信息隐藏技术与应用

信息隐藏技术与应用信息隐藏学时分配（36学时）第1章2学时第2章6学时第3章6学时第4章4学时第5章4学时第6章4学时第7章2学时第8章2学时第9章2学时第10章2学时以上为34学时复习2学时第一章信息隐藏技术概论1.1信息隐藏的概念、分类及特点1.1.1什么是信隐藏1.1.2信息隐藏的分类1.1.3信息隐藏技术特点1.2信息隐藏模型1.3信息隐藏的算法1.4信息隐藏技术的发展1.5信息隐藏技术的应用领域1.1信息隐藏的概念、分类及特点1.1.1什么是信息隐藏信息隐藏是把一个有意义的信息隐藏在另一个称为载体(Cover)的信息中得到隐蔽载体(StegoCover)S.如图1.1所示，非法者不知道这个普通信息中是否隐藏了其它的信息，而且即使知道也难以提取或去除隐藏的信息。所用的载体可以是文字、图象、声音及视频等。为增加攻击的难度，也可以把加密与信息隐藏技术结合起来，即先对消息M加密得到密文消息M’，再把M’隐藏到载体C中。这样攻击者要想获得消息，就首先要检测到消息的存在，并知道如何从隐蔽的载体S中提取M’及如何对M’解密以恢复消息M.1.1.2信息隐藏的分类(1)按载体类型分类包括基于文本，图像，声音和视频的信息隐藏技术。(2)按密钥分类若嵌入和提取采用相同密钥，则称其为对称隐藏算法，否则称为公钥隐藏算法。(3)按嵌入域分类主要可分为空域（或时域）方法及变换域方法。(4)按提取的要求分类若在提取隐藏信息时不需要利用原始载体C，则称为盲隐藏；否则称为非盲隐藏。(5)按保护对象分类主要可分为隐写术和水印技术。1)隐写术的目的是在不引起任何怀疑的情况下秘密传送消息，因此它的主要要求是不被检测到和大容量等。2)数字水印是指嵌在数字产品中的数字信号，可以是图像，文字，符号，数字等一切可以作为标识和标记的信息，其目的是进行版权保护、所有权证明、指纹（追踪发布多份拷贝）和完整性保护等。3)数据隐藏和数据嵌入：4)指纹和标签：1.1.3信息隐藏技术特点(1)透明性(2)鲁棒性(3)不可检测性(４)安全性(５)自恢复性(６)对称性(７)可纠错性1.2信息隐藏模型1.3信息隐藏的算法(1)空域算法该类算法中典型的算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位(LSB)上，这可保证嵌入的水印是不可见的。LSB算法的主要优点是可以实现高容量和较好的不可见性，但是该算法的鲁棒性差，容易被第三方发现和得到，遭到破坏，对图像的各种操作如压缩，剪切等都会使算法的可靠性受到影响。为了增强算法的性能，提出了各种改进的方法，如利用伪随机序列，以随机的顺序修改图像的LSB；在使用密钥的情况下，才能得到正确的嵌入序列。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。(2)Patchwork算法是随机选择Ｎ对像素点(ai，bi)，然后将每个ai点的亮度值加1，每个bi点的亮度值减1，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，Patchwork方法对JPEG压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。(3)频域算法。该类算法中，大部分算法采用了扩展频谱通信(spreadspectrumcommunication)技术。算法实现过程为：先计算图像的离散余弦变换(DCT)，然后将水印叠加到DCT域中幅值最大的前ｋ系数上(不包括直流分量)，通常为图像的低频分量。若DCT系数的前ｋ个最大分量表示为Ｄ={di}，i=1，…，ｋ，水印是服从高斯分布的随机实数序列Ｗ={wi}，i=1，…，ｋ，那么水印的嵌入算法为di=di(1+awi)，其中常数a为尺度因子，控制水印添加的强度。然后用新的系数做反变换得到水印图像I。还可以将数字图象的空间域数据通过离散傅里叶变换(DFT)或离散小波变换(DWT)转化为相应的频域系数(5)NEC算法该算法由NEC实验室的Cox等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯N(0，1)分布，密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成，其次对图像做DCT变换，最后用伪随机高斯序列来调制(叠加)该图像除直流(DC)分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止IBM攻击，而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布N(0，1)的特征。(6)生理模型算法人的生理模型包括人类视觉系统HVS(HumanVisualSystem)和人类听觉系统HAS。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样可以供数字水印系统利用。利用视觉模型的基本思想均是利用从视觉模型导出的JND(JustNoticeableDifference)描述来确定在图像的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。1.４信息隐藏技术的发展(1)传统的信息隐藏技术(2)数字信息隐藏技术的发展1.５信息隐藏技术的应用领域1)数据保密2）数据的不可抵赖性3）数字作品的版权保护4）防伪5）数据的完整性第2章隐秘技术2.1替换系统和位平面工具2.1.1最低比特位替换2.1.2伪随机置换2.1.3图像降级和隐蔽信道2.2.4二进制图像中的信息隐藏2.2变换域技术（DCT域中的隐写术）算法2.1最低比特位替换的嵌入过程fori=1,…,l(c)doSi←ciendforfori=1,…,l(m)do计算存放第i个消息位的指针jiSji←cji←miendfor嵌入过程包括选择一个载体元素的子集﹛j1,…,ji﹜，然后在子集上执行替换操作cm，即把ci的LSB与mi进行交换(mi可以是1或0)。一个替换系统也可以修改载体的多个比特，例如，在一个载体元素的两个最低比特位隐藏两比特信息。在提取过程中，抽出被选择载体元素的LSB，然后排列起来重构秘密信息。算法2.2最低比特位的提取过程fori=1,...,l(m)do计算存放第i个消息位的指针jimi←LSB(cji)endfor算法2.3随机间隔方法的嵌入过程fori=1,...,l(c)dosi←ciendfor使用种子k随机生成序列kin←k1fori=1,...,l(m)dosn←cn←min←n+kiendfor算法2.4随机间隔方法的提取过程使用种子k随机生成序列kin←k1fori=1,...,l(m)domi←LSB(cn)n←n+kiendfor算法2.5使用伪随机置换计算索引jv←idivXu←imodXv←(v+hk1(u))modYu←(u+hk2(v))modXv←(v+hk3(u))modYj←vX+u2.2.3图像降级和隐蔽信道图像降级在1992年，Kurak和McHugh报道了在高安全级操作系统中的一个安全威胁。这个威胁属于信息伪装技术，它能用于秘密地交换图像，我们称之为图像降级。图像降级是替换系统中的特殊情况，其中图像既是秘密信息又是载体。给定一个同样尺寸的伪装载体和秘密图像，发送者把伪装载体图像灰度(或彩色)值的四个最低比特替换成秘密图像的四个最高比特。接收者从隐藏后的图像中把四个最低比特提取出来，从而获得秘密图像的四个最高比特位。在许多情况下载体的降质视觉上是不易察觉的，并且对传送一个秘密图像的粗略近似而言，四比特足够了。Coverimagesecretimage高4位低4位高4位低4位图像降级在多级安全操作系统中，主体(进程、用户)和客体(文件、数据库等)都被指派一个特定的安全级别，参见著名的Bel-LaPadula模型。主体通常仅允许读取较低安全级别的客体(“不能向上读”)，同时只能向较高安全级别的客体进行写操作(“不能向下写”)。第一个限制的原因是明显的，而第二个限制的原因则是试图阻止用户将重要信息变为低安全级别主体可访问的。信息降级，就是通过将机密信息嵌入较低安全级别的客体中，使得机密信息不再机密(信息降级因此得名)，从而破坏了“不能向下写”的原则。隐蔽信道利用计算机系统中的未使用和保留的空间利用计算机系统中的隐通道利用密码协议中的阈下信道2.2.7二进制图像中的信息隐藏Zhao和Koch提出了一个信息隐藏方案，它使用一个特定图像区域中黑像素的个数来编码秘密信息。把一个二值图像分成矩形图像区域Bi，分别令P0(Bi)和P1(Bi)为黑白像素在图像块Bi中所占的百分比。基本做法是:若某块P1(Bi)＞50%，则嵌入一个1，若P0(Bi)＞50%，则嵌入一个0。为了提高整个系统对传输错误和图像修改的健壮性，我们必须调整嵌入处理。如果在传输过程中一些像素改变了颜色，诸如P1(Bi)由50.6%下降到49.5%，这种情况就会发生，从而破坏了嵌入信息。因此要引入两个阈值R1＞50%和R0＜50%以及一个健壮参数是传输过程中能改变颜色的像素百分比。发送者在嵌入处理中确保P1(Bi)∈[R,R+]或P0(Bi)∈[R－,R]。如果为达到目标必须修改太多的像素，就把这块标识成无效，即修改P1(Bi)满足下面两个条件中的任何一个：fori=1,...,l(M)dodoforever随机选取一图像块Bj/*检查Bj是否有效*/then将图像块Bj标记为不可用，即修改该图像块以使得：算法2.6（Zhao和Koch算法）在二进制图像中的数据嵌入过程feithercontinueendifbreakenddo/*在Bj中嵌入秘密消息位*/if=1then修改Bj以使得else修改Bj以使得endifendfor算法2.7(Zhao和Koch)数据提取过程fori=1,...,e(M)dodoforever随机选取一图像块BjIf则继续breakenddoIfP1(Bj)＞50%thenm1←1elsem0←0endifendforMatsui和Tanaka提出了一个不同的嵌入方案若第i个秘密消息位mi是0，我们令RL(ai,ai+1)为偶数；否则RL(ai,ai+1)为奇数，就表示mi是1。例如，可通过下面的方式进行：如果mi是0，而RL(ai,ai+1)是奇数，我们就把ai+1向左移动一个像素。另一方面，如果mi=1并且RL(ai,ai+1)是偶数，我们就把ai+1向右移动一个像素。example1001〈a0,3〉,〈a1,5〉,〈a2,4〉,〈a3,2〉,〈a4,1〉〈a0,3〉,〈a1,6〉,〈a2,4〉,〈a3,3〉10012.2变换域技术(DCT域)二维DCT变换（实验P73）M*N矩阵A的二维DCT变换：1100(21)(21)coscos2201,0112,120,MNpqpqmnmnqpqmpnqBaaAMNpMqNMMqaNNBAppq其中：p=0则a否则a则否则a称为的DCT系数DCT逆变换1100(21)(21)coscos2201,01MNmnpqpqpqDCTmpnqAaaBMNmMnN逆变换：110000122*2,34100(1234)52(0,1)1(1,0)2(1,1)0pqmnmnAADCTBaaABBB例题：设原始信号为的矩阵，变换如下:（，）DCT域中的隐写术一种在频域中流行的对秘密信息进行编码的方法是在一个图像块中调整两个(或多个)DCT系数的相对大小。我们将描述一个使用数字图像作为载体的系统。在编码处理中，发送者将载体图像分成8×8的像素块，每一块只精确地编码一个秘密信息位。嵌入过程开始时，首先伪随机地选择一个图像块bi，用它对第i个消息比特