面向互聯(lián)網(wǎng)的視頻隱寫技術(shù)研究綜述

馮瑩瑩 （阜陽師范學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 阜陽236041）

互聯(lián)網(wǎng)的普及和信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展使圖像、視頻等多媒體信息能夠在通訊網(wǎng)絡(luò)中便捷、快速的傳輸，這不但為信息的處理提供了便利條件、讓信息資源得到了最大限度的共享，同時也對信息安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。由于我國的網(wǎng)絡(luò)普及時間尚短，相關(guān)技術(shù)還不成熟，互聯(lián)網(wǎng)信息在傳輸過程中的安全性很難得到保障，因此加強有關(guān)信息隱藏技術(shù)的研究十分重要。視頻隱寫技術(shù)是數(shù)字隱藏技術(shù)的一個分支，也是數(shù)字隱藏技術(shù)的一個熱點和難點研究課題［1］。下面，筆者闡述了面向互聯(lián)網(wǎng)的視頻隱寫技術(shù)的研究情況。

1 視頻隱寫技術(shù)特點

視頻隱寫技術(shù)是基于靜止圖像隱藏技術(shù)發(fā)展起來的。視頻序列實際上是由一連串連續(xù)靜止圖像組成的，因而視頻隱寫技術(shù)在應(yīng)用和設(shè)計上都與靜止圖像隱藏技術(shù)十分相近。但是與靜止圖像相比，視頻應(yīng)用系統(tǒng)有著更大的可用載體空間和更為特殊的壓縮特性，系統(tǒng)本身的實時性也更強，這就決定了視頻隱寫技術(shù)有著自身的特點［2］。

（1）視頻信息隱藏有著更大的可同載體空間。視頻信息擺脫了圖像信息在信號空間上的局限性，為信息的嵌入和隱藏提供了更大的載體空間，同時視頻信號也由圖像信號的空間域發(fā)展到了時間域，視覺特性的利用范圍得到了進(jìn)一步擴大。

（2）視頻信息隱藏會造成壓縮編碼的損傷。視頻序列數(shù)據(jù)量十分龐大，雖然隱秘信息有著一定的適應(yīng)性，但在嵌入和傳遞信息的過程中會導(dǎo)致壓縮編碼的損傷。

（3）對信息隱藏或提取過程有更高的實時性要求。在對靜止圖像嵌入隱藏信息時會出現(xiàn)延時現(xiàn)象，若視頻幀率更高時會影響到整體數(shù)據(jù)的平滑性，從而對視頻質(zhì)量造成影響，因而對信息隱藏或提取過程有更高的實時性要求。

2 視頻隱寫技術(shù)主要類型

2．1 前置式隱藏技術(shù)

前置隱藏技術(shù)是將需要隱藏的信息直接嵌入到原始的視頻數(shù)據(jù)中，然后再對隱含數(shù)據(jù)的視頻進(jìn)行重新編碼。具體而言，是利用HVS或其他隱藏方法將數(shù)據(jù)嵌入到解碼前 （后）的視頻靜態(tài)序列圖像當(dāng)中去，經(jīng)過再編碼后形成一個帶有隱藏數(shù)據(jù)的視頻流。目前，基于前置式隱藏技術(shù)研發(fā)的視頻隱寫方式有以下2種［3］：①將需要隱藏的信息事先進(jìn)行量化，利用多維網(wǎng)格編碼后，根據(jù)視頻圖像的問題特征，將信息嵌入到DCT（離散余弦變換）域特征塊中。②運用小波變換和視覺模型將數(shù)據(jù)嵌入到視頻的靜態(tài)幀中。利用該方法隱藏信息的視頻有著極高的魯棒性，同時還可以抵抗噪聲干擾、MPEG壓縮和幀重組，但在數(shù)據(jù)隱藏時對每一幀的處理都要引入小波變換和視覺模型中，操作較為復(fù)雜。以上2種較為成熟的視頻隱藏方案都利用了數(shù)字圖像隱藏技術(shù)，但由于欠缺對視頻特性的考慮因而編碼后很容易造成數(shù)據(jù)的丟失，因而存在著一定的缺陷：視頻碼流數(shù)據(jù)的比特率會有所提升；經(jīng)過MPEG壓縮后造成水印的丟失；很難確保視頻的原有質(zhì)量不變；以壓縮視頻需先進(jìn)行解碼，在嵌入信息后再重新編碼，統(tǒng)計量增大。由于前置式隱藏技術(shù)存在上述缺陷，因而其實際應(yīng)用較少。

2．2 內(nèi)置式隱藏技術(shù)

內(nèi)置隱藏技術(shù)充分考慮了視頻壓縮和圖片壓縮頻域變換的特征，同時也更好地利用了視頻文件本身的速率和時間域［4］。該技術(shù)將視覺分析技術(shù)和塊分析技術(shù)運用其中，通過動態(tài)的方式得到了DCT域特征塊中的最佳數(shù)據(jù)嵌入系數(shù)，并可以根據(jù)能量分布將DCT域特征塊分成低活動、邊緣、垂直邊緣、水平邊緣和紋理5類，其后再根據(jù)類型的不同將數(shù)據(jù)隱藏到不同的AC系數(shù) （Access Criteria，設(shè)備訪問網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)入條件）中。為了避免因數(shù)據(jù)量化操作所帶來的數(shù)據(jù)丟失，可以利用下列公式對量化后的系數(shù)值進(jìn)行修改［5］：

式中，X（m，n）為量化后的系數(shù)值；C（m，n）為塊分類；W（m，n）為嵌入數(shù)據(jù)；Mq為量化系數(shù)，Mq（m，n）為對量化系數(shù)進(jìn)行修改時的變換范圍。

圖1 算法數(shù)據(jù)嵌入流圖

利用上述方法可以使視頻信息隱藏后的失真程度大幅度降低，并且保證了較高的魯棒性。算法數(shù)據(jù)嵌入流圖如圖1所示。

在基于內(nèi)置隱藏技術(shù)提出的算法數(shù)據(jù)嵌入方式的基礎(chǔ)上，可以引伸出直接對視頻進(jìn)行修改繼而達(dá)到信息隱藏目的的視頻隱寫方式，即當(dāng)視頻嵌入數(shù)據(jù)為1或0時便將視頻的特定系數(shù)根據(jù)相鄰塊中的系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整［6］。利用這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的盲目提取，并且能夠保證較高的魯棒性，其不足是嵌入的信息量十分有限，而且在信息提取前必須準(zhǔn)確知道水印的位置。為此，采取如下解決方法［7］，即每個嵌入的信息比特都要從視頻幀中抽取n個8×8的DCT域特征塊，并將其分成大小相等的2個部分，然后分別統(tǒng)計出高頻DCT能量。當(dāng)嵌入信息比特時其高頻能量也要相應(yīng)清除或降低。但上述方法無法抵抗重編碼的影響，當(dāng)采用不同的圖像組結(jié)構(gòu)時嵌入信息的錯誤率會大幅提升。

以上2種方法在信息隱藏上都存在著較為明顯的弊端，因此在實際應(yīng)用中可以將這2種視頻隱寫方法結(jié)合在一起而形成一種全新的信息隱藏技術(shù)［8］。即將信息嵌入MPEG－2的GOP（連續(xù)畫面）圖像組壓縮域中，由此可以在每個GOP圖像組中嵌入6比特的數(shù)據(jù)。上述方法在應(yīng)用上也存在一定局限性，即僅能在視頻壓縮過程中進(jìn)行，當(dāng)GOP結(jié)構(gòu)固定后便無法繼續(xù)操作，因而在抵抗解壓和重壓縮操作的魯棒性方面性能較弱。由于視頻I幀上色度的DCT直流系數(shù)DC在視頻流中始終能保持較高的魯棒性，因而有學(xué)者提出如下觀點［9］，就是將序列調(diào)制后的數(shù)字信息添加到視頻I幀上色度的DCT的直流系數(shù)DC中，以此來提高嵌入信息的魯棒性。為了確保信息在視覺上的隱秘性，在修改DC值時要將干擾控制在一定范圍內(nèi)，并根據(jù)系數(shù)大小添加適當(dāng)強度的水印，從而實現(xiàn)低隱藏量、高魯棒性的視頻隱寫效果。利用這種內(nèi)置式隱藏技術(shù)處理信息有著十分明顯的優(yōu)勢：由于信息數(shù)據(jù)存在于DCT直流系數(shù)中，因此視頻流的數(shù)據(jù)比特率不會因此受到影響；基于DCT變換的所有視頻編碼都可使用。其不足在于無法擺脫視頻的解碼、嵌入和再編碼過程，若操作出現(xiàn)偏差就會影響到視頻的整體質(zhì)量。

2．3 后置式隱藏技術(shù)

后置式隱藏技術(shù)在進(jìn)行信息隱藏時充分運用了時間域特性，在簡化信息嵌入過程的同時增強了實用性，其中以 H＆G算法最為典型［10］，該算法的設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 H＆G算法設(shè)計流程圖

H＆G算法在應(yīng)用中對水印擴頻和自適應(yīng)做了調(diào)整，讓其空間域水印圖像的尺寸和視頻序列相同，然后利用頻域的線性特征將其變換系數(shù)和DCT域特征塊疊加到一起，從而完成信息的嵌入。這樣的方法很好的解決了視覺可見的影響，并保證了視頻的穩(wěn)定性和畫面性。

另外一種基于后置式信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用方法是將數(shù)據(jù)藏入壓縮視頻的運動補償中，該方法有著不必解碼而在運動向量中直接提取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，操作十分簡單，但是其魯棒性不高，能夠嵌入的數(shù)據(jù)也十分有限［11］。針對上述問題，可采用VLC（variable－length coding，變長編碼）編碼的方法將數(shù)據(jù)信息直接藏入視頻碼流中。為此需要在比特流中找到一個與數(shù)據(jù)相似的VLC，并用數(shù)據(jù)將其替換，但該方法仍然無法保證較高的魯棒性，且容易造成文件的丟失。

基于以上2種方式，研究者進(jìn)一步進(jìn)行改良和優(yōu)化，即通過動態(tài)水印嵌入控制的引入和DCT域特征塊水印自適應(yīng)的調(diào)整，這樣不僅將信息數(shù)據(jù)嵌入到視頻碼流中，同時降低了操作上的復(fù)雜程度。其中，朱仲杰等［12］將水印藏入視頻碼流的運動矢量上，徹底解決了水印可見的問題：每個畫面組僅藏入一組水印圖像，且將其數(shù)據(jù)嵌入到所有的B幀和P幀中，在矢量組中隨機決定數(shù)據(jù)嵌入位置，然后根據(jù)需要嵌入數(shù)據(jù)和運動矢量的特征值，繼而達(dá)到隱藏數(shù)據(jù)信息的效果。這種方法不但簡單有效，同時能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)盲目提取功能。

3 結(jié) 語

對視頻隱寫關(guān)鍵性技術(shù)做了較為系統(tǒng)和全面的分析?？傮w而言，由于前置式隱藏技術(shù)存在諸多不足，在實際研究中應(yīng)用較少。在前置式隱藏技術(shù)基礎(chǔ)上衍生出來的內(nèi)置式和后置式隱藏技術(shù)為開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息的隱藏提供了可能，因而在實際研究中應(yīng)用較多。不可否認(rèn)的是后置式和內(nèi)置式隱藏技術(shù)也存在一定不足，需要在今后的研究中進(jìn)一步完善，以便更好地保障網(wǎng)絡(luò)信息安全。

［1］崔忠立，王嘉禎 ．一種替換類隱寫術(shù)算法的統(tǒng)一模型 ［J］．計算機工程與應(yīng)用，2006，42（3）：127－129．

［2］廖振生，陳光喜 ．基于SVM對隱寫分析RS算法的改進(jìn) ［J］．桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2008，23（12）：135－138．

［3］錢莉，劉文予，張帆，等 ．一種基于DCT域特征塊的抗幾何攻擊的視頻水印 ［J］．中國圖象圖形學(xué)報，2007，35（5）：254－258．

［4］張承乾，春田，王莉莉 ．一種DCT域視頻信息隱藏分析法 ［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，32（8）：136－138．

［5］何密，羅永，成禮智 ．?dāng)?shù)字高程模型數(shù)據(jù)的無損數(shù)字水印 ［J］．計算機工程與應(yīng)用，2007，26（3）：255－258．

［6］劉曉義，王述洋 ．一種帶有密鑰的．EXE文件隱秘傳輸方法 ［J］．計算機應(yīng)用與軟件，2008，13（3）：346－349．

［7］程小艷，孫星明，秦姣華 ．新的利用相鄰像素相關(guān)性的盲隱寫分析算法研究 ［J］．計算機應(yīng)用研究，2007，34（10）：267－269．

［8］相麗，潘峰，鈕可，等 ．基于運動矢量的視頻隱寫方法 ［J］．計算機應(yīng)用，2010，17（11）：345－347．

［9］梅文博，張云帆 ．一種基于運動矢量的Mpeg 2視頻數(shù)字水印的改進(jìn)算法 ［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報，2004，13（8）：154－156．

［10］薜向陽，吳立德 ．基于運動矢量插值的運動補償算法 ［J］．電子與信息學(xué)報，1997，4（6）：124－126．

［11］郭映，李桂苓，徐巖 ．視頻碼流轉(zhuǎn)換編碼器結(jié)構(gòu)及其分析 ［J］．中國圖象圖形學(xué)報，2004，10（11）：96－99．

［12］朱仲杰，蔣剛毅 ．MPEG－2壓縮域的視頻數(shù)字水印新算法 ［J］．電子學(xué)報，2004，21（1）：132－136．