基于H.264的信息隱藏技術研究

薛瑩瑩

（河南博物院，河南 鄭州 450002）

目前，人類社會正處于信息時代，互聯網作為全球最大的信息發布系統，是人們獲取信息不可或缺的途徑之一，但與此同時，也面臨著信息安全問題的巨大挑戰。信息隱藏是集多學科理論與技術為一體的一門新興學科，通過將秘密信息嵌入到其他載體中來實現信息的安全傳遞。而視頻以其特有的廣泛性和交互性成為互聯網應用的主流，由于視頻數據具有海量的特點，必須對數據進行壓縮，H.264作為新一代低比特率數字視頻編碼標準已經在視頻點播、數字電視、多媒體通訊等領域得到了廣泛的應用，因此開展基于H.264的信息隱藏研究具有重要的理論價值和實踐意義。

1 信息隱藏技術概述

1.1 信息隱藏的基本框架

信息隱藏也稱作數據隱藏，它的基本原理是將秘密信息隱藏于公開信息中，然后通過傳輸公開信息來傳遞秘密信息，同時使得公開信息跟原來并沒有明顯的不同。信息隱藏的基本框圖［1］如圖1所示。

圖1 信息隱藏基本框圖

如圖1所示，首先將秘密信息E通過嵌入算法I將其嵌入到原始載體D中，得到含有秘密信息的秘密載體M，M在通道中傳輸，接收方收到秘密載體，然后通過提取算法I 將秘密信息E從秘密載體提取出來。

1.2 信息隱藏的分類

按照密鑰的使用方式，信息隱藏分為以下兩類：

1.2.1 無密鑰隱藏

無密鑰隱藏即在數據嵌入和使用過程中不使用密鑰，秘密信息嵌入的過程如下：

F：D×E→M，對所有的e∈E，m∈M有m=F（d，e，k）；

其中，D是所有原始載體的集合，E是所有秘密信息的集合，M是秘密載體的集合。

1.2.2 私鑰隱藏

信息的發送方和接收方使用相同的密鑰，私鑰隱藏系統的安全性取決于私有密鑰K，秘密信息的嵌入和提取過程如下：

F：D×E×K→M，對所有的e∈E，m∈M，k∈K有m=F（d，e，k）；

1.2.3 公鑰隱藏

公鑰隱藏即對待隱藏信息采用公鑰密碼進行加密，再將秘密信息嵌入到載體中。

1.3 度量指標

1.3.1 魯棒性

魯棒性又稱健壯性，是指在載體中加入的秘密信息受到某種主動或被動的（例如：平移、旋轉、重采樣、信道噪聲等）干擾后，秘密信息還能夠保持一定的穩定性。

1.3.2 不可感知性

不可感知性即秘密載體與原始載體具有一致性，被隱藏的秘密信息不會引起觀測者的注意。

1.3.3 信息嵌入量

信息嵌入量是指能夠嵌入在載體中的最大二進制秘密數據的位數。對于嵌入算法而言，魯棒性、不可感知性和信息嵌入量三個指標常常是相互制約的，并且在一定條件下可以相互轉化。在實踐中，各個系統可以根據具體目標和技術要求選擇上述特性作為重點考慮的因素。

2 H.264編碼

2.1 H.264編碼的基本原理

H.264采用了分層編碼結構，分為視頻編碼層VCL（Video Coding Layer）和網絡提取層 NAL（Network Ab?straction Layer）兩個層［2-3］。其中，VCL是整個H.264視頻編碼的核心，它采用混合編碼的方式對視頻內容進行高效的編碼；NAL主要對壓縮后的數據進行打包傳送，其數據單元為NALU。正是由于H.264采用了這種分層編碼方式，將編碼與信道隔離，才使得編碼后的數據能夠適應不同的傳輸協議和傳輸網絡。

2.2 H.264編碼特點

2.2.1 幀內預測技術分析

H.264采用了基于塊的編碼模式，支持亮度塊（包括4×4像素宏塊和16×16像素宏塊兩種尺寸）、色度塊（8×8像素宏塊）以及I-PCM等類型的幀內預測編碼［4］。

其中4×4像素亮度塊包括9種預測方式，而16×16像素亮度塊采用整體預測，包括水平、垂直、均值和平面4種預測方式。H.264幀內色度塊與16×16像素亮度塊采用的預測方式相似，只是順序不同，這里不再詳述。

2.2.2 幀間預測技術分析

H.264幀間預測技術把宏塊分割為七種類型，這樣分割的目的是為了適用不同的圖像區域，對于較為平滑的圖像區域采用大尺寸分割，反之采用小尺寸分割，這樣編碼器可以根據圖像的平滑程度采用最佳的預測方式。

2.2.3 熵編碼技術分析

H.264提出了三種熵編碼方案：指數哥倫布編碼、基于上下文的自適應可變長編碼和基于上下文的自適應二進制算數編碼。其中基于上下文的自適應二進制算數編碼的壓縮率最高，所以視頻壓縮編碼平臺采用了這種編碼方法。

3 視頻信息隱藏方法分析

通過上一節對H.264編碼標準的分析可知，相比以往的壓縮標準，H.264信息冗余度大大減小，嵌入秘密信息的難度增加。按照秘密信息隱藏域，信息隱藏算法分為以下兩類。

3.1 空域信息隱藏算法

空域信息隱藏算法典型代表有LSB（Least Signifi?cant Bit）算法、Patchwork算法和紋理塊映射編碼方法。LSB算法是由Turner提出的最早空域信息隱藏算法，它使用秘鑰通過m序列發生器產生隨機信號，并按照一定規則排列成二進制比特流，然后將該比特流嵌入到每個像素的最低比特位，這種方法嵌入容量大，但魯棒性較差，容易受到噪聲、重采樣等操作而丟失秘密信息。

Patchwork算法和紋理塊映射編碼方法都是由Bender等人提出的信息隱藏方法。Patchwork算法的基本思想是隨機選取N對像素點（mi，ni），然后將每個mi點對應的像素亮度值加1，每個ni點對應的像素亮度值減1。因為圖像亮度變化小并且隨機分布于整個圖像，所以該方法具有較好的魯棒性。紋理塊映射編碼是將秘密信息隱藏在圖像的隨機紋理區域中，利用紋理的相似性掩蓋秘密信息，視覺不易察覺，并且在一定程度上可以抵抗壓縮、旋轉、濾波等操作。

3.2 變換域信息隱藏方法

變換域信息隱藏算法相比空域信息隱藏算法計算復雜度較高，嵌入容量小，但具有更好的魯棒性，應用也更加廣泛。

Cox等人［5］提出的擴頻信息隱藏算法是比較典型的變換域信息隱藏算法，秘密信息的嵌入表達式如下：

M表示嵌入秘密信息后的載體變換域系數，D表示原始載體的變換域系數，E表示待嵌入的秘密信息，α是加權系數，α值越小不可感知性越好。但當α小到一定程度時，即使秘密載體沒有受到干擾，也不能保證準確地提取秘密信息。

另 外 ，ABS（Analysys-by-Synthesis）和 JCDH（Joint coding and data hiding）信息隱寫方法也是比較典型的變換域信息隱藏算法。此類算法的基本思想是在編碼過程中嵌入秘密信息，將編碼方法和嵌入算法相結合，在這里不再詳述，詳見文獻［6，7］。

4 結語

本文系統地歸納了信息隱藏技術的概念，介紹了典型的信息隱藏的基本框架，給出了信息隱藏的分類和度量指標，然后深入分析了H.264編碼的基本原理和編碼特點，包括幀內預測技術、幀間預測技術和熵編碼技術。最后闡述并分析了國內外視頻信息隱藏的各類算法。

［1］M.Anthony.Learning multivalued multithreshold func?tions［R］.CDMA Report No.LSE-CDMA-2003-03，London School of Economics，2003.

［2］畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標準—h.264/avc［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［3］孫華.H.264視頻編碼標準的分層設計與功能［J］.廣播與電視技術，2004，31（4）：31-33.

［4］徐睿.H.264幀內預測算法技術研究［D］.沈陽理工大學，2011.

［5］I.J.Cox，J.Kilian，F.T.Leighton，et.al.Secure spread spec?trum watermarking for multimedia［J］.IEEE Transactions on Im?age Processing，1997，6（12）：1673-1687.

［6］Wu Z，Yang W，YangY.ABS-based speech information hiding approach［J］.Electronics Letters，2003，39（22）：1617-1619.

［7］Zhe-Ming L，Bin Y，Sheng-He S.Watermarking com?bined with CELP speech coding for authentication［J］.IEICE Transactions on Information and systems，2005，88（2）：330-334.