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基十视频流的数字隐藏技术 摘要 近年来，大量数字视频产品的出现，不仅对视频数字产品版权保护 的市场需求日益迫切，也对特殊视频的安全通信提出了要求。目前虽有 一些关于视频隐藏技术的应用研究出现，但绝大部分的工作都集中在版 权保护，也就是数字水印方面然而数字水印由于其本身的特性限制，使 得一般的隐藏量都很少，无法满足一些大数据量的秘密通信和信息获取 控制方面的要求因此，如何实现一种高数据隐藏量的视频算法对这些应 用需求具有重要的意义。 本文在详细分析了现有的三大类视频隐藏技术后，根据m p e g 系统中 第一代m p e g 一2 编码技术和第二代m p e c , - 4 编码技术的特点，以及m p e g 系统码流的结构特性，提出了一种实用的基于视频流的隐藏算法，并进 行了实验验证分析。实验结果表明该算法在不对视频质量造成较大的影 响的基础上，实现了隐藏量上的较大改进及隐藏数据的精确提取。 在对已有水印算法的分析基础上，：残们吸收了基于运动矢量进行隐 藏算法中的嵌入思想，为避免因运动矢量的不当操作对视频中的预测图 象造成的较大影响，所以在运动矢量的选择上我们进行了适当调整，以 确保同一对象运动矢量的变化一致性。同时根据m p e b 系统的图象结构特 点，在不同图像类型的d c t 块中自适应藏入数据。因为每个数据的嵌入 都会带来码流长度的变化，为尽可能降低这种变化，本文利用了系统中 码流结构的灵活性，将d c t 数据块的码流大小变化和运动矢量的码流大 小变化共同控制在一个局部码流约束条件下，实现了在满足视频压缩码 流一致性的基础上，增大信息隐藏量的效果。最后，为实现隐藏算弦中 的精确提取，引入了标志位的概念，使得提取算法能更为简单、迅捷， 不影响提取视频的正常解码播放速度。 关键字：视频隐藏拉术、隐写术、相似性、运动矢量、运动补偿 基十视频流的数字隐藏技术 a b s t r a c t w i t ht h ea p p e a r a n c eo fal a r g en u r a b e ro fv i d e op r o d u c t st h e s ey e a r s ， t e c h n i q u eh a sb e e na s k e dn o to n l yt op r 0 1 t e c tt h ec o p y r i g h to ft h e m ，b u ta l s o t or e a l i z et h es a f e t yc o m m u n i c a t i o no f s p e c i a lo n e s t h o u g ht h e r ea r es o m e p a p e r so nv i d e oh i d i n gt e c h n i q u e ，m o s t1 0 ft h e ma r ef o c u s e do nt h ep r o t e c t a p p l i c a t i o n s ，t h e y a r ea l s oc a l l e dv i d e ow a t e r m a r k b e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o no ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c ，v i d e ow a t e r m a r k t e c h n i q u eh a sl e s sh i d i n g c a p a c i t y ，t h e yc a n tm e e tt h en e e do fl a r g ed a t as e c r e tc o m m u n i c a t i o no r i n f o r m a t i o ni n t e r c e p tc o n t r o l l e r s o h o 7t of i n dav e d i os c h e m et or e a l i z e l a r g eh i d i n gc a p a c i t yi sv e r yi m p o r t a n tf o rs u c ha p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r ，t h r e ek i n d so fh i d i n gt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nd i s c u s s e d a n dc o m p a r e d a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fm p e g - 2a n dm p e g 一4 e n c o d i n ga l g o r i t h ma n dm p e gc o d i n gs y s t e m ，an e wh i d i n gs c h e m eb a s e d o nv i d e ob i t s t r e a mi s p r e s e n t e da n dv a l i d a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h e p r o p o s e d s c h e m eh a sm o r e h i d i n gc a p a c i t y w i t h o u t d e g r a d i n g t h e p e r c e p t i v ee f f e c t ，a n dt h ei n f o r m a t i o ne m b e d d e d c a nb er e t r i e v e dl o s s l e s s i nt e r m so ft h ew a t e r m a r ka p p r o a c h e s ，w eu s et h e h i d i n g i d e ao f m o t i o nv e c t o r sa sr e f e r e n c e t oa v o i dt h ei n f l u e n c e so nt h e p r e d i c t e d i m a g e s f o ri n c o r r e c t o p e r a t i o n s t ot h o s em o t i o nv e c t o r s ，w e a d j u s t t h e s c h e m eo nv e c t o r ss e l e c t i o na n d k e e p t h e c h a n g ec o n s i s t e n c y o fs a m e m o v i n go b j e c t s v e c t o r s a c c o r d i n gt ot h ep i c t u r es t r u c t u r eo fm p e gs y s t e m w eh i d ed a t ai nd i f f e r e n tk i n d so ff r a m ep i c t u r e sa d a p t i v e l y b e c a u s ee a c h d a t ae m b e d d i n gw i l lc a u s et h ec h a n g eo fc o d i n gs t r e a ml e n g t h ，w eu t i l i z e t h ef l e x i b i l i t yo f c o d i n gs t r u c t u r ea n di n t r o d u c eal o c a lc o d i n gr e s t r i c t i o nt o c o n t r o lt h es t r e a mc h a n g e si nd c td a t aa n dm o t i o nv e c t o r st o g e t h e r ，t oc u t d o w nt h ec h a n g e sa sp o s s i b l ea sw ec a n t h i sn o to n l yk e e p st h ec o n s i s t e n c y i l 兰塑! 塑堕塑曼堕堕垫查 o fv i d e oc o m p r e s s e ds t r e a mb u ta l s oi m l ：i r o v e s t h eh i d i n gc a p a c i t y f i n a l l y ， t o g e t b a c kt h e h i d i n gi n f o r m a t i o nf r o mag i v e nv i d e o p r o d u c te x a c t l v ，a m 8 。k o p i n i o “i s p r o p o s e d i t c a nr e d u c e st h e c o m p l e x i t yo fr e t r i e v i n g a l g o r i t h mm a r k e d l ya n dk e e p st h en o r m a lp l a y i n gs p e e do fv i d e or e t r i e v e d k 。y w o r d s ：v i d h i d i n g t e c h n i q u e ，s t e g a n o g 】r a p h i c a ，c o m p a r a b i l i t y ，m o t i o nv e c t o f ， m o t i o na r i a j y s i s i l l 华南师范大学硕士学位论文答辩合格证明 学位申请人鳢! 燕向本学位论文答辩委员会提交 题为盘立塑：趣逸丝垫空隆菠整立的硕士论文， 经答辩委员会审议，本论文答辩合格，特此证明。 学位论文答辩委员会委员( 签名) 主席：落酬拣 委员： ，盘丝堑 撞垒1 兰垦 ， 煮名中。够论文指导老师( 签名) ：，一。 2 辱f 马增日 基于视频流的数字隐藏技术 1 课题选题背景 绪论 计算机信息化和网络化的飞速发展，使得数字化信息的获取和传输 变得越来越容易。人们可借助电子设备，将信息传送到世界各地，从而 使得电子商务、信息在线等多媒体服务有了广阔的发展前景。但与此同 时，数字化信息产品的安全问题，也促使了数据加密和数据隐藏技术的 “泛应用发展，特别是在安全通信、版权保护和信息获取控制等方面。 近年来，大量数字视频产品的出现，不仅对视频数字产品版权保护的市 场需求日益迫切，也对特殊视频的安全通信提出了要求。 传统的数据加密技术虽是信息安全保护的重要手段，但密文形式的 图像或视频很容易引起攻击者的注意，只能满足有限的要求所以近年来 数字隐藏技术越来越引起安全部门、电子出版界和学术界的极大兴趣， 并广泛地应用到图像、视频、音频等数字媒体中，成为一个非常重要的研 究领域目前有很多关于视频隐藏技术的研究，但绝大部分的工作都集中 在版权保护，也就是数字水印方面“然而数字水印由于本身的特性限 制，使得一般的隐藏量都很少，无法满足一些大数据量的秘密通信和信息 获取控制方面的要求同时，因为视频结构本身的压缩特性，使得在一定 视频流内部要藏入较大的数据时有着较高的难度。因此，如何解决视频 中的高隐藏量问题，具有一定的学术价值和重要的应用背景通过对隐写 术和数字水印的分析，本文在这个方面进行了研究 2 本文的工作与意义 本文从如何解决视频中的高隐藏量问题的要求出发，提出并实现 基于视频流的数字隐藏技术 了一种实用的基于视频流的隐藏方案，同时给出了分析和实验验证结果。 根据m p e g 系统的编玛技术特点，以及码流的结构特性，在对已有三犬类 视频水印算法的特点分析和优缺点比较下，做了以下三个方面的工作： l 、在基于运动矢量的嵌入思想基础上，考虑运动矢量的不当变 化对视频中预测图象所造成的影响，在运动矢量的选择上进行了适当调 整，以保证同一对象运动矢量变化的一致性，避免了因运动矢量中的数 据嵌入，对视频对象产生较明显的视觉失真现象。 2 、根据m p e g 系统的图象结构特点，在不同图像类型的d c t 块中 自适应藏入数据，并利用系统中码流结构的灵活性，将d c t 系数码流长 度变化和运动矢量的码流长度变化共同控制在一个局部码流约束条件 下，以在满足视频压缩码流一致性的基础上，加大信息的隐藏量。 3 、为实现隐藏算法中的精确提取，引入了标志位的概念，使得 提取算法能更为简单、迅捷和精确。 实验测试结果表明，该算法在不对视频质量造成较大影响的基础 上，实现了隐藏量上的较好改进及隐藏数据的精确提取。可适用于大数 据量的秘密通信、信息获取控制以及特殊视频的安全通信等方向的应用 需求。 3 论文结构安排 文章总共分为两大部分：第一部分为综述，共两章，主要分析信息 隐藏技术的概要介绍和在不同应用方面的发展状况。在第一章中，概要 描述了隐藏技术的系统框架模型、应用及特点，通过与密码术的技术特 性比较，更为突出地表现了隐藏技术在现代信息安全领域中的重要地位。 第二章则从三个主要的应用层面综述了数字隐藏技术的发展特点。 第二部分为数字视频隐藏技术的研究，共四章，针对视频技术中的 些热点进行了分析，并提出了一种新的基于m p e g 视频流的隐藏技术。 第二章介绍数字视频隐藏技术的特点和应用，咀及国内外的研究现状， 基于视频流的数字隐藏技术 分析并总结了它们的优缺点。第四章将具体视频系统m p e g 系统进行了结 构和编码特性上的分析，并提出了基于视频流的隐藏方案思想。在第五 章中用具体的实验系统验证了该算法的实现，并给出了结果分析。最后 在第六章中对本文的各项工作进行了简要的总结，并对今后的研究工作 提出了建议和发展构想。 基于视频流的数字隐藏技术 第一章信息隐藏、隐写术和数字水印 现代的隐写术、数字水印同属于信息隐藏技术，是信息隐藏课题的现 代应用分支从战火烽烟的古代到文明高速发展的今天，从关系战场局势 的军事情报到瞬息万变的商业行情，信息一点一滴地融入到人民生活巾 当越来越多的人意识到信息重要性与安全性的同时，信息隐藏技术就诞 生了不管是古时的藏头诗还是现在的间谍术，都在启示着我们如何利用 信息隐藏技术去服务于我们的信息时代信息隐藏意思就是将有用的或 重要的信息，利用载体中具有随机特性的冗余部分嵌入数据来掩饰其存 在，信息隐藏技术的应用非常广泛，隐写术、数字水印、计算机系统中的 隐通道、密码协议中的阈下通道等都在数字作品版权和个人隐私方面发 挥着重要的作用。隐写术与数字水印的含义在一定程度上是相同的，只是 在面向应用系统方面，水印趋向于身份验证、版权保护，而隐写术则着重 于隐蔽通信和控制机制嵌入等操作 本章第一节首先介绍一般的信息隐藏系统的框架模型第二节则分 类列举了信息隐藏技术应用的方向第三节分析了信息隐藏技术的基本 特性第四节阐述信息隐藏与密码技术的不同，并提出信息隐藏在现代信 息安全领域的地位 1 1信息隐藏系统框架模型 信息隐藏的应用广泛性要求人们建立起一个安全性能被数学证明的 信息隐藏理论体系，以为其可行性与安全性做出保障。目前在隐写术和 版权标记技术的研究中，人们提f _ _ j 了一些理论雏形，但尚未构成一个完 整的理沦体系。其一般化模型可如图l 一1 所示。 某j 1 视频流的数字隐藏技术 媛k 靛豫 图l l 信息隐藏系统的一般模型 嵌八对象一 系统主要包括一个嵌入过程和一个提取过程，其中嵌入过程是指信 息隐藏者利用密匙，将嵌入对象添加到掩体对象的随机冗余中，从而生 成隐藏对象这一过程。提取过程是指利用合法的提取密匙将嵌入对象从 隐藏对象中恢复出来的过程，提取过程可能需要用到原始的掩体对象。 当不需要掩体对象时，该提取过程通常被称为“盲提取”。在这个信息隐 藏系统模型中还存在一个隐藏分析者，他通常位于隐藏对象传输的信道 卜。在隐写系统中攻击者的目的往往在于正确检测出被嵌入目标的位置， 提取嵌入对象；而对版权标记系统来说，攻击者的目的就是使得嵌入对 象不可检测。 在通常情况下，隐写系统将以上模型描述成s i m m 0 1 s 在1 9 8 3 年提出 的“囚犯问题”3 。在这个方案中，a i i c e 和b o b 两个囚于不同地方的 囚犯分别对应为信息隐藏系统中的发送者和接受者，他们可以通过监狱 看守者进行j 卜常的书信交流，而监狱看守者w i l l ie 则作为隐藏分析者， 查看书信中是否有商议越狱等信息存在。此时a 1 ic e 和b o b 的目的是利 用隐写系统的传输在书信中隐藏越狱计划，并使得看守者w i l l i e 无法轻 易发现通信中的秘密，同时为防止因w i l l i e 对通信消息的轻微修改而导 致隐藏信息的不可提取，隐写系统要求对小的变形具备一定的稳健性。 用于数字产品保护的水印系统则是在以上模型的基础上侧重强调了 水印信息生成和水印信息检测等算法模块。与隐写术不同的是，在水印 系统中，隐藏分析者即侵权者可能知道水印的存在并会对其进行恶意攻 击，因此要求具有较强的稳健性。水印检测算法便要求即使在受到大量 基于视频流的数字隐藏技术 攻击的情况下也要能提取出水印，看是否和原始水印信息相符，以证明 数字产品的所有权。由于隐藏量与鲁棒性问存在的鱼和熊掌不可兼得之 关系，数字水印所要求的强鲁棒性便导致了隐藏量通常较低的结果。 1 2 信息隐藏技术的应用 由于计算机硬件和网络技术的迅速发展，世界各地的信息都可以通 过瓦联网络进行快速共享互涛，极大的方便了人们的工作和生活，但同 时也引发出潜在的传输安全问题。在大量的信息安全技术中，信息隐藏 技术近年来越来越受到研究者们的关注，除数字版权保护外，还在日常 生活中的许多方面得到了相当广泛的应用。随着研究的深入，其应用还 将逐步渗透到信息安全的各个领域。 数字军事通信 现代化战争是数字化战争，不管是战争时期还是和平年代，军事机 密信息对个国家来说都有着非常重要的地位，一个消息的泄密可能导 致整个局势的改变。如果只是单纯地对通信内容进行加密，对方可能会 因发现杂乱随机的异常信号，而穷其所能对此进行破解，从而截获重要 信息。历史上的“齐默尔曼电报”就是最著名的密码破译事件，它促使 了美国对德国的宣战，从而改变了世界历史的进程。目前在军事上除了 使用扩频调制或流星式分散传输等通讯安全技术来消除消息发送者、接 收者及其具体位置等方法外，信息隐藏技术在保护通讯内容等方面也充 当了重要的角色。作为一种涉及国家安全的间谍工具，信息隐藏技术的 发展始终受到国家安全部门的关注。 机密商业信息传输 现代社会也可以称之为商业化信息化社会，商场上的机密消息往往 对企、【k 和公司的兴衰起着重要的作用。一旦商业机密被盗取，带给企业 的损失是远超过企业硬设备的损失，严重时甚至会影响到企业在市场上 的商誉和未来的发展。在硬设备上，商业计算机的安全技术已经有了比 较深入的研究，如惠普2 0 0 4 年推出的一款商用笔记型计算机就采用了三 基于视频流的数字隐藏技术 重安全性设计来确保计算机内储存的机密数据不被盗取。而在安全通信 卜，除了传统的密码学外，信息隐藏技术也起着越来越重要的数据保护 作用。 匿名通讯自由 密码术的民用化和网络技术的快速发展也刺激了人们对于网上暇名 通讯自由的关注，其中包括匿名电子邮件和网络代理等技术。匿名电了 邮件就是利用信息隐藏技术，来消除电子邮件中发送者的身份，从而达 到匿名通讯的目的。浚技术已被一些网络广告发行商所广泛采用。同时， 匿名通讯技术也可通过信息隐藏技术来保护电子选举和电子现金等方案 中使用者的隐私权，保证数字电话中的位置安全及移动通信中重要数据 的“隐形”传输。 提供安全分析支持 由于信息隐藏技术也可能被破坏者所利用，如不法分子传递犯罪消 息，病毒制造者利用隐通道传递病毒等，所以对信息隐藏技术及其缺陷 的理解和研究，也为检测和跟踪隐藏消息提供技术基础。 1 3 信息隐藏技术的基本特性 信息隐藏技术，其实质就是利用载体文件的冗余空间，将重要的机 密信息藏入其中，以掩饰其存在。通过上面的应用分析，我们可知，信 息隐藏技术在不同应用场景下，表现的技术要求是有差异的，但基本特 性还是一致。 感知不易觉察性 所有的隐藏技术都必须具有的一个共性便是感知不易觉察性 ( i i v i s i b i l i t y ) 。要求当数据嵌入其中时，既不会影响到载体本身的主 观质量，也不易被攻击者和接收者所察觉，以达到“隐蔽”的效果。 稳健性 不同应用系统对隐藏技术的稳健性( r o b u s t n e s s ) 要求是不一样的， 不过大多都要求能抵御一定程度的攻击。对于某些应用( 如版权标记系 摹于视频流的数字隐藏技术 统) ，攻击者是主动的，即知道隐藏信息的存在，可能会通过各种处理手 段来擦除隐藏信息，那么，隐藏系统对稳健性就要求比较高。而隐写术 和一般的隐藏技术，只要确保在一定载体中能隐藏进机密信息，并抵抗 基本的变形操作，相对来说对隐藏量的要求就比稳健性要高得多。 安全性 非合法接受用户在没有合法密匙的情况下，无法检测和正确提取出 隐藏信息。 隐藏量 可隐藏量应该达到一定的要求，才一能满足各式各样的需求。 1 4 信息隐藏技术与密码技术 在传统信息安全领域中，人们对于信息的保密往往求助于密码体系 中的加密技术，将其认为是该产业中的支柱技术，并已通过各种算法、 协议、标准构成了较为完善的应用体系。然而随着计算机软、硬件技术 的发展，密码破译能力越来越强，这使：，导人们对加密算法的强度提出越 来越高的要求。在许多领域中，密码术的应用已经显现出它的局限性。 随机性密文容易引起攻击者注意便是密码术的一个最大弱点，即使密码 的强度足以保护秘密信息的安全，也无法阻止攻击者对其做出的破坏， 从而使消息无法被接收。 目前，信息隐藏作为信息安全系统的一个有力补充，虽不能取代密 码技术的核心地位，但与加密技术形成i r 相互联系、密不可分的关系。 在对秘密信息的处理方式上，密码技术仅仅隐藏了信息的内容，而信息 隐藏技术不但隐藏了信息的内容，还隐藏了信息的存在。所以在当前实 际应用过程中，数字隐藏技术往往在加密技术的基础上，对已形成的密 码流进行数字伪装，从而进步提高秘密信息的安全可靠性。 基卜桃频流的数字隐藏技术 第二章信息隐藏技术的发展 信息隐藏技术虽初可追溯到远古时期，有一个波斯宫廷中叫 o e m e r a t u s 的人想通知他在希腊的朋友关于x e r x e s 一世将要入侵希腊的 消息，于是他将消息隐藏在写字板中佳了过去。当时的写字板是由两片 木头覆盖着蜡，象书一样合叶而成的。字都是写在蜡上的，如果接受者 要重新使用写字板，则将蜡熔化后再涂上一层即可。d e m e r a t u s 的方法 是将写字板上的蜡除去后，把消息刻在了木板上，然后用蜡将其重新覆 盖上，再将表面空白的字板送去希腊。另一则故事中，一奴隶主为通知 他的朋友们发起暴动，剃光了他一个心腹奴隶的头发，然后将消息纹在 头上，等头发长出来了再去送信。事实上，直到2 0 世纪初，这些方法仍 被德国浏谍所使用，被认为是信息隐藏技术的雏形。到后来，随着感应 墨水和摄影术等在通信方面的使用，信息隐藏技术的应用开始扩展到一 个更加广泛的空间。 目前已知的关于信息隐藏技术的最早著作是j o h a n n e s t r it h e m i u s ( 1 4 6 2 一1 5 1 6 ) 编写的s t e g a n o g r a p h i c e 一书，书中提出了一种 使用“a v em a r l a ”编码来进行隐蔽通信的方法。到1 6 、1 7 世纪，大量 有关隐写书的文献和信息编码的新方法相继出现“1 ，其中还包括了 g a s p a rs c h o t t 出版的“s c h o l as t e g a n o g r a p h i c a ”1 ，他在书中描述 了一种如何在乐谱中隐藏消息的方法，如下图所示。 基于视频流的数宁隐藏技术 国2 一ig a s ! o a rs c h o t t 简单地将字母表中的字母映射到音符 现在，由于隐藏技术的广泛性应用，许多大学、研究机构和公司已 纷纷开展了这方面的研究。1 9 9 6 年在英国剑桥召开了信息隐藏领域的第 一次学术研讨会，这标志着信息隐藏作为一个新的科学学科的诞生”1 。 1 9 9 8 年、1 9 9 9 年和2 0 0 1 年在美国波特兰、德国德雷斯顿和美国匹兹堡 分别召开了第二届、第三届和第四届信息隐藏国际研讨会，极大地促进 了斧研究团体在这一领域内的交流与合作。 随着理论研究的不断深入发展，信息隐藏技术正逐步由静态图像的 数字隐藏技术过渡到数字视频等多媒体隐藏技术的研究上。通过分析静 态图像中成熟的隐藏理论和视频文件的压缩编码特性，越来越多关于数 字视频编码的水印技术专题和文章相继出现，并逐步应用到现实生活中。 2 1 静止图像数字隐藏技术 图像隐藏的基本原理就是利用人体感觉器官对图像的感觉冗余，将 被隐藏的数据嵌入其中，使得嵌入后的图像与原始图像几乎没有什么外 部差别，从而难以被观察者所察觉。根据数据在载体图像中的嵌入位置 来分，图像隐藏法主要分为两大类：基于空间域的隐藏法和基于变换域 的隐藏法。 基r 视频流的数字隐藏技术 2 1 1 基于空间域的隐藏法 基丁空间域的隐藏法直接将秘密数据嵌入到图像的空m 域数据中， 算法实现简单、快捷，隐藏量大。最不重要位嵌入法l s b 法”川在信息隐 藏中很常见的，是空间域算法中的典型代表，主要是先将秘密数据转换 成0 ，1 比特流，然后将其藏入到图像时域数据的最低儿个比特上。该法 只对载体图像作很小的改动，隐藏效果较好，且具有盲提取特性，但由 于在传输过程中极易因压缩或几何图像处理而丢失秘密数据，通常被认 为鲁棒性差、安全性低。所以，在这个基础上，不少国内外学者又在隐 藏数据安全性方面做了些研究”“”1 ，先将隐藏数据利用密钥随机打乱 或随机取得嵌入位置，再利用l s b 法进行嵌入。这样，即使攻击者通过 反l s b 法得到嵌入信息，也会因缺少合法密钥而无法破解出原始的隐藏 数据。国内有人提出了一种基于模运算的隐藏算法1 。就是利用一随机 素数和模运算束安全获得当前的随机嵌入位置，同时在嵌入秘密数据时， 避开载体数据的最高位和虽低位的修改，以防止反l s b 攻击。另一种空 间域的典型算法是迭代融合法”“。迭代融合法是利用公式l 来进行图像 隐藏的： 混合图像= a + 载体图像+ ( 1 一f 1 ) 加密图像， a 【o ，1 】 ( 2 1 ) 当混合参数a 接近1 时，混合图像就接近于载体图像，达到隐藏效 果。o jl s b 法不同的是，其隐藏量很大，鲁棒性较高，但要求秘密数据 与载体数据问有较强的相似关系，且恢复效果不好，无法得到完全的原 始秘密数据。为进一步提高空域隐藏的鲁棒性和安全性，b e n d e r ，p i t a s 等”4 q 提出了一种方法，直接利用相邻像素间的关系进行数据嵌入。主 要思想是，根据选取算法，提出适当的像素对，将其差值或大小关系值 与要嵌入的0 、i 数据进行比较，相等则不进行改变，否则对数据进行交 换或修改。这种方法数据嵌入位置比较随机，具备较好的安全性和鲁棒 性，f e | 【隐藏量不高。 基于视频流的数隐藏技术 2 1 2 基于变换域的隐藏法 考虑到空间域隐藏法中普遍的低鲁棒性特点，不少学者渐渐把目光 关注到了变换域的技术方法上。在整图d c t 域“c tt ，基于块的d c t 域”“” 小波变换域”，傅立叶变换域”“”3 1 卜，都出现了很多的研究成果。但 普遍认为，在变换域上的数据嵌入以d ( ：r 和小波变换域的不可见性和安 全性效果最为突出，从而在这两方面所能看到的专题和论文比较多“”2 。 在变换域隐藏法中同样可以利用更改相邻频域数据关系来进行数据嵌入 但大部分研究成果还是以在主观不易察觉的频域内进行数据替换为主。 然而，在嵌入位置上，不同的学者有不同的观点，有的认为隐藏数据应 嵌入在低频区域内“”“，有些却认为应嵌入在中频区域“”或高频中。 一般来说，人眼对高频信息即复杂区域、变化剧烈的物体的敏感度低于 对低频信息如平滑区域的敏感度，在此区间的数据嵌入不容易引起人体 感官上的信息失真，很适合用来隐藏数据。然而图像压缩技术主要是去 除图像的高频部分，保留低频数据，所以高频嵌入法隐藏效果好但抗压 缩鲁棒性低，而低频嵌入法则刚好相反。 3 1 的作者提出了一种利用人 眼视觉感知模型来确定d c t 频域中信息嵌入位置的方法。人眼视觉系统 模型( h v s ) 的频率响应函数是 h ( w ) = ( a + b w ) e x p ( 一c w )( 2 2 ) 其中a ，b ，c 为常数。当w = 3 周度时，t t v s 曲线取得峰值。此方法 利片j 视觉函数与d c t 变换相结合，计算出每个原始图像子块的6 4 个d c i 变换系数( u ，v ) 所对应的w 值，将原d c t 变换系数图变换成按w 值排 列的频率相应图，当w 值位于1 2 2 2 的区域中时，就可进行数据的隐藏。 隐藏时通过极性比较法进行。这种方法在降低载体图像视觉失真和保证 鲁棒性方面都达到了较好的效果。 基于视频流的数字隐藏技术 2 2 数字视频水印技术 当前大量消费类数字视频产品的出现，使得信息隐藏技术开始向这 方向发展，并出现了众多在视频版权和视频安全通信方面做的研究。 因为视频序列是由一系列连续的时空静止图像组成，所以很多人认为， 视频的信息隐藏方式和静止图像的应该非常相似，图像的隐藏技术可以 直接应用到视频中。然而，这种思想只是部分的正确。虽然确实出现了 一些关于这方面的研究成果，但图像和视频间存在的重要区别，要求人 们必须寻找新的特殊的隐藏技术来对视频进行操作。首先，不同的信号 大小决定了视频无法使用许多成熟的图像隐藏技术，例如h v s 模型。对 图像来说，它的大小是很有限的，所以操作者可以通过建立精确的或非 精确的h v s 模型来获取不可见闽值，进行数据嵌入。而如果对视频这个 庞大的信号空问也采用i i v s 模型来进行操作的话，其计算时间和复杂度 可想而知。其次，视频特性规定隐藏系统必须满足实时的或近似实时的 要求。这样，为减少系统的复杂性，就要求尽量少用或禁止使用i i v s 精 确模型，复杂小波变换等技术。最后，视频的结构特性，要求我们也要 把经常可能出现的结构攻击给考虑进去，如缩减帧、帧重组等，而这是 单纯的图像隐藏技术所不能提供的。 视频隐藏技术随着具有视频压缩编码背景的研究人员的加入，已经 开始摆脱静止图像隐藏的设计模式，并针对现有的的视频编码技术进行 设计，在理论和实际应用上都有了很大的突破。视频隐藏技术作为本论 文的重点，将在第二篇对其技术特性、应用模式及算法研究现状进行讨 论。 2 3 其它多媒体隐藏技术 除了数字图像和数字视频之外，还有数字文档和数字音频的隐藏技 术，也足非常重要的研究方向。当然，其他的多媒体信息，只要能符合 隐藏技术的必要条件，加卜实际的应用需求，就可以产生出新的数字隐 13 基于视频流的数字隐藏技术 藏应用点，并引发新的技术突破。 2 3 1 文本信息隐藏 安令部门在很早以前就对文本的信息隐藏做过很多研究，基本卜- 将 其分为两大类：基十语义的隐藏技术和基于格式的隐藏技术。基_ r 语义 的隐减法即将秘密隐藏在文字的意思和顺序上，并不是真正的将其嵌入 到文本中。而基于格式的隐藏技术则是指信息隐藏在文字的表现方式和 格式上。现在的文档隐藏技术大部分是：基于后者的。由于在这种方法中， 文本是利用编辑和排版系统精确录入和编辑生成的，一个字母对应着一 个特定的a s c i 码，对文本进行任何格式上的调整，都意味着将修改隐藏 信息，所以一般只适用于具有一定图像特性的文档中，如扫描后的文档 图像。 t h i si sa n e x a m p l e f o z w o r d s h i f tc o d i n g t h i si sa r le x a m p l ef o rw o r d s h i f tc o d i n g ，m 一 图2 - 2 字间距调整嵌入示例 b r a s s 1 等人在这方面做了很多工作”“，提出了三种不同的文 档信息嵌入法：行间距偏移嵌入法，字间距调整嵌入法和特征修改嵌入 法，例如图2 2 所示。这些方法在电子文本的版权保护上起到了重要的作 用。 2 3 2 音频信息隐藏 相对于视频媒体，由于音频载体的单位采样量少，所能嵌入的信息 量就更少，同时因为人体听觉系统h a s 比人体视觉系统h v s 更敏感，信 息隐藏的难度就更大。应用于音频信息隐藏的主要技术有低位嵌入法 ( t , s b ) ，回声隐藏法( e c h od a t ah i d i n g ) 、稍位隐藏法( p h a s ec o d i n g ) 拱f 视频流的数字隐藏技术 及扩频隐藏法( s p r e a ds p e c t r u m ) 等技术。其中扩频隐藏法是目前研究的 热点。 i ，s b 法是通过改变音频数据样本的最低比特位来嵌入数据的，抗攻 击性比较差；而回声隐藏是在原始音频信号f ( t ) 中引入回声a * f ( t at ) 来嵌入数据的，通过使用不同的延时t 来代表不同的嵌入信息：午h 位编 码( p h a s ec o d fn g ) 则是通过对信号的d f t ( d is c r e t ef o u r ie rt r a n s f o r m ) 频谱作相位调整来嵌入信息当然d f t 频谱的幅值也可用来嵌入数据：扩 频隐藏是先对隐藏数据进行扩频处理，再嵌入到音频的载波信号中，并 利用控制机制来使噪声不可觉察。 b o n e y 等就在文献 3 5 3 6 1 4 中提出了几种扩展频谱隐藏法。利 用一个通过几个阶段滤波得到的p n 序列，找出h a s ( 人体听觉系统模型) 的长区和短区掩映效果。再通过自适应滤波使嵌入信息嵌入到相应的音 频片段中，来增强隐藏信息的鲁棒性，抵制音频压缩和重采样等操作。 基f 视频流的数7 隐藏技术 第三章数字视频隐藏技术 视频数掘隐藏作为数字隐藏技术中的一个热点和难点，越来越多的 研究开始关注于此。目前的技术大部分还是集中在静止图象的隐藏方法 基础上，这主要是有成熟的视觉空问感知模型等研究成果的支持。在时 间域上，因缺乏精确的人眼视觉模型的建立，技术理论研究起来比较困 难，再加上具体视频编码压缩格式的限制，更容易造成技术应用上的局 限性。然而在时间域上的压缩编码，是视频文件最重要的特性之一，在 此基础上发掘隐藏技术的可突破性将有着巨大的发展前景。 因此，在研究新的实用视频隐藏技术时，我们可以朝着既汲取图象 隐藏技术的成熟方法，又结合视频时间域上压缩特性的方向探索，使之 适应视频系统的具体应用特点。 3 1 视频隐藏技术应用 视频隐藏技术和数字图象隐藏技术的应用模式大致相同，也是在版 权保护、信息认证、安全通信、隐蔽传输等方面被大加利用。同时由于 系统特点，视频隐藏技术还可以在信息获取控制方面起到不小的作用， 再加上数字视频在现今商业市场上的广泛应用，如数字视频产品( d v d 设备等) 和交互式多媒体应用系统( 网上视频传输系统) 等，使得视频 隐藏技术比数字图象隐藏技术有更为丌阔的发展空间。 目前，大部分的工作都集中在版权保护方面，也就是数字水印上。 如d v d 防拷贝系统，d v d 产品版权保护系统等。然而，大批量消费类数 字视频产品的出现，不仅对视频数字产品版权保护技术有迫切需求，也 同时对特殊视频的安全通信提出了要求。因其庞大充足的数据空间，使 得大数据量的数字图片或多媒体产品的隐藏通信成为可能。 基于视频流的数字隐藏技术 3 2 数字视频压缩编码技术介绍 数字视频技术广泛应用于通信、计算机、j 1 播电视等领域，带来了 会议电视、可视电话及数字电视、媒体存储等一系列应用，促使了许多 视频编码标准的产生。i t u t 与i s o i e c 是制定视频编码标准的两大组 织，i t u t 的标准包括h 2 6 1 、i t 2 6 3 、h 2 6 4 ，主要应用于实时视频通信 领域，如会议电视；m p e g 系列标准是畦ji s o i e c 制定的，主要应用于视 频存储( d v d ) 、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。两个组织也共 同制定了一些标准，h 2 6 2 标准等同于m p e g 一2 的视频编码标准，而最新 的h 2 6 4 标准则被纳入m p e g 一4 的第1 0 部分。如图所示。 。_ _ 。 ： h 2 6 1 ! 回 r 一一i t i j 爵舔蠢渡一j i s o 一酉垛蒜蟊订 图3 1 视频编码发展历程 m p e g 技术作为现今世界统一的影音信息压缩标准，是近l o 年国际 图像压缩编码技术的结晶，也是伴随信息时代应运而生的热门技术。 它本是m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ( 动态图象专家组) 的英文 缩写，这个专家组始建于1 9 8 8 年，专门负责为c d 建立视频和音频标准， 其成员均为视频、音频及系统领域的技术专家。 基1 1 视频流的数字隐藏技术 m p e g l ： 1 9 9 2 年正式发布。是针对具有1 5 m b p s 以下数据传输率 的数字存储或传输媒体的视频及其伴音编码、解码的国际标准，主要用 于在c d r o m 上存储视频和音频信号。图像质量接近于家用录像系统 ( v b s ) 。 m p e g 一2 ： 1 9 9 4 年发布。制定初衷是得到一个针对广播电视质量的 视频信号的压缩标准。但实际上得到是一个更为通用的标准，它能够在 很宽范围内对不同分辨率和不同输出比特率的图像信号进行压缩。主要 用于高画质的动画、d v d 、数字卫星通信及数字电视广播。 m p e g 一4 ：为满足电信、电脑和影视迅速融合所提出的新要求，1 9 9 4 年，m p e g 专家组开始指定m p e g 一4 标准，并于1 9 9 8 年秋发布了m p e g4 视频国际标准草案。该标准主要针对多媒体应用。除了支持更低比特率 和更高编码效率外，它对音频视频数据采用的是针对内容的操作、存取 和传输。 m p e g 一7 ：全称是“多媒体内容描述接口”( m u l t i m e d i ac o n t e n t d e s c r i p t i o ni n t e r f a c e ) ，该标准主要用于确定各种类型的多媒体信息 标准的描述方法。 3 3 视频隐藏技术特点 视频序列基本上可以看成是一系列：匡续的静止图象组，所阻它在隐 藏技术的应用模式和设计方案上与静止图象还是非常类似的。但因其具 有更大的可用载体空间，在时间域上具；阿特殊的压缩特性，以及视频应 用系统本身对实时性等的约束，都要求视频隐藏技术应具备以下几个特 性： 不可察觉性。隐藏在视频中的数据应该不可见或不可察觉； 健壮性。在不明显降低视频质量的条件下，嵌入数据不易除去且可 提取性高： 盲提取。 因为视频文件较大，要求对嵌入数据进行提取时不需要原 基于视频流的数字隐藏技术 始视频。 完整性和相似性。在压缩域中嵌入数据时，不能影响到原视频码流 的i _ f 常解码，原始码流的码率应保持基本不变。 简单性。在压缩域中进行的隐藏嵌入算法应尽可能简单、快捷。 3 4 视频隐藏技术分类 目前，视频中的数据嵌入策略都可分为以下三类( 如图所示) 。 前置式 隐藏 内置式 跑藏 瘊置式 隐藏 压缩 码流 薪置式 提取 内瓮式 提取 前置式 提取 图3 - 2 视频嵌入策略分类 第一类嵌入方案是将数据信息直接嵌入到原始视频图像中，形成含 隐藏数据的视频信息后，再进行视频编码。已有大量的数据嵌入法都是基 于此方案来进行的。在视频数据编码前或完全解码后的静态序列图中， 利用人眼视觉感知模型h v s 或其它基于纹理、区域等技术，使用空域、 变换域隐藏法，将数据嵌入到图像中，再将图像进行编码形成带有隐藏 数据的视频流。 第二类方法是将嵌入过程引入到视频编码器中。这一方案虽然增加 了嵌入算法的局限性，但是由于其通常是通过调制d c t 变换或量化之后 的系数完成信息嵌入过程的，这样可以通过自适应的机制依据人的视觉 特性进行调制，在得到较好的主观视觉质量的同时又能获得较强的鲁棒 性。 第三类方法则把水印信息直接嵌入到视频压缩码流中，其最大的优 点在于不需完全解码和再编码过程，降低隐藏算法的复杂性，因此对整体 基十桃频流的数字隐藏技术 视频信号造成的影响较小。但数据的嵌入必须满足视频系统对视频压缩 妈率的约束，同时嵌入过程可能造成对视频解码系统中运动补偿环路的 不良影响，因此该类算法没计具有一定的复杂度。 本文在下面一节中对现有的这几类方法进行具体的描述和分析。 3 5 视频隐藏技术研究现状 3 5 1 前置式隐藏技术研究 如前所述，前置式隐藏法最大的优点就是可以借鉴已存在的和成熟 的图像隐藏法来进行嵌入操作。如c h a e 和m a n j u n a t h 提出的方法。“， 便是通过将水印或隐藏图像先进行量化，后使用多维网格进行编码，再 根据嵌入图的纹理特征，将编码后隐藏信息嵌入到载体图的d c t 域中。 其实验报告说要嵌入一8 8 d c t 的隐减图像块只需要1 6 个载体视频的 d c t 块。这种方法刁i 仅可以抵抗m p e g 压缩，还能获得比较高的信息隐藏 量。 s w a n s o n 提出了一种多尺度的水印隐藏法“，利用小波变换及 i v s 视觉模型，将数据信息藏入视频静态帧中，来达到隐藏效果。此方法鲁 棒性极高，可抵抗噪声干