第四章信息隱藏模型

1、信息隱藏原理及應(yīng)用信息隱藏原理及應(yīng)用第第4 4章章 信息隱藏模型信息隱藏模型 本章目標本章目標在讀完本章之后，你應(yīng)該能夠：在讀完本章之后，你應(yīng)該能夠：理解隱寫術(shù)基本模型理解隱寫術(shù)基本模型; ;了解隱寫術(shù)的安全模型了解隱寫術(shù)的安全模型; ;理解隱寫術(shù)模型所占有的理論意義理解隱寫術(shù)模型所占有的理論意義; ;理解數(shù)字水印模型理解數(shù)字水印模型; ;理解感知模型。理解感知模型。4.1 隱寫術(shù)模型分析 信息隱藏模型的研究是信息隱藏基本理信息隱藏模型的研究是信息隱藏基本理論基本原理研究的基礎(chǔ)，在本章中針對信息隱論基本原理研究的基礎(chǔ)，在本章中針對信息隱藏的兩個重要應(yīng)用隱寫術(shù)與數(shù)字水印，我們分藏的兩個重要應(yīng)用隱

2、寫術(shù)與數(shù)字水印，我們分析相關(guān)的模型以及模型的評價及相關(guān)分析。從析相關(guān)的模型以及模型的評價及相關(guān)分析。從廣義上講，模型分為兩類，一類是從通信角度廣義上講，模型分為兩類，一類是從通信角度來分析的通信模型，另一類是從空間角度分析來分析的通信模型，另一類是從空間角度分析算法。算法。 隱寫術(shù)主要是將秘密信息隱藏，然后以隱寫術(shù)主要是將秘密信息隱藏，然后以隱蔽通信的方式不讓未授權(quán)第三方知覺，所以隱蔽通信的方式不讓未授權(quán)第三方知覺，所以我們首先從通信的角度來分析隱寫術(shù)模型，然我們首先從通信的角度來分析隱寫術(shù)模型，然后從幾何的空間角度來分析數(shù)字水印模型。后從幾何的空間角度來分析數(shù)字水印模型。4.1.1 Simm

3、ons模型分析n在隱寫術(shù)的相關(guān)文獻中，普遍采用Simmons提出的模型和模型的變種，隱寫術(shù)的理論模型是研究隱寫術(shù)的基礎(chǔ)。隱寫術(shù)早期的研究是將秘密信息直接加到載體信息中，將載體數(shù)據(jù)看作噪聲，若解碼者知道噪聲，則提取時用偽裝載體數(shù)據(jù)減去噪聲即得秘密信息。目前，隱寫術(shù)是一種隱蔽通信模型。對隱寫術(shù)系統(tǒng)的模型理論、檢測理論和容量理論都需要進一步研究，這就形成了隱寫術(shù)的理論研究。在隱藏容量研究方面，通信模型為： ，Xn 為隱藏的信息， Sn 為載體，Zn 為攻擊噪聲，可以得出隱藏容量，P是X的平均能量，N是Z平均能量。n在1983年，Simmons針對隱蔽通信提出了第一個隱寫術(shù)的場景描述：囚犯問題。假定A

4、lice和Bob是分別處在不同牢房中的囚犯，為了合謀一次越獄行動，相互間需要秘密通信，而他們的每一次通信都必須經(jīng)過看守人Wendy的監(jiān)督。Wendy可以閱讀所有囚犯的信件，并決定是否傳送或不傳送這些信件，同時還可以對信件進行修改，但并不改變信件的內(nèi)容。為了使通信不被懷疑，Alice和Bob不能采用常用的密碼通信技術(shù)，因為一封經(jīng)過加密且的語義混亂的密信雖然可能不會泄露計劃，但已經(jīng)足以作為兩個犯人圖謀不軌的證據(jù)。因此，Alice和Bob不僅要保證密信不可破解，而且要隱藏秘密通信的事實。囚犯問題如圖4.1所示。ZnSnXnYn)/1log(2/1NPC 圖4.1 囚犯問題n這就是典型的隱寫術(shù)問題的圖

5、例。n這個模型強調(diào)的是如何保證隱蔽通信的實現(xiàn)，并沒有提出實現(xiàn)隱寫術(shù)的原理，所以實際上，這個模型是隱蔽通信的模型。我們在第5章中將研究隱蔽通信。n通常稱需要隱藏的信息為秘密信息，而公開的已嵌入秘密信息的稱為偽裝載體，隱寫的過程一般由隱寫密鑰來控制，通過嵌入算法將秘密隱寫術(shù)于公開信息中，而偽裝載體則通過信道傳遞，通信對方用檢測器或利用密鑰從偽裝載體中恢復(fù)/檢測出秘密信息。秘密信息可以是版權(quán)信息或秘密數(shù)據(jù)或者序列號等；而公開信息則稱為載體信息如視頻、音頻片段。這種隱寫術(shù)過程一般由密鑰（key）來控制，即通過嵌入算法（embedding algorithm）將秘密隱寫術(shù)于公開信息中，而隱蔽載體（隱藏有

6、秘密信息的公開信息)則通過信道（communication channel）傳遞，然后檢測器（detector）利用密鑰從隱蔽載體中恢復(fù)/檢測出秘密信息。從上面分析可知，隱寫術(shù)技術(shù)主要由兩部分組成:信息嵌入算法，它利用密鑰來實現(xiàn)秘密信息的隱藏。隱蔽信息檢測/提取算法（檢測器），它利用密鑰從隱蔽載體中檢測/恢復(fù)出秘密信息。在密鑰未知的前提下，第三者很難從隱秘載體中得到或刪除，甚至發(fā)現(xiàn)秘密信息。4.1.2 通信系統(tǒng)模型分析在本小節(jié)中，重點從信息論的觀點，揭示信息隱藏內(nèi)在的性質(zhì)，應(yīng)用信息論描在本小節(jié)中，重點從信息論的觀點，揭示信息隱藏內(nèi)在的性質(zhì)，應(yīng)用信息論描述信息隱藏的嵌入，提取和檢測模型，從而為研

7、究信息隱藏的容量分析，極限述信息隱藏的嵌入，提取和檢測模型，從而為研究信息隱藏的容量分析，極限隱藏，以及指導(dǎo)設(shè)計隱藏算法提供堅實的基礎(chǔ)，建立其信息論觀點的理論模型，隱藏，以及指導(dǎo)設(shè)計隱藏算法提供堅實的基礎(chǔ)，建立其信息論觀點的理論模型，先分析通信基本通信模型，然后提出隱寫術(shù)通信模型，從而使隱寫術(shù)的安全達先分析通信基本通信模型，然后提出隱寫術(shù)通信模型，從而使隱寫術(shù)的安全達到一個新的理論高度。到一個新的理論高度。下面首先介紹通信系統(tǒng)模型。下面首先介紹通信系統(tǒng)模型。圖圖4-24-2給出了一個傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。給出了一個傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。M M是準備發(fā)送的信息，信道編碼器是準備發(fā)送的信息，信

8、道編碼器對信息對信息M M進行編碼，準備發(fā)送，它將所有可能的信息映射為碼字，后者從可以進行編碼，準備發(fā)送，它將所有可能的信息映射為碼字，后者從可以在信道中傳輸?shù)姆査M成的集合中選擇得到。碼字序列通常標記為在信道中傳輸?shù)姆査M成的集合中選擇得到。碼字序列通常標記為X X。標準。標準的通信模型如圖的通信模型如圖4-24-2所示。所示。圖圖4.2 4.2 通信系統(tǒng)的標準模型通信系統(tǒng)的標準模型為了進一步保證傳輸信息的安全，可以將傳輸?shù)拿艽a技術(shù)加入，基本通信系統(tǒng)為了進一步保證傳輸信息的安全，可以將傳輸?shù)拿艽a技術(shù)加入，基本通信系統(tǒng)圖變基于密鑰的信道編碼的通信信道基本模型，模型如圖圖變基于密鑰的信道編碼

9、的通信信道基本模型，模型如圖4.34.3所示。所示。 圖4.3 基于密鑰的信道編碼的通信信道模型n而在隱寫術(shù)中的通信中也應(yīng)考慮像Wendy這樣的主動攻擊的存在，所以基本的隱寫術(shù)模型如圖4.4所示：E圖圖4.4 4.4 基本的隱寫術(shù)理論模型基本的隱寫術(shù)理論模型上圖中所討論的系統(tǒng)都符合上圖中所討論的系統(tǒng)都符合KerchhoffsKerchhoffs準則，即加密函數(shù)、解密函數(shù)以及隱藏準則，即加密函數(shù)、解密函數(shù)以及隱藏信息嵌入函數(shù)信息嵌入函數(shù) 和提取函數(shù)和提取函數(shù) 是公開的。是公開的。e14.1.4 基于通信的水印模型nCox(95)在其著作中給出了基于通信的基本模型，認為嵌入編碼器到檢測編碼器之間的

10、信息傳輸可以看做是一種通信，并且需要將信息映射為同載體維度相同類型相同的模板。在Costa的臟紙通信的研究成果基礎(chǔ)上，Gelfand和Pinsker結(jié)合Cox的邊信息水印通信模型，形成了信息隱藏的信息論模型，將信息隱藏看做是隱藏者和攻擊者之間的通信博弈，其中的隱藏者和合法解碼者擁有邊信息，給出了具有邊信息信道的容量定義。n如圖4.6所示，是最早的通信水印模型。如圖4.7所示，是數(shù)字水印的邊信息模型。M)|(NNNxyMMNSNXNYMM)|(xyA)|(NNNxyMMNSNKNXNYM圖圖4.6 4.6 早期的數(shù)字水印模型早期的數(shù)字水印模型 圖圖4.7 4.7 數(shù)字水印的邊信息通信模型數(shù)字水印

11、的邊信息通信模型4.2 數(shù)字水印空間模型n根據(jù)信息隱藏活動的離散化特點，除了可以將數(shù)字水印看做是傳統(tǒng)的通信模型之外，最常見的還是幾何模型。幾何模型有時也稱為空間模型。n空間模型對信息隱藏的對象和過程進行細化和抽象，根據(jù)信息隱藏活動離散化特征，利用集合論和矩陣空間概念描述信息隱藏的基本問題。模型對信息隱藏各元素進行空間概念表示，對信息隱藏過程進行空間轉(zhuǎn)換描述。下面介紹一下數(shù)字水印空間模型如圖4.8中所用到的空間。n（1）信息空間（information space）：信息存在形式的空間表示。信息空間中的元素有特定的結(jié)構(gòu)和表示。同一信息可以存在于不同的信息空間中。n（2）空間變換（space tr

12、ansform）：不同信息空間之間的點有一定的變換關(guān)系。我們經(jīng)常使用各類空間變換，如空域和變換域，這種變換只是改變信息空間中信息的表示，而信息本身并不發(fā)生任何變化。n（3）載體空間（carrier space）：載體所存在的信息空間。n（4）宿主空間（host space）。宿主信息所存在的空間。n（5）隱藏空間（secret space）。宿主空間中真正用于隱藏數(shù)據(jù)的子空間。n（6）秘密消息空間（message space）。原始隱藏數(shù)據(jù)所存在的信息空間。n（7）寄生空間（hermit space）。為了保證秘密信息的安全，在秘密信息嵌入之前需經(jīng)預(yù)處理，然后再嵌入隱藏空間，預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)所

13、存在的信息空間稱之為寄生空間。 圖4.8 數(shù)字水印空間模型4.3 感知模型 不可感知性是信息隱藏的很重要的衡量指標，到目前，根據(jù)人類聽覺和視覺系統(tǒng)，已經(jīng)提出了許多感知模型，因為人類感知存在很大個體差異，本節(jié)首先對人類感知進行分析，然后利用人類視覺感知特點和矩陣理論來描述信息隱藏的基本問題，主要介紹Watson的感知模型。4.3.1 人類感知n人眼對在波長范圍從400770的電磁輻射非常敏感。彩色圖像可以用函數(shù)C(x,y,t.)表示。這個函數(shù)能表示位置（x,y），反射光的波長和動態(tài)圖像情況下的時間。對于顏色視覺，有三個基礎(chǔ)可用的光譜敏感度函數(shù) 和 。通過人眼或照相機系統(tǒng)對場景中對象進行感知主要是

14、通過它的幅射 。照明與主觀人類感知之間，以及與人類響應(yīng)之間都存在著直接關(guān)系。在Weber定律中，第一次公式化地給出了這種關(guān)系。公式表示為: （4-1）n實驗調(diào)查表明，Weber定法律只適用于中間照明值，對于很高和很低的照明值都不適用?？筛兄牧炼菳 和和照明L間的關(guān)系是對數(shù)關(guān)系，即 。n根據(jù)Thomas Young的三原色理論，我們視覺系統(tǒng)感知的所有顏色都是基本顏色的線性組合。如果兩種顏色之間存在最小可覺差(just noticeable difference，JND)，實際最小可覺差值不是常數(shù)，這主要因為人類視覺的非線性和RGB空間的不均勻性。如果人眼顏色感知能力還未飽和，在較強照明時，人眼

15、顏色感知能力更好。在Buchsbaum非線性等式的常數(shù)考慮了眼睛的適應(yīng)條件和照明條件。Buchsbaum在Weber研究的基礎(chǔ)上開始了他的研究，分析獲得了對數(shù)形式的視覺非線性。kLWl)()(GRVV)(BV),(tyxRLBlog4.3.2 評價的基本指標n感知模型實現(xiàn)上是函數(shù) ，這個函數(shù)是計算原圖像和隱寫后圖像之間的感知距離，傳統(tǒng)使用的MSE均方差就是一個最簡單的距離函數(shù)。感知模型的基本指標是靈敏度，掩蔽及合并。n（1）靈敏度：對于視覺的感知，都與輸入信號的頻率相關(guān)。頻率響應(yīng)主要指空間頻率、光譜頻率和時間頻率?？臻g頻率通常指亮度敏感度，光譜頻率以顏色形式感知，一般為低頻響應(yīng)，時間頻率響應(yīng)以

16、運動的形式感知。n（2）掩蔽：在視覺中有兩種掩蔽，頻率掩蔽和亮度掩蔽，前者是一段頻率對另一段頻率的感知掩蔽，后者是局部亮度會掩蔽對比度變化。n（3）合并：在感知距離模型中，對多個不同失真的感知性綜合歸一為對偽裝載體的評價，稱為合并，公式為： （4-2）),(SOCCD pipSOidCCD1)(),(4.3.3 Watson感知模型nWatson提出了一個測量視覺保真度模型，它估計了原圖像和偽裝圖像之間的JND值，對于噪聲加入圖像后產(chǎn)生的影響估計，此模型比MSE效果要好。n模型的基本原理是根據(jù)圖像的塊離散DCT估計變化的感知性，然后將這些估計合并成對感知距離的單個估計。此模型基于DCT域，經(jīng)過

17、分塊量化處理后，圖像能量集中在每一塊的低頻部分，這樣就能估計量化噪聲的感知度，就可以根據(jù)每幅圖像的具體特性來改變量化步長。n在信息隱藏中需要用此模型評價和控制信息隱藏的算法nWatson模型由一個敏感度函數(shù)、兩個基于亮度和對比度掩蔽和合并部分組成。（1）模型定義了頻率敏感度表，表中每個元素表示在每塊中在不存在任何掩蔽噪聲時，可感知DCT系數(shù)的最小幅度值。DCT頻率敏感度表如表4-1所示。表表4-1 DCT頻率敏感度表頻率敏感度表1.401.011.161.662.44.434.796.561.011.451.321.522.02.714.674.931.161.322.242.591.984.

18、644.65.881.661.522.594.774.555.34.67.62.42.002.984.556.157.466.2810.174.432.714.645.37.469.628.7114.514.794.674.66.288.1711.5811.5817.296.564.935.887.610.1714.5114.521.15n（2）亮度掩蔽，如果DCT塊的平均亮度值較高，DCT系數(shù)較大的修改也不易察覺，Watson模型對每個像素塊，根據(jù)敏感度表的值進行調(diào)整，亮度的掩蔽閾值 為： （4-3）n（3）上述亮度掩蔽值也受到對比度掩蔽的影響，對比度掩蔽閾值 為： （4-4）n（4）合并，對原始圖像與偽裝圖像比較，計算對應(yīng)DCT系數(shù)的差值，然后除以對比度掩蔽，得到每項的可感知距離 di,j,k，然后合并成一個總的感知距離為： （4-5）n因為此模型是基于DCT變換的，主要用于JPEG，經(jīng)過變換之后，可以將能量集中在少量的低頻系數(shù)之上，然后通過此模型來估計量化后的感知度。kjitL,ToooLCkooCjitkjit)/,(,.kjis,max,1,jiLjioLkjitkjiCkjitkjis1),(),(