基于視頻數字水印的隱密通信系統

摘 要：針對傳統加密通信容易被攻擊者監聽和破譯的缺點，設計了一種新的基于視頻數字水印技術的隱密通信系統。該系統先將隱密數據加密，然后對加密后的數據進行BCH編碼并按密鑰置換，最后將隱密數據和重同步標識依次嵌入到DCT塊的中頻系數中。實驗表明：該系統具有良好的抗噪聲、視頻壓縮編碼的性能，并能實現隱密數據的可靠傳輸。

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關鍵詞：視頻水印；隱密通信；重同步標識;噪聲攻擊

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-078-03

Secret Communication System Based on the Video Watermarking

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ZHANG Yiwu

(Hunan National Vocational College，Yueyang，414000，China)

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Abstract：Traditional encryption communications easily be monitored and deciphered，a novel video-based digital watermarking technology secret communications system is designed.The secret data is encrypted and replaced according to BCH at first.And then，the coded data and resynchronization markers are embedded into the middle frequency coefficients in DCT domain.The experiment shows that:the system has performed well in anti-noise，video compression，and can achieve reliable data secret communication.

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Keywords：video watermarking;secret communication;resynchronization marker;noise attracking

1 引 言

隨著網絡時代的到來，網絡信息安全日益突出，通信系統在網絡環境下的信息安全問題也日益顯露出來。因此，如何在網絡環境中實施有效的信息安全手段成為一個亟待解決的現實問題。傳統的通信安全是以密碼學為基礎的，即把相關數據加密成密文后進行傳輸，以使非法攻擊者無法從密文中獲得真實信息，從而達到有效保護信息的目的^[1，2]。但該方法也存在著很大的局限性：一方面，加密后的數據因其不可理解性，從而不利于信息的傳播；另一方面，信息經過加密后容易引起攻擊者的好奇和注意，并有被破解的可能性，即使密碼的強度非常高而使破譯的成本非常高，但是攻擊者仍有足夠的手段進行破壞。這里，可利用生理學模型，通過適當的策略將隱密信息嵌入到視聽不敏感區域，則嵌入水印的宿主媒體便不會引起不良的視聽效果^[3]。本文正是利用此特性，以實時傳輸的視頻流為平臺，將要隱密傳輸的信息以數字水印方式嵌入視頻流中傳輸，用以提高通信的安全性。實驗證明該系統的偽裝性是傳統加密通信無法比擬的，且攻擊者很難獲取隱藏信息。

2 系統基本架構

基于視頻水印的隱密通信系統的基本模型如圖1所示，其中隱密信息是以數字水印方式嵌入到實時視頻中并進行傳輸的。選擇視頻作為水印信息的載體是由于視頻可描述為時間的一維函數，在嵌入水印時可以減少運算量和時間復雜度。另外，視頻節目數據量很大，通常可以嵌入較多的水印信息。同時，人們日常使用的視頻通信軟件很大部分是雙向的，這使隱密信息的交互性成為可能。

圖1 視頻隱密通信系統的基本模型

3 水印的嵌入與提取算法

對于該隱密通信系統，其中隱藏的水印數據在通信過程中難免會遭到攻擊或破壞，而當傳輸的數據遭到攻擊或破壞時，則會導致同步丟失和字節的位漂移。這時，即使提取的水印信息從比特意義上來說是正確的，當將這些提取的比特組成字節時，則可能會是一串無意義的亂碼。對此，本文設計了一種快速的可隨機檢測的穩健視頻水印算法。

3.1 隱密數據的BCH編碼和置換

由于隱藏在視頻流中的水印數據在通信過程中會遭到有意和無意的攻擊，這里，在嵌入前，先將隱藏的信息進行信道編碼^[4]，以提高其穩健性。考慮到隱藏信息是可以字節的形式表示和存儲的^[5]，為此文中為待嵌入和檢測的水印信息設計了一種(24，9)形式的BCH 碼，該BCH的生成多項式可用式(1)來表示：



g(x)=x15+x14+x13+x12+x10+x8+

x7+x6+x5+x4+1

(1)



其中，該BCH碼共有29個碼字，其漢明距為8，其可糾正不大于3比特的隨機誤碼。

接下來，將需要嵌入的隱密通信數據按式(2)進行BCH編碼并置換：



Bj=f(key，Wi)，0≤i<28，0≤j<29

(2)



其中，Wi表示待嵌入的水印數據，Bj表示BCH碼中的一個碼字，key為變換密鑰。

3.2 重同步標識的選取和檢測

為了在出現視頻跳轉或視頻丟幀等情況時，能快速地檢測到正確的隱密信息，本文將會在嵌入水印數據的過程中，同時定期地嵌入一些重同步標識(Resynchronization Marker，RM)。其中，重同步標識是一個惟一的碼字，且不會是前面所選用的BCH碼的任何一個碼字重復。同時，也是判別視頻中是否嵌入了隱密和進行重同步的標志碼。即當進行水印檢測時，需先檢測重同步標識以獲取水印嵌入的正確位置，才能正確地提取有意義的隱密信息。

為了提高重同步標識的搜索效率和隱密信息的不可感知性。本文根據實驗選取N(N=24)位的偽隨機序列作為重同步標識，該碼以十六進制表示為：“0xF65A50”。它與前面所選的BCH信號集中的所有碼字的碼距都不小于9，即該重同步標識發生不大于4比特的數據錯誤時，都不會與所選的BCH信號集中的任何一個碼字相混淆，從而具有較強的魯棒性。

同時，搜索重同步標識是正確提取隱密信息的前提，但重同步標識在傳輸過程中也可能會遭受攻擊而出錯。對此，本文使用相似函數(式(3)，式(4))來判斷是否檢測到了重同步標識^[5]。



MaxDiff(rm，rm′)=∑Ni=1|rm(i)－rm′(i)|

(3)

sync(rm，rm′)=1(檢測到重同步標識)，

MaxDiff(rm，rm′)≤Trm

0(未檢測到重同步標碼)，

MaxDiff(rm，rm′)>Trm

(4)



這里， rm′(i)，0≤i

3.3 通信數據的嵌入與檢測算法

通信數據的嵌入可在視頻編碼時一并完成，在嵌入通信數據之前，先對通信數據進行加密，以提高通信數據的安全性。然后按圖2的方式嵌入加密的通信數據和重同步標識。

其中，本文根據水印的不可感知性和魯棒性要求，對于每一個DCT塊，僅對其中某一個特定的中頻DCT系數進行調整，以嵌入隱密信息^[4，6]。具體嵌入方法如下式所示：





DCTxy=sgn(DCTxy)×(|DCTxy|－

|DCTxy|mod a+3a4)，Bjk=1

sgn(DCTxy)×(|DCTxy|－

|DCTxy|mod a+a4)，Bjk=0

(5)

sgn(t)=+1t≥0－1t<0

(6)



在式(5)中，a表示水印比特位的嵌入強度；mod表示取余運算；DCTxy表示第x個DCT塊按“之”字形順序掃描的第y個系數的值；Bjk表示需嵌入的比特位。 

圖2 隱密信息的嵌入

同樣地，通信數據的提取可在視頻解碼時完成，其具體提取和數據組織過程如圖3所示。

圖3 隱密信息的檢測

其中，水印比特位的提取方法如式(7)所示:



Bjk=1，當|DCTxy|moda≥a/2

0，當|DCTxy|moda

(7)



4 實驗結果及性能分析

4.1 對圖像質量的影響

這里，本文通過峰值信噪比(PSNR)來衡量本文算法對視頻圖像質量的影響， PSNR的計算如式(8)所示：



PSNR=－10log∑M－1m=0∑N－1n=0{φ［x(m，n)］－φ［y(m，n)］}2∑M－1m=0∑N－1n=0x2max

(8)



其中，φ［x(m，n)］表示原始圖像中的第m行n列的像素點的值，φ［y(m，n)］表示重建圖像中的第m行n列的像素點的值，M表示圖像的高度，N表示圖像的寬度。

這里，本文使用MPEG-4標準的圖像測試序列“foreman”和“carphone” 各200幀進行仿真實驗。編解碼器采用開源的Xvid程序。且在編碼時，每個GOP由1個I幀，9個P幀組成，幀率為10 f/s，水印比特位的嵌入強度a取32。其中每幀圖像所對應的PSNR值如圖4所示。從中可以得出：對于這兩個序列，其每幀圖像的PSNR值都大于48 dB，且通過主觀評測，采用該算法對視頻圖像質量的影響在視覺難以感知的范圍之內。這說明采用本文的隱密算法，可以達到信息隱藏的目的。

圖4 嵌入隱密信息后各視頻幀的PSNR值

4.2 水印算法的穩健性

為了衡量文中水印算法的穩健性，先定義：

文本檢對率(Text Correct Rate，TCR)：設向視頻序列中共嵌入M字節的隱密數據，能正確檢測到N字節的隱密數據，則：



TCR=N/M×100%

(9)



接著，文中測試了水印抗隨機噪聲攻擊和抗視頻壓縮攻擊的穩健性，實驗結果如圖5和圖6所示。從圖5可以得出，在量化參數QP＜22時( PSNR值約為26 dB)，TCR都在98％以上，此時，該算法對視頻壓縮有較強的穩健性。不過當QP＞22時，TCR急劇降低，這時水印對視頻壓縮非常敏感。從圖6中可以看出，在PSNR值大于28 dB時，TCR在89％以上，水印對隨機噪聲具有較強的穩健性。并且，當發生視頻傳輸錯誤時，該錯誤僅限制在兩個重同步標識之間，而對其他的隱密信息影響較小，因此該算法可以快速地實現隱密信息的重同步并具有較強的穩健性。

圖5 視頻壓縮后的TCR

圖6 受隨機噪聲攻擊后的TCR

4.3 信息的嵌入和提取效率

當視頻通信過程中出錯時，則需要快速的實現重同步，以便快速的檢測出正確的水印信息，則可以通過提高重同步標識的插入頻率來實現快速重同步。如當每隔num(num=16)個BCH碼字插入一個重同步標識，則需要經過24*num+24=408個DCT塊(每個DCT塊只嵌入1比特的數據)，可以實現一次重同步。而即使對于一幀QCIF格式的視頻的圖像，且只在其Y平面嵌入水印，就有(176*144)/(8*8)=396個DCT塊。可見，視頻通信過程中出錯，該算法可以很快的實現重同步，從而快速地檢測到有意義的信息。同時，對于QCIF格式的視頻，即使幀率只有4 f/s，這時隱藏信息的傳輸速率也能達到(176*144)/(8*8)/(24+24/num)*8*4>496(b/s)，完全可以滿足系統對隱藏信息文本傳輸速率的要求。當然，為了進一步加快同步速度和提高其對錯誤的穩健性，可以在滿足隱藏信息傳輸速率的前提下，可選用更小的num值。

5 結 語

基于視頻數字水印的隱密信息通信系統有效的克服了傳統加密通信易被攻擊者監聽截取的缺點，系統具有很好的偽裝性。實驗表明：本文算法不僅對視頻圖像質量的影響在視覺難以感知的范圍之內，從而具有較強的隱密性和偽裝性，而且嵌入了隱密信息的實時視頻能有效的抵抗隨機噪聲和視頻壓縮的攻擊，實現隱密信息的可靠性傳輸。

參 考 文 獻

［1］劉振華，尹萍.信息隱藏技術及其應用［M］.北京:科學出版社，2002.

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［2］\\[美\\]William Stallings.密碼學和網絡安全:原理與實踐［M］.北京:電子工業出版社，2001.

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［3］Cox I J，Linnartz J.Public Watermarks and Resistance Tampering ［J］.In Proc of ICIP′97，Washington，DC，1997:26-29.

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［4］沈世鎰，陳魯生.信息論與編碼理論［M］.北京：科學出版社，2002.

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［5］王泳，黃繼武.快速重同步的有意義水印檢測算法［J］.計算機研究與發展，2003，2(2):79-82.

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［6］Juan R H，Martin A，Fernando P G.DCT-domain Watermarking Techniques for Still Images:Detector Performance Analysis and a New Structure［J］.IEEE Transaction on Image Processing，2000，9(1):55-68.

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作者簡介 張翊武 男，1973年出生，湖南岳陽人，碩士/講師。主要研究方向為多媒體通信技術。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。