１７８ 东南大学学报（自然科学版） 第３７卷 从整体上保持不变，其隐藏容量是每２块１比特 ．上述算法多利用了Ａｃ系数来进行隐藏，另外还有文 献［１０—１３］利用了Ｄｃ系数和运动矢量来进行隐写，这类方法除了要控制码长变化外还需要进行误差补 偿． 本文设计了一种大容量不变码长隐写算法ＨＣＩＳ（ｈｉｇｈ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｖａｒｉａｂｌｅ ｓｉｚｅ ｓｔｅｇａｎｏｇｒａｐｈｖ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ）．算法以ＭＰＥＧ２压缩视频为载体，充分利用帧内和非帧内宏块中的ＡＣ系数以及非帧内宏块中的 ＤＣ系数进行隐写，有效提高了隐藏容量；使用“存在例外的动态±１”嵌人、“舍弃高频系数”和“０比特填 充”等三级机制保证隐写前后压缩视频的总码长不变． １ ＨＣＩＳ算法框架 １．１基本思想 ＭＰＥＧ２是得到广泛应用的视频压缩编码标准，数字电视、ＤＶＤ都采用了ＭＰＥＧ２标准，宏块是ＭＰＥＧ２ 基本编码单元，分为帧内宏块和非帧内宏块两类，经过的编码过程如图１所示．从图中可见，根据是否采用 过差分编码可以将宏块中的数据分为两种类型：采用过差分编码的系数，如运动矢量、帧内宏块中的ＤＣ 系数；没有经过差分编码的系数，如帧内宏块中的ＡＣ系数以及非帧内宏块中的ＤＣ系数和ＡＣ系数． 帧内宏块 非帧内宏块 图１宏块编码 由于视频以每秒２５帧（ＰＡＬ制式）的速度进行回放，即使经过了ＭＰＥＧ２压缩，仍然存在冗余．对于采 用过差分编码的系数，隐写时往往需要采用补偿技术以避免误差的积累¨ ；而没有经过差分编码的系数 在压缩视频中大量存在，这些系数在进行变长解码后，均以（ｖｅｉｎ，ｌｅｖｅ１）对的形式出现，ｌｅｖｅｌ是量化后的 ＤＣＴ系数，可直接用于嵌人信息，充分利用这些系数进行信息嵌人可以有效地提高隐藏容量．但在以往算 法［卜９＿中，为了达到隐写后码长不变的目的，使用特殊的系数进行隐写，导致了隐藏容量较小．ＨＣＩＳ算法 利用了所有的由密钥选定的没有经过差分编码的系数进行信息嵌人，同时采用三级码长控制机制来保证 隐写后的视频码长不变，最终有效地提高了隐藏容量（每个块都隐藏多个比特）． １．２算法框架 ＨＣＩＳ包括信息嵌入和信息提取２个过程，首先来看嵌人算法，其基本框架如图２所示，由二维混沌映 射Ｇ、秘密信息预处理Ｅ、ＭＰＥＧ２码流解析、块隐写 和０比特填充等模块组成．其中，二维混沌映射Ｇ在 密钥Ｋ的作用下产生２个二进制的伪随机序列Ｐ和Ｑ．预处理模块Ｅ使用Ｐ对秘密信息 进行预处理 （如进行异或运算），得到序列Ｓ．ＭＰＥＧ２码流解析模块寻找８×８的块ｂｌｏｃｋ ，调用块隐写模块 （ｂｌｏｃｋ ， △）对块ｂｌｏｃｋ 进行隐写，使块中每个由Ｑ（如根据其０或１取值）选定的没有差分编码系数都嵌入５中的 １比特信息ｓ，当一个片的所有块都隐写完后，ＭＰＥＧ２码流解析模块将在片结尾处调用０比特填充模块填 充厶个减少的０比特，从而完成一个片的不变码长隐写．最终，ＭＰＥＧ２码流解析模块重复上述过程直至视 频码流结束．在嵌人算法中，Ｇ和￡可以根据实际情况灵活选择，本文不再具体讨论；而ＭＰＥＧ２码流解析 模块、块隐写 模块和０比特填充模块实现了大容量不变码长隐写，是算法的关键． ＨＩＣＳ的提取算法比较简单，只需使用相同的密钥Ｋ产生相同的伪随机序列Ｐ和Ｑ，由Ｑ确定ＭＰＥＧ２ 视频码流中哪些是嵌人了秘密信息的没有差分编码的系数，顺次取出这些系数ｌｅｖｅｌ值的ＬＳＢ，组成５．然 后使用Ｐ对５进行反预处理 ～，得到 ，如图３所示． ２关键模块的实现 ２．１ ＭＰＥＧ２码流解析模块 ＭＰＥＧ２码流解析模块在嵌人算法中起到总体调度作用，块隐写模块 和０比特填充模块在它的调度 维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊（Ｉ） 孙怡峰，等：一种基于ＭＰＥＧ２视频编码的隐写算法 陋Ｇ２观频码流 ＭＰＥａ２视频码流 １７９ 密钝￡ Ｉ一一一一一一一一一一一一一 ｌＨ 一一一一一一一一●Ｓ Ｌ一一一一一一一一 — ］一一一一一 竺：：ｌ ．‘一一一一一一一一 秘硅 急Ｍ 秘密信息 图２嵌入算法框架 图３提取算法框架 下完成ＭＰＥＧ２视频中每个片的大容量不变码长隐写．ＭＰＥＧ２码流解析模块的具体步骤如下： ①设置全局变量△用于记录隐写对压缩视频的码长改变量，以比特为单位． ②在ＭＰＥＧ２视频流中找到片（ｓｌｉｃｅ），置Ａ＝０． ③在片中找到一个８ Ｘ ８块，记为ｂｌｏｃｋ ，调用块隐写算法 （ｂｌｏｃｋ ，Ａ）对块内系数进行信息嵌入． ④将嵌入了秘密信息的ｂｌｏｃｋ 和未作修改码流合并成载密ＭＰＥＧ２码流． ⑤重复步骤③，④直至本片结束，然后调用０比特填充模块填充△个０比特． ⑥重复②一⑤，直至码流中的所有片都隐写完毕，即序列Ｓ在视频流中反复嵌人． 在每次开始一个片隐写时，都需要将△重新置为０，这是因为算法使每个片的码长在隐写前后都保持 不变，所以每新开始一个片隐写时，码长改变量应为０． ２．２块隐写模块 块隐写模块进行块单元的隐写和码长控制，它充分利用８ Ｘ ８块中存在的多个没有差分编码的系数进 行隐写，使一个块隐藏多个比特．它需要解决的问题是如何使每个由伪随机序列Ｑ选定的系数都嵌入‘ｓ 中的１比特信息ｓ，且使码长改变尽可能的小．一般来说，在没有经过差分编码的单个系数上嵌入信息将造 成码长变换，例如图４中（０，２）使用ＬＳＢ替换算法嵌入了比特１后变为（０，３），码长增加了１比特． 图４隐写前后ＶＬＣ的变换 给出如下符号规定和定义．块隐写算法记为 （ｂｌｏｃｋ ，Ａ），△为本块隐写前已经造成的码长改变量， ｂｌｏｃｋ 代表当前要隐写的块，这２个参数值均由ＭＰＥＧ２码流解析模块在调用时确定．定义８ Ｘ ８块的原块 长为该块在隐写前从第一个系数到块结束符前的编码长度，而在隐写过程中，每遇到一个系数，都可计算 块第一个系数到该系数的编码长度，该长度定义为块在隐写过程中的临时长度，记为 ．设ｂｌｏｃｋ 的原块 长为 ，原块有 个没有经过差分编码的系数，变长解码后按码流顺序记为（ｒｕｎ ，ｌｅｖｅｌ ），ｋ＝１，２，…， ，其 中系数（ｒｕｎ ，ｌｅｖｅｌ ）在嵌人信息前ＶＬＣ码长为ｄ ，在嵌入信息后变为（ｒｕｎ ，ｌｅｖｅｌ ），ＶＬＣ码长为ｄ ，均以 比特为单位． 块隐写算法 流程如图５所示，算法依次对 个系数进行处理，当秘密信息比特ｓ与Ｑ选定的ｌｅｖｅｌ 的ＬＳＢ相等时，嵌入信息不用修改ｌｅｖｅｌ ，码长也不变；当ｓ与ｌｅｖｅｌ 的ＬＳＢ不等时，ｌｅｖｅｌ 加１或减１都能 使其ＬＳＢ等于ｓ．通过观察ＭＰＥＧ２变长编码表，对大多数的（ｒｕｎ，ｌｅｖｅ１）而言（１ｃ．ＶＬＣ 除外），当其ｒｕｎ保 持不变而ｌｅｖｅｌ加１时，对应ＶＬＣ码长将增加，当ｒｕｎ保持不变而ｌｅｖｅｌ减１时，对应ＶＬＣ码长将减小．因 此，若△＜０，选择加１操作来增加总码长；若△ｉ＞０，则选择减１操作来减少总码长，把这种方法称为动态± １嵌入法．显然动态±１嵌入法会使隐写后视频的总码长变化减小．但ＭＰＥＧ２视频中存在许多ｌｅｖｅｌ 等于 １的情况．此时，无论△取值如何都不能采用ｌｅｖｅｌ 减１，而只能采用ｌｅｖｅｌ 加１，因为ｌｅｖｅｌ 减１将导致出 现（ｒｕｎ，０），无对应的ＶＬＣ编码．把存在上述情况的动态±１嵌入法称为存在例外的动态±１嵌入法．容易 看出该嵌入法仍然存在隐写后码长增长的可能．为此，本文采用了舍弃高频系数策略：若从某个系数开始 Ｌ ＞Ｌ，就舍去从该系数开始的后续系数，使隐写后的块编码长度小于或等于原编码长度，若有减少，数值 为△个比特．由于这些系数处于高频位置，因此不会造成明显的图像质量下降． 维普资讯 http://www.cqvip.com
１８０ 东南大学学报（自然科学版） 第３７卷 （ 开始） ｋ＝１。Ｌ ＝Ａ 一Ｉ Ｌ—Ｌ．１ ｌ Ｉ Ｌ—Ｌ．１ ｌ 一Ｉ ：：： 一二－Ｊ—＝．一 ｌ：：：：： ｌ一 否 ＿＜ 三 一 否 是 — ’否 ｆ １ 『 作修改 芦 是。 ｌｅｖｅ￣＝ｒ■●、、ｅｖｅｌ，＋１ ｌ ‘ ／ Ｉ如懈 ＝ｌ● ｅｖｅｌｋ一１ Ｉ ！ ・是 童 否否 将（将此ｖ凡口 并置 ＝ ＋， Ｌｃ’ ）码并入载密码绩码成Ｖ Ｌｃ流，码， 的 舍并置△ 上 一上 所有高频弃从ｊ咖 系数，开始 Ｉ ｌｌ 并置Ｌ ＝ ＋ ，Ｌ穗 ｃ码并入载密码流，Ａ＝Ａ＋（ 一 】 ｌ 否— 一一＿ 足 ～ｌ Ｉ是— — ■ 否 图５块隐写算法 流程图 ２．３填充０比特与片不变码长 在使用了块隐写算法 后，视频的码长仅减少了△个比特，为补齐这个△比特，可以在视频码流的合 适位置填充对应个数的０比特．在ＭＰＥＧ２压缩视频中，为了标识和区分各个编码单元，如图像组、帧、片 等，采用了整字节对齐的３２比特的开始码．当视频数据不能整字节对齐时，采用填充０比特来达到此目 的，本文可以采用类似的方法补齐减少的△个比特．由于片是ＭＰＥＧ２标准中具有３２比特开始码的最小 单元，ＭＰＥＧ２码流解析模块就在解析到本片结束时（即下一个片开始码前），调用０比特填充模块填充减 少的０比特，即根据△数值在载密视频码流的片尾处补相应个数的０比特，片成为不变码长的基本单元． 总之，ＨＣｌＳ算法采用了三级码长控制机制．首先“存在例外的动态±１”嵌入完成了单个系数级的隐 写码长控制，而“舍弃高频系数”策略完成了８×８块一级的隐写码长控制，而“０比特填充”实现了以片为 单元的隐写前后码长不变． ３ 实验结果 利用Ｍｏｂｉｌｅ（３２帧）和Ｆｏｏｔｂａｌｌ（９９帧）等标准视频测试序列来进行实验，图像大小为７２０×４８６，色度 格式为ＹＣｒＣｂ ４：２：２．采用ＴＭ５将上述序列压缩为每秒２５帧、１０Ｍｂｐｓ码率的ＭＰＥＧ２视频文件，以这些 ＭＰＥＧ２视频为载体进行隐写实验．嵌入的信息为任意格式的数据，在隐秘ＭＰＥＧ２视频未受攻击的情况下 嵌入信息可以被完整提取．在实验中重点测试了算法的隐藏容量以及隐写前后ＭＰＥＧ２视频的峰值信噪 比（ＰＳＮＲ）． 表１比较了ＨＣＩＳ算法、ＶＬＣ Ｍａｐ算法、Ａ／Ｓ算法的隐藏容量，ＨＣＩＳ算法的隐藏容量约是ＶＬＣ Ｍａｐ隐 写法 。 的７倍，约是Ａ／Ｓ隐写法 的１５倍，算法在隐藏容量上有了显著提高．从表２可以看出隐写前后 视频文件尺寸没有任何改变．图６给出了ＭＰＥＧ２视频隐写前后各帧的ＰＳＮＲ，ＰＳＮＲ在隐写后比隐写前平 均下降了４．２１ｄＢ，这说明较大的隐藏容量也导致了对视频数据的较大修改，表现在纹理细密区域有一些 细微差别，但这种差别在视频播放时并不易被人眼所觉察． 表１ ＨＩＣＳ算法隐藏容量与ＶＬＣ Ｍａｐ隐写法、Ａ／Ｓ隐写法的比较 维普资讯 http://www.cqvip.com 增刊（Ｉ） 孙怡峰，等：一种基于ＭＰＥＧ２视频编码的隐写算法 表２隐写前后ＭＰＥＧ２文件大小比较 １８１ ｌ＋一ｓｔｅｍ ＭＰＥＧ２‘ ｔ—ｅ－ＯｎｇＩ怕ＩＭＰＥＧ２ Ｉ ｌ． ｌ 獭 一 堂 ‘ — 蹴 嘲 、 — ＋— 、 ＋一 ：ｔ： ， 。 ． 一 — ＼｝ Ｈ｝ 脚 曲 柏 ＿ Ｈ 札 ＾ 帧编号 （ａ）Ｍｏｂｉｌｅ 帧编号 （ｂ）Ｆｏｏｔｂａｌｌ 图６ ＭＰＥＧ２视频隐写前后的ＰＳＮＲ对比 ４ 结语 本文通过充分利用ＭＰＥＧ２码流中没有差分编码的系数进行隐写，达到了提高隐藏容量的目的，并采 用“存在例外的动态４－１”嵌入、舍去高频系数、０比特填充等三级机制保证了隐写后码长的不变．算法对隐 蔽通信比较实用，若还需要增大隐藏容量，可以进一步使用经过差分编码的ＤＣ系数和运动矢量进行隐 写，并可使用自适应嵌入技术在纹理丰富的区域中减少嵌入量，从而提高纹理细密区的图像质量． 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］Ｂｒｏｗｎ Ａ．Ｓ－Ｔｏｏｌｓ ４．０［ＥＢ／ＯＬ］．［２００７—１１—２０］．ｈｔｔｐ：／／ｓｏｆｔ．ｓｏｆｌｏｏｇｌｅ．ｃｏｍ／ａｐ／ｓ ｔｏｏｌｓ—ｄｏｗｎｌｏａｄ一１２６．ｓｈｔｍ１． ［２］Ｕｐｈａｍ Ｄ．ｊｐｅｇ－ｊｓｔｅｇ—ｖ４［ＥＢ／ＯＬ］．［２００７—１１—２０］．ｆｔｐ：／／ｆｔｐ．ｆｕｎｅｔ．ｆｉ／ｐｕｂ／ｃｒｙｐｔ／ｓｔｅｇａｎｏｇｒａｐｈｙ／． ［３］Ｍａｃｈａｄｏ Ｒ．ＥＺＳｔｅｇｏ［ＥＢ／ＯＬ］．［２００７—１１－２０］．ｈｔｔｐ：／／ｗ￣．ｊｊｔｃ．ｃｏｍ／Ｓｅｃｕｒｉｔｙ／ｓｔｅｇｔｏｏｓ１．ｈｔｍ． ［４］Ｈａｒｔｕｎｇ Ｆ，Ｇｉｒｏｄ Ｂ．Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｏｆ ｕｎｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｖｉｄｅｏ［Ｊ］．Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９９８，６６（３）：２８３—３０１． ［５］Ｃｈｅｎ Ｔｉａｎｈａｎｇ，Ｌｉｕ Ｓｈａｏｈｕｉ，Ｙａｏ Ｈｏｎｇｘｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｓｐａｔｉａｌ ｖｉｄｅｏ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＤＣ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔｓ［Ｃ］／／Ｌｅｅ— ｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，３９３０．Ｈｅｉｄｌｂｅｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ—Ｖｅｒｌａｇ２００６：ｌ０３３一ｌ０４２． ．［６］Ｈｓｕ Ｃ Ｔ，Ｗｕ Ｊ Ｌ．ＤＣＴ—ｂａｓｅｄ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｆｏｒ ｖｉｄｅｏ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｃｏｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８．４４（１）：２０６— ２１６． ［７］Ｌａｎｇｅｌａａｒ Ｇ Ｃ，Ｌａｇｅｎｄｉｊｋ Ｒ Ｌ，Ｂｉｅｍｏｎｄ Ｊ．Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｌａｂｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ＭＰＥＧ一２ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｖｉｄｅｏ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖ￣ｎａｌ Ｃｏｍｍｕ— ｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ，１９９８，９（４）：２５６—２７０． ［８］Ｍｏｂａｓｓｅｒｉ Ｂ Ｇ，Ｍａｒｃｉｎａｋ Ｍ Ｐ．Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｏｆ ＭＰＥＧ－２ ｖｉｄｅｏ ｉｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｄｏｍａｉｎ ｕｓｉｎｇ ＶＬＣ ｍａｐｐｉｎｇ［Ｃ］／／ＡＣＭ Ｍｕｌｔｉ— ｅｄｉｍａ ａｎｄ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ０５．Ｎｅｗ ＹｏｒｋＮＹ，ＵＳＡ，２００６：９１—９４． ，１９］Ｌｉｕ Ｂ，Ｌｉｕ Ｆ Ｌ，Ｌｕｏ Ｘ Ｙ．Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓｔｅｇａｎｏｇｒａｐｈｙ ｉｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｖｉｄｅｏ［Ｃ］／／Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ．４１０５．Ｈｅｉ— ｄｌｂｅｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ—Ｖｅｒｌａｇ，２００６：４３—４８． ［１０］Ｌｉｕ Ｈ Ｍ，Ｓｈａｏ Ｆ Ｌ，Ｈｕａｎｇ Ｊ Ｗ．Ａ ＭＰＥＧ一２ ｖｉｄｅｏ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｂｉｔ ｓｔｒｅａｍ ｆ Ｃ］／／ ｃｔ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，３９１９．ＨｅｉｄｌｂｅｒｇＧｅｒｎｔａｎｙ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ—Ｖｅｒｌａｇ，２００６：１２３—１３４． ，［１ １］ Ｚｈａｎｇ Ｊ，Ｌｉ Ｊ Ｇ，Ｚｈａｎｇ Ｌ． Ｖｉｄｅｏ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｍｏｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ［Ｃ］／／ＸＩＶ Ｂｒａｚｉｌｉ０ ５ｍｐ０ｓｉ ，ｎ ０ ｃ０，ｎｐ ￡ｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｂｒａｚｉｃ，２００１：１７９—１ ８２． ［１２］Ｄａｉ Ｙｕｎｊｕｎ，Ｚｈａｎｇ Ｌｉｈｅ，Ｙａｎｇ Ｙｉｘｉａｎ．Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＭＰＥＧ ｖｉｄｅｏ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］／／ ０ｃｅｅ ， ｏｆ Ｉｎｔｅｒ－ ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，２００３：１８４５—１８４７． ［１３］Ｚｈｕ Ｚｈｏｎｇｊｉｅ，Ｊｉａｎｇ Ｇａｎｇｙｉ，Ｙｕ Ｍｅｉ，ｅｔ ａ１．Ｎｅｗ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｖｉｄｅｏ ｗａｔｅｍａｒｒｋｉｎｇ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｒｅｇｉｏｎ １０ Ｃｏ ｒ－ ｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ．２００２：１５２—１５５．
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