畢業(yè)設(shè)計(jì)179西北工業(yè)大學(xué)碩士論文基于圖像的信息掩密技術(shù)設(shè)計(jì).pdf

西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 分類(lèi)號(hào)：TP13 學(xué)號(hào)：016096236 碩士學(xué)位論文 （學(xué)位研究生） 題目 基于圖像的信息掩密技術(shù) 作者 姚輝燦 指導(dǎo)教師 慕德俊 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 教授 學(xué)科（專業(yè)） 控制理論與控制工程 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 2004年3月14日 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) I摘要 信息隱藏技術(shù)可以被廣泛地應(yīng)用于保密通信、版權(quán)保護(hù)、數(shù)字票據(jù)防偽等領(lǐng)域，對(duì)信息隱藏技術(shù)的研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。 目前大部分的研究工作集中于數(shù)字水印技術(shù)，而用于秘密通信的掩密術(shù)則較少有人涉及。本文對(duì)信息隱藏領(lǐng)域的另一個(gè)重要方向掩密技術(shù)進(jìn)行了研究，著重討論了其在數(shù)字圖像中的應(yīng)用。 首先，介紹了信息隱藏的相關(guān)基本知識(shí)。然后，分別在空間域和DCT域?qū)τ谝造o止圖像為載體的信息隱藏技術(shù)進(jìn)行了探討。 在空間域內(nèi)，利用人的視覺(jué)特性，我們提出了基于圖象方差、圖象平坦測(cè)度、模糊分類(lèi)的隱藏算法，同時(shí)提出了基于差值矩陣的信息隱藏，。 在頻率域內(nèi)，研究了基于DCT變換的信息隱藏技術(shù)，提出了改進(jìn)的DCT自適應(yīng)隱藏算法、DCT域奇偶性嵌入方法和改進(jìn)的融合算法，同時(shí)提出了差值矩陣的DCT域的隱藏算法，給出了這些算法的信息嵌入與恢復(fù)過(guò)程，并對(duì)頻率域內(nèi)的這些隱藏算法的魯棒性進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵字：信息隱藏 掩密術(shù) 數(shù)字圖像 數(shù)字水印 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) IIAbstract Information hiding techniques can be used in the fields of covert communication, copyright protection, digital receipt anti-counterfeiting, and so on. Its of great value to study them. At present time, most of the studies focus on digital watermarking techniques, and few are done on steganography, one of the most important directions in the field of information hiding,. This thesis concerns the steganography. We also place emphasis on its applications in digital images. Firstly, the relative basic knowledge of information hiding are presented, and then the techniques of digital images based information hiding in the domain of spatial and DCT (Discrete Cosine Transform) respectively. In spatial domain, according to the characteristics of HVS (Human Visual System), we introduce several approachs based on images deviation, images flatness measurement, fuzzy classification, and an approach based on difference matrix as well. In frequency domain, we research DCT based information hiding techniques, and then give an adaptive technique, and a parity based approach in the DCT domain, and an approach based on improved integration algorithm. We also propose an approach based on difference matrix in DCT domain, and show all the approachs to embed/detect the secret messages, and their robust analysises. Key words: information hiding, steganography, digital image，digital watermarking 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) III目錄 摘要 .I Abstract . II 目錄 . III 第一章 緒論. 1 1.1 引言. 1 1.2 信息隱藏的學(xué)科分支. 2 1.3 信息隱藏技術(shù)簡(jiǎn)介. 3 1.4 信息隱藏的要求. 4 1.5 信息隱藏技術(shù)分類(lèi)及常用方法. 5 1.5.1 信息隱藏技術(shù)的分類(lèi). 5 1.5.2 信息隱藏技術(shù)的常用方法. 6 1.6信息隱藏檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介. 7 1.7 信息隱藏技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展現(xiàn)狀. 8 1.8課題來(lái)源及本論文所做的主要工作. 10 第二章 信息隱藏技術(shù). 11 2.1 信息隱藏的模型. 11 2.1.1 掩密術(shù)的通信模型. 11 2.1.2 數(shù)字水印的一般模型. 13 2.1.3 改進(jìn)的信息隱藏模型以及圖像置亂. 14 2.2 人類(lèi)視覺(jué)特性. 17 2.2.1 人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)介紹. 17 2.2.2 與信息隱藏有關(guān)的一些特性. 17 第三章 基于空間域的圖像信息隱藏. 19 3.1 LSB替換算法. 19 3.2 奇偶性方法. 22 3.3 基于統(tǒng)計(jì)的信息隱藏. 25 3.3.1 基于中值濾波形式的信息隱藏. 25 3.3.2 基于圖像方差的隱藏技術(shù). 29 3.3.3 基于平坦測(cè)度的隱藏方法. 31 3.3.4 基于模糊隸屬度的隱藏算法. 34 3.4 調(diào)色板方法. 36 3.5 基于差值運(yùn)算的圖像隱藏技術(shù). 37 第四章 基于DCT的信息隱藏技術(shù). 40 4.1基于離散余弦變換的信息隱藏技術(shù). 40 4.1.1 JPEG壓縮原理介紹. 40 4.1.2 基于離散余弦變換的水印嵌入. 43 4.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論. 46 4.2 DCT域自適應(yīng)的信息隱藏. 47 4.2.1 可視察覺(jué)門(mén)限. 48 4.2.2 改進(jìn)的自適應(yīng)信息隱藏方法. 49 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) IV4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論. 51 4.3 DCT域的奇偶性嵌入算法. 52 4.3.1 奇偶性隱藏原理. 52 4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論. 54 4.4 基于融合的信息隱藏技術(shù). 55 4.4.1 圖像融合隱藏原理. 56 4.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及魯棒性分析. 57 4.5基于差值矩陣的頻域隱藏算法. 58 4.5.1 差值矩陣的計(jì)算及隱藏原理. 58 4.5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及魯棒性分析. 59 第五章 總結(jié)展望. 65 參考文獻(xiàn). 66 致謝 . 69 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 1 第一章 緒論 1.1 引言 Internet是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，以方便、廣泛、快捷的信息交流為目的，必須為普通用戶提供便捷的訪問(wèn)方式，網(wǎng)絡(luò)在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)也暴露出越來(lái)越嚴(yán)重的安全問(wèn)題。例如，多媒體作品的版權(quán)侵犯、軟件或文檔的非法復(fù)制、電子商務(wù)中的非法盜用和篡改、網(wǎng)絡(luò)中信息的非法截取和查看、甚至是黑客攻擊等等。毫無(wú)疑問(wèn)，網(wǎng)絡(luò)中的信息安全問(wèn)題是現(xiàn)在乃至未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一。 多年以來(lái)，已有的安全體制主要建立在密碼技術(shù)之上。密碼技術(shù)可以分為私鑰和公鑰兩種加密體制。私鑰加密體制因其密鑰量大而難以大面積使用，因此目前的網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用的是公鑰加密體制。后者利用了“計(jì)算安全性”原理，一旦計(jì)算機(jī)的性能大幅度提高則會(huì)對(duì)其構(gòu)成威脅1。因?yàn)榧用芡ㄐ湃菀滓饘?duì)手的猜疑及感知“機(jī)密信息”的存在，這種通信方法在敵對(duì)環(huán)境下，很容易導(dǎo)致強(qiáng)大的對(duì)手動(dòng)用各種手段破密，即使在短時(shí)間內(nèi)不能破密，也已經(jīng)使通信雙方的位置或身份信息基本暴露，從而導(dǎo)致此后的通信處于對(duì)手的監(jiān)控之下，此時(shí)就意味著通信的安全已經(jīng)受到損害。 可喜的是，近年來(lái)國(guó)際信息技術(shù)研究領(lǐng)域出現(xiàn)一個(gè)新的研究方向信息隱藏技術(shù)將會(huì)給網(wǎng)絡(luò)化多媒體信息的安全保存和傳送開(kāi)辟了一條全新的途徑。該技術(shù)與密碼技術(shù)的不同點(diǎn)在于：密碼技術(shù)隱藏信息的“內(nèi)容”而信息隱藏技術(shù)則隱藏信息的“存在性”。信息隱藏技術(shù)可以隱藏“機(jī)密信息”的存在，確保通信雙方在交換信息時(shí)不受對(duì)手猜疑。信息隱藏比信息加密更為安全，因?yàn)樗蝗菀滓鸸粽叩淖⒁狻Ｐ畔㈦[藏是把機(jī)密信息隱藏在其它無(wú)關(guān)緊要的信息中形成隱秘信道，除通信雙方以外的任何第三方并不知道秘密通信這個(gè)事實(shí)的存在，信息加密從“看不懂”變?yōu)椤翱床灰?jiàn)”，轉(zhuǎn)移了攻擊者的目標(biāo)。如果兩種方法綜合使用，先把重要信息加密，再將之隱藏，則是保證信息安全的更好方法。 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 2 1.2 信息隱藏的學(xué)科分支 信息隱藏現(xiàn)在已經(jīng)成為一門(mén)新興的、擁有許多分支的學(xué)科。信息隱藏，對(duì)應(yīng)的英文術(shù)語(yǔ)是Information Hiding，是利用人類(lèi)感覺(jué)器官的不敏感(感覺(jué)冗余)，以及多媒體數(shù)字信號(hào)本身存在的冗余(數(shù)據(jù)特征冗余)，將信息隱藏于一個(gè)載體信號(hào)(掩護(hù)體)中，不被覺(jué)察到或不易被注意到，而且不影響載體信號(hào)的感覺(jué)效果和使用價(jià)值。 參考2，信息隱藏的主要學(xué)科分支包括：掩蔽信道、匿名技術(shù)、掩密術(shù)、數(shù)字水印技術(shù)。 掩蔽信道語(yǔ)言掩密掩密術(shù)技術(shù)掩密信息隱藏匿名魯棒水印數(shù)字水印易損水印掩蔽信道(Covert channel)，可理解為“隱蔽的信道”，是指這些通道一般被運(yùn)用于不可信程序，當(dāng)對(duì)別的程序執(zhí)行操作時(shí)，將有關(guān)信息泄露給不可信程序的擁有者。掩蔽信道一般存在于多級(jí)保密系統(tǒng)的背景之中。 匿名(Anonymity)，就是設(shè)法隱藏消息的來(lái)源，即隱藏消息的發(fā)送者和接受者。 掩密術(shù)(Steganography)，Steganography源于希臘文，字面意思是“隱寫(xiě)(covered writing)”，該技術(shù)側(cè)重于用掩護(hù)體去掩蓋秘密信息。掩密術(shù)是信息隱藏的一個(gè)重要學(xué)科分支。密碼術(shù)從事秘密信息內(nèi)容的保護(hù)，而掩密術(shù)從事秘密信息存在的隱蔽。 數(shù)字水印(Digital Watermarking)，是用來(lái)證明一個(gè)數(shù)字產(chǎn)品的擁有權(quán)、真實(shí)性，成為分辨真?zhèn)蔚囊环N手段。數(shù)字水印一般隱藏于數(shù)字化產(chǎn)品(圖片、音頻、視頻、文本等)之中，人們不易感知，只能通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)識(shí)別、讀取。 本文主要就掩密術(shù)及數(shù)字水印進(jìn)行研究。本文以后章節(jié)如非特別聲明，信息隱藏均指掩密術(shù)及數(shù)字水印。信息隱藏是一門(mén)跨學(xué)科跨專業(yè)的研究領(lǐng)域。 (1) 從它的研究方法來(lái)看，它與數(shù)學(xué)、生理學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 3 許多學(xué)科可以相互借鑒； (2) 從它的研究范圍來(lái)看，它與模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、密碼學(xué)等多個(gè)專業(yè)又互相交叉。 如今信息隱藏學(xué)作為隱蔽通信和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等的主要手段，正得到廣泛的研究與應(yīng)用。 1.3 信息隱藏技術(shù)簡(jiǎn)介 信息媒體的數(shù)字化為信息的存取提供了極大的便利性，同時(shí)也顯著地提高了信息表達(dá)的效率和準(zhǔn)確性。特別是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的交換和傳輸變成了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的過(guò)程。人們借助于計(jì)算機(jī)、數(shù)字掃描儀、打印機(jī)等電子設(shè)備可以方便、迅速地將數(shù)字信息傳達(dá)到世界各地。隨之而來(lái)的副作用是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)文件或作品使有惡意的個(gè)人或團(tuán)體有可能對(duì)一些機(jī)密的文件進(jìn)行竊取、攻擊或破壞，因此如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)施有效的信息安全手段成為一個(gè)迫在眉睫的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。人們常常認(rèn)為通信安全的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)加密來(lái)完成。即首先將數(shù)據(jù)文件加密成密文后發(fā)布，使得網(wǎng)絡(luò)傳遞過(guò)程中出現(xiàn)的非法攻擊者無(wú)法從密文獲得機(jī)密信息，從而達(dá)到版權(quán)保護(hù)和信息安全的目的，但這并不能完全解決問(wèn)題。因?yàn)樾畔⒔?jīng)過(guò)加密后容易引起攻擊者的好奇和注意，容易遭到攻擊和破壞。密碼學(xué)一直被認(rèn)為是在通信研究領(lǐng)域中主要的信息安全手段并受到極大重視，但是加密方法有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，那就是它明確地提示攻擊者哪些是重要信息，容易引起攻擊者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且一旦加密文件經(jīng)過(guò)破解后，其內(nèi)容就完全透明了。或者，攻擊者可以在破譯失敗的情況下將信息破壞，使得即使是合法的接收者也無(wú)法閱讀信息內(nèi)容。 直到最近幾年人們才對(duì)信息隱藏有了更深刻的認(rèn)識(shí)，并把加密和隱藏這兩種手段結(jié)合起來(lái)，即先把信息加密后再把它隱藏起來(lái)。將秘密信息隱藏于普通文件(載體文件)中傳遞出去，以保證秘密信息不容易被竊取和破壞，這稱為信息隱藏。秘密信息的數(shù)字載體可以是普通的圖像、聲音、文本或其他任何數(shù)字化表示的代碼或媒介。隱藏的消息可以是明文、密文或其他可表示為位流的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的以密碼學(xué)為核心技術(shù)的信息安全和偽裝式信息安全技術(shù)不是互相矛盾、互相競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)，而是互補(bǔ)的。由于信息隱藏過(guò)程不破壞原載體的外觀特西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 4 性，這就使得有惡意的個(gè)人或團(tuán)體無(wú)法知道載體文件中是否含有機(jī)密信息，這就增強(qiáng)了信息傳輸?shù)陌踩浴?信息隱藏技術(shù)是一種特殊的信息加密技術(shù)，其主要內(nèi)容是將秘密信息隱藏于另一載體信號(hào)之中，其形式可以是任何一種數(shù)字媒體，如圖像、聲音、視頻等等。信息隱藏技術(shù)不同于傳統(tǒng)的加密技術(shù)，加密技術(shù)僅僅隱藏了信息的內(nèi)容，而信息隱藏技術(shù)不但隱藏了信息的內(nèi)容而且隱藏了信息的存在。常見(jiàn)的信息隱藏技術(shù)多半是利用聲音、圖像和視頻本身具有不易覺(jué)察的可失真的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。 目前，信息隱藏技術(shù)的研究方向及應(yīng)用的主要領(lǐng)域有兩個(gè)：掩密術(shù)領(lǐng)域和數(shù)字水印領(lǐng)域。 z 掩密術(shù)保護(hù)的是秘密信息；數(shù)字水印保護(hù)的是載體信號(hào)。 z 掩密術(shù)強(qiáng)調(diào)如何使隱藏在多媒體信息中的信息不被他人發(fā)現(xiàn)，即信息存在性的隱密；數(shù)字水印則關(guān)心隱藏的信息是否被盜版者修改或移去，而它們的反向問(wèn)題是發(fā)現(xiàn)和破壞方法的研究。 z 掩密術(shù)主要用于信息的安全通道，如用于軍事目的的秘密信息傳送，個(gè)人隱私的保護(hù)等；水印技術(shù)應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)、違反者追蹤、電子商務(wù)中的網(wǎng)頁(yè)保護(hù)和票據(jù)防偽等領(lǐng)域。 盡管信息隱藏技術(shù)的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的側(cè)重點(diǎn)有所不同，但是有一點(diǎn)它們是相同的：都是利用人類(lèi)的感覺(jué)冗余，以及多媒體數(shù)據(jù)特性存在的冗余即數(shù)據(jù)特性冗余將信息(掩密術(shù)中的秘密信息或數(shù)字水印技術(shù)中的版權(quán)信息等)隱藏在掩護(hù)體(掩密術(shù)中的掩護(hù)信息或數(shù)字水印技術(shù)中的被保護(hù)信息)之中，對(duì)外表現(xiàn)的只是掩護(hù)體的外部特征，而且不改變掩護(hù)體的基本特征和使用價(jià)值。實(shí)際上，所有的數(shù)字水印技術(shù)都可以用于掩密術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)隱藏。 本文主要研究以靜止圖像為載體的信息隱藏技術(shù)。 1.4 信息隱藏的要求 一般說(shuō)來(lái)，信息隱藏應(yīng)滿足如下幾個(gè)要求： (1) 隱蔽性：不影響對(duì)載體信息的理解，也就是說(shuō)人的生理感官辨別和計(jì)算機(jī)檢測(cè)都無(wú)法發(fā)現(xiàn)載體信息內(nèi)包含了其它信息。 (2) 魯棒性：要盡量保證隱藏了信息之后的載體數(shù)據(jù)在經(jīng)歷可能的處理(如西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 5 信號(hào)處理、有損壓縮、濾波、調(diào)制等)、惡意攻擊(如非法攻擊、篡改、刪除等)或者信道中隨機(jī)噪聲的影響后，還可以提取出原始的隱藏信息。 (3) 安全性：信息隱藏系統(tǒng)的安全性與密碼系統(tǒng)的安全性非常類(lèi)似，信息嵌入的算法是公開(kāi)的，安全性是建立在密鑰管理的基礎(chǔ)上的，只有擁有密鑰才能提取信息。 (4) 容量：容量是載體媒體可嵌入的最大信息量。一般來(lái)說(shuō)，嵌入的信息量越大，信息隱藏系統(tǒng)不可檢測(cè)性和穩(wěn)健性越差。 (5) 信息隱藏系統(tǒng)是盲的：即在信息提取過(guò)程中不使用載體信號(hào)。在大多數(shù)情況下載體信號(hào)是不可得到的。 (6) 效率：信息的嵌入和提取的時(shí)空開(kāi)銷(xiāo)代價(jià)是否可以接受。 以上要求并不是每一個(gè)信息隱藏系統(tǒng)都必須滿足，實(shí)際上也不可能全部滿足，許多要求是自相矛盾的，實(shí)際的系統(tǒng)只能根據(jù)具體應(yīng)用的不同來(lái)進(jìn)行折衷。 1.5 信息隱藏技術(shù)分類(lèi)及常用方法 1.5.1 信息隱藏技術(shù)的分類(lèi) 信息隱藏技術(shù)是一種新興的知識(shí)領(lǐng)域，盡管還處在發(fā)展研究階段，可以也已經(jīng)具有了自己意義和內(nèi)涵。現(xiàn)在可以將其作如下分類(lèi)： (1) 按密鑰分類(lèi)： 若嵌入和提取采用相同密鑰，則稱其為對(duì)稱隱藏算法，否則稱為公鑰隱藏算法。 (2)按載體類(lèi)型分類(lèi) 載體包括基于文本、圖像、視頻和聲音等數(shù)字媒體的信息隱藏技術(shù)。 (3)按嵌入域分類(lèi) 主要可分為空域(或時(shí)域)方法和變換域(或頻域)方法。一般說(shuō)來(lái)，變換域又可以分為DCT域和DWT域。限于篇幅，本文沒(méi)有涉及到DWT域的信息隱藏技術(shù)。 (4)按提取要求分類(lèi) 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 6 若在提取隱藏信息時(shí)不需要利用原始載體，則稱為盲隱藏；否則稱為非盲隱藏。顯然使用原始的載體數(shù)據(jù)更便于檢測(cè)和提取信息。但是，在數(shù)據(jù)監(jiān)控和跟蹤等場(chǎng)合，我們并不能獲得原始的載體。對(duì)于其他的一些應(yīng)用，如視頻水印，即使可獲得原始載體，但由于數(shù)據(jù)量巨大，要使用原始載體也是不現(xiàn)實(shí)的。隱秘目前主要采用的是盲隱藏技術(shù)。 (5)按保護(hù)對(duì)象分類(lèi) 主要可分為掩密術(shù)和水印技術(shù)。掩密術(shù)主要用于保密通信，它所要保護(hù)的是隱藏的信息；水印技術(shù)主要用于版權(quán)保護(hù)及真?zhèn)舞b別等目的，它最終所要保護(hù)的是載體。例如可將數(shù)字、序列號(hào)、文字、圖像標(biāo)志等版權(quán)信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中，以起到版權(quán)保護(hù)的作用。對(duì)于數(shù)字水印，我們又可以進(jìn)行以下分類(lèi)。所有的數(shù)字水印技術(shù)都可以用于掩密術(shù)。 可感知水印按隱秘性分不可感知水印時(shí)空域水印按嵌入域分變換域水印數(shù)字水印盲提取水印按提取是否需要原作品分非盲提取水印穩(wěn)健水印按穩(wěn)健性分脆弱（易損）水印1.5.2 信息隱藏技術(shù)的常用方法 現(xiàn)行的信息隱藏典型算法按嵌入域的不同，分為空域隱藏算法和變換域隱藏算法。 1. 空域隱藏算法 空域法是直接改變圖像元素的值，一般是在圖像元素的亮度或色度中加入隱藏的內(nèi)容。如LSB算法，它通過(guò)調(diào)整偽裝載體某些像素?cái)?shù)據(jù)的最低12位有效位來(lái)隱藏信息，致使所隱藏的信息靠視覺(jué)很難被發(fā)現(xiàn)。空域類(lèi)算法的特點(diǎn)是只需對(duì)隱秘載體進(jìn)行很小的、不易察覺(jué)的改變就能隱藏很大的信息量，計(jì)算速度較快。但從基本原理上看，該算法所隱藏的信息是極為脆弱的，其魯棒性較差。若載體圖像有微小的改變或者對(duì)載體的較小的擾動(dòng)，如有損壓縮，都有西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 7 可能導(dǎo)致整個(gè)信息的丟失。 2. 變換域隱藏算法 變換域隱藏算法是利用某種數(shù)學(xué)變換，將圖像用變換域(如頻域)表示，通過(guò)更改圖像的某些變換域系數(shù)加入待隱藏信息，然后再利用反變換來(lái)生成隱藏有其他信息的圖像。常見(jiàn)的變換域算法有：基于DCT的變換域算法、基于DWT的變換域算法。 與空域方法相比，變換域方法的優(yōu)點(diǎn)如下。 在變換域中嵌入的信號(hào)能量可以分布到空域的所有像素上。 在變換域中，人的感知系統(tǒng)的某些隱蔽特性可以更方便地結(jié)合到編碼過(guò)程中。 變換域方法對(duì)傳輸過(guò)程中的圖像壓縮、濾波以及噪聲均有一定的抵抗力。 變換域方法對(duì)諸如壓縮，修建和某些圖像處理等的攻擊的魯棒性更強(qiáng)。 變換域方法可與數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容(如JPEG、MPEG等)，常用的變換包括離散余弦變換(DCT)和小波變換(DWT)。 因此，目前的多數(shù)信息隱藏方法采用變換域技術(shù)，即把待隱藏的信息嵌入到載體的一個(gè)變換空間(如頻域)中。 1.6信息隱藏檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介 信息掩密術(shù)的目標(biāo)是避免傳送秘密信息時(shí)引起懷疑，從而使秘密信息不可檢測(cè)。信息隱藏的檢測(cè)分析技術(shù)則是發(fā)現(xiàn)隱藏的消息并使這些消息無(wú)效的一種技術(shù)。若信息在傳送時(shí)引起了他人的懷疑，并進(jìn)而破壞信息，那么說(shuō)明隱藏失敗。在網(wǎng)絡(luò)上，有不少非法者利用隱藏技術(shù)，通過(guò)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)將不可告人的信息或計(jì)劃發(fā)送給同伙，共同圖謀非法活動(dòng)，危及到民眾和國(guó)家的安全。這時(shí)，就要盡量在他們進(jìn)行信息傳遞時(shí)，截取并破壞他們的秘密信息，使它們不能準(zhǔn)確到達(dá)目的地址。由此需要大力發(fā)展針對(duì)信息隱藏的檢測(cè)技術(shù)。 對(duì)傳統(tǒng)的信息加密系統(tǒng)的攻擊是為了恢復(fù)或纂改消息。而對(duì)信息隱藏系統(tǒng)的攻擊和分析可能有幾種形式，即檢測(cè)、提取、混肴(攻擊者在存在的隱藏信息上進(jìn)行偽造或覆蓋)及使隱藏信息無(wú)效。不管是否存在嵌入消息，在不改變載體外觀的情況下，都可以對(duì)任何載體作處理以破壞某些可能隱藏的信息或使之無(wú)西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 8 效。檢測(cè)隱藏信息的存在性僅需要處理包含隱藏信息的載體，這樣比使隱藏信息無(wú)效更簡(jiǎn)便。 總體說(shuō)來(lái)，目前常用的信息隱藏檢測(cè)方法為： 在不改變圖像外觀的情況下，對(duì)圖像做處理變換，如另存為其他圖像格式，濾波，做有損壓縮等等，對(duì)有調(diào)色板的圖像變換其調(diào)色板的索引值。 利用位分析法，對(duì)圖像的最低位進(jìn)行處理，然后分析是否改變圖像的原始特性，或提取到可疑的信息。 分析圖像的統(tǒng)計(jì)特征，并進(jìn)而確定一個(gè)合理的統(tǒng)計(jì)量，計(jì)算其值，判斷是否符合普通圖像的特點(diǎn)。 當(dāng)然，針對(duì)不同的隱藏方法最好采用不同的攻擊方法，但是由于網(wǎng)絡(luò)上圖像格式的多種多樣，而且隱藏技術(shù)也是層出不窮，因此也不可能用一種方法來(lái)檢測(cè)全部的隱藏技術(shù)，只能從檢測(cè)效率和運(yùn)行時(shí)間上進(jìn)行綜合選擇。 1.7 信息隱藏技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展現(xiàn)狀3在1994年的IEEE國(guó)際圖像處理會(huì)議(ICIP94)，R. G. Schyndel等人4第一次明確提出了數(shù)字水印的概念，從此掀起了現(xiàn)代信息隱藏技術(shù)研究的高潮。僅僅過(guò)了兩年，在ICIP96上，已經(jīng)出現(xiàn)了以信息隱藏領(lǐng)域中的水印技術(shù)、版權(quán)保護(hù)(Copyright Protection)和多媒體服務(wù)的存取控制(Access Control of Multimedia Services)為主要內(nèi)容的研討專題。同年在英國(guó)劍橋召開(kāi)了第一屆信息隱藏國(guó)際研討會(huì)(First International Workshop on Information Hiding)，內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)隱藏、保密通信、密碼學(xué)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域。在美國(guó)，許多著名大學(xué)和大公司的研究機(jī)構(gòu)，如麻省理工學(xué)院的媒體實(shí)驗(yàn)室、明尼蘇達(dá)大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、南加州大學(xué)等，以及NEC公司、IBM公司等，都一直在致力于信息隱藏技術(shù)方面的研究，并已取得了大量研究成果。目前，應(yīng)用于數(shù)字圖像的水印技術(shù)已被考慮寫(xiě)于JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)5，這必將進(jìn)一步推動(dòng)信息隱藏技術(shù)的發(fā)展。 以數(shù)字水印為代表的信息隱藏技術(shù)也引起了我國(guó)科研人員的濃厚興趣。為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)信息隱藏技術(shù)的研究和應(yīng)用，我國(guó)信息安全領(lǐng)域的三位院士與有關(guān)應(yīng)用研究單位聯(lián)合發(fā)起了我國(guó)的信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，并于1999年12月組織召開(kāi)了第一屆會(huì)議，至今，已經(jīng)成功舉辦了四屆。國(guó)家863計(jì)劃智能計(jì)算機(jī)專家組也于2000年1月舉辦了數(shù)字水印技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)。此次研討會(huì)由中科院西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 9 自動(dòng)化所模式識(shí)別國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京郵電大學(xué)信息安全中心承辦，與會(huì)者就數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)進(jìn)行了全面、深入的探討。從這次會(huì)議反應(yīng)的情況上看，我國(guó)相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究與世界水平相差不遠(yuǎn)，而且有自己獨(dú)特的研究思路。 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上有各種能夠?qū)崿F(xiàn)掩密的軟件，下表是目前實(shí)現(xiàn)基于圖像的信息隱藏和提取功能的常見(jiàn)工具。 名稱 載體文件 隱藏文件生成文件加密 運(yùn)行環(huán)境4t HIT Mail Privacy LITE BMP,JPG,GIF,PNG,TIF,WMF,EPS Message 有 128-bit算法 Windows BlindSide 24bit BMP TXT文件BMP 是 Dos Secrets BMP,GIF,JPG,ICON,Metafiles任意 BMP 是 Windows Contrabands 24bit BMP 任意 BMP Windows Courier BMP Message 24bitBMP Windows Data Privacy Tool(DPT) 24bit BMP 是 Windows Digital Picture Envelope (DPE) 24bit BMP , (63x63, Ci(u2,v2) Mi=1 Else Mi=0 End If End For 從上面的信息嵌入及提取過(guò)程可以看出，采用這種方法更直接方便，提取信息的時(shí)候也相對(duì)簡(jiǎn)單。 4.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論 圖4. 3原始圖像及隱藏的文本信息 圖4.4隱藏后圖像 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 47 圖4.5質(zhì)量因子為5的JPEG壓縮 圖4.6質(zhì)量因子為3的JPEG壓縮 圖4. 7 5%的均勻噪聲及提取的信息 圖4. 8 5%的高斯噪聲及提取的信息 我們對(duì)DCT域的嵌入算法進(jìn)行了仿真，仍舊采用128128的Lena圖像作為信息嵌入的介質(zhì)，圖4.3分別是原始圖像和要嵌入的信息。圖4.4是信息嵌入后的圖像，我們可以看到，采用在DCT域的數(shù)據(jù)嵌入算法，具有較好的隱藏效果。圖4.5和圖4.6是分別對(duì)隱藏后圖像進(jìn)行質(zhì)量因子為5和3的壓縮后的圖像和提取的信息，壓縮的方法采用Photoshop來(lái)實(shí)現(xiàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于離散余弦變換的信息嵌入技術(shù)對(duì)JPEG壓縮具有較高的魯棒性。之所以能夠經(jīng)受JPEG壓縮，這是因?yàn)镴PEG壓縮同樣采用的是DCT變換，在DCT域內(nèi)的嵌入方法較好的利用了JPEG的壓縮原理，使得兩個(gè)DCT系數(shù)的關(guān)系是以量化值的大小為基礎(chǔ)的，要隱藏信息的兩個(gè)DCT系數(shù)間至少要相差一個(gè)量化值，這樣保證在經(jīng)過(guò)JPEG壓縮后，這兩個(gè)系數(shù)間的關(guān)系不會(huì)因?yàn)閴嚎s而改變。圖4.7是在隱藏后的圖像中加入5%的均勻噪聲及恢復(fù)出的信息，圖4. 8是在隱藏后的圖像中加入5%的高斯噪聲及恢復(fù)出信息，可以看到采用DCT變換嵌入的方法對(duì)均勻噪聲不敏感，而對(duì)高斯噪聲則比較敏感。 4.2 DCT域自適應(yīng)的信息隱藏 在實(shí)際的具體應(yīng)用中，圖像信息的嵌入必須滿足魯棒性要求，同時(shí)嵌入圖西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 48 像后的載體不會(huì)破壞原始圖像的質(zhì)量。因此需要一種根據(jù)圖像本身特征自適應(yīng)地調(diào)整圖像信息嵌入的方法30，這有利于擴(kuò)大圖像隱藏的應(yīng)用范圍和質(zhì)量。我們提出了改進(jìn)的根據(jù)JND (Just Notice Difference)特征值來(lái)確定圖像信息嵌入強(qiáng)度的方法，取得了較好的隱藏效果。 4.2.1 可視察覺(jué)門(mén)限 JND是在不會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)感觀上失真的情況下，用來(lái)衡量某個(gè)特征所能允許的最大形變或誤差。根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的模型，超過(guò)這個(gè)門(mén)限值，人的眼睛就能感受到隱藏后的介質(zhì)圖像與原始圖像的差別。JND(Just Notice Difference)取決于背景亮度，在黑暗區(qū)域或特別亮的區(qū)域，JND值比較高，一般趨近于一個(gè)常數(shù)；在灰暗區(qū)域或中等亮度區(qū)域，JND值比較低，但不是恒定值，而且在此情況下，人眼的靈敏度急速下降。根據(jù)JND的性質(zhì)，在不引起視覺(jué)質(zhì)量失真的情況下，要盡可能的隱藏信息，應(yīng)對(duì)每個(gè)不同強(qiáng)度的塊采用不同的門(mén)限值。 JND隨頻率變化的示意圖如圖4.9所示，它是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)果31： JND頻率載體圖象計(jì)算每個(gè)塊的JND值DCT變換量化DCT反變換反量化秘密圖象調(diào)整嵌入強(qiáng)度隱藏后圖象圖4.9 JND隨頻率變化示意圖 圖4.10 信息嵌入過(guò)程 水印信息嵌入在圖像的DCT域，我們可以利用Podilchuk32介紹的方法計(jì)算圖像塊的噪聲敏感度大?。?首先我們將原始圖像分成互不覆蓋的塊，塊的大小為88 ,記為： ),( yxfBmm=，m=1,2,，(M/8)*(N/8) 然后對(duì)每一圖像塊進(jìn)行DCT變換，即： 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 49 ),()(vuFBDCTBmmm= 我們?cè)贒CT域計(jì)算其對(duì)比度靈敏度 )1(05.5),()(1.0)(178.0=+ vuvueevuC 其中，vu,為空間頻率。利用對(duì)比度靈敏度矩陣C(u,v)可以計(jì)算出一個(gè)88圖像塊對(duì)噪聲的視覺(jué)敏感性，具體計(jì)算如下： =),(2),(),(vuvuDCTDCTFvuCS 其中，DCTF為圖像塊的離散余弦變換。S值反映了人眼視覺(jué)對(duì)此圖像塊的視覺(jué)敏感性，S值越大，人眼對(duì)圖像中的噪聲越不敏感，也就是說(shuō)可以嵌入到此圖像塊的水印強(qiáng)度越高。 最后，我們利用DCTS計(jì)算圖像塊的可視噪聲閾值JND33： DCTSJND ln= 其中是權(quán)值，用來(lái)調(diào)節(jié)噪聲閾值的大小，其取值范圍可由實(shí)驗(yàn)獲得。在我們所做的實(shí)驗(yàn)中，的值取為3。 4.2.2 改進(jìn)的自適應(yīng)信息隱藏方法 在Podilchuk32所采用的水印嵌入算法中，是以如下的形式進(jìn)行水印信息的嵌入： +=kkkVsrbJNDVV),(其它),(),( srbJNDsrbifVk其中b表示圖像經(jīng)過(guò)DCT變換后所分成的88塊的塊號(hào)，r，s分別表示每個(gè)塊中的行號(hào)與列號(hào)。Vk(b,r,s)表示經(jīng)過(guò)DCT變換后的系數(shù)。是嵌入強(qiáng)度。 在Podilchuk所采用的方法中，水印是直接嵌入在圖像的DCT系數(shù)中，但是這種方法并沒(méi)有很好的利用圖像數(shù)據(jù)的信息冗余及人的視覺(jué)冗余，信息嵌入量比較少。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上對(duì)水印的嵌入方法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的方法的流程圖如圖4.10 所示，它的步驟簡(jiǎn)述如下： 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于圖像的信息掩密技術(shù) 50 (1) 首先對(duì)圖像進(jìn)行分塊DCT變換，獲取圖像的DCT系數(shù)w(i,j)，同時(shí)計(jì)算每個(gè)塊的JND值。 (2) 對(duì)得到的DCT系數(shù)按照亮度的量化表進(jìn)行量化，得到量化后的圖像整數(shù)值。 (3) 對(duì)第(2)步所得到的整數(shù)值進(jìn)行反量化,得到反量化的DCT系數(shù)w(i,j)。 (4) 在反量化所得到的DCT系數(shù)上進(jìn)行圖像信息的嵌入，對(duì)于灰度圖像可采用不同的嵌入策略，選取不同的嵌入位置，以及不同的嵌入強(qiáng)度,嵌入的公式可采用如下的方法表示w(i,j)=w(i,j