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淘豆网网友近日为您收集整理了关于基于运动矢量的H.264视频信息隐藏算法研究的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：基于运动矢量的H.264视频信息隐藏算法研究 基于运动矢量的 H.264 视频信息隐藏算法研究Research of Steganography AlgorithmBased on Motion Vectors of H.264学科专业:电子与通信工程研究生:张新龙指导教师:苏育挺教授企业导师:许晟博士天津大学电子信息工程学院二零一二年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作(来源：淘豆网[/p-8585031.html])者签名: 导师签名:签字日期: 年月日签字日期: 年月日摘要近年来,随着互联网技术和数字多媒体技术的迅猛发展,数字视频文件的非法使用、篡改和传递已经越来越严重,信息安全问题也越来越严重。信息隐藏技术做为解决信息安全问题的一种重要手段在 20 世纪末迅速发展起来,一方面它有助于解决和防止数字化信息被篡改、伪造、盗版和攻击;另一方面可以做为传递特定信息的通道。在多媒体的研究和应用中,以数字视频为宿主媒体的情况已非常广泛。H.264 做为新一代视频压缩编码标准,有着优异的压缩性能和视频质量,在网络视频、高清数字电视、视频实时通信等方面都得到了广泛的应用。本文通过分析 H.264 的压缩编码标准及运动矢量的特点,提出了一种基于运动矢量的H.264 的视频信息隐藏算法。该算法引入菱形编码,通过轻微调制运动矢量实现信息的嵌入过程。菱形编码不仅可以有效减少运动矢量修改率,同时可以提高嵌入容量。在嵌入过程为了减少信息嵌入对码率和视频图像质量的影响,选择纹理复杂区域和较大运动矢量为嵌入点。本算法实现了信息的盲提(来源：淘豆网[/p-8585031.html])取,在提取过程中只需要解码出宏块的运动矢量即可,通过阈值判断和提取算法就能得到秘密信息。在提取过程中不需要进行大量的运算,实现方法简单、迅速。实验结果表明该算法在确保良好视频质量的条件下,可以满足大容量信息嵌入的要求,对压缩码率的影响较小。关键词: 运动矢量,H.264,菱形编码,嵌入容量,信息隐藏ABSTRACTIn recent years, along with the rapid development of
technology anddigital multimedia technology, the illegal use、tempered and transferred has been moreand more serious. Information hiding, as one of the most importment way of solvingthis problem, has grown up fast since the 20thcentury. On on(来源：淘豆网[/p-8585031.html])e hand, it helps toprevent digital information from being tempered、forged、pirated and attacked. On theother hand, it can be regarded as such channel of transferring specific information. Inresearch and application of multimedia, the situation in which digital video is treatedas the host has been very extensive.H.264 is the new gererition of pression coding standard. It pression performance and video quality, so it is widely used workvideo、high defin(来源：淘豆网[/p-8585031.html])ition digital TV、video real-munication and other aspects.Byanalysing the characteristics of H.264 video coding standard and motion vectors, asteganography algorithm based on motion vectors of H.264 is proposed in this paper.The algorithm introduces the diamond coding to achieve information hiding by aslight modulation of motion vectors. Not only can the diamond coding effectivelyreduce the modification rate of motion vectors, but also it can improve(来源：淘豆网[/p-8585031.html]) the embeddingcapacity. In the embedding process in order to reduce the effects on the bit rate andvideo image quality caused by information embedding, regions plex texturesand larger motion vectors are selected as the embedded points.The algorithm realizes the blind extraction of information. During the extractionprocess, it only needs to decode the motion vectors of macroblocks. Through thethreshold, the extraction algorithm can get secret informa(来源：淘豆网[/p-8585031.html])tion easily. In the extractingthe process it does not require a lot of calculations.Its extracting method is simple andrapid.Experimental results show that the algorithm ensures good video quality andlarge embedding capacity and it has little effects on the bit rate.KEY WORDS:Motion vectors, H.264, diamond encoding, embedding capacity, videosteganography目录第一章绪论..........................................................................................(来源：淘豆网[/p-8585031.html])........................11.1 研究背景...................................................................................................11.2 信息隐藏简介...........................................................................................11.2.1 信息隐藏系统的框架模型.............................................................21.2.2 信息隐藏的基本要求.....................................................................31.2.3 信息隐藏技术的应用.......................................(来源：淘豆网[/p-8585031.html])..............................41.3 视频信息隐藏...........................................................................................51.3.1 视频信息隐藏的特点.....................................................................51.3.2 视频信息隐藏技术的分类.............................................................61.4 论文结构安排...........................................................................................8第二章 H.264 视频信息隐藏技术....................................(来源：淘豆网[/p-8585031.html])...........................................92.1 H.264/AVC 视频编码标准........................................................................92.1.1 H.264 的基本概念.........................................................................102.1.2 H.264 视频编解码器.....................................................................122.2 现有的 H.264 视频信息隐藏算法.........................................................162.2.1 基于整数 DCT 变换系数的信息隐藏算法............................(来源：淘豆网[/p-8585031.html]).....172.2.2 基于 H.264/AVC 帧内预测模式的视频信息隐藏算法..............172.2.3 基于运动矢量的信息隐藏方案...................................................19第三章基于运动矢量的 H.264 视频信息隐藏算法................................................233.1 H.264 的帧间预测编码...........................................................................233.1.1 树状结构运动补偿.......................................................................233.1.2 运动矢量.......................................................................................243.1.3 运动矢量预测...............................................................................253.2 基于运动矢量的 H.264 视频信息隐藏算法.........................................273.2.1 菱形编码算法...............................................................................273.2.2 嵌入条件.......................................................................................293.3 信息嵌入过程.........................................................................................373.4 信息提取过程.........................................................................................39第四章实验结果分析比较........................................................................................414.1 实验条件.................................................................................................414.2 隐藏算法对图像质量的影响.................................................................414.3 隐藏算法的嵌入容量.............................................................................454.4 隐藏算法对视频码率的影响.................................................................47第五章总结与展望....................................................................................................50参考文献......................................................................................................................51发表论文和科研情况说明..........................................................................................54致谢......................................................................................................................55天津大学硕士学位论文- 1 -第一章绪论1.1 研究背景近年来,网络技术和多媒体技术的迅速发展极大地推动了“数字世界”的构建。数字多媒体信息,特别是视频信息作为信息技术的一个重要分支,其发展已经达到了前所未有的高度。在信息传输的“数字化”和“网络化”时代,人们可以方便地制作、修改、存储多媒体信息,可以轻易地通过网络下载和发布自己喜欢的影视作品,或进行信息的交互和电子商务等。然而,网络技术是一把双刃剑,网络技术的便捷性、开放性和共享性为人们提供了极大的便利,但同时它也使得网络信息的安全问题日益突出,对多媒体视频的恶意攻击、伪造、篡改、复制以及非法发布变成一件非常简单的事。人们迫切的需要一种方法来保证网络信息的安全,如果缺乏有效的保护措施,网络技术和多媒体技术乃至整个行业的发展将受到严重的遏制。因此如何既充分利用互联网的便利,又能有效地保护知识产权,已受到人们的高度重视,信息隐藏学做为一门新兴的交叉学科正是在这种形势下诞生的[1]。1.2 信息隐藏简介信息隐藏是集多学科理论与技术于一身的新兴科学技术,它利用载体信息在时间或空间等方面的冗余特性,把一个具有特定含义的秘密信息隐藏在载体信息中,从而得到含有秘密信息的隐秘载体,其中可以作为载体信息的可以是一般的文本文档、图像、音频和视频等多媒体信息[2]。信息隐藏后,载体的主要内容和用途不会被改变,且不易被人察觉,同时非授权者无法确认该载体中是否隐藏信息,也难以提取或去除所隐藏的信息,从而达到版权保护、隐蔽通信等目的。信息隐藏技术主要包括隐写术,隐蔽信道,数字水印等[2]。多媒体信息之所以能够隐藏秘密信息,一是因为多媒体信息在时间和空间有很大的冗余度,在编码传输时,未压缩的多媒体信息的编码效率很低,所以在多媒体信息中嵌入某些信息并不会影响多媒体信息的传输和使用;二是根据人眼的视觉掩盖效应,人眼对多媒体内容的边缘信息的细微变化不敏感,根据这一特点,可以很容易地将秘密信息嵌入到载体信息中而不易被察觉。第一章绪论- 2 -在第一届国际信息隐藏学术研讨会上定义了信息隐藏的几个基本概念[7]:1. 嵌入信息:需要被隐藏的秘密信息(如:版权信息、用户文件等)2. 载体信息:被用来隐藏嵌入信息的多媒体文件,可以是文本文档,图像,音频文件和视频文件等。3. 隐蔽对象:指将嵌入信息嵌入到载体信息之后得到的多媒体信息对象,该对象可以被正常传输使用,信息攻击者或者窃密者完全察觉不到其中含有秘密信息。4. 密钥:由于信息隐藏的算法大部分是公开的,所以对秘密信息的嵌入和随后的提取都是由密钥控制的,只有版权所有者才能拥有密钥,所以即使非法用户知道隐藏算法,但是在没有密钥的情况下,他们也不能从中提取出秘密信息,从而起到了进一步保证秘密信息的安全性的作用。密码学一直以来被认为是通信领域解决信息安全问题的主要的传统手段,信息隐藏和密码学是相互关联的两个学科,它们都以保护秘密信息为目的,但是它们又相互区别。它们采用的实现方法不同,密码学是将秘密信息编码调制成不可识别的信息,只有版权所有者才有密钥,也只有他们才能对编码调制后的文件进行解密;而信息隐藏是根据人眼的掩蔽效应和载体信息的冗余将秘密信息直接嵌入到载体信息之中。密码学对秘密信息进行了保护,却将传递信息的过程暴露出来,容易使加密信息遭到攻击;而信息隐藏是同时将秘密信息和信息的传递过程进行了隐藏,使秘密信息具有不可感知性,掩盖了秘密信息“正在进行通信”的事实。所以,可以将密码学和信息隐藏技术结合起来,既能保证秘密信息本身的安全,又能保证信息传递过程的安全,即先将秘密信息进行加密处理,再对加密后的信息进行信息隐藏,从而得到含有秘密信息的载体文件。1.2.1 信息隐藏系统的框架模型秘密信息(S)加密预处理嵌入信息(W)信息隐藏系统载体信息(O)密钥(K)隐蔽对象(I)图 1-1 信息隐藏系统的嵌入过程信息隐藏的系统框图如图 1-1 所示[3],假设 S 是秘密信息,对其进行加密预天津大学硕士学位论文- 3 -处理得到嵌入信息W ,加密处理过程能够增强秘密信息的安全性,在密钥 K 的控制下,W 按照一定的信息隐藏算法被嵌入到载体信息O 中,得到含有秘密信息的隐蔽对象 I ,该过程如式(1-1)所示:( , , )I E W K O (1-1)其中, ( )E 代表信息隐藏算法的函数。由于信息在信道传递的过程中,可能受到传播媒体的干扰(如大气干扰,设备噪声),非恶意攻击(如格式转换,编码压缩)和一些不怀好意的主动攻击(如信息篡改,报文修改)等,从而可能造成信息产生某些误码,因此在媒体接收端得到的隐蔽对象'I 与由信息隐藏系统得到的隐蔽对象 I 可能不完全相同。一般情况下,在密钥 K 的控制下,就能够提取秘密信息,有时候秘密信息的提取还需要原始载体信息O 的参与。秘密信息的提取过程如式(1-2)所示:' '( , , )S D I K O (1-2)'S 是提取得到的秘密信息,但是由于误码等原因,其与原始的秘密信息 S 可能不完全相同, ( )D 是信息提取函数,它是有与信息隐藏算法相对应提取算法。秘密信息的提取过程如图 1-2 所示:含有秘密信息的载体(I’)信息提取系统密钥原始载体信息(O)提取的秘密信息(S’)图 1-2 信息隐藏系统的提取过程1.2.2 信息隐藏的基本要求经过十几年的不断研究与改进,信息隐藏系统已经得到了长足的发展,包括数字水印,隐蔽通信等多个分支,对每个分支的要求也根据其应用场合的不同而不同。但是信息隐藏系统只有满足以下几个基本要求,才能成为一个真正的具有信息安全保护作用的应用体系[2,5]。(1)不可察觉性(imperceptibility)第一章绪论- 4 -信息隐藏系统利用的是信源数据的统计冗余性,将秘密信息嵌入到载体信息之中。除了可见的水印信息之外,秘密信息应该是感觉不到的,它的存在不应该影响原始载体信息的主观质量、主观视觉效果和载体信息的正常使用;同时秘密信息应该也是统计不可检测的,即采用统计的方法不能确定秘密信息的存在以及不可能恢复出秘密信息。(2)鲁棒性(robustness)鲁棒性反映了信息隐藏系统的抗干扰、抗攻击的能力,它是指隐藏了秘密信息的隐蔽对象在网络传递过程中遭到了许多有意的或者无意的信号处理后,嵌入信息仍然能够提取并恢复出来,保证了秘密信息的完整性和可靠性。(3)隐藏容量(capacity)将信息隐藏技术应用到隐蔽通信时,为了提高通信效率,通常希望一个数字载体能够承载更多的秘密信息。隐藏容量就是反映这种能力的一个指标,它是指在保证不可察觉性的前提下,载体文件能够嵌入秘密信息的最大比特数。在信息隐藏系统中,这三个要求一般是相互冲突,相互矛盾的。系统设计的目的就是在三者中寻找一个最佳平衡点。例如,在隐蔽通信中,隐藏容量是要首先考虑的因素,所以鲁棒性可能就要相应的差一点;在数字水印系统中,对鲁棒性的要求要高一点,隐藏容量和不可察觉性可能就要做出一点牺牲。1.2.3 信息隐藏技术的应用随着信息安全问题的日益严重,信息隐藏技术也得到了空前的发展。按照隐藏目的,信息隐藏大致可分为隐蔽通信和数字水印两个方向,接下来将从这两个方面来介绍其应用[6],图 1-3 表示了信息隐藏技术的分类。信息隐藏数字水印隐蔽通信版权保护数字指纹篡改提示完整性认证内容标识军事情报匿名通信通信保障图 1-3 信息隐藏的应用隐蔽通信是将秘密信息隐藏在数字载体中,通过公共信道进行传递,其主要应用于三个方面:一是在军事和情报部门,对信息的掌握已经很大程度上决定了播放器加载中，请稍候...
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