現(xiàn)代編碼技術(shù)

現(xiàn)代編碼技術(shù)第一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.1傳統(tǒng)信源編碼的應(yīng)用根據(jù)信源編碼技術(shù)的發(fā)展可以將其分為傳統(tǒng)編碼技術(shù)與現(xiàn)代編碼技術(shù)兩大類。傳統(tǒng)編碼技術(shù)主要有脈碼調(diào)制(PCM，PulseCodeModulation)、量化法(Quantization)、空間和時間子抽樣編碼(SpatialandTemporalSubsamplingCoding)、熵編碼(EntropyCoding)、預(yù)測編碼(PredictiveCoding)、變換編碼(TransformCoding)、矢量量化(VQ，VectorQuantization)、子帶編碼(SBC，SubbandCoding)等方法。第二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三這些方法前面已經(jīng)介紹過，下面以圖像信源為例簡述傳統(tǒng)信源編碼技術(shù)的應(yīng)用。采用脈碼調(diào)制方法進行信源編碼時，輸入的連續(xù)信號通常以Nyquist速率采樣，然后均勻量化。因此，它只是原始模擬信號的一種數(shù)字表示。量化器通常有N個電平，其中N是2的乘方(N＝2b)，每個采樣由一個具有b比特的固定長度的二進制碼示。使用PCM對像素編碼所需的比特數(shù)取決于被編碼信源的類型。通常來說，單色廣播或會議電視圖像用8比特就足夠了；而醫(yī)學(xué)圖像則可能需要10比特或更多，以保證足夠的幅度分辨率。第三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三對于彩色圖像，每個彩色分量通常需要8比特，因而表示一個彩色像素共要使用24比特。PCM編碼的效率是不高的，原因之一是PCM忽視了像素之間的空間和時間相關(guān)性；之二是它對所有量化幅度電平進行同樣處理，即均勻量化；另外一個原因是它沒有利用人眼的視覺特性。第四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三量化是一個相當(dāng)直觀的數(shù)據(jù)壓縮方法，其過程相當(dāng)于將輸入數(shù)據(jù)的取值范圍加以限制。比如，圖像像素，即圖像中的一個采樣點的灰度值是用8比特二進制數(shù)表示，將其灰度量化至2比特，即用2比特二進制數(shù)來表現(xiàn)原8比特的數(shù)據(jù)。顯然，在數(shù)據(jù)量上，量化后的比特數(shù)是原來的0．25倍，相應(yīng)壓縮比為4∶1。量化過程的實際做法是利用量化查找表使一個輸出值對應(yīng)于若干個輸入值。量化算法利用人的視覺對不同亮度值域的敏感程度不一樣的特點，在一定輸出圖像質(zhì)量的前提下，調(diào)節(jié)量化查找表達到最佳的壓縮比。根據(jù)量化查找表的性質(zhì)，量化算法分為線性與非線性兩類。第五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三在電視、電話等某些應(yīng)用中，全分辨率不是必需的。這時，可以使用空間和時間子抽樣來降低數(shù)據(jù)速率。在編碼器中，從每幾個像素中選擇一個像素，從每幾幀中選擇一幀，然后加以傳輸。在譯碼器中，可根據(jù)接收的像素和幀內(nèi)插丟失的像素和幀，再生出分辨率較低的原始視頻序列。如果像素是由色度和亮度分量表示的，那么可以以較高的比率對色度分量進行子抽樣，量化更粗略一些，這是因為人眼對色度分量的敏感性低一些。這種技術(shù)非常簡單，但十分有效。第六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三熵編碼是純粹基于信號統(tǒng)計特性的編碼技術(shù)。它是一種無損編碼，解碼后能無失真地恢復(fù)原信息。熵編碼的基本原理是給出現(xiàn)概率較大的符號一個短碼字，而給出現(xiàn)概率較小的符號一個長碼字，這樣使得最終的平均碼長很小。一個精心設(shè)計的熵編碼器，其輸出的平均碼長接近信源的信息熵，即碼長的下限。常用的熵編碼方法有游程編碼、霍夫曼編碼和算術(shù)編碼三種。游程編碼主要用于量化后出現(xiàn)大量零系數(shù)的情形，利用游程來表示連零碼，降低為表示零碼所用的數(shù)據(jù)量?；舴蚵幋a是一種不等長最佳編碼方法。所謂最佳是指對于相同概率分布的信源這種編碼的平均碼長比其他任何一種有效編碼的平均碼長都短?；舴蚵幋a必須知道信源的概率分布，這一般是無法做到的。通常采用對大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后得到的近似分布來代替實際的概率分布。第七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三算術(shù)編碼是20世紀80年代發(fā)展起來的一種熵編碼方法，已漸漸受到人們的注意。它的基本原理是，任何一個數(shù)據(jù)序列均可表示成0和1之間的一個間隔，該間隔的位置與輸入數(shù)據(jù)的概率分布有關(guān)?？梢愿鶕?jù)信源的統(tǒng)計特性來設(shè)計具體的編碼器，也可以針對未知概型的信源來設(shè)計能夠自適應(yīng)適配其分布的算術(shù)編碼器，并且這兩種形式的編碼器均可以用硬件實現(xiàn)。有關(guān)的實驗數(shù)據(jù)表明，在未知信源概率分布的大部分情形下，算術(shù)編碼要優(yōu)于霍夫曼編碼。上述三種熵編碼方法均已被各種編碼標準采納。第八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三預(yù)測編碼有線性預(yù)測和非線性預(yù)測兩類，它們可以在一幅圖像內(nèi)進行(幀內(nèi)預(yù)測編碼)，也可以在多幅圖像之間進行(幀間預(yù)測編碼)。預(yù)測編碼基于圖像數(shù)據(jù)的空間和時間冗余特性，用相鄰的已知像素(或圖像塊)來預(yù)測當(dāng)前像素(或圖像塊)的取值，然后再對預(yù)測誤差進行量化和編碼。這些相鄰像素(或圖像塊)可以是同行掃描的，也可以是前幾行或前幾幀的，相應(yīng)的預(yù)測編碼分別稱為一維、二維和三維預(yù)測，其中一維和二維預(yù)測是幀內(nèi)預(yù)測，三維預(yù)測是幀間預(yù)測。預(yù)測編碼的關(guān)鍵在于預(yù)測算法的選取，這與圖像信號的概率分布很有關(guān)系。第九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三實際中常根據(jù)大量的統(tǒng)計結(jié)果采用簡化的概率分布形式來設(shè)計最佳的預(yù)測器，有時還使用自應(yīng)預(yù)測器以較好地刻畫圖像信號的局部特性，提高預(yù)測效率。線性預(yù)測編碼又稱為差分脈沖編碼調(diào)制，即DPCM(DifferentialPulseCodeModulation)。幀內(nèi)預(yù)測編碼一般采用像素預(yù)測形式的DPCM，其優(yōu)點是算法簡單，易于硬件實現(xiàn)，缺點是對信道噪聲及誤碼很敏感，會產(chǎn)生誤碼擴散，使圖像質(zhì)量大大下降。同時，幀內(nèi)DPCM的編碼壓縮比很低，因此現(xiàn)在已很少獨立使用，一般要結(jié)合其他的編碼方法。幀間預(yù)測編碼主要利用活動圖像序列相鄰幀間的相關(guān)性，即圖像數(shù)據(jù)的時間冗余進行壓縮，可以獲得比幀內(nèi)預(yù)測編碼高得多的壓縮比。第十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三幀間預(yù)測編碼作為消除圖像序列幀間相關(guān)性的主要手段之一，在視頻圖像編碼方法中占有很重要的地位。幀間預(yù)測編碼一般是針對圖像塊的預(yù)測編碼，它采用的技術(shù)有幀重復(fù)法、閾值法、幀內(nèi)插法、運動補償法和自適應(yīng)交替幀內(nèi)／幀間編碼法等，其中運動補償預(yù)測編碼現(xiàn)已被各種視頻圖像編碼標準采用，得到了很好的結(jié)果。這類圖像編碼方法的主要缺點在于對圖像序列不同的區(qū)域，預(yù)測性能不一樣，特別是在快運動區(qū)，預(yù)測效率很差。而且為了降低預(yù)測算法的運算復(fù)雜度和提高預(yù)測精度，一般先對圖像進行分塊，然后再預(yù)測，這勢必造成分塊邊緣的不連續(xù)。第十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三與預(yù)測編碼技術(shù)相比，消除圖像數(shù)據(jù)空間相關(guān)性的一種更有效的方法是進行信號變換，使圖像數(shù)據(jù)在變換域上最大限度的不相關(guān)。盡管圖像變換本身對數(shù)據(jù)并未進行壓縮，但由于變換后系數(shù)之間的相關(guān)性明顯降低，圖像的大部分能量只集中到少數(shù)幾個變換系數(shù)上，采用適當(dāng)?shù)牧炕挽鼐幋a可以有效地壓縮圖像的數(shù)據(jù)量。而且圖像經(jīng)某些變換后，系數(shù)的空間分布和頻率特性有可能與人眼的視覺特性匹配，第十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三因此可以利用人類視覺系統(tǒng)的生理和心理特點而得到較好的編碼系統(tǒng)。變換編碼通常是將空間域相關(guān)的像素點通過變換映射到另一個頻域上。在變換后的頻域上應(yīng)滿足：所有的系數(shù)相互獨立；能量集中于少數(shù)幾個系數(shù)上；這些系數(shù)集中于一個最小的區(qū)域內(nèi)。保留少數(shù)重要的系數(shù)就能夠很好地恢復(fù)出圖像，人眼幾乎覺察不出那些損失的系數(shù)。第十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

KLT變換是在以上思路下構(gòu)造出來的最佳線性變換方案。它是用數(shù)據(jù)本身的相關(guān)矩對角化后構(gòu)成的，這種變換將產(chǎn)生完全不相關(guān)的變換系數(shù)。如果圖像數(shù)據(jù)之間是高度相關(guān)的，經(jīng)過KLT變換，系數(shù)將出現(xiàn)多個零值；同時，某些系數(shù)的值會很小。KLT變換的變換矩陣是由圖像數(shù)據(jù)本身求得的，不同的圖像數(shù)據(jù)有不同的變換矩陣。如此造成反變換矩陣的不惟一性；加之KLT變換矩陣的構(gòu)造計算量很大，因而它不是一種實用的變換方法。第十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三盡管如此，KLT變換畢竟是線性變換壓縮編碼方法的一個最佳方案，通?？勺鳛楹饬科渌€性變換性能的基準。就數(shù)據(jù)壓縮而言，所選擇的變換方法最好能與圖像信號的特征匹配，此外還應(yīng)從失真要求、實現(xiàn)的復(fù)雜度以及編碼比特率等多方面進行綜合考慮。KLT變換雖然是均方誤差準則下的最佳變換，但在實際編碼工作中，人們更常采用離散余弦變換DCT。第十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三在現(xiàn)行變換編碼方法中，對大多數(shù)圖像信源來說，DCT變換是最接近KLT變換的方法。對變換后圖像系數(shù)的編碼一般采用門限編碼加區(qū)域編碼的形式。以DCT為例，根據(jù)變換系數(shù)的能量分布，可以將圖像劃分為不同的區(qū)域。其中變換后幅值較大的圖像系數(shù)大多集中于圖像塊的左上角。與其他系數(shù)相比，這些低頻系數(shù)具有的能量最大，包括了圖像的大部分內(nèi)容，在變換圖像中的地位最重要，應(yīng)使它們的量化誤差最小。同樣，對于圖像塊的其他區(qū)域，也應(yīng)采用與該區(qū)域相匹配的量化和編碼形式。這種根據(jù)能量分布對不同區(qū)域采用不同量化編碼的技術(shù)稱為區(qū)域編碼。第十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三另一方面，變換后圖像的許多系數(shù)很小，僅占原圖像能量的很小比例，對圖像質(zhì)量影響甚微，因此一般通過設(shè)定閾值的方法，將小于閾值的變換系數(shù)置零，從而大大提高編碼效率。經(jīng)門限和區(qū)域編碼后，變換后圖像的大部分系數(shù)為零，如何采用有效的方法將非零系數(shù)和零系數(shù)組織起來，在保證最少冗余的同時使連零系數(shù)出現(xiàn)概率最大，是變換圖像編碼面臨的又一關(guān)鍵問題。在DCT圖像編碼方法中，對變換系數(shù)進行的Zigzag排序非常巧妙地解決了這一問題，但對有些圖像變換方法，這種技術(shù)并非最佳。第十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三在一般圖像中，對應(yīng)輪廓邊緣位置附近含有大量高頻信息，它們相對于原圖像是非常局部的，代表了圖像數(shù)據(jù)的精細結(jié)構(gòu)。按人眼的視覺特性，這些輪廓邊緣信息對于圖像的主觀質(zhì)量很重要，在編碼時應(yīng)給予特別考慮。然而由于傳統(tǒng)的正交變換的時頻局域性很差，變換后的系數(shù)失去了對原圖像精細結(jié)構(gòu)的描述，從變換圖像得不到圖像輪廓邊緣的局部信息，因此在量化編碼時無法采用特殊的方法。而且在傳統(tǒng)的變換圖像編碼方法中，大多是靠丟棄高頻系數(shù)來提高壓縮比的，從而導(dǎo)致圖像的輪廓邊緣模糊，嚴重影響復(fù)原圖像的主觀質(zhì)量，這是傳統(tǒng)變換編碼方法的缺點之一。第十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三傳統(tǒng)變換編碼方法的另一缺點是提高編碼壓縮比時會出現(xiàn)塊效應(yīng)。這是因為為降低變換算法的運算復(fù)雜度和提高編碼效率，傳統(tǒng)圖像變換方法均采用分塊變換技術(shù)。圖像塊大，相關(guān)性就高，壓縮比也就大。但是塊的尺寸太大又會丟失數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性，從而引入誤差，包括失去高頻細節(jié)、引入沿物體邊界的噪聲和可見的DCT圖塊邊界。第十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三傳統(tǒng)的變換圖像編碼方法的這些缺點使得它們不適合于需要較高壓縮比的應(yīng)用場合。究其根本原因，在于變換方法不具有良好時頻局域性和全局變換的特點。實現(xiàn)實用的變換編碼系統(tǒng)，主要分四個步驟。第一步是選擇變換類型，DCT變換是應(yīng)用最廣泛的一種類型。第二步是選擇方塊的大小，較好的方塊尺寸是8×8或16×16。第三步是選擇變換系數(shù)，并對其進行高效的量化，以便傳輸或存儲。第四步是對量化系數(shù)進行比特分配，通常使用霍夫曼編碼或游程編碼。第二十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三8.2現(xiàn)代信源編碼技術(shù)

20世紀80年代中后期，相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展和新興學(xué)科的不斷出現(xiàn)為信源編碼的發(fā)展注入了新的活力。人們對信源信息需求的劇增也有力地促進了信源壓縮編碼技術(shù)的進步。許多學(xué)者結(jié)合模式識別、計算機圖形學(xué)、計算機視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析和分形幾何等理論開始探索信源信號壓縮編碼的新途徑。第二十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三現(xiàn)代信源編碼方法是針對傳統(tǒng)編碼方法中沒有考慮人眼對輪廓、邊緣的特殊敏感性和方向感知特性而提出的。它認為傳統(tǒng)的編碼技術(shù)以信息論和數(shù)字信號處理技術(shù)為理論基礎(chǔ)，出發(fā)點是消除信源數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性等統(tǒng)計冗余信息，其編碼壓縮信源數(shù)據(jù)的能力已接近極限，壓縮比難以提高，例如對靜止圖像而言，這類方法的編碼壓縮比一般為10～20倍左右?，F(xiàn)代信源編碼方法不局限于香農(nóng)信息論的框架，要求充分利用人類視覺系統(tǒng)的生理和心理特性以及信源的各種性質(zhì)以期獲得高壓縮比。第二十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.2.1分形編碼自然界由許許多多形狀復(fù)雜的圖形而構(gòu)成，歸納起來它的形狀和各種圖形可分為兩類：一類是有特征長度的圖形，可用歐幾里德幾何學(xué)來描述和構(gòu)造，例如房屋、汽車、足球、人等等，它們都是由具有特征長度的圖形構(gòu)造的，像房屋的高、寬，汽車的長度，足球的直徑，人的身高等都是特征長度；另一類是沒有特征長度的圖形，例如海岸線、云彩、蛋糕的空穴等等，如果沒有人工參照物，很難測量其尺度。第二十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三如何構(gòu)造這些無規(guī)則的復(fù)雜現(xiàn)象和物體直到20世紀70年代才得以解決。1975年波蘭出生的美國數(shù)學(xué)家曼德爾布諾特(MandelbrotBB)首先研究了這種不規(guī)則形狀和過程的性質(zhì)，建立了自然界的分形幾何理論。分形就是那些沒有特征長度的圖形的總稱。曼德爾布諾特認為分形是幾何外形，它與歐幾里德幾何外形相反，是沒有規(guī)則的。首先它們處處無規(guī)則可言，其次它們在各種尺度上都有同樣的不規(guī)則性。第二十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三即分形幾何研究的對象是無規(guī)則的圖形，且這種無規(guī)則圖形從整體到局部變化，雖然均屬無規(guī)則性，但具有自相似性(Selfsimilarity)。換言之，無論幾何尺度怎樣變化，事物任何一小部分的形狀都與較大部分的形狀極其相似。這種尺度不變性(Scaleinvariance)在自然界中廣泛存在。分形中最顯著的特點是自相似性，如彎彎曲曲的海岸線，潔白無瑕的晶狀雪花，變換無窮的云彩，蕨類植物的葉子，排列成格狀的峰窩等，它們都是自相似性的典型例子。第二十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三分形圖之美麗，分形幾何學(xué)之奇妙就在于它的自相似性，而從編碼的角度，正是要恰當(dāng)?shù)?、最大限度地利用這種自相似性。分形方法可以用于壓縮編碼的原因之一就是分形的自相似性。根據(jù)分形理論，不少復(fù)雜的圖形，從信息論和計算觀點來看，其信息含量并不大，一般只需要不多的數(shù)據(jù)，利用迭代函數(shù)系統(tǒng)迭代這全反饋的動態(tài)過程，在計算機上利用簡單的算法和程序就可以產(chǎn)生相當(dāng)復(fù)雜的自然圖形。復(fù)雜的圖形寓于簡單算法之中，這是分形方法可以用于壓縮的另一個主要依據(jù)之一。第二十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三自然界許多事物的發(fā)展過程，如生長、凝聚、進化等形成多種多樣的分形結(jié)構(gòu)。例如人體的血液循環(huán)系統(tǒng)，從主動脈到毛細血管，直到血球細胞只能排單行滑行等分支都呈現(xiàn)一種分形結(jié)構(gòu)。又如樹木的枝葉也呈分形形態(tài)，用以獲取陽光、空氣，吸入二氧化碳排出氧氣和抵抗風(fēng)力。生物學(xué)家對植物種子基因研究發(fā)現(xiàn)，種子內(nèi)只有一定的信息為植物編碼，有限的基因產(chǎn)生了復(fù)雜的生物界，人類也是如此，所以植物等的復(fù)雜程度是有限的。它只不過是在生長過程中新陳代謝而形成的復(fù)雜分形形態(tài)。因此，分形意味著自然界許多復(fù)雜形態(tài)中潛藏著有組織的結(jié)構(gòu)。如果能找到這些有效的信息，就能簡單地表述自然界復(fù)雜的景象。這是能夠采用分形方法進行壓縮的又一個依據(jù)。第二十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.2.2模型編碼基于模型的信源編碼技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種很有前途的低比特率編碼方法。它利用了計算機視覺和計算機圖形學(xué)中的方法和理論。其基本出發(fā)點是在編、解碼兩端分別建立起相同的模型?；谀Ｐ偷木幋a器并不壓縮實際的量化數(shù)據(jù)，而是采用一個表示景物(一般是人、人臉等)的模型，傳送的信息是告訴接收方如何改變模型以匹配輸入景物(如眨眼、扭頭等)。基于模型的解碼器也有一個與對應(yīng)編碼器相同的模型，解碼器利用收到的數(shù)據(jù)調(diào)整其模型，然后生成供顯示的圖像。模型編碼根據(jù)輸入的圖像提取模型參數(shù)，并根據(jù)模型參數(shù)重建圖像。第二十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三顯然，模型編碼方法的核心是建模和提取模型參數(shù)，其中模型的選取、描述和建立是決定模型編碼質(zhì)量的關(guān)鍵因素。從信息抽取功能的角度看，已經(jīng)提出的模型包括：圖像模型——回答目標圖像如何被模型化才會有效的問題；視覺模型——描述重建圖像后，人類視覺系統(tǒng)感知誤差的形式和能力。這兩種模型中，前者是模型法主要研究的對象，后者則偏重于在編碼過程中引入人的視覺特性以便得到更好圖像質(zhì)量。從建立圖像模型的復(fù)雜度和靈活性等角度考慮，三維線框模型(即用很多三角曲面片來逼近目標圖像)是最好的，其他模型則因計算復(fù)雜和缺乏靈活性而很少使用。第二十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三為了對圖像數(shù)據(jù)建模，一般要求對輸入圖像要有某些先驗知識。目前研究最多、進展最快的是針對可視電話應(yīng)用中的圖像序列編碼，這類應(yīng)用中的圖像大多為人的頭肩像。實質(zhì)上此時的編碼器是一個特征檢測器，譯碼器是一個三維顯示程序?；谀Ｐ偷膱D像編碼方法利用先驗?zāi)Ｐ蛠沓槿D像中的主要信息，并以模型參數(shù)的形式表示它們，因此可以獲得很高的壓縮比。在模型編碼(ModelbasedCoding)方法的研究中還存在很多問題，例如：第三十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(1)模型法需要先驗知識，不適合于一般的應(yīng)用；

(2)對不同應(yīng)用所建模型是不一樣的；

(3)在線框模型中，控制點的個數(shù)不易確定，還未找到有效的方法能根據(jù)圖像內(nèi)容來選??；

(4)即使對頭肩模型，也存在很多問題，例如由特定人模型推廣到非特定人、模型參數(shù)的快速抽取、表情運動參數(shù)的計算等都沒有很令人滿意的解決方法，大部分系統(tǒng)還依賴于FACS(FacialActionCodingSystem)中對表情塊AU(ActionUnit)的描述，需要專用交互式系統(tǒng)，運算的復(fù)雜度極高；第三十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(5)由于復(fù)原圖像是用圖形學(xué)的方法產(chǎn)生的，看起來不夠自然，盡管有紋理映射的方法，但結(jié)果仍有待進一步改進；

(6)傳統(tǒng)的誤差評估準則不適合于對模型編碼的評價。除此之外，如何利用人的視覺特性也是這種編碼方法中一個沒有解決的問題。模型圖像編碼方法的上述缺陷使得它的應(yīng)用范圍受很大限制，而且走向?qū)嵱眠€需要一段時間。第三十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.2.3小波編碼小波變換的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的過程。1910年Haar提出了小波規(guī)范正交基，這是最早的小波基，當(dāng)時并沒有出現(xiàn)“小波”這個詞。1936年Littlewood和Paley對Fourier級數(shù)建立了二進制頻率分量分組理論：對頻率按2j進行劃分，其Fourier變換的相位變化并不影響函數(shù)的大小，這是多尺度分析思想的最早來源。1946年Gabor提出的加窗Fourier變換(或稱為短時Fourier變換)對彌補Fourier變換的不足起到了一定的作用，但并沒有徹底解決這個問題。后來，Calderon、Zygmund、Stern和Weiss等人將L[CD*2]P理論推廣到高維，并建立了奇異積分算子理論。1965年，Calderon給出了再生公式。第三十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

1989年，S.G.Mallat首先將小波變換用于多分辨率圖像的描述。這個多分辨率的圖像描述叫做圖像的小波分解。小波的圖像分解方案實際上屬于子帶分解的一個特例，小波變換特別要求濾波器的正則性。小波分解是完備的、正交的，且是多分辨率的分解。在空間域里，小波分解將信號分解為不同層次，每一層次的分辨率不同。由于小波分解方法本身的正交性，分解后不同層次數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性完全由數(shù)據(jù)本身的相關(guān)性所決定。由此排除了由于分解方法內(nèi)在的相關(guān)性而造成數(shù)據(jù)之間呈現(xiàn)相關(guān)性的混淆。第三十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三小波變換在空間域中進行多層次分解運算的同時形成了頻率域中的多層次分解。在頻率域中的每個層次上，高頻分量與低頻分量的分布與原數(shù)據(jù)中頻率分布的方向有關(guān)。第三十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三8.3密碼學(xué)研究現(xiàn)狀及趨勢密碼理論與技術(shù)分成兩大類，一類是基于數(shù)學(xué)的密碼理論與技術(shù)，包括公鑰密碼、分組密碼、序列密碼、認證碼、數(shù)字簽名、Hash函數(shù)、身份識別、密鑰管理、PKI技術(shù)、VPN技術(shù)等；另一類是非數(shù)學(xué)的密碼理論與技術(shù)，包括信息隱藏、量子密碼、基于生物特征的識別理論與技術(shù)等。下面介紹馮登國給出的關(guān)于這些理論及技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。第三十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.3.1公鑰密碼自從1976年公鑰密碼的思想提出以來，國際上已經(jīng)提出了許多種公鑰密碼體制，如基于大整數(shù)因子分解問題的RSA體制和Rabin體制、基于有限域上的離散對數(shù)問題的DiffieHellman公鑰體制和ElGamal體制、基于橢圓曲線上的離散對數(shù)問題的DiffieHellman公鑰體制和ElGamal體制、基于背包問題的MerkleHellman體制和ChorRivest體制、基于代數(shù)編碼理論的MeEliece體制、基于有限自動機理論的公鑰體制等等。第三十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三用抽象的觀點來看，公鑰密碼體制就是一種陷門單向函數(shù)。一個函數(shù)f是單向函數(shù)，若對它的定義域中的任意x都易于計算f(x)，而對f值域中的幾乎所有的y，即使f已知,求f-1(y)在計算上也是不可行的。若給定某些輔助信息(陷門信息)時易于計算f-1(y)，就稱單向函數(shù)f是一個陷門單向函數(shù)。公鑰密碼體制就是基于這一原理而設(shè)計的，將輔助信息(陷門信息)作為秘密密鑰。這類密碼的安全強度取決于它所依據(jù)的問題的計算復(fù)雜性。

第三十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三比較流行的公鑰密碼體制主要有兩類：一類是基于大整數(shù)因子分解問題的，其中最典型的代表是RSA體制。另一類是基于離散對數(shù)問題的，如ElGamal公鑰密碼體制和影響比較大的橢圓曲線公鑰密碼體制。由于分解大整數(shù)的能力日益增強，因此為保證RSA體制的安全性總要增加模長。目前768bit模長的RSA體制已不安全。一般建議使用1024bit模長，預(yù)計要保證20年的安全性就要選擇2048bit的模長。增大模長帶來了實現(xiàn)上的難度。而基于離散對數(shù)問題的公鑰密碼在目前技術(shù)下512bit模長就能夠保證其安全性。第三十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三特別是橢圓曲線上的離散對數(shù)的計算要比有限域上的離散對數(shù)的計算更困難，目前技術(shù)下只需要160bit模長即可保證其安全性，適合于智能卡的實現(xiàn)，因而受到國際上的廣泛關(guān)注。國際上制定了橢圓曲線公鑰密碼標準IEEEP1363。第四十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三公鑰密碼的重點研究方向如下：

(1)用于設(shè)計公鑰密碼的新的數(shù)學(xué)模型和陷門單向函數(shù)的研究;(2)針對實際應(yīng)用環(huán)境的公鑰密碼的設(shè)計;(3)公鑰密碼的快速實現(xiàn)研究，包括算法優(yōu)化和程序優(yōu)化、軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)；

(4)公鑰密碼的安全性評估問題，特別是橢圓曲線公鑰密碼的安全性評估問題。

第四十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.3.2分組密碼美國早在1977年就制定了自己的數(shù)據(jù)加密標準DES。隨著DES的出現(xiàn)，人們對分組密碼展開了深入的研究和討論。現(xiàn)已有大量的分組密碼，如DES的各種變形、IDEA算法、SAFER系列算法、RC系列算法、Skipjack算法、Rijndael算法、FEAL系列算法、REDOC系列算法、LOKI系列算法，CAST系列算法、Khufu、Khafre、MMB、3-WAY、TEA、MacGuffin、SHARK、BEAR、LION、CA.1.1、CRAB、Blowfish、GOST、SQUARE、MISTY等等。第四十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三AES活動使得國際上又掀起了一次研究分組密碼的新高潮。繼美國征集AES活動之后，歐洲(稱之為Nessie計劃)和日本也不甘落后，啟動了相關(guān)標準的征集和制定，這些計劃看起來比美國的計劃更宏偉。同時美國等一些國家為適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需求也加快了其他密碼標準的更新，比如SHA-1和FIPSl40-1。我國在國家“863”計劃中也將制定密碼的標準化問題列入了議程。第四十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三分組密碼的重點研究方向如下：(1)新型分組密碼的研究；(2)分組密碼安全性綜合評估原理與準則的研究；(3)分組密碼的實現(xiàn)研究，包括軟件優(yōu)化、硬件實現(xiàn)和專用芯片等；(4)用于設(shè)計分組密碼的各種組件的研究；(5)AES的分析及其應(yīng)用研究。第四十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.3.3序列密碼序列密碼雖然主要用于政府、軍方等國家要害部門，而且用于這些部門的理論和技術(shù)都是保密的，但由于一些數(shù)學(xué)工具(比如代數(shù)、數(shù)論、概率等)可用于研究序列密碼，其理論和技術(shù)相對而言比較成熟。從20世紀80年代中期到90年代初，序列密碼的研究非常熱，特別是在序列密碼的設(shè)計方法、序列密碼的安全性度量指標、序列密碼的分析方法、用于設(shè)計序列密碼的各種組件(如密碼布爾函數(shù)的構(gòu)造與分析、非線性資源的生成和分析)等方面取得了一大批有理論和應(yīng)用價值的成果。第四十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三在序列密碼的設(shè)計方法方面，人們將設(shè)計序列密碼的方法歸納為四種，系統(tǒng)論方法、復(fù)雜性理論方法、信息論方法和隨機化方法；將同步流密碼的密鑰流生成器分解成驅(qū)動部分和非線性組合部分，這樣做不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且便于從理論上分析這類生成器；提出了非線性組合生成器、非線性濾波生成器和鐘控生成器等多種具體設(shè)計方法。第四十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三在序列密碼的安全性度量指標方面，人們提出了線性復(fù)雜度輪廓、躍復(fù)雜度、K-錯誤復(fù)雜度(球復(fù)雜度)、球周期、非線性復(fù)雜度等多種度量序列隨機性和穩(wěn)定性的指標，并對指標進行了深入研究。在序列密碼的分析方法方面，提出了分別征服攻擊方法、線性攻擊方法、線性伴隨式攻擊方法、線性一致性攻擊方法、快速相關(guān)攻擊方法、線性時序邏輯逼近方法、熵漏分析方法等多種有效的分析方法。第四十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三在密碼布爾函數(shù)的構(gòu)造與分析方面，提出了構(gòu)造布爾函數(shù)的多種設(shè)計準則，如相關(guān)免疫性、線性結(jié)構(gòu)、嚴格雪崩特性、擴散特性、平衡性、非線性性、差分均勻性等，構(gòu)造了一大批滿足上述若干準則的布爾函數(shù)，同時，對這些準則之間的關(guān)系也進行了深入研究。在非線性資源的生成和分析方面，對環(huán)上序列的生成和結(jié)構(gòu)進行了深入研究和刻畫，誘導(dǎo)出的二元序列具有良好的密碼學(xué)特性。在研究方法方面，將譜技術(shù)、概率統(tǒng)計方法、糾錯編碼技術(shù)、有限域理論等有效地用于序列密碼的研究。第四十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三近年來，序列密碼的研究雖然不像原來那么熱，但有很多有價值的公開問題需要進一步研究，比如自同步流密碼的研究、有記憶前饋網(wǎng)絡(luò)密碼系統(tǒng)的研究、多輸出密碼函數(shù)的研究、混沌序列密碼和新研究方法的探索等。另外，雖然沒有制定序列密碼標準，但在一些系統(tǒng)中廣泛使用了序列密碼，例如RC4，用于存儲加密。事實上，歐洲的Nessie計劃中已經(jīng)包括了序列密碼標準的制定。第四十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.3.4Hash函數(shù)

Hash函數(shù)(也稱雜湊函數(shù)或雜湊算法)就是把任意長的輸入消息串變化成固定長的輸出串的一種函數(shù)。這個輸出串稱為該消息的雜湊值。一個安全的雜湊函數(shù)應(yīng)該至少滿足以下幾個條件：

(1)輸入長度是任意的；

(2)輸出長度是固定的，根據(jù)目前的計算技術(shù)應(yīng)至少取128比特長，以便抵抗生日攻擊；

(3)對每一個給定的輸入，計算輸出即雜湊值是很容易的;第五十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(4)給定雜湊函數(shù)的描述，找到兩個不同的輸入消息雜湊到同一個值是計算上不可行的，或給定雜湊函數(shù)的描述和一個隨機選擇的消息，找到另一個與該消息不同的消息使得它們雜湊到同一個值是計算上不可行的。攻擊雜湊函數(shù)的典型方法是生日攻擊方法。理論上，安全的雜湊函數(shù)的存在性依賴于單向函數(shù)的存在性，已形成一套理論。第五十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

Hash函數(shù)主要用于完整性校驗和提高數(shù)字簽名的有效性，現(xiàn)已有很多方案。這些算法都是偽隨機函數(shù)，任何雜湊值都是等可能的。輸出并不以可辨別的方式依賴于輸入。在任何輸入串中單個比特的變化，將會導(dǎo)致輸出比特串中大約一半的比特發(fā)生變化。設(shè)計雜湊函數(shù)的基本方法有：第五十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(1)利用某些數(shù)學(xué)難題比如因子分解問題、離散對數(shù)問題等設(shè)計雜湊函數(shù)。已設(shè)計出的算法有DaviesPrice平方雜湊算法、CCITT建議、Jueneman雜湊算法、Damgard平方雜湊算法、Damgard背包雜湊算法和Schnorr的FFT雜湊算法等。

(2)利用某些私鑰密碼體制比如DES等設(shè)計雜湊函數(shù)。這種雜湊函數(shù)的安全性與所使用的基礎(chǔ)密碼算法有關(guān)。這類雜湊算法有Rabin雜湊算法、Winternitz雜湊算法、QuisquaterGirault雜湊算法、Merkle雜湊算法和NHash算法等。第五十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(3)直接設(shè)計雜湊函數(shù)。這類算法不基于任何假設(shè)和密碼體制。這種方法受到人們的廣泛關(guān)注和青睞，是當(dāng)今比較流行的一種設(shè)計方法。美國的安全雜湊算法(SHA)就是這類算法，此類算法還有MD4、MD5、MD2、RIPEMD、HAVAL等。第五十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三美國國家標準技術(shù)研究所與美國國家安全局共同設(shè)計了一個與美國數(shù)字簽名算法(DSA)一起使用的安全雜湊算法(SHA)，標準是安全雜湊標準(SHS)，SHA是用于該標準的算法。SHA于1992年1月31日在聯(lián)邦記錄中公布，1993年5月11日起被采納為標準。1994年7月11日做了一次修改，1995年4月17日正式公布。SHA的設(shè)計原則與MD4算法的設(shè)計原則極其相似，它很像是MD4算法的一種變形，但SHA的設(shè)計者沒有公開SHA的詳細設(shè)計準則。SHA的輸入的長度限制在264比特之內(nèi)，輸出長度為160比特。由于技術(shù)的原因，美國目前正準備更新其Hash標準，加之歐洲也要制定Hash標準，這必然導(dǎo)致Hash函數(shù)的研究特別是實用技術(shù)的研究成為熱點。第五十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.3.5密鑰管理在密鑰管理方面，國際上都有一些大的舉動，也制定了一些標準。比如1993年美國提出的密鑰托管理論和技術(shù)、國際標準組織制定的X.509標準(已經(jīng)發(fā)展到第4版本)以及麻省理工學(xué)院開發(fā)的Kerboros協(xié)議(已經(jīng)發(fā)展到第5版本)等。密鑰管理中還有一種很重要的技術(shù)就是秘密共享技術(shù)，它是一種分割秘密的技術(shù)，目的是阻止秘密過于集中，自從1979年Shamir提出這種思想以來，秘密共享理論和技術(shù)達到了空前的發(fā)展和應(yīng)用，特別是其應(yīng)用至今人們?nèi)允株P(guān)注。第五十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三密鑰分配是密鑰管理中的一個關(guān)鍵因素，目前已有很多密鑰分配協(xié)議，但其安全性分析是一個很重要的問題。除了經(jīng)驗分析之外，最重要的分析方法是形式化分析方法，它的研究始于20世紀80年代初，目前正處于百花齊放、充滿活力的狀態(tài)之中。許多一流大學(xué)和公司的介入，使這一領(lǐng)域成為研究熱點。隨著各種有效方法及思想的不斷涌現(xiàn)，這一領(lǐng)域在理論上正在走向成熟。目前，在密鑰管理方面討論最多最熱的是密鑰管理基礎(chǔ)設(shè)施(KMl)。第五十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.3.6PKI和VPN

公開密鑰基礎(chǔ)設(shè)施PKI(PublicKeyInfrastructure)技術(shù)和虛擬專用網(wǎng)VPN(VirtualPrivateNetwork)技術(shù)是目前最為人們關(guān)注的兩種基于密碼的技術(shù)。所謂PKI就是一個用公鑰概念和技術(shù)實施和提供安全服務(wù)的具有普適性的安全基礎(chǔ)設(shè)施，但PKI的定義在不斷地延伸和擴展。PKI涉及到多個實體之間的協(xié)作過程，如注冊機構(gòu)(RA)、證書庫、密鑰恢復(fù)服務(wù)器和終端用戶。國外的PKI應(yīng)用已經(jīng)開始，開發(fā)PKI的廠商也很多。第五十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三許多廠家，如Baltimor、Entrust等推出了可以應(yīng)用的PKI產(chǎn)品，有些公司如VerySign等已經(jīng)開始提供PKI服務(wù)。許多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已經(jīng)在使用PKI技術(shù)以保證網(wǎng)絡(luò)的認證、不可否認、加解密和密鑰管理等。盡管如此，總的說來PKI技術(shù)仍在發(fā)展中。第五十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

VPN是利用接入服務(wù)器、廣域網(wǎng)上的路由器或VPN專用設(shè)備在公用的WAN上實現(xiàn)虛擬專用網(wǎng)的技術(shù)。也就是說，用戶覺察不到他在利用公用WAN獲得專用網(wǎng)的服務(wù)這里所說的公用網(wǎng)包括Internet、電信部門提供的公用電話網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)及ATM網(wǎng)絡(luò)等。如果強調(diào)其安全性，可以認為VPN是綜合利用了認證和加密技術(shù)，在公共網(wǎng)絡(luò)上搭建只屬于自己的虛擬專用安全傳輸網(wǎng)絡(luò)，為關(guān)鍵應(yīng)用的通信提供認證和數(shù)據(jù)加密等安全服務(wù)。如果將VPN的概念推廣一步，可以認為凡是在公共網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了安全通信的協(xié)議都可以稱之為VPN協(xié)議。到目前為止，VPN已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的多個層次上實現(xiàn)，從數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層一直到應(yīng)用層。第六十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.3.7量子密碼美國科學(xué)家威斯納首先將量子物理用于密碼學(xué)的研究之中。他于1970年提出可利用單量子態(tài)制造不可偽造的“電子鈔票”。但這個設(shè)想的實現(xiàn)需要長時間保存單量子態(tài)，不太現(xiàn)實。貝內(nèi)特和布拉薩德在研究中發(fā)現(xiàn)，單量子態(tài)雖然不好保存但可用于傳輸信息。1984年，貝內(nèi)特和布拉薩德提出了第一個量子密碼方案，稱為BB84方案。1992年，貝內(nèi)特又提出一種更簡單但效率減半的方案，即B92方案。第六十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三8.4多媒體信息偽裝隨著信息安全重要性的不斷升級，信息安全領(lǐng)域內(nèi)“攻”與“守”之間的對抗也越來越激烈。新思想不斷涌現(xiàn)，新方法不斷誕生。信息偽裝就是最近“熱起來”的一種信息安全新手段。

第六十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三加密是保證“黑客”無法讀取機要信息的最重要手段，但是，加密卻有助于“黑客”阻止合法接收者讀取機要信息，因為，“黑客”可以穩(wěn)、準、狠地破壞被加密的機要信息。信息偽裝可以在很大程度上彌補加密的這種缺點。實際上，機要信息經(jīng)過巧妙的偽裝之后，可以麻痹“黑客”，使“黑客”感覺不到機要信息的存在，當(dāng)然“黑客”就無法讀取或破壞這些機要信息了，從而達到保護信息安全的目的。第六十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三信息偽裝是一門既古老又年輕的學(xué)科。說它古老，是因為早在遠古時代就有人將機要信息寫在信使的光頭上，然后等頭發(fā)長出來掩蔽這些機要信息的存在，最后信使到達接收者處后將頭發(fā)再次剃光就得到了機要信息。至于古今中外的間諜們所使用的包括不可見墨水、縮微術(shù)、暗語等等間諜技術(shù)更是典型的信息偽裝手段。隨著數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，形形色色的數(shù)字化偽裝手段和技術(shù)變得越來越成熟，有些已經(jīng)進入實用階段。第六十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.4.1信息隱藏信息隱藏是把機密信息隱藏在大量信息中不讓對手發(fā)覺的一種方法。信息隱藏是信息偽裝的主體，以至于人們經(jīng)常將信息隱藏與信息偽裝視為同一回事。形象地說，信息隱藏實際上就是將機密信息隱藏在普通的信息之中而不露破綻。根據(jù)隱藏信息的載體不同，可以分為在圖像、視頻、聲音、文本等中的信息隱藏，所隱藏的信息也可以是以上各種形式，只是在隱藏時都將它們視為比特流來處理。第六十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三信息隱藏的基本原理是利用了人類感官系統(tǒng)對某些細節(jié)的不敏感性，對載體做某些微小變動，而不引起觀察者的懷疑。而不同的載體又有不同的特點，如圖像和視頻信息隱藏利用了人的視覺特性，而對靜止圖像和視頻，視覺的不敏感性又有所不同。聲音信號的隱藏利用了人耳的聽覺特性。因此，在不同載體中的信息隱藏有其不同的特點。第六十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三信息隱藏的主要方法包括在時間域、空間域、變換域的隱藏，另外還有基于文件格式和載體生成技術(shù)的隱藏。目前研究得最多和最深入的是在靜止圖像中的隱藏，一方面是由于圖像具有較大的冗余空間來隱藏信息，另一方面圖像處理工具較多且隱藏效果很直觀。第六十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三在圖像中信息隱藏的方法主要有：位平面替換、基于調(diào)色板的隱藏、DCT域隱藏、小波域隱藏、圖像變形技術(shù)等，另外還有基于視覺掩蔽效應(yīng)的隱藏。以位平面為代表的空間域信息隱藏技術(shù)具有容量大、處理簡單的優(yōu)點，但隱藏信息抵抗各種處理(如濾波、壓縮等)的能力比較弱。而以DCT域隱藏為代表的基于變換域隱藏的特點是，隱藏信息的安全性比較強，能夠抵抗各種壓縮處理，但隱藏的數(shù)據(jù)容量有限。第六十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三視頻信號可以看成是由一幀幀靜止圖像組成的視頻流。這樣的原始視頻流的數(shù)據(jù)量很大，因此一般都是以視頻壓縮的方式來保存。視頻的信息隱藏一般分為三種。第一種是在原始視頻流中隱藏信息，可以直接使用靜止圖像的隱藏算法，但是處理的數(shù)據(jù)量很大，并且抵抗壓縮的能力較弱。第二種是在MPEG2視頻壓縮算法中嵌入隱藏算法，在壓縮的同時進行信息隱藏。第三種是在壓縮后的視頻信號中進行隱藏，這類算法對視頻質(zhì)量影響不大，穩(wěn)健性好，但是可以隱藏的數(shù)據(jù)量不大。第六十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三聲音信號中的信息隱藏又不同于圖像和視頻。聲音信號的特點是，采樣的低電平對聽覺影響較大，并且采樣點間具有相關(guān)性，并且還可以利用人耳對某些聲音頻段的不敏感性以及對相位的不敏感性來進行信息的隱藏。在聲音中的信息隱藏算法主要包括在時域、頻域和壓縮域中的信息隱藏。具體來講有在時域中的回聲隱藏,在DFT中的相位隱藏,在DWT中的頻域隱藏,還有利用聽覺掩蔽效應(yīng)的弱音隱藏等算法。第七十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三在聲音中隱藏信息的難點在于，一方面人的聽覺比視覺更敏感，因此對隱藏算法的健壯性要求更高;另一方面，對聲音信號的評價還沒有一個比較有效的標準。一般常用的是主觀評價，但是主觀評價受到的限制較多，如不同專業(yè)水平的人有不同的評價結(jié)果，需要做大量的評價實驗。而一些信噪比衡量標準同主觀感覺之間存在較大的差異。因此還沒有一個比較簡單有效的評價準則，這方面的研究還有待進一步深入。第七十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三隱寫術(shù)就是將秘密信息隱藏到看上去普通的信息(如數(shù)字圖像)中進行傳送。目前，隱寫術(shù)主要分以下幾種：利用高空間頻率的圖像數(shù)據(jù)隱藏信息,采用最低有效位將信息隱藏到宿主信號中,使用信號的色度隱藏信息,在數(shù)字圖像的像素亮度的統(tǒng)計模型上隱藏信息以及Patchwork方法等等。第七十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三可視密碼技術(shù)是Naor和Shamir于1994年首次提出的，其主要特點是恢復(fù)秘密圖像時不需要任何復(fù)雜的密碼學(xué)計算，利用人的視覺即可將秘密圖像辨別出來。其做法是產(chǎn)生n張不具有任何意義的膠片，任取其中t張膠片疊合在一起即可還原出隱藏在其中的秘密信息。其后，人們又對該方案進行了改進和發(fā)展。主要的改進辦法有：使產(chǎn)生的n張膠片都具有一定的意義。這樣做更具有迷惑性，改進了相關(guān)集合的構(gòu)造方法；將針對黑白圖像的可視秘密共享擴展到基于灰度和彩色圖像的可視秘密共享。第七十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.4.2數(shù)字水印數(shù)字水印是信息偽裝最重要的一個分支，也是國際學(xué)術(shù)界研究的一個前沿?zé)衢T方向。數(shù)字水印是永久鑲嵌在宿主數(shù)據(jù)中具有可鑒別性的數(shù)字信息，并且它不影響宿主數(shù)據(jù)的可用性。數(shù)字水印為計算機網(wǎng)絡(luò)上的多媒體產(chǎn)品的版權(quán)保護等問題提供了一個潛在的有效解決方法。數(shù)字水印是向多媒體數(shù)據(jù)(如圖像、聲音、視頻信號等)中添加某些數(shù)字信息以達到版權(quán)保護等作用。如果沒有穩(wěn)健性的要求，水印與信息隱藏技術(shù)的處理在本質(zhì)上是完全一致的。第七十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三在絕大多數(shù)情況下，希望添加的信息是不可感知的，但在某些使用可見數(shù)字水印的場合，要求版權(quán)保護標志是可見的，并希望攻擊者在不破壞數(shù)據(jù)本身質(zhì)量的前提下無法去掉水印。

不同的應(yīng)用,對數(shù)字水印的要求不盡相同，一般認為數(shù)字水印應(yīng)具有如下特點：

(1)安全性：數(shù)字水印中的信息應(yīng)是安全的，難以竄改或偽造的。

(2)可證明性：水印應(yīng)能為數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)提供完全和可靠的證據(jù)。第七十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(3)不可感知性：不可感知性包含兩方面的意思。一方面是指視覺上的不可見性，即因嵌入水印導(dǎo)致圖像的變化對觀察者的視覺系統(tǒng)來講應(yīng)該是不可察覺的；另一方面水印用統(tǒng)計方法也是不能恢復(fù)的。

(4)穩(wěn)健性：數(shù)字水印必須難以或不可能被清除。特別地，一個實用的水印算法應(yīng)該對信號處理，通常的幾何變形以及惡意攻擊具有穩(wěn)健性。第七十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字水印算法通常包含水印的嵌入和水印的提取或檢測兩個基本方面。水印可由多種模型構(gòu)成，如隨機數(shù)字序列、數(shù)字標識、文本以及圖像等。從穩(wěn)健性和安全性考慮，常常需要對水印進行隨機化處理和加密處理。

根據(jù)數(shù)字水印的加載方法的不同，水印可分為空間域水印和變換域水印兩大類。空間域水印包括最低有效位法、Patchwork法和紋理映射法、文檔結(jié)構(gòu)微調(diào)法等；變換域水印一般采用DCT變換、小波變換、DFT變換等。與空間域方法相比，變換域的方法具有三個優(yōu)點：第七十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(1)在變換域中嵌入的水印信號能量可以散布到空間域的所有像素上，有利于保證水印的不可見性；

(2)在變換域，人類視覺系統(tǒng)的某些特性(如頻率掩蔽效應(yīng))可以更方便地結(jié)合到水印編碼過程中；

(3)變換域的方法可與國際數(shù)據(jù)壓縮標準兼容，從而實現(xiàn)在壓縮域內(nèi)的水印算法，同時，也能抵抗相應(yīng)的有損壓縮。第七十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三水印從外觀上可分為可見水印和不可見水印?？梢娝∽畛Ｒ姷睦邮怯芯€電視頻道上所特有的半透明標識，其主要目的在于明確標識版權(quán)，防止非法使用。不可見水印往往用在商業(yè)用的高質(zhì)量圖像上，而且往往配合數(shù)據(jù)解密技術(shù)一同使用。不可見水印根據(jù)穩(wěn)健性可再細分為穩(wěn)健的不可見水印和脆弱的不可見水印。穩(wěn)健的不可見水印是嵌入載體中的數(shù)字信息，它必須能經(jīng)受各種信號處理的操作。脆弱的不可見水印的特點是數(shù)字圖像經(jīng)處理后，所加載的水印就會被改變或毀掉。脆弱的不可見水印往往用于證明圖像的真實性，檢測或確定圖像內(nèi)容的微小篡改。第七十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.4.3數(shù)字指紋數(shù)字指紋是在數(shù)字產(chǎn)品的每一份拷貝中加入一個惟一的標志，通過這樣的標志，可以區(qū)分一個數(shù)字產(chǎn)品所售出的每一份拷貝。它與數(shù)字水印的區(qū)別在于，數(shù)字水印是在數(shù)字產(chǎn)品中加入標識，表示數(shù)字產(chǎn)品的所有者，當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛時可以據(jù)此確定數(shù)字產(chǎn)品的原始作者，而數(shù)字指紋則側(cè)重于對所售出的每一份拷貝的跟蹤。如果發(fā)現(xiàn)非法復(fù)制的產(chǎn)品，可以根據(jù)其中的數(shù)字指紋指認是由哪一個用戶進行的非法復(fù)制。利用數(shù)字指紋技術(shù)可以有效防止合法用戶對數(shù)字產(chǎn)品進行非法傳播而非法牟利。數(shù)字指紋的應(yīng)用范圍包括數(shù)字圖像、影視、音樂、程序以及文本等。第八十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字指紋的研究主要集中在數(shù)字圖像中，利用這個技術(shù)，可以查出非法盜版的圖像產(chǎn)品以及制造非法盜版的源頭。在實際應(yīng)用中，非法盜版者可能串通起來試圖合謀擦除每個拷貝中的數(shù)字指紋，如兩個用戶串通起來，對他們所購買的數(shù)字圖像產(chǎn)品進行對比，找到圖像中數(shù)字指紋隱藏的位置，然后擦除它們，這樣就可能制造出不包含數(shù)字指紋的圖像，因此達到了盜版的目的。針對這樣的問題，有人已經(jīng)提出了一種新的算法，它可以防止用戶串通的非法復(fù)制，并且可以跟蹤到是哪兩個或多個用戶合謀進行的非法復(fù)制。有關(guān)內(nèi)容詳見有關(guān)文獻。第八十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.4.4疊像術(shù)疊像術(shù)是由可視化密碼技術(shù)發(fā)展而來的一種新的信息偽裝技術(shù)。疊像術(shù)的思想是把要隱藏的機密信息通過算法隱藏到兩個或多個子密鑰圖片中。這些圖片可以存在磁盤上，或印刷到透明膠片上。在每一張圖片上都有隨機分布的黑點和白點。由于黑、白點的隨機分布，持有單張圖片的人不論用什么方法，都無法分析出任何有用的信息。而若把所有的圖片疊加在一起，則能恢復(fù)出原有的機密信息。由于該方法簡單有效，其恢復(fù)只要通過人的視覺系統(tǒng)就可識別，而無須大量的計算和密碼學(xué)知識，所以其應(yīng)用更為廣泛。第八十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三通過該技術(shù)產(chǎn)生的每一張圖像也可以不是隨機噪聲圖像，而是常人能看懂的圖像，圖像上有不同的文字或圖畫，與一般資料無異，只要將一定數(shù)量的圖像疊加在一起，則原來每一張圖像上的內(nèi)容都將消失，而被隱藏的秘密內(nèi)容將出現(xiàn)。至于單個圖像無論是失竊還是被泄露，都不會給信息的安全帶來災(zāi)難性的破壞。由于每一張圖像的“可讀性”，使其達到了更好的偽裝效果，可以十分容易地逃過攔截者、攻擊者的破解，而且，在一定的條件下，從理論上可以證明該技術(shù)是不可破譯的，能夠達到最優(yōu)安全性。第八十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三與以往的密碼技術(shù)、密鑰分享技術(shù)相比較，疊像技術(shù)有四個突出的特點：

(1)隱蔽性：這是數(shù)據(jù)偽裝的基本要求，隱藏的秘密不能被常人看見；

(2)安全性：無論用任何方法任何手段對單張圖像進行分析，都不能得到任何有用的信息。從數(shù)學(xué)上也可以證明，疊像技術(shù)能達到最優(yōu)安全性，因而是不可破譯的；第八十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(3)秘密恢復(fù)的簡單性：不同于其他任何一種信息偽裝技術(shù)，疊像技術(shù)在恢復(fù)秘密時無須任何計算，只要將圖像簡單的疊加即能恢復(fù)秘密；

(4)通用性：使用者無需密碼學(xué)的知識，任何人都可以使用該技術(shù)，這也是與其他技術(shù)不同的一個重要方面。第八十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

8.4.5潛信道潛信道又名隱信道，顧名思義，就是指普通人感覺不到此種信道的存在，從而“黑客”可以利用這些感覺不到而又真實存在的信道來傳送(或存儲)機密信息。潛信道的種類很多，有些潛信道是設(shè)計者有意打下的埋伏，有些潛信道則是無意之中構(gòu)建的。目前，潛信道研究的系統(tǒng)理論還未形成，下面僅介紹一些常見的潛信道例子。第八十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(1)在計算機時代，幾乎任何消息都可以作為秘密通信的載體，如在普通電話交談中，機密信息可以隱藏在話音中進行傳遞；視頻會議系統(tǒng)中，將消息隱藏在基于DCT壓縮的視頻流中；在可執(zhí)行文件中加入一段特定代碼，不影響原來軟件的執(zhí)行，而這段特定代碼代表了某些機密信息。第八十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(2)在操作系統(tǒng)中也存在隱蔽信道，如惡意程序可以利用隱蔽信道將敏感信息從高安全級的系統(tǒng)區(qū)域傳遞到低安全級的系統(tǒng)區(qū)域。另外，在OSI網(wǎng)絡(luò)模型中，存在許多可能用來傳輸秘密信息的隱蔽信道，如數(shù)據(jù)鏈路層中數(shù)據(jù)幀的未使用部分，IP包的時間戳部分等都可以被巧妙地用來傳遞信息。第八十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(3)在以ElGamal數(shù)字簽名方案和DSS數(shù)字簽名方案等為代表的絕大多數(shù)數(shù)字簽名方案中也都存在著潛信道。數(shù)字簽名方案中的潛信道是由Simmons首先在1985年發(fā)現(xiàn)的，他還基于這種潛信道證明了當(dāng)時美國用于“第二階段限制戰(zhàn)略武器會談條約”核查系統(tǒng)中的安全協(xié)議的基本缺陷。利用數(shù)字簽名方案中的潛信道，收、發(fā)雙方可以避開監(jiān)視者而進行隱蔽通信，實際上只需按以下協(xié)議就可以達到目的：發(fā)方生成一個無意義的消息M；發(fā)方利用與收方共享的密鑰對M進行簽名，同時將潛信息嵌入簽名之中；監(jiān)視者雖然可以獲得簽名消息，但是他無法發(fā)現(xiàn)可疑之處；收方驗證發(fā)方的簽名；收方用與發(fā)方共享的密鑰從接收的無意義消息中提取出潛信息。第八十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三

(4)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)中的疏忽也可以用來建立潛信道。例如，濫用文件名就可以建立潛信道。假如允許高級用戶與低級用戶都可列出在給定時間系統(tǒng)中所有正在工作用戶的名字，則高級用戶就可用用戶名進行編碼建立一個潛信道來遞送潛信息，而低級用戶可根據(jù)用戶名登錄表譯出潛信息。

(5)接入控制機制中的漏洞、收發(fā)雙方存在的共享資源、特洛伊木馬等都可以用來構(gòu)造各種各樣的潛信道。第九十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三8.5人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetworks，簡寫為ANN)進行壓縮編碼便是當(dāng)今和未來若干年內(nèi)一項十分新穎且處于探索研究階段的技術(shù)。至今正在使用的計算機均屬馮·諾伊曼型計算機，它具有強大的運算能力，但其形象思維能力與人腦相差甚遠，即使一臺巨型并行計算機也無法與一個三歲兒童的思維、語言、識別、聽覺能力相比較。一代一代的科學(xué)家在不斷地探索人腦功能和智慧的奧秘所在。第九十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期三從人腦的結(jié)構(gòu)來看，它是由大量的神經(jīng)細胞組合而成的，這些細胞相互連接著，每個細胞有其基本功能，如興奮與抑制。從整體上看，它們相互整合完成一種復(fù)雜的、并行的、關(guān)聯(lián)的思維活動。研究表明，雖然人的神經(jīng)系統(tǒng)的處理速度僅在毫秒級，但由于神經(jīng)元(Neurons)的巨量并行性，因此，表現(xiàn)出了極其優(yōu)越的運算性能。西班牙解剖學(xué)家Cajal創(chuàng)立神經(jīng)元學(xué)說后，Cajal和Golgi等發(fā)現(xiàn)，大腦存在著由神經(jīng)細胞結(jié)合而成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)細胞是構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)