基于alpha疊加的視頻信息隱藏算法

蘇鵬濤，田　澤，劉逸涵

(1. 中國(guó)航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所， 陜西 西安， 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安， 710068)

0　引言

自人類誕生起，如何保護(hù)、傳遞和使用重要信息就始終被關(guān)注。最早被提出的解決方案是加密處理[1]，但由于加密后的信息與普通信息有較大差別，造成秘密信息容易暴漏，提高被破解的概率[2]。信息隱藏技術(shù)則是將秘密信息內(nèi)嵌在非密信息中，使不知情者無法察覺秘密信息的存在[3]。1996年劍橋大學(xué)召開的第一屆國(guó)際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)(First International Workshop on Information Hiding)標(biāo)志著信息隱藏學(xué)的誕生。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，越來越多的信息通過圖片和視頻的方式傳遞，如何將重要信息嵌入視頻并借助互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，不僅能提高秘密信息的傳播范圍，同時(shí)也能借助互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)龐大的非密數(shù)據(jù)有效隱藏秘密信息。

大多數(shù)視頻在編碼為標(biāo)準(zhǔn)NTSC/PAL格式時(shí)，由于顯示屏幕在切換數(shù)據(jù)時(shí)，色度數(shù)據(jù)在經(jīng)過視頻格式編碼器的低通濾波器時(shí)會(huì)產(chǎn)生模糊(blurring)和振鈴(ringing)現(xiàn)象，通過使用alpha混合，控制該濾波器的開關(guān)沿的陡峭程度，就能有效改善模糊和振鈴現(xiàn)象[4]。因此，本文提出了一種基于alpha疊加的視頻信息隱藏算法，能夠?qū)?nèi)嵌在像素RGB值的隱藏信息進(jìn)行操作以實(shí)現(xiàn)秘密信息的編解碼，該算法實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，可隱藏的數(shù)據(jù)量大，密文和密鑰可分開存儲(chǔ)，有較好的應(yīng)用前景。

1　基于alpha疊加的視頻信息隱藏算法

Alpha疊加也稱為alpha混合，用來將顯示屏中的某些色度屬性漸變成其他色度屬性，常用于同一屏幕內(nèi)視頻信號(hào)的疊加。Alpha的取值范圍是(0,1)，顯示控制邏輯通過公式(1.1)的轉(zhuǎn)換公式來實(shí)現(xiàn)alpha混合，其中data_out表示疊加后的色度值，gra表示背景色度值，win表示疊加色度值。

dataout=alpha0×gra+alpha1×win1+…+alphan×winn

(1)

需要注意，背景和疊加窗口的alpha值之和不要求為1，以只疊加一個(gè)窗口為例，當(dāng)alpha0=0且alpha1=1時(shí)，輸出色度為win，當(dāng)alpha0=1且alpha1=0時(shí)，輸出色度為gra，其他情況下背景和窗口將按照比例進(jìn)行疊加。

根據(jù)alpha疊加的原理，可以將秘密信息隱藏在gra和win的像素信息中，通過alpha控制實(shí)現(xiàn)信息的隱藏和恢復(fù)。該信息隱藏算法能夠兼容灰度視頻和彩色視頻，對(duì)視頻的色度位寬也無要求，其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1　信息隱藏原理

以常見的24位色(R8G8B8)視頻為例，信息加密的步驟如下：①在正常視頻中我們選取人眼容易忽略的區(qū)域作為隱藏信息的窗口區(qū)域；②將部分隱藏信息寫入窗口視頻像素點(diǎn)的RGB像素值最低兩位；③將該區(qū)域內(nèi)源視頻像素點(diǎn)的RGB像素值的最低兩位也進(jìn)行修改，嵌入剩余的隱藏信息，④記錄該窗口的位置信息和開窗時(shí)間。

秘密信息的解碼過程，步驟為：①根據(jù)窗口位置和開窗時(shí)間將窗口視頻與正常視頻進(jìn)行疊加；②通過alpha 屬性序列恢復(fù)秘密信息視頻片段；③通過掩碼方式丟棄非密信息位，恢復(fù)秘密信息。

該信息隱藏算法將秘密信息植入非密視頻的靜態(tài)背景中，可根據(jù)視屏中人物和場(chǎng)景的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整加密窗口的位置和加密時(shí)間，將視頻疊加需要配置的alpha屬性值、疊加窗口位置和疊加時(shí)間作為密鑰，具有很高的保密性。

同時(shí)，該算法可以根據(jù)視頻色度的位寬來調(diào)整加密信息的位寬，當(dāng)視頻色度的位寬較小(如16位色R5G6B5)時(shí)加密位只取3位(R1G1B1)，當(dāng)視頻色度的位寬較大(如30位色R10G10B10)時(shí)加密位可以增加為8位(R3G2B3)，選取兩位G分量主要是由于人眼對(duì)綠色分量的敏感度高。

此外，該算法為了避免潛在信息竊取者發(fā)現(xiàn)秘密信息所處的視頻區(qū)域，采用了視頻復(fù)制的方式將源視頻進(jìn)行拷貝，假設(shè)兩份視頻分別為Video1和Video2，將兩部分秘密信息分別隱藏在Video1和Video2的疊加窗口數(shù)據(jù)中，傳輸秘密信息時(shí)只需將Video1和Video2分別傳輸給信息使用者，并將密鑰(alpha屬性值、疊加窗口位置和疊加時(shí)間)以配置程序的方式對(duì)視頻進(jìn)行加載，再以掩碼形式丟棄非密視頻數(shù)據(jù)，就能完成隱藏?cái)?shù)據(jù)的恢復(fù)。

正常視頻的幀速率一般在30Hz以上，假設(shè)疊加窗口的規(guī)模為64x64像素點(diǎn)，則在幀速率為30Hz情況下每秒24位色視頻可傳輸?shù)碾[藏?cái)?shù)據(jù)量Q為：

Q=30×64×64=120 KB

假設(shè)一部視頻時(shí)長(zhǎng)30min，則能夠傳輸秘密信息超過210MB，目前主流VESA視頻的幀速率基本都在60Hz以上，因此該隱藏算法具有很高的數(shù)據(jù)傳輸率。

2　隱藏?cái)?shù)據(jù)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)

本算法可以采用ECC校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)隱藏?cái)?shù)據(jù)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，假設(shè)按照每64bit隱藏?cái)?shù)據(jù)生成一個(gè)8bit校驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)則，其中bit0、bit1、bit2、bit4、bit8、bit16、bit32、bit64均為校驗(yàn)位，將生成的校驗(yàn)數(shù)據(jù)拼接在隱藏?cái)?shù)據(jù)尾部?jī)?nèi)部，校驗(yàn)位生成規(guī)則如圖2所示：

圖2　隱藏信息的校驗(yàn)位計(jì)算

恢復(fù)隱藏信息時(shí)，首先從每72位隱藏?cái)?shù)據(jù)中提取bit0、bit1、bit2、bit4、bit8、bit16、bit32、bit64校驗(yàn)位數(shù)據(jù)，然后根據(jù)余下的64位數(shù)據(jù)計(jì)算新的ECC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與原生成的ECC校驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，倘若兩個(gè)8bit校驗(yàn)數(shù)據(jù)完全相同，則表示該隱藏?cái)?shù)據(jù)無錯(cuò)誤或存在無法判斷的錯(cuò)誤；倘若異或結(jié)果有三位為1，則表示數(shù)據(jù)有一位錯(cuò)誤并且該錯(cuò)誤可糾正；倘若異或結(jié)果有一位為1，則表示原校驗(yàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)；其他情況表示出現(xiàn)了ECC校驗(yàn)功能無法糾正的錯(cuò)誤。

通過增加校驗(yàn)功能，有效提高了算法的魯棒性，除了ECC校驗(yàn)外，也可以采用奇偶校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)等方式提高隱藏信息的可靠性。假設(shè)竊密者試圖篡改加密信息，則秘密信息將無法恢復(fù)出正確的校驗(yàn)碼，也就失去了篡改的價(jià)值。

3　算法的性能分析

評(píng)價(jià)一種信息隱藏算法可以根據(jù)該算法對(duì)信息的隱藏程度來評(píng)判其隱藏性能，因此本文通過對(duì)隱藏?cái)?shù)據(jù)前后同一幀圖像的人眼分析，和圖像均方根誤差和峰值信噪比分析[5]，以及馬氏距離分析[6]這三種方式對(duì)該算法進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。

圖3為野生動(dòng)物視頻的某幀圖像，圖4中在沙灘進(jìn)行了視窗疊加，疊加窗口內(nèi)畫面包含隱藏信息，疊加窗口用白色虛線包圍，兩幅圖像的區(qū)別人眼難以分辨。

圖3　原始奔馬圖像

圖4　隱藏信息的奔馬圖像

圖像均方根誤差(RMSE)和峰值信噪比(PSNR)是評(píng)價(jià)圖像失真程度的常用度量指標(biāo)，設(shè)F(x,y)為原始圖像像素信息，F(xiàn)‘(x,y)為隱藏秘密信息后的圖像像素信息，奔馬圖像為24位色標(biāo)準(zhǔn)VESA格式800×600@60 Hz視頻，隱藏圖像和原始圖像的像素值誤差總和Err為：

則均方根誤差RMSE為：

設(shè)疊加窗口的大小為MxN，隱藏信息信息后圖像均方根信噪比SNR為：

由計(jì)算公式可知，圖像的均方根誤差越小和峰值信噪比越高，圖像失真越小，即秘密信息的隱藏效果越好。

奔馬視頻每幀均為標(biāo)準(zhǔn)VESA格式24位色圖像，選取大小分別為32×32、64×32、64×64和128×64的疊加窗口，計(jì)算隱藏信息后的奔馬視頻一幀圖像的均方根誤差和峰值信噪比。如表1所示，疊加窗口規(guī)模由32×32增加為128×64，圖像的RMSE和PSNR數(shù)值收斂。

(2)

分析連續(xù)四幀插入隱藏信息的圖像數(shù)據(jù)，疊加窗口大小均為64×64，計(jì)算四幅圖像與原始圖像的馬氏距離分別為0.96、0.88、1.02和0.93，均在圖像白噪聲的影響范圍之內(nèi)，因此采用馬氏距離檢測(cè)的方式無法檢測(cè)出圖像是否隱藏秘密信息。

表1　隱藏信息后圖像的均方根誤差和峰值信噪比

4　結(jié)論

信息隱藏作為一個(gè)開放的研究領(lǐng)域，隨著各學(xué)科研究人員的加入，關(guān)鍵問題逐一被解決，本文提出的基于alpha疊加的信息隱藏算法側(cè)重于算法隱蔽性、隱藏信息容量和算法魯棒性等指標(biāo)，并采用人眼分析、圖像均方根誤差和峰值信噪比分析、以及馬氏距離分析三種方式對(duì)算法隱蔽性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，下一步的工作重點(diǎn)是在保證算法隱蔽性的前提下進(jìn)一步

提高隱藏信息容量，提高算法性能。

[1] Kahn D. The History of Steganography. Lecture Notes in Computer Science 1174, Proceedings of Information Hiding: first intemational workshop, Cambridge, UK, May 30-Junel, 1996, Berlin: Springer -Veriag, 1996, pp: 1-5.

[2] J. Davis, J. MacLean; D, Dampier. Methods of information hiding and detection in file systems. 5th International Workshop on Systematic Approaches to Digital Forensic Engineering, Oakland, CA, United states, SADFE, 2010: 66-69.

[3] Petiteolas F, Anderson R, Kuhn M. Information hiding- a survey. Proc. IEEE, 1999, 87(8):1062-1078.

[4] Keith Jack. Video Demystified[M]. Fifth Edition. New York: Newnes, 2007.

[5] 章毓晉. 圖像處理和分析教程[M]. 北京：人民郵電出版社. 2009.

[6] Taguchi G. Jugulum R. The Mahalanobis-Taguchi Strategy: A Pattern Technology System[M]. New York: Wiley, 2002.