面向互联网的视频隐写技术研究综述

冯莹莹 （阜阳师范学院信息工程学院，安徽 阜阳236041）

互联网的普及和信息处理技术的飞速发展使图像、视频等多媒体信息能够在通讯网络中便捷、快速的传输，这不但为信息的处理提供了便利条件、让信息资源得到了最大限度的共享，同时也对信息安全带来了巨大的挑战。由于我国的网络普及时间尚短，相关技术还不成熟，互联网信息在传输过程中的安全性很难得到保障，因此加强有关信息隐藏技术的研究十分重要。视频隐写技术是数字隐藏技术的一个分支，也是数字隐藏技术的一个热点和难点研究课题［1］。下面，笔者阐述了面向互联网的视频隐写技术的研究情况。

1 视频隐写技术特点

视频隐写技术是基于静止图像隐藏技术发展起来的。视频序列实际上是由一连串连续静止图像组成的，因而视频隐写技术在应用和设计上都与静止图像隐藏技术十分相近。但是与静止图像相比，视频应用系统有着更大的可用载体空间和更为特殊的压缩特性，系统本身的实时性也更强，这就决定了视频隐写技术有着自身的特点［2］。

（1）视频信息隐藏有着更大的可同载体空间。视频信息摆脱了图像信息在信号空间上的局限性，为信息的嵌入和隐藏提供了更大的载体空间，同时视频信号也由图像信号的空间域发展到了时间域，视觉特性的利用范围得到了进一步扩大。

（2）视频信息隐藏会造成压缩编码的损伤。视频序列数据量十分庞大，虽然隐秘信息有着一定的适应性，但在嵌入和传递信息的过程中会导致压缩编码的损伤。

（3）对信息隐藏或提取过程有更高的实时性要求。在对静止图像嵌入隐藏信息时会出现延时现象，若视频帧率更高时会影响到整体数据的平滑性，从而对视频质量造成影响，因而对信息隐藏或提取过程有更高的实时性要求。

2 视频隐写技术主要类型

2．1 前置式隐藏技术

前置隐藏技术是将需要隐藏的信息直接嵌入到原始的视频数据中，然后再对隐含数据的视频进行重新编码。具体而言，是利用HVS或其他隐藏方法将数据嵌入到解码前 （后）的视频静态序列图像当中去，经过再编码后形成一个带有隐藏数据的视频流。目前，基于前置式隐藏技术研发的视频隐写方式有以下2种［3］：①将需要隐藏的信息事先进行量化，利用多维网格编码后，根据视频图像的问题特征，将信息嵌入到DCT（离散余弦变换）域特征块中。②运用小波变换和视觉模型将数据嵌入到视频的静态帧中。利用该方法隐藏信息的视频有着极高的鲁棒性，同时还可以抵抗噪声干扰、MPEG压缩和帧重组，但在数据隐藏时对每一帧的处理都要引入小波变换和视觉模型中，操作较为复杂。以上2种较为成熟的视频隐藏方案都利用了数字图像隐藏技术，但由于欠缺对视频特性的考虑因而编码后很容易造成数据的丢失，因而存在着一定的缺陷：视频码流数据的比特率会有所提升；经过MPEG压缩后造成水印的丢失；很难确保视频的原有质量不变；以压缩视频需先进行解码，在嵌入信息后再重新编码，统计量增大。由于前置式隐藏技术存在上述缺陷，因而其实际应用较少。

2．2 内置式隐藏技术

内置隐藏技术充分考虑了视频压缩和图片压缩频域变换的特征，同时也更好地利用了视频文件本身的速率和时间域［4］。该技术将视觉分析技术和块分析技术运用其中，通过动态的方式得到了DCT域特征块中的最佳数据嵌入系数，并可以根据能量分布将DCT域特征块分成低活动、边缘、垂直边缘、水平边缘和纹理5类，其后再根据类型的不同将数据隐藏到不同的AC系数 （Access Criteria，设备访问网络的进入条件）中。为了避免因数据量化操作所带来的数据丢失，可以利用下列公式对量化后的系数值进行修改［5］：

式中，X（m，n）为量化后的系数值；C（m，n）为块分类；W（m，n）为嵌入数据；Mq为量化系数，Mq（m，n）为对量化系数进行修改时的变换范围。

图1 算法数据嵌入流图

利用上述方法可以使视频信息隐藏后的失真程度大幅度降低，并且保证了较高的鲁棒性。算法数据嵌入流图如图1所示。

在基于内置隐藏技术提出的算法数据嵌入方式的基础上，可以引伸出直接对视频进行修改继而达到信息隐藏目的的视频隐写方式，即当视频嵌入数据为1或0时便将视频的特定系数根据相邻块中的系数进行适当调整［6］。利用这种方法能够实现数据的盲目提取，并且能够保证较高的鲁棒性，其不足是嵌入的信息量十分有限，而且在信息提取前必须准确知道水印的位置。为此，采取如下解决方法［7］，即每个嵌入的信息比特都要从视频帧中抽取n个8×8的DCT域特征块，并将其分成大小相等的2个部分，然后分别统计出高频DCT能量。当嵌入信息比特时其高频能量也要相应清除或降低。但上述方法无法抵抗重编码的影响，当采用不同的图像组结构时嵌入信息的错误率会大幅提升。

以上2种方法在信息隐藏上都存在着较为明显的弊端，因此在实际应用中可以将这2种视频隐写方法结合在一起而形成一种全新的信息隐藏技术［8］。即将信息嵌入MPEG－2的GOP（连续画面）图像组压缩域中，由此可以在每个GOP图像组中嵌入6比特的数据。上述方法在应用上也存在一定局限性，即仅能在视频压缩过程中进行，当GOP结构固定后便无法继续操作，因而在抵抗解压和重压缩操作的鲁棒性方面性能较弱。由于视频I帧上色度的DCT直流系数DC在视频流中始终能保持较高的鲁棒性，因而有学者提出如下观点［9］，就是将序列调制后的数字信息添加到视频I帧上色度的DCT的直流系数DC中，以此来提高嵌入信息的鲁棒性。为了确保信息在视觉上的隐秘性，在修改DC值时要将干扰控制在一定范围内，并根据系数大小添加适当强度的水印，从而实现低隐藏量、高鲁棒性的视频隐写效果。利用这种内置式隐藏技术处理信息有着十分明显的优势：由于信息数据存在于DCT直流系数中，因此视频流的数据比特率不会因此受到影响；基于DCT变换的所有视频编码都可使用。其不足在于无法摆脱视频的解码、嵌入和再编码过程，若操作出现偏差就会影响到视频的整体质量。

2．3 后置式隐藏技术

后置式隐藏技术在进行信息隐藏时充分运用了时间域特性，在简化信息嵌入过程的同时增强了实用性，其中以 H＆G算法最为典型［10］，该算法的设计流程图如图2所示。

图2 H＆G算法设计流程图

H＆G算法在应用中对水印扩频和自适应做了调整，让其空间域水印图像的尺寸和视频序列相同，然后利用频域的线性特征将其变换系数和DCT域特征块叠加到一起，从而完成信息的嵌入。这样的方法很好的解决了视觉可见的影响，并保证了视频的稳定性和画面性。

另外一种基于后置式信息隐藏技术的应用方法是将数据藏入压缩视频的运动补偿中，该方法有着不必解码而在运动向量中直接提取数据的优势，操作十分简单，但是其鲁棒性不高，能够嵌入的数据也十分有限［11］。针对上述问题，可采用VLC（variable－length coding，变长编码）编码的方法将数据信息直接藏入视频码流中。为此需要在比特流中找到一个与数据相似的VLC，并用数据将其替换，但该方法仍然无法保证较高的鲁棒性，且容易造成文件的丢失。

基于以上2种方式，研究者进一步进行改良和优化，即通过动态水印嵌入控制的引入和DCT域特征块水印自适应的调整，这样不仅将信息数据嵌入到视频码流中，同时降低了操作上的复杂程度。其中，朱仲杰等［12］将水印藏入视频码流的运动矢量上，彻底解决了水印可见的问题：每个画面组仅藏入一组水印图像，且将其数据嵌入到所有的B帧和P帧中，在矢量组中随机决定数据嵌入位置，然后根据需要嵌入数据和运动矢量的特征值，继而达到隐藏数据信息的效果。这种方法不但简单有效，同时能够实现数据盲目提取功能。

3 结 语

对视频隐写关键性技术做了较为系统和全面的分析。总体而言，由于前置式隐藏技术存在诸多不足，在实际研究中应用较少。在前置式隐藏技术基础上衍生出来的内置式和后置式隐藏技术为开放网络环境下信息的隐藏提供了可能，因而在实际研究中应用较多。不可否认的是后置式和内置式隐藏技术也存在一定不足，需要在今后的研究中进一步完善，以便更好地保障网络信息安全。

［1］崔忠立，王嘉祯 ．一种替换类隐写术算法的统一模型 ［J］．计算机工程与应用，2006，42（3）：127－129．

［2］廖振生，陈光喜 ．基于SVM对隐写分析RS算法的改进 ［J］．桂林电子科技大学学报，2008，23（12）：135－138．

［3］钱莉，刘文予，张帆，等 ．一种基于DCT域特征块的抗几何攻击的视频水印 ［J］．中国图象图形学报，2007，35（5）：254－258．

［4］张承乾，春田，王莉莉 ．一种DCT域视频信息隐藏分析法 ［J］．哈尔滨工业大学学报，2006，32（8）：136－138．

［5］何密，罗永，成礼智 ．数字高程模型数据的无损数字水印 ［J］．计算机工程与应用，2007，26（3）：255－258．

［6］刘晓义，王述洋 ．一种带有密钥的．EXE文件隐秘传输方法 ［J］．计算机应用与软件，2008，13（3）：346－349．

［7］程小艳，孙星明，秦姣华 ．新的利用相邻像素相关性的盲隐写分析算法研究 ［J］．计算机应用研究，2007，34（10）：267－269．

［8］相丽，潘峰，钮可，等 ．基于运动矢量的视频隐写方法 ［J］．计算机应用，2010，17（11）：345－347．

［9］梅文博，张云帆 ．一种基于运动矢量的Mpeg 2视频数字水印的改进算法 ［J］．北京理工大学学报，2004，13（8）：154－156．

［10］薜向阳，吴立德 ．基于运动矢量插值的运动补偿算法 ［J］．电子与信息学报，1997，4（6）：124－126．

［11］郭映，李桂苓，徐岩 ．视频码流转换编码器结构及其分析 ［J］．中国图象图形学报，2004，10（11）：96－99．

［12］朱仲杰，蒋刚毅 ．MPEG－2压缩域的视频数字水印新算法 ［J］．电子学报，2004，21（1）：132－136．