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基于流媒体的隐蔽通信技术研究

作　者: 田晖
导　师: 冯丹；周可
学　校: 华中科技大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: 隐写术隐蔽通信流媒体 VolP 协议隐写隐写编码
分类号: TN918
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着流媒体应用的不断普及,一个富有创新性和挑战性的研究问题——基于流媒体的信息隐藏,逐渐引起了研究者们的关注。基于流媒体的隐蔽通信是该方向上的一个典型课题,其研究重点是如何将隐秘信息隐藏于可公开的实时流媒体中以达到安全传输的目的,它为解决日益紧迫的信息安全问题,尤其是安全通信问题提供了一种新的有效手段。由于分支差异性以及载体多样性等原因,信息隐藏迄今为止尚无具有普遍意义的理论框架。在分析和总结已有理论研究工作的基础之上,结合流媒体的相关特点,以信息论和最优化理论为指导,从应用模型、安全性、隐藏容量和载体信息与隐秘信息相关性四个方面探讨了流媒体隐蔽通信的相关理论,为流媒体隐蔽通信方法及原型系统的设计提供了理论基础。为了在抵抗统计攻击的同时维护流媒体的实时性,从在线隐秘信息传输的需求出发,借鉴序列加密思想,提出了两种流媒体隐蔽通信方法,一种用于交互式即时短消息的隐蔽通信,而另一种用于隐秘文件块的实时传输。尽管两种方法分别以基于线性同余与Mersenne Twister的复合伪随机数序列和m序列作为流加密的密钥进行描述,但这并非是一个固定搭配,在实际应用中两者可以互换使用,并且也能取得很好的效果。此外,针对两种方法的不同应用需求,结合协议隐写技术,分别设计了同步机制,有效的解决了密钥及隐秘信息的同步问题。借鉴相似理论,提出了“可通过增加隐秘信息和载体信息间的相似性来提高隐藏性能”的观点,对可测度相似性、部分相似性和相关性能评价准则进行了完整的数学定义。针对感知透明性和隐藏容量之间存在的制约关系,提出了三种基于部分相似性的自适应隐蔽通信方案。第一种方案采用的是单条件阈值控制方式;第二种方案以三重m序列为基础描述了一种完整的基于双条件阂值的自适应部分匹配隐蔽通信方法；第三种方案是第二种方案思想的延续,所不同的是同时考虑了原始载体和原始隐秘信息与加密后隐秘信息的相似性。这些方案尽管在隐藏性能上有所差别,但都能够在维护载体流媒体实时性的同时,自适应的达到感知透明性和隐藏容量间的合理平衡。在实际应用中,可根据载体流媒体的特性和隐藏性能的需求进行选用。由于采用了以牺牲容量“换”透明性的策略,传统隐写编码对于追求高效率的流媒体隐蔽通信都存在着一定的局限性。为此,提出了基于数字逻辑变换的隐写编码算法。根据所采用逻辑变换的不同,该算法可分为三类,即基于逻辑运算的编码算法、基于移位运算的编码算法和混合编码算法,它们主要思想都是借助数字逻辑变换来提高载体信息和嵌入信息间的相似性从而达到提高感知透明性的目的,本质上是通过降低有效比特改变率的方式来减少载体改变量,因而能够在维护流媒体载体最大嵌入容量的同时有效的提高感知透明性。此外,针对动态调整隐藏容量和感知透明性的需求,提出了一种动态矩阵编码算法。与传统矩阵编码算法相比,该算法旨在通过动态的调节隐秘信息向量长度以达到连续调整嵌入率和比特改变率的目的；同时,它继承了传统矩阵编码的优点,因而能够达到较高的嵌入效率。需要指出的是,动态矩阵编码算法本质上是一种概率性算法,其误差与隐藏数据量成反比。因此该算法不宜应用于隐藏数据量较小的场合,但对于长时间的隐蔽通信能够取得较佳的效果。最后,探讨了流媒体隐蔽通信系统的设计原理；以VoIP为代表,结合已提出的隐蔽通信方法,设计并实现了VoIP隐蔽通信原型系统——StegVoIP。测试结果表明,该系统能够在保证正常VoIP通信的同时有效传递隐秘的交互式即时短消息以及各种轻型隐秘文件。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
1. 绪论  10-26
  1.1. 信息加密面临的挑战  10-11
  1.2. 信息隐藏  11-15
  1.3. 隐写术  15-19
  1.4. 基于流媒体的隐蔽通信  19-24
  1.5. 本文的课题来源及研究内容  24-26
2. 流媒体隐蔽通信的相关理论  26-44
  2.1. 引言  26-27
  2.2. 流媒体隐蔽通信的基本理论  27-32
  2.3. 流媒体隐蔽通信系统的安全性  32-35
  2.4. 流媒体隐蔽通信系统的隐藏容量  35-40
  2.5. 载体信息与隐秘信息相关性的启示  40-42
  2.6. 本章小结  42-44
3. 基于序列加密的流媒体隐蔽通信方法  44-68
  3.1. 引言  44-45
  3.2. 序列加密技术  45-53
  3.3. 基于复合伪随机数序列的隐蔽通信方法  53-58
  3.4. 基于m序列的隐蔽通信方法  58-61
  3.5. 实验及结果分析  61-67
  3.6. 本章小结  67-68
4. 基于部分相似性的自适应流媒体隐蔽通信方法  68-84
  4.1. 引言  68
  4.2. 相似性及隐藏性能的评价标准  68-71
  4.3. 简单的自适应隐蔽通信策略  71-73
  4.4. 自适应部分匹配隐蔽通信方法  73-78
  4.5. 实验及结果分析  78-83
  4.6. 本章小结  83-84
5. 面向感知透明性的隐写编码算法研究  84-112
  5.1. 引言  84
  5.2. 传统编码算法  84-92
  5.3. 基于数字逻辑变换的编码算法  92-103
  5.4. 动态矩阵编码算法  103-110
  5.5. 本章小结  110-112
6. 基于VoIP的隐蔽通信系统  112-124
  6.1. VoIP的原理及关键技术  112-114
  6.2. 协议隐写技术  114-118
  6.3. VoIP隐蔽通信系统的设计与实现  118-123
  6.4. 本章小结  123-124
7. 总结及展望  124-128
  7.1. 全文总结  124-126
  7.2. 进一步研究的展望  126-128
致谢  128-130
参考文献  130-146
附录1 作者攻读博士学位期间发表的学术论文目录  146-147
附录2 作者攻读博士学位期间参与项目及申请专利情况  147

基于流媒体的隐蔽通信技术研究

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