基于視覺(jué)特性的隱秘通信系統(tǒng)

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摘要：針對(duì)目前開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息安全問(wèn)題，文章以視頻數(shù)字水印研究為基礎(chǔ)，利用人體視覺(jué)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(guò)視頻編碼過(guò)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(lái)，在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題也日益顯露出來(lái)。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(guò)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(guò)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(jué)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(yǔ)音數(shù)據(jù)本身數(shù)據(jù)量不大，從而就決定了在語(yǔ)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，通常可以嵌入較多的隱秘信息。這里，本系統(tǒng)利用人體視覺(jué)模型研究成果，以實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊曨l流為載體，通過(guò)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(jué)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(jué)的研究表明，人體視覺(jué)對(duì)不同環(huán)境的敏感度是不同的。如人體視覺(jué)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(jué)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(guò)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(guò)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(jué)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(lái)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(guò)程演示圖。這里，系統(tǒng)的安全性主要從以下3個(gè)方面來(lái)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(wú)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(yǔ)
本文通過(guò)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(jué)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。