[论文解读] Coverless Video Steganography based on Maximum DC Coefficients

Laijin Meng, Xinghao Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2020

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 27被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种新颖的无密钥视频隐写方案，利用离散余弦变换（DCT）视频块中的最大DC系数生成稳定哈希序列。通过建模视频压缩下DC系数的分布特性，并基于这些哈希对视频进行索引，该方法实现了对压缩和帧删除具有抗性的安全、高容量数据隐藏，其在容量、鲁棒性和安全性方面优于当前最先进的方法。

ABSTRACT

Coverless steganography has been a great interest in recent years, since it is a technology that can absolutely resist the detection of steganalysis by not modifying the carriers. However, most existing coverless steganography algorithms select images as carriers, and few studies are reported on coverless video steganography. In fact, video is a securer and more informative carrier. In this paper, a novel coverless video steganography algorithm based on maximum Direct Current (DC) coefficients is proposed. Firstly, a Gaussian distribution model of DC coefficients considering video coding process is built, which indicates that the distribution of changes for maximum DC coefficients in a block is more stable than the adjacent DC coefficients. Then, a novel hash sequence generation method based on the maximum DC coefficients is proposed. After that, the video index structure is established to speed up the efficiency of searching videos. In the process of information hiding, the secret information is converted into binary segments, and the video whose hash sequence equals to secret information segment is selected as the carrier according to the video index structure. Finally, all of the selected videos and auxiliary information are sent to the receiver. Especially, the subjective security of video carriers, the cost of auxiliary information and the robustness to video compression are considered for the first time in this paper. Experimental results and analysis show that the proposed algorithm performs better in terms of capacity, robustness, and security, compared with the state-of-the-art coverless steganography algorithms.

研究动机与目标

• 为解决尽管视频在容量和冗余方面优于图像，但缺乏鲁棒且安全的无密钥视频隐写方法的问题。
• 通过证明视频作为隐写传输载体比图像更安全，提升主观安全性。
• 提出一种基于最大DC系数的哈希生成方法，该方法在视频压缩及其他常见攻击下保持稳定。
• 引入一种新度量标准——相对有效容量，用于在评估隐写性能时考虑辅助信息的开销。
• 通过结构化视频索引与检测机制，增强对视频特有攻击（如压缩和帧删除）的鲁棒性。

提出的方法

• 构建DC系数的高斯分布模型，以分析最大DC系数在视频块间的变化，结果表明其在压缩下比相邻系数更稳定。
• 提出一种新颖的哈希序列生成方法，利用每个块中的最大DC系数，确保在压缩视频序列中的一致性。
• 建立视频索引结构，通过将秘密比特段与预先计算的哈希序列匹配，加速载体选择。
• 算法选择哈希序列与秘密信息匹配的视频，确保原始视频未被修改（无密钥特性）。
• 通过MSSIM值的商与切比雪夫不等式结合，实现帧删除检测机制，以定位被删除帧并保持数据完整性。
• 使用AES加密辅助信息以保护传输安全，并扩展视频索引以包含帧数，以便在帧删除后恢复顺序。

实验结果

研究问题

• RQ1 视频块中的最大DC系数能否为无密钥隐写中的哈希序列生成提供稳定可靠的依据？
• RQ2 最大DC系数在常见视频压缩下的分布特性如何？其是否可建模以增强鲁棒性？
• RQ3 视频特有攻击（如压缩和帧删除）对无密钥隐写性能有何影响？如何有效缓解？
• RQ4 在隐写通信中，视频载体的主观安全性与图像相比如何？
• RQ5 一种公平且实用的隐写容量评估度量标准是什么？该标准应能考虑辅助信息的开销。

主要发现

• 在帧删除攻击下，所提算法的提取准确率约为90%，在Class B序列中30帧被删除时准确率为89.0%，在Class E序列中为94.0%。
• 最大DC系数的高斯分布模型表明其稳定性优于相邻系数，从而可在压缩视频中实现可靠的哈希生成。
• 引入相对有效容量度量标准，并证明其通过考虑辅助信息开销，能更公平地评估隐写性能。
• 主观安全性测试表明，视频载体在感知上比大图像集合更安全，从而提升了传输安全性。
• 与现有无密钥隐写算法相比，该方法在视频压缩和帧删除攻击下表现出更优的鲁棒性，尤其得益于最大DC系数的使用与结构化视频索引。
• 在HEVC测试序列上的综合评估中，该算法在容量与安全性方面均保持高性能，优于当前最先进的方法。