第06章 信息隱藏技術(shù)

1、第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security第第6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù) 6.1 6.1 信息隱藏技術(shù)概述信息隱藏技術(shù)概述6.1.1 6.1.1 信息隱藏產(chǎn)生背景信息隱藏產(chǎn)生背景采用傳統(tǒng)密碼學(xué)理論開發(fā)出來的加解密系統(tǒng)，不管是對稱密鑰系統(tǒng)（如采用傳統(tǒng)密碼學(xué)理論開發(fā)出來的加解密系統(tǒng)，不管是對稱密鑰系統(tǒng)（如DESDES）還是公開密鑰系統(tǒng)容易引起攻擊者的注意，由此帶來被破解的可能。）還是公開密鑰系統(tǒng)容易引起攻擊者的注意，由此帶來被破解的可能。除此之外，攻擊者還可以在破譯失敗的情況下將信息破壞，使得合法的除此之外，攻擊者還可以在破譯失敗

2、的情況下將信息破壞，使得合法的接收者也無法接收信息。采用加密技術(shù)的另一個潛在缺點是，隨著硬件接收者也無法接收信息。采用加密技術(shù)的另一個潛在缺點是，隨著硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，以及基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的具有并行計算能力的破解技術(shù)的技術(shù)的迅速發(fā)展，以及基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的具有并行計算能力的破解技術(shù)的日益成熟，傳統(tǒng)的加密算法的安全性受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。日益成熟，傳統(tǒng)的加密算法的安全性受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。如何防止知識產(chǎn)品被非法復(fù)制及傳播，是目前急需解決的問題。如何防止知識產(chǎn)品被非法復(fù)制及傳播，是目前急需解決的問題。信息隱藏的首要目標(biāo)是隱藏性好，也就是使加入隱藏信息后的媒體的質(zhì)信息隱藏的首要目標(biāo)是隱藏性好，也就是使加入隱藏信息后

3、的媒體的質(zhì)量降低盡可能小，使人無法看到或聽到隱藏的數(shù)據(jù)，達(dá)到令人難以察覺量降低盡可能小，使人無法看到或聽到隱藏的數(shù)據(jù)，達(dá)到令人難以察覺的目的。的目的。信息隱藏技術(shù)和傳統(tǒng)密碼技術(shù)的區(qū)別在于信息隱藏技術(shù)和傳統(tǒng)密碼技術(shù)的區(qū)別在于: :密碼僅僅隱藏了信息的內(nèi)容，密碼僅僅隱藏了信息的內(nèi)容，而信息隱藏不但隱藏了信息的內(nèi)容而且隱藏了信息的存在。信息隱藏技而信息隱藏不但隱藏了信息的內(nèi)容而且隱藏了信息的存在。信息隱藏技術(shù)提供了一種有別于加密的安全模式。術(shù)提供了一種有別于加密的安全模式。第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.1.2 信息隱藏基本

4、原理信息隱藏基本原理信息隱藏技術(shù)主要由下述兩部分組成：1信息嵌入算法（編碼器），它利用密鑰來實現(xiàn)秘密信息的隱藏。2隱蔽信息檢測/提取算法（檢測器），它利用密鑰從隱蔽宿主中檢測/恢復(fù)出秘密信息。在密鑰未知的前提下，第三者很難從隱蔽宿主中得到或刪除，甚至發(fā)現(xiàn)秘密信息。編碼器檢測器隱蔽宿主秘密信息宿主信息秘密信息宿主信息密鑰密鑰圖6-1 信息隱藏系統(tǒng)模型第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.1.3 信息隱藏系統(tǒng)的特征信息隱藏系統(tǒng)的特征信息隱藏系統(tǒng)的特征主要有：信息隱藏系統(tǒng)的特征主要有：1魯棒性（魯棒性（Robustness）2不可

5、檢測性不可檢測性(Undetectability)3透明性透明性(Invisibility)4安全性（安全性（Security）5自恢復(fù)性（自恢復(fù)性（Self-recovery）6可糾錯性（可糾錯性（Corrective）第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.1.4 信息隱藏技術(shù)的主要分支與應(yīng)用信息隱藏技術(shù)的主要分支與應(yīng)用廣義的信息隱藏技術(shù)分類 信息隱藏隱蔽信道隱寫術(shù)匿名通信版權(quán)標(biāo)志語言學(xué)中的隱寫術(shù)技術(shù)上的隱寫術(shù)魯棒的版權(quán)標(biāo)志易碎水印數(shù)字指紋數(shù)字水印不可見數(shù)字水印可見數(shù)字水印第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Netwo

6、rk and Information Security6.2.1 數(shù)字水印系統(tǒng)的基本框架數(shù)字水印系統(tǒng)的基本框架密鑰k原始水印信息m密印w產(chǎn)品x水印生成算法G水印嵌入算法Em水印攻擊算法At水印檢測算法D含水印產(chǎn)品xw含水印產(chǎn)品x 水印提取算法Ex水印w 有或無網(wǎng)絡(luò)圖 6-3 數(shù)字水印處理系統(tǒng)基本框架第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.2.2 數(shù)字水印的主要特征數(shù)字水印的主要特征1不可見性（透明性）。不可見性（透明性）。2健壯性。健壯性。3確定性。確定性。4安全性。安全性。5數(shù)據(jù)容量。數(shù)據(jù)容量。6計算復(fù)雜度。計算復(fù)雜度。其中

7、，不可見性和健壯性是數(shù)字水印最基本的要求，又其中，不可見性和健壯性是數(shù)字水印最基本的要求，又是相互矛盾的因素。如何在不可見性與健壯性之間取是相互矛盾的因素。如何在不可見性與健壯性之間取得平衡是數(shù)字水印研究的重點內(nèi)容之一。得平衡是數(shù)字水印研究的重點內(nèi)容之一。 第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.2.3 數(shù)字水印分類數(shù)字水印分類1可見水印和不可見水印可見水印和不可見水印2脆弱水印、半脆弱水印和健壯水印脆弱水印、半脆弱水印和健壯水印3時時/空域數(shù)字水印和頻域數(shù)字水印空域數(shù)字水印和頻域數(shù)字水印4非盲水印和盲水印非盲水印和盲水印5私

8、有水印（秘密水?。┖凸_水印私有水印（秘密水?。┖凸_水印6對稱水印和非對稱水印對稱水印和非對稱水印另外，我們還可以按照數(shù)字水印的內(nèi)容將其分為有意義另外，我們還可以按照數(shù)字水印的內(nèi)容將其分為有意義水印和無意義水??；按水印所依附的載體分為圖像水水印和無意義水??；按水印所依附的載體分為圖像水印、音頻水印、視頻水印和文本水印等。印、音頻水印、視頻水印和文本水印等。第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.2.4 數(shù)字水印原理數(shù)字水印原理1 水印信息嵌入水印信息嵌入從圖像處理的角度看，嵌入水印可以視為在強背景（原從圖像處理的角度看，嵌入

9、水印可以視為在強背景（原圖像）下疊加一個弱信號（水?。Ｓ捎谌说囊曈X系圖像）下疊加一個弱信號（水?。?。由于人的視覺系統(tǒng)（統(tǒng)（HVS）分辨率受到一定的限制，只要疊加信號的）分辨率受到一定的限制，只要疊加信號的幅度低于幅度低于HVS的對比度門限，人眼就無法感覺到信號的對比度門限，人眼就無法感覺到信號的存在。的存在。2 水印信息檢測水印信息檢測水印的檢測可看成一個有噪信道中弱信號的檢測問題，水印的檢測可看成一個有噪信道中弱信號的檢測問題，它一般包含水印提取和水印的判定兩個部分。它一般包含水印提取和水印的判定兩個部分。 第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Informati

10、on Security6.2.5 數(shù)字圖像水印的典型算法數(shù)字圖像水印的典型算法1 時空域算法時空域算法 (1)最低有效位方法最低有效位方法(LSB) (2)Patchwork 方法及紋理塊映射編碼方法方法及紋理塊映射編碼方法 (3)文本微調(diào)法文本微調(diào)法2 變換域算法變換域算法 （1）DFT域水印算法域水印算法 (2) DCT域水印算法域水印算法 （3）DWT域水印算法域水印算法3 壓縮域算法壓縮域算法第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.2.6 數(shù)字水印的攻擊類型及對策數(shù)字水印的攻擊類型及對策若要把數(shù)字水印技術(shù)真正地應(yīng)用到實

11、際的版權(quán)保護(hù)、內(nèi)容認(rèn)證等領(lǐng)域，必須考慮的一個重要問題是系統(tǒng)可能受到的各種攻擊。不同的應(yīng)用場合有不同的抗攻擊能力要求?？构裟芰κ菙?shù)字水印系統(tǒng)評測最重要的性能指標(biāo)，系統(tǒng)地了解攻擊的種類及抗攻擊策略對于幫助人們設(shè)計出更好的水印方案是十分必要的。第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security魯棒性攻擊安全性攻擊系統(tǒng)攻擊非授權(quán)去除非授權(quán)嵌入非授權(quán)檢測去除攻擊掩蓋攻擊拷貝攻擊多重嵌入攻擊協(xié)議攻擊最嚴(yán)重攻擊次嚴(yán)重攻擊末嚴(yán)重攻擊攻擊類型幾何攻擊拼湊攻擊利用檢測器的攻擊去噪攻擊壓縮攻擊合謀攻擊圖 6-6 攻擊方法分類第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏

12、技術(shù)Network and Information Security6.2.7 數(shù)字水印的評價標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字水印的評價標(biāo)準(zhǔn)1、可見性評價、可見性評價(1)基于像素的度量方法基于像素的度量方法(2)可見性質(zhì)量變量可見性質(zhì)量變量(3)主觀性質(zhì)量度量方法主觀性質(zhì)量度量方法2、健壯性評價、健壯性評價水印的健壯性主要與嵌入信息的數(shù)量、水印嵌入強度、水印的健壯性主要與嵌入信息的數(shù)量、水印嵌入強度、圖像的尺寸和特性有關(guān)。圖像的尺寸和特性有關(guān)。對同一種水印方法而言，嵌入的信息越多，水印的健壯對同一種水印方法而言，嵌入的信息越多，水印的健壯性越差；增加水印嵌入強度將會增加水印的健壯性，性越差；增加水印嵌入強度將會增加

13、水印的健壯性，但相應(yīng)地會增加水印的可見性。但相應(yīng)地會增加水印的可見性。第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.2.8 數(shù)字水印的主要應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字水印的主要應(yīng)用領(lǐng)域1版權(quán)保護(hù)版權(quán)保護(hù)即數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生一個水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，然后公開發(fā)布他的水印版本作品。當(dāng)該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時，所有者即可從盜版作品或水印版作品中獲取水印信號作為依據(jù)，從而保護(hù)所有者的權(quán)益。2加指紋指紋是指一個客體所具有的、能把自己和其他相似客體區(qū)分開的特征。它有許多應(yīng)用，包括數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)。數(shù)字指紋雖然不能抵抗篡改，不能防止用戶拷貝數(shù)

14、據(jù)，但是它能使數(shù)據(jù)所有者追蹤非法散布數(shù)據(jù)的授權(quán)用戶。為避免未經(jīng)授權(quán)的拷貝制作和發(fā)行，出品人可以將不同用戶的ID或序列號作為不同的水印（指紋）嵌入到作品的合法拷貝中。一旦發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝，就可以根據(jù)此拷貝所恢復(fù)出的指紋來確定它的來源。3標(biāo)題與注釋標(biāo)題與注釋是將作品的標(biāo)題、注釋等內(nèi)容（如，一幅照片的拍攝時間和地點等）以水印形式嵌入該作品中，這種隱式注釋不需要額外的帶寬，且不易丟失。4篡改提示當(dāng)數(shù)字作品被用于法庭、醫(yī)學(xué)、新聞及商業(yè)時，常需確定它們的內(nèi)容是否被修改、偽造或特殊處理過。為實現(xiàn)該目的，通?？蓪⒃紙D像分成多個獨立塊，再將每個塊加入不同的水印。同時可通過檢測每個數(shù)據(jù)塊中的水印信號，來確定作

15、品的完整性。與其他水印不同的是，這類水印必須是脆弱的，并且檢測水印信號時，不需要原始數(shù)據(jù)。5使用控制這種應(yīng)用的一個典型例子是DVD防拷貝系統(tǒng)，即將水印加入DVD數(shù)據(jù)中，這樣DVD播放機即可通過檢測DVD數(shù)據(jù)中的水印信息來判斷其合法性和可拷貝性，從而保護(hù)制造商的商業(yè)利益。 第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.3 案例：基于混沌的小波域數(shù)字水印案例：基于混沌的小波域數(shù)字水印 本節(jié)介紹基于混沌的小波域數(shù)字水印算法，首本節(jié)介紹基于混沌的小波域數(shù)字水印算法，首先對有意義的水印信息進(jìn)行混沌加密，使其成先對有意義的水印信息進(jìn)行混沌加密，

16、使其成為加密水印信息為加密水印信息密??；密??； 其次選擇中高頻區(qū)域作為水印嵌入域，嵌入密其次選擇中高頻區(qū)域作為水印嵌入域，嵌入密??；?。?仿真實驗結(jié)果表明即使圖像經(jīng)過比較嚴(yán)重（甚仿真實驗結(jié)果表明即使圖像經(jīng)過比較嚴(yán)重（甚至不具有一定的商用價值）的失真，這種算法至不具有一定的商用價值）的失真，這種算法提取的水印仍然比較清晰。提取的水印仍然比較清晰。 第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.3.1 小波變換小波變換小波變換理論是近年來興起的新的數(shù)學(xué)分支，這一創(chuàng)新性的概念是由法國工程師 J.Morlet在 1984年首先提出的，當(dāng)時并

17、未得到數(shù)學(xué)專家的認(rèn)可。1989 年，Mallat將計算機視覺領(lǐng)域內(nèi)的多尺度分析的思想引入到小波分析中，從而成功的統(tǒng)一了在此之前的 Stromberg、Meyer、Lemarie 和 Battle 提出的具體正交小波基的構(gòu)造，并研究了小波變換的離散化情形。在正交小波基構(gòu)造的框架下，他給出了信號和圖像分解為不同頻率信號的算法及信號的重構(gòu)算法，這就是著名的 Mallat 算法。至此，小波變換理論已逐漸被大家認(rèn)識。第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.3.2 圖像的小波分解與重構(gòu)圖像的小波分解與重構(gòu)圖6-7 二維小波分解與重構(gòu)第第6

18、 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security圖圖6-8 二維信號小波分解原理圖二維信號小波分解原理圖第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security6.3.3 水印信息預(yù)處理1混沌序列的產(chǎn)生采用Logistic 映射作為密鑰流發(fā)生器：)1 ()(1nnnnxuxxfx2 , 1,1 , 0nxn 第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security2水印加密過程水印加密過程第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security3仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Network and Information Security第第6 6章章 信息隱藏技術(shù)信息隱藏技術(shù)Net