CN112714230A - 基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法和装置。该方法将伴音视频分流，得到载体视频和载体音频；在载体视频中嵌入秘密消息，得到隐写后的视频；在载体音频中嵌入隐写协议，得到隐写后的音频；将隐写后的视频和隐写后音频合流封装为伴音隐写视频。提取秘密信息时，将伴音隐写视频分流，得到载体视频和载体音频，从载体音频提取隐写协议，然后选择鲁棒区域，从载体视频提取秘密信息。本发明建立了两个隐蔽信道，音频侧信道嵌入通信协议，视频信道嵌入秘密消息，该视频隐写方法的鲁棒性强，可自适应地选择隐写区域，可用于社交网络隐蔽通信，增强了整个通信过程的隐蔽性和安全性。

Description

基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法和装置
技术领域
本发明属于信息安全领域，是一种基于视频伴音流的鲁棒隐写方法和装置，可用于社交网络信道的隐蔽通信。
背景技术
信息安全领域中的信息隐藏技术由隐写和隐写分析两部分组成，前者主要研究如何将秘密信息嵌入图像、音频、视频等载体以达到隐蔽通信的目的，而后者则采用机器学习、模式识别等方法以区分普通载体和经过隐写的文件。
一般地，在设计隐写算法时，需要综合考虑以下几个方面因素：
1)不可感知性：要求隐写前后的载体对于人体感官而言是不可区分的，即无法仅凭借人类的听觉和视觉来判断载体是否经过隐写；
2)鲁棒性：要求隐写文件在经过信号处理操作或恶意修改后，仍能可靠、完整地恢复出嵌入的秘密信息；
3)嵌入容量：要求进行隐蔽通信时，在保证一定隐写安全性的条件下，应当尽量增加载体文件中嵌入的秘密信息数据；
4)嵌入效率：要求在嵌入信息量一定的前提下，应该尽可能降低对载体的修改程度；
5)安全性：要求隐写嵌入操作不会对载体文件的统计特性造成明显扰动，使得隐写分析者(攻击者)无法使用简单的统计特征检测出隐写行为的存在。
经过专家学者们的多年研究，图像隐写得到了长足的进步和发展，出现了诸如F5、HUGO等许多经典隐写算法。然而，伴随着互联网技术的日新月异以及视频编码标准的推陈出新，视频已经成为当前流行程度最高并且无可替代的传播媒介，其相对于图像的优势在于，应用场景更加丰富，传递的信息量更大。因此，视频正逐步取代图像，成为隐写中更加适合的载体。
按照秘密信息的嵌入域，视频隐写一般可以分为以下三大类：
1)空域视频隐写：即视频压缩编码前直接修改视频帧的原始像素值或其变换域系数以嵌入秘密信息；
2)压缩域视频隐写：将隐写嵌入操作和视频压缩编码紧密结合，通过利用视频压缩编码框架中的某些模块或特性以嵌入秘密信息。
3)格式视频隐写：即利用视频封装格式(也称为容器)的保留(或冗余)字段已嵌入秘密信息。
压缩域视频隐写算法通过修改视频码流的语法元素嵌入秘密消息，例如运动向量、帧内预测模式、变换系数等，这类算法在有损信道传输过程中会受到噪声干扰，导致接受者无法正确提取秘密消息。因此，压缩域视频隐写算法虽然嵌入域选择性多，算法种类丰富，但是不具有鲁棒性。
格式视频隐写算法利用视频封装格式的冗余字段嵌入秘密消息，该类算法嵌入容量较低，且在视频转码过程中这些载密信息会被抹除，不能抵抗视频转码。
空域视频隐写算法按照秘密消息嵌入域的不同，可以分为以下两类：
1)基于像素域的视频隐写算法：其主要思想是通过修改视频帧的像素值或像素值分布来嵌入秘密消息。例如：有学者提出将哈希索引与最低有效比特(LSB)技术相结合，通过修改视频帧的像素值来嵌入秘密消息。
2)基于空域变换域的视频隐写算法：其主要思想是利用矩阵变换将视频帧像素值变换到其他域，然后在变换域进行修改来嵌入秘密消息。例如：有学者提出利用离散小波变换(DWT)将视频帧像素值变换到频域，然后通过修改低频子带来嵌入秘密消息。
空域视频隐写算法操作简单，具有更强的鲁棒性。但是，由于视频原始帧需要经过有损压缩，该类隐写算法一般需要采用差错控制编码技术或者重复嵌入的手段，以保证接收端能够正确恢复出其中的秘密信息。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可用于社交网络有损转码信道的鲁棒视频隐写方案，该方案利用音频构建侧信道，在变换域进行修改来嵌入秘密消息。同时，该方案结合错误纠正编码技术，能够有效抵抗社交网络的有损转码。
相比其他空域视频隐写算法，本发明提出了一种视频帧挑选策略，能自适应地选择鲁棒区域，通过修改块统计特征来嵌入秘密消息，提升了算法鲁棒性。同时，本发明通过构建音频侧信道来嵌入协议，使得接收端能正确提取秘密消息。
根据调研，目前所有的视频隐写算法都是构建单一隐蔽信道来嵌入秘密信息，本发明在嵌入过程中，跨媒体分别建立了两个隐蔽信道，音频侧信道嵌入通信协议，视频信道嵌入秘密消息。在提取过程中，首先从音频侧信道提取协议信息，然后选择鲁棒区域，从视频信道提取秘密信息。
具体来说，本发明采用的技术方案如下：
一种基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法，包括秘密信息的嵌入过程，所述秘密信息的嵌入过程包括以下步骤：
将伴音视频分流，得到载体视频和载体音频；
在载体视频中嵌入秘密消息，得到隐写后的视频；
在载体音频中嵌入隐写协议，得到隐写后的音频；
将隐写后的视频和隐写后音频合流封装为伴音隐写视频。
进一步地，所述将伴音视频分流，得到载体视频和载体音频，包括：将载体音频转码为WAV格式音频，将载体视频解码到空域，获取视频帧亮度分量序列，即Y分量序列。
进一步地，所述在载体视频中嵌入秘密消息，得到隐写后的视频，包括：
利用BCH编码秘密消息：利用纠错码BCH码对秘密消息进行编码，生成编码后的待嵌密息串m1；
对所述Y分量序列，执行以下操作：
1)选择鲁棒帧并生成隐写协议：利用预嵌入过程，选择视频中一半误码率较低的帧作为鲁棒帧，其他帧作为非鲁棒帧，生成标记序列作为隐写协议P；
2)提取视频嵌入域：对每个像素块进行离散余弦变换，生成LL、LH、HL、HH四个子带，然后对LL子带进行奇异值分解(SVD)，得到对角矩阵
Figure BDA0002810550890000031
获取最大奇异值α1作为视频嵌入域；
3)量化索引调制嵌入：对最大奇异值α1进行量化索引调制，嵌入待嵌密息串m1；
4)生成亮度分量序列：将QIM调制后的最大奇异值α′1写回对角矩阵∑，并重新计算生成新的像素块，将所有修改后的像素块合并，并将亮度帧写回Y分量序列，从而得到隐写后的视频。
进一步地，所述在载体音频中嵌入隐写协议，得到隐写后的音频，包括：
利用BCH编码隐写协议：利用纠错码BCH码对隐写协议P进行编码，生成编码后的待嵌密息串f1；
对所述WAV格式音频，执行以下操作：
1)采样点分段：按照固定步长，对WAV格式音频中的采样点序列进行分段，获得多个采样段；
2)提取音频嵌入域：对每个采样点分段进行DWT变换，生成低频子带L和高频子带H；然后，对L子带进行SVD分解，得到奇异值数组U＝(μ1 μ2…μn)，获取最大奇异值μ1作为音频嵌入域；
3)量化索引调制嵌入：对最大奇异值μ1进行QIM调制，嵌入待嵌密息串f1；
4)将QIM调制后的最大奇异值写回数组U，并重新计算生成新的采样点分段，将所有修改后的采样点分段合并，将其写回采样点序列，生成隐写后的WAV格式音频。
一种基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法，包括秘密信息的提取过程，所述秘密信息的提取过程对上述方法生成的伴音隐写视频提取秘密信息；所述秘密信息的提取过程包括：
将伴音隐写视频分流，得到载体视频和载体音频；
从载体音频提取隐写协议，然后选择鲁棒区域，从载体视频提取秘密信息。
进一步地，所述秘密信息的提取过程包括以下步骤：
1)预处理：将隐写后的伴音视频分流，得到载体视频和载体音频，将载体音频转码为WAV格式音频，将载体视频解码到空域，获取视频帧亮度分量序列，即Y分量序列；
2)对步骤1)中得到的WAV格式音频，执行以下操作：
2.1)采样点分段：按照固定步长，对WAV格式音频中的采样点序列进行分段，获得多个采样段；
2.2)提取音频嵌入域：对每个采样点分段进行DWT变换，生成低频子带L和高频子带H，然后对L子带进行SVD分解，得到奇异值数组U＝(μ1 μ2 … μn)，获取最大奇异值μ1作为音频嵌入域；
2.3)量化索引调制提取：利用QIM方法，对最大奇异值μ1进行提取，生成密息串f′1；
3)利用纠错码BCH码对密息串f′1进行解码，生成隐写协议P；
4)对步骤1)中得到的Y分量序列，执行以下操作：
4.1)选择鲁棒帧：利用步骤3)中得到的隐写协议P，选择Y分量序列中的鲁棒帧；
4.2)提取视频嵌入域：对每个像素块进行离散余弦变换(DWT)，生成LL、LH、HL、HH四个子带，然后对LL子带进行奇异值分解(SVD)，得到对角矩阵
Figure BDA0002810550890000041
获取最大奇异值α1作为视频嵌入域；
4.3)量化索引调制提取：利用QIM算法，对最大奇异值α1进行提取，生成密息串m′1；
5)利用纠错码BCH码对密息串m′1进行解码，生成秘密消息，对秘密消息进行解密，生成消息明文。
一种基于音频侧信道的鲁棒视频隐写装置，包括秘密信息嵌入单元和/或秘密信息提取单元；所述秘密信息嵌入单元采用上述方法中的秘密信息的嵌入过程嵌入秘密信息，生成伴音隐写视频；所述秘密信息提取单元采用上述方法中的秘密信息的提取过程对伴音隐写视频提取秘密信息。
本发明的鲁棒视频隐写方法对相关技术领域的有益效果如下：
1)鲁棒性强。目前所有基于压缩域的视频隐写方法都不具有鲁棒性，其主要原因是视频转码会极大地改变视频语法元素，例如，变换系数、量化参数、运动向量等，破坏了隐写嵌入域。本发明是一种基于空域的视频隐写算法，视频语法元素的改变不会影响空域特征，因此本发明具有很强的鲁棒性，可以抵抗视频重压缩和转码。特别地，当传输信道为有损转码信道时，本发明仍然能适用。
2)可自适应地选择隐写区域。目前现有的视频隐写算法其隐写区域只与算法本身有关，与视频载体的内容无关。在有损信道传输过程中，不同视频会被引入不同程度的噪声，从而影响隐写算法的鲁棒性。本发明可以根据视频载体内容本身选择隐写区域，自适应地选择鲁棒帧来嵌入秘密消息，提高了算法的鲁棒性。
3)可用于社交网络隐蔽通信。由于社交网络转码机制是一个封闭的黑盒，社交网络转码信道引入的噪声具有不确定性。现有的视频隐写算法无法通过社交网络进行隐蔽通信，隐写视频往往通过人工或无损信道传输，增加了通信被暴露的风险。本发明可利用社交网络进行隐蔽通信，增强了整个通信过程的隐蔽性和安全性。
附图说明
图1是本发明的秘密信息嵌入示意图；
图2是本发明的秘密信息提取示意图；
图3是本发明预嵌入流程图；
图4是本发明音频侧信道嵌入流程图；
图5是本发明视频信道嵌入流程图；
图6是本发明音频侧信道提取流程图；
图7是本发明视频信道提取流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进行一步描述。
本实施例的一种基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法，其中秘密信息的嵌入过程如图1所示，包括以下步骤：
1)预处理：将伴音视频分流，得到载体视频和载体音频。将载体音频转码为WAV格式音频。将载体视频解码到空域，获取视频帧亮度分量序列，即Y分量序列。
2)利用BCH编码秘密消息：利用纠错码BCH码对秘密消息进行编码，生成编码后的待嵌密息串m1。
3)对步骤1)中得到的Y分量序列，执行以下操作：
3.1)选择鲁棒帧并生成隐写协议：利用预嵌入过程(图3)，选择视频中一半误码率较低的帧作为鲁棒帧，其他帧作为非鲁棒帧，生成标记序列作为隐写协议P。
3.2)提取视频嵌入域：对每个像素块进行离散余弦变换(DWT)，生成LL、LH、HL、HH四个子带。然后，对LL子带进行奇异值分解(SVD)，得到对角矩阵
Figure BDA0002810550890000061
获取最大奇异值α1作为视频嵌入域。
3.3)量化索引调制嵌入：对最大奇异值α1进行量化索引调制(QIM)，嵌入待嵌密息串m1。
3.4)生成亮度分量序列：将QIM调制后的最大奇异值α′1写回对角矩阵∑，并重新计算生成新的像素块。将所有修改后的像素块合并，并将亮度帧写回Y分量序列，从而得到隐写后的视频序列。
4)利用BCH编码隐写协议：利用纠错码BCH码对隐写协议P进行编码，生成编码后的待嵌密息串f1。
5)对步骤1)中得到的WAV格式音频，执行以下操作：
5.1)采样点分段：按照固定步长，对WAV格式音频中的采样点序列进行分段，获得多个采样段。
5.2)提取音频嵌入域：对每个采样点分段进行DWT变换，生成低频子带L和高频子带H。然后，对L子带进行SVD分解，得到奇异值数组U＝(μ1 μ2 μn)，获取最大奇异值μ1作为音频嵌入域。
5.3)量化索引调制嵌入：对最大奇异值μ1进行QIM调制，嵌入待嵌密息串f1。
5.4)将QIM调制后的最大奇异值写回数组U，并重新计算生成新的采样点分段。将所有修改后的采样点分段合并，将其写回采样点序列，生成隐写后的WAV格式音频。
6)后处理：将步骤3.4)生成的隐写后的视频序列和步骤5.4)生成的隐写后的WAV格式音频编码，并合流封装为伴音隐写视频。
进一步地，上述方法还包括秘密信息的提取过程，如图2所示，包括以下步骤：
1)预处理：将隐写后的伴音视频分流，得到载体视频和载体音频。将载体音频转码为WAV格式音频。将载体视频解码到空域，获取视频帧亮度分量序列(即Y分量序列)。
2)对步骤1)中得到的WAV格式音频，执行以下操作：
2.1)采样点分段：按照固定步长，对WAV格式音频中的采样点序列进行分段，获得多个采样段。
2.2)提取音频嵌入域：对每个采样点分段进行DWT变换，生成低频子带L和高频子带H。然后，对L子带进行SVD分解，得到奇异值数组U＝(μ1 μ2…μn)，获取最大奇异值μ1作为音频嵌入域。
2.3)量化索引调制提取：利用QIM方法，对最大奇异值μ1进行提取，生成密息串f′1。
3)利用纠错码BCH码对密息串f′1进行解码，生成隐写协议P。
4)对步骤1)中得到的Y分量序列，执行以下操作：
4.1)选择鲁棒帧：利用步骤3)中得到的隐写协议P，选择Y分量序列中的鲁棒帧。
4.2)提取视频嵌入域：对每个像素块进行离散余弦变换(DWT)，生成LL、LH、HL、HH四个子带。然后，对LL子带进行奇异值分解(SVD)，得到对角矩阵
Figure BDA0002810550890000071
获取最大奇异值α1作为视频嵌入域。
4.3)量化索引调制提取：利用QIM算法，对最大奇异值α1进行提取，生成密息串m′1。
5)利用纠错码BCH码对密息串m′1进行解码，生成秘密消息。对秘密消息进行解密，生成消息明文。
下面进一步详细说明上述方法。
在采用本发明进行消息隐写嵌入前，可以先对待嵌入的消息进行加密，得到随机的二进制数据流。本发明提出的基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法，其秘密消息的嵌入流程可分为两部分：一是预嵌入过程，二是秘密消息嵌入过程。
预嵌入过程(图3)生成视频帧序列标志位数组P(即隐写协议)，帮助选择鲁棒帧，用于秘密消息嵌入。其具体操作细节如下：
1)生成固定长度的随机比特串s1。
2)将载体视频解码到空域，获取视频亮度分量序列。
3)从亮度分量序列中取出一帧，将其划分成大小为16×16的互不重叠的像素块。
4)从中取一个分块，并进行DWT变换，得到LL、LH、HL和HH四个子带。取LL子带，并进行SVD分解，得到奇异值对角矩阵，取第一行第一列的最大奇异值α1。
5)从步骤1)的比特串s1中取一个比特，利用QIM算法对奇异值α1进行调制以完成嵌入，生成α′1。
6)将α′1写回对角矩阵，利用SVD重新计算生成新的子带LL′。将LL′、LH、HL、HH四个子带进行DWT逆变换，生成新的像素块。
7)对余下的分块重复执行步骤4)、步骤5)和步骤6)，直至该帧所有分块全部完成嵌入。
8)对余下的亮度分量序列中的帧重复执行步骤3)至7)，直至亮度序列所有帧全部嵌入。
9)将所有亮度帧组合为亮度分量序列，并且将整个空域序列编码为视频码流。利用固定参数的转码器对视频码流进行转码，生成转码后的视频。
10)将步骤9)得到的视频解码到空域，获取视频亮度分量序列(Y分量序列)。
11)从亮度分量序列中取一帧，并将其划分为16×16的像素块
12)从中取一个分块，并进行DWT变换，得到LL、LH、HL和HH四个子带。取LL子带，并进行SVD分解，得到奇异值对角矩阵，取第一行第一列的最大奇异值α1。
13)利用QIM算法对奇异值α1进行提取。
14)对余下的分块重复执行步骤12)、步骤13)，直至该帧所有分块全部完成提取。
15)对余下的亮度分量序列中的帧重复执行步骤11)至14)，直至亮度序列所有帧全部完成提取。
16)将步骤15)得到的消息合并为比特串s′1，与步骤1)生成的原始随机比特串s1作对比，计算每一帧的误码率。选取视频中
Figure BDA0002810550890000091
误码率较低的帧作为鲁棒帧，其他帧作为非鲁棒帧。设置鲁棒帧的标志位为0，非鲁棒帧的标志位为1，生成标志位比特序列，作为隐写协议P。
秘密消息嵌入过程包括两部分：一是音频侧信道嵌入过程(图4)，二是视频信道嵌入过程(图5)。音频侧信道嵌入隐写协议P，视频信道嵌入秘密消息。
音频侧信道嵌入隐写协议，其具体操作细节如图4所示，包括以下步骤：
1)将从视频中分离出的AAC音频流转码成WAV格式，并提取出其中的采样点序列。
2)利用BCH(63,7,15)码对隐写协议P进行编码，生成待嵌密息串f1。
3)将采样点序列分割成一系列固定长度的音频段。
4)从中取一个音频段，对其进行DWT变换得到低频子带L和高频子带H。取低频子带L进行SVD分解，得到最大奇异值μ1。
5)从待嵌密息串f1中取一个比特，使用QIM算法对奇异值μ1进行调制以完成消息比特嵌入，生成μ′1。
6)将μ′1写回，利用SVD重新计算生成新的低频子带L′。将低频子带L′和高频子带H进行DWT逆变换，生成新的音频段。
7)对于余下的采样点分段执行步骤4)至6)，直至待嵌密息串f1全部完成嵌入。
8)将隐写后的音频段拼接为完整的音频采样点序列，生成隐写后的WAV格式音频文件。
视频信道嵌入秘密消息的过程与预嵌入过程类似，主要区别在于它仅选择鲁棒帧作为载体进行嵌入，其他非鲁棒帧不作任何处理。其具体操作细节如图5所示，包括以下步骤：
1)将载体视频解码到空域，获取视频亮度分量序列。
2)利用BCH(63.7,15)码对秘密消息进行编码，生成待嵌密息串m1。
3)从亮度分量序列中取出一帧鲁棒帧，将其划分成大小为16×16的互不重叠的分块。
4)从中取一个分块，并进行DWT变换，得到LL、LH、HL和HH四个子带。取LL子带，并进行SVD分解，得到奇异值对角矩阵，取第一行第一列的最大奇异值α1。
5)从待嵌密息串m1中取一个比特，利用QIM算法对奇异值α1进行调制以完成嵌入，生成α′1。
6)将α′1写回对角矩阵，利用SVD重新计算生成新的子带LL′。将LL′、LH、HL、HH四个子带进行DWT逆变换，生成新的像素块。
7)对余下的分块重复执行步骤4)、步骤5)和步骤6)，直至该帧所有分块完成嵌入。
8)对余下的亮度分量序列中的鲁棒帧重复执行步骤3)至7)，直至完成待嵌密息串m1的嵌入。
9)将所有帧写回亮度分量序列，将视频空域序列编码为视频码流。
10)将嵌入隐写协议后的载密WAV格式音频流和步骤6)生成的视频流编码，并合流封装为伴音隐写视频。
本发明提出的基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法，其秘密消息的提取流程也可分为两部分：一是隐写协议的提取过程(图6)，二是秘密消息的提取过程(图7)。
在隐蔽通信过程中，接受端在提取秘密消息时无法区分鲁棒帧与非鲁棒帧。因此，接收端在提取秘密消息之前需要先提取隐写协议，其具体操作细节如图6所示，包括以下步骤：
1)将从视频中分离出的AAC音频流转码成WAV格式，并提取出其中的采样点序列。
2)按照固定的步长将采样点分割成一系列固定长度的音频段。
3)从中取一个音频分段，对其进行DWT变换得到低频子带L和高频子带H。取低频子带L进行SVD分解，得到最大奇异值μ1。
4)利用QIM算法对奇异值μ1进行提取，得到一个密息比特。
5)对余下的音频段重复执行步骤3)和步骤4)，直至所有密息比特全部提取完毕。
6)利用BCH(63,7,15)码对提取到的密息串f′1进行解码，生成隐写协议P。
在提取隐写协议后，接收端仅从视频亮度序列中的鲁棒帧提取秘密消息，其具体操作细节如图7所示，包括以下步骤：
1)将隐写视频解码到空域，获取视频亮度分量序列。
2)根据隐写协议标记，从亮度分量序列中取一帧鲁棒帧，将其划分成大小为16×16的互不重叠的像素分块。
3)从中取一个分块，并进行DWT变换，得到LL、LH、HL和HH四个子带。取LL子带，并进行SVD分解，得到奇异值对角矩阵，取第一行第一列的最大奇异值α1。
4)利用QIM算法对奇异值α1进行提取，得到一个密息比特。
5)对余下的分块重复执行步骤3)和步骤4)，直至该帧所有分块完成密息比特提取。
6)对余下的亮度分量序列中的鲁棒帧重复执行步骤2)至步骤5)，直至所有密息比特全部提取完毕。
7)利用BCH(63,7,15)码对提取到的密息串m′1进行解码，生成秘密消息。对秘密消息进行解密生成消息明文。
从以上具体实施方式可以看出，本发明的嵌入流程中，可以根据每个载体视频的具体情况，选择鲁棒的嵌入区域进行隐写，提高了隐写算法的鲁棒性。同时，本发明在算法中引入了错误纠正编码技术，通过BCH码提升了纠错能力，减少了误码率。本发明从算法、嵌入区域及纠错码三个方面进行合理设计，大大提升了鲁棒性。
本发明可有效抵抗社交网络的有损转码操作，可用在基于社交网络的隐蔽通信。为了验证本发明在基于社交网络隐蔽通信中的有效性，选取10个分辨率为720p(1280×720)的视频，测试其在YouTube信道的负载率和误码率，如表1所示。
表1本发明在YouTube信道的鲁棒性评测结果
Figure BDA0002810550890000111
基于同一发明构思，本发明的另一个实施例提供一种基于音频侧信道的鲁棒视频隐写装置，包括秘密信息嵌入单元和/或秘密信息提取单元；所述秘密信息嵌入单元采用上述方法中的秘密信息的嵌入过程嵌入秘密信息，生成伴音隐写视频；所述秘密信息提取单元采用上述方法中的秘密信息的提取过程对伴音隐写视频提取秘密信息。
基于同一发明构思，本发明的另一实施例提供一种电子装置(计算机、服务器、智能手机等)，其包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行本发明方法中各步骤的指令。
基于同一发明构思，本发明的另一实施例提供一种计算机可读存储介质(如ROM/RAM、磁盘、光盘)，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被计算机执行时，实现本发明方法的各个步骤。
以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法，包括秘密信息的嵌入过程，其特征在于，所述秘密信息的嵌入过程包括以下步骤：
将伴音视频分流，得到载体视频和载体音频；
在载体视频中嵌入秘密消息，得到隐写后的视频；
在载体音频中嵌入隐写协议，得到隐写后的音频；
将隐写后的视频和隐写后音频合流封装为伴音隐写视频。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将伴音视频分流，得到载体视频和载体音频，包括：将载体音频转码为WAV格式音频，将载体视频解码到空域，获取视频帧亮度分量序列，即Y分量序列。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在载体视频中嵌入秘密消息，得到隐写后的视频，包括：
利用BCH编码秘密消息：利用纠错码BCH码对秘密消息进行编码，生成编码后的待嵌密息串m1；
对所述Y分量序列，执行以下操作：
1)选择鲁棒帧并生成隐写协议：利用预嵌入过程，选择视频中一半误码率较低的帧作为鲁棒帧，其他帧作为非鲁棒帧，生成标记序列作为隐写协议P；
2)提取视频嵌入域：对每个像素块进行离散余弦变换，生成LL、LH、HL、HH四个子带，然后对LL子带进行奇异值分解(SVD)，得到对角矩阵
Figure FDA0002810550880000011
获取最大奇异值α1作为视频嵌入域；
3)量化索引调制嵌入：对最大奇异值α1进行量化索引调制，嵌入待嵌密息串m1；
4)生成亮度分量序列：将QIM调制后的最大奇异值α′i写回对角矩阵∑，并重新计算生成新的像素块，将所有修改后的像素块合并，并将亮度帧写回Y分量序列，从而得到隐写后的视频。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)所述预嵌入过程包括：
1.1)生成固定长度的随机比特串s1；
1.2)将载体视频解码到空域，获取视频亮度分量序列；
1.3)从亮度分量序列中取出一帧，将其划分成大小为16×16的互不重叠的像素块；
1.4)从中取一个分块，并进行DWT变换，得到LL、LH、HL和HH四个子带，取LL子带，并进行SVD分解，得到奇异值对角矩阵，取第一行第一列的最大奇异值α1；
1.5)从步骤1)的比特串s1中取一个比特，利用QIM算法对奇异值α1进行调制以完成嵌入，生成α′1；
1.6)将α′1写回对角矩阵，利用SVD重新计算生成新的子带LL′，将LL′、LH、HL、HH四个子带进行DWT逆变换，生成新的像素块；
1.7)对余下的分块重复执行步骤1.4)、步骤1.5)和步骤1.6)，直至该帧所有分块全部完成嵌入；
1.8)对余下的亮度分量序列中的帧重复执行步骤1.3)至1.7)，直至亮度序列所有帧全部嵌入；
1.9)将所有亮度帧组合为亮度分量序列，并且将整个空域序列编码为视频码流，利用固定参数的转码器对视频码流进行转码，生成转码后的视频；
1.10)将步骤1.9)得到的视频解码到空域，获取视频亮度分量序列；
1.11)从亮度分量序列中取一帧，并将其划分为16×16的像素块；
1.12)从中取一个分块，并进行DWT变换，得到LL、LH、HL和HH四个子带，取LL子带，并进行SVD分解，得到奇异值对角矩阵，取第一行第一列的最大奇异值α1；
1.13)利用QIM算法对奇异值α1进行提取；
1.14)对余下的分块重复执行步骤1.12)、步骤1.13)，直至该帧所有分块全部完成提取；
1.15)对余下的亮度分量序列中的帧重复执行步骤1.11)至1.14)，直至亮度序列所有帧全部完成提取；
1.16)将步骤1.15)得到的消息合并为比特串s′1，与步骤1.1)生成的原始随机比特串s1作对比，计算每一帧的误码率；选取视频中
Figure FDA0002810550880000021
误码率较低的帧作为鲁棒帧，其他帧作为非鲁棒帧；设置鲁棒帧的标志位为0，非鲁棒帧的标志位为1，生成标志位比特序列，作为隐写协议P。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述在载体音频中嵌入隐写协议，得到隐写后的音频，包括：
利用BCH编码隐写协议：利用纠错码BCH码对隐写协议P进行编码，生成编码后的待嵌密息串f1；
对所述WAV格式音频，执行以下操作：
1)采样点分段：按照固定步长，对WAV格式音频中的采样点序列进行分段，获得多个采样段；
2)提取音频嵌入域：对每个采样点分段进行DWT变换，生成低频子带L和高频子带H；然后，对L子带进行SVD分解，得到奇异值数组U＝(μ1 μ2 … μn)，获取最大奇异值μ1作为音频嵌入域；
3)量化索引调制嵌入：对最大奇异值μ1进行QIM调制，嵌入待嵌密息串f1；
4)将QIM调制后的最大奇异值写回数组U，并重新计算生成新的采样点分段，将所有修改后的采样点分段合并，将其写回采样点序列，生成隐写后的WAV格式音频。
6.一种基于音频侧信道的鲁棒视频隐写方法，包括秘密信息的提取过程，其特征在于，所述秘密信息的提取过程对权利要求1～5中任一权利要求所述方法生成的伴音隐写视频提取秘密信息；所述秘密信息的提取过程包括：
将伴音隐写视频分流，得到载体视频和载体音频；
从载体音频提取隐写协议，然后选择鲁棒区域，从载体视频提取秘密信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述秘密信息的提取过程包括以下步骤：
1)预处理：将隐写后的伴音视频分流，得到载体视频和载体音频，将载体音频转码为WAV格式音频，将载体视频解码到空域，获取视频帧亮度分量序列，即Y分量序列；
2)对步骤1)中得到的WAV格式音频，执行以下操作：
2.1)采样点分段：按照固定步长，对WAV格式音频中的采样点序列进行分段，获得多个采样段；
2.2)提取音频嵌入域：对每个采样点分段进行DWT变换，生成低频子带L和高频子带H，然后对L子带进行SVD分解，得到奇异值数组U＝(μ1 μ2 … μn)，获取最大奇异值μ1作为音频嵌入域；
2.3)量化索引调制提取：利用QIM方法，对最大奇异值μ1进行提取，生成密息串f′1；
3)利用纠错码BCH码对密息串f′1进行解码，生成隐写协议P；
4)对步骤1)中得到的Y分量序列，执行以下操作：
4.1)选择鲁棒帧：利用步骤3)中得到的隐写协议P，选择Y分量序列中的鲁棒帧；
4.2)提取视频嵌入域：对每个像素块进行离散余弦变换(DWT)，生成LL、LH、HL、HH四个子带，然后对LL子带进行奇异值分解(SVD)，得到对角矩阵
Figure FDA0002810550880000041
获取最大奇异值α1作为视频嵌入域；
4.3)量化索引调制提取：利用QIM算法，对最大奇异值α1进行提取，生成密息串m′1；
5)利用纠错码BCH码对密息串m′1进行解码，生成秘密消息，对秘密消息进行解密，生成消息明文。
8.一种基于音频侧信道的鲁棒视频隐写装置，其特征在于，包括秘密信息嵌入单元和/或秘密信息提取单元；所述秘密信息嵌入单元采用权利要求1～5中任一权利要求所述方法嵌入秘密信息，生成伴音隐写视频；所述秘密信息提取单元采用权利要求6或7所述方法对伴音隐写视频提取秘密信息。
9.一种电子装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行权利要求1～7中任一权利要求所述方法的指令。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被计算机执行时，实现权利要求1～7中任一权利要求所述的方法。
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