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1、上海交通大学 硕士学位论文 视频隐写分析算法研究 姓名：施昌林 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：黄征 20090101 上海交通大学硕士学位论文 视频隐写分析算法研究 I 视频隐写分析算法研究 摘 要 随着数字多媒体技术和网络技术的不断发展，保障信息的安全变得 越来越重要。信息隐藏是保护多媒体信息安全的一种新兴技术，其中视 频信息隐藏技术近年来已经成为信息安全领域的一个研究热点。视频信 息隐藏分析技术作为其对立面，对于信息安全的保障和进一步完善，有 着举足轻重的意义。本文根据基于 MPEG1 的视频信息隐藏技术的预测 残差特性， 设计了针对 MSU StegoVideo 视
2、频隐写软件的一个视频信息 隐藏分析检测系统，对视频系统中的隐藏信息进行分析检测。 论文首先介绍了信息隐藏技术的基本概念、基本分类和研究发展现 状等相关背景知识，然后简要地介绍了隐写技术和视频信息隐藏技术的 特点、隐藏方法的分类和主要的应用领域；并依据视频信息隐藏技术的 典型应用，结合 MPEG 视频压缩编解码标准，阐述了视频信息隐藏分析 技术的特点和基本设计策略；最后，设计实现了一个基于 MPEG 编码残 差技术的视频信息隐藏分析检测系统，系统由视频码头信息分析、帧数 上海交通大学硕士学位论文 视频隐写分析算法研究 II 据读取分析、残差计算、量化分析等几个模块，从检测系统到各个局部 模块，针
3、对性地对目标视频文件进行实验分析，并得出了此方法能够有 效检测视频隐藏信息的结论；同时针对采用同样基于预测残差技术的视 频篡改的检测系统，进行了数据和实验的对比，并阐述了视频篡改与视 频隐写之间不同现象与原理，从而达到检测视频隐藏信息的目的。 关键字：信息隐藏，预测残差，视频，隐写分析，MPEG 上海交通大学硕士学位论文 视频隐写分析算法研究 III VIDEO STEGANALYSIS ALGORITHM RRSEARCH ABSTRACT With the development of digital multimedia techno1ogy and internet technique
4、s，the information security has been more and more necessary. Information hiding is one of the significant and effective methods to protect the multimedia information security. Video information hiding has emerged to be an active and flourishing research topic in the field of information security rec
5、ently. As the contrary, video steganalysis plays an important role. According to the characteristics predication residuals of video information hiding based on MPEG-1 standards，a video steganalysis detecting system is designed. And the detecting system can detect the hiding information especially hi
6、ded by MSU StegoVideo software. In this thesis, we mainly introduce the steganography background and characteristics, classification and application of the video steganography. According to the steganography theory and the MPEG coding standards, we analysis the strategy to design the detecting syste
7、m, which contains video heads reading, video frames analysis, computation of predication residuals, quantification, finally the graphics show. By the experiments and analysis from the figures, we find that it can be easily checked if the video has hiding information by the detecting system. KEYWORDS
8、: information hiding，predication residuals, video, steganalysis，MPEG 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：施昌林 日期：2009 年 2 月 25 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书
9、学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 施昌林 指导教师签名：黄征 日期：2009 年 2 月 25 日 日期：2009 年 2 月 25 日 上海交通大学硕士学位论文 视频隐写分析算法研究 1 第一章 绪论 信息
10、隐藏技术和隐写分析技术是目前研究比较热门并对立的方向，主要集中在 图片、音频和视频这几个方向的信息的隐写和隐写分析研究。 1.1 背景介绍 1.1.1 信息隐藏 信息隐藏技术是日趋成熟的信息安全技术之一，在许多领域已经得到有效的应 用。信息隐藏是集多学科理论与技术于一身的新兴技术领域，它利用人类感觉器官 对数字信号的感觉冗余，将一个消息隐藏在另一个载体消息中，由于在隐藏后外部 表现的只是载体消息的外部特征，故并不改变载体消息的基本特征和使用价值，所 以用信息隐藏的方法和用密码加密的方法进行保密通信各有优势。信息隐藏方法的 最大优点是：除通信双方以外，任何第三方都不知道隐藏消息存在这个事实，这就
11、 较之单纯的密码加密方法更多了一层保护。 现阶段信息隐藏技术中所用的载体有四种：数字图像、数字音频、数字视频、 文字媒体。目前信息隐藏技术在信息安全的各个领域中所发挥的作用系统地总结为 五个方面： 1 数据保密 在因特网上传输一些数据要防止非授权用户截获并使用，这是网络安全的一个 重要内容。随着经济的全球化，这一点不仅将涉及政治、军事，还将涉及到商业、 金融和个人隐私。而我们可以通过使用信息隐藏技术来保护在网上交流的信息，如: 电子商务中的敏感信息、谈判双方的秘密协议和合同、网上银行交易中的敏感数据 信息、重要文件的数字签名和个人隐私等。另外，还可以对一些不愿为别人所知道 的内容使用信息隐藏的
12、方式进行隐藏存储。 2 数据的不可抵赖性 上海交通大学硕士学位论文 视频隐写分析算法研究 2 在网上交易中，交易双方的任何一方不能抵赖自己曾经做出的行为，也不能否 认曾经接收到对方的信息，这是交易系统中的一个重要环节。这可以使用水印技术， 在交易体系的任何一方发送或接收信息时，将各自的特征标记以水印的形式加入到 传递的信息中，以达到确认其行为的目的，这种水印应是不能被去除的。 3 数字作品的版权保护 版权保护是信息隐藏技术中水印技术所试图解决的一个重要问题。随着网络和 数字技术的快速普及，通过网络向人们提供的数字服务也会越来越多，如数字图书 馆、数字图书出版、数字电视、数字新闻等。这些服务提供
13、的都是数字作品，数字 作品具有易修改、易复制的特点， 已经成为迫切需要解决的实际问题。数字水印技 术可以成为解决此难题的一种方案: 服务提供商在向用户发放作品的同时， 将双方 的信息代码以水印的形式隐藏在作品中， 这种水印从理论上讲应该是不被破坏的。 当发现数字作品在非法传播时，可以通过提取出的水印代码追查非法散播者。 4 防伪 商务活动中的各种票据的防伪也是信息隐藏技术可用武之地。在数字票据中隐 藏的水印经过打印后仍然存在，可以通过再扫描数字形式，提取防伪水印，验证票 据的真实性。 5 数据的完整性 对于数据完整性的验证是要确认数据在网上传输或存储过程中没有被篡改。通 过使用脆弱水印技术保护
14、的媒体一旦被篡改就会破坏水印，从而很容易被识别。 信息隐藏以隐藏信息的存在为目的，其对外表现为载体信息的外部特征，并不 改变载体信息的基本特征和应用价值，由公开信息作掩护，使第三方不会感觉到秘 密信息的存在，因此信息隐藏具有更强的信息保密性和信息安全性。 经过多年的努力，信息隐藏技术取得了很大进展，先进的信息隐藏技术已能做 到: 使隐藏有其它信息的信息不但能经受人的感觉检测和仪器设备的检测， 而且还能 抵抗各种人为地蓄意攻击。同时，水印验证体系的建立、法律保护等因素也是信息 隐藏技术在迈向实用化中不可缺少的应用环境。 1.1.2 隐写分析 信息隐藏是在不对载体信号过分影响的前提下，将额外的信息
15、嵌入数字媒体中， 以实现版权保护、隐藏通信等功能。信息隐藏可以分为数字水印、隐写、匿名等分 上海交通大学硕士学位论文 视频隐写分析算法研究 3 支，其中数字水印和密写是最为重要的两项，分别用于版权保护和隐藏通信。数字 水印技术是将标志产品的作者、所有者、发行者、使用者、出品时间等信息按一定 算法嵌入载体信号中。嵌入的水印不能影响载体的商用价值，并且可以从含水印的 载体数据中检测或提取出来。数字水印的目的是为了保护载体的版权。当从数字媒 体产品中提取出的版权信息与该产品的持有者不一致时，便可以认为此产品是非法 复制的，该产品的持有者涉嫌侵犯了他人的知识产权。应用数字水印技术的目的不 是制止非法复
16、制，而是鉴别哪些产品是非法复制品。有些数字水印系统将使用者的 信息作为水印，称为数字指纹。当发现非法复制品时，可根据非法复制品中的数字 指纹确定是哪一个使用者对数字媒体进行了非法复制，以便追究其法律责任。另外， 数字水印还可以用来鉴别载体数据是否受到了非法篡改。最近有意义的研究工作包 括：数字水印(隐藏版权信息)和数字指模(隐藏序列号)，它们的区别是后者用于判 别版权规定的违犯者，前者用于起诉这些违犯者。 隐写来自于希腊词根(，)，字面意义是“密写” 25，它是将秘 密信息隐藏在载体中，尽可能不引起第三方怀疑地通过公共信道发送出去，它更注 重隐蔽性。一个著名的例子是罗马人将秘密消息刺在剃光了头发的信使头上，等头 发长长后再将信使派往敌后，收信方为了读取密写的消息，需要重新将信使的头发 剃去。在上一世纪的两次世界大战中，交战双方普遍使用隐形墨水书写机密文件， 以便将信息传送给潜伏在敌后的特工人员。 隐写技术有着悠久的历史，而信息数字化和互联网的迅速兴起为现代隐写技 术数字隐写提供了充分的发展空间。虽然都是以实现隐蔽通信为
