一種基于均勻嵌入策略的視頻隱寫算法研究

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)和視頻壓縮技術(shù)的長足發(fā)展，視頻隱寫技術(shù)作為信息隱蔽通信的重要手段，其安全性愈發(fā)受到重視。針對(duì)視頻隱寫技術(shù)安全性問題，文章提出了一種基于均勻嵌入策略的視頻隱寫算法。該算法綜合考慮視頻幀內(nèi)各塊的復(fù)雜度和統(tǒng)計(jì)特性，優(yōu)化了失真函數(shù)的定義，實(shí)現(xiàn)了秘密信息在視頻量化的離散余弦變換（QDCT）系數(shù)中的高效、安全嵌入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)視頻隱寫方法，該文算法在抵抗VDCTR和IDFB隱寫分析檢測方面具有更高的安全性能。

關(guān)鍵詞：視頻隱寫；QDCT系數(shù)；失真函數(shù)；均勻嵌入；安全性

中圖分類號(hào)：TP301.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）13-0096-03

0引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和視頻壓縮技術(shù)的快速發(fā)展，視頻數(shù)據(jù)得到廣泛傳播，但也面臨著版權(quán)保護(hù)、隱私泄露等安全問題。視頻隱寫技術(shù)作為一種有效的信息隱藏手段，能夠?qū)⒚孛苄畔⑶度氲揭曨l載體中，從而實(shí)現(xiàn)隱蔽通信的目的，因此備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。視頻隱寫技術(shù)是利用視頻文件的冗余信息，將秘密信息嵌入數(shù)字視頻文件中，既不影響載體的不可感知性，又能有效保護(hù)載體或載密的安全性。視頻隱寫技術(shù)作為現(xiàn)代信息隱藏技術(shù)的一個(gè)重要分支，專注于研究如何在視頻文件中嵌入秘密信息，并確保這一行為不會(huì)被除接收方以外的第三方所察覺。為了將視頻隱寫技術(shù)廣泛應(yīng)用于隱蔽通信、版權(quán)保護(hù)、差錯(cuò)掩蓋等場景，研究者們需全面考慮嵌入容量、比特率增長、安全性、魯棒性以及載密視頻的視覺不可感知性等關(guān)鍵因素。由于嵌入的信息對(duì)視頻內(nèi)容的擾動(dòng)極小，第三方很難察覺到視頻是否攜帶了秘密信息。而視頻隱寫分析技術(shù)作為視頻隱寫的有效對(duì)抗手段，其核心目標(biāo)在于精確檢測視頻中是否嵌入了秘密信息。現(xiàn)有的視頻隱寫分析方法主要基于視頻隱寫技術(shù)對(duì)視頻載體元素分布等造成的微小擾動(dòng)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)等前沿領(lǐng)域構(gòu)建特征模型，再通過此特征模型判斷其是否已被嵌入秘密信息。當(dāng)前，國外間諜頻繁利用隱寫技術(shù)傳輸秘密信息，這對(duì)我國的政治、軍事、經(jīng)濟(jì)以及公共安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，為維護(hù)國家的安全和社會(huì)的穩(wěn)定，推動(dòng)視頻隱寫技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展是當(dāng)前必須予以高度重視的課題。

根據(jù)不同的嵌入域，視頻隱寫技術(shù)可以劃分為空域視頻隱寫技術(shù)和壓縮域視頻隱寫技術(shù)兩大類。空域視頻隱寫技術(shù)直接在像素級(jí)別進(jìn)行修改，這種方法考慮了不可感知性，因此具有較高的視覺質(zhì)量和嵌入容量。然而，由于視頻在傳輸過程中通常會(huì)經(jīng)歷有損的視頻編碼，直接修改視頻像素的方法無法確保在解碼端能夠準(zhǔn)確提取秘密信息。為此，一些學(xué)者嘗試采用糾錯(cuò)機(jī)制來增強(qiáng)秘密信息的魯棒性，從而降低提取秘密信息時(shí)的誤碼率。相比之下，壓縮域的視頻隱寫技術(shù)具有更高的實(shí)用價(jià)值。這種技術(shù)基于修改視頻編碼過程中產(chǎn)生的編碼參數(shù)，目前已成為視頻隱寫領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容。壓縮域的視頻隱寫技術(shù)可細(xì)分為基于量化參數(shù)、幀內(nèi)預(yù)測模式、幀間預(yù)測模式、熵編碼、編碼塊模式、運(yùn)動(dòng)矢量及QDCT系數(shù)等的視頻隱寫技術(shù)。QDCT系數(shù)是視頻編碼過程中預(yù)測殘差經(jīng)過DCT變換和量化生成的。與壓縮域其他載體元素相比，視頻壓縮過程產(chǎn)生數(shù)目較大的QDCT系數(shù)，能嵌入更高容量的秘密信息。因此，涌現(xiàn)了許多基于QDCT系數(shù)的視頻隱寫技術(shù)[1-7]。此類視頻隱寫技術(shù)核心在于通過修改QDCT系數(shù)來隱蔽地嵌入信息。為了有效抑制幀內(nèi)失真漂移現(xiàn)象，早期的QDCT系數(shù)視頻隱寫方法[1-3]通常根據(jù)當(dāng)前塊的幀內(nèi)預(yù)測模式，自適應(yīng)地制定修改準(zhǔn)則。這一策略顯著減少了因修改當(dāng)前QDCT系數(shù)而對(duì)相鄰參考?jí)K邊緣像素產(chǎn)生的不良影響，從而確保了信息嵌入過程的高效性。但此類視頻隱寫技術(shù)的安全性能不高。為了解決這一問題，越來越多的研究工作傾向于采用最小失真嵌入框架在QDCT系數(shù)中自適應(yīng)地嵌入秘密信息。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于最小失真嵌入框架的解耦合視頻隱寫方法。為了減小幀內(nèi)失真漂移，秘密信息嵌入在不作為參考的部分變換系數(shù)。該方法能有效地減弱幀內(nèi)失真漂移，提高含密視頻的視覺質(zhì)量，但嵌入過程使用的QDCT系數(shù)變少，因此嵌入容量不高。文獻(xiàn)[5]提出了一種減小塊內(nèi)、塊間失真漂移的失真代價(jià)函數(shù)，該方法也在部分QDCT系數(shù)中嵌入秘密信息，嵌入容量也因此受到限制。不同于文獻(xiàn)[4-5]，文獻(xiàn)[6]通過評(píng)估宏塊的紋理復(fù)雜度，提出為高頻區(qū)幀內(nèi)、幀間失真漂移較小的QDCT系數(shù)設(shè)計(jì)嵌入失真代價(jià)函數(shù)。然而，只使用嵌入塊高頻區(qū)的QDCT系數(shù)為載體減少了實(shí)際的嵌入容量。

現(xiàn)有的這些方法只利用部分QDCT系數(shù)實(shí)現(xiàn)秘密信息嵌入，嵌入容量有限。此外，這些方法雖然都利用了病灶格子圖編碼[8]（STC）嵌入秘密信息，但是由于隱寫算法框架本身的限制，這些方法都不能有效地優(yōu)化載體視頻所有QDCT系數(shù)的嵌入失真。針對(duì)現(xiàn)有視頻隱寫算法嵌入容量有限、安全性不足等問題，本文引入均勻嵌入算法[9-10]的思想，提出了一種基于均勻嵌入策略的視頻隱寫算法。該算法通過引入本征能量的概念，實(shí)現(xiàn)了將秘密信息更合理地嵌入到視頻的復(fù)雜區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于現(xiàn)有的視頻隱寫算法，本文算法在抵抗VDCTR和IDFB隱寫分析檢測方面具有更高的安全性能。

1相關(guān)技術(shù)

在數(shù)字多媒體隱寫系統(tǒng)中，負(fù)載為嵌入多媒體載體中的隱秘信息，而嵌入隱秘信息的多媒體則稱作載密體。數(shù)字多媒體隱寫算法通常通過對(duì)載體信號(hào)進(jìn)行微小擾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入。目前最為流行的為基于最小失真嵌入框架的自適應(yīng)隱寫。最小失真嵌入框架包括兩個(gè)部分，即：失真代價(jià)函數(shù)和隱寫編碼。其中，失真代價(jià)函數(shù)用于設(shè)計(jì)修改每個(gè)載體元素所需的失真代價(jià)值，而隱寫編碼則是根據(jù)定義的失真代價(jià)函數(shù)修改載體元素。下面給出壓縮域視頻隱寫的模型。

2.2算法框架

視頻壓縮通常是基于塊進(jìn)行編碼的。換句話說，當(dāng)某一個(gè)宏塊或幀編碼結(jié)束后，該宏塊或幀的編碼參數(shù)都將被寫入碼流文件中。當(dāng)前主流的基于STC隱寫編碼算法主要采用最小化編碼塊或編碼幀的QDCT系數(shù)的嵌入失真代價(jià)和的方法。此類方法屬于在壓縮域嵌入秘密消息，無法優(yōu)化整個(gè)載體視頻的QDCT系數(shù)的嵌入失真代價(jià)和。為了解決這一問題，本文嘗試在碼流層面嵌入秘密消息，提出了一種基于均勻嵌入的視頻隱寫算法框架，如圖1所示。

在數(shù)據(jù)嵌入階段，發(fā)送者從H.264/AVC編碼器獲取整個(gè)視頻的編碼參數(shù)，并選擇QDCT系數(shù)作為載體，通過STC編碼及均勻嵌入失真代價(jià)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)嵌入，獲得載密QDCT系數(shù)。接著，發(fā)送者使用與原始一致的編碼器去編碼同一個(gè)視頻，并用載密QDCT系數(shù)去替換新生成的QDCT系數(shù)。最后，對(duì)配置參數(shù)、載密QDCT系數(shù)及運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行熵編碼，生成要傳輸?shù)妮d密視頻。在數(shù)據(jù)提取階段，接收者解碼接收到的載密視頻，通過熵解碼獲得載密QDCT系數(shù)，最后使用STC提取算法將秘密信息從載密QDCT系數(shù)中提取出來。

3實(shí)驗(yàn)與討論

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1）視頻集：本實(shí)驗(yàn)包含30個(gè)從互聯(lián)網(wǎng)上收集色彩空間為4：2：2YUV的標(biāo)準(zhǔn)視頻序列[11]。從這30個(gè)格式為CIF的標(biāo)準(zhǔn)視頻序列中不重疊地采樣一個(gè)或者多個(gè)幀數(shù)為100的視頻子序列，最終組成100個(gè)視頻序列且每個(gè)視頻的幀數(shù)為100的視頻庫。本文算法和對(duì)比的方法文獻(xiàn)[5]（記作Tar1）和文獻(xiàn)[6]（記作Tar2）都均采用JM19.0[12]來壓縮視頻。幀間預(yù)測結(jié)構(gòu)設(shè)置為IPPPPPPPPPIPP…，分辨率為352×288。

2）評(píng)估方法：為驗(yàn)證本文提出的視頻隱寫方法的安全性，我們采用了文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)的1440維隱寫分析特征集和文獻(xiàn)[14]提出的768維隱寫分析特征集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)于視頻數(shù)據(jù)集，隨機(jī)選取一半載體視頻和載密視頻對(duì)進(jìn)行訓(xùn)練，而剩下載體視頻和載密視頻對(duì)用于后續(xù)測試。安全性性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為平均檢測準(zhǔn)確率PˉACC。PˉACC越低，安全性能越高。PˉACC是真陽率（TruePositiveRate）和真陰率（TrueFalseRate）的均值。最終的平均檢測準(zhǔn)確率是在視頻數(shù)據(jù)集上測試20次的均值。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本節(jié)利用文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]提出的視頻隱寫分析方法VDCTR[13]和IDFB[14]來評(píng)價(jià)提出的算法的安全性，基于VDCTR和IDFB，本節(jié)也比較了Tar1和Tar2的安全性能。所有涉及的方法采用的相對(duì)嵌入負(fù)載為比特每個(gè)非零交流系數(shù)（bpnzAC）。bpnzAC是一個(gè)相對(duì)的指標(biāo)，指的是每一個(gè)視頻中嵌入的隱秘信息的長度和非零交流系數(shù)總數(shù)的比值。相對(duì)嵌入負(fù)載∈{0.1，0.2，0.3，0.4，0.5}。實(shí)驗(yàn)中采用了兩種常見的量化步長分別為QP=20和QP=25。

4結(jié)束語

考慮到當(dāng)前主流的基于STC隱寫編碼算法無法優(yōu)化整個(gè)載體視頻的QDCT系數(shù)的嵌入失真代價(jià)和，本文在均勻嵌入的思想下結(jié)合塊的本征能量設(shè)計(jì)了一種新型失真代價(jià)度量函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該算法不僅可以將嵌入修改均勻分散到QDCT系數(shù)上，還能更自適應(yīng)地將秘密信息嵌入到視頻的復(fù)雜區(qū)域。相比現(xiàn)有的視頻隱寫算法，本文算法在抵抗VDCTR和IDFB隱寫分析檢測方面具有更高的安全性能。

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