自適應(yīng)視頻內(nèi)容的隱密信道方案

謝宏亮，蘭慧，李高天，楊世勇

（西安電子科技大學(xué)，陜西西安 710071）

1 引言

在大數(shù)據(jù)分析時代，信息隱藏技術(shù)已經(jīng)成為保護(hù)隱私信息安全的重要技術(shù)手段。以圖像、文本、音頻、視頻等多媒體為載體的隱密技術(shù)層出不窮，其中視頻序列以其數(shù)據(jù)量大、冗余信息豐富等特點而備受關(guān)注。薛帥等人[1]提出了基于視頻幀間冗余的隱藏方法，該方法的優(yōu)點是密信嵌入容量大、安全性較高，但是碼長改變率較大。為防止碼長改變率過大，Lin等人[2]提出了基于H.264/AVC編碼標(biāo)準(zhǔn)的無損信息隱藏方法，該方法可以有效地抑制碼率增長，但是其嵌入容量較低。

韓一罡等人[3]提出了基于直方圖對的無損數(shù)據(jù)隱藏方法，該方法的優(yōu)勢在于嵌入容量大、每個圖像組內(nèi)部失真率十分接近，但是存在各圖像組之間差異較大，引起視頻圖像質(zhì)量下降等問題。為了防止圖像組間失真，王家驥等人[4]提出了通過修改幀內(nèi)亮度塊的預(yù)測進(jìn)行秘密信息的嵌入，該方法能夠很好地保證視頻主客觀質(zhì)量，但是嵌入容量小。Wojciech等人[5]提出了在網(wǎng)絡(luò)視頻電話通信中結(jié)合通信協(xié)議進(jìn)行信息隱藏的方法，該方法具有較高的信噪比但是隱藏容量有限。Ramalingam等人[6]通過檢測視頻場景切換提出了基于離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）系數(shù)的視頻隱密算法，其優(yōu)勢在于嵌入容量大、失真小、碼長變化小，但是存在誤碼率高等缺陷。

Shabir等人[7]提出了通過修改幀內(nèi)預(yù)測模式嵌入密信的信息隱藏方法，該方法失真小、碼率變化小但是嵌入容量有限。王麗娜等人[8]綜合考慮視頻紋理特征，提出了運(yùn)動矢量密信嵌入算法，該算法的優(yōu)勢在于安全性高、失真小，但是耗時較長、碼長變化明顯。KeNiu等人[9]基于參考幀運(yùn)動矢量值提出了一種可逆信息隱藏算法，該算法失真小但是其嵌入容量也相對較小。為提高嵌入容量，李海輝等人[10]提出了一種基于H.264視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的信息隱藏算法，該方法具有較大的嵌入容量，失真率相對較小，但是各圖像塊嵌入容量相同，安全性不夠高。Mahdi等人[11]提出將密信隱藏在視頻運(yùn)動區(qū)域的隱藏方法，但是其未考慮這些區(qū)域的紋理復(fù)雜性，使得局部區(qū)域的掩蔽性不夠高。

現(xiàn)有眾多的文獻(xiàn)僅考慮視頻壓縮編碼所得到的運(yùn)動矢量或者只注重視頻圖像的復(fù)雜度，而忽略了將二者相結(jié)合的方法。根據(jù)MPEG-2/4[12]、H.263/4[13]等視頻編/解碼標(biāo)準(zhǔn)，幀間壓縮運(yùn)動矢量越大表示視頻內(nèi)容變化越劇烈，相關(guān)的目標(biāo)圖像塊運(yùn)動變化越大，對這些區(qū)域適當(dāng)改動所引起的失真易被人眼忽視。從信息隱藏的角度，運(yùn)動矢量大相對于運(yùn)動矢量小或者無運(yùn)動的目標(biāo)區(qū)域適合分布更多的密信。與此同時，幀內(nèi)壓縮編碼則更期望保留紋理復(fù)雜區(qū)域和目標(biāo)區(qū)域，而對于簡單的背景以及平坦區(qū)域則采取大的壓縮。從信息隱藏的角度，應(yīng)該將密信隱藏在圖像中紋理/邊緣復(fù)雜的區(qū)域，而避免了密信出現(xiàn)在平坦區(qū)域。因為內(nèi)容復(fù)雜也就意味著相應(yīng)的區(qū)域能夠給密信提供了更安全的掩蔽空間，也能增加密信的嵌入容量，在有噪聲干擾的信道下傳輸，能夠使得密信的誤碼率降低，從而提高隱密傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

本文提出了一種自適應(yīng)視頻內(nèi)容的隱密信道方案，主要包括五大方面：（1）視頻內(nèi)容復(fù)雜度分析；（2）隱密信道抽樣；（3）隱密通信；（4）實驗結(jié)果對比分析；（5）總結(jié)與展望。

2 視頻內(nèi)容復(fù)雜度分析

為篩選出紋理復(fù)雜、運(yùn)動劇烈、掩蔽性高的區(qū)域，視頻內(nèi)容復(fù)雜度分析包含了視頻圖像紋理估計和視頻幀間運(yùn)動估計兩個方面。

2.1 視頻圖像紋理估計

基于模糊熵[14]的幀圖像紋理復(fù)雜度估計已經(jīng)在前期的論文中做了詳細(xì)的論證，不再贅述。結(jié)合本文內(nèi)容，這里給出一個像素大小的圖像塊平均模糊熵測度的定義：

2.2 視頻幀間運(yùn)動估計

常見的基于H.264視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動估計方法[11]有：全搜索算法（FS）、三步搜索算法（TSS）、新三步搜索算法（NTSS）、四步搜索算法（FSS）、菱形搜索算法（DS）等。本文選擇菱形搜索算法，因為其有匹配效果準(zhǔn)確、執(zhí)行速度快的優(yōu)點。

根據(jù)菱形搜索算法對視頻進(jìn)行幀間運(yùn)動估計，得到一個 像素大小且運(yùn)動矢量為的圖像塊，通過歐氏距離求其運(yùn)動矢量的度量：

2.3 視頻復(fù)雜度定義

定義一 結(jié)合視頻幀圖像的紋理和運(yùn)動估計，預(yù)嵌密視頻內(nèi)容復(fù)雜度為：

3 隱密信道構(gòu)建

3.1 隱密信道的定義

3.2 載體嵌入容量

4 隱密通信

4.1 密鑰共享與變換

隱密變換過程算法如表1所示。

表1 隱密變換過程算法

圖1 均衡系數(shù)取不同值時的嵌密效果圖

表2 密鑰接湊算法

采用上述密鑰共享算法能夠有效地防止模仿攻擊，對于接收方和發(fā)送來說，每次通信均采用隨意的臨時口令進(jìn)行同態(tài)湊對合并，僅獲取自己的臨時口令無法由此推測出正確的密鑰。而對于第三方攻擊的情況，如果攻擊者想從含密視頻流中正確提取出密信，就必須同時擁有收發(fā)雙方的臨時口令，或者獲得密鑰對的各參數(shù)值，這兩種方式都較為不易。

4.2 密信嵌入與提取

在視頻壓縮過程中，編碼器將對殘差矩陣進(jìn)行DCT變換、量化操作。本文采用LSB算法，若當(dāng)前塊屬于隱密信道則將其預(yù)處理后的密信嵌入在其量化殘差塊的中頻系數(shù)中，得到含密量化殘差塊，否則進(jìn)行一般的幀內(nèi)預(yù)測過程。然后再進(jìn)行逆量化、逆DCT變換處理為含密殘差矩陣，該過程可表示為：

5 實驗結(jié)果

使用8段典型的Y U V標(biāo)準(zhǔn)視頻序列(176×144，150幀)進(jìn)行分析，以誤碼率、失真率、碼長改變率作為參考指標(biāo)，選擇最新的基于DCT系數(shù)的視頻隱密算法[4]和基于運(yùn)動矢量的密信嵌入算法[5]作為對比算法。

5.1 算法自適應(yīng)性能測試

圖2(a)為參考幀內(nèi)容分析；圖2(b)為參考幀圖像塊復(fù)雜度估計；圖2(c)是根據(jù)臨時密鑰隨機(jī)抽取的一組隱密信道樣本，理想情況下為一密一信道；圖2(d)為隱密信道嵌入權(quán)值的相對變化情況，權(quán)值不同嵌入量不同。從效果看，所選載體塊的位置分布在紋理復(fù)雜且運(yùn)動劇烈的區(qū)域，并且嵌入權(quán)值的變化與視頻圖像內(nèi)容的變化相一致。

5.2 算法隱密通道安全性測試

算法主要以臨時雙口令同態(tài)生成的置亂步長和迭代次數(shù)為密鑰參數(shù)對和，來對密信進(jìn)行混沌映射以保證隱密信道的安全性。一方口令采取游客等待策略，另一方口令則采取車輛到站策略，以雙模式方法來分離密鑰整體性，保證隱密通道的安全。如圖3所示以圖像密信為例，圖3(a)為原始密信圖像，圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)為選取不同參數(shù)對映射下的置亂效果。從效果看，密信被映射置亂成沒有意義的序列，順序及相關(guān)性都已被充分破壞，可以確保即便隱密信道中的攜密載體被非法截獲，原始秘密信息也難以被正確提取并還原，從而保護(hù)了密信的安全。

圖2 隱密信道構(gòu)建過程及嵌入權(quán)值

圖3 隱密信道中的密信置亂效果

5.3 誤碼率對比測試

為了對比文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中的算法以及本文算法在不同視頻序列中誤碼率大小，分別選擇“FOREMAN”等8段視頻序列進(jìn)行算法仿真，結(jié)果如表3所示

由表3可知，因本算法將密信嵌入在圖像塊DCT/量化后的系數(shù)中，密信提取依然保持著較低的誤碼率。

5.4 失真率對比結(jié)果

由于各類算法的效果均是人眼不可感知的，為精確量化失真程度，引入峰值信噪比PSNR（Peak Signal to Noise Ratio）[5]進(jìn)行失真率對比，結(jié)果如表4所示。

表3 各算法在不同視頻序列中的誤碼率對比，其中黑體表示最優(yōu)性 （單位：bit）

從表4中可以看出，本文算法將密信嵌入在掩蔽性高的圖像塊中，PSNR值較優(yōu)于對比算法。

5.5 碼長改變率與誤碼率對比結(jié)果

為了精確評估在相同壓縮強(qiáng)度下（選擇編碼器默認(rèn)固定量化步長，quant=4），本算法與對比文獻(xiàn)算法對視頻碼長的改變情況，引入碼長改變率：

表4 各算法在不同視頻序列中的PSNR對比，其中黑體表示最優(yōu)性能 （單位：dB）

表5 各算法在不同視頻序列中的碼長改變率對比，其中黑體表示最優(yōu)性能

從表5中可以看出文獻(xiàn)[4]算法將密信平鋪嵌入在DCT系數(shù)中，對原始視頻改變小，碼長變化較??；文獻(xiàn)[5]算法之所以改變較大，是因為其用非最優(yōu)匹配塊的差值替換了最優(yōu)匹配塊的差值，導(dǎo)致量化壓縮后非零系數(shù)增大，碼長改變明顯。本文算法將密信嵌入在復(fù)雜度高的區(qū)域中，做到了盡量避免修改零值DCT/量化系數(shù)，因而視頻碼長改變較小。

6 結(jié)束語

方案的優(yōu)勢在于：（1）將密信嵌入在紋理復(fù)雜且變化劇烈的載體塊中，掩蔽性高；（2）能夠自適應(yīng)的在不同載體塊中嵌入不同容量的密信，算法安全性高；（3）密信嵌入/提取過程與視頻編/解碼過程相結(jié)合，保證密信的嵌入不明顯改變視頻碼長；（4）采用共享密鑰對的方式解決了密信提取需要原始載體的問題，并且對密鑰進(jìn)行整體性分離，提高了隱密通道的安全性。下一步，研究者將研究在即時網(wǎng)絡(luò)信道傳輸過程中，如何將大容量的密信（如圖像、短視頻等）進(jìn)行高強(qiáng)度壓縮隱藏在視頻流中，以便提高方案在實際通信中隱/解密的效率。