基于FLV格式視頻的隱蔽通信系統

摘 要：ＦＬＶ格式視頻是當今互聯網上最為流行的流媒體文件格式，兼容多種視頻編碼格式并對其封裝，針對這種網絡ＦＬＶ格式視頻的認證技術，信息隱藏技術應運而生，設計和實現高安全性與強魯棒性的視頻隱蔽通信系統，保證特殊環境下秘密信息的隱蔽傳遞，是一項嶄新而有意義的研究。因而解析了ＦＬＶ格式的網絡視頻文件，研究其作為隱蔽通信載體的可能性和技術難點，并提出了一種基于Ｈ．２６４編碼的能夠抵抗如新浪播客網站各種處理操作的魯棒視頻隱寫算法，構建了一個完整的網絡視頻隱蔽通信系統。

關鍵詞：

中圖分類號： ＴＰ３９１；ＴＮ９１１．７３ 文獻標識碼： Ａ 文章編號：２０９５－２１６３（２０１１）０３－００５２－０３

Ｈｉｄｉｎｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＬＶ Ｖｉｄｅｏ Ｆｉｌｅ

ＪＩＡ Ｂｉｎｇｑｉａｎｇ１， ＤＯＵ Ｚｈｅｎｊｉａ１， ＳＯＮＧ Ｘｉａｎｈｕａ１，２， ＮＩＵ Ｘｉａｍｕ

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Recently，FLV file has become the most popular video format in video-hosting websites， and it is compatible with many video coding and encapsulates them. Aiming to it， video authentication technique and information hiding technique develop quickly， therefore， it is an innovative research to design and achieve high-security and strong-robustness video hiding communication system based on FLV in some special environments. In this paper， FLV video file is analyzed in detail， the possibility and technique difficulty as a cover file in steganography is deliberated. Moreover， a video steganography algorithm based on H.264 coding is designed. Experimental results show that it is robust to processing from websites like v.sina.com. Finally， a complete website video hiding communication system is constructed.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：

０ 引言

視頻是多媒體信息的重要載體之一。隨著Ｗｅｂ２．０時代的全面來臨，在這個充分發揮自我個性的年代，視頻、播客等網站如雨后春筍般興起，新的網絡戰役一觸即發[１]。隨之而來的視頻版權保護、視頻完整性及真實性認證等問題也日益突顯，視頻信息隱藏技術是解決上述問題的有效途徑。ＦＬＶ（Ｆｌａｓｈ Ｖｉｄｅｏ）格式的視頻是目前網絡上流行的流媒體文件格式，由于其體積小、ＣＰＵ占有率低、視頻質量良好、播放方便等特點，ＦＬＶ格式已經成為主流的視頻封裝格式[２]。但是ＦＬＶ格式不同于傳統意義上的視頻編碼格式，兼容了多種視頻編碼格式并對其進行封裝，因此，傳統的視頻隱寫算法不能直接應用于ＦＬＶ視頻中，因為在封裝過程中往往破壞秘密信息。此外，出于對存儲空間和網絡帶寬的考慮，幾乎所有視頻網站都會對用戶上傳的視頻進行處理，改變視頻的編碼算法、幀率、比特率及分辨率，以提高用戶觀看的流暢程度。同時，各視頻網站為了提高知名度，都會在轉碼后的視頻畫面左上角（或右上角）添加網站的ＬＯＧＯ，這也對原始的視頻數據造成了破壞。因此，應用傳統的視頻隱寫算法之前還需要一定的預處理和碼流提取，基于ＦＬＶ格式的視頻隱蔽通信技術還需要進一步的深入研究。

解析ＦＬＶ格式的視頻內容以及構建基于此的隱蔽通信系統是一項嶄新的和有重要意義的研究。因此，本文主要研究針對網絡流行的ＦＬＶ格式視頻文件的隱蔽通信系統關鍵技術。

１ ＦＬＶ格式文件及視頻網站解析

１．１ ＦＬＶ格式文件解析

一個ＦＬＶ文件是一個二進制文件，由文件頭（ＦＬＶ ｈｅａｄｅｒ）和文件體（ＦＬＶ Ｆｉｌｅ ｂｏｄｙ）組成。實際上，ＦＬＶ文件格式只是一種封裝格式，而不是像ＭＰＧ、ＲＭＶＢ那樣的編碼格式。ＦＬＶ將壓縮編碼后的視頻和音頻數據組合封裝起來，形成一個完整的視頻文件。可理解為，在一個ＦＬＶ文件中有非常多的分成小段的視頻或／與音頻，播放器根據其中的標志信息讀出一段視頻或／與音頻，就能播放一段。

如圖１所示，ＦＬＶ文件都具有相同的文件頭格式，文件體則由兩種成分交替構成，分別為：指示前一個標簽段大小（單位：字節）的變量（Ｐｒｅｖｉｏｕｓ Ｔａｇ Ｓｉｚｅ）和標簽段（Ｔａｇ），二者是成對出現的。Ｐｒｅｖｉｏｕｓ Ｔａｇ Ｓｉｚｅ緊跟在每個標簽之后，是一個ＵＩ３２類型的數值，用４個字節表示前一個標簽的大小。文件頭之后緊跟著的指示標簽大小的參數（圖１中的Ｐｒｅｖｉｏｕｓ Ｔａｇ Ｓｉｚｅ ＃０）始終值為０，因為前面沒有標簽存在。標簽是ＦＬＶ文件中的主要數據區域，作為一個結構體，其中包含了結構信息以及數據信息等[３]。

１．２ 視頻網站測試及分析

國內當前流行的在線視頻共享網站主要有新浪播客、優酷網、土豆網、５６網、六間房等。一般情況下，用戶把視頻上傳到這些視頻共享網站之后，網站都會進行一些各自的處理，例如轉換為特定的格式、二次壓縮、改變分辨率碼率、添加網站標識的ＬＯＧＯ水印等等。為了保證偽裝視頻中嵌入的信息在上傳之后不被破壞，即能承受網站的處理過程，就需要了解網站的處理手段。

以新浪播客為例，利用工具ＦＦｍｐｅｇ和ＵｌｔｒａＥｄｉｔ對影響視頻質量的幾個主要指標：視頻格式、編碼方式、幀率、碼率、分辨率和文件大小進行了測試分析，可以得到如下結論：

（１）新浪播客對于用戶上傳的視頻多數采用ＦＬＶ方式進行封裝。調研中也發現，有極少數視頻被封裝成了Ｆ４Ｖ格式，因為Ｆ４Ｖ是比ＦＬＶ更新、視頻封裝效果更好的一種封裝方式，這也說明了新浪以及一些視頻網站對視頻封裝方式的一種發展趨勢。

（２）新浪播客主要以Ｈ．２６３和Ｈ．２６４／ＡＶＣ作為視頻的編碼方式，極少數的視頻為ＶＰ６的編碼方式。鑒于Ｈ．２６４的優勢，后面的算法設計考慮基于Ｈ．２６４做信息隱藏算法的設計和實現。

（３）幀率方面，Ｈ．２６４編碼方式的視頻幀率較之其他編碼方式穩定：約１５．０００ｆｐｓ，這也為選擇Ｈ．２６４做隱寫增加了可靠性。

（４）調研發現，新浪播客對視頻的碼率控制在５００ｋｂｐｓ左右，大于這個碼率的視頻，將被網站進行重新編碼。

基于上述調研結果，系統算法設計為在Ｈ．２６４編碼上作隱蔽通信，并封裝為滿足網站要求的、碼率限制內的ＦＬＶ 格式視頻進行上傳，進而達到秘密信息安全準確的傳遞的目的。

２ 基于網絡ＦＬＶ的視頻隱寫

Ｈ．２６４／ＡＶＣ 是最新的視頻壓縮編碼標準，具有高的編碼效率和網絡友好性，這些優異的性能使其在數字電視廣播、視頻實時通信、網絡視頻流媒體傳遞以及多媒體短信等領域發揮重要作用[４－６]。

本文提出基于Ｈ．２６４運動矢量的信息隱藏算法。具體的思想為：使用一部分的運動矢量進行隱秘信息嵌入，用剩余的運動矢量來對運動矢量的統計特征進行修復，使隱寫分析算法所利用的統計特征與隱秘信息嵌入之前的值相差微小，從而有效抵抗基于運動矢量隱寫分析檢測。

２．１ 秘密信息的嵌入過程

設Ｎ為幀間編碼宏塊在視頻幀中的序號。

（１）在Ｎ％３＝０的幀間編碼宏塊中，對運動矢量預測誤差的水平垂直分量同時進行隱秘信息嵌入。

設ｄｘ為運動矢量預測誤差的水平分量，ｄｙ為運動矢量預測誤差的垂直分量，嵌入規則如下：

①如果隱秘信息“００”被嵌入，則在運動估計的１／４像素搜索過程中尋找使得ｄｘ為偶數，同時使得ｄｙ為偶數的點作為最終的搜索點；

②如果隱秘信息“０１”被嵌入，則在運動估計的１／４像素搜索過程中尋找使得ｄｘ為偶數，同時使得ｄｙ為奇數的點作為最終的搜索點；

③如果隱秘信息“１０”被嵌入，則在運動估計的１／４像素搜索過程中尋找使得ｄｘ為奇數，同時使得ｄｙ為偶數的點作為最終的搜索點；

④如果隱秘信息“１１”被嵌入，則在運動估計的１／４像素搜索過程中尋找使得ｄｘ為奇數，同時使得ｄｙ為奇數的點作為最終的搜索點；

（２）在Ｎ％３＝１的幀間編碼宏塊中，對運動矢量水平分量及垂直分量進行空間域ＰＭＦ修復。

（３）在Ｎ％３＝２的幀間編碼宏塊中，對運動矢量水平分量及垂直分量進行時間域ＰＭＦ修復。

２．２ 隱蔽通信系統

隱蔽通信系統分為發送端和接收端兩部分，系統的設計采用模塊化的方法，主要有秘密信息加密模塊、秘密信息嵌入模塊、視頻格式轉碼模塊、秘密信息提取模塊和秘密信息解密模塊。

用戶利用發送端系統將秘密信息嵌入到載體視頻中，并利用ＦＦｍｐｅｇ軟件將含有秘密信息的載體視頻轉化成可上傳到網站上的ＦＬＶ視頻格式。發送端系統主要有三個模塊組成：秘密信息加密模塊、秘密信息嵌入模塊和視頻格式轉碼模塊，各模塊之間的關系如圖２所示。

（１）秘密信息加密模塊

顯然，對秘密信息進行加密可以進一步提高信息的安全性。由于視頻隱寫系統主要是針對點對點的隱秘通信，并不涉及任何像非對稱加密那樣可以對外公開的成分，系統很自然地選擇了對稱加密算法。

（２）秘密信息嵌入模塊

發送端隱秘信息嵌入模塊是系統的核心之一。前面已經對視頻隱寫算法進行了詳細敘述。該模塊在ＹＵＶ視頻中嵌入隱秘信息并生成．２６４格式的中間文件，作為ＦＦｍｐｅｇ的輸入。

（３）視頻格式轉碼模塊

如前文所示，系統使用工具ＦＦｍｐｅｇ將．２６４文件封裝為ＦＬＶ文件，這只需要一個簡單的命令，重要的是ＦＦｍｐｅｇ在封裝的過程中不進行重新編解碼。

用戶首先從特定網站下載含有秘密信息的視頻，然后利用接收端系統對視頻進行格式轉換、秘密信息提取和秘密信息解密并對生成的秘密信息文件進行存儲。接收端系統也有三個模塊組成：視頻格式轉碼模塊、秘密信息提取模塊和秘密信息解密模塊，各模塊之間的關系如圖３所示。

（１）視頻格式轉碼模塊

視頻格式轉碼模塊將從視頻網站上下載的含有秘密信息的．ｆｌｖ格式的視頻文件轉換成含有隱密信息的．２６４格式的視頻文件。系統使用工具ＦＦｍｐｅｇ將．ｆｌｖ文件轉換為．２６４文件，這也只需要一個簡單的命令，ＦＦｍｐｅｇ在轉換的過程中不改變視頻數。

（２）秘密信息提取模塊

接收端隱秘信息提取模塊也是系統的核心之一，前面也已經對視頻隱寫算法進行了詳細敘述，故不再贅述。該模塊實現的功能是將含有秘密信息的２６４格式的視頻文件作為輸入，經秘密信息提取模塊將秘密信息提取出來。

（３）秘密信息解密模塊

接收端秘密信息解密模塊與發送端秘密信息加密模塊是對應的，也是采用對應的解密算法，需用戶手動輸入密鑰對加密信息進行解密。

３ 實驗

將隨機從互聯網上搜集的ＹＵＶ格式的視頻按視頻大小分類，作為載體視頻，其中視頻的播放時間最長不超過六分鐘（經測試統計分析出的結果），因為幾乎所有視頻網站都會對過長視頻進行分割，這就會導致嵌入的秘密信息部分或全部丟失。

將測試要用的測試秘密信息也按大小進行分類，分別將秘密信息嵌入到各載體視頻中。對每一個載體視頻，分別利用視頻嵌入軟件將秘密信息嵌入，并將含有秘密信息的視頻轉換成可以上傳到視頻網站的ＦＬＶ視頻格式，這里上傳到新浪播客，然后再下載（可以利用維棠軟件下載）該上傳的視頻，對秘密信息進行提取比較，分析測試軟件的各項性能指標。

將本文設計的系統應用于這種實際網絡視頻環境中，能夠達到秘密信息安全準確傳遞的目的，并且隱藏算法能夠抵抗一般的隱寫分析，保證了系統的魯棒性、安全性和準確性。

通過本文采用的隱蔽通信方案和現有的視頻隱寫軟件如格式級視頻密寫軟件Ｈｉｄｅｒ， Ｍａｘ Ｆｉｌｅ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ和內容級視頻密寫軟件ＭＳＵ ＳｔｅｇｏＶｉｄｅｏ進行比較，在視頻文件中嵌入隱藏信息，經變換后嘗試提取信息，測試是否能夠成功獲取隱秘信息，以考察軟件抗擊網站視頻轉碼變換的能力。實驗表明，本文設計的系統具有更好的魯棒性和準確性，能夠抵抗視頻網站對上傳視頻的轉碼和壓縮，而已有的軟件不能正確提出隱密信息，甚至無法識別文件是否進行過隱寫，具體結果見表１。

４ 結束語

本文研究了基于互聯網上流行的視頻格式ＦＬＶ做隱蔽通信載體的可能性和可行方案。實驗表明，本文設計的隱蔽通信系統具有較高的安全性和很強的魯棒性，同時具有較強的實用性，使用簡單，用戶只需對要嵌入的秘密信息文檔和視頻載體進行選擇，輸入對秘密信息的加密密鑰，就可生成含秘密信息的可以上傳到視頻網站的．ｆｌｖ格式的視頻進行版權保護或隱蔽通信。

由于各個視頻分享網站對視頻的處理操作并不相同，因此發展能夠抵抗多數網站處理操作、具有更強魯棒性的基于ＦＬＶ格式的視頻隱寫系統是未來需要進一步研究的問題。

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