（信号与信息处理专业论文）基于运动矢量的视频信息隐藏算法分析.pdf

中文摘要 近年来，随着各种信息隐藏工具软件的出现，利用数字多媒体信息实现隐蔽 通信开始冲击传统的信息安全体系，因此针对信息隐藏的对抗性技术信息隐 藏分析技术正悄然兴起。现有的信息隐藏分析技术研究主要是围绕静止图像隐藏 技术进行，并取得了一些可喜的成果，与之相比针对视频信息隐藏系统的隐藏分 析研究则尚未完全展开。但数字视频具有海量的数据资源，能够为大容量信息隐 藏提供必要的载体空间，因此其针对性的隐藏分析研究必将成为该领域中的一个 热点。 本论文首先对现有公开的基于运动矢量的视频信息隐藏算法进行了全面分 析，侧重其隐藏信息嵌入容量、嵌入信息的安全性以及系统抗检测能力等几个主 要方面。其次，对已有的视频信息隐藏算法在m p e g - 2 平台上进行算法仿真，提 取视频序列中的运动矢量，对其进行隐藏容量和安全性的分析。最后，根据分析 结果本文提出了两种隐藏分析检测方法，一种是采用二次预测编码技术，其核心 是对待测视频码流进行标准解码，并采用通用的帧间运动预测算法对重建后的运 动图像序列进行二次预测编码，通过比较两次预测编码得到的运动信息，利用其 区域运动一致性作为判据判断其运动矢量是否隐藏有特殊信息；另一种方法则是 通过分析半像素运动矢量概率分布的统计规律，检测其是否存在因隐藏嵌入而出 现明显的调制规律。通过大量视频序列仿真测试，充分验证上述隐藏分析算法的 可行性和有效性。 关键词：信息隐藏隐藏分析运动估值运动矢量 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ea p p e a r a n c eo fa l lk i n d so fs t e g a n o g r a p h yt o o l s ，c o v e r t c o m m u n i c a t i o n st h r o u g ht h ed i g i t a lm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nb e g a nt oa f f e c tt h e t r a d i t i o n a li n f o r m a t i o ns e c u r i t ys y s t e m f o rt h ec o n f r o n t a t i o n a lh i d i n gi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y s t e g a n a l y s i st e c h n i q u ei sq u i e t l ya p p e a r i n g n o w , t h er e s e a r c ho fh i d i n g i n f o r m a t i o ni sm a i n l yb a s e do nt h es t a t i ci m a g e sh i d d e nt e c h n o l o g y , a n dh a sr e c e i v e d s o m ee n c o u r a g i n gr e s u l t s c o m p a r i n gw i t ht h et e c h n o l o g yo ft h es t a t i ci m a g e sh i d d e n , t h e r eh a v eb e e ny e ts o m er e s e a r c hs p a c e sf o rv i d e os t e g a n o g r a p h y b u td i g i t a lv i d e o s h a v eh u g ed a t ar e s o u r c e st op r o v i d et h en e c e s s a r yv e c t o rs p a c ef o rt h el a r g ec a p a c i t y h i d i n gi n f o r m a t i o n s oc o r r e s p o n d i n g l yt h es t e g a n a l y s i sw i l ls u r e l yb e c o m eah o ts p o t i nt h ef i e l d f i r s t l yt h i sp a p e rh a sf i n i s h e dt h ec o m p l e t ea n a l y s i sf o ra l g o r i t h m so fv i d e o i n f o r m a t i o nh i d i n ga l g o r i t h m su s i n go nm o t i o nv e c t o r s ，f o c u s i n gt h ee m b e d d e d c a p a c i t yi nt h eh i d i n gi n f o r m a t i o n ，s a f e t yf o rh i d i n gi n f o r m a t i o n ，a n da n t i - d e t e c t i o n c a p a b i l i t i e sf o rs y s t e m ，a n ds e v e r a lo t h e rk e ya r e a s s e c o n d l y , i ts i m u l a t e st h e a l g o r i t h m so nt h em p e g - 2s y s t e mf o rv i d e oi n f o r m a t i o nh i d i n ga l g o r i t h m s ，e x t r a c t s t h em o t i o nv e c t o r sf r o mt h ev i d e os e q u e n c e ，a n da n a l y z e st h e i rc a p a c i t ya n ds a f e t y f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt w os t e g a n a l y s i sm e t h o d s ； t h ec o r eo fo n em e t h o di st h et e c h n o l o g yo fs e c o n d a r yp r e d i c t i v ec o d i n g i ti s d e c o d i n gt h ev i d e os t r e a ms t a n d a r d l y , a n dp r e d i c t i o nc o d i n gs e c o n d l yf o r t h e r e c o n s t r u c t i o n e df r a m es e q u e n c e su s i n gc o n l r n o ni n t e r - f r a m em o v i n gp r e d i c t i o n a l g o r i t h m s c o m p a r i n gw i t ht h et w or e s u l t s ，w oc a nj u d g et h e r ei sw e t h e ro rn o th i d i n g i n f o r m a t i o ni nt h ev i d e ob yt h ec o n s i s t e n c yi nt h em o t i o na r e a s t h eo t h e rm e t h o di s t h r o u g ha n a l y s z i n gt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h em o t i o nv e c t o r st od e t e r m i n e w h e t h e rt h e r ei si n f o r m a t i o ne m b e d d e d t h r o u g ht hh u g ev i d e os e q u e n c e ss i m u l a t i o n t e s t i n g ，i tf u l l yv e r i f y t h ea b o v ea n a l y s i s h i d i n ga l g o r i t h m sf e a s i b i l i t y a n d e f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o nh i d i n g ，s t e g a n a l y s i s ，m o t i o ne s t i m a t i o n , m o t i o n v e c t o r 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，也不包含为获得叁盗盘堂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： 硼年月细日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕洼盘堂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) 学位论文作者签名：昊竹 签字日期：) 叻g 年月，o 日 导师签名： 签字日期：沁豸啤6 月0 同 第一章前言 1 1 论文背景 第一章前言 随着信息产业的发展，网络及多媒体技术已经进入千家万户，人们在享受网 络经济为之创造的种种便利的同时，也开始触及到因网络普及而带来的信息安全 问题。上世纪九十年代中期，数字化信息隐藏技术开始兴起，它能够实现一种特 殊的隐蔽通信方式，通信双方可以用普通的数字媒体信息作为载体，采用嵌入算 法将秘密信息隐藏其中，从而实现利用公开信道实现隐蔽通信的目的。随着一些 信息隐藏软件在网络上公开发布，使得信息隐藏技术的使用得到广泛普及，而由 此所引发的信息安全和网络管理问题日趋严重。特别是美国“9 1 1 ”事件后，关 于国际恐怖分子采用信息隐藏技术进行秘密通信的报道，使得信息隐藏技术的应 用成为关系到国家和社会安全的重大问题，因此学术界和国家相关部门相继投入 大量人力财力，加强信息隐藏对抗技术研究，试图在技术上实现对该技术的有效 管理和监控。现有的信息隐藏分析技术研究主要是围绕静止图像隐藏技术进行， 并取得了一些可喜的成果，与之相比针对视频信息隐藏系统的隐藏分析研究则尚 未完全展开。由于视频中的运动矢量有其自身的特点，因此，本文针对这种特点 进行了相关测试和隐藏分析。 1 2 本文的工作 本论文主要做了如下工作： 对现有公开的基于运动矢量的视频信息隐藏算法进行了全面分析，并在 m p e g 2 平台上进行算法的仿真。 从视频序列中提取运动矢量，对其进行隐藏信息嵌入容量、嵌入信息的安全 性以及系统抗检测能力的分析。 根据分析结果本文提出了两种隐藏分析检测方法，h p - - 次运动估值编码技术 和对效应检测算法。前者采用通用的帧间运动预测算法对重建后的运动图像序列 进行运动特性分析。通过对比两次编码中宏块的运动一致区域来判断是否有隐藏 信息。后者通过分析半像素运动矢量概率分布的统计规律来判断是否有信息嵌 入，经过对大量序列进行测试，分析统计了不同序列的半像素运动矢量概率分布， 第一章前言 从而验证了该方法的可行性。 1 3 论文的结构安排 本文总共分为六章： 第一章：前言。简要介绍了论文的研究背景以及结构安排。 第二章：信息隐藏技术。从数字水印系统的框架模型，基本特性，应用和发 展等方面全面介绍了信息隐藏技术，最后简单介绍了数字水印技术的分类。 第三章：视频信息隐藏技术。这一章首先介绍了视频信息隐藏自身的特点， 然后着重介绍了视频信息隐藏技术的原理，应用以及分类。最后简单概述了视频 信息隐藏技术的发展趋势。 第四章：基于运动矢量的隐藏算法介绍及分析。本章节首先介绍了m p e g 2 中的运动预测编码技术以及基于运动矢量的视频信息隐藏技术的特点，然后对现 有的基于运动矢量的隐藏算法进行了仿真，最后根据得到的仿真结果从隐藏容量 以及隐藏安全性进行分析。 第五章：检测算法设计及分析。在本章中提出了两种隐藏分析方法：二次运 动估值编码技术和对效应检测算法。通过对大量序列进行测试，验证了两种算法 的有效性和可行性。 第六章：结束语。总结本文工作。 第二章信息隐藏技术 第二章信息隐藏技术 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中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 u j 。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。信息隐藏技术是近年来信息安全领域发展起来的一个新 的研究热点。 2 1 信息隐藏 随着信息技术的飞速发展，信息安全的含义已经扩展为信息保障，它包括了 保护、检测、反应和恢复等具体内容。面对需求不同的信息安全保护体系，信息 隐藏技术正逐步摆脱“配角”的地位，例如数字产品版权保护技术，版权拥有者 希望的是将一定的版权信息以密码形式嵌入到媒体信息中，这时嵌入密码信息的 安全性固然重要，然而版权拥有者更关心嵌入的信息是否能够始终保存在媒体信 息产品中，而不易被破坏者利用信号处理等手段任意删除，实现版权标注的目的， 这使得信息隐藏技术走向实际应用的“主角”的位置，因为在这类应用中秘密信 息的存在更具有重要意义【2 】。再如利用脆弱性水印技术进行信息产品的完整性认 证，同样是依赖嵌入信息的存在和完整与否来认证信息产品的完整性和真实性。 正是这些独特的实际应用体系出现，推动了原有信息隐藏和加密技术之间的关系 转化，但信息隐藏与密码技术始终保持着密不可分的关系。在实际应用过程中， 数字隐藏技术往往是在密码加密的基础上，对已形成的密码流进行数字伪装，从 而进一步提高秘密信息的安全可靠性。 2 2 数字水印系统的框架模型 通用水印系统框架可定义为一个六元系统( x ，w ，k ，g ，e ，d ) ，其中各 第二章信息隐藏技术 字母含义如下【3 】： ( 1 ) x 代表所要保护的多媒体数字产品( 图像、文档、音频和视频等) 的集合。 ( 2 ) w 代表所有可能的水印信息的集合。 ( 3 )k 代表标识码( i d ) 的集合，它往往被称为水印密钥。 ( 4 )g 代表利用密钥k 与被保护的数字产品x 生成水印信息w 的算法， 即 g ：x k 专w ，w = g x ，k )( 1 1 ) ( 5 ) e 代表将水印信息w 嵌入到数字产品x o 中的嵌入算法，即 e ：x x w 专x ，“= e ( x o ，w )( 1 2 ) 式( 1 5 2 ) 中，x o 代表原始的数字产品，x w 代表嵌入水印后的数字产品。 ( 6 ) d 代表水印检测算法，即 d ：x x k 一 o ，1 ) 叩卅= ：；，等奎有形 ( 1 3 ) 根据上述水印系统框架模型，整个数字水印系统由水印信息生成、水印信息 嵌入、水印信息检测等几个算法模块组成。首先引入密钥k ，利用水印信息生成 算法g 构造水印信息，实现水印信息的安全保护；其次通过嵌入算法e 将水印信 息嵌入到数字产品中；最后通过水印信息检测算法d 来提取水印信息，并检验提 取的水印信息是否与原始水印信息相符，从而判断数字产品中是否含有水印信息 1 4 。从水印信息在应用系统中的作用来看，可以将的数字水印分为鲁棒性水印 ( r o b u s tw a t e r m a r k ) 和脆弱性水印( f r a g i l ew a t e r m a r k ) 两大类，其中鲁棒性水 印主要用于防止盗版，而脆弱性水印则主要用于防止篡改。 2 3 数字水印系统的基本特性 一、基本定义 ( 1 )感知相似性 设数字产品x ，y e x ，则符号x y 表示x 和y 具有相同的感知形式，而符 号x 巾y 则表示x 和y 是完全不同的数字产品，或y 是相对于x 质量下降的数 字产品。 第二章信息隐藏技术 ( 2 )水印等价性 若水印w l 和、2 满足d ( x ，w 1 ) - - i j d ( x ，w 2 ) = l ，则称水印w l 和w 2 是等价的， 记为：w l 皇w 2 ；若水印w l 和w 2 不等价，则记为：w l ：g w 2 。 二、 数字水印系统的基本要求 数字水印系统必须满足一些特定的条件才能使其在数字产品版权保护和完 整性鉴定方面成为值得信赖的应用体系。一个安全可靠的水印系统一般应满足如 下要求5 】： ( 1 )感知不易察觉性：水印的嵌入不能引起宿主媒体质量的明显变化， 嵌入水印后的产品必须感知相似于原始产品，即x w ) ( 0 。 ( 2 )密钥唯一性：不同的密钥应产生不等价的水印，即对于任何产品x x 和w i _ g ( x ，k i ) ，i = l ，2 ，必须满足k l k 2 j w l 挈w 2 。 ( 3 ) 水印有效性：在水印算法中只能采用有效的水印，对于特定的产品 x e x ，当且仅当k k 使得g ( x ，k ) = w ，则称水印w 是有效的。 ( 4 ) 不可逆性：函数w = g ( x ，k ) 最好为不可逆函数，即k 不能根据w 和 函数g 逆推出来。不满射的函数g 直接满足该条件，但这在水印算法中并不是 必要条件，在实际应用中，不可逆意味着对于任何有效水印信号w ，很难找到 其它的有效水印与之等价。 ( 5 ) 产品依赖性：在相同的密钥条件下，当g 算子用于不同的产品时， 应该产生不同的水印信号，即对于任何特定的密钥k e k 和任何x l ，x 2 e x ，满足 x 1 啼x 2 w 1 挚w 2 。 ( 6 )鲁棒性：这是对鲁棒性水印系统而言的。设x o 为原始的数字产品， x w 为嵌入水印后的数字产品并且满足d ( x w ，= 1 ，设m 为一多媒体操作算子， 则对于任何y x w ，y = m ( x w ) ，必须满足d ( yw ) = 1 。 ( 7 ) 脆弱性：这是对脆弱性水印系统而言的。设x o 为原始的数字产品， x w 为嵌入水印后的数字产品并且满足d ( x w ，= 1 ，设m 为数字产品供应者所不 允许的多媒体篡改操作算子，则对于任何y = m ( x w ) ，必须满足d ( y , w ) - - 0 。 ( 8 ) 检测可靠性：水印检测器应具有较小的虚警率和漏报率。虚警率是 指数字产品中含有水印，检测器却认为不含有水印的概率；漏报率是指数字产品 中不存在水印，检测器却认为存在水印的概率。 ( 9 ) 系统安全性：水印系统应具有很强的抗非法破解能力，以避免攻击 者破译水印系统后非法复制、伪造水印产品。数字水印系统一般借助密码技术， 依靠算法的密钥来保证系统的安全性。 ( 1 0 ) 计算高效性：水印算法应该易于用软硬件实现，尤其是水印检测算 法必须运行迅捷，以满足在网络环境中对多媒体数据进行快速处理的需要。 第二章信息隐藏技术 在上述性能要求中，鲁棒性是要求水印系统能够抵抗各种信号处理过程和恶 意攻击，即在经历多种无意或有意的信号处理过程以及攻击者的恶意破坏后，含 有水印的媒体信息在产生一定失真的情况下，仍能保持水印的完整性和检测的准 确性。通常的信号处理过程主要包括：对图像进行a d 和d a 转换、再取样、 再量化、低通滤波、中值滤波、直方图均衡、图像锐化、有损压缩，以及对图像 进行剪切、平移、缩放和旋转等一般几何操作；对音频信号低频放大；对文档进 行格式转换等。攻击者对数字水印的破坏则是试图去除媒体中的水印信息或使水 印检测器不能正常工作，他可能通过将上述各种信号处理过程进行简单叠加来达 到目的，也可能根据具体的水印算法实施针对性攻击。 与鲁棒性水印相比，脆弱性水印则主要强调水印信息对篡改的敏感性，即含 有水印的媒体产品被攻击者更改后，其中的水印信息也要发生相应的改变，从而 可以根据水印的变化来判断出媒体产品已被更改。脆弱性水印对篡改的敏感程度 一般由实际应用系统来确定，不同的应用系统对水印的敏感性要求也不尽相同。 有些应用系统要求水印对媒体信息的任何轻微改动都要做出反应，这一类的脆弱 性水印被称为全脆弱性水印( c o m p l e t ef r a g i l ew a t e r m a r k ) ；有些则只要求水印对 媒体信息所经受的恶意篡改做出反应，而对一些常见的信号处理过程具有鲁棒 性，这一类的脆弱性水印被称为半脆弱性水印( s e m i f r a g i l ew a t e r m a r k ) 【6 j 。脆 弱性水印主要用于媒体产品的完整性认证。在多数应用环境中，需要根据数字产 品损害的性质或程度来决定是否需要重新传送原始产品，因此，脆弱性水印系统 的认证检测结果通常还应指示出数字产品被篡改的位置或估测出数字产品遭受 了何种性质的更改。 2 4 数字水印技术的应用 随着数字化进程的加快，信息安全与版权保护问题成为信息时代发展的一个 关键性问题，同时也正是这些迫切的应用才使得信息隐藏技术揭开其神秘面纱， 以数字水印技术的形式走进我们的数字世界。虽然数字水印最初是以一种新兴的 数字产品版权保护技术为世人所关注，但随着研究的深入，其应用正逐步渗透到 信息安全的各个领域。当前它涉及的基本应用领域主要包括： 版权保护( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) 隐含标识( h i d d e na n n o t a t i o n ) 认 证( a u t h e n t i c a t i o n ) 隐蔽通信( s e c u r ea n di n v i s i b l ec o m m u n i c a t i o n ) 第二章信息隐藏技术 2 4 1 版权保护 版权保护应包括所有者识别( o w n e ri d e n t i f i c a t i o n ) 和版权证明( p r o o fo f o w n e r s h i p ) 两个问题。在所有者识别方面，传统的方法是通过在媒体信息的空白 或附属部分进行所有者标注，例如在书的开始或电影的结尾以及音乐制品包装上 的标注。这些标注都很容易被删除或抹去。而数字水印则提供了一种更为完善的 标注方法，标注信息将作为媒体产品的一部分被嵌入其中，很难被删除。d i g i m a r c 公司推出了其数字水印版权系统，并将水印嵌入和水印检测控件内植入a d o b e 公 司最流行的图像处理软件p h o t o s h o p 之中，检测者可以通过检测媒体产品中的水 印版权信息，在该公司中心数据库中确定版权所有者【_ ”。 对于版权证明，由于数字水印技术具有将人感知无法察觉的特殊信息嵌入到 媒体产品中的功能，并对某些信息处理和恶意攻击具有鲁棒性，可以达到标识数 字产品版权和用户授权等信息的目的，众多研究者都希望能够利用相应的水印检 测系统提取版权信息，从而作为法庭控诉非法侵权盗版的有力证据。 2 4 2 隐含标志 隐含标识应用与版权保护应用相类似，只是在嵌入信息内容、使用方法和需 要抗击的处理和攻击方面有所不同。其具体应用形式包括复制控制、数字指纹以 及播放监控等等l s j 。 复制控制( c o p yc o n t r 0 1 ) 是数字水印技术中较为成功的一个应用领域，由 于数字水印信息能与媒体信息紧密结合为一体，利用其进行控制信息的传递，并 与硬件控制系统协作，完成对媒体信息的特定操作。 数字指纹技术( d i g i t a lf i n g e r p r i n t i n g ) 与其它数字水印技术不同之处在于其嵌 入信息并不是同一内容产品采用统一的水印信息，其应用主要体现在数字产品的 销售跟踪。例如，在加密的卫星广播中，发送给授权用户们一组用于解密视频流 的密钥，并且电视台能在每个传输包中插入指纹比特来检测非授权用户的使用情 况。如果一组用户把它们的密钥子集分给其它非授权用户，以至于他们也能解密 视频流数据，那么一旦捕获到非授权解码者，就至少能追踪到一个密钥提供者。 目前，将数字指纹作为水印嵌入到媒体产品中来追踪盗版者的策略正被逐步引入 到视频点播v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 系统中。 播放监控( b r o a d c a s tm o n i t o r i n g ) 具有多方面的应用需求，广告商关心其广告 是否真正在黄金时段播出；音乐家和艺术家则想知道他们在广播上能够得到的收 入的准确性；而版权所有者则希望知道其版权产品是否被其它人侵权非法播放。 第二章信息隐藏技术 可以利用数字水印技术在媒体节目播放前，为每个视频或音频片段嵌入独特的标 识信息，利用监控台对其进行实时自动监控检测，确定相应媒体产品播出的数量 或时间。基于这一设计思想的商业实用系统已使用了多年。 2 4 3 认证 数字水印技术的另一重要应用领域是数字多媒体信息产品的完整性、真实性 认证系统【9 】。由于数字化媒体信息所具有的易操作性，这给数字媒体的编辑和修 改带来方便，现在电影中大量数字特技镜头的出现正是得益于此。而一些个人或 团体为了某种目的，在没有得到作品所有者许可的条件下擅自篡改媒体信息的内 容。如果被篡改的是涉及政府机要、司法诉讼、历史文档等具有特殊意义的信息， 这种篡改式的恶意攻击必然将导致重大经济损失和造成不良的社会影响。因此媒 体信息的完整性、真实性认证系统对于这类信息具有特殊意义。 2 4 4 隐蔽通信 隐蔽通信是数字水印技术( 更为精确地是指信息隐藏技术) 最早的用途。当 今通信和获取信息的手段趋于多样化，尤其是对于覆盖全球1 5 0 多个国家和地区 的互联网，每天传输的信息流量呈爆炸性的增长。利用网上的媒体信息如数字图 像、数字音视频等进行秘密信息传递将是一种经济简单、安全快捷的传递手段。 同时由于在实际应用中使用密码通信具有一定的局限性，因此利用信息隐藏手段 进行安全信息通信是一个较好的替代技术【lo 】。如果嵌入的信息仅是一封情书，这 一技术只是个人应用的小娱乐软件，但当其中嵌入的是商业信息或数字化军事情 报，则成为一种涉及商业机密和国家安全的间谍工具。所以关于信息隐藏和数字 水印技术的发展始终受到国家安全部门的关注。 2 5 数字水印技术的分类 今天数字水印技术已经涉及到多媒体信息的各个方面，按照其媒质载体的不 同可以分为静止图像水印，视频水印，音频水印，文档水印等掣。 静止图像数字水印技术 静止数字图像是多媒体信息中重要的一类，至今仍是互联网络中传递最频繁 的一种信息模式，因此静止图像是数字水印技术最容易联想到的应用领域。另一 方面，静止图像也是信息处理领域中一个普遍的研究对象，所以在该领域的研究 人员更自然的选择静止图像水印技术作为研究的出发点和重点。在现在可查阅的 第二章信息隐藏技术 有关水印技术的文献中，涉及静止图像水印技术约占9 0 以上，静止图像水印技 术始终在整个水印技术研究领域中占突出地位。 一数字视频水印技术 虽然静止图像水印技术始终是数字水印技术研究的主流，但更为各大电子厂 商所关注的却是视频水印技术的发展，因为以数字视频水印技术为重要组成的视 听产品版权保护体系，将涉及价值数以万亿的数字视听产品市场的发展。受这一 巨大的经济利益驱动，吸引了众多研究机构的参与，数字视频水印技术正快速的 由基本技术研究走向成熟的实际应用开发，而相应的工业技术标准也得到了测试 成型阶段。 - 其它多媒体数字水印技术 数字音频水印技术 与数字图像和数字视频信号比较，音频信号在单位时间采样数据量较少，同 时人类听觉感知系统( h a s ) 较视觉感知系统( h v s ) 敏感性更高，因此其水印 算法设计更具难度。b e n d e r 等人提出了多种应用于音频的数字水印算法，其中 包括低比特位编码算法( l o w b i tc o d i n g ) ，相位编码算法( p h a s ec o d i n g ) ，扩频 水印算法( s p r e a ds p e c t r u m ) 以及回波数据隐藏算法( e c h od a t ah i d i n g ) 。低比特 位编码算法类似于图像水印技术中的l s b 算法，通过调整音频数据的低比特位 来实现水印信息嵌入；而相位编码算法则是利用人听觉系统( h a s ) 对音频相位 失真不敏感的特性，将水印信息嵌入到经傅利叶变换的音频信号的相位空间；扩 频水印算法将经过直接扩频技术处理的水印信息嵌入到音频的载波信号中，并利 用一定的控制机制使引入的噪声不易被察觉；回波数据隐藏算法通过引入一个回 波将水印信息嵌入音频信号中，而水印信息则利用回波的三个参数( 初始幅度， 衰减率，偏移量) 来进行隐藏表示。s w a n s o n 等人提出的一种利用听觉感知掩盖 效应的音频鲁棒性水印算法，该算法充分利用了人类听觉感知系统在时间域和频 率域的不同特性，将音频信号分割成一个个片段，通过自适应滤波使水印信息针 对其嵌入音频片断具有自适应能力，在满足听觉不易感知的条件下，嵌入具有最 大能量的水印信息，以此来增强水印信息的鲁棒性。另一方面，算法引入双密钥 技术解决版权声明中的“死锁”问题。 数字文档水印技术 现在的文档水印技术已经有别于古代的藏头诗，并非将秘密信息隐藏于文字 内容之间，而是将信息隐藏于文档格式之内。这是由于所有文档编辑和排版系统 对文字信息采取精确录入和编辑，一个字母对应一个特定的a s c 码，对其进行 调整就意味着修改文档内容，因此数字水印技术只能用于那些具有一定图像特性 的文档媒体之中，例如扫描后的文档图像。 第二章信息隐藏技术 其它水印技术 数字水印技术，实际上是提出了一种应用技术模式利用媒体信息之中存 在的冗余空间传递特殊信息的技术。针对其他特殊的媒体信息，只要符合数字水 印技术的必要条件，并结合实际应用需求，就会出现新的应用点，如用于3 d 模 型数据，用于v l s i 设计过程中的知识产权保护等等不同应用领域。随着水印技 术的发展，有许多具有不同研究背景的学者投身到这一跨学科的研究领域中，一 些先进信号处理技术以及密码设计思想被引入，如分形变换，混沌理论，矢量量 化编码，模型基编码技术，以及面向对象的设计思想，而不同的研究介入点就可 能带来不同的技术突破，新的具有独特创意的应用体系也会随之出现，这正是该 项技术研究魅力之所在。 第三章视频信息隐藏技术 第三章视频信息隐藏技术 现有的信息隐藏分析技术研究主要是围绕静止图像隐藏技术进行，并取得了 一些可喜的成果，与之相比针对视频信息隐藏系统的隐藏分析研究则尚未完全展 开。这一方面是因为还未有较成熟的视频隐藏软件公开出现；其次，视频信息隐 藏及其分析技术需要具备视频编解码系统的研究背景；最后，由于基于数字视频 资源的信息隐藏技术能够实现较大容量信息的隐蔽通信，其研究始终受到相关部 门的影响，从而在一定程度上限制了相关研究的公开报道。但是，随着宽带网络 的普及和流媒体技术的发展，数字音视频资源正逐步取代文字和静止图像成为网 络信息资源的主流，而刚刚兴起的i p t v ，又使得音视频资源网络传递方式将替 代固体介质载体传递方式( 如d v d ) ，成为未来消费类音视频多媒体信息产品的 重要模式【l2 1 。这些海量的信息资源为基于信息隐藏的隐蔽通信提供了必要的通信 环境，因此基于视频媒体的信息隐藏技术必将成为信息隐藏研究领域的研究重 点，而与之相对应的视频信息隐藏对抗技术研究也将成为各方关注的焦点。 3 1 视频信息隐藏的特点 虽然视频序列可以被视为一帧帧静止图像的顺序组合，但由于视频信息与静 止图像在隐藏算法设计等诸多方面存在一定的差异，很难将静止图像信息隐藏分 析的方法直接引入到视频隐藏检测中，主要体现在以下几个方面【l 3 】： 1 绝对大的隐藏容量。由于视频资源自身的数据量要远远大于静止图像的数 据量，因此它所体现出来的绝对隐藏容量也很大，一个d v d 文件可以隐藏 约1 0 兆比特的隐藏信息，而一幅图像其信息隐藏量往往仅有几千比特。这 些海量数据为视频信息隐藏提供了一个稳定的数据载体，这也是基于视频 信息隐藏的隐蔽通信的最大诱人之处。 2 相对小的嵌入比率。视频绝对大的嵌入容量往往使人忽略其相对小的嵌入 比率，视频信息隐藏的嵌入率一般最多只有1 左右，远小于静止图像的数 据嵌入率。这是由于视频信息必须引入高压缩比的视频压缩编码技术，使 之形成压缩码流才能够进行有效存储，而这些压缩编码技术在最大限度消 除视频序列图像中冗余信息的同时，也压缩了隐藏信息的生存空间，从而 导致视频信息隐藏的嵌入率远远小于静止图像隐藏技术。这使得嵌入的秘 第三章视频信息隐藏技术 密信息以极低的密度分散在较大的视频码流中，也进一步增强了视频信息 隐藏分析的难度。 3 对视频编解码系统的强依赖性。较为成熟的视频信息隐藏算法往往对视频 编码系统具有较高的依赖性，甚至完全融入编解码系统之中。这是由于如 果隐藏算法游离于这些视频编码系统之外，那么视频有损压缩编码过程就 成为这些隐藏系统必须能够抗击的一种特殊攻击模式。例如一些将视频序 列作为一幅幅静止图像进行隐藏处理的空间域信息隐藏技术，在高压缩编 码条件下，往往会产生大量的检测错误，必须采用信道编码和扩频等手段 来提高隐藏信息检测的正确率，这将是以大幅度缩减实际数据隐藏量为代 价。 4 序列图像存在时间域相关特性。在静止图像隐藏分析算法中多数利用图像 的空间域和变换域相关特性进行统计分析，而视频信息隐藏系统往往因为 高压缩算法的引入使得这些相关特性消失殆尽，但视频系统又存在其独有 的时间域相关特性，而一般单向的压缩编码流程使得隐藏算法很难估计时 间域特性的变化，这为视频信息隐藏分析提供了一个有力的工具1 1 4 。 正是由于上述差异的存在，使得视频信息隐藏分析在吸取静止图像隐藏分析 算法设计思想的同时，必须还要另辟蹊径。首先，要依据自身载体信息特性和对 应隐藏算法的设计特点，进行针对性统计分析；其次，利用视频图像的各种相关 特性，建立多种预测分析模型，从多角度考察隐藏嵌入对载体信息的影响；最后， 充分利用视频信息隐藏对视频系统的依赖性，针对视频中可以引入隐藏调制的嵌 入点进行综合分析，从而形成一套完整视频信息隐藏分析系统。 3 2 视频信息隐藏技术的原理 视频信息隐藏就是加载在数字视频上的信息隐藏技术，它利用视频数据中普 遍存在的冗余数据和随机性把表征版权的信息嵌入到原始视频数据中，从而保护 数字产品版权或完整性，确保版权所有者的合法权益。 一个完整的视频信息隐藏系统应包含三个基本部分：信息的生成、嵌入和信 息的提取或检测。信息嵌入算法利用对称密钥或公开密钥实现把信息嵌入到原始 载体信息中，得到隐秘载体。检n 提取算法利用相应的密钥从隐蔽载体中检测 或恢复出隐藏信息，没有解密密钥，攻击者很难从隐秘载体中发现和修改信息。 视频信息的嵌入和提取框图如图3 1 所示【l 卯。 第三章视频信息隐藏技术 图3 1 隐藏信息的嵌入提取过程 3 3 视频隐藏算法的分类 在视频信息隐藏技术的分类方式上可以是多种多样的，既可以从隐藏算法所 针对的视频压缩编码系统不同而分类，也可以从隐藏信息嵌入方式进行分类【1 6 】。 考虑到信息隐藏技术必须与视频压缩编码系统相结合才能实现其应用价值，因此 我们根据信息隐藏算法与数字视频编码系统的结合方式不同，可将数字视频信息 隐藏技术大致分为三类不同的嵌入设计策略：前置式嵌入策略、内置式嵌入策略、 后置式嵌入策略；三种不同的提取设计策略：前置式提取策略、内置式提取策略、 后置式提取策略。图3 2 以应用于m p e g 2 系统的视频信息隐藏技术为例示意性 描述了不同嵌入和提取策略与视频编解码系统的关系【1 7 】。 该豹勃搦篪端黟 = ；m p e g 。2 压 码 彳搦嬲戮朔隔 卵e g 2 前置嵌入内置嵌入后置嵌入前置提取内置提取后置提取 图3 - 2 基于m p e g 一2 系统的视频数字隐藏嵌入和提取方案 流 三种不同的嵌入策略由于与视频编解码系统的结合程度和衔接顺序的不同， 导致其算法设计约束性、系统实现复杂度、系统安全性以及抗攻击能力等多方面 第三章视频信息隐藏技术 都存在一定差异。而隐藏信息提取方案往往依据隐藏嵌入方案而进行相应设计， 前置提取策略一般对应于后置式嵌入策略，是通过对视频压缩码流进行分析，从 中提取隐藏信息；内置提取策略则对应于内置式嵌入策略，通过视频码流的部分 解码信息进行隐藏信息提取；而后置提取策略则是从重建视频图像序列信息中完 成信息提取和鉴别。 3 3 1 前置式视频隐藏算法简介 前置式视频隐藏嵌入技术是将视频作为一组原始图像序列，将秘密信息直接 嵌入到每一帧图像中，形成含有秘密信息的视频序列，然后由相应的视频压缩编 码系统进行编码。这类算法多来自较为成熟的静止图像隐藏技术，按照秘密信息 嵌入过程不同大体可分为两类方案：一类是利用空间域图像自身特性在空间域完 成秘密信息嵌入的直接嵌入方案【l9 】；另一类则是将图像经一定变换过程，在变换 域进行秘密信息嵌入，再经反变换回到空间域图像的间接嵌入方案。两者相比， 第一类更为直接，通常嵌入算法实现复杂度也较低；而第二类方案可以更充分地 利用人眼视觉特性完成秘密信息嵌入，使嵌入的秘密信息更具抗攻击能力，但由 于整个嵌入过程中存在变换和反变换运算，使整体算法实现复杂度加大，影响隐 藏嵌入算法的具体实现【2 0 1 。因此这类算法更多地面向软件实现的多媒体视频系统 或未来新的视频编码系统。 综合分析这类算法可以看出，在感知安全性方面，这类隐藏算法可由嵌入强 度自适应控制机制，来保证隐藏信息达到感知不易察觉；而其最大问题在于完整 传输与隐藏容量之间的矛盾，由于其后的有损压缩编码具有一定的不可知性( 例 如码率约束、质量约束等) ，会对隐藏信息带来部分损失，要保证信息的准确传 递就必须加大隐藏数据的冗余，这只能以牺牲实际隐藏容量为代价。因此，隐藏 容量小将是这种算法实用化的主要障碍。 从隐藏分析角度看，水印图像的构成模式将是进行隐藏检测分析的一个突破 口。现有的嵌入信息图像构成模式大致可以分为两类，一种是各帧嵌入相同的水 印信息图像，另一种则是各帧嵌入不同的水印信息图像。数字水印应用多采用第 一种，而作为隐蔽通信应用，为了实现一定的隐藏容量，更倾向采用第二种方法。 但由于视频图像具有较强的相邻帧相关性，而相邻帧嵌入不同的信息极易暴露其 存在，因此必须引入更为精密的自适应控制策略来掩盖这种差异，否则检测方可 以根据相邻帧相近区域的变化检测出是否有信息嵌入。 3 3 2 内置式视频隐藏算法简介 内置式视频隐藏技术是指隐藏嵌入算法与视频编码系统相结合，并内嵌于视 第三章视频信息隐藏技术 频压缩编码器之中。与前置式视频隐藏算法相比，内置式视频隐藏算法对特定的 视频编码系统具有依赖性，其优点在于可以更为精确地控制嵌入信息调制，对编 码过程中码流变化等影响水印信息嵌入的因素进行及时分析，并可利用相应控制 机制做出反应；同时一般视频压缩编码系统均考虑到视觉冗余特性的利用，隐藏 算法也可以充分利用这些人眼视觉特性实现信息的嵌入【2 。但这一依赖性也给具 体隐藏算法设计带来局限性，例如隐藏算法大多只能采取与视频压缩编码算法相 一致的技术，在以d c t 变换为核心的m p e g 编码系统中就很难引入小波等其它变 换技术。 对于内置式隐藏嵌入技术，由于其隐藏嵌入算法与视频压缩编码算法基本整 合，因此在嵌入过程中能够主动利用编码过程中产生的各种信息，对水印信息嵌 入进行实时动态调控，这是内置式隐藏算法的最大特点和优势。同时，在视频压 缩编码过程中产生的其它多种编码特征数据也可以用来控制信息的嵌入或者用 以传递隐藏信息。另外，信息嵌入点选择的多样性也是内置式隐藏系统的一个特 点【2 2 1 。以m p e g 2 视频压缩编码系统为例，我们按内置式视频隐藏嵌入点选择不 同分为以下6 类( 见图3 3 ) ： ( 1 ) 原始数据 ( 2 ) d c t 变换系数 ( 3 ) 量化后的d c t 变换系数 ( 4 ) 运动矢量 ( 5 ) v l c 数据码流 ( 6 ) 其它 图3 - 3m p e g 一2 编码系统中水印嵌入点示意图 第三章视频信息隐藏技术 1 原始数据 其基本算法与前置式隐藏算法相类似，只是能够利用m p e g 2 编码器中的部 分信息对信息嵌入进行调型2 3 1 。这一设计方法虽然可以在一定程度上提高信息嵌 入调制的自适应能力，但由于隐藏嵌入算法介入到视频编码系统之中，与前置式 隐藏算法相比，增加了整体隐藏嵌入算法实现的复杂度，优劣相抵，这种设计方 案并无很大的优势，因此较少被人采用。 2 d c t 系数 这类算法往往是空间域间接嵌入方法的一种演变，将隐藏信息经d c t 变换 后与视频信息在d c t 域进行嵌入调制，这便于利用d c t 域人眼视觉特性对水印 信息进行自适应调控，可以在满足视觉不易察觉特性的前提下，使得嵌入信息有 更多能量嵌入。 3 量化后的d c t 系数 选择量化后的d c t 数据作为水印信息的载体，实际上这一选择跳过了对视频 数据造成损坏的最重要过程非线性量化过程，使得算法本身就具有适应有损 压缩编码的能力，能够实现嵌入数据的有效传输；同时，由于直接在d c t 域进行 选择性嵌入【2 4 1 ，可以直接利用视觉特性来控制信