摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)加密通信容易被攻擊者監(jiān)聽(tīng)和破譯的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的基于視頻數(shù)字水印技術(shù)的隱密通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)先將隱密數(shù)據(jù)加密，然后對(duì)加密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行BCH編碼并按密鑰置換，最后將隱密數(shù)據(jù)和重同步標(biāo)識(shí)依次嵌入到DCT塊的中頻系數(shù)中。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)具有良好的抗噪聲、視頻壓縮編碼的性能，并能實(shí)現(xiàn)隱密數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

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關(guān)鍵詞：視頻水印；隱密通信；重同步標(biāo)識(shí);噪聲攻擊

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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.



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

1 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，網(wǎng)絡(luò)信息安全日益突出，通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息安全問(wèn)題也日益顯露出來(lái)。因此，如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)施有效的信息安全手段成為一個(gè)亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。傳統(tǒng)的通信安全是以密碼學(xué)為基礎(chǔ)的，即把相關(guān)數(shù)據(jù)加密成密文后進(jìn)行傳輸，以使非法攻擊者無(wú)法從密文中獲得真實(shí)信息，從而達(dá)到有效保護(hù)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(shù)據(jù)因其不可理解性，從而不利于信息的傳播；另一方面，信息經(jīng)過(guò)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(qiáng)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(jìn)行破壞。這里，可利用生理學(xué)模型，通過(guò)適當(dāng)?shù)牟呗詫㈦[密信息嵌入到視聽(tīng)不敏感區(qū)域，則嵌入水印的宿主媒體便不會(huì)引起不良的視聽(tīng)效果^[3]。本文正是利用此特性，以實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊曨l流為平臺(tái)，將要隱密傳輸?shù)男畔⒁詳?shù)字水印方式嵌入視頻流中傳輸，用以提高通信的安全性。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的偽裝性是傳統(tǒng)加密通信無(wú)法比擬的，且攻擊者很難獲取隱藏信息。

2 系統(tǒng)基本架構(gòu)

基于視頻水印的隱密通信系統(tǒng)的基本模型如圖1所示，其中隱密信息是以數(shù)字水印方式嵌入到實(shí)時(shí)視頻中并進(jìn)行傳輸?shù)?。選擇視頻作為水印信息的載體是由于視頻可描述為時(shí)間的一維函數(shù)，在嵌入水印時(shí)可以減少運(yùn)算量和時(shí)間復(fù)雜度。另外，視頻節(jié)目數(shù)據(jù)量很大，通?？梢郧度胼^多的水印信息。同時(shí)，人們?nèi)粘Ｊ褂玫囊曨l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(tǒng)的基本模型

3 水印的嵌入與提取算法

對(duì)于該隱密通信系統(tǒng)，其中隱藏的水印數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中難免會(huì)遭到攻擊或破壞，而當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)遭到攻擊或破壞時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致同步丟失和字節(jié)的位漂移。這時(shí)，即使提取的水印信息從比特意義上來(lái)說(shuō)是正確的，當(dāng)將這些提取的比特組成字節(jié)時(shí)，則可能會(huì)是一串無(wú)意義的亂碼。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種快速的可隨機(jī)檢測(cè)的穩(wěn)健視頻水印算法。

3.1 隱密數(shù)據(jù)的BCH編碼和置換

由于隱藏在視頻流中的水印數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中會(huì)遭到有意和無(wú)意的攻擊，這里，在嵌入前，先將隱藏的信息進(jìn)行信道編碼^[4]，以提高其穩(wěn)健性?？紤]到隱藏信息是可以字節(jié)的形式表示和存儲(chǔ)的^[5]，為此文中為待嵌入和檢測(cè)的水印信息設(shè)計(jì)了一種(24，9)形式的BCH 碼，該BCH的生成多項(xiàng)式可用式(1)來(lái)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(gè)碼字，其漢明距為8，其可糾正不大于3比特的隨機(jī)誤碼。

接下來(lái)，將需要嵌入的隱密通信數(shù)據(jù)按式(2)進(jìn)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(shù)據(jù)，Bj表示BCH碼中的一個(gè)碼字，key為變換密鑰。

3.2 重同步標(biāo)識(shí)的選取和檢測(cè)

為了在出現(xiàn)視頻跳轉(zhuǎn)或視頻丟幀等情況時(shí)，能快速地檢測(cè)到正確的隱密信息，本文將會(huì)在嵌入水印數(shù)據(jù)的過(guò)程中，同時(shí)定期地嵌入一些重同步標(biāo)識(shí)(Resynchronization Marker，RM)。其中，重同步標(biāo)識(shí)是一個(gè)惟一的碼字，且不會(huì)是前面所選用的BCH碼的任何一個(gè)碼字重復(fù)。同時(shí)，也是判別視頻中是否嵌入了隱密和進(jìn)行重同步的標(biāo)志碼。即當(dāng)進(jìn)行水印檢測(cè)時(shí)，需先檢測(cè)重同步標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)的搜索效率和隱密信息的不可感知性。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)選取N(N=24)位的偽隨機(jī)序列作為重同步標(biāo)識(shí)，該碼以十六進(jìn)制表示為：“0xF65A50”。它與前面所選的BCH信號(hào)集中的所有碼字的碼距都不小于9，即該重同步標(biāo)識(shí)發(fā)生不大于4比特的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，都不會(huì)與所選的BCH信號(hào)集中的任何一個(gè)碼字相混淆，從而具有較強(qiáng)的魯棒性。

同時(shí)，搜索重同步標(biāo)識(shí)是正確提取隱密信息的前提，但重同步標(biāo)識(shí)在傳輸過(guò)程中也可能會(huì)遭受攻擊而出錯(cuò)。對(duì)此，本文使用相似函數(shù)(式(3)，式(4))來(lái)判斷是否檢測(cè)到了重同步標(biāo)識(shí)^[5]。



MaxDiff(rm，rm′)=∑Ni=1|rm(i)－rm′(i)|

(3)

sync(rm，rm′)=1(檢測(cè)到重同步標(biāo)識(shí))，

MaxDiff(rm，rm′)≤Trm

0(未檢測(cè)到重同步標(biāo)碼)，

MaxDiff(rm，rm′)>Trm

(4)



這里， rm′(i)，0≤i

3.3 通信數(shù)據(jù)的嵌入與檢測(cè)算法

通信數(shù)據(jù)的嵌入可在視頻編碼時(shí)一并完成，在嵌入通信數(shù)據(jù)之前，先對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以提高通信數(shù)據(jù)的安全性。然后按圖2的方式嵌入加密的通信數(shù)據(jù)和重同步標(biāo)識(shí)。

其中，本文根據(jù)水印的不可感知性和魯棒性要求，對(duì)于每一個(gè)DCT塊，僅對(duì)其中某一個(gè)特定的中頻DCT系數(shù)進(jìn)行調(diào)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(qiáng)度；mod表示取余運(yùn)算；DCTxy表示第x個(gè)DCT塊按“之”字形順序掃描的第y個(gè)系數(shù)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(shù)據(jù)的提取可在視頻解碼時(shí)完成，其具體提取和數(shù)據(jù)組織過(guò)程如圖3所示。

圖3 隱密信息的檢測(cè)

其中，水印比特位的提取方法如式(7)所示:



Bjk=1，當(dāng)|DCTxy|moda≥a/2

0，當(dāng)|DCTxy|moda

(7)



4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能分析

4.1 對(duì)圖像質(zhì)量的影響?yīng)?/p>

這里，本文通過(guò)峰值信噪比(PSNR)來(lái)衡量本文算法對(duì)視頻圖像質(zhì)量的影響， PSNR的計(jì)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(diǎn)的值，φ［y(m，n)］表示重建圖像中的第m行n列的像素點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)的圖像測(cè)試序列“foreman”和“carphone” 各200幀進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。編解碼器采用開(kāi)源的Xvid程序。且在編碼時(shí)，每個(gè)GOP由1個(gè)I幀，9個(gè)P幀組成，幀率為10 f/s，水印比特位的嵌入強(qiáng)度a取32。其中每幀圖像所對(duì)應(yīng)的PSNR值如圖4所示。從中可以得出：對(duì)于這兩個(gè)序列，其每幀圖像的PSNR值都大于48 dB，且通過(guò)主觀評(píng)測(cè)，采用該算法對(duì)視頻圖像質(zhì)量的影響在視覺(jué)難以感知的范圍之內(nèi)。這說(shuō)明采用本文的隱密算法，可以達(dá)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(wěn)健性

為了衡量文中水印算法的穩(wěn)健性，先定義：

文本檢對(duì)率(Text Correct Rate，TCR)：設(shè)向視頻序列中共嵌入M字節(jié)的隱密數(shù)據(jù)，能正確檢測(cè)到N字節(jié)的隱密數(shù)據(jù)，則：



TCR=N/M×100%

(9)



接著，文中測(cè)試了水印抗隨機(jī)噪聲攻擊和抗視頻壓縮攻擊的穩(wěn)健性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5可以得出，在量化參數(shù)QP＜22時(shí)( PSNR值約為26 dB)，TCR都在98％以上，此時(shí)，該算法對(duì)視頻壓縮有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。不過(guò)當(dāng)QP＞22時(shí)，TCR急劇降低，這時(shí)水印對(duì)視頻壓縮非常敏感。從圖6中可以看出，在PSNR值大于28 dB時(shí)，TCR在89％以上，水印對(duì)隨機(jī)噪聲具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。并且，當(dāng)發(fā)生視頻傳輸錯(cuò)誤時(shí)，該錯(cuò)誤僅限制在兩個(gè)重同步標(biāo)識(shí)之間，而對(duì)其他的隱密信息影響較小，因此該算法可以快速地實(shí)現(xiàn)隱密信息的重同步并具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。

圖5 視頻壓縮后的TCR

圖6 受隨機(jī)噪聲攻擊后的TCR

4.3 信息的嵌入和提取效率

當(dāng)視頻通信過(guò)程中出錯(cuò)時(shí)，則需要快速的實(shí)現(xiàn)重同步，以便快速的檢測(cè)出正確的水印信息，則可以通過(guò)提高重同步標(biāo)識(shí)的插入頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)快速重同步。如當(dāng)每隔num(num=16)個(gè)BCH碼字插入一個(gè)重同步標(biāo)識(shí)，則需要經(jīng)過(guò)24*num+24=408個(gè)DCT塊(每個(gè)DCT塊只嵌入1比特的數(shù)據(jù))，可以實(shí)現(xiàn)一次重同步。而即使對(duì)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(gè)DCT塊?？梢?jiàn)，視頻通信過(guò)程中出錯(cuò)，該算法可以很快的實(shí)現(xiàn)重同步，從而快速地檢測(cè)到有意義的信息。同時(shí)，對(duì)于QCIF格式的視頻，即使幀率只有4 f/s，這時(shí)隱藏信息的傳輸速率也能達(dá)到(176*144)/(8*8)/(24+24/num)*8*4>496(b/s)，完全可以滿足系統(tǒng)對(duì)隱藏信息文本傳輸速率的要求。當(dāng)然，為了進(jìn)一步加快同步速度和提高其對(duì)錯(cuò)誤的穩(wěn)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(jié) 語(yǔ)

基于視頻數(shù)字水印的隱密信息通信系統(tǒng)有效的克服了傳統(tǒng)加密通信易被攻擊者監(jiān)聽(tīng)截取的缺點(diǎn)，系統(tǒng)具有很好的偽裝性。實(shí)驗(yàn)表明：本文算法不僅對(duì)視頻圖像質(zhì)量的影響在視覺(jué)難以感知的范圍之內(nèi)，從而具有較強(qiáng)的隱密性和偽裝性，而且嵌入了隱密信息的實(shí)時(shí)視頻能有效的抵抗隨機(jī)噪聲和視頻壓縮的攻擊，實(shí)現(xiàn)隱密信息的可靠性傳輸。

參 考 文 獻(xiàn)

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［4］沈世鎰，陳魯生.信息論與編碼理論［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

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作者簡(jiǎn)介 張翊武 男，1973年出生，湖南岳陽(yáng)人，碩士/講師。主要研究方向?yàn)槎嗝襟w通信技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。