基于視覺(jué)特性的隱秘通信系統

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摘要：針對目前開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的信息安全問(wèn)題，文章以視頻數字水印研究為基礎，利用人體視覺(jué)對快速運動(dòng)物體與圖像復雜紋理不很敏感的特征，通過(guò)視頻編碼過(guò)程中產(chǎn)生的運動(dòng)矢量數據，實(shí)現對視頻圖像運動(dòng)塊的快速分類(lèi)，然后根據分類(lèi)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(shí)驗表明：該系統傳輸隱秘信息具有較強的偽裝性與實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：隱秘通信；視頻水��；運動(dòng)對象
0 引言
隨著(zhù)信息時(shí)代的到來(lái)，在開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的數據安全問(wèn)題也日益顯露出來(lái)。為了提高通信數據的安全性，傳統的方法是先將用戶(hù)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(hù)難以從密文中獲取真實(shí)有用的信息，從而實(shí)現用戶(hù)數據的安全傳輸。如在文獻中，其將需要傳輸的用戶(hù)數據先進(jìn)行混沌加密，然后通過(guò)密鑰同步方案，用戶(hù)數據被加密后的數據經(jīng)TCP協(xié)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(hù)數據通過(guò)數字水印的方式直接嵌入到音頻載體中，較好地實(shí)現了用戶(hù)數據的隱秘通信。但其也存在以下不足：首先，人體聽(tīng)覺(jué)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(huì )增加通信的延遲；第三，現有的音頻降噪濾波技術(shù)，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(yǔ)音數據本身數據量不大，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。相對于其它載體，視頻節目數據量一般較大，通�？梢郧度胼^多的隱秘信息。這里，本系統利用人體視覺(jué)模型研究成果，以實(shí)時(shí)傳輸的視頻流為載體，通過(guò)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(jué)難以感知的情況下，實(shí)現隱秘通信的目的。
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)對不同環(huán)境的敏感度是不同的。如人體視覺(jué)對于紋理復雜區域所產(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(zhù)物體運動(dòng)速度的增加而下降，因此本文根據視頻圖像的運動(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 水印嵌入區域的自適應選擇
考慮到目前商業(yè)化的視頻編碼標準基本上采用“分塊變換+運動(dòng)補償”的編碼模式，即其在編碼過(guò)程中會(huì )進(jìn)行運動(dòng)估計并產(chǎn)生運動(dòng)矢量數據，而運動(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，圖像塊的運動(dòng)矢量值越大則表明其運動(dòng)越劇烈)。這里，為了保證隱秘系統的實(shí)時(shí)性，本文選取視頻編碼過(guò)程中產(chǎn)生的運動(dòng)矢量數據實(shí)現對運動(dòng)圖像塊的快速分類(lèi)。
對于在視頻圖像中第i行第j列的宏塊MB(i，j)，其運動(dòng)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(dòng)分量。這里，如果一個(gè)幀間宏塊含有多個(gè)運動(dòng)矢量，則其運動(dòng)矢量為取該宏塊所包含所有塊的運動(dòng)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(shí)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(jìn)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(gè)數據包由水印同步碼、數據包長(cháng)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(kāi)始的標志。
1．3 隱秘信息的嵌入方法
考慮到人體視覺(jué)對于視頻紋理復雜區域所產(chǎn)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(gè)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(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，則對重建視頻圖像質(zhì)量的影響就越大。

一致性函數：


式(5～7)中，QD為QDCT域的第i個(gè)交流系數AC的值，DP(u,v)為第u個(gè)水印包第v個(gè)比特位的值，sign為符號函數，mod為取余運算。
2 實(shí)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(guò)程演示圖。這里，系統的安全性主要從以下3個(gè)方面來(lái)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(hù)密鑰是很難構造出該同步標識SC的，從而無(wú)法獲取正確的信息；2)秘密信息檢測時(shí)必須使用與嵌入時(shí)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(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序列對通信數據進(jìn)行加密處理，進(jìn)一步提高了系統的安全性。


3 結束語(yǔ)
本文通過(guò)視頻運動(dòng)矢量的分析與分類(lèi)，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)現了在視頻重建圖像質(zhì)量影響極小的情況下，用戶(hù)數據隱秘與安全的實(shí)時(shí)傳輸。