基于視覺特性的隱秘通信系統(tǒng)

摘要：針對(duì)目前開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息安全問題，文章以視頻數(shù)字水印研究為基礎(chǔ)，利用人體視覺對(duì)快速運(yùn)動(dòng)物體與圖像復(fù)雜紋理不很敏感的特征，通過視頻編碼過程中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)矢量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像運(yùn)動(dòng)塊的快速分類，然后根據(jù)分類的結(jié)果，有選擇地將隱秘信息數(shù)據(jù)包嵌入到視頻圖像的QDCT的中高頻AC系數(shù)中。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)傳輸隱秘信息具有較強(qiáng)的偽裝性與實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：隱秘通信；視頻水印；運(yùn)動(dòng)對(duì)象

0 引言
    隨著信息時(shí)代的到來，在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全問題也日益顯露出來。為了提高通信數(shù)據(jù)的安全性，傳統(tǒng)的方法是先將用戶數(shù)據(jù)加密生成密文，然后再傳輸加密后的密文，以使非法用戶難以從密文中獲取真實(shí)有用的信息，從而實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的安全傳輸。如在文獻(xiàn)中，其將需要傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)先進(jìn)行混沌加密，然后通過密鑰同步方案，用戶數(shù)據(jù)被加密后的數(shù)據(jù)經(jīng)TCP協(xié)議傳輸。該方法的安全性主要體現(xiàn)在密鑰與算法的安全性。在文獻(xiàn)中，將需要通信的用戶數(shù)據(jù)通過數(shù)字水印的方式直接嵌入到音頻載體中，較好地實(shí)現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)的隱秘通信。但其也存在以下不足：首先，人體聽覺系統(tǒng)對(duì)聲音變化較為敏感，從而增加了水印嵌入的難度；其次，目前在音頻數(shù)據(jù)中嵌入數(shù)字水印的方法，基本上是采用基于分塊的數(shù)據(jù)變換的方法，其勢(shì)必會(huì)增加通信的延遲；第三，現(xiàn)有的音頻降噪濾波技術(shù)，很容易將嵌入的隱秘信息當(dāng)作噪聲數(shù)據(jù)而濾掉，從而使該隱秘通信失效；第四，一般用于通信的語音數(shù)據(jù)本身數(shù)據(jù)量不大，從而就決定了在語音宿主載體中不可能嵌入太多的隱秘信息。相對(duì)于其它載體，視頻節(jié)目數(shù)據(jù)量一般較大，通?？梢郧度胼^多的隱秘信息。這里，本系統(tǒng)利用人體視覺模型研究成果，以實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊曨l流為載體，通過一定的策略將隱密信息以數(shù)字水印方式嵌入到視頻中，達(dá)到在人體視覺難以感知的情況下，實(shí)現(xiàn)隱秘通信的目的。

1 視頻水印嵌入算法
    有關(guān)心理視覺的研究表明，人體視覺對(duì)不同環(huán)境的敏感度是不同的。如人體視覺對(duì)于紋理復(fù)雜區(qū)域所產(chǎn)生的失真并不敏感，同時(shí)人體視覺敏感度也會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的增加而下降，因此本文根據(jù)視頻圖像的運(yùn)動(dòng)劇烈程度與紋理特征，有選擇地將隱秘信息嵌入到視頻圖像塊中。
1．1 水印嵌入?yún)^(qū)域的自適應(yīng)選擇
    考慮到目前商業(yè)化的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)基本上采用“分塊變換+運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償”的編碼模式，即其在編碼過程中會(huì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)并產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)矢量數(shù)據(jù)，而運(yùn)動(dòng)矢量在一定程度上反映了視頻圖像塊的活動(dòng)程度(一般的，圖像塊的運(yùn)動(dòng)矢量值越大則表明其運(yùn)動(dòng)越劇烈)。這里，為了保證隱秘系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本文選取視頻編碼過程中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)矢量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像塊的快速分類。
    對(duì)于在視頻圖像中第i行第j列的宏塊MB(i，j)，其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可定義為式(1)。
   
    式(1)中，Mvx,i,j，Mvy,i,j分別為宏塊Mvi,j在x與y方向上的運(yùn)動(dòng)分量。這里，如果一個(gè)幀間宏塊含有多個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量，則其運(yùn)動(dòng)矢量為取該宏塊所包含所有塊的運(yùn)動(dòng)矢量的均值，即為式(2)。

    式(4)中，δ為水印嵌入強(qiáng)度調(diào)節(jié)因子。
1．2 水印數(shù)據(jù)的組織
    為了方便從視頻碼流中提取的水印數(shù)據(jù)恢復(fù)成文本數(shù)據(jù)，同時(shí)提高通信數(shù)據(jù)的安全性，本文先采用加密速度快、安全性高的混沌偽隨機(jī)序列對(duì)通信信息進(jìn)行加密處理，然后將加密后的隱秘?cái)?shù)據(jù)封裝為一些數(shù)據(jù)包(DP)：
   
    這里，每個(gè)數(shù)據(jù)包由水印同步碼、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)包序列號(hào)、CRC校驗(yàn)碼與隱秘?cái)?shù)據(jù)5部分組成。其中：水印同步碼(SC)不僅是視頻圖像中是否嵌入隱秘信息的標(biāo)志，也是新的DP開始的標(biāo)志。
1．3 隱秘信息的嵌入方法
    考慮到人體視覺對(duì)于視頻紋理復(fù)雜區(qū)域所產(chǎn)生的失真并不敏感，并結(jié)合DCT特性，本文采用按逆zigzag掃描順序的方式，搜素非“零”的中高頻AC系數(shù)(如圖1所示)；然后對(duì)數(shù)據(jù)包DP(u)的每1個(gè)比特位，按奇偶強(qiáng)制一致性方法嵌入到Q-DCT塊的AC系數(shù)中。這里，我們定義了一個(gè)“掃描閥值Ta”，來控制單個(gè)Q-DCT塊中隱秘信息的嵌入量，一般的，Ta值越大，同一幀視頻圖像所嵌入的隱秘信息就越多，則對(duì)重建視頻圖像質(zhì)量的影響就越大。

    一致性函數(shù)：
   
    式(5～7)中，QD[i]為QDCT域的第i個(gè)交流系數(shù)AC的值，DP(u,v)為第u個(gè)水印包第v個(gè)比特位的值，sign為符號(hào)函數(shù)，mod為取余運(yùn)算。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    圖3是本文的隱秘通信系統(tǒng)隱秘信息嵌入與檢測(cè)過程演示圖。這里，系統(tǒng)的安全性主要從以下3個(gè)方面來保證：1)同步標(biāo)識(shí)SC控制了秘密信息的嵌入、檢測(cè)、字節(jié)對(duì)齊與同步，攻擊者不知道用戶密鑰是很難構(gòu)造出該同步標(biāo)識(shí)SC的，從而無法獲取正確的信息；2)秘密信息檢測(cè)時(shí)必須使用與嵌入時(shí)相同的同步標(biāo)識(shí)SC，只有這樣，系統(tǒng)才認(rèn)為在視頻中嵌入了秘密信息，有效地防止了誤檢的產(chǎn)生；3)本文在通信信息嵌入視頻之前，采用加密速度快、安全性高的混沌偽隨機(jī)序列對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性。

3 結(jié)束語
    本文通過視頻運(yùn)動(dòng)矢量的分析與分類，將隱秘信息嵌入到人體視覺不敏感的快速變化且紋理比較豐富的圖像塊中，很好地實(shí)現(xiàn)了在視頻重建圖像質(zhì)量影響極小的情況下，用戶數(shù)據(jù)隱秘與安全的實(shí)時(shí)傳輸。