【正文】 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 51 頁(yè) 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 1 前言 本章主要介紹信息隱藏技術(shù)的背景和研究意義、國(guó)內(nèi)外信息隱藏技術(shù)研究現(xiàn)狀，列舉了本文的主要研究?jī)?nèi)容，最后給出了全文的結(jié)構(gòu)安排。 信息隱藏技術(shù)的背景和研究意義 二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)在全世界范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展，它極大地方便了人們之間的通信和交流。借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所提供的強(qiáng)大的多媒體通信功能，人們可以方便、快速地將數(shù)字信息 (數(shù)字音樂(lè)、圖像、影視等方面的作品 )傳到世界各地，一份電子郵件可以在瞬息問(wèn)傳遍全球。但同時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也成為犯罪集團(tuán)、非法組織和有惡意的個(gè)人 利用的工具。從惡意傳播計(jì)算機(jī)病毒，到非法入侵要害部門(mén)信息系統(tǒng)，竊取重要機(jī)密甚至使系統(tǒng)癱瘓；從計(jì)算機(jī)金融犯罪，到利用表面無(wú)害的多媒體資料傳遞隱蔽的有害信息等等，對(duì)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)進(jìn)行惡意攻擊的手段可謂層出不窮。 因此，在全球聯(lián)網(wǎng)的形勢(shì)下，網(wǎng)絡(luò)信息安全非常重要，一個(gè)國(guó)家信息系統(tǒng)的失控和崩潰將導(dǎo)致整個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)癱瘓，進(jìn)而影響到國(guó)家安全。各國(guó)政府和信息產(chǎn)業(yè)部門(mén)都非常重視網(wǎng)絡(luò)信息安全的研究和應(yīng)用。密碼技術(shù)是信息安全技術(shù)領(lǐng)域的主要傳統(tǒng)技術(shù)之一，是基于香農(nóng)信息論及其密碼學(xué)理論的技術(shù)，一般采用將明文加密成密文的秘密密鑰系統(tǒng)或者 公開(kāi)密鑰系統(tǒng)，其保護(hù)方式都是控制文件的存取，即將文件加密成密文，使非法用戶不能解讀。但加密技術(shù)主要適用于文本的加密，而對(duì)音頻、視頻、圖像等多媒體數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)說(shuō)，由于它們的數(shù)據(jù)量往往很大，如何對(duì)超大數(shù)據(jù)量的多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的加、解密仍是一個(gè)難題。而且信息加密是利用隨機(jī)性來(lái)對(duì)抗密碼攻擊的，密文的隨機(jī)性同時(shí)也暴露了消息的重要性，即使密碼的強(qiáng)度足以使攻擊者無(wú)法破解出明文，但他仍有足夠的手段來(lái)對(duì)其進(jìn)行破壞，使得合法的接收者也無(wú)法閱讀信息內(nèi)容。隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅度提高，軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，加密算法的安全性受到了嚴(yán)重 挑戰(zhàn)。 由于加密技術(shù)的局限性，最近十幾年以來(lái)，一種新的信息安全技術(shù) —— 信息隱藏技術(shù) (Information Hiding)迅速地發(fā)展起來(lái)。信息隱藏的淵源可以追溯到古希圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 51 頁(yè) 臘的隱形技術(shù) (Steganography)，其希臘文的字面意思是“掩飾性地寫(xiě)”，也就是把一種信息隱藏于另一種信息中。數(shù)字化產(chǎn)品的出現(xiàn)，給這些古老的思想賦于了新的表達(dá)方式：將機(jī)密信息嵌入到公開(kāi)的圖像、視頻、語(yǔ)音及文本文件等載體信息中，然后通過(guò)公開(kāi)信息的傳輸來(lái)傳遞機(jī)密信息。對(duì)加密通信而言，可能的監(jiān)測(cè)者或非法攔截者可通過(guò)截取密文，并對(duì)其進(jìn)行破譯，或?qū)?密文進(jìn)行破壞后再發(fā)送，從而影響機(jī)密信息的安全：但對(duì)信息隱藏而言，可能的監(jiān)測(cè)者或非法攔截者難以從公開(kāi)信息中判斷機(jī)密信息是否存在，難以截獲機(jī)密信息，從而保證機(jī)密信息的安全。為了增加破譯的難度，還可以把加密技術(shù)和隱藏技術(shù)相結(jié)合，即先對(duì)待嵌入對(duì)象進(jìn)行加密得到密文，再把密文隱藏到載體對(duì)象中，最后通過(guò)載體的傳輸來(lái)傳遞機(jī)密信息，達(dá)到藏匿消息的目的。信息隱藏技術(shù)在保密通信、版權(quán)保護(hù)等領(lǐng)域中都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，根據(jù)不同的應(yīng)用背景，信息隱藏技術(shù)可以分為隱寫(xiě)術(shù) (Steganography)和數(shù)字水印 (Digital Watermarking)兩個(gè)重要分支。數(shù)字水印主要是為了保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，通過(guò)在原始媒體數(shù)據(jù)中嵌入信息來(lái)證實(shí)該媒體的所有權(quán)歸屬。數(shù)字水印的主要目的不是限制對(duì)媒體的訪問(wèn)，而是確保媒體中的水印不被篡改或消除。因此穩(wěn)健性是數(shù)字水印的最基本要求之一。數(shù)字水印的穩(wěn)健性是指水印圖像經(jīng)過(guò)一些常見(jiàn)的改變后，水印仍具有較好的可檢測(cè)性。這些改變包括常見(jiàn)的圖像處理 (如數(shù)據(jù)壓縮、低通濾波、圖像增強(qiáng)、一次抽樣、二次量化和 D／ A轉(zhuǎn)換等 )、幾何變換和幾何失真 (如裁剪、尺度拉伸、平移、旋轉(zhuǎn)、扭曲等 )、噪聲干擾、多重水印 (multiple watermarking)的重疊等。對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，要求有不同的穩(wěn)健性。需要指出的是，存在另一種與穩(wěn)健水印性質(zhì)相反的水印，稱(chēng)為易損水印 (fragile watermarks)，它們被用來(lái)證實(shí)原始媒體是否被改變過(guò)。穩(wěn)健性在整個(gè)水印系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有非常重要的分量，這也是將隱寫(xiě)術(shù)和數(shù)字水印區(qū)別對(duì)待的原因之一。隱寫(xiě)術(shù)主要考慮的是安全性 (即統(tǒng)計(jì)特性上無(wú)法檢測(cè)隱密信息的存在 )和嵌入容量，不可見(jiàn)性等。 信息隱藏技術(shù)的發(fā)展，為社會(huì)提供一種新的隱蔽通信手段的同時(shí)也帶來(lái)了新的威脅。高度發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息共享和交流變得非 常普遍和容易。 信息隱藏技術(shù)的研究在信息安全領(lǐng)域中具有重要的地位，它對(duì)于軍事、情報(bào)、國(guó)家安全方面的重要意義不言而喻。它包括了數(shù)字隱寫(xiě)與隱寫(xiě)分析兩個(gè)方面。一圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 51 頁(yè) 方面要以盡可能隱蔽的方式將信息深藏于浩如煙海的數(shù)字多媒體信號(hào)中，毫不引起對(duì)方的懷疑而達(dá)到隱蔽通信的目的；另一方則要以各種手段檢測(cè)可疑信息的存在，尋找敵對(duì)隱蔽通信的信源，阻斷隱蔽通信的信道。設(shè)計(jì)高度安全的隱寫(xiě)方法是一項(xiàng)富于挑戰(zhàn)性的課題，而對(duì)隱寫(xiě)的準(zhǔn)確性分析往往比隱寫(xiě)本身更加困難。數(shù)字隱寫(xiě)與隱寫(xiě)分析的交互發(fā)展正方興未艾，成為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代信息戰(zhàn)技術(shù)的一個(gè)新課題。信 息網(wǎng)絡(luò)上的攻防技術(shù)水平將反映一個(gè)國(guó)家的科技水平和防范意識(shí)。 本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 出于對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和信息安全的需求，上世紀(jì) 90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始對(duì)信息隱藏技術(shù)投入了大量的關(guān)注和研究。為了便于學(xué)術(shù)交流， 1996年 5月，國(guó)際第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)討論會(huì) (International Information Hiding Workshop， mw)在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開(kāi)，對(duì)信息隱藏的部分英文術(shù)語(yǔ)和學(xué)科分支進(jìn)行了統(tǒng)一和規(guī)定，標(biāo)志著一門(mén)新興的交叉學(xué)科 —— 信息隱藏學(xué) ??2 的 正式誕生。 1998年，美國(guó)政府報(bào)告中出現(xiàn)了第一份有關(guān)圖像數(shù)據(jù)隱藏的報(bào)告。目前，己支持或開(kāi)展信息隱藏研究的機(jī)構(gòu)既有政府部門(mén)，也有大學(xué)和知名企業(yè)。從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)看，國(guó)際上在信息隱藏方面的研究已經(jīng)取得了一定的成績(jī)。從 1996年以后提出了一些成功的隱寫(xiě)方法，還出現(xiàn)了一些隱寫(xiě)工具。適用的技術(shù)包括將 LSB嵌入法 ??11 直接用于圖像的像素、顏色指數(shù)、變換系數(shù)，結(jié)合 JPEG和 MP3編寫(xiě)的隱寫(xiě)，應(yīng)用擴(kuò)頻技術(shù)的隱寫(xiě)法等。近年來(lái)還出現(xiàn)了許多其它方法，例如基于小波變換 ??3 的有損壓縮嵌入技術(shù)，具有抗壓縮的能力；通過(guò)修改量化表嵌入數(shù)據(jù)，在提高嵌入量的同時(shí)能達(dá)到很高的隱蔽性。一些隱寫(xiě)算法被開(kāi)發(fā)成工具，其中有數(shù)以百計(jì)的隱寫(xiě)軟件可在互聯(lián)網(wǎng)上獲得。對(duì)隱寫(xiě)分析的研究也取得了不少的進(jìn)展。己發(fā)表的成果包括面向 JPEG圖像隱寫(xiě)、 LSB嵌入、調(diào)色板圖像等隱寫(xiě)分析法。近年來(lái)的一些研究成果包括 Memon等基于圖像和音頻質(zhì)量測(cè)度的隱寫(xiě)檢測(cè)技術(shù)，以及 Westfeld針對(duì) MP3Steg等幾種隱寫(xiě)算法進(jìn)行的低嵌入量隱寫(xiě)分析。 隱寫(xiě)的安全性一直是研究者關(guān)注的重要問(wèn)題。一些隱寫(xiě)分析方法要 求無(wú)限的計(jì)算能力和關(guān)于載體的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)知識(shí)，這往往不現(xiàn)實(shí)，于是人們提出了實(shí)用的隱寫(xiě)安全性概念。最多可嵌入多少信息而不會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)可檢測(cè)性是另一個(gè)重要問(wèn)題。針對(duì) LSB嵌入法和基于壓縮圖像的隱寫(xiě)，結(jié)合安全性考慮等作了理論分析。 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 51 頁(yè) 在國(guó)內(nèi)，以數(shù)字水印 ??1 為代表的信息隱藏技術(shù)雖然起步比較晚，但發(fā)展卻十分迅速，己經(jīng)有相當(dāng)一批有實(shí)力的科研人員和機(jī)構(gòu)投入到這一領(lǐng)域中。 1999年 12月，我國(guó)信息安全領(lǐng)域的何德全、周仲義、蔡吉人與有關(guān)應(yīng)用研究單位聯(lián)合發(fā)起并組織召開(kāi)第一屆全國(guó)信息隱藏學(xué)術(shù)研討 會(huì) (CMW1999)。 CIHW己成為國(guó)內(nèi)最具代表性的信息隱藏學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，至今已舉行了六屆全國(guó)會(huì)議。第六屆(CIHW20xx4)于 20xx年 8月上旬在哈爾濱工業(yè)大學(xué)召開(kāi)，聚集國(guó)內(nèi)眾多從事多媒體信息安全技術(shù)研究的專(zhuān)家學(xué)者，就多媒體信息安全技術(shù)及數(shù)字版權(quán)保護(hù)技術(shù)等領(lǐng)域的最新研究成果展開(kāi)研討，經(jīng) 42位專(zhuān)家評(píng)審，從近 150篇論文中評(píng)審出 78篇組成論文集，發(fā)表在哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)增刊上。此外，全國(guó)網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)研討會(huì) (NETSEC)、中國(guó)可信計(jì)算與信息安全學(xué)術(shù)會(huì)議 (CTCIS)、全國(guó)圖像圖形學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議 (NCIG)等各類(lèi)學(xué)術(shù)研討會(huì)都涉及到信息隱藏。各類(lèi)研討會(huì)總結(jié)、交流國(guó)內(nèi)外近年來(lái)關(guān)于信息隱藏的先進(jìn)技術(shù)和重大應(yīng)用，研討具有創(chuàng)新意義的研究方法、前沿動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)。 所謂信息安全只有相對(duì)的意義，攻守雙方在不斷發(fā)展和變化中的矛盾統(tǒng)一，因而研究工作也在兩個(gè)對(duì)立的方向展開(kāi)。在隱寫(xiě)方面，用小波交換和矢量量化等技術(shù)將原圖像嵌入到像素的低位，使隱藏圖像和原圖像在視覺(jué)上難以分開(kāi)，提取出來(lái)的恢復(fù)圖像具有可接受的質(zhì)量。基于圖像位平面復(fù)雜度估計(jì)和統(tǒng)計(jì)濾波實(shí)現(xiàn)隱蔽信息檢測(cè)的技術(shù)則是國(guó)內(nèi)學(xué)者在隱寫(xiě)分析方面較早發(fā)表的成果。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)信息論中率失真及隨 機(jī)編碼等理論對(duì)安全性限制下的隱寫(xiě)容量進(jìn)行了研究。 信息隱藏技術(shù)的研究目前已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，國(guó)際上先進(jìn)的隱寫(xiě)技術(shù)現(xiàn)己能做到：使隱藏有其它信息的信息不但能經(jīng)受人的感覺(jué)檢測(cè)和儀器設(shè)備的檢測(cè)，而且還能抵抗各種人為的蓄意攻擊，但是隱寫(xiě)分析還處于起步探索階段。總的來(lái)說(shuō)，信息隱藏技術(shù)尚未發(fā)展到完善實(shí)用的階段，仍有不少技術(shù)性問(wèn)題需要解決。此外，信息隱藏技術(shù)發(fā)展到今天。還沒(méi)有找到自己的理論依據(jù)，沒(méi)有形成理論體系。目前，使用密碼加密仍是網(wǎng)絡(luò)上主要的信息安全傳輸手段，信息隱藏技術(shù)在理論研究、技術(shù)成熟度和實(shí)用性方面都無(wú)法與之相比 ，但它潛在的價(jià)值是無(wú)法估量的，隨著研究的深入發(fā)展，它將在未來(lái)的信息安全體系中發(fā)揮重要的作用。 本文的主要研究?jī)?nèi)容、研究方法和結(jié)構(gòu)安排 信息隱藏技術(shù)使用的載體有圖像、視頻、語(yǔ)音及文本等數(shù)字媒體，包括數(shù)字圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 51 頁(yè) 隱寫(xiě)與隱寫(xiě)分析兩個(gè)方面的內(nèi)容，本文以使用最為廣泛的數(shù)字圖像作為研究對(duì)象，以基于數(shù)字圖像的隱寫(xiě)方法作為研究?jī)?nèi)容。文章介紹了信息隱藏技術(shù)的基本知識(shí)和圖像信息隱藏的常用算法，像信息隱藏技術(shù)，并且運(yùn)用 量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)該方法的性能進(jìn)行檢驗(yàn)分析，表明該方法具有一定的優(yōu)點(diǎn)。本文內(nèi)容主要如下： (1)信息隱藏技術(shù)的背景、研究意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，信息隱藏技術(shù)的基本原理，信息隱藏技術(shù)的術(shù)語(yǔ)和模型，信息隱藏系統(tǒng)的基本屬性，信息隱藏技術(shù)的分支及其應(yīng)用。 (2)數(shù)字圖像處理的基本概念和知識(shí)， 空域隱藏算法 ??5 ，變換域隱藏算法 ??6 。著重討論了基于離散余弦變換 ??9 的圖像信息隱藏算法及其應(yīng)用。 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 51 頁(yè) 2 信息隱藏技術(shù)概述 信息隱藏技術(shù)作為一個(gè)新興的研 究領(lǐng)域，橫跨數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理、語(yǔ)音處理、模式識(shí)別、數(shù)字通信、多媒體技術(shù)、密碼學(xué)等多個(gè)學(xué)科。它把一個(gè)有意義的信息 (如含有版權(quán)信息的圖像 )通過(guò)某種嵌入算法隱藏到載體信息中，從而得到隱密載體，非法者不知道這個(gè)載體信息中是否隱藏了其它的信息，而且即使知道，也難以提取或去除隱藏的信息。隱密載體通過(guò)信道到達(dá)接收方后，接收方通過(guò)檢測(cè)器利用密鑰從中恢復(fù)或檢測(cè)出隱藏的秘密信息。本章首先指出了信息隱藏技術(shù)的依據(jù)，通過(guò)與信息加密作比較，介紹了信息隱藏技術(shù)的基本原理，然后描述了信息隱藏技術(shù)的術(shù)語(yǔ)和模型、信息隱藏系統(tǒng)的基本屬性 ，最后介紹了信息隱藏技術(shù)的分支及其實(shí)際應(yīng)用。 信息隱藏技術(shù)的基本原理 信息隱藏技術(shù)的依據(jù) 信息隱藏技術(shù)通常使用文字、圖像、聲音及視頻等作為載體，信息之所以能夠隱藏在多媒體數(shù)據(jù)中，主要是利用了多媒體信息的時(shí)間或空間冗余性和人對(duì)信息變化的掩蔽效應(yīng)。 (1)多媒體信息本身存在很大的冗余性，從信息論的角度看，未壓縮的多媒體信息的編碼效率是很低的，所以將某些信息嵌入到多媒體信息中進(jìn)行秘密傳送是完全可行的，并不會(huì)影響多媒體信息本身的傳送和使用。 (2)人的視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)感官系統(tǒng)對(duì)某些信息都有一定的掩蔽 效應(yīng)。在亮度有變化的邊緣上，該邊界“掩蔽”了邊緣鄰近像素的信號(hào)感覺(jué)，使人的感覺(jué)變得不靈敏、不準(zhǔn)確，這就是視覺(jué)掩蔽效應(yīng)。通常人眼對(duì)灰度的分辨率只有幾十個(gè)灰度級(jí)，對(duì)邊緣附近的信息不敏感。利用這些特點(diǎn)，可以很好地將信息隱藏而不被覺(jué)察。 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 51 頁(yè) 信息隱藏與信息加密原理比較 信息隱藏與信息加密都是把對(duì)信息的保護(hù)轉(zhuǎn)化為對(duì)密鑰的保護(hù)，因此信息隱藏技術(shù)沿用了傳統(tǒng)加密技術(shù)的一些基本思想和概念，但兩者采用的保護(hù)信息的手段不同。信息加密是把有意義的信息加密為隨機(jī)的亂碼，如圖 ，竊聽(tīng)者知道截獲的密文中可能包含重要的信 息，但無(wú)法破譯。 圖 信息加密示意圖 信息隱藏則是把一個(gè)有意義的信息隱藏在另一個(gè)稱(chēng)為載體的普通信息中得到隱密載體，然后通過(guò)普通信息的傳輸來(lái)傳遞秘密信息。如圖 所示。非法者不知道這個(gè)普通信息中是否隱藏了其他的信息，而且即使知道，也難以提取隱藏的信息。 載體 S 信息 M 信息隱藏載體 S’ 圖 信息隱藏示意圖 為了增加破譯的難度，進(jìn)一步提高秘密信息的安全性，還可以把加密技術(shù)和隱藏技術(shù)相結(jié)合，即先對(duì)消息 M加密得