CN109640096A - 一种基于视频解码电磁泄漏的隐蔽通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视频解码电磁泄漏的隐蔽通信方法，利用CPU工作时泄漏的磁场，通过改变视频某些帧的帧类型和量化参数，从而改变视频播放相应帧时的CPU占用率，通过CPU的磁场将隐写信息泄漏出来。采用本发明的方法，针对视频隐写信息的读取不需要获得视频文件，只需要在视频播放时，用智能手机或者磁传感器采集CPU的磁信号，从信号中恢复视频隐写信息的内容。

Description

一种基于视频解码电磁泄漏的隐蔽通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及视频隐写及磁场通信技术，尤其涉及一种基于视频解码电磁泄漏的隐蔽通信方法。

背景技术

目前的视频隐写技术的读取均需要获得视频文件，在一些重要的场所，通常采用物理隔离的方式保证网络安全，以防止敏感信息的泄漏。如禁止设备连接无线网络，内部专用网与物联网物理隔离，并禁止来访者拍照、录音、摄像，以及对敏感设备进行操作。在这种情况下，不获得视频文件，采用现有的视频隐写技术视频中隐写的内容将无法读取到。对于无法获得视频文件的场合，如何设计视频隐写和相应的读取方法是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于视频解码电磁泄漏的隐蔽通信方法，该方法是基于视频解码电磁泄漏的视频隐写和读取方法，利用了视频解码时CPU磁场的变化，通过智能手机或其他具有磁力计的设备来读取视频隐写内容，使得隐写内容读取时可以突破网络的物理隔离。目前现有的视频隐写方法的信息读取依赖于视频的源文件，当视频文件无法获得时，这些视频隐写方法将会失效。本发明中的视频隐写信息的读取不需要获得视频文件，而是通过采集视频解码时的CPU磁感应信号进行读取，填补了无法获得视频文件时视频隐写信息读取方向的空白。可以用于存在网络物理隔离场景的隐蔽通信。

本发明的基于视频解码电磁泄漏的隐蔽通信方法，具体如下：

步骤1：对要传输的数据进行预处理，将其转化为二进制序列，并添加前向纠错码和同步序列，具体步骤如下：

步骤1.1：将要传输的数据转化为二进制序列M

步骤1.2：为二进制序列添加汉明Hamming前向纠错码，其中校验码长度为r，每个校验分组长度为n＝2^r-1，其中原码长度为k＝n-r＝2^r-1-r。若最后一个分组的原码不足k个字符，则用0补齐。加入Hamming前向纠错码后的序列记为M_r。

步骤1.3：将M_r切分成长度为m的片段在每一个片段的开头添加长度为m_p的同步序列M_p，得到同步序列由0和1组成，用于接收端的同步及训练判决器。

步骤2：采用二进制幅移键控的方式生成每帧视频的量化参数，用于视频隐写，对视频进行重新编码。具体步骤如下：

步骤2.1：采用二进制幅移键控调制方式，通过不同的量化参数来改变播放视频某一帧的CPU占用率，用不同的CPU占用率表示0和1。设定码元长度为e帧，即在每e个视频帧中隐写1bit信息Info_i(Info_i∈{0,1})。若Info_i＝1，则将该码元对应的e个视频帧中e_h个帧类型设为I帧，量化参数改为QP₁，其余帧类型设为P帧，量化参数不变，其中0＜e_h≤e。若Info_i＝0，则该码元对应的e个视频帧全部设为P帧，量化参数不变。

步骤2.2：根据步骤2.1获得的视频帧类型和量化参数对原视频进行重新编码。

步骤3：播放视频，将具有磁力计的智能手机或其他设备置于播放设备的CPU附近采集磁信号，对磁信号进行解码，恢复出隐写信息。具体步骤如下：

步骤3.1：采集。当视频播放时，将具有磁力计的智能手机或其他设备置于播放设备的CPU附近采集磁信号。

步骤3.2：检测同步信号。将步骤1.3中生成的具有m_p个比特的同步序列按0为低电平，1为高电平生成长度为的模板，其中f_r为视频的帧率。设定检测滑窗长度为t_wp＝t_m，滑窗与滑窗之间交叠的长度为t_op，且满足远小于通常是指小10倍以上，以保证同步的精确性。将每个滑窗采集到的信号与同步序列做互相关运算，记第i个滑窗的互相关结果为C_i，当|C_i|大于设定的阈值C_th且|C_i+1|＜|C_i|时，认为第i个滑窗的起始时刻即为信号中同步序列的起始时刻，记为对应的互相关结果记为C_max。

步骤3.3：滤波。为对信号中的每个码元进行判决，需要对信号进行低通滤波。设置滤波器的通带截止频率、阻带截止频率分别为f_p和f_s，选取滤波窗长为t_wf，设计有限冲激响应数字低通滤波器。设磁传感器的采样率为f_sample，通带截止频率、阻带截止频率对应的角频率为滤波器长度截止频率采用窗函数法设计有限冲击响应数字低通滤波器。由于滤波器具有的延时，故设计滤波滑窗之间交叠的长度t_o＞t_d。

步骤3.4：训练判决器。首先检查互相关结果的符号。若C_max＜0，则将信号反相。设检测到的同步序列对应磁感应强度信号的最大值为B_max，最小值为B_min，设判决阈值为B_th，当一个码元长度t_m内有连续个点满足B＞B_th时，认为该码元为1；反之，认为该码元为0，判决得到同步序列

按下述方法选取最佳判决阈值B_th：将B_th从B_min到B_max按步长为B_step变化，即B_th＝B_min+iB_step，记录每个B_th判决得到的同步序列并与原始同步序列M_p比较，得到对应的同步序列误码率E_pi。选择作为步骤3.5解码判决的阈值。

步骤3.5：解码判决。判决起始时间为以t_m为间隔依次判决每个码元的值，共m个码元，得到的判决后的序列记为

步骤3.6：Hamming码纠错。将多个序列重新拼接为一个序列，进行Hamming码纠错，纠错后的序列记为

步骤3.7：进制转换。将接收到的二进制序列还原为信息。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用了CPU工作时泄漏的磁场，实现了智能手机等具有磁力计的设备接收视频隐写内容，可以用于隐蔽通信。尤其是本发明中通过改变视频每一帧的帧类型及量化参数来改变视频播放时CPU的占用率，达到最终改变CPU磁场强度；相比传统的视频隐写技术，本发明在对视频隐写内容进行读取时不需要获得视频文件，只需要在视频播放时用智能手机或其他带有磁力计的设备采集播放设备的CPU磁场即可实现信息的隐写和读取。

附图说明

图1是本发明的视频隐写及读取流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法做进一步说明。

本发明提供一种基于视频解码电磁泄漏的隐蔽通信方法，尤其是视频隐写和读取方法，与传统视频隐写方法不同，该方法利用了视频解码时CPU附近磁场的变化，通过智能手机或其他具有磁力计的设备来读取视频隐写内容，使得隐写内容读取时可以突破网络的物理隔离。视频隐写与读取的流程图如图1所示，主要包括添加纠错码，添加同步序列，2ASK(二进制幅移键控)调制生成视频编码信息序列，视频编码，视频播放与磁信号采集，磁信号的同步、滤波、2ASK解调、纠错码纠错等过程。

具体如下：

步骤1：对要传输的数据进行预处理，将其转化为二进制序列，并添加前向纠错码和同步序列，具体步骤如下：

步骤1.1：将要传输的数据转化为二进制序列M

步骤1.2：为二进制序列添加汉明(Hamming)前向纠错码，其中校验码长度为r，每个校验分组长度为n＝2^r-1，其中原码长度为k＝n-r＝2^r-1-r。若最后一个分组的原码不足k个字符，则用0补齐。加入Hamming前向纠错码后的序列记为M_r。

步骤1.3：将M_r切分成长度为m的片段在每一个片段的开头添加长度为m_p的同步序列M_p，得到同步序列由0和1组成，用于接收端的同步及训练判决器。

步骤2：采用二进制幅移键控的方式生成每帧视频的量化参数，用于视频隐写，对视频进行重新编码。具体步骤如下：

步骤2.1：采用二进制幅移键控调制方式，通过不同的量化参数来改变播放视频某一帧的CPU占用率，用不同的CPU占用率表示0和1。设定码元长度为e帧，即在每e个视频帧中隐写1bit信息Info_i(Info_i∈{0,1})。若Info_i＝1，则将该码元对应的e个视频帧中e_h个帧类型设为I帧，量化参数改为QP₁，其余帧类型设为P帧，量化参数不变，其中0＜e_h≤e。若Info_i＝0，则该码元对应的e个视频帧全部设为P帧，量化参数不变。

步骤2.2：根据步骤2.1获得的视频帧类型和量化参数对原视频进行重新编码。

步骤3：播放视频，将具有磁力计的智能手机或其他设备置于播放设备的CPU附近采集磁信号，对磁信号进行解码，恢复出隐写信息。具体步骤如下：

步骤3.1：采集。当视频播放时，将具有磁力计的智能手机或其他设备置于播放设备的CPU附近采集磁信号。

步骤3.2：检测同步信号。将步骤1.3中生成的具有m_p个比特的同步序列按0为低电平，1为高电平生成长度为的模板，其中f_r为视频的帧率。设定检测滑窗长度为t_wp＝t_m，滑窗与滑窗之间交叠的长度为t_op，且满足远小于通常是指小10倍以上，以保证同步的精确性。将每个滑窗采集到的信号与同步序列做互相关运算，记第i个滑窗的互相关结果为C_i，当|C_i|大于设定的阈值C_th且|C_i+1|＜|C_i|时，认为第i个滑窗的起始时刻即为信号中同步序列的起始时刻，记为对应的互相关结果记为C_max。

步骤3.3：滤波。为对信号中的每个码元进行判决，需要对信号进行低通滤波。设置滤波器的通带截止频率、阻带截止频率分别为f_p和f_s，选取滤波窗长为t_wf，设计有限冲激响应数字低通滤波器。设磁传感器的采样率为f_sample，通带截止频率、阻带截止频率对应的角频率为滤波器长度截止频率采用窗函数法设计有限冲击响应数字低通滤波器。由于滤波器具有的延时，故设计滤波滑窗之间交叠的长度t_o＞t_d。

步骤3.4：训练判决器。首先检查互相关结果的符号。若C_max＜0，则将信号反相。设检测到的同步序列对应磁感应强度信号的最大值为B_max，最小值为B_min，设判决阈值为B_th，当一个码元长度t_m内有连续个点满足B＞B_th时，认为该码元为1；反之，认为该码元为0，判决得到同步序列

按下述方法选取最佳判决阈值B_th：将B_th从B_min到B_max按步长为B_step变化，即B_th＝B_min+iB_step，记录每个B_th判决得到的同步序列并与原始同步序列M_p比较，得到对应的同步序列误码率E_pi。选择作为步骤3.5解码判决的阈值。

步骤3.5：解码判决。判决起始时间为以t_m为间隔依次判决每个码元的值，共m个码元，得到的判决后的序列记为

步骤3.6：Hamming码纠错。将多个序列重新拼接为一个序列，进行Hamming码纠错，纠错后的序列记为

步骤3.7：进制转换。将接收到的二进制序列还原为信息。

本发明可用于视频向手机的单向通信，如视频直播的抽奖环节，将抽奖网址隐写在视频中，视频观看者将手机放置在视频播放设备的CPU附近即可读取抽奖网址。与传统的二维码交互方式相比，该方法不会影响视频的观看效果。

Claims (1)

1.一种基于视频解码电磁泄漏的隐蔽通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对要传输的数据进行预处理，将其转化为二进制序列，并添加前向纠错码和同步序列，具体步骤如下：

步骤1.1：将要传输的数据转化为二进制序列M；

步骤1.2：为二进制序列添加Hamming前向纠错码，其中校验码长度为r，每个校验分组长度为n＝2^r-1，其中原码长度为k＝n-r＝2^r-1-r；若最后一个分组的原码不足k个字符，则用0补齐，加入Hamming前向纠错码后的序列记为M_r；

步骤1.3：将M_r切分成长度为m的片段在每一个片段的开头添加长度为m_p的同步序列M_p，得到同步序列由0和1组成，用于接收端的同步及训练判决器；

步骤2：采用二进制幅移键控的方式生成每帧视频的量化参数，用于视频隐写，对视频进行重新编码，具体如下：

步骤2.1：采用二进制幅移键控调制方式，通过不同的量化参数来改变播放视频某一帧的CPU占用率，用不同的CPU占用率表示0和1，设定码元长度为e帧，即在每e个视频帧中隐写1bit信息Info_i(Info_i∈{0,1})，若Info_i＝1，则将该码元对应的e个视频帧中e_h个帧类型设为I帧，量化参数改为QP₁，其余帧类型设为P帧，量化参数不变，其中0＜e_h≤e，若Info_i＝0，则该码元对应的e个视频帧全部设为P帧，量化参数不变；

步骤2.2：根据步骤2.1获得的视频帧类型和量化参数对原视频进行重新编码。

步骤3：播放视频，将具有磁力计的智能手机或其他设备置于播放设备的CPU附近采集磁信号，对磁信号进行解码，恢复出隐写信息；具体如下：

步骤3.1：采集；

当视频播放时，将具有磁力计的智能手机或其他设备置于播放设备的CPU附近采集磁信号；

步骤3.2：检测同步信号；

将步骤1.3中生成的具有m_p个比特的同步序列按0为低电平，1为高电平生成长度为的模板，其中f_r为视频的帧率；设定检测滑窗长度为t_wp＝t_m，滑窗与滑窗之间交叠的长度为to_p，且满足远小于通常是指小10倍以上，以保证同步的精确性；将每个滑窗采集到的信号与同步序列做互相关运算，记第i个滑窗的互相关结果为C_i，当|C_i|大于设定的阈值C_th且|C_i+1|＜|C_i|时，认为第i个滑窗的起始时刻即为信号中同步序列的起始时刻，记为对应的互相关结果记为C_max；

步骤3.3：滤波；

为对信号中的每个码元进行判决，需要对信号进行低通滤波：设置滤波器的通带截止频率、阻带截止频率分别为f_p和f_s，选取滤波窗长为t_wf，设计有限冲激响应数字低通滤波器，设磁传感器的采样率为f_sample，通带截止频率、阻带截止频率对应的角频率为 滤波器长度截止频率采用窗函数法设计有限冲击响应数字低通滤波器，由于滤波器具有的延时，故设计滤波滑窗之间交叠的长度t_o＞t_d；

步骤3.4：训练判决器；

首先检查互相关结果的符号，若C_max＜0，则将信号反相；设检测到的同步序列对应磁感应强度信号的最大值为B_max，最小值为B_min，设判决阈值为B_th，当一个码元长度t_m内有连续个点满足B＞B_th时，认为该码元为1；反之，认为该码元为0，判决得到同步序列

按下述方法选取最佳判决阈值B_th：将B_th从B_min到B_max按步长为B_step变化，即记录每个B_th判决得到的同步序列并与原始同步序列M_p比较，得到对应的同步序列误码率E_pi，选择作为步骤3.5解码判决的阈值；

步骤3.5：解码判决；

判决起始时间为以t_m为间隔依次判决每个码元的值，共m个码元，得到的判决后的序列记为

步骤3.6：Hamming码纠错；

将多个序列重新拼接为一个序列，进行Hamming码纠错，纠错后的序列记为

步骤3.7：进制转换；

将接收到的二进制序列还原为信息。