基于差值分析的视频隐写分析

学术研究Academic Research基于差值分析的视频隐写分析.周挺，郭捷(上海交通大学信息安全工程学院通信系统信息控制技术国家级重点实验室，上海200240)[摘要]隐写分析主要是针对图像、视频、声音等多媒体数据，在对隐写算法和隐藏信息一无所知的情况下，仅仅通过分析多媒体数据，检测其是否含有隐藏信息。提出一种对视频基帧信息进行差值分析的方法，来检测视频中是否携带隐藏信息,并利用MPEG视频文件的编解码源代码库ffmpeg,对实际视频进行了大量的分析实验，实验结果表明，对于不同的视频对象和水印嵌人率，该算法都可有效检测到隐藏信息。[关键词]隐写分析，MPEG格式;视频，fmpeg[中图分类号] TP3-05[文献标识码]A[文章编号] 1009- 8054(2010) 05- 0072- 03Steganalysis Based on MPEG VideoZHOU Ting，GUO Jie(School of Information Security Engineering，Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)[Abstract] Steganalysis is mainly directed against images, video, sound and other multimedia data. Simple analysis on themultimedia data could deteet if it contains hidden information without any knowledge of steganographic algorithm and hiddeninformation. A basic frame difference steganalysis method is proposed to detect the hidden informnation in mutimedia data. A greatamount of video steganalysis based on MPEG formnat video files codec library fmpeg is implemented. Experiment results show that thismethod is a success under different multimedia data and different embedding rates.[Keywords| steganalysis, MPEG; video; fmpeg难找到对大多数隐写方案都稳定有效的分类特征，目前广义隐0引言写分析的检测率普遍较低。对视频的狭义隐写分析目前主要近年来，隐写分析技术川1得到了国内外科研机构越来越有LSB隐写分析凹和预测残差分析两种方法。虽然LSB隐写广泛的关注，日渐成为-一个活跃的研究邻域。自从Johnson etal可以在隐 裁大量信息的情况下依然保持良好的视觉隐蔽性，但在1998年发表了关于隐写分析的第-篇文献，文中分析了一是使 用有效的分析工具就可以判断- -帧图像中是否 含有隐藏信些常见隐写软件对一帧图像质量的影响，以及被隐写分析者检息， 预测残差分析是对视频中P帧或B帧中的预测残差矩阵测出隐藏信息的可能性。随后，国内外的科研工作者纷纷提出进行统计分析的隐写分析方法，主要是针对将隐写信息嵌入在了各自不同的隐写分析算法。DCT矩阵中的隐写术，由于量化是分块进行的，在DCT矩阵现有的研究主要是针对具体的隐写算法提出特定的检测中嵌入信息后，不同块之间就会有一定的不连续性，可通过相方法，即狭义隐写分析。这类算法的检测率较高，由于狭义隐应的特征函数检测视频是否含有隐藏信息。写分析是针对特定的隐写术进行分析，可以有针对性地对一种文中提出一-种新的算法:基于差值分析的视频隐写分析算信息隐藏方法提出相应的隐写分析算法，使得狭义隐写分析的法。首先，对视频文件I帧进行中值滤波后，对滤波前后1帧准确性较高。广义隐写分析"，就是利用模式识别的概念，对数据的变化进行统计，根据统计结果判断视频文件中是否含有嵌入信息的视频文件和未嵌入信息的视频文件，进行分类特征隐藏信息。 文中还通过实验观察不同嵌入强度和不同嵌入率对提取，通过建立和训练分类器，实现隐藏信息的检测。由于很差 值分析结果的影响.当嵌入强度大于8或嵌入率大于25%时，差值分析方法能有效地检测出带有隐藏信息的文件。收稿日期: 2009 -11-12作者简介:周挺，1985年生， 男，硕士，上海交通大学信息安中国煤化工全工程学院信息系统信息控制技术国家级重点实验室，研究方1.1 MP向:围像隐写分析算法研究;郭捷. 1980年生， 女.副研究页，HCNMH G上海交通大学信息安全工程学院信息系统信息控制技术国家级MPEU恍狈通常由多个连续时wurGroup of Pictures) 序列重点实验室，研究方向:围像隐写分析算法研究。组成，每个GOP包括多个帧,帧的帧类通常包括1-帧.P-帧和B-“方芳数据“学术研究Academic Research帧。其中1-帧采用帧内编码，P- 帧采用前向估计，B- 帧采用双个点， 共9个点，为3x3的一个小矩阵，对选中的9个点按向估计。GOP帧序列的第一帧为1-帧，其他帧为P-帧和B-帧。大小进行排序: 用第5位的那个点替换当前被处理的点。当整1-帧是比较特殊的一个帧,解码时仅用1-帧的数据就可重个 G,矩阵都处理完时，我们就得到了滤波后的矩阵G2。构完整图像，不需要参考其他画面。p-帧采用运动补偿的方法传送它与前面的I-帧或P-帧的3实验结果及分析差值及运动矢量(预测误差),解码时必须将I-帧中的预测值在试验中，我们利用MPEG格式视频文件的编解码库finpeg与预测误差求和后才能电构完整的P-帧图像。软件作为实验平台，利用标准测试序列Foreman作为测试序列，B-帧是由前面的I-帧或P-帧和后面的P-帧来进行预测的。如图 1所示。fimpeg 是-一个开源免费的项目，提供录制、转换及下面是-一个典型的帧序列: IB.B.PB.BPBB.P.B.B.LjB流化音 视频的完整解决方案，它包含了非常先进的视频/音频编其中IB,B,P.B.BPB.P.JB.,B,为一个GOPO.解码库libavcodee,为了保证质量和性能，libavcodec 里codec通常我们可以将隐藏数据加载在I帧的数据中.的程序结构都是完全重新设计的。1.2 MPEG枧频隐写方法50 00= -原始曲线45 00在视频信息隐写中，隐写系统可用一个四元组(w，E, D,Ke)来表示用。假设(m, n) 表示水印信息嵌入位置，Y(m, 川卓3000-代表原始载体视频信号,Y(m,川)代表加人秘密信息的视频信号，而w(m,n)为需要传递的秘密信息，-般由发送人的密钥Key产生，则隐藏信息嵌入算法E: (Y, w, Key)→Y为发送方秘密信息的嵌人映射，常见形式为:1520专值大Y'(m, n)=Y(m， n)+a,(m, n)xw(n, 川)围1 -帧差值分析方法(Forman.mpog)式中，a(m,川) 代表水印信息的嵌入强度因子，k为视频帧索3.1 嵌入隐藏信息引值，-般a,(m, m) 是由人类视觉系统(HVS)根据人眼的不为了能有效地控制嵌入强度与嵌人率，文中使用了自己特可觉察性自适应决定。隐藏信息嵌人既可以在空域进行，也有的隐写术算法， 如下所述: .可以在频域嵌人。①选取YUV格式的实验样本文件，使用添加了隐写术算隐藏信息检测算法D:(r,Ke)→w为接收方的提取映法的fmpeg程序将YUV文件编码为mpeg文件(文中假设的射，使用密钥Key提取出秘密信息w。对于隐写分析人员来说，需 要进行隐写分析的场景为互联网，而使用压缩编码的mpeg分析者仅能够得到载密视频Y,并根据Y来判断视频中是否格式文件在 互联网中得到了广泛的应用), .隐藏秘密信息w.②将一帧画面划分为2x2的矩阵，每个2x2的矩阵用于存放1 bit的隐藏信息，2基于差值分析的视频隐写分析方法.③根据嵌人率的大小，取出相应比率的矩阵;帧中组成矩阵的相邻值之间大小应该是十分接近的。这是④根据嵌入强度的大小,将1 bit的隐藏信息嵌人到矩阵中。由于画面变化上的平滑性，同一幅画面中大部分像素点与其周当嵌入的信息为1时， 将矩阵的a00和a1l加上嵌入强度，a01围的像素点不应该有太大的差别。当我们向视频文件中添加隐和 a10减去嵌人强度:当嵌人的信息为0时，将矩阵的a00和藏信息后，图像中像素之间平滑变化的特性就遭到了破坏。具all 减去嵌入强度，a01 和al0加上嵌入强度;体步骤如下:⑤生成mpeg文件供隐写分析。①对1-帧DCT矩阵做DCT反变换后得到完整的YUV 3.2 隐写分析结果矩阵G,向一段MPEG视频的I.帧忝加隐藏数据后，我们将拥有未②对该矩阵做中值滤波后得到-个新的YUV矩阵G2添加隐藏数据的原始文件和添加了隐藏数据的载体文件。使用③0G= IG,-G]之前提到的隐写分析方法对这两个文件进行处理。图1为[帧④统计△G中不同差值出现的情况:差值分析方法对没有嵌人隐藏信息和嵌人隐藏信息后Foreman.⑤得出统计结果。mpega Foreman.mpeg的嵌入1帧差值分析方法中提到的中值滤波算法，输人为YUV强度为中国煤化工数据我们可以看到在正矩阵G，输出为新的YUV矩阵G,该函数对矩阵G中的每常情况YHc N M H G布.但添加隐藏数据后，-个点执行如下修改:选取当前修改的点及被修改点周围的8扩大了原来相邻像 素之间大小的差距，进而导致IG, - G|的分信息安全与通信保密.2010.5 73学术研究Academic Research布在横坐标上进行扩散。从图1可以看出，视频没有嵌入隐藏由图2和图3可以看出，当概率密度函数结果大于1时，信息和嵌入隐藏信息后，两者的直方图分布不同。分别求出两枧频文件极 有可能带有隐藏信息。.个直方图的均值y和方差o,然后根据慨率密度函数计算:4结语P=J2xo exp|2zo文中提出在空城上通过中值滤波对MPEG视频文件进行对图1中的数据进行计算后得到没有嵌入隐藏信息时P为隐写分析的方法。 在空域上，在同一帧画面中，相邻的像素0.381 157,嵌入隐藏信息后P为14.931 12,两者相差了30多倍。点亮度 Y的变化应该是平滑的(),如果像素值的平滑性被改为进-步分析嵌人率和嵌入强度对检测结果的影响，我们对不同变了， 我们可以认为其藏有隐藏数据。嵌人强度和不同嵌人率时的视频文件进行检测,结果见图2和图3。当像素值的平滑性被改变时，直接影响了中值滤波的结- Foreman 1果，使我们的概率密度函数结果成指数型增长。..... news参考文献[1] Avcibas I, Memon N, Sankur B. 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(遇最人强度圜3嵌入宰为50%时嵌入强度对结果的影响第二十届全国信息保密学术会议(IS2010)征文通知第二十届全国信息保密学术会议定于2010年10月在广东省深圳市召B开。此次学术年会由国家保密局指导,中国计算机学会信息保密专业委员会、国家保密科学技术研究所主办,广东省国家保密局承办.欢迎同行专家.学者.科研工作者和信息保密管理工作者积板投稿。现将征文有关事宜通知如下:1.征文内容(1)信息安全保密的国际最新发展动态(2)等级保护和分缴保护技术与管理(3)网络与信息系统安全保密防护技术(4) 网络攻防技术(5)信息安全保密检查、监控与取证技术(6)信息系统测评技术(7)信息安全保密学科建设2.征文要求(1) 论文应主题明确.论据充分、联系实际，反映最新研究成果，字数一般不超过5000字。已发表的论文晴勿投稿。(2)文贵自负，保密审查由作者所在单位负责。应征论文不论录用与否，恕不退稿，请作者自留底稿。(3) 2010年8月1日前将论文全文按统- -要求格式打印两份、光盘-张(Word格式)及填写的投稿表以桂号方式寄往收稿地址。(4)论文录取后将于2010年9月10日前通知作者参加会议的具体事项。3.收稿地址中国煤化工北京市海淀区交大东路甲5610044姜放 同志收电话/ 传真: 010-YHC N M H G保密专业委员会2010年2月20日74 www cismag.com.cn