CN105721873A - 基于mpeg4/2的隐秘传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MPEG4/2的隐秘传输方法，主要解决现有技术编码时间消耗较大和隐藏的秘密信息形式有限的问题。其实现步骤是：1)发送端利用共享密钥置乱秘密信息，并在I帧图像亮度分量中找出适合隐藏秘密信息的子块；2)发送端根据所挑选的子块的隐藏标志隐藏秘密信息；3)发送端加密秘密信息的隐藏位置，并将加密后的秘密信息的隐藏位置和压缩后的视频码流封装打包，并将封装好的数据通过网络发送给接收端；4)接收端解密接收到的秘密信息隐藏位置，根据子块的隐藏标志，提取出秘密信息。本发明具有效率高，实时性好、安全性高、随机性强的优点，可用于公安反恐和保密通信。

Description

基于MPEG4/2的隐秘传输方法

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，特别涉及一种基于视频编解码标准MPEG4/2的隐秘传输方法，可用于公安反恐和保密通信。

背景技术

信息隐藏技术大致可分为数字水印、隐写术、潜信道、隐匿协议、可视密码五类，数字水印主要用于版权保护，内容认证、拷贝控制场合；隐写术是将秘密信息隐藏在某些宿主对象中，且信息传输中不被发现和引起注意。国际国内有关信息隐藏的科技文献有很多，在这些文献里，隐藏秘密信息的载体主要集中在图像、音频、文本等载体中，而且针对的主要是数字版权保护，也有利用图像进行保密通信的方法，比如同义词替换，但是针对视频的隐秘传输的方法还比较少。

周诠等人的专利申请“基于视频的图像压缩及秘密传输方法”，公开号：CN104159117A，是先将待隐藏的图像划分为小图像序列，然后按照收发两端的约定将这些小图像序列重新排列，再利用视频编码压缩标准对划分后的小图像序列进行编码，实现图像的隐秘传输。但这种方法只能实现静止图像的隐秘传输，不能实现其他形式秘密信息的传输。

王让定等人的专利申请“一种HEVC视频的信息隐藏方法”，公开号：CN104065976A，是先在I帧图像8×8亮度块内滑动3×3模板，一个8×8亮度块中需要移动36次，求出该8×8亮度块的局部二值模式标准差，将局部二值模式标准差大于设置的阈值的区域作为隐藏秘密信息的候选区域，然后将秘密信息隐藏在两个连续4×4的子块中，且这两个4×4子块预测模式的数字表识均在区间[2,34]或这两个4×4子块预测模式的数字表识均不在区间[2,34]，但是这种方法消耗的时间较大。

发明内容

本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提出一种基于MPEG4/2的隐秘传输方法，以将秘密信息的隐藏和提取与视频编解码标准MPEG4/2压缩编/解码过程相结合，提高隐藏秘密信息所消耗的时间，扩大秘密信息的传输对象，即在I帧图像亮度分量中选择模糊熵测度值较大的8×8子块隐藏4bit的秘密信息，实现一维序列、二维图像及商标信息的安全传输。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.技术原理：

本发明主要包括两个部分：发送端和接收端。发送端是通过计算I帧图像亮度分量子块的模糊熵测度值，将秘密信息隐藏在模糊熵测度值较大的子块中，也就是将秘密信息隐藏在I帧图像纹理特征较显著的区域，这样既保证隐秘后的视频不为人眼所感知，而且经过MPEG4/2压缩之后隐秘信息仍能完整的提取。为了保证本系统的安全性，在隐藏秘密信息之前，将待隐藏的秘密信息进行置乱，且将隐藏位置加密之后再发送给接收端。

接收端接收到隐藏位置和携密视频流后，首先利用共享密钥k解密接收到的秘密信息隐藏位置，然后在MPEG4/2的解码过程中根据这些解密后的隐藏位置提取出加密后的秘密信息，然后对提取出的秘密信息进行解密，即可得到原始的秘密信息。

为了确保隐秘系统的鲁棒性，在嵌入秘密信息时，将秘密信息隐藏在所挑选的子块的中频系数中。

二.符号和缩写

k为加密秘密信息隐藏位置时使用的共享密钥；

k'为置乱秘密信息时使用的共享密钥；

T'为选取载体时的阈值；

DCT为离散余弦傅里叶变换；

AC/DC为DCT变换得到的交流/直流系数；

LSB为最不重要位；

三.实现步骤：

根据上述原理，本发明的实现步骤包括如下：

(1)秘密信息的隐藏和提取：

(1a)发送端置乱待隐藏的秘密信息，在视频编解码标准MPEG4/2的编码压缩过程中将秘密信息隐藏在视频中，该秘密信息包括一维序列、二维的图像及商标信息。

(1b)接收端在MPEG4/2的解码过程中将隐藏在视频流中的秘密信息提取出来，解密提取出的比特流得到原始的秘密信息；

(2)置乱秘密信息：

对于一维的秘密信息，采用流密码算法RC4对输入的秘密信息通过加密进行置乱；

对于二维图像及商标信息，采用Arnold变换对二维图像和商标信息进行空间上的置乱；

(3)挑选适合隐藏秘密信息的子块：

发送端首先计算I帧图像亮度分量所有8×8子块的模糊熵，并将求出的模糊熵与输入的阈值T'相比较：若子块的模糊熵大于等于阈值T'，则该8×8子块可隐藏秘密信息，设置该子块的隐藏标志为1；否则，该8×8子块不适合隐藏秘密信息，设置该子块的隐藏标志为0；

(4)隐藏秘密信息：

对视频编解码标准MPEG4/2中的宏块依次进行DCT变换、量化操作后，然后根据该宏块亮度分量的4个8×8子块的隐藏标志完成秘密信息的隐藏，同时保存秘密信息隐藏的位置；最后按照视频编解码标准MPEG4/2的编码过程完成宏块编码的其他操作；

发送端首先利用共享密钥k将秘密信息隐藏的位置加密后，再将加密后的秘密信息隐藏位置和I帧编码压缩后的视频流封装打包，最后通过网络发送给接收端；

(5)接收端从网络层接收发送端发送的数据，并利用共享密钥k解密接收到的秘密信息隐藏位置提取秘密信息：

接收端在视频编解码标准MPEG4/2的I帧图像解码过程中提取秘密信息，提取时只需对码流部分解码，在编码方式为帧内编码的宏块中提取秘密信息；解码完成后，利用共享密钥解密提取出的秘密信息比特流，恢复出原始的秘密信息。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，安全性高。

在本发明中，嵌入的秘密信息和隐藏秘密信息的位置均是经过加密置乱的，对于攻击者来说，若采用单一的模仿攻击，双向的随机选取显然比单向随机选取秘密信息或者单向选取载体的困难性更大，因而系统的安全性更高。

第二，实时性较好

本发明通过计算一个大小为7×7窗口的模糊熵来近似一个8×8窗口的模糊熵,只需一次计算就可找出I帧图像纹理特征较复杂的8×8子块，然后在挑选出的子块8×8中修改量化后的中频系数隐藏秘密信息，减少了计算量，提高了隐藏秘密信息的速度，具有较好的实时性。

第三，隐藏方法灵活，随机性强

本发明在MPEG4/2的动态编码过程中隐藏秘密信息，随着输入的待隐藏的秘密信息的时间不同，秘密信息将隐藏在不同的I帧中，对于攻击者来说，增加了破译的难度。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为本发明中隐藏秘密信息的子流程图；

图3为本发明中提取秘密信息的子流程图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式进一步说明本发明的实施方案。

本发明的核心是在视频编解码标准MPEG4/2的编码过程中隐藏密信，即将秘密信息的隐藏和携载视频流的动态压缩编码相结合，且隐藏秘密信息之后的视频图像不为人眼所感知，使得攻击者不会察觉视频载体中隐藏有秘密信息，通过携密载体的传送，实现秘密信息的保密传输。

参照图1，本发明实现步骤如下：

步骤1，发送方置乱待隐藏的秘密信息。

为了提高隐藏的秘密信息的安全性，增加攻击者破译秘密信息的难度，在隐藏秘密信息之前，将待隐藏的秘密信息先进性置乱，具体的步骤如下：

(1)判断待隐藏的秘密信息：

若待隐藏的秘密信息为一维序列，则执行步骤(2)；

若待隐藏的秘密信息为二维信息，则执行步骤(3)：

(2)采用流密码算法RC4置乱秘密信息：

(2a)将共享密钥k'存放在数组key中，k'长度取128位；

(2b)初始化状态向量Q；

(2c)初始化临时向量P，利用数组key对向量Q做一个置换；

(2d)利用状态向量Q生成与待隐藏的秘密信息比特数目相同长度的密钥流；

(2e)将隐藏的秘密信息的每一比特和生成的密钥流的每一比特相异或；

(3)采用Arnold变换置乱密信：

(3a)构造一个2×2混沌映射矩阵 $A=\left[\begin{array}{c}1,1\\ k^{\′},k^{\′}+1\end{array}\right]\mathrm{mod}S,$ 其中k'是置乱二维秘密信息时的密钥，S为二维信息置乱后的宽度或高度，矩阵A满足det(A)＝1；

(3b)计算秘密信息置乱后的新的坐标值(i',j')^T＝A^d(i,j)^TmodS，其中(i',j')表示置乱后秘密信息的坐标，(i,j)是原始秘密信息的坐标，d是A的迭代次数，T是向量的转置操作；

(3c)将原始秘密信息坐标(i,j)的值放在置乱后的秘密信息(i',j')的位置。

步骤2，发送端计算I帧图像亮度分量所有8×8子块的模糊熵测度值。

(2a)定义模糊集合隶属度如下：

$u(p,q)=\frac{1}{1+|d(p,q)-d^{\′}|/N},$

其中，d(p,q)是图像(p,q)处的像素值，d′是图像(p,q)处像素的归一化值，p,q＝1,...,8，N'为常数，其取值要保证模糊集合隶属度u(p,q)的值域范围在0.5到1之间，即0.5≤u(d(p,q))≤1；

(2b)在模糊集合隶属度的基础上定义图像(p,q)位置处像素的模糊值如下：

H(p,q)＝-(u(p,q))log₂(u(p,q))-(1-u(p,q))log₂(1-u(p,q)),

(2c)根据图像(p,q)位置处像素的模糊值H(p,q)定义子块的模糊值如下：

$R(p_0,q_0)=\frac{1}{a\×a}\underset{m=-(a-1)/2}{\overset{(a-1)/2}{\Σ}}\underset{l=-(a-1)/2}{\overset{(a-1)/2}{\Σ}}H(p_0+m,q_0+l)$

m是控制子块中心点横坐标移动的变量，l是控制子块中心点纵坐标移动的变量，a表示小块的长，a＝7， $m=\frac{-(a-1)}{2},...,\frac{(a-1)}{2},l=\frac{-(a-1)}{2},...,\frac{(a-1)}{2},$ m≠l。

步骤3，发送端挑选适合隐藏秘密信息的子块。

发送端将I帧图像亮度分量每个8×8子块的模糊熵测度值与给定的阈值T'进行比较：若模糊熵测度值大于或等于阈值T'，则用该模糊熵测度值对应的8×8子块隐藏秘密信息，并将其隐藏标志置为1；否则，不能用该模糊熵测度值对应的8×8子块隐藏秘密信息，并将其隐藏标志置为0，直到计算完I帧所有8×8子块为止。

步骤4，发送端隐藏秘密信息。

视频编解码标准MPEG4/2将一帧图像划分为大小为16×16的宏块，一个宏块包含4个8×8亮度块和2个8×8色度块，发送端在宏块的编码过程中隐藏秘密信息。

参照图2，宏块的编码及隐藏秘密信息的步骤如下：

(4a)对宏块依次做DCT变换和量化；

(4b)判断该8×8子块的隐藏标志：若该8×8子块的隐藏标志为1，则读取4bit置乱后的秘密信息，按照LSB算法根据4bit的秘密信息修改第28～31位4个中频系数，更新指向秘密信息位置的指针和待隐藏秘密信息的长度，保存秘密信息隐藏的位置；否则执行(4c)；

(4c)对8×8子块做逆量化、逆DCT变换和AC/DC系数预测，并进行熵编码。

步骤5，发送端发送数据给接收端

(5a)判断当前I帧是否隐藏了秘密信息：若当前I帧隐藏了秘密信息，则利用共享密钥k加密秘密信息的隐藏位置，然后，将隐藏位置和编码后的视频流封装打包；否则，发送端只封装I帧压缩后的视频流；

(5b)封装隐藏位置和I帧压缩后的视频流时，数据包包含包头和包数据两部分，其中包头包含包长度和包类型：包长度指包头和包数据的长度之和；包类型用于区分数据包是隐藏位置还是图像的压缩数据，包头信息之后是包头信息所表征的数据。

(5c)发送端将封装后的数据通过网络发送给接收端。

步骤6，接收端提取秘密信息。

参照图3，本步骤的具体实现方式如下：

(6a)接收端利用共享密钥k使用流密码算法RC4解密接收到的秘密信息隐藏位置；

(6b)接收端初始化解码参数：

(6c)接收端解码8×8子块：

(6c1)获取DC量化步长，解码直流分量；

(6c2)根据cbp解码当前子块得到量化后的系数，cbp表示当前子块是否要解码；

(6c3)使用预测器恢复当前宏块第一行或第一列的量化系数；

(6c4)若当前8×8子块中隐藏了秘密信息，则从当前的子块的中频系数中提取4bit的秘密信息；否则，执行(6d)；

(6d)对当前8×8子块做逆量化、逆DCT变换并更新解码图像；

(6e)解密提取出秘密信息比特流。

以上描述的仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于MPEG4/2的隐秘传输方法，包括：

(1)秘密信息的隐藏和提取：

(1a)发送端置乱待隐藏的秘密信息，在视频编解码标准MPEG4/2的编码压缩过程中将秘密信息隐藏在视频中，该秘密信息包括一维序列、二维的图像及商标信息。

(1b)接收端在MPEG4/2的解码过程中将隐藏在视频流中的秘密信息提取出来，解密提取出的比特流得到原始的秘密信息；

(2)置乱秘密信息：

对于一维的秘密信息，采用流密码算法RC4对输入的秘密信息通过加密进行置乱；

对于二维图像及商标信息，采用Arnold变换对二维图像和商标信息进行空间上的置乱；(3)挑选适合隐藏秘密信息的子块：

发送端首先计算I帧图像亮度分量所有8×8子块的模糊熵，并将求出的模糊熵与输入的阈值T'相比较：若子块的模糊熵大于等于阈值T'，则该8×8子块可隐藏秘密信息，设置该子块的隐藏标志为1，否则，该8×8子块不适合隐藏秘密信息，设置该子块的隐藏标志为0；

(4)隐藏秘密信息：

对视频编解码标准MPEG4/2中的宏块依次进行DCT变换、量化操作后，然后根据该宏块亮度分量的4个8×8子块的隐藏标志完成秘密信息的隐藏，同时保存秘密信息隐藏的位置；最后按照视频编解码标准MPEG4/2的编码过程完成宏块编码过程中的其他操作；

(5)发送端首先利用共享密钥k将秘密信息隐藏的位置加密后，再将加密后的秘密信息隐藏位置和I帧编码压缩后的视频流封装打包，最后通过网络发送给接收端；

(6)接收端从网络层接收发送端发送的数据，并利用共享密钥k解密接收到的秘密信息隐藏位置；

(7)接收端在视频编解码标准MPEG4/2的I帧图像解码过程中提取秘密信息，提取时只需对码流部分解码，并在编码方式为帧内编码的宏块中提取秘密信息；解码完成后，利用共享密钥解密提取出的秘密信息比特流，恢复出原始的秘密信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中发送端计算I帧图像亮度分量所有8×8子块的模糊熵，按如下步骤进行：

首先，定义模糊集合隶属度如下：

$u(p,q)=\frac{1}{1+|d(p,q)-d^{\′}|/N},$

其中，d(p,q)是图像(p,q)处的像素值，d′是图像(p,q)处像素的归一化值，p,q＝1,...,8，N为常数，其取值要保证模糊集合隶属度u(p,q)的值域范围在0.5到1之间，即0.5≤u(d(p,q))≤1；

其次，在模糊集合隶属度的基础上定义图像(p,q)位置处像素的模糊值如下：

H(p,q)＝-(u(p,q))log₂(u(p,q))-(1-u(p,q))log₂(1-u(p,q))；

最后，根据图像(p,q)位置处像素的模糊值H(p,q)定义小块的模糊值如下：

$R(p_0,q_0)=\frac{1}{a\×a}\underset{m=-(a-1)/2}{\overset{(a-1)/2}{\Σ}}\underset{l=-(a-1)/2}{\overset{(a-1)/2}{\Σ}}H(p_0+m,q_0+l)$

其中，p₀表示小块中心点的横坐标，q₀表示小块中心点的纵坐标，a表示小块的长，a＝8，m是控制小块中心点横坐标移动的变量，l是控制小块中心点纵坐标移动的变量， $m=\frac{-(a-1)}{2},...,\frac{(a-1)}{2},l=\frac{-(a-1)}{2},...,\frac{(a-1)}{2},m\≠l.$

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中根据4个8×8子块的隐藏标志完成秘密信息的隐藏，按如下步骤进行：

首先，判断该8×8子块的隐藏标志是否为1：若该8×8子块的隐藏标志为1，则读取4bit置乱后的秘密信息，按照LSB算法根据4bit的秘密信息修改第28～31位4个中频系数，更新指向秘密信息位置的指针和待隐藏秘密信息的长度；否则，对该宏块的6个8×8子块做逆量化、逆DCT变换。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)中的对视频流封装打包，是根据当前I帧隐藏秘密信息的长度是否大于0而采取不同的方式，若隐藏秘密信息的长度大于0，则在加密后的秘密信息隐藏位置和I帧压缩后的视频流前加上包头信息；否则，只在压缩后的视频流前增加包头信息，包头信息之后是包头信息所表示的数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(7)在帧内编码宏块中提取秘密信息，按如下步骤进行：

首先，初始化解码参数，解码8×8子块，获取直流分量DC的量化步长；

其次，获取预测器，解码直流分量，根据cbp解码帧内编码宏块，其中cbp表征当前宏块是否要解码；

再次，使用预测器恢复当前宏块第一行或第一列的量化系数；

最后，根据解密后的秘密信息隐藏位置判断该宏块亮度分量的4个8×8子块中是否隐藏了秘密信息：若8×8子块中隐藏了秘密信息，则从该8×8子块的中频量化系数中提取4bit的秘密信息；否则，对该子块做逆量化、逆DCT变换，更新解码图像。