第37卷增刊(I)2007年9月 东南大学学报(自然科学版)J OURNAL O F S OUTHE A S T UN I VER SITY (Natural Science Ed iti on ) Vol 137Sup (I)Sep t .2007 一种新型视频信息隐藏分析算法苏育挺 王莉莉 张春田(天津大学电子信息工程学院,天津300072)摘要:针对一种公开的视频隐藏软件MS U StegoV ideo 进行了深入分析,通过多种序列试验测试反向剖析其信息隐藏嵌入机理.其开发者利用具有较高鲁棒性的扩频隐藏算法,将秘密信息嵌入到视频图像中,可以在有损视频压缩编码后仍能够正确提取.充分利用该软件嵌入数据分布上的特点,设计了一种基于重建视频图像块效应分布的视频隐藏信息检测算法,通过检测隐藏引入的块效应与压缩编码引入的块效应之间的差异,来判别视频资源中是否利用MS U StegoV ideo 隐藏特殊信息.试验结果表明,该隐藏分析算法能够在不同压缩码率条件下,有效地实现对视频数据中的隐藏信息地精确检测.关键词:隐藏分析;视频压缩编码;块效应中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2007)增刊(I )20164204New v i deo stegana lysis a lgor ithm for M SU stego vi deoSu Yuting W ang L ili Zhang Chuntian(School of Elect r onic Inf o r mati on Engineeri ng,Tian ji n Un i versity,Ti anjin 300072,C hina )Abstra c t:MS U StegoV ideo,an open video steganography soft ware is deeply analyzed in this pa per,its e m bedding m echanis m is revealed by m any kinds of sequences te sts .The deve l opers ofMS U sche m ed a str ongly robust spread s pec trum steganogr aphy a lgorithm ,s o m essages can be extracted correc tly even af 2ter the stegovideo strea m s are comp r e ssed.I n this paper,based on the distribution characteristics of the e m bedded data,a detecting a lgorithm is proposed by utilizing the distributi on of block artifacts existing in reconstr ucted fra m es .Experi ments show that the pr oposed steganalytic algorithm can ef fectively detect the existence of secret m essages at different video coding bit r ates .Key wor ds:steganalysis;video compressi on coding;bl ocking artifact 收稿日期22 基金项目国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(6Z ) 作者简介苏育挺(—),男,博士,副教授,y @j 20世纪90年代中期,伴随着信息隐藏技术的普及,一些提供免费下载的公开信息隐藏软件在网络上出现,这使得使用信息隐藏技术进行隐蔽信息传输成为一种个人行为,而该技术能否被正当使用也成为各国安全部门所关注的问题,因此对抗信息隐藏的分析技术开始兴起.现阶段信息隐藏分析技术的研究重点集中于静止图像的隐藏分析[1],而针对视频信息隐藏的分析技术发展相对缓慢,这一方面是由于视频信息隐藏及其分析技术需要具备视频编解码系统的研究背景;另一方面是目前只有很少成熟的视频信息隐藏软件被公开.但数字视频作为未来网络信息资源的重要组成,基于视频资源的信息隐藏及其隐藏分析技术正逐步成为信息隐藏领域的研究重点.现在,在网络上已出现一些隐藏软件支持视频信息隐藏功能,但大多数该类软件只是利用视频文件格式结构中的冗余空间进行秘密传输,而未实现秘密信息与视频内容的有效融合,如Steganography,Hider 等均采用了简单的文件尾部续接式嵌入,因此设计相应的媒体文件格式检测算法就可以将隐藏信息分离出来.MS U StegoV ideo [2]是目前网络上出现的一款结合视频内容的信息隐藏软件,它可以在A V I 视频文件中隐藏任意类型的其他文件,其采用了一种强鲁棒性的视频隐藏算法,载密视频即使经过二次压缩编码,仍能够正确地提取秘密信息,因此MS U StegoVideo 可以视为一种真正的视频信息隐藏工具.本文针对MS U StegoV ideo (下文简称为MS U )隐藏算法进行了深入的分析研究,总结了其嵌入算法的技术细节和嵌入数据的分布特点,并针对性地提出了一种基于块效应分布检测的隐藏分析算法,该算法能:20070720.:200AA01407.:1972t s u t .cn.够有效地检测经MS U 隐藏处理的视频文件,并且在不同码率压缩编码之后,仍能够有效地判断隐藏信息的存在性.1 M S U 视频信息隐藏算法分析由于MS U 开发者仅提供应用软件及封装的功能模块,并未公开相关的隐藏算法和源程序,因此只能通过测试特定序列进行反向分析.首先,以多帧单一灰度值图像(如图1(a)所示)构造了一组特殊的视频测试序列,利用MS U 隐藏软件对其进行秘密信息嵌入,然后比较隐藏后的载密图像与原始图像之间的差值图像信号,以此来寻求其隐藏算法的模式特点.图1 利用不同测试序列分析M S U 隐藏机理通过对MS U 隐藏软件操作流程的分析,以及隐藏前后差值图像的对比,可知MS U 隐藏软件在整体算法设计结构上采用了一种类似图像扩频水印算法[3]的隐藏技术.它首先将秘密信息通过一定的预处理(包括加密和纠错编码)形成嵌入数据,然后在图像空间域将其自适应地叠加嵌入到整个图像之中.MS U 软件可以通过2个参数控制这一过程:冗余度参数冗余(redundancy level )和嵌入强度参数(noise level ),前者用于控制扩频系数,通过图像尺寸和序列长度预置嵌入最大数据容量,冗余参数越大嵌入信息的鲁棒性越强,但实际能嵌入的信息量越少;后者则用于控制叠加调制强度,其数值越大嵌入信息的鲁棒性越强,但不可感知性越弱,该软件正是利用这两个方面来增强嵌入信息的抗攻击能力,提高其在二次压缩编码后的生存能力.在隐藏信息数据分布上,MS U 采用了隐藏信息逐帧顺序嵌入的策略,以此实现大容量信息隐藏;而在每一帧图像中,MS U 则构造了一种特定的嵌入数据分布模式,将差值图像幅度按照比例放大,可以清晰地看到这种分布特点.它以32×32像块为单位,其中的4个16×16嵌入信息块构成了一种调制幅度交错的类似棋盘格的分布模式.这种模式嵌入机制的优点在于可以提高嵌入信息的鲁棒性;另一方面由于视频压缩编码的量化环节会引入类似的块效应,这在一定程度上也为嵌入信息提供了伪装.在嵌入调制策略上,为防止颜色失真,MS U 仅选择图像的亮度分量进行信息嵌入,而未在色度信号中隐藏;为进一步增强不可感知性,信息嵌入调制强度在通过嵌入强度参数进行整体控制的同时,还会根据图像内容在局部进行微弱的自适应调整综上所述,MS U 是一种扩频水印算法的改进,它具有一定的鲁棒性,并可以通过选择合适的嵌入参数有效抗击各种标准视频压缩编码系统的影响对大量的自然视频序列进行隐藏前后对比实验(如图()、()所示),发现了与单一灰度值图像基本一致的隐藏信息数据分布规律,验证了对MS U 隐藏算法特点的561增刊(I )苏育挺,等:一种新型视频信息隐藏分析算法..1c d分析.2 M S U 隐藏分析算法设计由于MS U 隐藏算法在嵌入数据分布上采用了一种特殊的分布模式来增强其鲁棒性,虽然这种模式类似于压缩编码所引入的块效应,但两者之间还是存在一些不同之处.首先,视频压缩编码中的块效应[4]是相邻块独立进行压缩编码的过程中,由量化引起的边界不连续的分布特性,它往往是以8×8图像块为单位,而非MS U 算法中的16×16图像单位块;其次,编码所产生的块效应受到当前编码内容、量化等级等因素的影响,虽具有一定的不确定性,但并没有MS U 算法所引入的伪随机特性;最后,对于一个良好的视频压缩编码系统,会通过有效地调节编码帧率和量化因子等参数来保持系统整体的平稳性.在信道传输码率允许的条件下,多数编码器会尽可能采用统一的量化因子,维持一帧重建图像内质量的统一,因此在一帧重建图像内由量化所引入的块效应分布可能因图像内容而不同,但在统计上量化噪声在全图上的分布将趋于均匀.而MS U 算法因其调制单元不同,从而造成块效应在不同位置上存在局部不均匀的特性.图2 MSU 隐藏算法中块效应示意图从图1中可以清晰地看到MS U 隐藏数据的分布模式特点,以局部一个嵌入隐藏信息后的16×16像素块为例,如图2所示,其数据嵌入会导致其块边缘(实线边缘)的块效应增强,而对其内部8×8像素块的边缘(虚线边缘)的块效应影响较小,这与块效应分布趋于均匀的整体特性相悖.本文正是利用视频压缩所引入的块效应与MS U 算法隐藏数据所引入的块效应分布上的区别,设计了一种基于块效应分布特性的视频信息隐藏分析算法,实现对MS U 软件隐藏信息的有效检测.具体隐藏分析算法设计如下:首先,隐藏分析算法引入边界差值检测算子DD 来统计图像内部不同位置边缘的块效应,式(1)、(2)中D h ,D v 分别表示图像中任一块边缘像素点(i,j )的水平方向和垂直方向D 算子计算公式.同时,分析算法引入门限截取策略,降低图像内容自身变化对块效应检测的不良影响.D h (i ,j )=|f (i,j +1)-f (i,j )|(1)D v (i,j )=|f (i +1,j )-f (i ,j )|(2)其次,为了区分2个不同位置的块效应,分析算法定义2个不同边界位置的块效应因子D 16和D 8,如式(3)、(4)所示.其中,H,W 分别表示视频重建图像的水平和垂直像素数,而M,N 分别表示水平和垂直方向上16×16块的数量.图3所示为Containe r 序列利用M S U 隐藏信息前后2个块效应因子的变化(两序列均采用X V I D 2MPEG 4压缩编码器以相同码率进行压缩编码重建).可以看出,未经M S U 隐藏序列,其D 16与D 8数值相近,而经MS U 隐藏后,D 16的数值将远大于D 8的数值,明显地显现出块效应分布的不均匀性.D 16=∑N -1n =1∑H -1i =0D h(i,16n -1)+∑M -1m =1∑W -1j =0D v (16m -1,j )(M -1)H +(N -1)W(3)D 8=∑N -1n =1∑H -1i =0D h(i ,16n -9)+∑M -1m =1∑W -1j =0D v (16m -9,j )(M -1)H +(N -1)W(4)ΔF =D 16-D 8(5)最后,隐藏分析算法以D 16与D 8的差值ΔF 作为判据,经序列各帧累计平均计算ΔF 平均值.当视频序列未经MS U 隐藏时,ΔF 趋近于零值;当视频序列中经M S U 隐藏软件进行秘密信息嵌入后,D 16数值则均大于D 8.通过适当选择判决门限T H ,即可以检测视频码流中是否利用MSU 隐藏软件进行信息隐藏.3 实验测试与结果分析为了检测本文提出的视频隐藏分析算法的有效性,测试实验选取多种视频资源,以XV I D 作为第三方压缩编码工具,通过参数控制,选取不同嵌入强度、不同的压缩编码码率,测试整体算法的有效性图为个标准视频测试序列利用MS U 不同的嵌入强度和不同压缩码率下ΔF 数值的变化情况可以看出未嵌661 东南大学学报(自然科学版) 第37卷.42.图3 隐藏信息前后,序列图像中块效应因子D 16与D 8的变化入隐藏信息的序列,其ΔF 均值很小趋于零;而嵌入隐藏信息的序列ΔF 较大,与嵌入强度成正比,而压缩码率的变化对ΔF 值的影响不大,这也体现了压缩编码所引入的块效应分布的均匀性.图4 标准测试序列ΔF 数值测试结果在检测门限T H 选取上具有一定的复杂性,虽然可以在一定的约束条件下,采用统计建模和假设检验的方法确定某一固定门限(例如缺省判决值T H =012)或确定一个动态区间(例如[0118,0125]),但在一个具体视频码流隐藏检测中,信息嵌入强度、载体图像序列长度、图像内容等因素均会影响检测精度和错检率.实验中我们从网络上随机获取的60个A V I 视频文件作为测试资源,如以单一门限T H =012进行判决,其漏检率约为20%,而误检率约为15%.具体分析上述错检的视频序列,可以发现当测试序列过短,ΔF 值就受图像内容影响较大,未嵌入信息的序列就可能产生较大的ΔF 数值,从而产生误检,但随着序列长度的增加,其未嵌入信息视频的ΔF 数据终会逐步趋于零,误检率也随之下降,这反映了块效应的均匀分布特性必须是建立在一定视频数据的统计量基础之上;另一方面,视频编码器中编码质量控制策略设计的不同也会影响ΔF 数值的测定.因此,需要进一步深入研究,依据检测端所能获取的先验知识,如编码器类型、参数、图像内容、序列长度等信息,设置自适应动态判决门限,形成更为灵活的视频隐藏分析算法.本文通过对现有的公开视频隐藏软件MS U StegoVideo 的深入分析,针对其嵌入信息的分布特性,提出了一种基于块效应分布特性的隐藏分析算法,算法能够在不同嵌入强度不同压缩码率条件下有效检测隐藏信息的存在性.同时,本文也对算法中关于判决门限选择上的不足进行了分析,为进一步提升隐藏分析系统的性能提供了参考依据.参考文献(R eferences)[1]Chandramouli R ,Subba laksh m i K P.Current trends in steg analysis:a critical survey[C ]//8th Interna tiona l Conference onControl ,Auto ma tion ,Roboti cs and V i sion (ICARCV).Kunm ing,China,2004,2:9642967.[2]MSU Graphics and M edia Lab .MSU stego video [EB /O L ].[2007207].htt p://w w w .co mp re ssion .ru /video /steg o -video /in 2dex -en .ht m l .[3]Cox I J ,Kilian J,Leight on T,e t al .Secure s p read s pec tru m wate r ma rking f or multi media [J ].IE EE Transa ctions on I ma ge,,6()63268[]M T ,N K N,G y R f f []I T 2Sy f V T y,,(3)25761增刊(I )苏育挺,等:一种新型视频信息隐藏分析算法P rocessing 199712:1717.tions on Circuits and ste ms or ideo echnol og 19999:49000.。
