基于視覺特性的隱秘通信系統

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摘要：針對目前開放網絡環境下的信息安全問題，文章以視頻數字水印研究為基礎，利用人體視覺對快速運動物體與圖像復雜紋理不很敏感的特征，通過視頻編碼過程中產生的運動矢量數據，實現對視頻圖像運動塊的快速分類，然后根據分類的結果，有選擇地將隱秘信息數據包嵌入到視頻圖像的QDCT的中高頻AC系數中。實驗表明：該系統傳輸隱秘信息具有較強的偽裝性與實時性。
關鍵詞：隱秘通信；視頻水��；運動對象
0 引言
隨著信息時代的到來，在開放網絡環境下的數據安全問題也日益顯露出來。為了提高通信數據的安全性，傳統的方法是先將用戶數據加密生成密文，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有用的信息，從而實現用戶數據的安全傳輸。如在文獻中，其將需要傳輸的用戶數據先進行混沌加密，然后通過密鑰同步方案，用戶數據被加密后的數據經TCP協議傳輸。該方法的安全性主要體現在密鑰與算法的安全性。在文獻中，將需要通信的用戶數據通過數字水印的方式直接嵌入到音頻載體中，較好地實現了用戶數據的隱秘通信。但其也存在以下不足：首先，人體聽覺系統對聲音變化較為敏感，從而增加了水印嵌入的難度；其次，目前在音頻數據中嵌入數字水印的方法，基本上是采用基于分塊的數據變換的方法，其勢必會增加通信的延遲；第三，現有的音頻降噪濾波技術，很容易將嵌入的隱秘信息當作噪聲數據而濾掉，從而使該隱秘通信失效；第四，一般用于通信的語音數據本身數據量不大，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。相對于其它載體，視頻節目數據量一般較大，通常可以嵌入較多的隱秘信息。這里，本系統利用人體視覺模型研究成果，以實時傳輸的視頻流為載體，通過一定的策略將隱密信息以數字水印方式嵌入到視頻中，達到在人體視覺難以感知的情況下，實現隱秘通信的目的。
1 視頻水印嵌入算法
有關心理視覺的研究表明，人體視覺對不同環境的敏感度是不同的。如人體視覺對于紋理復雜區域所產生的失真并不敏感，同時人體視覺敏感度也會隨著物體運動速度的增加而下降，因此本文根據視頻圖像的運動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 水印嵌入區域的自適應選擇
考慮到目前商業化的視頻編碼標準基本上采用“分塊變換+運動補償”的編碼模式，即其在編碼過程中會進行運動估計并產生運動矢量數據，而運動矢量在一定程度上反映了視頻圖像塊的活動程度(一般的，圖像塊的運動矢量值越大則表明其運動越劇烈)。這里，為了保證隱秘系統的實時性，本文選取視頻編碼過程中產生的運動矢量數據實現對運動圖像塊的快速分類。
對于在視頻圖像中第i行第j列的宏塊MB(i，j)，其運動強度可定義為式(1)。


式(1)中，Mvx,i,j，Mvy,i,j分別為宏塊Mvi,j在x與y方向上的運動分量。這里，如果一個幀間宏塊含有多個運動矢量，則其運動矢量為取該宏塊所包含所有塊的運動矢量的均值，即為式(2)。

式(4)中，δ為水印嵌入強度調節因子。
1．2 水印數據的組織
為了方便從視頻碼流中提取的水印數據恢復成文本數據，同時提高通信數據的安全性，本文先采用加密速度快、安全性高的混沌偽隨機序列對通信信息進行加密處理，然后將加密后的隱秘數據封裝為一些數據包(DP)：


這里，每個數據包由水印同步碼、數據包長度、數據包序列號、CRC校驗碼與隱秘數據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志，也是新的DP開始的標志。
1．3 隱秘信息的嵌入方法
考慮到人體視覺對于視頻紋理復雜區域所產生的失真并不敏感，并結合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(如圖1所示)；然后對數據包DP(u)的每1個比特位，按奇偶強制一致性方法嵌入到Q-DCT塊的AC系數中。這里，我們定義了一個“掃描閥值Ta”，來控制單個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，則對重建視頻圖像質量的影響就越大。

一致性函數：


式(5～7)中，QD為QDCT域的第i個交流系數AC的值，DP(u,v)為第u個水印包第v個比特位的值，sign為符號函數，mod為取余運算。
2 實驗結果與分析
圖3是本文的隱秘通信系統隱秘信息嵌入與檢測過程演示圖。這里，系統的安全性主要從以下3個方面來保證：1)同步標識SC控制了秘密信息的嵌入、檢測、字節對齊與同步，攻擊者不知道用戶密鑰是很難構造出該同步標識SC的，從而無法獲取正確的信息；2)秘密信息檢測時必須使用與嵌入時相同的同步標識SC，只有這樣，系統才認為在視頻中嵌入了秘密信息，有效地防止了誤檢的產生；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序列對通信數據進行加密處理，進一步提高了系統的安全性。


3 結束語
本文通過視頻運動矢量的分析與分類，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，很好地實現了在視頻重建圖像質量影響極小的情況下，用戶數據隱秘與安全的實時傳輸。