【正文】 重點(diǎn)和難點(diǎn)。第三章和第四章，分析了自適應(yīng)無損像素值差分隱寫算法研究和基于像素特征的圖像隱寫算法研究，針對(duì)現(xiàn)有算法的缺陷，對(duì)自適應(yīng)無損像素值差分改進(jìn)算法。第五章，分析了基于像素值差分的邊緣匹配隱寫算法研究，分析它存在不能正確提取隱藏消息的缺陷，提出一種能正確提取隱藏信息、更加安全、嵌入容量大、隱寫圖像質(zhì)量高的隱寫方案。最后對(duì)論文進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)未來需進(jìn)一步研究的工作予以展望。第二章 圖像隱寫及隱寫分析綜述 隱寫術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)90年代早期，信息隱藏的各種應(yīng)用引起不同研究團(tuán)體的關(guān)注與重視。1996年5月第一次國際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)在英國劍橋的召開，使這些獨(dú)立的研究團(tuán)體走到一起。在這次會(huì)議上，建立了信息隱藏系統(tǒng)的一般模型，在信息隱藏的一些基本概念和術(shù)語上達(dá)成共識(shí)。成立了信息隱藏的國際性組織。這次會(huì)議標(biāo)志著信息隱藏作為一門新學(xué)科的誕生，掀起了對(duì)信息隱藏技術(shù)研究的熱潮，也為信息隱藏學(xué)科的發(fā)展提供了組織保證。 在國內(nèi)，1999年12月，我國信息安全領(lǐng)域的何德全院士、周仲義院士、蔡吉人院士與有關(guān)研究單位聯(lián)合發(fā)起召開我國第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)(CIHW),己經(jīng)召開8屆研討會(huì)?？梢哉J(rèn)為，CIHW己成為國內(nèi)最具代表性的信息隱藏學(xué)術(shù)交流活動(dòng)。 根據(jù)嵌入域的不同，隱寫術(shù)可以分為空間域隱寫和變換域隱寫?？臻g域隱寫在圖像的灰度值、調(diào)色板索引值等中嵌入秘密信息。這種技術(shù)具有較大容量，但隱蔽性較差。變換域隱寫在圖像DCT、DFT、DWT等變換域中進(jìn)行秘密信息的隱藏，這種隱寫方便結(jié)合HVS特性，并且與通用的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，隱蔽性較高。 空間域最低有效位(1east significant bit，LSB)替換算法是數(shù)字隱寫的經(jīng)典算法，原理雖簡單但安全性較低，目前針對(duì)LSB替換的檢測方法有統(tǒng)計(jì)分析法、RS分析法[14]、SPA分析法[15]等。LSB匹配(LSB matching，LSBM)算法是LSB算法的改進(jìn)，不僅易于實(shí)現(xiàn)，而且能較大地提高安全性；針對(duì)LSBM的檢測算法有：文獻(xiàn)[16—17]分別提出的局部極值法和基于像素差分分布統(tǒng)計(jì)建模的LSB匹配隱寫分析；文獻(xiàn)[18]提出的改進(jìn)LSB匹配方法(LSB matching revisited，LS—BMR)將2個(gè)像素作為一個(gè)單元進(jìn)行消息嵌入，使每個(gè)像素的平均修改量從0．5比特/像素(bits per pixel，bpp)減小到0．375 bpp，相對(duì)于LSBM算法其安全性有所提高。 隱寫系統(tǒng)的模型與特征 隱寫系統(tǒng)的模型系統(tǒng)包括四部分：1) 信息嵌入，即利用嵌入密鑰來實(shí)現(xiàn)嵌入對(duì)象的隱藏過程。2) 信息提取，即利用提取密鑰從隱藏對(duì)象或可能經(jīng)過修改的隱藏對(duì)象中提取或恢復(fù)出嵌入對(duì)象。在提取時(shí)，原始的載體對(duì)象可能需要參與也可能不需要參與。3) 密鑰生成，根據(jù)一些安全參數(shù)生成嵌入密鑰和提取密鑰。4) 隱藏分析，隱藏對(duì)象可能會(huì)被隱藏分析者截獲并進(jìn)行處理。在密鑰未知的前提下，隱藏分析者很難從隱藏對(duì)象中得到、刪除或發(fā)現(xiàn)嵌入對(duì)象。該模型中尚未包含對(duì)秘密信息的預(yù)處理和提取后的后處理。在這些情況下，為了提高保密性需要預(yù)先對(duì)秘密信息進(jìn)行預(yù)處理（例如加密），相應(yīng)地在提取后也要對(duì)接收到的秘密消息進(jìn)行后處理（例如解密），從而恢復(fù)原始信息。在這個(gè)信息隱藏系統(tǒng)模型中還存在一個(gè)隱寫分析者，他通常位于偽裝對(duì)象傳輸?shù)男诺郎希⒖赡軐?duì)偽裝對(duì)象進(jìn)行攻擊。 隱寫系統(tǒng)的特征信息隱藏不同于傳統(tǒng)的加密，因?yàn)槠淠康牟辉谟谙拗瀑Y料的正常讀取，而在于保證隱藏?cái)?shù)據(jù)不被侵犯和發(fā)現(xiàn)。根據(jù)信息隱藏的目的和技術(shù)要求，該技術(shù)存在以下特征：不可察覺性：指嵌入的秘密信息不能使載體對(duì)象的品質(zhì)發(fā)生明顯改變，不會(huì)影響載體對(duì)象的使用價(jià)值，也就是說偽裝對(duì)象與載體對(duì)象在人類感覺系統(tǒng)下是不可區(qū)分的。不可察覺性有時(shí)也被稱為透明性，它是信息隱藏系統(tǒng)的最基本要求。不可檢測性：指偽裝對(duì)象與載體對(duì)象具有一致的特性。在利用信息隱藏技術(shù)進(jìn)行秘密通信時(shí)，即使嵌入的信息使得人類的感覺系統(tǒng)無法察覺到，并不代表計(jì)算機(jī)也分析不出來。這是因?yàn)榻橘|(zhì)本身具有一些與介質(zhì)內(nèi)容相關(guān)的性質(zhì)，當(dāng)嵌入行為發(fā)生時(shí)，便改變了這些特性，既有可能在通信過程中，暴露出秘密通信行為。安全性：指隱藏算法具有較強(qiáng)的抗攻擊能力，即它必須能夠承受一定程度的人為攻擊，而使秘密信息不會(huì)被破壞。從隱藏后的介質(zhì)中提取信息時(shí)，也必須擁有相同的嵌入密鑰才能恢復(fù)出信息，非法用戶無法感知秘密信息的存在，或者是即使知道秘密信息的存在，沒有正確的密鑰同樣也無法提取出原始的信息。同時(shí)也應(yīng)該保證信息隱藏的位置是安全的，信息是隱藏于載體對(duì)象本身數(shù)據(jù)之中，而不是載體對(duì)象的文件頭或文件格式信息中，載體對(duì)象文件格式的轉(zhuǎn)換不應(yīng)該導(dǎo)致秘密信息的破壞或丟失。魯棒性： 也稱為免疫性。指不因圖像文件的某種改動(dòng)而導(dǎo)致隱藏信息丟失的能力。這里所謂“改動(dòng)”包括傳輸過程中的信道噪音、過濾操作、重采樣、有損編碼壓縮、D/A 或 A/D 轉(zhuǎn)換等。自恢復(fù)性：由于經(jīng)過一些操作或變換后，可能會(huì)使偽裝對(duì)象產(chǎn)生較大的破壞。如果只從留下的片段數(shù)據(jù)，仍能恢復(fù)隱藏信號(hào)，而且恢復(fù)過程不需要宿主信號(hào)，這就是所謂的自恢復(fù)性。實(shí)現(xiàn)真正有效的信息隱藏的難度很大，十分具有挑戰(zhàn)性。在信息隱藏的不用應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)上述要求是各有側(cè)重的。比如對(duì)隱寫術(shù)來說，主要滿足的是透明性及安全性，而魯棒性則是次要的。但對(duì)數(shù)字水印來說，魯棒性往往是首要考慮的目標(biāo)。 數(shù)字水印與隱寫術(shù)數(shù)字水印和隱寫術(shù)技術(shù)的基本思想都是將秘密信息隱藏在載體對(duì)象中，但是它們之間存在差異。數(shù)字水印技術(shù)是將標(biāo)志產(chǎn)品的作者、所有者、發(fā)行者、使用者、出品時(shí)間等信息按一定的算法嵌入載體信號(hào)中。嵌入的水印不能過分影響載體的商用價(jià)值，并且可從含水印的載體數(shù)據(jù)中檢測或提取出來。數(shù)字水印的目的是為了保護(hù)載體的版權(quán)。當(dāng)從數(shù)字媒體產(chǎn)品中提出的版權(quán)信息與該產(chǎn)品的持有者不一致時(shí)，便可以認(rèn)為此產(chǎn)品是非法復(fù)制的，該產(chǎn)品的持有者涉嫌侵害了他人的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。數(shù)字水印技術(shù)的目的不是制止非法復(fù)制，而是鑒別哪些產(chǎn)品是非法復(fù)制品。有些數(shù)字水印系統(tǒng)將使用者的信息作為水印，稱為數(shù)字指紋。當(dāng)發(fā)現(xiàn)非法復(fù)制品時(shí)，可根據(jù)非法復(fù)制品中的數(shù)字指紋確定是哪一個(gè)使用者對(duì)數(shù)字媒體進(jìn)行了非法復(fù)制，以便追究其法律責(zé)任。另外，數(shù)字水印還可以用來鑒別載體數(shù)據(jù)是否受到了非法篡改。隱寫則是將秘密信息隱藏在載體中，盡可能不引起第三方的懷疑通過公共信道發(fā)送出去，它更注重隱蔽性。它和數(shù)字水印要保護(hù)的對(duì)象不同，數(shù)字水印是要用隱藏的信息來保護(hù)載體，而隱寫要保護(hù)的是隱藏在載體中的信息。此外，傳送的信息量也必須合理，因?yàn)閭魉鸵环莺喍痰男畔⑷绻枰馁M(fèi)大量載體數(shù)據(jù)和時(shí)間就失去了實(shí)用意義。隱寫對(duì)穩(wěn)健性要求最低，只要能夠抵抗傳輸中的噪聲干擾即可，有時(shí)由于載體信號(hào)是經(jīng)過壓縮后在網(wǎng)上傳輸?shù)?，所以要求隱寫也能抵抗一定的壓縮編碼處理。 圖像隱寫的研究現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代中期以來，國內(nèi)外發(fā)表的圖像隱寫分析算法有十幾種之多，方向各有不同大部分屬于統(tǒng)計(jì)特征檢測類。統(tǒng)計(jì)特征檢測方法，形式多樣、效率高且容易軟件化，因此成為隱寫分析技術(shù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)分析方法通常分為卡方統(tǒng)計(jì)、確定區(qū)分統(tǒng)計(jì)量方法和盲檢測分析方法。這3類方法在本節(jié)都有具體算法實(shí)例描述，為了算法之間的對(duì)比說明，并沒有嚴(yán)格按照這一分類進(jìn)行分節(jié)。無論哪種統(tǒng)計(jì)分析方法，基本原理都是利用原始圖像和隱寫圖像之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)差異來判斷是否隱藏了信息，以及進(jìn)行參數(shù)估算。在圖像處理過程中應(yīng)用的信息隱藏技術(shù)，我們根據(jù)嵌入域的不同，圖像隱寫可以分為空間域隱寫和變換域隱寫?？沼蚍ㄊ峭ㄟ^直接改變圖像元素的值，來實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入，一般是在圖像元素的亮度和色帶中嵌入隱藏的內(nèi)容，這種技術(shù)具有較大容量，但隱蔽性較差,如LSB、MLSB、K與隨機(jī)調(diào)制隱寫等算法，LSB算法是用秘密信息替換了載體圖像像素值的最低位，而MLSB是選取像素值的低n位用于嵌入秘密信息，K與隨機(jī)調(diào)制隱寫算法的基本思想是：當(dāng)K等于奇數(shù)時(shí)，總是使像素值的最低比特位等于秘密信息比特，當(dāng)K等于偶數(shù)時(shí)，總是使像素灰度值的次低比特位等于秘密信息比特；而頻域法就是利用某種數(shù)學(xué)變換，將圖像用頻域變換的結(jié)果表示，如DCT、DFT、DWT等變換，通過改變圖像的某些頻域系數(shù)，來實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入，然后再利用數(shù)學(xué)反變換來生成隱藏有秘密信息的圖像,這種隱寫方便結(jié)合HVS特性，并且與通用的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，隱蔽性較高。JPEG是互聯(lián)網(wǎng)上常見的圖像格式，而DCT變換是JPEG壓縮采用的重要技術(shù)之一，JSteg是在 JPEG圖像中進(jìn)行隱寫的方法之一，其基本思想是：用秘密信息比特直接替換JPEG圖像中量化后DCT系數(shù)的最低比特位，但不在量化后值為0或1的DCT系數(shù)中嵌入信息，提取信息時(shí)，只是將隱密圖像中不等于0或1的量化DCT系數(shù)的LSB取出即可?，F(xiàn)有的信息隱藏技術(shù)大都是基于以上兩種方法中的一種實(shí)現(xiàn)的，只是它們所采用的具體算法是有所區(qū)別的。本文詳細(xì)分析了上述兩種方法的基本原理，對(duì)空域法中的最不重要位(LSB)算法進(jìn)行了改進(jìn)并加以實(shí)現(xiàn)。可以這樣說，加密方法是將信息本身進(jìn)行了加密，但是信息的傳遞過程是暴露的，而信息隱藏技術(shù)，則是將信息的傳遞過程進(jìn)行了掩蓋。因此，將傳統(tǒng)的密碼學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代的信息隱藏技術(shù)相結(jié)合，就可以更好的保證信息本身的安全和信息傳遞過程的安全。隱寫分析技術(shù)是對(duì)各種媒體進(jìn)行分析，判別其是否隱藏有秘密信息進(jìn)而提取和破壞秘密信息的技術(shù)。隱寫分析技術(shù)是一種反向偵察技術(shù)，具有相當(dāng)?shù)碾y度。經(jīng)過這幾年的研究，一些原先認(rèn)為安全的隱寫技術(shù)被一一攻破。隱寫分析可以分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是檢測在目標(biāo)載體中是否含有秘密信息，辨別所使用的隱寫算法，第二個(gè)階段是估計(jì)嵌入信息的長度和嵌入位置，估計(jì)隱寫所使用的密鑰，進(jìn)而提取秘密信息，這也是隱寫分析的最終目標(biāo)。由于提取秘密信息的難度很大，目前的研究主要集中在第一階段即檢測階段上。 本章小結(jié)本章對(duì)圖像信息隱藏相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了介紹。參考國內(nèi)外文獻(xiàn)給出了信息隱藏技術(shù)的分類和隱寫系統(tǒng)的基本模型。集中分析了目前主要的隱寫和分析方法，信息偽裝技術(shù)的安全性以及抗隱寫分析的信息偽裝算法。第三章 基于像素特征的圖像隱寫算法研究 引言在信息隱藏中，最經(jīng)典的算法就是 LSB 方法，基于 LSB 的圖像信息隱藏技術(shù)，實(shí)際上是利用圖像的視覺冗余。對(duì)于灰度圖像，人眼不能分辨全部 256 個(gè)灰度等級(jí)，4 個(gè)左右灰度等級(jí)的差異人眼是不能區(qū)別的。而當(dāng)對(duì)比度比較小時(shí)，人眼的分辨能力更差。這里我們可以看看將標(biāo)準(zhǔn)圖像 lena 各像素最后幾位經(jīng)過嵌入之后得到的結(jié)果。LSB 算法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高容量和較好的不可見性。諸如軟件程序StegoDos、STools、EzStego、Mandelsteg、Hide and Seek、Hide4PGP、White Noise trorm 和 Steganos 等都使用了 LSB 方法。這種方法主要應(yīng)用于無損壓縮圖像格式，并且數(shù)據(jù)直接處理和提取，容易實(shí)現(xiàn)。但是該算法對(duì)隱密信息極小的修改都具有極大的脆弱性。一個(gè)攻擊者想要完全破壞秘密信息，只需要簡單的應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)，如對(duì)圖像進(jìn)行壓縮、剪切等，都會(huì)使秘密信息收到影響，甚至完全丟失，這將導(dǎo)致接收方無法提取出秘密信息?？偟膩碚f，空域變換方法的魯棒性較低。本章就 LSB 方法提出一種新的利用像素的特征進(jìn)行信息隱寫的算法。該算法利用被嵌入像素的邊緣相鄰像素的最大值和最小值的差來確定嵌入量，如果像素位于邊緣，則嵌入較多的隱藏信息，反之，嵌入較少的隱藏信息。為了提高隱寫圖像的質(zhì)量，本章用到了最優(yōu)像素調(diào)整，通過該算法的改進(jìn)，消除了像素差值直方圖的階梯效應(yīng)，有效地抗基于差值直方圖統(tǒng)計(jì)特性異常的隱寫分析；同時(shí)提高信息嵌入量，獲得更好的視覺隱蔽性。 現(xiàn)有算法的缺陷人眼對(duì)圖像像素邊緣區(qū)域的細(xì)微變化不敏感，而對(duì)非邊緣區(qū)域的變化非常敏感。一種基于圖像像素邊緣匹配的隱寫算法，它能嵌入較多的秘密信息，并且視覺失真小。但它會(huì)引起像素灰度值直方圖統(tǒng)計(jì)特性的異常，使差值直方圖中出現(xiàn)階梯，這一性質(zhì)提供了檢測秘密信息存在性的線索。利用目標(biāo)像素的相鄰像素值之間的差值進(jìn)行隱寫的算法，該算法根據(jù)每一個(gè)像素是否位于邊緣區(qū)域這一性質(zhì)確定信息嵌入量，如果位于邊緣區(qū)域，則選擇合適的信息位數(shù)進(jìn)行嵌入。該算法能抗基于差值直方圖的統(tǒng)計(jì)分析，但嵌入量較小，運(yùn)行速度慢，程序復(fù)雜。本章提出了基于像素特征的圖像隱寫算法。算法根據(jù)圖像像素的三個(gè)相鄰像素的最大值和最小值的差值被用來確定嵌入信息的數(shù)量。如果目標(biāo)像素位于邊緣區(qū)域，則嵌入較多的信息；反之，嵌入較少的隱藏信息。信息嵌入時(shí)用簡單 LSB方法進(jìn)行嵌入，為了提高隱寫圖像的質(zhì)量，算法增加了信息嵌入容量，隱寫圖像的質(zhì)量得到改進(jìn)，并且提高了抗攻擊能力。 像素特征改進(jìn)算法 MD5偽隨機(jī)數(shù)算法對(duì)MD5算法簡要的敘述可以為：MD5以512位分組來處理輸入的信息，且每一分組又被劃分為16個(gè)32位子分組，經(jīng)過了一系列的處理后，算法的輸出由四個(gè)32位分組組成，將這四個(gè)32位分組級(jí)聯(lián)后將生成一個(gè)128位散列值。在MD5算法中，首先需要對(duì)信息進(jìn)行填充，使其字節(jié)長度對(duì)512求余的結(jié)果等于448。因此，信息的字節(jié)長度（Bits Length）將被擴(kuò)展至N*512+448，即N*64+56個(gè)字節(jié)（Bytes），N為一個(gè)正整數(shù)。填充的方法如下，在信息的后面填充一個(gè)1和無數(shù)個(gè)0，直到滿足上面的條件時(shí)才停止用0對(duì)信息的填充。然后，在在這個(gè)結(jié)果后面附加一個(gè)以64位二進(jìn)制表示的填充前信息長度。經(jīng)過這兩步的處理，現(xiàn)在的信息字節(jié)長度=N*512+448+64=(N+1)*512，即長度恰好是512的整數(shù)倍。這樣做的原因是為滿足后面處理中對(duì)信息長度的要求。MD5中有四個(gè)32位被稱作鏈接變量（Chaining Variable）的整數(shù)參數(shù)，他們分別為：A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=0x76543210。當(dāng)設(shè)置好這四個(gè)鏈接變量后，就開始進(jìn)入算法的四輪循環(huán)運(yùn)算。循環(huán)的次數(shù)是信息中512位信息分組的數(shù)目。將上面四個(gè)鏈接變量復(fù)制到另外四個(gè)變量中：A到a，B到b，C到c，D到d。 主循環(huán)有四輪（MD4只有三輪），每輪循環(huán)都很相似。第一輪進(jìn)行16次操作。每次操作對(duì)a、b、c和d中的其中三個(gè)作一次非