（信號(hào)與信息處理專業(yè)論文）基于幀間預(yù)測(cè)的視頻信息隱藏分析算法.pdf

中文摘要 隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們?cè)谙硎芫W(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)為之創(chuàng)造的種種便利的同時(shí)，也 開始觸及到因網(wǎng)絡(luò)普及而帶來的各種信息安全問題。學(xué)術(shù)界和國(guó)家相關(guān)部門相繼 加強(qiáng)該領(lǐng)域的信息隱藏分析技術(shù)研究?，F(xiàn)有的信息隱藏對(duì)抗技術(shù)研究主要圍繞基 于靜止圖像的信息隱藏技術(shù)進(jìn)行，而針對(duì)視頻信息隱藏的分析研究則尚未完全展 開，但當(dāng)前寬帶流媒體技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字音視頻資源正逐步取代文字和靜止圖 像成為網(wǎng)絡(luò)信息的主流，這些海量的信息為基于信息隱藏的隱蔽通信提供了必要 的通信環(huán)境，因此基于視頻的信息隱藏分析技術(shù)研究必將成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。 本文首先介紹了信息隱藏技術(shù)的概念、特點(diǎn)、分類以及應(yīng)用領(lǐng)域；其次分析 了現(xiàn)有經(jīng)典的視頻信息隱藏技術(shù)，進(jìn)而引出了能量差值信息隱藏算法( d i f f e r e n t i a l e n e r g yw a t e r m a r k i n g ，d e w ) ，該算法通過有選擇的舍棄視頻圖像中某些區(qū)域的 部分高頻d c t 系數(shù)，形成能量差異而達(dá)到信息嵌入的目的。隱藏系統(tǒng)可以利用 現(xiàn)有m p e g 壓縮碼流直接在碼流域進(jìn)行直接嵌入，算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。盡管算 法是以數(shù)字水印技術(shù)的形式提出的，但其以視頻碼流為載體，具有較大的隱藏容 量，可以實(shí)現(xiàn)隱蔽通信的目的，是一種潛在的視頻隱藏實(shí)用算法。最后，本文提 出了一種針對(duì)能量差值信息隱藏算法的視頻信息隱藏分析算法，利用視頻序列時(shí) 間域的相關(guān)性建立針對(duì)性統(tǒng)計(jì)估計(jì)模型，偵測(cè)d e w 算法所造成的載體信息統(tǒng)計(jì) 特性變化，并結(jié)合k o l m o g o r o v s m i m o v ( k s ) 統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)一種新的 視頻信息隱藏分析算法。試驗(yàn)結(jié)果表明此算法能夠有效地檢測(cè)壓縮視頻碼流中是 否有d e w 算法嵌入的特定信息。 關(guān)鍵詞：信息隱藏隱藏分析視頻時(shí)間相關(guān)性k s 假設(shè)檢驗(yàn) a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ti n f o r m a t i o ni n d u s t r yb r i n g sm o r ec o n n e n i e n tt ot h ep e o p l e n o w a d a y s ，a tt h es a m et i m eh o w e v e r , s e v e r ep r o b l e m so fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yf o l l o w t h u st h ea c a d e m i cc i r c l ea n dt h er e l a t e dn a t i o n a ld e p a r t m e n tp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e s t e g a n a l y s i s h o w e v e r , t h er e s e a r c h e sm a i n l yf o c u s o nt h e a t t r a c t i n gi m a g e s t e g a n o g r a p h y , a n dal i t t l ew o r kh a sb e e nd o n eo nt h ev i d e os t e g a n a n a l y s i st i l ln o w b u tb e c a u s er i c hv i d e or e s o u r c ec a n p r o v i d e e s s e n t i a lc h a n n e l sf o rs e c r e t c o m m u n i c a t i o n ，v i d e os t e g a n a l y t i cr e s e a r c hi sc e r t a i nt ob et h ef o c u so fm a n yg r o u p s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p to ft h ei n f o r m a t i o nh i d i n g ，d e s c r i b e st h e f e a t u r e ，c l a s s i f i c a t i o n ，t y p i c a la l g o r i t h m sa n da p p l i c a t i o n so ft h ei n f o r m a t i o nh i d i n g ； s e c o n d l ya n a l y s e st h ev i d e os t e g a n o g r a p h y , t h e ne d u c e st h ed i f f e r e n t i a le n e r g y w a t e r m a r k i n g ( d e w ) ，w h i c he m b e d s s o m eb i t sb ys e l e c t i v e l yd i s c a r d i n gh i g h f r e q u e n c yd c t c o e f f i c i e n t si nc e r t a i ni m a g er e g i o n s t h eh i d i n gs y s t e mm a yu s et h e e x i s t i n gm p e gc o m p r e s s i o ns t r e a mt oc a r r yo nt h ev i d e oi n f o r m a t i o nh i d i n gd i r e c t l y a n dt h ea l g o r i t h mi se a s yt or e a l i z e t h ea l g o r i t h mc a nt a k et h ev i d e os 仃e a ma st h e c a r r i e ra n dh a sh i g hh i d i n gc a p a c i t y , s oi t i so n ek i n do fl a t e n tv i d e oh i d i n ga l g o r i t h m f i n a l l yc o m e st h eb o d yo ft h ea u t h o r sw o r kt h a ti s as t e g a n a l y s i sa l g o r i t h ma g a i n s t e n e r g yd i f f e r e n c es t e g a n o g r a p h ya l g o r i t h m t h ep r o p o s e dt e c h n i q u ee x p l o i t st h e t e m p o r a l s t a t i s t i c so fv i d e ot oe s t i m a t eas t a t i s t i c a lm o d e la n du t i l i z e st h ek - s h y p o t h e s i st e s tt od e t e c tt h ep r e s e n c eo ft h eh i d d e nm e s s a g e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h i ss t e g a n a l y s i sm e t h o di ss u c c e s s f u li na n a l y z i n gt h ed e w s t e g a n o g r a p h y k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o nh i d i n g ，s t e g a n a l y s i s ，v i d e o ，t e m p o r a lc o r r e l a t i o n s ， k st e s t 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特, d l i d n 以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰乍；過的研究成果，也不包含為獲得苤鲞盤鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：艱乏努 簽字門期：如，擴(kuò)年廠月石門 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 奉學(xué)位論文作者完全了解鑫盜盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)丕洼盤鱟可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：? 疋支影 導(dǎo)師簽名： 簽，h 期：z 支僻f 月 f 卜目簽字r 期：丸啊年6 月f o 同 第一章前言 1 1 論文的選題背景 第一章前言 隨著信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、個(gè)人移動(dòng)通信技術(shù)等等已 進(jìn)入尋常百姓家。數(shù)字化已深入人心，v c d 、d v d 、m p 3 越來越多的新名詞 被人們所熟悉，同時(shí)以i n t e r n e t 為先鋒的網(wǎng)絡(luò)化浪潮更是席卷全球。然而伴隨著 數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，當(dāng)快捷、準(zhǔn)確、廉價(jià)的數(shù)字傳輸手段在為無數(shù)公眾帶 來無限機(jī)遇的同時(shí)，也提出了新的挑戰(zhàn)。數(shù)字產(chǎn)品( 如電子出版物、電子繪畫、 音視頻產(chǎn)品等) 由于其特殊的性質(zhì)，侵權(quán)、盜版、隨意篡改、非法挪用和非法傳 播等等行為變得異常容易，成本非常低廉，時(shí)間非常迅速。數(shù)字作品的版權(quán)所有 者的合法權(quán)益受到嚴(yán)重侵犯的同時(shí)，數(shù)字產(chǎn)品的合法用戶很難證明自己對(duì)作品的 所有權(quán)，更無法確認(rèn)偽造和篡改的程度，因此也就無法通過法律武器保護(hù)自己的 權(quán)益。如果這種現(xiàn)象得不到控制，那么以數(shù)字化為特征的信息革命就會(huì)受到沉重 打擊甚是走向衰落。 為此人們引入了加密技術(shù)，保證只有指定的合法接收者才能獲知加密的多媒 體信息。發(fā)送方利用對(duì)稱密鑰或非對(duì)稱密鑰加密算法把明文轉(zhuǎn)換成密文，然后通 過秘密或公開信道傳送到接收者手中。然而隨著計(jì)算機(jī)處理的速度提高和解密技 術(shù)的日益成熟，通過不斷增加密碼長(zhǎng)度來提高系統(tǒng)密級(jí)的方法變得越來越不安 全。為了解決這個(gè)問題，信息隱藏技術(shù)逐漸興起并迅速發(fā)展起來，已經(jīng)成為當(dāng)前 國(guó)際信息安全領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。其中最具代表性的是數(shù)字水印技術(shù)，數(shù)字水 印通過信號(hào)處理算法，在數(shù)字化數(shù)據(jù)中嵌入無法被人覺察的記號(hào)信息，只有通過 一些計(jì)算操作才能提取出來，而具有強(qiáng)魯棒性的水印系統(tǒng)更能夠抗擊多種非法處 理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)這類數(shù)字產(chǎn)品的永久性版權(quán)標(biāo)示。 信息隱藏是一項(xiàng)橫跨應(yīng)用數(shù)學(xué)、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信理論與 技術(shù)、密碼學(xué)和視聽科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的高新科技，學(xué)術(shù)界先后在世界各地召 開了七屆信息隱藏技術(shù)國(guó)際研討會(huì)，網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用信息隱藏和數(shù)字水印技術(shù)的商用 軟件也在不斷涌現(xiàn)，吸引了眾多不同領(lǐng)域的學(xué)者投身到這個(gè)課題的研究之中。但 是信息隱藏是一把雙刃劍，在被合法的組織人員用于正當(dāng)?shù)碾[秘通信和版權(quán)保護(hù) 的同時(shí)，也可以被不法分子所利用，達(dá)到逃避監(jiān)控和傳播非法情報(bào)的目的。因此， 與密碼技術(shù)中的加密與解密對(duì)抗關(guān)系相類似，信息隱藏技術(shù)也有其對(duì)立面信 息隱藏分析檢測(cè)技術(shù)。信息隱藏分析就是一種對(duì)抗信息隱藏傳遞的安全技術(shù)，它 用于探測(cè)秘密信息的存在性，估計(jì)嵌入信息長(zhǎng)度，并試圖反向提取嵌入的信息， 第一章前言 進(jìn)而采取措施阻斷非法信息的傳遞?，F(xiàn)有的信息隱藏分析檢測(cè)算法多是針對(duì)靜止 圖像，雖然視頻序列可以看作是一系列連續(xù)靜止圖像在時(shí)間域構(gòu)成的序列，部分 圖像隱藏算法可以直接引入到視頻應(yīng)用中，其中包括典型的基于空域疊加嵌入的 隱藏算法，與之對(duì)應(yīng)，相應(yīng)的針對(duì)圖像的分析檢測(cè)算法也可以應(yīng)用于視頻序列的 隱藏分析。但是這一設(shè)計(jì)思路忽略了視頻序列本身的一些特點(diǎn)，一是視頻序列的 時(shí)間域相關(guān)性；二是視頻信息隱藏技術(shù)對(duì)視頻編解碼系統(tǒng)的依賴性。由于視頻編 碼引入了較強(qiáng)的有損壓縮技術(shù)，會(huì)改變圖像固有的某些統(tǒng)計(jì)特征，因此基于重建 圖象質(zhì)量統(tǒng)計(jì)特性分析的圖像隱藏檢測(cè)方法并不能完全適用于視頻隱藏分析。目 前視頻信息隱藏的分析研究尚未充分展開，只有少數(shù)已發(fā)表的文章。由于視頻序 列比圖像有更大的可用載體空間，隨著視頻資源的不斷豐富，其隱藏應(yīng)用前景更 加廣闊，因此視頻序列的信息隱藏分析檢測(cè)技術(shù)有很大的發(fā)展空間。 1 2 論文結(jié)構(gòu) 對(duì)于m p e g 系列壓縮標(biāo)準(zhǔn)的視頻資源，l a n g e k a a r | j 提出了一種碼流域的視頻 信息隱藏算法一差分能量水印算法( d i f f e r e n t i a le n e r g yw a t e r m a r k i n g ，d e w ) ， 而l i n gh f l 2 j 提出了另一種類似的碼流域信息隱藏算法。這兩種算法利用人眼的 視覺系統(tǒng)對(duì)高頻分量不夠敏感的特性，通過截?cái)喔哳l能量實(shí)現(xiàn)嵌入信息，而不會(huì) 對(duì)重建的視頻圖像質(zhì)量造成較大的主客觀失真。隱藏系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有m p e g 壓 縮碼流直接在碼流域進(jìn)行直接嵌入，算法簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。盡管算法是以水印的 形式提出的，但是以視頻碼流為載體，具有較大的隱藏容量，可以實(shí)現(xiàn)隱蔽通信 的目的，因此是一種潛在的視頻隱藏實(shí)用算法。 本論文針對(duì)這兩種碼流域信息隱藏算法的特點(diǎn)，提出了一種隱藏分析檢測(cè)算 法。以d e w 這類算法造成的載體信息統(tǒng)計(jì)特性的改變?yōu)榛A(chǔ)，利用視頻序列在 時(shí)間域的強(qiáng)相關(guān)性，建立統(tǒng)計(jì)估計(jì)模型，偵測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)估計(jì)模型之間的關(guān) 系，并且用k o l m o g o r o v s m i r n o v ( k s ) - - 元統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)方法進(jìn)行判斷，從而探 測(cè)壓縮碼流是否有信息嵌入的痕跡。論文共分為五章，結(jié)構(gòu)如下： 第一章前言，簡(jiǎn)要闡述了信息隱藏和信息分析技術(shù)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 第二章信息隱藏技術(shù)，介紹信息隱藏技術(shù)的基本概念、分類、應(yīng)用，以及信 息隱藏分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。 第三章視頻信息隱藏技術(shù)，針對(duì)視頻隱藏技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合m p e g 2 視頻壓 縮標(biāo)準(zhǔn)，討論了視頻隱藏技術(shù)的分類、相關(guān)算法及其應(yīng)用，并詳細(xì)討論了目前視 頻隱藏分析技術(shù)中常用的幾類方法，指出視頻隱藏分析的特點(diǎn)及視頻隱藏分析的 設(shè)計(jì)策略。 第一章前言 第四章視頻信息隱藏算法d e w ，進(jìn)一步討論可以直接應(yīng)用于m p e g 壓縮視 頻碼流并且能夠抵抗解碼攻擊的差分能量水印算法。 第五章針對(duì)差分能量水印算法( d e w ) 的視頻隱藏算法進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。針 對(duì)這種碼流域信息隱藏算法的特點(diǎn)，提出了一種隱藏分析檢測(cè)算法。并且用 k o l m o g o r o v s m i m o v ( k s ) - - 元統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)方法進(jìn)行判斷，從而探測(cè)壓縮碼流 是否有信息嵌入的痕跡。 最后是結(jié)束語，參考文獻(xiàn)和致謝部分。 第二章信息隱藏技術(shù) 第二章信息隱藏技術(shù) 信息隱藏的基本思想源于古代的隱寫術(shù)( s t e g a n o g r a p h y ) ，古希臘人的“蠟 板傳書”，古羅馬人的“頭皮載信”，以及我國(guó)古代的藏頭詩都是信息隱藏技術(shù)的 雛形。古典隱寫術(shù)與其說是一門技術(shù)，毋寧說是一種需要豐富想象力的藝術(shù)。而 隨著近年來計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，建立在現(xiàn)代通信、數(shù)字處理和編 碼技術(shù)基礎(chǔ)上的當(dāng)代信息隱藏技術(shù)，以及基于各種統(tǒng)計(jì)信號(hào)分析手段的信息檢 測(cè)，與古典隱寫術(shù)具有完全不同的內(nèi)涵。從學(xué)術(shù)研究角度而言，信息隱藏是一項(xiàng) 橫跨信息處理、圖像處理、多媒體技術(shù)、模式識(shí)別、數(shù)字通信等多學(xué)科領(lǐng)域的新 興技術(shù)。它正以全新的面目出現(xiàn)，成為當(dāng)前信息安全研究和應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)重 要內(nèi)容并受到高度重視。總之，信息隱藏是一項(xiàng)重要的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，同時(shí)它又 是一項(xiàng)具有重大實(shí)用價(jià)值的高新技術(shù)，隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)有著十分 廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。信息隱藏技術(shù)的研究特別要面向因特網(wǎng)上廣為使用的各種數(shù)據(jù) 文件，包括各種格式的圖像文件、各種壓縮格式的音視頻文件、三維動(dòng)畫文件、 文檔文件以及各種多媒體郵件。古老的隱寫術(shù)衍生出的信息隱藏技術(shù)，在信息時(shí) 代一定會(huì)在信息安全方面得到廣泛的應(yīng)用。 2 1 信息隱藏的概念 信息隱藏是把一個(gè)特定的信息隱藏在另一個(gè)稱為載體的信息中，其中可以作 為載體的有圖像、音頻、視頻和一般的文檔等，它們之所以能用于隱藏信息是因 為：一方面，多媒體信息本身存在很大的冗余控件，從信息論的角度看，未壓縮 的多媒體信息的編碼效率是很低的，所以將某些信息嵌入到多媒體信息中進(jìn)行秘 密傳送是完全可行的，并不會(huì)影響多媒體信息本身的傳送和使用。另一方面，人 眼或人耳對(duì)于某些信息都有一定的掩蔽效應(yīng)，比如人眼對(duì)灰度的分辨率只有幾十 個(gè)灰度級(jí)，對(duì)圖像內(nèi)容中的邊緣信息不敏感等，利用人的這些特點(diǎn)，可以很好的 將信息隱藏到載體中而不被覺察。 1 9 9 6 年5 月在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開的第一屆信息隱藏國(guó)際研討會(huì)定義 了信息隱藏的幾個(gè)基本概念【3 j ： 嵌入信息：多媒體信息的所有者希望隱藏在原信息中的數(shù)據(jù)； 載體：原始的數(shù)字化信息，如圖像、視頻、音頻和文本文檔等； 偽裝對(duì)象：將待隱藏信息通過算法嵌入到載體信息中得到的對(duì)象； 第二章信息隱藏技術(shù) 密鑰：控制秘密信息的嵌入和提取操作。一般信息隱藏的算法是公開的， 對(duì)隱藏信息的嵌入和提取的控制，要通過密鑰來實(shí)現(xiàn)。 信息隱藏技術(shù)至今尚未形成完整的理論體系，通常采用如圖2 1 所示的信息 隱藏系統(tǒng)的描述其基本模型h 1 。 密鑰k密鑰k 塑孽露產(chǎn)盟嚷惑斗孽p 燮叫惑薩 i 墮塑堡星翌ll 墮墮坌塹耋f 圖2 1信息隱藏系統(tǒng)的基本模型 設(shè)s 是秘密信息，對(duì)它進(jìn)行預(yù)處理，例如加密、擴(kuò)頻等，以增強(qiáng)其安全性， 得到預(yù)處理后的嵌入信息w 。信息嵌入系統(tǒng)可以用公式( 2 1 ) 來表示。 i = e ( w ，k ，o ) ( 2 1 ) 其中，e 表示嵌入函數(shù)：k 表示控制嵌入的密鑰；o 表示原始信息，可以是文檔、 圖像、聲音、視頻文件等：i 表示隱蔽對(duì)象，該信息可以通過公開信道進(jìn)行傳輸。 經(jīng)過信道傳輸過來的媒體信息i 可能經(jīng)過了隱藏分析者的攻擊或處理，不完全與 信息嵌入系統(tǒng)得到的隱蔽對(duì)象i 完全相同。在密鑰k 的控制下，有時(shí)還需要原始 信息o 的參與，經(jīng)過提取函數(shù)d 得到嵌入的秘密信息s 。如公式( 2 2 ) 所示。 s = d ( i , k ，o )( 2 2 ) 信息之所以可以隱藏于多媒體數(shù)據(jù)中是因?yàn)? 5 j ： 1 、多媒體信息本身存在很大的冗余度，從信息論的角度看，未經(jīng)壓縮的多 媒體信息的編碼效率是很低的，所以將某些信息嵌入到多媒體信息中進(jìn)行秘密傳 送是完全可行的，并不會(huì)影響多媒體信息本身的傳送和使用。 2 、人眼和人耳對(duì)某些信息都有一定的掩蔽效應(yīng)，比如人眼對(duì)灰度的分辨率 只有幾十個(gè)灰度級(jí)，對(duì)細(xì)節(jié)信息也不敏感等。利用人類自身的這些特點(diǎn)，把嵌入 信息視為在強(qiáng)背景下疊加一個(gè)弱信號(hào)，只要疊加的信號(hào)強(qiáng)度低于人類視覺系統(tǒng) ( h v s ) 對(duì)比度門限或聽覺系統(tǒng)( h a s ) 對(duì)聲音的感覺門限，h v s 和h a s 就無 法感知到疊加信號(hào)的存在。由于h v s 和h a s 受空間、時(shí)間和頻率特性的限制， 因此通過對(duì)載體對(duì)象做出一定的調(diào)整，就有可能在不引起人類感觀知覺的情況下 第二章信息隱藏技術(shù) 嵌入一些秘密信息。 上述的兩個(gè)特點(diǎn)也是多媒體壓縮編碼可以實(shí)現(xiàn)的原因?？梢?，信息隱藏技術(shù) 和數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)都是建立在某些相關(guān)學(xué)科積累起來的豐富研究成果之上的。 首先，從研究的目標(biāo)上來看，壓縮技術(shù)是要在人的感覺系統(tǒng)所不能察覺的范圍內(nèi) 盡量去除信息冗余，以減少傳輸信息所需的碼字，而信息隱藏技術(shù)則要求在相同 的條件下向數(shù)字媒體信息中加入一些信息。它們都是利用人類感覺系統(tǒng)的有限性 來實(shí)現(xiàn)其研究目的，這一點(diǎn)便決定了壓縮技術(shù)中發(fā)展起來的很多理論成果都可以 為信息隱藏技術(shù)所借鑒引用，如小波變換、子帶編碼和對(duì)人類視覺聽覺中掩蔽效 應(yīng)的研究等。另一方面，由于研究目的不同，這兩種技術(shù)之間始終存在著矛盾關(guān) 系，比如，數(shù)字水印的魯棒性要求嵌入算法必須能夠抵抗一定程度的壓縮。因此， 其中任何一種技術(shù)理論和應(yīng)用的發(fā)展也將對(duì)另一種技術(shù)提出挑戰(zhàn)怕j 。 2 2 信息隱藏的分類和要求 隨著信息隱藏技術(shù)的的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了很多研究成果，對(duì)信息隱藏的分類 可以從多個(gè)角度進(jìn)行，其中主要的分類方法有： 1 、按照載體類型分類，包括基于文本、圖像、音頻和視頻的隱藏技術(shù)； 2 、按照嵌入域分類，主要可分為時(shí)空域和變換域隱藏技術(shù)、壓縮域和非壓 縮域隱藏技術(shù)； 3 、按照嵌入策略分類，可分為替換調(diào)制、模式調(diào)制和擴(kuò)頻疊加調(diào)制等技術(shù)； 4 、按照提取隱藏信息時(shí)是否需要原始載體分類，可分為盲隱藏和非盲隱藏 技術(shù)； 5 、按照隱藏的目的分類，主要可分為隱蔽通信和數(shù)字水印技術(shù)，其中隱蔽 通信主要用于傳輸隱藏的信息；數(shù)字水印技術(shù)則以保護(hù)載體為目的。 信息隱藏系統(tǒng)應(yīng)該具備不可感知性、魯棒性、安全性和信息容量等特性，使 其能夠在信息安全方面成為值得信賴的應(yīng)用體系。 不可感知性與不可檢測(cè)性是信息隱藏系統(tǒng)的基本要求，要求嵌入信息后不影 響對(duì)原信息的理解，即人的生理感官和統(tǒng)計(jì)檢測(cè)等都無法發(fā)現(xiàn)隱秘對(duì)象內(nèi)包含了 其他信息，同時(shí)又要求嵌入操作不影響原信息的感觀效果和使用價(jià)值。此外，隱 藏信息應(yīng)該是統(tǒng)計(jì)上不可檢測(cè)的，即隱藏信息具有足夠好的偽裝性。 魯棒性是指載密對(duì)象能夠抗拒各種信號(hào)處理操作和惡意攻擊的能力，在隱秘 對(duì)象不產(chǎn)生明顯降質(zhì)的前提下，所隱藏的信息仍能保持完整性或仍能被準(zhǔn)確鑒 別。 第二章信息隱藏技術(shù) 安全性包含兩個(gè)方面，首先隱藏的具體位置應(yīng)是安全的，能夠抗擊一些有針 對(duì)性的分析檢測(cè)，要求至少不會(huì)因格式變換而遭到破壞；其次隱藏的信息內(nèi)容也 應(yīng)是安全的。 信息容量是指在滿足魯棒性和不可感知性的前提下，系統(tǒng)應(yīng)能隱藏盡量多的 信息。 不可感知性、魯棒性和信息容量構(gòu)成一種矛盾的三角關(guān)系，三者之間制約， 往往不可同時(shí)兼顧，針對(duì)不同應(yīng)用會(huì)有不同的側(cè)重。對(duì)比信息隱藏的兩個(gè)重要應(yīng) 用分支數(shù)字密寫和數(shù)字水印，數(shù)字密寫的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)隱秘通信，其通信內(nèi)容 是被隱藏的信息，宿主信號(hào)只是提供對(duì)通信內(nèi)容的掩護(hù)，因此強(qiáng)調(diào)的是不可感知 性，而且要求的隱藏容量較多；而數(shù)字水印的目標(biāo)是版權(quán)保護(hù)和侵權(quán)行為的識(shí)別 與追蹤，其保護(hù)重點(diǎn)是數(shù)字產(chǎn)品本身，水印只是提供對(duì)內(nèi)容的版權(quán)保護(hù)，因此強(qiáng) 調(diào)的是水印信息的魯棒性，要求它不容易被去除，而對(duì)隱藏容量的要求較少，并 且水印的存在是可以公開的。 2 3 信息隱藏的應(yīng)用 信息隱藏作為一種新興的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)技術(shù)正在逐步滲透到信息安全 的各個(gè)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，信息隱藏的應(yīng)用主要有以下幾種： 1 、版權(quán)保護(hù)：版權(quán)保護(hù)可能是數(shù)字水印最主要和最早的應(yīng)用。為了表明對(duì) 數(shù)字視頻作品內(nèi)容的所有權(quán)，版權(quán)所有者將自己的版權(quán)標(biāo)識(shí)信息作為水印信息嵌 入到原始載體對(duì)象中，公開發(fā)布嵌入水印的數(shù)字產(chǎn)品，如果該作品被盜版或出現(xiàn) 版權(quán)糾紛時(shí)，可利用提取出的水印信號(hào)來判決所有權(quán)的歸屬，保護(hù)所有者的權(quán)益。 目前，d i g i m a r c 公司以推出了其數(shù)字水印版權(quán)系統(tǒng)，并將水印嵌入和水印檢測(cè)系 統(tǒng)內(nèi)植于a d o b e 公司最流行的圖像處理軟件p h o t o s h o p 中1 7 j 。 2 、隱蔽通信：利用信息隱藏技術(shù)，發(fā)送者將需要傳遞的秘密信息( 如軟件、 圖像、數(shù)據(jù)、文本、音頻、視頻) 嵌入公開的多媒體信息中，只有指定的接收方 才能根據(jù)事先約定的密鑰和算法提取出其中的信息，而由于嵌入秘密信息的多媒 體信息在感知特性上沒有明顯的變化，故秘密信息被人察覺的可能性較小，從這 個(gè)意思上講，傳遞秘密信息的信道也是秘密的。與傳遞一堆雜亂無章的加密數(shù)據(jù) 相比，這種采用公共媒體為秘密信息提供偽裝的隱蔽信道不易引起攻擊者的注 意。此外，由于信息的嵌入方法是秘密的，如果在嵌入過程中再結(jié)合密碼技術(shù)， 這樣，即使敵方知道秘密信息的存在，要提取和破譯該信息也是非常困難的。 3 、數(shù)字指紋：為了避免未經(jīng)授權(quán)的分發(fā)和復(fù)制數(shù)字產(chǎn)品，數(shù)字產(chǎn)品的所有 者可在其發(fā)行的每個(gè)拷貝中嵌入不同的、作為指紋的隱藏信息，用以在不同用戶 第二章信息隱藏技術(shù) 的數(shù)據(jù)拷貝中標(biāo)示用戶的身份，如果發(fā)現(xiàn)了未經(jīng)授權(quán)的拷貝，則通過檢索指紋來 追蹤其來源。例如在即付即看( p p v ) 和視頻點(diǎn)播( v o d ) 等實(shí)時(shí)視頻流應(yīng)用系統(tǒng)中， 可以將用戶的i d 作為數(shù)字指紋嵌入到視頻中以跟蹤用戶是否有超越其許可權(quán)限 的行為。 4 、拷貝控制：這是信息隱藏技術(shù)較為成功的應(yīng)用領(lǐng)域。貯存在水印中的信 息可以控制刻錄儀器實(shí)現(xiàn)拷貝控制的目的，水印代表拷貝禁止位，刻錄儀器中的 水印檢測(cè)器通過查詢水印來判斷該數(shù)據(jù)是否可以進(jìn)行拷貝。目前，在可刻錄d v d 設(shè)備中引入水印系統(tǒng)來控制對(duì)視頻信息產(chǎn)品的拷貝權(quán)限，已被作為數(shù)字視頻產(chǎn)品 知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的核心技術(shù)之一【8 j 。 5 、內(nèi)容認(rèn)證：傳統(tǒng)的基于數(shù)字簽名的信息完整性認(rèn)證系統(tǒng)一般將簽名和媒 體信息捆綁在一起存儲(chǔ)和傳輸，由于簽名獨(dú)立于媒體數(shù)據(jù)存在，這樣既占用一定 的存儲(chǔ)空間或信道帶寬，又容易被刪除；而基于數(shù)字水印的認(rèn)證系統(tǒng)是將水印信 息內(nèi)嵌入媒體信息中，水印無需占用存貯空間或信道帶寬，且很難被除去。目前 許多視頻編輯和處理軟件可以輕易地修改數(shù)字視頻的內(nèi)容，使得視頻內(nèi)容不再可 靠。利用視頻水印進(jìn)行內(nèi)容認(rèn)證和完整性校驗(yàn)的目的是檢測(cè)數(shù)字視頻作品是否被 修改過，其優(yōu)點(diǎn)在于：認(rèn)證同內(nèi)容是密不可分的，簡(jiǎn)化了處理過程。 6 、廣播監(jiān)視：它具有多方面的應(yīng)用需求，如在多語種電影、電視系統(tǒng)中， 可以將各種語言配音和字幕作為秘密信息嵌入到視頻圖像中傳輸，在接收端根據(jù) 用戶的選擇進(jìn)行相應(yīng)的語音和字幕播放，這樣，既節(jié)省了聲音的傳輸信道，又不 影響圖像的主觀質(zhì)量。再者，在商業(yè)廣告中嵌入隱藏信息，一個(gè)自動(dòng)的監(jiān)控系統(tǒng) 就可以確認(rèn)廣告是否按照合同規(guī)定的時(shí)間和數(shù)量進(jìn)行播放。 以上介紹的僅是信息隱藏和數(shù)字水印技術(shù)的一些典型應(yīng)用系統(tǒng)，隨著不斷的 發(fā)展，信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷的拓寬。 2 4 信息隱藏分析技術(shù) 信息隱藏技術(shù)是一把雙刃劍，在被合法的組織人員用于正當(dāng)?shù)碾[秘通信和版 權(quán)保護(hù)的同時(shí)，也可以被不法分子所利用，達(dá)到逃避監(jiān)控和傳播非法情報(bào)的目的。 因此與密碼技術(shù)中的加密與解密對(duì)抗關(guān)系相類似，信息隱藏技術(shù)也有其對(duì)立 面一一信息隱藏分析檢測(cè)技術(shù)，信息隱藏分析就是一種對(duì)抗信息隱藏傳遞的安 全技術(shù)。它用于探測(cè)秘密信息的存在性，估計(jì)嵌入信息長(zhǎng)度，并試圖反向提取嵌 入的信息，進(jìn)而采取措施阻斷非法信息的傳遞。 信息隱藏分析的目的有三個(gè)層次。第一，要回答在一個(gè)載體中，是否隱藏有 秘密信息。第二，如果藏有秘密信息，則設(shè)法提取出秘密信息。第三，如果藏有 第二章信息隱藏技術(shù) 秘密信息，不管能否提取出秘密信息，都不想讓秘密信息正確到達(dá)接收者手中， 因此，第三步就是將秘密信息破壞，但是又不能影響偽裝載體的感觀效果( 視覺、 聽覺、文本格式等) ，也就是說使得接收者能夠正確收到偽裝載體，但是又不能 正確提取秘密信息，并且無法意識(shí)到秘密信息已經(jīng)被攻擊破壞。然而即使已知某 些消息，并假定攻擊者有最好的攻擊條件，提取隱藏的信息仍然是非常困難的。 對(duì)于一些穩(wěn)健性非常強(qiáng)的隱藏算法，破壞隱藏信息也不是一件容易的事情。通常 是以檢測(cè)出多媒體信息中是否隱藏有秘密信息以及對(duì)隱藏信息容量的估算為目 的。 第三章視頻信息隱藏技術(shù) 第三章視頻信息隱藏技術(shù) 隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及和流媒體技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字音視頻資源正逐步取代文字 和靜止圖像成為網(wǎng)絡(luò)信息資源的主流，而剛剛興起的i p t v ，又使得音視頻資源 網(wǎng)絡(luò)傳遞方式將替代固體介質(zhì)載體傳遞方式( 如d v d ) ，成為未來消費(fèi)類音視頻 多媒體信息產(chǎn)品的重要模式。這些海量的信息資源為基于信息隱藏的隱蔽通信提 供了必要的通信環(huán)境，因此基于視頻媒體的信息隱藏技術(shù)必將成為信息隱藏領(lǐng)域 的研究重點(diǎn)，而與之相對(duì)應(yīng)的視頻信息隱藏對(duì)抗技術(shù)的研究也將成為各方關(guān)注的 焦點(diǎn)。 3 1 視頻信息隱藏技術(shù)的特點(diǎn) 數(shù)字視頻信息隱藏是利用視頻數(shù)據(jù)中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)與隨機(jī)性，把秘密 信息嵌入到視頻自身的數(shù)據(jù)中的一種技術(shù)。視頻可以看作由一幀一幀的圖像所組 成的圖像序列。因此，靜止圖像的信息隱藏技術(shù)與視頻的信息隱藏技術(shù)在一定程 度上具有相似之處，一些成功應(yīng)用于靜止圖像的信息隱藏技術(shù)可以被直接引入到 視頻中。然而，在視頻與靜止圖像的信息隱藏技術(shù)之間又存在一定的區(qū)別，這是 由二者之間的幾點(diǎn)重要差異造成的i 引。 第一，視頻媒體為信息隱藏的實(shí)現(xiàn)提供了更大的可用載體空間，對(duì)于靜止圖 像，信號(hào)空間非常有限；而對(duì)于視頻媒體而言，由于信號(hào)從空間域擴(kuò)展到時(shí)間域， 就有更大的載體空間可以被利用來隱藏信息。與此同時(shí)，視頻的這一特點(diǎn)也給信 息隱藏帶來了兩個(gè)難題：一是由于視頻信號(hào)從空間域擴(kuò)展到了時(shí)間域，對(duì)人眼視 覺特性的利用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；二是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的運(yùn)用，使得信息嵌入在一幀 中造成的失真可能延續(xù)到其后的幀，增加了對(duì)視頻質(zhì)量的影響及視頻失真判斷和 控制的難度。 第二，視頻信息隱藏系統(tǒng)必然要經(jīng)歷有損壓縮編碼過程。由于視頻序列的巨 大數(shù)據(jù)量，必須經(jīng)過有損壓縮編碼過程才能進(jìn)行存儲(chǔ)或傳遞，而嵌入其中的信息 必須具有抗擊或者適應(yīng)視頻有損壓縮編碼處理的能力。 第三，視頻相鄰幀之間的內(nèi)容具有較高的相關(guān)性，導(dǎo)致視頻信息隱藏可能遭 遇到針對(duì)視頻信息特性而產(chǎn)生的新攻擊模式的挑戰(zhàn)，如幀重組、幀刪除、幀間統(tǒng) 計(jì)平均和統(tǒng)計(jì)共謀等，因此要求視頻信息隱藏技術(shù)應(yīng)具備抵抗這些攻擊的能力。 第三章視頻信息隱藏技術(shù) 第四，視頻的編碼、傳輸?shù)冉?jīng)常有實(shí)時(shí)或準(zhǔn)時(shí)的要求。與靜止圖像信息隱藏 相比，對(duì)復(fù)雜度的要求更為嚴(yán)格。在某些應(yīng)用中，嵌入和提取的復(fù)雜度不能太高， 以保證實(shí)時(shí)性；還有些應(yīng)用中，信息嵌入和提取的復(fù)雜度是不對(duì)稱的，嵌入可以 稍微復(fù)雜些，以抵抗各種可能的攻擊，而提取和檢測(cè)則基于實(shí)時(shí)的應(yīng)用要簡(jiǎn)單。 3 2 視頻信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用 數(shù)字視頻信息隱藏技術(shù)具有自身的特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合也具有不同的特 點(diǎn)。本節(jié)以數(shù)字水印技術(shù)在視音頻延時(shí)自動(dòng)矯正，保密通信，版權(quán)保護(hù)等系統(tǒng)中 的應(yīng)用為例，介紹數(shù)字視頻信息隱藏技術(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)。 l 、視音頻延時(shí)自動(dòng)矯正w 視音頻延時(shí)矯正用簡(jiǎn)單的話來說就是“對(duì)口型”。在電視節(jié)目的制作過程中， 視頻信號(hào)和音頻信號(hào)通常都是分開處理的。這樣，由于處理和傳輸鏈路的不同， 造成了視頻信號(hào)和音頻信號(hào)之間定時(shí)關(guān)系的改變。這種改變對(duì)數(shù)字視音頻來說更 為明顯。如果不對(duì)視音頻信號(hào)之間這種定時(shí)關(guān)系的改變加以矯正補(bǔ)償，就會(huì)出現(xiàn) 聲圖不同步。通常的矯正方法是：對(duì)音頻信號(hào)施以一固定的延時(shí)補(bǔ)償量。以此維 持恒定的視音頻定時(shí)關(guān)系。但此法有兩個(gè)不足：一是它不能自動(dòng)跟蹤視音頻延時(shí) 量的變化；二是其操作設(shè)定依賴于特定節(jié)目素材( 如人物說話) 。利用數(shù)字水印技 術(shù)可以很好地克服上述不足。其做法是：從音頻信號(hào)中提取特征值，把它作為水 印嵌入到同步的數(shù)字視頻信號(hào)中。加有水印的數(shù)字視頻信號(hào)和音頻信號(hào)如常地進(jìn) 行傳輸分配。在接收端先從數(shù)字視頻信號(hào)中檢測(cè)提取出數(shù)字水印( 音頻特征值) ， 并與從接收到的音頻信號(hào)中提取的特征值比較，從而找到相應(yīng)的同步點(diǎn)。計(jì)算兩 者之間的時(shí)延量，以此來控制音頻延時(shí)器，就能達(dá)到視音頻延時(shí)的自動(dòng)矯正。 2 、保密通信 在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)囊恍┟孛軘?shù)據(jù)要防止非授權(quán)用戶截獲并使用，這是網(wǎng)絡(luò)安全 的一個(gè)重要內(nèi)容，如電子商務(wù)中的敏感數(shù)據(jù)的傳輸、談判雙方秘密協(xié)議及合同的 互遞、網(wǎng)上銀行交易中敏感信息的傳送、重要文件的數(shù)字簽名、重要軍事情報(bào)的 隱蔽傳遞等，都不希望引起好事者的注意，這時(shí)就可以采用信息隱藏技術(shù)進(jìn)行隱 蔽傳輸。即將秘密信息隱藏在普通的視頻文件中傳輸，由于嵌入秘密信息的視頻 在感知特性上沒有明顯的變化，故秘密信息被人察覺的可能性較小，從而可達(dá)到 安全傳輸?shù)哪康摹?3 、版權(quán)保護(hù) 隨著數(shù)字化的發(fā)展，視頻作品均以數(shù)字的形式出現(xiàn)和傳播。數(shù)字化作品具有 易復(fù)制和易修改的特點(diǎn)，隨之而來的是盜版現(xiàn)象嚴(yán)重，版權(quán)糾紛事件增多。數(shù)字 第三章視頻信息隱藏技術(shù) 視頻水印可以很有效地解決這個(gè)問題。版權(quán)所有者在向用戶發(fā)放作品之前，可將 自己的版權(quán)標(biāo)識(shí)信息作為水印信息嵌入到原始載體對(duì)象中，如果該作品被盜版或 者出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，可利用提取出的水印信號(hào)來判決所有權(quán)的歸屬，保護(hù)所有者 的權(quán)益。 4 、盜版追蹤 版權(quán)保護(hù)只能證明非法復(fù)制問題的存在，而無法獲得非法復(fù)制的途徑。為解 決這個(gè)問題，數(shù)字產(chǎn)品的所有者可運(yùn)用數(shù)字指紋技術(shù)，向分發(fā)給每個(gè)用戶的拷貝 中引入一個(gè)惟一的“指紋”，并保存售出拷貝中對(duì)應(yīng)指紋與用戶身份的數(shù)據(jù)庫，那 么將來發(fā)現(xiàn)被非法再分發(fā)的數(shù)字產(chǎn)品時(shí)，發(fā)行者可以通過檢測(cè)其中的“指紋”來跟 蹤數(shù)字產(chǎn)品的原始購(gòu)買者。例如即付即看( p p v ) 和視頻點(diǎn)播( v o d ) 等實(shí)時(shí)視 頻流應(yīng)用系統(tǒng)中，可以將用戶的i d 作為數(shù)字指紋嵌入到視頻中以跟蹤用戶是否 有超越其許可權(quán)限的行為。 5 、拷貝控制 要有效地保護(hù)版權(quán)，還應(yīng)該有可靠的技術(shù)手段以使非授權(quán)者不能對(duì)數(shù)字產(chǎn)品 進(jìn)行非法拷貝。一種方法就是在數(shù)字產(chǎn)品中嵌入反映拷貝狀態(tài)的水印。一個(gè)典型 的應(yīng)用例子是d v d 系統(tǒng)，拷貝信息以嵌入水印形式包含在d v d 數(shù)據(jù)中。具有 防拷貝功能的d v d 播放器不允許回放或拷貝含有類似“禁止拷貝( c o p yn e v e r ) ” 水印信息的數(shù)據(jù)，對(duì)含有“允許拷貝一次( c o p yo n c e ) 水印的數(shù)據(jù)只能拷貝 一次，但不允許從該拷貝進(jìn)一步制作拷貝。這樣，消費(fèi)者可在自用的范圍內(nèi)復(fù)制 和欣賞高質(zhì)量的視頻，而以盈利為目的的大批量非法復(fù)制則無法進(jìn)行。 6 、廣播監(jiān)控 在多語種電影、電視系統(tǒng)中，利用信息隱藏技術(shù)將各種語言配音和字幕作為 附加信息嵌入到視頻中進(jìn)行傳輸，在接收端可以根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行相應(yīng)的語言 和字幕播放，這樣既節(jié)省了聲音的傳輸信道，又不影響圖像的主觀質(zhì)量。 在商業(yè)廣告中利用信息隱藏技術(shù)嵌入特有的客戶標(biāo)記，一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)站在接 收這些廣告信息后，將檢測(cè)和識(shí)別這些標(biāo)記，并記錄播出時(shí)間和地點(diǎn)以確認(rèn)廣告 是否按照合同進(jìn)行播放，這樣就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的廣播監(jiān)控。v e i l i i 和m e d i a t r a x 商業(yè)系統(tǒng)已應(yīng)用信息隱藏技術(shù)提供對(duì)視頻信號(hào)的廣播檢測(cè)。 3 3m p e g 2 視頻壓縮編碼技術(shù) 數(shù)字視頻信息隱藏系統(tǒng)是作為一種新型信息安全或信息管理的技術(shù)手段被 引入多媒體視頻信息處理系統(tǒng)中的，而基于有損壓縮編碼的視頻信源編碼技術(shù)， 是實(shí)現(xiàn)視頻信息有效傳輸和存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)，信息隱藏系統(tǒng)必須與視頻壓縮編碼 第三章視頻信息隱藏技術(shù) 系統(tǒng)相結(jié)合，因此，我們以m p e g 2 標(biāo)準(zhǔn)為例介紹視頻壓縮編碼技術(shù)，以便更好 的理解信息隱藏技術(shù)在視頻信息系統(tǒng)中的應(yīng)用。 視頻壓縮編碼的原理是利用了視頻的兩種特性：空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。 一幀圖像內(nèi)的任何一個(gè)場(chǎng)景都是由若干像素點(diǎn)構(gòu)成的，一個(gè)像素通常與它周圍的 某些像素在亮度和色度上存在一定的關(guān)系，叫做空間相關(guān)性；一個(gè)節(jié)目中的一個(gè) 情節(jié)常常由若干幀連續(xù)圖像組成的圖像序列構(gòu)成，一個(gè)圖像序列中前后幀圖像間 也存在一定的關(guān)系，叫做時(shí)間相關(guān)性。這兩種相關(guān)性使得圖像中存在大量的冗余 信息。將這些冗余信息去除，只保留少量非相關(guān)信息進(jìn)行傳輸，就可以大大節(jié)省 傳輸頻帶。而接收方利用這些非相關(guān)信息，按照一定的解碼算法，可以在保證一 定的圖像質(zhì)量的前提下恢復(fù)原始圖像。 目前較為理想的視頻壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如m p e g 2 、m p e g 4 等，它們的 算法都利用了前面提到的兩種特性，核心框架均采用了混合圖像編碼方式 ( h y b r i di m a g ec o d i n g ) 。該框架的最初形成應(yīng)追溯到h 2 6 1 in q , 如圖3 1 所示。 兜頻序列 一n 二恒也 1 “一m 幣 一、一一_ c 一 寧甲 復(fù) 1 廠。 p 用 i u - a 運(yùn)肆犁與掣運(yùn)動(dòng)艟- 圖3 1 混和圖像編碼系統(tǒng)基本框圖 m p e g 2 的編碼碼流分為六個(gè)層次。從上至下依次為：視頻序y u ( s e q u e n c e ) 、 圖像組層( g o p ：g r o u po fp i c t u r e ) 、圖像層( p i c t u r e ) 、組塊層( s l i c e ) 、宏塊層 ( m a c r o b l o c k ) 和像塊層( b l o c k ) 。根據(jù)不同的編碼方式，m p e g 2 中編碼圖像被分 為三類，分別稱為l 幀、p 幀和b 幀。i 幀圖像的壓縮倍數(shù)相對(duì)較低，只利用了單幀 圖像的空間相關(guān)性，采用幀內(nèi)編碼方式。p 幀和b 幀圖像采用幀間編碼方式，即 同時(shí)利用了空間和時(shí)間上的相關(guān)性。p 幀圖像只采用前向時(shí)間預(yù)測(cè)，可以提高壓 縮效率和圖像質(zhì)量，p 幀圖像中亦可包含幀內(nèi)編碼的部分，即p 幀中的每一個(gè)宏塊 可以是前向預(yù)測(cè)，也可以是幀內(nèi)編碼。b 幀圖像采用雙向時(shí)間預(yù)測(cè)，可以大大提 第三章視頻信息隱藏技術(shù) 高壓縮倍數(shù)。值得注意的是，由于b 幀圖像采用了后向幀作為參考，因此m p e g 2 編碼碼流中圖像幀的傳輸順序和顯示順序是不同的。 m p e g 2 視頻壓縮基本流程為：幀間運(yùn)動(dòng)估值與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償( m e + m c ) + 變換 編碼( d c t ) + 量化( q ) + 變字長(zhǎng)熵編碼( v l c ) 。下面介紹編碼流程中的關(guān)鍵 技術(shù)。 1 、運(yùn)動(dòng)估值和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 運(yùn)動(dòng)估值用于幀間編碼方式，通過參考幀圖像產(chǎn)生對(duì)被壓縮圖像的預(yù)測(cè)。運(yùn) 動(dòng)估值的準(zhǔn)確程度對(duì)幀間編碼的壓縮效果非常重要，因?yàn)橛糜趥鬏數(shù)闹皇潜粔嚎s 圖像與估值圖像相減后得到的很小的殘差。運(yùn)動(dòng)估值以宏塊( 1 6 1 6 個(gè)象素) 為 單位進(jìn)行，計(jì)算被壓縮圖像與參考圖像相應(yīng)的宏塊間的位置偏移。這種位置偏移 是以運(yùn)動(dòng)矢量來描述的，一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量代表水平和垂直兩個(gè)方向上的位移。運(yùn)動(dòng) 估值時(shí)，p 幀和b 幀圖像所使用的參考幀圖像是不同的。p 幀圖像使用前面最近解 碼的i 幀或p 幀作為參考圖像，稱為前向預(yù)測(cè)：而b 幀圖像使用兩幀圖像作為預(yù)測(cè) 參考，稱為雙向預(yù)測(cè)，其中一個(gè)參考幀在顯示順序上先于編碼幀( 前向預(yù)測(cè)) ，另 一幀在顯示順序上晚于編碼幀( 后向預(yù)測(cè)) ，b 幀在任何情況下都不可能為參考幀。 利用運(yùn)動(dòng)估值算出的運(yùn)動(dòng)矢量，采用變字長(zhǎng)編碼同宏塊信息一起傳輸。由于絕大 多數(shù)的自然場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)都是有序的，因此這種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償生成的預(yù)測(cè)圖像與被壓縮 圖像的差分值是很小的。 2 、離散余弦變換d c t d c t 是一種正交空間變換，在m p e g 2 中d c t 以8 x 8 的像素塊為單位進(jìn)行， 生成的是8 x 8 的d c t 系數(shù)數(shù)據(jù)塊。d c t 變換的最大特點(diǎn)是能夠?qū)⒁话銏D像的圖像 塊的能量集中于少數(shù)低頻d c t 系數(shù)上，即生成的8 x 8 d c t 系數(shù)塊中，僅左上角的 少量低頻系數(shù)的數(shù)值較大，其余系數(shù)的數(shù)值很小，這樣就可能只編碼和傳輸少數(shù) 系數(shù)而不嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。d c t 不能直接對(duì)圖像產(chǎn)生壓縮作用，但對(duì)圖像的能 量具有很好的集中效果，為壓縮打下了基礎(chǔ)。 3 、量化器 量化是針對(duì)d c t 變換系數(shù)進(jìn)行的，量化過程就是以某個(gè)量化步長(zhǎng)去除d c t 系數(shù)。量化步長(zhǎng)的大小稱為量化精度，量化步長(zhǎng)越小，量化精度就越細(xì)，包含的 信息就越多，但所需的傳輸頻帶越寬。不同的d c t 變換系數(shù)對(duì)人類視覺感應(yīng)的重 要性是不同的，因此編碼器根據(jù)視覺感應(yīng)準(zhǔn)則，對(duì)一個(gè)8 8 的d c t 變換塊中的6 4 個(gè)d c t 變換系數(shù)采用不同的量化精度，以保證盡可能多地包含特定的d c t 空間頻 率信息，又使量化精度不超過需要。d c t 變換系數(shù)中，低頻系數(shù)對(duì)視覺感應(yīng)的重 要性較高，因此分配的量化精度較細(xì)；高頻系數(shù)對(duì)視覺感應(yīng)的重要性較低，分配 的量化精度較粗，通常情況下，一個(gè)d c t 變換塊中的大多數(shù)高頻系數(shù)量化后都會(huì) 第三章視頻信息隱藏技術(shù) 變?yōu)榱恪?4 、之型掃描與游程編碼 d c t 變換量化后產(chǎn)生的是一個(gè)8 x 8 的二維數(shù)組，為進(jìn)行傳輸，還需將其轉(zhuǎn)換 為一維排列方式。m p e g 2 支持兩種二維到一維的轉(zhuǎn)換方式，或稱為掃描方式： 之型掃描( z i g z a g ) 和交替掃描，其中之型掃描是最常用的一種，如圖2 3 ( a ) 所示。 經(jīng)量化后，大多數(shù)非零d c t 系數(shù)集中于8 x 8 _ 二- - 維矩陣的左上角，即低頻分量區(qū)， 之型掃描后，這些非零d c t 系數(shù)就集中于一維排列數(shù)組的前部，后面跟著長(zhǎng)串的 量化為零的d c t 系數(shù)，這些就為游程編碼創(chuàng)造了條件。 游程編碼中，只有非零系數(shù)被編碼。一個(gè)非零系數(shù)的編碼由兩部分組成：前 一部分表示非零系數(shù)前的連續(xù)零系數(shù)的個(gè)數(shù)( 稱為游程r u n ) ，后一部分是非零 系數(shù)的值( l e v e l ) 。這樣就把之型掃描的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出來了，因?yàn)橹蛼呙柙?大多數(shù)情況下出現(xiàn)連續(xù)零的機(jī)會(huì)比較多，游程編碼的效率就比較高。當(dāng)一維序列 中的后部剩余的d c t 系數(shù)都為零時(shí)，只要用一個(gè)“塊結(jié)束”標(biāo)志( e o b ) 來指示， 就可結(jié)束這一8 8 變換塊的編碼，產(chǎn)生的壓縮效果是非常明顯的。 5 、變字長(zhǎng)編碼 在變字長(zhǎng)編碼中，對(duì)于出現(xiàn)概率大的信息符號(hào)賦予短字長(zhǎng)的碼，對(duì)于出現(xiàn)概 率小的信息符號(hào)賦予長(zhǎng)字長(zhǎng)的碼，如果碼字長(zhǎng)度嚴(yán)格按照符號(hào)概率的大小的相反 順序排列，則平均碼字長(zhǎng)度一定小于按任何其他符號(hào)順序排列方式得到的碼字長(zhǎng) 度，因而可以提高編碼效率。m p e g 2 視頻壓縮系統(tǒng)中采用的變字長(zhǎng)編碼是霍夫 曼編碼。m p e g 2 專家組通過對(duì)大量自然圖像的統(tǒng)計(jì)，得到兩個(gè)霍夫曼碼表供 m p e g 2 編碼系統(tǒng)選擇使用。 3 4 視頻信息隱藏技術(shù)的分類 視頻信息隱藏技術(shù)作為信息隱藏技術(shù)的重要分支，可以基于不同的分類原則 進(jìn)行分類?？梢园措[藏算法所針對(duì)的視頻壓縮編碼系統(tǒng)進(jìn)行分類，也可以按隱藏 信息嵌入的位置進(jìn)行分類，還可以按照信息隱藏算法的自身特征進(jìn)行分類。其中 第一種分類方法比較直觀，此處將重點(diǎn)針對(duì)后兩種分類方法進(jìn)行介紹。 3 4 1 基于信息隱藏位置的分類 考慮到視頻信息隱藏必須與視頻壓縮編碼系統(tǒng)相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值， 因此根據(jù)信息隱藏算法與數(shù)字視頻編碼系統(tǒng)的結(jié)合方式不同，可以將數(shù)字視頻信 息隱藏技術(shù)分為三類。以應(yīng)用于m p e g 2 系統(tǒng)的視頻信息隱藏技術(shù)為例，圖3 2 示意性地描述了不同嵌入與提取策略同視頻編解碼系統(tǒng)的關(guān)系【1 2 】。 第三章視頻信息隱藏技術(shù) 原始 視頻碼流 壓縮 碼流 重建 視頻碼流 前置嵌入內(nèi)置嵌入后置嵌入 前置提取 內(nèi)置提取 后置提取 圖3 - 2 基于m p e g 2 的視頻信息隱藏嵌入與提取方案 l 、前置式視頻隱藏嵌入 前置式視頻