基于运动矢量的视频可逆隐藏算法

常用的视频信息隐藏技术将视频视作多帧图像的叠加，并采用图像数字水印隐藏算法进行数据隐藏，虽然增加了隐藏信息的鲁棒性，但是受制于传统水印相对较高的算法复杂度，在现行的视频应用中并未有良好的表现。H.264作为常用的视频编码标准是视频传输与存储的主要形式，结合编码标准的视频信息隐藏技术能更好的利用视频的编码特性，因此越来越多的算法开始利用视频的编码特性来进行信息隐藏。

利用视频编码特性的视频信息隐藏技术一般包括视频空域和频域信息隐藏与运动矢量信息隐藏，与视频空域和频域的信息隐藏研究相比，近些年基于运动矢量的信息隐藏研究工作相对较少，但这一类信息隐藏有其独有的优势，在应用中有着不可替代的作用。与空域和频域的视频信息隐藏算法相比，基于运动量的信息隐藏算法由于不改变视频参考帧和在传输中的运动矢量，通常较少遭受破坏，在解码端视频质量保障和隐藏信息保护方面均具有明显优势。在这一领域较早的研究工作是2001年xu等口叩提出的压缩视频流中的信息隐藏算法(MVCA算法)，将隐藏信息嵌入在绝对值大的分量中，利用较大数据允许更大变化的特点改变矢量进行数据嵌入。Fang等妇提出了更符合矢量变化规律的相位角概念进行信息隐藏，之后Zhu等利用1/4像素进行信息隐藏降低了矢量变化程度，苏育挺等利用菱形算法进一步提高了嵌入强度。后期算法研究者又从局部最优性和相关性等方向开展了进一步研究工作。且更注重算法的安全性。但以上算法存在一个共同问题，就是在嵌入水印时会引起视频运动矢量的改变，而解码端无法消除这些改变所带来的影响。一方面，由于在解码端解码时无法利用传输的信息解码原始的运动矢量，因此算法只能利用改变后的运动矢量进行解码操作，会造成解码视频质量下降;另一方面，为了保证视频的质量，上述算法往往会利用嵌入信息后的运动矢量来进行残差运算，但是运动矢量的计算是在残差最小的情况下得出的，上述矢量信息隐藏算法中产生的运动矢量改变会造成残差码流的增加，影响传输效率。综上所述，如何能在解码端不借助大量的外部信息的同时还原未嵌入数据时的运动矢量信息隐藏算法成为迫切需要。针对这一问题，本研究通过在编解码过程中引入可逆信息隐藏算法思想来解决。可逆信息隐藏算法早期是由Tian针对图像提出的差值扩展算法，目的是在解码端提取隐藏数据并还原载体未嵌入数据时的状态，算法通过增加相邻像素值差值的最低有效位来实现数据嵌入，并利用差值扩展与变化的控制保证水印化图像的质量。在此基础上，Thoid等提出了差值直方图平移的改进算法，解决了Tian算法中位置图占有大量比特信息问题，进一步提高了嵌入容量和嵌入后图像的质量。熊志勇等。也在这一领域进行了研究，实现了单向扩展和负数域的可逆算法来应对更复杂的情况。本研究利用可逆信息隐藏思想可以无损回复原始载体的特性，设计了一种基于可逆思想的运动矢量信息隐藏算法。算法利用EPzs算法计算出目标运动矢量的最优预测矢量，通过调整预测矢量与目标运动矢　量的差值实现水印嵌入，由于嵌入过程和提取过程引入了可逆信息隐藏的算法思想，在解码端提取完整的嵌入信息后可以还原最优预测情况下的视频运动矢量，较好解决了基于运动矢量的视频信息隐藏算法中嵌入数据导致运动矢量变化所带来的问题。得益于运动矢量完全恢复，在解码视频的质量得到保证的同时，避免了因为运动矢量改变所引起的码流增加和预测矢量改变所造成的GOP(groupof pictures)误差积累。