一种无损的压缩视频图像信息隐藏方法.doc

一种无损的压缩视频/图像信息隐藏方法1 叶登攀,戴跃伟,王执铨 南京理工大学自动化系(210094) E-mail: yedp2001@163.com 摘 要： 考虑压缩处理带来的影响是视频信息隐藏设计的重要问题。新的图像或视频压缩 标准采用自适应的量化方案。针对这种情况，提出一种改进的 DCT信息隐藏算法。根据不同 的量化步长自适应地在单个块内选择隐藏信息的嵌入位置和强度，保证了视觉质量而不失稳 健性。能实现低失真隐秘通信，在特殊应用中（如军事、医疗）能实现无损隐藏。算法简单 快速，安全性良好。宜于 MPEG编码、传输到解码实时操作。仿真实验结果显示，该算法能 实现不同应用的功能要求，并适当地容忍 MPEG再压缩等一些常规视频处理。 关键词：自适应量化压缩，JPEG，MPEG，DCT信息隐藏 1引言 由于多媒体信息隐藏技术的广泛用途，数字水印和隐秘通信技术引起人们的极大兴趣。 同时随着多媒体数字技术的快速发展，多媒体压缩和解压等使用标准也在不断地进步。为提 供更高的感知质量和压缩率，图像和视频压缩算法从最初的 JPEG、MPEG1 或 MPEG2，到 JPEG2000、MPEG4 或 MPEG7 等更新的标准[1]。在有损量化压缩处理过程中，与最初的采 用固定量化表或固定量化因子方案不同的是，新的或未来的压缩方案一般会根据对象的重要 程度采用自适应的变量化压缩，以获取更高的压缩率。多媒体信息隐藏方案的设计在实际应 用中必然要考虑到变量化压缩带来的影响。 目前在多媒体信息隐藏研究领域中，基于 DCT 变换域的信息隐藏算法是一个重要的分 支。DCT 信息隐藏算法按算法模式分为相关性信息隐藏算法和非相关性信息隐藏算法[3-5]。 文献[3]中 HG 提出的扩频水印算法是相关性 DCT 信息隐藏算法的典型代表。该算法 基于 MPEG 编解码原理而设计，将水印信号以伪随机调制后作 DCT 变换，加到 8×8DCT 系数块的各子频带系数上。水印的提取在 DCT 域内由相关检测得到。不足的是水印的嵌入 改变了视频载体的数据量，需要漂移补偿来维护视频视觉质量。 非相关性 DCT 信息隐藏算法可粗略分 LSB 算法[3]和基于几何关系的算法[4][5]。基于 几何关系的 DCT 信息隐藏算法中包含一种调整 DCT 系数关系达到嵌入隐藏信息的算法。在 文献[4]中，Koch 和 Zhao 提出的算法属于典型的此类算法。该算法将图像分为 8×8 的块后 做 DCT 变换，得到以 8×8 为单位 的 DCT 系数块。通过密钥随机选择块内的三个 DCT 系 数来构造二值水印。该算法每一个块（包括嵌水印和不嵌水印块）的三系数均作改动，势必 对视觉质量造成一定的影响；而且水印对于再压缩的稳健性也不甚理想。 作为视频隐秘通信方案来讲，做到保持视觉质量良好，不被攻击者察觉非常重要。同时 也要能经受一定的压缩处理。而在军事通信和远程医疗等特殊应用场合，无损信息隐藏常常 被视为最佳方案。因此针对隐秘通信和无损隐藏的应用，本文提出了一种安全性良好，在必 要时能自适应于不同应用要求的压缩视频/图像信息隐藏算法。其主要特点有： 1） 针对变量化压缩的情况，选取同一 8×8 块内等量化步长对应位置的 DCT 系数 对嵌入信息。 2） 针对特定量化因子的再压缩设定信息嵌入的强度。 3） 为达到良好的视觉效果，自适应地选择某一 DCT 系数对作为隐藏载体，使得系 1本课题得到国家自然科学基金，江苏省自然科学基金（BK2002101），南京理工大学科研发 展基金(视频认证和版权保护水印技术研究)的资助。 - 1 -  数的改动最小。 4） 以密钥控制隐藏信息的嵌入位置，保证了系统的安全性。 5） 隐秘信息提取后，能恢复原始图像/视频信号。真正做到无损信息隐藏。本文采 取的算法属于 DCT 系数调整的非相关性信息隐藏算法。 2 隐藏算法 本文提出的自适应于变量化压缩的视频/ 图像隐藏方案是基于单个 DCT 系数块的。隐藏 信息的安全性和视觉质量建立在对块内等量化步长对应的系数对的选择上，因此这个选择算 法关系到整个算法的优劣与否，是非常重要的一步。我们首先在 2. 1 节中详细阐述了如何运 用随机密钥确定等量化步长对的选取。2. 2 节对再量化压缩的稳健性给出了前提条件并作了 理论上的证明。具体的隐藏算法步骤在 2. 3 和 2. 4 节给出。2. 5 节中说明了原始信号的恢复 方法。最后我们用一个简单实例来说明算法的执行情况。 1 等量化步长的选取 在新的压缩标准中，将会根据图像或视频的局部对象内容的重要与否采取不同的压缩因 子或不同的量化表进行块压缩，从而达到更低的数码率。这样一来，在同一图像或者同一视 频