Digital video watermarking based on intra prediction modes for audio video coding standard

Digital video watermarking provides means for carrying information targeted for synchronization, error resilience or copyright protection. However, it is difficult to get a good trade-off between the embedding capacity, imperceptibility and efficiency. In this paper, a novel digital video watermarking algorithm based on intra prediction modes of AVS (audio video coding standard) is proposed. The algorithm hides one bit in each qualified intra 8 × 8 luma block by modifying intra 8 × 8 prediction modes based on the mapping rules between the modes and hidden bits. The specific positions of the host 8 × 8 blocks are determined by the features of every block and a position template indicated by the key. Watermark information can be retrieved by decoding the intra prediction modes from bitstream, requiring neither original media nor complete video decoding. Experimental results show that the proposed algorithm has little impact on video quality and video stream features. A comparatively high embedding rate is obtained with little impact on bit rate.     

Reversible data hiding based on a modified difference expansion for H.264/AVC video streams

Reversible Data Hiding (RDH), also referred to as invertible or lossless data hiding, has gradually received much attention from the research community in recent years. In this paper, a RDH scheme for H.264/AVC videos is proposed and it is based on a novel way to expand the difference of a pair of Quantized Discrete Cosine Transform (QDCT) coefficients. The secret data is embedded into the QDCT coefficients of 4?×?4 luminance blocks which selected according to two conditions to achieve good visual quality. In every embeddable 4?×?4 blocks each to- be-embedded information bit is embedded into the selected coefficient-pair. All the selected coefficient-pairs are changed by the proposed difference expanding strategy, which causes low distortion on visual quality. Experimental results have demonstrated that the proposed scheme obtains a little degradation of visual quality and keeps the variation low in bit-rate increase.

     

基于模式特征的H.264/AVC可逆视频水印

目的 针对当前可逆视频水印隐蔽性和篡改定位能力不足问题,提出一种新颖的基于帧内预测模式的可逆视频水印算法。方法 首先,深入分析I帧亮度分量的预测模式对不同类型篡改的敏感性,提取每个帧内编码宏块的预测模式,通过预测模式生成特征码。然后,结合H.264/AVC编码特性和误差补偿算法,在每个亮度4×4残差块中筛选出误差最小系数。最后,运用差值扩展的方法将特征信息作为水印可逆的嵌入到所选系数。结果 在含水印视频未受到篡改时,解码端提取水印后可对原始视频进行无损恢复。当视频受到篡改时,算法能精确定位篡改区域并且篡改定位精度达到4×4子块级。由于水印嵌入在误差最小的系数中,能够有效地降低水印嵌入对于视频质量的影响,嵌入水印后图像的PSNR值比现有的基于H.264/AVC可逆水印方案平均提高10%,测试序列的码率增量平均降低了22%左右。结论 本文算法较现有算法具有更好的嵌入率、隐蔽性、篡改检测精度, 适用于医学、军事、卫星等领域。     

基于帧内预测模式多划分的HEVC鲁棒视频水印算法

针对现有基于高效视频编码（HEVC）标准的水印算法鲁棒性不足的问题,提出一种基于帧内预测模式多划分的HEVC鲁棒视频水印算法。首先,针对嵌入水印后帧内误差传播的问题,对4×4亮度块进行可嵌区域的选择,并计算4×4亮度块的纹理方向;其次,将33种角度预测模式划分为四种模式集,依次记为：上水平、下水平、上垂直、下垂直;最后,将当前以及下一待嵌入水印的值与模式集建立映射关系,通过判断当前4×4块属于哪个模式集来进行水印的嵌入,并将33种角度模式截断为其中一种模式集。解码端通过纹理方向和预测模式集提取水印。实验结果表明,所提算法的平均峰值信噪比维持不变,且在重编码攻击下的误码率（BER）为14.1%。由此可知,该算法对视频质量影响很小,在鲁棒性上可以抵抗重编码的攻击。     

减小H.264帧间漂移失真的鲁棒性视频隐写算法

针对H.264/AVC （Advanced Video Coding）视频信息隐藏过程中产生的不可感知性、嵌入容量、鲁棒性三方面不平衡的问题,提出一种通过选取不同优先级顺序的DCT （Discrete Cosine Transform）系数集合实现嵌入,进而减少帧间漂移失真的信息隐藏算法.首先对秘密信息M进行卷积编码,得到编码后的信息,以此提高视频的鲁棒性;然后通过分析帧间漂移失真产生的原因,计算出不同DCT系数优先级顺序的分类集合,优先在失真小的系数集合中嵌入数据从而减小帧间漂移失真;最后根据预先定义的嵌入规则,将嵌入在所选择4×4亮度块的DCT系数集合中,提高嵌入容量.最终在解码端能够正确提取秘密信息同时恢复原始信息.实验结果表明,本文提出的算法能在很好的保证视频质量的前提下,增加视频的嵌入容量,提高鲁棒性.     

A low energy intra prediction hardware for high efficiency video coding

Intra prediction algorithm in the recently developed high efficiency video coding (HEVC) standard has very high computational complexity. Therefore, in this paper, we propose pixel equality and pixel similarity based techniques for reducing amount of computations performed by HEVC intra prediction algorithm and, therefore, reducing energy consumption of HEVC intra prediction hardware. The proposed techniques significantly reduce the amount of computations performed by 4 × 4 and 8 × 8 luminance angular prediction modes with a small comparison overhead. Pixel equality based technique does not affect the PSNR and bit rate. Pixel similarity based technique increases the PSNR slightly for some video frames and it decreases the PSNR slightly for some video frames. We also designed and implemented a low energy HEVC intra prediction hardware for 4 × 4 and 8 × 8 angular prediction modes including the proposed techniques using Verilog HDL. The proposed techniques significantly reduce the energy consumption of this HEVC intra prediction hardware.     

一种抗重压缩的H.264/AVC视频水印算法*

针对当前视频水印抗重压缩能力不足,提出一种基于I帧色度量化残差系数的视频水印算法。通过对H.264/AVC帧内预测模式的分析,得出重压缩后预测模式的转变是造成水印提取失败的主要因素,因此,算法选择在更加稳定的色度分量中嵌入水印。首先,利用4?4子块中非零系数个数选择合适的色度子块,然后,运用差分能量的思想,结合Arnold置乱后的水印信息,通过调制其中一个非零量化DCT残差系数改变两个特定位置系数的关系嵌入水印。算法在帧内预测模式色度分量中嵌入水印,有效的解决了重压缩后水印提取不同步问题,提高了水印的抗重压缩性能。实验结果显示,提取的水印图像位错误率(BER)在20%以下,重构图像的SSIM比现有方案提高了1.2%-4.4%,另外,测试序列的比特增加率(BIR)平均降低了70%左右。算法适用于广播监控等实时视频应用。     

H.264/AVC快速帧内预测模式选择算法

基于像素块的纹理特性,相邻块预测模式的相关性提出了一种H.264/AVC快速帧内预测算法,该算法将4×4亮度块的候选模式从9种降低到1～4种。实验结果表明,与H.264编解码器JM8.6相比,I帧编码时间降低50%～60%,而PSNR和输出码率基本保持不变。     

H.264中4×4块的快速帧内预测算法

视频压缩标准H.264/AVC的压缩率很高,但其算法复杂,编码时间较长。针对帧内4×4块提出基于方向预测模式度量的快速预测算法,通过对当前4×4块帧内预测方向的度量,利用相邻块和相邻方向预测模式的相关性进行帧内模式预测。实验结果表明,与全搜索算法相比,在采用全I帧编码的情况下,该算法的编码时间减少43%,输出的视频比特率仅增加0.8%,且PSNR基本保持不变。     

基于码分多址复用的双重加密可逆信息隐藏

针对多数密文域可逆信息隐藏算法嵌入容量小、加密算法单一的问题,提出一种双重加密的方法,并利用码分多址复用（CDMA）的思想嵌入秘密信息。加密时将图像分块,先对像素块进行多粒度置乱加密,再对块中每个像素的中间2位用流密码加密。信息嵌入采用码分多址的思想,选取k个长为4的相互正交的矩阵嵌入k层秘密信息,利用矩阵的正交性实现秘密信息多层嵌入,在提高嵌入容量的同时保证了对像素点的较小改变。对不满足嵌入条件的像素块嵌入伪比特,可避免使用位置图。拥有信息提取密钥的合法接收者可以提取秘密信息;拥有图像解密密钥可以近似恢复原始图像;拥有两种密钥既可提取秘密信息又可无损恢复原始图像。实验结果表明,512×512灰度图像Lena在峰值信噪比（PSNR）大于36 dB时最大嵌入容量133 313 bit。所提算法增强了加密图像安全性,在保证可逆性的同时大大提高密文域可逆信息隐藏嵌入容量。     

一种适用于H.264的时域差错掩盖改进算法

视频压缩码流在信道传输时 ,由于受到信道带宽或者稳定性的影响 ,容易发生数据的损坏或者丢失 ,这样不仅会对当前的视频帧产生影响 ,而且差错会延续到随后的视频帧 ,因此 ,需要采用某种技术来降低差错的影响。针对这一问题 ,在对最新视频压缩标准 H.2 6 4研究的基础上 ,基于 H.2 6 4标准的框架 ,对已有的差错掩盖算法进行了改进 ,提出了适合 H.2 6 4编码标准的时域子块匹配差错掩盖算法。该算法首先采用 8× 8的子块代替 16× 16的宏块 ,作为差错掩盖的运算单元 ,然后对不同的子块采用不同的边界像素 ,利用边界匹配算法 ,并通过改进的 1/ 4像素精度菱形搜索法在参考帧内找到最佳匹配块。实验结果证明 ,由于该算法有效地利用了 H.2 6 4压缩码流里的信息 ,因此 ,同传统的时域差错掩盖算法相比 ,对差错信号有更好的恢复效果。     

简单的4×4块帧内模式选择算法

帧内预测的模式选择问题是H.264帧内编码中的瓶颈问题。参考算法中对每个4×4子块的9种预测模式进行遍历运算寻找最佳模式,耗费了极大的计算量,不利于实现实时编码。文章提出了一种快速帧内预测4×4子块模式选择算法。该算法采用子抽样模型和边界纹理信息提取技术,按照“足够好就停止”原则,提前中止算法,减小备选模式数量,简化模式选择过程,降低了模式选择的复杂度。实验结果表明:对全I帧序列,与H.264参考代码中模式遍历算法相比较,该算法的帧内模式选择计算复杂度减小56%～78%,由于不同序列内容不同,在不同QP参数下,该部分代码运行时间节约不等(1%～30%),而同时保证图像质量下降在可接受范围之内。     

自适应阈值的宏块MAD快速帧内算法

最新的视频压缩标准H.264/AVC具有极高的压缩率,但其算法极其复杂,编码时间较长,无法达到实时应用的要求。针对其帧内预测算法的特点,提出了一种基于MAD的自适应阈值快速帧内预测算法。算法充分利用宏块的MAD（平均绝对误差,Mean Absolute Differences）信息及时空相关性,在进行帧内预测之前先对宏块预判,同时采用自适应阈值的方法在帧内4×4（I4）和帧内16×16（I16）预测模式之间快速进行选择;然后针对I4预测,采用阈值法在9种预测模式间快速选择,从而减少了算法的复杂度,提高了压缩速度。实验结果表明,所提的算法在码率只有少许增加的情况下,编码时间平均减少61.3%,PSNR值基本不变。     

基于Lorenz混沌系统的MPEG视频加密算法

为解决视频信息的安全问题,提出了一种利用Lorenz混沌系统,将加密过程融入到压缩过程的MPEG视频加密算法。利用Lorenz系统所产生的三维混沌序列,分别在I帧、P帧和B帧的压缩过程中,对DC、AC系数以及运动矢量进行混沌加密,并对I帧中的亮度信息以块为单位进行混沌置乱。由于加密在压缩过程中完成,该加密算法具有较好的实时性和较高的安全性。     

基于菱形编码的视频信息隐藏算法

针对基于视频帧内预测模式调制的信息隐藏算法嵌入容量较小、比特率上升较明显等问题,提出一种基于菱形编码的帧内视频信息隐藏算法。该算法基于高效视频编码（HEVC）,将相邻两个4×4块预测模式组成模式对,采用改进的菱形编码算法指导模式调制和信息嵌入过程;并采取二次编码方式在保留原始平台最优编码划分下进行第二次隐秘信息嵌入编码,在保证嵌入量的同时抑制帧内失真漂移。实验结果表明：所提算法峰值信噪比（PSNR）值下降在0.03dB以内,码率增长低于0.53%,嵌入量有大幅提升,并能很好地保证视频主客观质量。     

H.264/AVC中基于决策树的P帧快速模式选择

目的 H.264/AVC帧间预测编码需要对所有可能编码模式计算并比较率失真代价,众多的模式类型导致了P帧编码的计算复杂度非常高。为此提出一种针对P帧的基于决策树的快速候选模式选择算法。方法在对宏块进行16×16的帧间运动估计后,首先根据残差宏块中4×4全零系数块个数对部分宏块直接选择出候选模式;然后使用16个4×4块的变换域系数绝对值之和(SATD)值,采用决策树分类方法对其余宏块选择候选模式。结果由于只需对候选模式进行编码,因此有效降低了编码器的计算复杂度。实验结果表明,与原始全搜索编码算法相比,该算法对不同运动程度的视频序列获得了较一致的编码时间的节省,同时平均峰值信噪比的损失和平均比特率的增加均较少。结论新的P帧帧间预测候选模式选择算法,根据帧间运动估计后的残差宏块信息,采用决策树方法对候选模式集进行分类。实验结果表明,该算法能在保证视频编码质量的前提下,有效地降低编码过程中的计算量,缩短编码时间。     

利用运动信息及率失真代价的HEVC帧间快速算法

针对高效视频编码（HEVC）帧间预测过程所引入较高的复杂度,分别提出提前决策skip模式,编码单元（CU）提前终止分割以及变换单元（TU）提前终止分割。首先,根据自然视频序列多采用skip模式,利用当前块和空间相邻块的已编码信息提前决定skip模式;其次,为了避免编码不必要的深度,利用先前已编码块的率失真代价（rdcost）决策[CU]提前终止分割;最后,利用当前预测残差块的纹理复杂度决策TU的提前终止分割。实验结果表明,提出的算法最终可以节省编码时间43.78%,同时造成bj?ntegaard delta bit rate（BDBR）的损失为1.675%。通过实验数据的比较,在对视频质量的影响忽略不计的情况下,能够很大程度上减少复杂度。     

结合恰可察觉编码失真模型的HEVC大容量信息隐藏方法

目的 数字视频通常经过压缩后传输,结合视频编码标准嵌入秘密信息是视频信息隐藏的主流技术。然而,现有基于HEVC（high-efficiency video coding）的视频信息隐藏技术存在码率增长过快、视频质量下降等问题。针对以上问题,提出结合恰可察觉编码失真模型（JNCD）的HEVC大容量信息隐藏方法。方法 JNCD模型是一种面向HEVC视频编码的视觉感知模型。该模型充分考虑编码过程的模糊和块效应,有效去除视频感知冗余,在相同码率下可获得更高的主观感知质量。结合JNCD模型,调节I帧中编码单元（CU）的最优量化参数（QP）值,并利用基于方向调整（EMD）算法嵌入秘密信息,进一步增加信息隐藏容量。为了提高信息的安全性,用密钥对秘密信息进行置乱加密处理,在解码端只有持有该密钥的用户才能正确解密,获得秘密信息。结果 实验使用HEVC参考软件HM16.0,选取分辨率不同的序列进行测试。结果表明,秘密信息嵌入后,视频测试序列的PSNR平均值为41.16 dB,与现有的信息隐藏方法相比,不仅保持较好的主观和客观视频质量,而且信息隐藏容量平均提升2倍左右。结论 采用本方法在保证原视频图像的质量的情况下,能够有效增加信息隐藏的容量,并能够一定程度阻止码率增长,符合信息隐藏的不可见性、安全性和实时性要求。     

Chaos-based selective encryption for H.264/AVC

Encryption techniques are usually employed to maintain the secrecy of the video streams transmitted via a public network. However, full encryption using strong cryptographic algorithms is usually not necessary if the purpose is to destroy the commercial value by preventing pleasant viewing. For this purpose, selective encryption is preferred as its operating efficiency is higher. Here, a chaos-based selective encryption scheme implemented on the H.264/AVC standard is proposed. The scheme employs multiple Rényi chaotic maps to generate a pseudorandom bit sequence which is used to mask the selected H.264/AVC syntax elements. It provides sufficient protection against full reconstruction while keeping the format compliance property so as not to cause decoding error without the key. The operating efficiency is high due to the low computational complexity of the Rényi chaotic map, as justified by the simulation results using video clips at various resolutions. Moreover, the security analyses show that the proposed algorithm is highly sensitive to the secret key and possesses good perceptual security.     

基于Logistic和Arnold变换的HEVC选择性加密方案

为了有效地保护视频信息，根据H.265/高效视频编码（HEVC）的特点，提出一种变换系数置乱和语法元素加密相结合的方案。针对变换单元（TU），利用Arnold变换对4×4大小的TU进行置乱，同时设计了一种移位加密器，根据TU的直流电（DC）系数近似分布规律对加密器进行初始化，并用Arnold变换生成加密映射对8×8、16×16、32×32大小TU的DC系数进行移位加密。针对熵编码过程中部分采用旁路编码的语法元素，利用Logistic混沌序列进行加密。加密后的视频峰值信噪比（PSNR）和结构相似性（SSIM）分别平均下降了26.1 dB和0.51，压缩率仅降低了1.126%，也仅带来0.170%的编码时间增长。实验结果表明，在保证较好的加密效果、对比特率影响较小的前提下，所提方案具有较小的额外编码开销，适用于实时视频应用。