不可见性的一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法及系统是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法及系统，该方法逻辑清晰，安全、有效、可靠，且系统结构简单、操作简便，能有效的提高以视频为载体隐写算法的嵌入容量和不可见性进而提高隐写效率与隐蔽性。

基于以上目的，本发明提供的技术方案如下：

一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法，包括如下步骤：

选取预设特定帧，并将所述特定帧划分为m个正方形区域；

根据所述正方形区域内运动矢量值平均值、运动矢量方向角方差、平衡系数和所述特定帧内划分区域的个数m，获取修正函数；

重复上述步骤直至获取所述特定帧所有的修正函数；

将所述特定帧所有的修正函数按预设比例分为n份，并按照预设顺序排序；

根据特定帧所有的修正函数的排序，获取修正参数；

将所述运动矢量的水平分量与垂直分量作为一个嵌入对；

根据嵌入对值与所述修正参数，划分所述嵌入对为多个集合；

根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，提取相应信息，并修正运动矢量的值。

优选地，获取所述运动矢量值平均值包括如下步骤：

根据运动矢量的水平分量和垂直分量，获取第i个宏块的运动矢量值；

根据所述运动矢量值与运动矢量的总个数，获取运动矢量值平均值。

优选地，获取所述运动矢量方向角方差包括如下步骤：

根据所述运动矢量的总个数与所述第i个宏块的运动矢量方向角，获取运动矢量方向角平均值；

根据所述第i个宏块的运动矢量方向角与所述运动矢量方向角平均值获取运动矢量方向角方差。

优选地，

所述平衡系数用于平衡运动矢量的速度和方向特性在修正函数中的占比。

优选地，所述获取修正函数的具体公式为：

其中，H(p)是第p个特定帧的修正函数，η是平衡系数，m是该参考帧内划分区域的个数。

优选地，

所述按照预设顺序排序具体为从大到小依次排序。

优选地，所述将所述特定帧所有的修正函数按预设比例分为n份，并按照从大到小排序，根据特定帧所有的修正函数的排序，获取修正参数具体为：

n＝3时，将所述特定帧所有的修正函数按预设比例分为3份，并按照从大到小的顺序排序，为h(1)、h(2)、h(3)；

修正参数(k,j)的具体公式为：

其中，k为运动矢量的水平分量，j为运动矢量的垂直分量。

一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正系统，包括，

选取模块，用于选取特定帧；

第一划分模块，用于将所述特定帧划分为m个正方形区域；

第一计算模块，用于根据正方形区域内运动矢量值平均值、运动矢量方向角方法、平衡系数和所述特定帧划分区域的个数m，计算获取修正函数；

排列模块，用于将所述特定帧所有的修正函数按预设比例分为n份，并按照预设顺序排序；

第二计算模块，用于根据所述特定帧所有的修正函数的排序，计算获取修正参数；

第二划分模块，用于根据嵌入对值和修正参数，将嵌入对划分为多个集合；

提取模块，用于根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，提取相应信息；

修正模块，用于根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，修正运动矢量。

本发明所提供的用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法，首先发件方选取一个视频作为嵌入载体，并在视频中选取预设的特定帧，选取好特定帧后，将该特定帧划分为m个正方形区域；在一个正方形区域内获取其中的运动矢量值平均值、运动矢量方向角方差，并结合平衡系数以及特定帧内花费区域的个数m，计算获取修正函数；重复上述两步，直至获取所述特定帧所有的修正函数；将特定帧所有的修正函数按照预设比例分为n份，同时按照预设顺序进行排序；根据排列后的修正函数，计算获取修正参数；随后将运动矢量中的水平分量和垂直分量作为一个嵌入对，结合已获取的修正参数，划分嵌入对为多个不重叠的集合；根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，与上述划分后的集合配合，提取相应的信息，并恢复运动矢量。由于在视频中，相邻几帧的数据有很大的相关性，可以认为当前帧能够代表其后续若干帧一定的特性，为提高隐写算法的不可见性，本发明通过统计特定帧中的运动矢量的速度和方向特性来设计后续若干帧的修正参数。为扩大信息嵌入量，选用二维直方图进行嵌入，把运动矢量的两个分量，即水平分量和垂直分量作为一个嵌入对，根据嵌入对值和修正参数将这些嵌入对划分为多个不重叠的集合，不同集合对应不同的嵌入算法，根据相应算法对嵌入对的值进行修正，实现信息在运动矢量中的嵌入，可以有效提高以视频为载体隐写算法的嵌入容量和不可见性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法流程图；

图2为本发明实施例提供的获取运动矢量值平均值的流程图；

图3为本发明实施例提供的获取运动矢量方向角方差的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正系统的结构图。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例,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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例采用递进的方式撰写。

本发明实施例提供了一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法。主要解决现有技术中，小值的运动矢量进行信息嵌入，导致视频视觉质量较差。当通信量较小，不再需要对过多的小值运动矢量进行信息嵌入时，也不能对直方图进行调整以提高视频视觉质量的技术问题。

一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法，包括如下步骤：

S1.选取预设特定帧，并将特定帧划分为m个正方形区域；

S2.根据正方形区域内运动矢量值平均值、运动矢量方向角方差、平衡系数和特定帧内划分区域的个数m，获取修正函数；

S3.重复上述步骤直至获取特定帧所有的修正函数；

S4.将特定帧所有的修正函数按预设比例分为n份，并按照预设顺序排序；

S5.根据特定帧所有的修正函数的排序，获取修正参数；

S6.将运动矢量的水平分量与垂直分量作为一个嵌入对；

S7.根据嵌入对值与修正参数，划分嵌入对为多个集合；

S8.根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，提取相应信息，并修正运动矢量的值。

步骤S1中，通过参考帧变换技术选择输入视频的特定帧，并将帧划分成M×M的区域。

步骤S2中，根据其中一个正方形区域内的运动矢量值平均值、运动矢量方向角方差、平衡系数和特定帧内划分区域的个数m,计算获取修正函数H(p)。

步骤S3中，重复上述步骤，直至获取特定帧所有的修正函数H(p)。

步骤S4中，将特定帧所有的修正函数H(p)按预设比例分为n份，并按照预设顺序进行排序。在本实施例中，n＝3。

步骤S5中，排序后，获取修正参数(k,j)。

步骤S6中，运动矢量的水平分量与垂直分量作为一个嵌入对。

步骤S7中，根据嵌入对值和修正参数(k,j)，将这些嵌入对划分为多个不重叠的集合A。

步骤S8中，根据解码视频后，所得到的运动矢量所在的集合，提取相应的信息并对嵌入对的值(即运动矢量的值)进行修正。

本发明通过统计特定帧中的运动矢量的速度和方向特性来设计后续若干帧的修正参数。为扩大信息嵌入量，选用二维直方图进行嵌入，把运动矢量的两个分量，即水平分量和垂直分量作为一个嵌入对，根据嵌入对值和修正参数将这些嵌入对划分为多个不重叠的集合，不同集合对应不同的嵌入算法，根据相应算法对嵌入对的值进行修正，实现信息在运动矢量中的嵌入，可以有效提高以视频为载体隐写算法的嵌入容量和不可见性。

优选地，获取运动矢量值平均值包括如下步骤：

A1.根据运动矢量的水平分量和垂直分量，获取第i个宏块的运动矢量值；

A2.根据运动矢量值与运动矢量的总个数，获取运动矢量值平均值。

步骤A1中，获取第i个宏块的运动矢量值的具体公式为：

其中L(i)表示该区域内第i个宏块的运动矢量大小，mv_x和mv_y分别表示运动矢量的水平和垂直分量。

步骤A2中，获取运动矢量值平均值的具体公式为：

其中，表示该帧内第q个区域的运动矢量大小的平均值，n表示该区域内运动矢量的总个数。i的取值范围从1到n。

优选地，获取运动矢量方向角方差包括如下步骤：

B1.根据运动矢量的总个数与第i个宏块的运动矢量方向角，获取运动矢量方向角平均值；

B2.根据第i个宏块的运动矢量方向角与运动矢量方向角平均值获取运动矢量方向角方差。

步骤B1中，获取运动矢量方向角平均值的具体公式为：

其中表示该帧内第q个区域的运动矢量方向角的平均值，θ(i)表示该区域内第i个宏块的运动矢量方向角。

步骤B2中，获取运动矢量方向角方差的具体公式为：

其中D(q)表示该帧内第q个区域的运动矢量方向角的方差。

优选地，

平衡系数用于平衡运动矢量的速度和方向特性在修正函数中的占比。

实际运用过程中，平衡系数η，用于平衡运动矢量的速度和方向特性在修正函数中的占比

优选地，获取修正函数的具体公式为：

其中，H(p)是第p个特定帧的修正函数，η是平衡系数，m是该参考帧内划分区域的个数。

优选地，

按照预设顺序排序具体为从大到小依次排序。

实际运用过程中，预设顺序还可选择多种顺序，在本实施例中，为便于计算选择从大到小依次排序。

优选地，将特定帧所有的修正函数按预设比例分为n份，并按照从大到小排序，根据特定帧所有的修正函数的排序，获取修正参数具体为：

n＝3时，将特定帧所有的修正函数按预设比例分为3份，并按照从大到小的顺序排序，为h(1)、h(2)、h(3)；

修正参数(k,j)的具体公式为：

其中，k为运动矢量的水平分量，j为运动矢量的垂直分量。

实际运用过程中，步骤S7中根据嵌入对值和修正参数(k,j)，将这些嵌入对划分为多个不重叠的集合A中的集合A具体为：

其中，B₁、B₂分别为运动矢量的水平分量和垂直分量的4倍。

步骤S8中，根据解码视频后，所得到的运动矢量所在的集合，对嵌入对的值进行修正具体为：

(1)当(B₁,B₂)∈A₁时：

其中，B'₁和B'₂分别表示修改后的B₁、B₂，m_t和m_t+1分别表示第t位和第t+1位的秘密信息。

(2)当(B₁,B₂)∈A₂时：

(3)当(B₁,B₂)∈A₃时：

(4)当(B₁,B₂)∈A₄时：

(5)当(B₁,B₂)∈A₅时：

(6)当(B₁,B₂)∈A₆时：

(7)当(B₁,B₂)∈A₇时：

(8)当(B₁,B₂)∈A₈时：

(9)当(B₁,B₂)∈A₉时：

(10)当(B₁,B₂)∈A₁₀∪A₁₁∪A₁₂∪A₁₃∪A₁₄∪A₁₅∪A₁₆∪A₁₇∪A₁₈时，仅作修正：

当需要提取相应信息时，所形成的集合A具体为：

其中，B₁、B₂分别为运动矢量的水平分量和垂直分量的4倍。

步骤S8中，根据解码视频后，所得到的运动矢量所在的集合，利用相应的算法，提取信息，并将运动矢量恢复至修改前具体为：

(1).当(B₁,B₂)∈A₉∪A₁₀∪A₁₃∪A₂₂时，提取信息m_t＝0：

(2).当(B₁,B₂)∈A₁₁∪A₁₂∪A₂₅时，提取信息m_t＝1：

(3).当(B₁,B₂)∈A₁∪A₂∪A₃∪A₄∪A₂₁时，提取信息m_tm_t+1＝00：

(4).当(B₁,B₂)∈A₅∪A₆∪A₇∪A₈∪A₁₉时，提取信息m_tm_t+1＝01：

(5).当(B₁,B₂)∈A₁₄∪A₁₆∪A₂₀∪A₂₄时，提取信息m_tm_t+1＝10：

(6).当(B₁,B₂)∈A₁₅∪A₁₇∪A₁₈∪A₂₃时，提取信息m_tm_t+1＝11：

(7).当(B₁,B₂)∈A₂₆∪A₂₇∪A₂₈∪A₂₉∪A₃₀∪A₃₁∪A₃₂∪A₃₃∪A₃₄时，仅作修正：

一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正系统，包括，

选取模块，用于选取特定帧；

第一划分模块，用于将特定帧划分为m个正方形区域；

第一计算模块，用于根据正方形区域内运动矢量值平均值、运动矢量方向角方法、平衡系数和特定帧划分区域的个数m，计算获取修正函数；

排列模块，用于将特定帧所有的修正函数按预设比例分为n份，并按照预设顺序排序；

第二计算模块，用于根据特定帧所有的修正函数的排序，计算获取修正参数；

第二划分模块，用于根据嵌入对值和修正参数，将嵌入对划分为多个集合；

提取模块，用于根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，提取相应信息；

修正模块，用于根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，修正运动矢量。

实际运用过程中，选取模块从视频中选取特定帧，并由第一划分模块将特定帧划分为m个正方形区域；第一计算模块根据其中一个正方形区域内的运动矢量值平均值、运动矢量方向角方法、平衡系数和特定帧划分区域的个数m，计算获取修正函数；第一计算模块多次计算后，获取特定帧所有的修正函数；排列模块将特定帧所有的修正函数分为n份，并按照预设顺序进行排序；根据排序后的特定帧所有的修正函数，第二计算模块计算获取修正参数；第二划分模块根据嵌入对值和修正参数将嵌入对划分为多个集合；视频解码后获取运动矢量所在的集合，提取模块根据该集合提取相应信息；修正模块根据该集合修正运动矢量。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个模块或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

另外，在本发明各实施例中的各功能模块可以全部集成在一个处理器中，也可以是各模块分别单独作为一个器件，也可以两个或两个以上模块集成在一个器件中；本发明各实施例中的各功能模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令及相关的硬件来完成，前述的程序指令可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序指令在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法及系统进行了详细介绍。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

选取预设特定帧，并将所述特定帧划分为m个正方形区域；

根据所述正方形区域内运动矢量值平均值、运动矢量方向角方差、平衡系数和所述特定帧内划分区域的个数m，获取修正函数；

重复上述步骤直至获取所述特定帧所有的修正函数；

将所述特定帧所有的修正函数按预设比例分为n份，并按照预设顺序排序；

根据特定帧所有的修正函数的排序，获取修正参数；

将所述运动矢量的水平分量与垂直分量作为一个嵌入对；

根据嵌入对值与所述修正参数，划分所述嵌入对为多个集合；

根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，提取相应信息，并修正运动矢量的值；

所述修正函数的具体公式为：

；

其中，是第p个特定帧的修正函数，是平衡系数，m是该特定帧内划分区域的个数；表示该帧内第q个区域的运动矢量大小的平均值；D(q)表示该帧内第q个区域的运动矢量方向角的方差；

所述根据嵌入对值与所述修正参数，划分所述嵌入对为多个集合具体为：根据嵌入对值和修正参数，将这些嵌入对划分为多个不重叠的集合A；

所述相应信息具体为：m _t和m _t+1分别表示第t位和第t+1位的秘密信息。

2.如权利要求1所述的用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法，其特征在于，获取所述运动矢量值平均值包括如下步骤：

根据运动矢量的水平分量和垂直分量，获取第i个宏块的运动矢量值；

根据所述运动矢量值与运动矢量的总个数，获取运动矢量值平均值。

3.如权利要求2所述的用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法，其特征在于，获取所述运动矢量方向角方差包括如下步骤：

根据所述运动矢量的总个数与所述第i个宏块的运动矢量方向角，获取运动矢量方向角平均值；

根据所述第i个宏块的运动矢量方向角与所述运动矢量方向角平均值获取运动矢量方向角方差。

4.如权利要求2所述的用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法，其特征在于，

所述平衡系数用于平衡运动矢量的速度和方向特性在修正函数中的占比。

5.如权利要求4所述的用于视频隐写的运动矢量直方图修正方法，其特征在于，所述将所述特定帧所有的修正函数按预设比例分为n份，并按照从大到小排序，根据特定帧所有的修正函数的排序，获取修正参数具体为：

n=3时，将所述特定帧所有的修正函数按预设比例分为3份，并按照从大到小的顺序排序，为、、；

修正参数的具体公式为：

；

其中，k为运动矢量的水平分量，j为运动矢量的垂直分量。

6.一种用于视频隐写的运动矢量直方图修正系统，其特征在于，包括，

选取模块，用于选取特定帧；

第一划分模块，用于将所述特定帧划分为m个正方形区域；

第一计算模块，用于根据正方形区域内运动矢量值平均值、运动矢量方向角方法、平衡系数和所述特定帧划分区域的个数m，计算获取修正函数；

排列模块，用于将所述特定帧所有的修正函数按预设比例分为n份，并按照预设顺序排序；

第二计算模块，用于根据所述特定帧所有的修正函数的排序，计算获取修正参数；

第二划分模块，用于根据嵌入对值和修正参数，将嵌入对划分为多个集合；

提取模块，用于根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，提取相应信息；

修正模块，用于根据视频解码后所获取的运动矢量所在的集合，修正运动矢量；

所述修正函数的具体公式为：

；

其中，是第p个特定帧的修正函数，是平衡系数，m是该特定帧内划分区域的个数；表示该帧内第q个区域的运动矢量大小的平均值；D(q)表示该帧内第q个区域的运动矢量方向角的方差；

所述根据嵌入对值与所述修正参数，划分所述嵌入对为多个集合具体为：根据嵌入对值和修正参数，将这些嵌入对划分为多个不重叠的集合A；

所述相应信息具体为：m _t和m _t+1分别表示第t位和第t+1位的秘密信息。