本發(fā)明涉及信息安全
技術領域：
：中的信息隱藏子領域的隱寫分析(steganalysis)方法，尤其涉及使用dct核在空域及時域構造特征的一種檢測基于dct系數隱寫的視頻隱寫分析方法，以及該方法在檢測基于dct系數隱寫的視頻隱寫上的應用。
背景技術：
：：隱寫分析的目的是檢測多媒體文件中是否存在嵌入的秘密信息，有效遏制隱寫技術在失竊密通信、隱藏非法聯絡等中的濫用。當今時代，視頻編碼技術及高性能網絡的高速發(fā)展，促使壓縮視頻成為了影響度最大的多媒體文件之一。同時，壓縮視頻可以為隱寫和隱寫分析提供充足的可用冗余信息，因此，以視頻為載體的隱寫和隱寫分析成為了當前的研究熱點。當前的視頻隱寫方法通常與視頻壓縮過程相結合，通過改動壓縮過程中的運動向量、幀間預測模式、量化dct參數等嵌入消息來實現視頻隱寫。其中，基于dct系數的隱寫具有高負載和低復雜度的優(yōu)點，適用于隱寫的實時應用。如lin(t.lin,k.chung,p.chang,y.huang,h.liao,andc.fang.2013.animproveddct-basedperturbationschemeforhighcapacitydatahidinginh.264/avcintraframes.journalofsystemsandsoftware86,3(2013),604–614.),ma(x.ma,z.li,j.lv,andw.wang.2009.datahidinginh.264/avcstreamswithlimitedintra-framedistortiondrift.in2009internationalsymposiumoncomputernetworkandmultimediatechnology.1–5；x.ma,z.li,h.tu,andb.zhang.2010.adatahidingalgorithmforh.264/avcvideostreamswithoutintra-framedistortiondrift.ieeetransactionsoncircuitsandsystemsforvideotechnology20,oct2010,1320–1330.)，nakajima(k.nakajima,k.tanaka,t.matsuoka,andy.nakajima.2005.rewritabledataembeddingonmpegcodeddatadomain.in2005ieeeinternationalconferenceonmultimediaandexpo.682–685.)，wong(k.wong,k.tanaka,k.takagi,andy.nakajima.2009.completevideoquality-preservingdatahiding.ieeetransactionsoncircuitsandsystemsforvideotechnology19,10(oct2009),1499–1512.)等提出的視頻隱寫方法，可有效避免視頻全解碼和重編碼過程中的計算消耗，使基于dct系數的視頻隱寫成為快速易用的隱寫方法。為分析隱寫對視頻流的空域及時域相關性造成的影響，一系列隱寫分析方法已被提出，如da(tingda,zhitangli,andbingfeng.2015.avideosteganalysisalgorithmforh.264/avcbasedonthemarkovfeatures.springerinternationalpublishing,cham,47–59.)，pankajakshan(v.pankajakshananda.ho.2007.improvingvideosteganalysisusingtemporalcorrelation.inproceedingsofthethirdinternationalconferenceoninternationalinformationhidingandmultimediasignalprocessing,volume01.ieeecomputersociety,washington,dc,usa,287–290.)，zarmehi(n.zarmehiandm.akhaee.2016.digitalvideosteganalysistowardspreadspectrumdatahiding.ietimageprocessing10,1(2016),1–8.)提出的方法。上述隱寫分析方法并非是專用于基于dct系數的視頻隱寫分析方法，但指導了檢測此類隱寫的研究方向。此外，圖像中基于量化dct系數的隱寫研究已經較為成熟，在jpeg圖像中的高效隱寫分析算法，如holub和fridrich(v.holubandj.fridrich.2015.low-complexityfeaturesforjpegsteganalysisusingundecimateddct.ieeetransactionsoninformationforensicsandsecurity10,2feb2015,219–228；v.holubandj.fridrich.2015.phase-awareprojectionmodelforsteganalysisofjpegimages.2015.)設計的算法，也為本發(fā)明的設計提供了研究思路。技術實現要素：本發(fā)明的目的是提供一種檢測基于dct系數隱寫的視頻隱寫分析方法，該方法通過分析隱寫操作對視頻空域及時域相關性的影響，分別構造空域及時域隱寫分析特征集，實現對基于dct系數隱寫的視頻隱寫方法的有效檢測。為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：一種檢測基于dct系數隱寫的視頻隱寫分析方法，其步驟包括：1)制備原始視頻集，并基于一部分原始視頻集采用待分析的隱寫算法生成相應的隱寫視頻集；2)將上述每個原始視頻和每個隱寫視頻分別解碼到k個gop(groupofpictures)單元，其中k根據視頻和gop單元的長度確定；3)解碼各gop單元的i幀到空域，并對每個空域i幀提取空域特征集，得到空域直方圖；4)解碼各gop單元的p幀/p幀和b幀，并在解碼過程中構造時域特征集，得到時域直方圖；5)根據上述空域直方圖和時域直方圖得到隱寫分析特征集；6)將上述隱寫分析特征集輸入分類器進行訓練，得到隱寫分析分類器；7)根據步驟2)至步驟5)所述方法提取待測視頻的隱寫分析特征，并將其輸入所述隱寫分析分類器進行分析判別。進一步的，步驟1)中所述原始視頻集的制備方法是指：用戶根據統(tǒng)一的壓縮參數壓縮yuv視頻流，得到一個或多個原始視頻集。更進一步的，所述壓縮參數包括尺寸、長度、分辨率。進一步的，步驟3)中所述對每個空域i幀提取空域特征集得到空域直方圖的步驟包括：3-1)計算空域i幀與dct核的卷積，得到空域i幀的噪聲殘差，并通過量化操作得到空域i幀的量化噪聲殘差；3-2)根據現有基于dct隱寫算法的嵌入方法，得到不同改動系數對宏塊空域像素值的影響，并計算改動當前宏塊的嵌入代價；3-3)根據上述空域i幀的量化噪聲殘差和上述嵌入代價，計算空域特征集得到空域直方圖。更進一步的，步驟4)中所述構造時域特征集得到時域直方圖的步驟包括：4-1)通過運動向量連接相似宏塊重構空域分片；4-2)計算上述空域分片與dct核的卷積，得到空域分片的噪聲殘差，并通過量化操作得到p幀/p幀和b幀的量化噪聲殘差；4-3)根據上述p幀/p幀和b幀的量化噪聲殘差和步驟3-2)中的嵌入代價，計算時域特征集得到時域直方圖。進一步地，步驟5)具體包括：根據dct核的對稱原則合并上述空域直方圖和時域直方圖，得到降維后的空域特征和時域特征，連接降維后的空域特征和時域特征得到隱寫分析特征集。進一步地，步驟6)中所述分類器為集成分類器或高斯核的支持向量機。進一步地，多次重復步驟7)，將平均結果作為依據進行最終判別。本發(fā)明對視頻隱寫分析領域的有益效果在于：本發(fā)明提供一種檢測基于dct系數隱寫的視頻隱寫分析方法，且該方法是首個專用于檢測基于dct系數隱寫的視頻隱寫分析方法。該方法根據分析基于dct系數隱寫的隱寫操作對視頻空域及時域相關性的影響，使用dct核及嵌入代價計算空域特征集得到空域直方圖。且通過運動向量連接幀間的相似宏塊，構造空域分片并計算時域特征集得到時域直方圖。將上述空域直方圖及時域直方圖合并為最終的隱寫分析特征集，并將其輸入到分類器進行訓練生成隱寫分析分類器。之后將待測視頻按上述方法提取其隱寫分析特征，并將該隱寫分析特征輸入所述隱寫分析分類器進行分析判別。該方法可有效檢測基于dct系數隱寫的隱寫視頻，提高了隱寫分析尤其對高質量視頻進行檢測的準確率。附圖說明圖1是本發(fā)明提供的一種檢測基于dct系數隱寫的視頻隱寫分析方法流程圖；圖2是本發(fā)明中空域特征集計算流程圖；圖3是本發(fā)明中時域分層構造示意圖；圖4是本發(fā)明中順序運動向量計算示意圖；圖5是本發(fā)明使用運動向量連接宏塊示意圖；圖6是本發(fā)明方法與dctr分析特征、da的分析方法在不同量化參數及嵌入率下對ma的隱寫方法的檢測準確率對比圖；圖7是本發(fā)明方法與dctr分析特征、da的分析方法在不同量化參數及嵌入率下對lin的隱寫方法的檢測準確率對比圖。具體實施方式為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖作詳細說明如下。本發(fā)明提供的一種檢測基于dct系數隱寫的視頻隱寫分析方法的實現流程如圖1所示。本發(fā)明所采用的技術方案主要包括以下步驟(如無特殊說明，以下步驟均由計算機和電子設備的軟硬件執(zhí)行)：1、制備原始視頻和隱寫視頻集。用戶根據統(tǒng)一的壓縮參數(如尺寸、長度、分辨率等)壓縮yuv視頻流，得到一個或多個原始視頻集。基于一組原始視頻集，采用待分析的隱寫算法生成相應的一組隱寫視頻集。2、提取隱寫分析特征集。將上述原始視頻和隱寫視頻分別解碼到k個gop單元(其中k根據視頻和gop單元的長度確定)，各gop單元的起始幀為i幀，對第k個gop單元(1≤k≤k)執(zhí)行下述操作：1)解碼各i幀到空域，對每個空域i幀fk提取空域特征集，其特征提取過程如圖2所示，包括以下步驟：a)通過求fk與dct核g的卷積，計算空域i幀的噪聲殘差u(fk,g)＝{fk*g}。并且通過量化操作得到空域i幀的量化噪聲殘差u(fk,g,q)＝q(u(fk,g)/q)，其中q是固定的量化步長，q是以{0,1,2,...,tr}為質心的量化器，其中tr是截斷閾值。該步驟如圖2中(a)卷積及量化所示；b)根據現有基于dct隱寫算法的嵌入方法，得到不同改動系數對宏塊空域像素值的影響ρi,j，并計算改動當前宏塊的嵌入代價δ(ρi,j)，其中ρi,j的下標i和j分別為宏塊橫坐標和縱坐標的索引。該步驟如圖2中(d)宏塊分類及(e)代價計算所示；c)對于分辨率為m×n的i幀，根據上述空域i幀的量化噪聲殘差和上述嵌入代價，計算空域特征集得到空域直方圖該步驟如圖2中(b)直方圖計算所示。其中，χ為宏塊的長寬像素值；u,v為dct變換及量化后的殘差索引系數，且0≤u,v≤χ-1；q為量化器，其質心為{0,1,2,...,tr}，tr為截斷閾值；τ為空域直方圖的取值，且-tτ≤τ≤tτ，其中tτ≥0；和分別為空域i幀在縱向和橫向的宏塊個數。2)解碼各gop單元的p幀/p幀和b幀，在解碼過程中構造時域特征集；其中gop單元的p幀/p幀和b幀是指有的gop單元包括p幀，而有的gop單元包括p幀和b幀。其包括以下步驟：a)通過運動向量連接相似宏塊重構空域分片pk。用于連接的運動向量需滿足其中sad是預測宏塊與原始宏塊間的殘差絕對值之和，μ是sad的標準差，nei定義鄰居宏塊的范圍大小。重構的圖層如圖3所示，各行由t個與空域i幀對應的相似宏塊構成，其中t是該gop單元中的幀數。若該gop單元中存在l個連接，則重構空域分片共由l行構成；b)計算上述空域分片pk與dct核g的卷積，得到空域分片pk的噪聲殘差u(pk,g)，并將其量化得到p幀/p幀和b幀的量化噪聲殘差u(pk,g,q)；c)對由t×l個宏塊拼接的空域分片pk，計算時域特征集得到時域直方圖其中，u,v為dct變換及量化后的殘差索引系數，且0≤u,v≤χ-1；q為量化器，其質心為{0,1,2,...,tr}，tr為截斷閾值；τ為時域直方圖的取值，且-tτ≤τ≤tτ，其中tτ≥0；δ(ρi)表示pk同一行中連接的相似宏塊的嵌入代價是相同的，均等于fk中相應宏塊的嵌入代價。3)根據dct核的對稱原則合并空域直方圖(如圖2中(c)降維處理所示)和時域直方圖得到降維后的空域特征和時域特征。連接降維后的空域特征和時域特征即可得到最終的隱寫分析特征集。對各gop單元，按照步驟2的操作提取隱寫分析特征集，直至處理完畢當前原始視頻集和隱寫視頻集。3、隱寫分析分類器的訓練和配置。將步驟2中從原始視頻集和隱寫視頻集中提取的隱寫分析特征集輸入分類器，對分類器進行訓練，生成隱寫分析分類器。4、對待測視頻進行分析。接收到待測視頻，首先按照步驟2的操作提取該待測視頻的隱寫分析特征，然后將獲得的隱寫分析特征輸入隱寫分析分類器中進行分析，重復多次，將平均結果作為依據進行最終判別。下面舉一具體實施例來解釋說明本發(fā)明。該實施例是在h.264/avc視頻編碼標準下對基于dct系數隱寫的視頻隱寫進行的分析，其僅僅是本發(fā)明分析方法在h.264/avc標準中的應用，可以充分說明該方法的效果。但本發(fā)明提出的是一個通用的框架，除該實施例之外，該方法可應用于其他視頻壓縮標準下的隱寫分析。故基于本發(fā)明的框架提出的其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。在h.264/avc視頻編碼標準中，幀間預測提供了兩種亮度塊尺寸：4×4和16×16。由于亮度16×16塊通常變化平緩且人眼對亮度值的變化較為敏感，因此現有的隱寫方法僅考慮i幀中的亮度4×4塊。為了降低計算復雜度并實現快速的視頻壓縮，h.264/avc標準采用整數dct變換和量化操作，該過程可公式化表示為rqdct＝arat。其中，rqdct為整數dct變換及量化后的殘差，r為宏塊的殘差，a為單位正交矩陣。且單位正交矩陣表示為：在視頻幀中，第i行第j列的dct變換后的殘差塊可表示為：在h.264/avc標準中，0≤m,n≤3，表示4×4殘差的行列索引；0≤u,v≤3，表示4×4dct變換及量化后的殘差索引系數；wu及wv表示dct變換系數，當u,v＝0時并且若u＞0,v＞0，則wu＝1,wv＝1?；谏鲜隼碚?，本發(fā)明提出了h.264/avc中的4×4dct核，用于空域及時域特征的提取。本發(fā)明提供的一種檢測dct系數隱寫的視頻隱寫分析方法，其在h.264/avc的實施方法主要包括以下步驟：(1)制備原始視頻集和隱寫視頻集。100個4:2:0yuv格式的標準cif序列被用于該實施例。視頻序列的幀率為30fps，視頻長度為100幀至2000幀。ma的隱寫方法和lin的隱寫方法將被用于嵌入秘密信息，且使用每非零系數嵌入的數據位(bitsembeddedpernon-zerocoefficient,bpnc)度量嵌入率。為測試本發(fā)明方法在不同情況下的檢測效果，該實施例分別使用常用的量化參數(即qp＝28、32、36)壓縮視頻，并采用不同隱寫方法在不同嵌入率下對壓縮視頻進行隱寫(ma的隱寫方法：0.05bpnc，0.1bpnc；lin的隱寫方法：0.05bpnc，0.1bpnc及0.15bpnc)。(2)解碼隱寫視頻，針對各gop單元，使用本發(fā)明方法提取隱寫分析特征集。a)計算空域特征集。計算空域i幀與dct核的卷積，得到量化后空域i幀的量化噪聲殘差。其公式如下：u(fk,g)＝{u(u,v)|0≤u,v≤3}u(u,v)＝fk*g(u,v)u(fk,g,q)＝q(u(fk,g)/q)其中，g(u,v)為dct核，且定義如下：根據現有基于dct系數隱寫算法得到不同改動系數對下的嵌入代價集合。δ(ρi,j)＝{δ(ρi,j)1st,δ(ρi,j)2st,δ(ρi,j)3st,δ(ρi,j)4st,δ(ρi,j)5st}＝{8q2,8q2,8q2,4q2,16q2}結合卷積操作，計算得到空域直方圖。b)計算時域特征集。通過運動向量連接與空域i幀相似的宏塊，請參考圖4，基于gop單元中運動向量間存在的三角運算關系，得到順序連接的運動向量(sequentialmotionvector，smv)。在幀中，對于宏塊可得在幀中，對于宏塊可得同理在幀fp中，對于宏塊mbp可得請參考圖5，在連接運動向量的過程中，若預測宏塊超過參考幀中的邊界，則連接最大重疊面積的宏塊。若連接宏塊的大小并非為4×4，則將當前宏塊劃分為尺寸為4×4的子宏塊。通過將連接的4×4宏塊進行拼接，可得到空域分片?；谠摽沼蚍制?，可得到時域直方圖。c)基于dct核的對稱原則合并空域直方圖和時域直方圖，且空域直方圖及時域直方圖的個數從16降至9，各特征集的維數均為16×9×(tr+1)＝144×(tr+1)。(3)訓練和配置隱寫分析分類器。在本發(fā)明實施例中，使用集成分類器及高斯核的支持向量機進行分類，任意選擇50％的隱寫及非隱寫視頻使用步驟(2)的方法提取隱寫分析特征，并將隱寫分析特征輸入分類器進行訓練，得到隱寫分析分類器。(4)對待測視頻進行檢測。使用訓練完成的隱寫分析分類器對剩余的50％視頻序列進行分析，首先使用步驟(2)對該待測視頻進行特征提取(即提取該待測視頻的隱寫分析特征)，然后將獲得的隱寫分析特征輸入隱寫分析分類器中進行測試。檢測準確率是真陽性率和真陰性率的平均值，重復20次實驗，使用平均準確率作為最終判別的依據。為了比較不同隱寫分析方法的檢測效果，本實施例使用圖像隱寫分析中的dctr分析方法及da提出的視頻隱寫分析方法作為本發(fā)明方法的對照組。不同分析方法的檢測效果在表1中列出，圖6是本發(fā)明方法與dctr分析特征、da的分析方法在不同量化參數及嵌入率下對ma的隱寫方法的檢測準確率對比圖；圖7是本發(fā)明方法與dctr分析特征、da的分析方法在不同量化參數及嵌入率下對lin的隱寫方法的檢測準確率對比圖。表1：不同分析方法在不同量化參數和嵌入率下對da和lin的隱寫方法的檢測效果通過觀察表1、圖6及圖7得知，本發(fā)明方法在三種隱寫分析中的檢測效果最好，且在大多數情況下，dctr分析特征的檢測效果優(yōu)于da的分析方法。隨著量化參數的降低，三種隱寫分析的檢測效果大部分都有所提高。這是由于使用較小的量化參數壓縮的視頻質量較高，從中提取的特征也更有效。此外，由于特征的維度較低，使用支持向量機要比使用集成分類器的分類效果好。盡管針對ma和lin的隱寫方法，da和dctr均有一定的檢測效果，但本發(fā)明方法極大的提高了檢測準確率。在量化參數為28且嵌入率為0.15bpnc的情況下，檢測lin的隱寫方法可達到99.13％的準確率。針對ma的隱寫方法，在量化參數為28且嵌入率為0.1bpnc時，準確率高達95.81％。由以上具體實施方式中的實施例可知，本發(fā)明提出的視頻隱寫分析方法可以對基于dct系數隱寫的視頻隱寫分析方法進行高效的檢測，且對高質量隱寫視頻的檢測效果更佳。以上實施僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求書所述為準。當前第1頁12當前第1頁12