薛瑩瑩

（河南博物院，河南 鄭州 450002）

目前，人類社會(huì)正處于信息時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)作為全球最大的信息發(fā)布系統(tǒng)，是人們獲取信息不可或缺的途徑之一，但與此同時(shí)，也面臨著信息安全問(wèn)題的巨大挑戰(zhàn)。信息隱藏是集多學(xué)科理論與技術(shù)為一體的一門新興學(xué)科，通過(guò)將秘密信息嵌入到其他載體中來(lái)實(shí)現(xiàn)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主流，由于視頻數(shù)據(jù)具有海量的特點(diǎn)，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，H.264作為新一代低比特率數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在視頻點(diǎn)播、數(shù)字電視、多媒體通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，因此開(kāi)展基于H.264的信息隱藏研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 信息隱藏技術(shù)概述

1.1 信息隱藏的基本框架

信息隱藏也稱作數(shù)據(jù)隱藏，它的基本原理是將秘密信息隱藏于公開(kāi)信息中，然后通過(guò)傳輸公開(kāi)信息來(lái)傳遞秘密信息，同時(shí)使得公開(kāi)信息跟原來(lái)并沒(méi)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(guò)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(guò)提取算法I 將秘密信息E從秘密載體提取出來(lái)。

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(wú)密鑰隱藏

無(wú)密鑰隱藏即在數(shù)據(jù)嵌入和使用過(guò)程中不使用密鑰，秘密信息嵌入的過(guò)程如下：

F：D×E→M，對(duì)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(fā)送方和接收方使用相同的密鑰，私鑰隱藏系統(tǒng)的安全性取決于私有密鑰K，秘密信息的嵌入和提取過(guò)程如下：

F：D×E×K→M，對(duì)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(duì)待隱藏信息采用公鑰密碼進(jìn)行加密，再將秘密信息嵌入到載體中。

1.3 度量指標(biāo)

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(dòng)或被動(dòng)的（例如：平移、旋轉(zhuǎn)、重采樣、信道噪聲等）干擾后，秘密信息還能夠保持一定的穩(wěn)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(huì)引起觀測(cè)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(jìn)制秘密數(shù)據(jù)的位數(shù)。對(duì)于嵌入算法而言，魯棒性、不可感知性和信息嵌入量三個(gè)指標(biāo)常常是相互制約的，并且在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。在實(shí)踐中，各個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)具體目標(biāo)和技術(shù)要求選擇上述特性作為重點(diǎn)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(jié)構(gòu)，分為視頻編碼層VCL（Video Coding Layer）和網(wǎng)絡(luò)提取層 NAL（Network Ab?straction Layer）兩個(gè)層［2-3］。其中，VCL是整個(gè)H.264視頻編碼的核心，它采用混合編碼的方式對(duì)視頻內(nèi)容進(jìn)行高效的編碼；NAL主要對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包傳送，其數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)能夠適應(yīng)不同的傳輸協(xié)議和傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.2 H.264編碼特點(diǎn)

2.2.1 幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)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(nèi)預(yù)測(cè)編碼［4］。

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

2.2.2 幀間預(yù)測(cè)技術(shù)分析

H.264幀間預(yù)測(cè)技術(shù)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(qū)域，對(duì)于較為平滑的圖像區(qū)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(jù)圖像的平滑程度采用最佳的預(yù)測(cè)方式。

2.2.3 熵編碼技術(shù)分析

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

3 視頻信息隱藏方法分析

通過(guò)上一節(jié)對(duì)H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的分析可知，相比以往的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，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(guò)m序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)，并按照一定規(guī)則排列成二進(jìn)制比特流，然后將該比特流嵌入到每個(gè)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(jī)選取N對(duì)像素點(diǎn)（mi，ni），然后將每個(gè)mi點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素亮度值加1，每個(gè)ni點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素亮度值減1。因?yàn)閳D像亮度變化小并且隨機(jī)分布于整個(gè)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(jī)紋理區(qū)域中，利用紋理的相似性掩蓋秘密信息，視覺(jué)不易察覺(jué)，并且在一定程度上可以抵抗壓縮、旋轉(zhuǎn)、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(jì)算復(fù)雜度較高，嵌入容量小，但具有更好的魯棒性，應(yīng)用也更加廣泛。

Cox等人［5］提出的擴(kuò)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(dá)式如下：

M表示嵌入秘密信息后的載體變換域系數(shù)，D表示原始載體的變換域系數(shù)，E表示待嵌入的秘密信息，α是加權(quán)系數(shù)，α值越小不可感知性越好。但當(dāng)α小到一定程度時(shí)，即使秘密載體沒(méi)有受到干擾，也不能保證準(zhǔn)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(guò)程中嵌入秘密信息，將編碼方法和嵌入算法相結(jié)合，在這里不再詳述，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［6，7］。

4 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地歸納了信息隱藏技術(shù)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(biāo)，然后深入分析了H.264編碼的基本原理和編碼特點(diǎn)，包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)、幀間預(yù)測(cè)技術(shù)和熵編碼技術(shù)。最后闡述并分析了國(guó)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)—h.264/avc［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［3］孫華.H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的分層設(shè)計(jì)與功能［J］.廣播與電視技術(shù)，2004，31（4）：31-33.

［4］徐睿.H.264幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法技術(shù)研究［D］.沈陽(yáng)理工大學(xué)，2011.

［5］I.J.Cox，J.Kilian，F(xiàn).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.