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图像信息隐藏技术与设计第1页共51页1前言本章主要介绍信息隐藏技术的背景和研究意义、国内外信息隐藏技术研究现状，列举了本文的主要研究内容，最后给出了全文的结构安排。1.1信息隐藏技术的背景和研究意义二十世纪九十年代以来，网络信息技术在全世界范围内得到了迅猛发展，它极大地方便了人们之间的通信和交流。借助于计算机网络所提供的强大的多媒体通信功能，人们可以方便、快速地将数字信息(数字音乐、图像、影视等方面的作品)传到世界各地，一份电子邮件可以在瞬息问传遍全球。但同时计算机网络也成为犯罪集团、非法组织和有恶意的个人利用的工具。从恶意传播计算机病毒，到非法入侵要害部门信息系统，窃取重要机密甚至使系统瘫痪；从计算机金融犯罪，到利用表面无害的多媒体资料传递隐蔽的有害信息等等，对计算机信息系统进行恶意攻击的手段可谓层出不穷。因此，在全球联网的形势下，网络信息安全非常重要，一个国家信息系统的失控和崩溃将导致整个国家经济瘫痪，进而影响到国家安全。各国政府和信息产业部门都非常重视网络信息安全的研究和应用。密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一，是基于香农信息论及其密码学理论的技术，一般采用将明文加密成密文的秘密密钥系统或者公开密钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但加密技术主要适用于文本的加密，而对音频、视频、图像等多媒体数据类型来说，由于它们的数据量往往很大，如何对超大数据量的多媒体数据进行有效的加、解密仍是一个难题。而且信息加密是利用随机性来对抗密码攻击的，密文的随机性同时也暴露了消息的重要性，即使密码的强度足以使攻击者无法破解出明文，但他仍有足够的手段来对其进行破坏，使得合法的接收者也无法阅读信息内容。随着计算机性能的大幅度提高，软硬件技术的迅速发展，加密算法的安全性受到了严重挑战。由于加密技术的局限性，最近十几年以来，一种新的信息安全技术——信息隐藏技术(InformationHiding)迅速地发展起来。信息隐藏的渊源可以追溯到古希图像信息隐藏技术与设计第2页共51页腊的隐形技术(Steganography)，其希腊文的字面意思是“掩饰性地写”，也就是把一种信息隐藏于另一种信息中。数字化产品的出现，给这些古老的思想赋于了新的表达方式：将机密信息嵌入到公开的图像、视频、语音及文本文件等载体信息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息。对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全：但对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者难以从公开信息中判断机密信息是否存在，难以截获机密信息，从而保证机密信息的安全。为了增加破译的难度，还可以把加密技术和隐藏技术相结合，即先对待嵌入对象进行加密得到密文，再把密文隐藏到载体对象中，最后通过载体的传输来传递机密信息，达到藏匿消息的目的。信息隐藏技术在保密通信、版权保护等领域中都具有广泛的应用价值，根据不同的应用背景，信息隐藏技术可以分为隐写术(Steganography)和数字水印(DigitalWatermarking)两个重要分支。数字水印主要是为了保护知识产权，通过在原始媒体数据中嵌入信息来证实该媒体的所有权归属。数字水印的主要目的不是限制对媒体的访问，而是确保媒体中的水印不被篡改或消除。因此稳健性是数字水印的最基本要求之一。数字水印的稳健性是指水印图像经过一些常见的改变后，水印仍具有较好的可检测性。这些改变包括常见的图像处理(如数据压缩、低通滤波、图像增强、一次抽样、二次量化和D／A转换等)、几何变换和几何失真(如裁剪、尺度拉伸、平移、旋转、扭曲等)、噪声干扰、多重水印(multiplewatermarking)的重叠等。对不同的应用场合，要求有不同的稳健性。需要指出的是，存在另一种与稳健水印性质相反的水印，称为易损水印(fragilewatermarks)，它们被用来证实原始媒体是否被改变过。稳健性在整个水印系统设计中具有非常重要的分量，这也是将隐写术和数字水印区别对待的原因之一。隐写术主要考虑的是安全性(即统计特性上无法检测隐密信息的存在)和嵌入容量，不可见性等。信息隐藏技术的发展，为社会提供一种新的隐蔽通信手段的同时也带来了新的威胁。高度发达的计算机网络使得通过互联网进行信息共享和交流变得非常普遍和容易。信息隐藏技术的研究在信息安全领域中具有重要的地位，它对于军事、情报、国家安全方面的重要意义不言而喻。它包括了数字隐写与隐写分析两个方面。一图像信息隐藏技术与设计第3页共51页方面要以尽可能隐蔽的方式将信息深藏于浩如烟海的数字多媒体信号中，毫不引起对方的怀疑而达到隐蔽通信的目的；另一方则要以各种手段检测可疑信息的存在，寻找敌对隐蔽通信的信源，阻断隐蔽通信的信道。设计高度安全的隐写方法是一项富于挑战性的课题，而对隐写的准确性分析往往比隐写本身更加困难。数字隐写与隐写分析的交互发展正方兴未艾，成为互联网时代信息战技术的一个新课题。信息网络上的攻防技术水平将反映一个国家的科技水平和防范意识。1.2本课题国内外研究现状出于对知识产权保护和信息安全的需求，上世纪90年代以来，国内外开始对信息隐藏技术投入了大量的关注和研究。为了便于学术交流，1996年5月，国际第一届信息隐藏学术讨论会(InternationalInformationHidingWorkshop，mw)在英国剑桥牛顿研究所召开，对信息隐藏的部分英文术语和学科分支进行了统一和规定，标志着一门新兴的交叉学科——信息隐藏学2的正式诞生。1998年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的报告。目前，己支持或开展信息隐藏研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业。从公开发表的文献看，国际上在信息隐藏方面的研究已经取得了一定的成绩。从1996年以后提出了一些成功的隐写方法，还出现了一些隐写工具。适用的技术包括将LSB嵌入法11直接用于图像的像素、颜色指数、变换系数，结合JPEG和MP3编写的隐写，应用扩频技术的隐写法等。近年来还出现了许多其它方法，例如基于小波变换3的有损压缩嵌入技术，具有抗压缩的能力；通过修改量化表嵌入数据，在提高嵌入量的同时能达到很高的隐蔽性。一些隐写算法被开发成工具，其中有数以百计的隐写软件可在互联网上获得。对隐写分析的研究也取得了不少的进展。己发表的成果包括面向JPEG图像隐写、LSB嵌入、调色板图像等隐写分析法。近年来的一些研究成果包括Memon等基于图像和音频质量测度的隐写检测技术，以及Westfeld针对MP3Steg等几种隐写算法进行的低嵌入量隐写分析。隐写的安全性一直是研究者关注的重要问题。一些隐写分析方法要求无限的计算能力和关于载体的详细统计知识，这往往不现实，于是人们提出了实用的隐写安全性概念。最多可嵌入多少信息而不会导致统计可检测性是另一个重要问题。针对LSB嵌入法和基于压缩图像的隐写，结合安全性考虑等作了理论分析。图像信息隐藏技术与设计第4页共51页在国内，以数字水印1为代表的信息隐藏技术虽然起步比较晚，但发展却十分迅速，己经有相当一批有实力的科研人员和机构投入到这一领域中。1999年12月，我国信息安全领域的何德全、周仲义、蔡吉人与有关应用研究单位联合发起并组织召开第一届全国信息隐藏学术研讨会(CMW1999)。CIHW己成为国内最具代表性的信息隐藏学术交流活动，至今已举行了六届全国会议。第六届(CIHW20064)于2006年8月上旬在哈尔滨工业大学召开，聚集国内众多从事多媒体信息安全技术研究的专家学者，就多媒体信息安全技术及数字版权保护技术等领域的最新研究成果展开研讨，经42位专家评审，从近150篇论文中评审出78篇组成论文集，发表在哈尔滨工业大学学报增刊上。此外，全国网络与信息安全技术研讨会(NETSEC)、中国可信计算与信息安全学术会议(CTCIS)、全国图像图形学学术会议(NCIG)等各类学术研讨会都涉及到信息隐藏。各类研讨会总结、交流国内外近年来关于信息隐藏的先进技术和重大应用，研讨具有创新意义的研究方法、前沿动态及发展趋势。所谓信息安全只有相对的意义，攻守双方在不断发展和变化中的矛盾统一，因而研究工作也在两个对立的方向展开。在隐写方面，用小波交换和矢量量化等技术将原图像嵌入到像素的低位，使隐藏图像和原图像在视觉上难以分开，提取出来的恢复图像具有可接受的质量。基于图像位平面复杂度估计和统计滤波实现隐蔽信息检测的技术则是国内学者在隐写分析方面较早发表的成果。运用网络信息论中率失真及随机编码等理论对安全性限制下的隐写容量进行了研究。信息隐藏技术的研究目前已经取得了很大进展，国际上先进的隐写技术现己能做到：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的蓄意攻击，但是隐写分析还处于起步探索阶段。总的来说，信息隐藏技术尚未发展到完善实用的阶段，仍有不少技术性问题需要解决。此外，信息隐藏技术发展到今天。还没有找到自己的理论依据，没有形成理论体系。目前，使用密码加密仍是网络上主要的信息安全传输手段，信息隐藏技术在理论研究、技术成熟度和实用性方面都无法与之相比，但它潜在的价值是无法估量的，随着研究的深入发展，它将在未来的信息安全体系中发挥重要的作用。1.3本文的主要研究内容、研究方法和结构安排信息隐藏技术使用的载体有图像、视频、语音及文本等数字媒体，包括数字图像信息隐藏技术与设计第5页共51页隐写与隐写分析两个方面的内容，本文以使用最为广泛的数字图像作为研究对象，以基于数字图像的隐写方法作为研究内容。文章介绍了信息隐藏技术的基本知识和图像信息隐藏的常用算法，像信息隐藏技术，并且运用MATLAB7.0进行大量的实验测试，对该方法的性能进行检验分析，表明该方法具有一定的优点。本文内容主要如下：(1)信息隐藏技术的背景、研究意义，国内外研究现状，信息隐藏技术的基本原理，信息隐藏技术的术语和模型，信息隐藏系统的基本属性，信息隐藏技术的分支及其应用。(2)数字图像处理的基本概念和知识，空域隐藏算法5，变换域隐藏算法6。着重讨论了基于离散余弦变换9的图像信息隐藏算法及其应用。图像信息隐藏技术与设计第6页共51页2信息隐藏技术概述信息隐藏技术作为一个新兴的研究领域，横跨数字信号处理、图像处理、语音处理、模式识别、数字通信、多媒体技术、密码学等多个学科。它把一个有意义的信息(如含有版权信息的图像)通过某种嵌入算法隐藏到载体信息中，从而得到隐密载体，非法者不知道这个载体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。隐密载体通过信道到达接收方后，接收方通过检测器利用密钥从中恢复或检测出隐藏的秘密信息。本章首先指出了信息隐藏技术的依据，通过与信息加密作比较，介绍了信息隐藏技术的基本原理，然后描述了信息隐藏技术的术语和模型、信息隐藏系统的基本属性，最后介绍了信息隐藏技术的分支及其实际应用。2.1信息隐藏技术的基本原理2.1.1信息隐藏技术的依据信息隐藏技术通常使用文字、图像、声音及视频等作为载体，信息之所以能够隐藏在多媒体数据中，主要是利用了多媒体信息的时间或空间冗余性和人对信息变化的掩蔽效应。(1)多媒体信息本身存在很大的冗余性，从信息论的角度看，未压缩的多媒体信息的编码效率是很低的，所以将某些信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传送是完全可行的，并不会影响多媒体信息本身的传送和使用。(2)人的视觉或听觉感官系统对某些信息都有一定的掩蔽效应。在亮度有变化的边缘上，该边界“掩蔽”了边缘邻近像素的信号感觉，使人的感觉变得不灵敏、不准确，这就是视觉掩蔽效应。通常人眼对灰度的分辨率只有几十个灰度级，对边缘附近的信息不敏感。利用这些特点，可以很好地将信息隐藏而不被觉察。图像信息隐藏技术与设计第7页共51页2.1.2信息隐藏与信息加密原理比较信息隐藏与信息加密都是把对信息的保护转化为对密钥的保护，因此信息隐藏技术沿用了传统加密技术的一些基本思想和概念，但两者采用的保护信息的手段不同。信息加密是把有意义的信息加密为随机的乱码，