【正文】 攻擊者破壞或篡改水印將得不到任何好處，在這種情況下，幾乎可以不用考慮水印的安全性。水印容量越大，有助于提高水印 魯棒性，但勢(shì)必會(huì)對(duì)不可感知性帶來(lái)負(fù)面 的 影響；嵌入的水印越少，對(duì)載體 的產(chǎn)品 干擾就越小，但又不利于增強(qiáng)水印 的魯棒性。因此它又被稱 之 為隱蔽性、透明性或不可見性。% 圖 信息加密示意圖 100100100100001110010010010100101011 隱藏 消息 M 隱密載體 S＇ 載體 S 圖 信息隱藏示意圖 第 8 頁(yè) 共 45 頁(yè) 弱特性。脆弱水印就是一個(gè)非常 好的例子。 信息隱藏系統(tǒng)的基本屬性 一般情況下，數(shù)字水印系統(tǒng)比較關(guān)鍵的性能指標(biāo) [17]如下 所示 ： 魯棒性（ Robustness） 魯棒性是指含水印作品歷經(jīng)有意或 者無(wú)意的常規(guī)信號(hào)處理卻 仍然保留水印信息的完整性和可檢測(cè)性的能力。信息加密是把有意義的信息加密為隨機(jī)的亂碼 [16]放出 ，如圖 所示， 第 7 頁(yè) 共 45 頁(yè) 竊聽者知道截獲的密文中可能包含重要 信息，但無(wú)法破譯。在亮度有變化的邊緣 之 上，該邊界“掩蔽”了邊緣 的 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) 的掩蔽效應(yīng)。加 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 其 中恢復(fù)或檢 測(cè)出隱藏的秘密信息。 實(shí)驗(yàn)分析及抗攻擊實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)峰值信噪比進(jìn)行比對(duì)來(lái)確定水印好壞，信噪比越大水印性能越好。 圖像信息隱藏技術(shù)介紹： 主要介紹信息隱藏技術(shù)的基本原理，基本屬性，以及其應(yīng)用。因此，對(duì)于迅速發(fā)展中的數(shù)字水印技術(shù)，我們必須對(duì)其可能應(yīng)用 新領(lǐng)域有足夠的敏感和意識(shí)。數(shù)字水印可 以被自動(dòng)地識(shí)別，上述數(shù)字水印信息就可 提供認(rèn)證服務(wù)。 VCD 和 DVD 刻錄機(jī)，掃描儀、打印機(jī)和影印機(jī)中也應(yīng)集成 了 自動(dòng)檢測(cè)數(shù)字水印這一模塊，而且這 一模塊 是 無(wú)法繞過(guò)，當(dāng)它們發(fā)現(xiàn)數(shù)字水印信息是未經(jīng) 過(guò) 授權(quán)的刻錄、復(fù)制、掃描、打印或影印時(shí)，它們將拒絕工作，這樣將更有效地保護(hù) 了 數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)，防止未經(jīng) 過(guò) 授權(quán)的復(fù)制和盜用。 本課題的應(yīng)用領(lǐng)域 最初提出數(shù)字水印的目的是為了 來(lái) 保護(hù)版權(quán)，然而隨著數(shù)字水印技術(shù)的 高速 發(fā)展 ， 人們發(fā)現(xiàn)了它更多更廣的應(yīng)用，有許多是當(dāng)初人們所沒(méi)有預(yù)料到的 事 。第六屆（ CIHW2020）于 2020 年 8 月上旬在哈爾濱工業(yè)大學(xué)召開 的 ，聚集國(guó)內(nèi)眾多從事多媒體信息安全技術(shù)研究的專家 和學(xué)者，就多媒體信息安全技術(shù)和 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 了 研討，經(jīng) 42 位專家 的 評(píng)審，從近 150 篇論文中評(píng)審出78 篇組成 出 論文集，發(fā)表在哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)增刊 之 上。目前，己支持或開展 研究 信息隱藏研究的機(jī)構(gòu)既有政府部門，也有大學(xué)和知名企業(yè)，它們包括美國(guó)財(cái)政部、美國(guó)版權(quán)工作組、美國(guó)空軍研究院、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)國(guó)家信息技研究中心、日本 NTT 信息與通信系統(tǒng)研究中心、麻省理工學(xué)院、伊利諾斯大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)、劍橋大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院、西班牙 Vigo 大學(xué)、 IBM 公司 Watson研究心、微軟公司劍橋研究院等 。至今，該研討會(huì)已舉辦到第 七屆。數(shù)字隱寫 與 隱寫分析的交互發(fā)展正 是 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 的課題。 因此，信息隱藏技術(shù)的研究在信息安全領(lǐng)域中具有 很 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 是不言而喻。對(duì)不同 應(yīng)用場(chǎng)合，要求 具 有不同的穩(wěn)健性。數(shù)字水印的主要目的不是限制對(duì)媒體訪問(wèn)，而是確保媒體中水印不被篡改或消除。但 在 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。 第 1 頁(yè) 共 45 頁(yè) 緒論 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，并給出 全文的結(jié)構(gòu)安排。從惡意傳播計(jì)算機(jī)病毒，到非法入侵重要 部門信息系統(tǒng)，竊取重要機(jī)密甚至 可 使系統(tǒng)癱瘓；從 用 計(jì)算機(jī) 進(jìn)行金融犯罪，到利用表面無(wú)害的多媒體資料傳遞隱蔽的有害信息 ，對(duì)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)進(jìn)行惡意攻擊的手段可謂 是 層出不窮。因此穩(wěn)健性是數(shù)字水印最基本要求之一。 但 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， 被 稱為易損水?。?Fragile Watermarks），它們被用來(lái)證實(shí)原始媒體是否被改 動(dòng)過(guò) 。它包括 數(shù)字隱寫與隱寫分析兩個(gè)方面。信息網(wǎng)絡(luò)上的攻防技術(shù)水平將反映 的是 一個(gè)國(guó)家的科技水平和防范意識(shí)。 自 1998 年以來(lái)，《 IEEE 圖像處理 》 、《 IEEE 會(huì)報(bào)》、《 IEEE 通信選題》、《 IEEE 消費(fèi)電子學(xué)》等許多國(guó)際重要期刊也 組織了信息隱藏的技術(shù)?？?qū)ｎ}新聞報(bào)道 [910]。 第 3 頁(yè) 共 45 頁(yè) 在國(guó)內(nèi)，以數(shù)字水印為代表的信息隱 藏技術(shù)雖然起步 是 比較晚 的 ，但發(fā)展卻十分 的 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 之 中。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） 等各類學(xué)術(shù)研討會(huì)都涉及到 了 信息隱藏。數(shù)字水印 的 基本 應(yīng)用 領(lǐng)域 是 來(lái) 版權(quán) 保護(hù) (Copyright Protection) 、 隱 藏標(biāo) 識(shí) (Hidden Annotation) 、認(rèn)證 (Authentication) 和安全不可見通信的 (Secureand Invisible Communieation)。數(shù)字水印可 以 用于隱藏標(biāo)識(shí)和標(biāo)簽，可 以 在醫(yī)學(xué)、制圖、多媒體索引和基于內(nèi)容的檢索等領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時(shí)，數(shù)字水印可 以在法庭辯論中作為證據(jù)，這方面的應(yīng)用也將是非常有市場(chǎng)潛力的。 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)使用的載體包括 圖像、視頻、語(yǔ)音及文本等數(shù)字媒體， 有數(shù)字隱寫和隱寫分析兩個(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)字圖像的隱寫法作為研究 的 內(nèi)容。 圖像信息隱藏技術(shù)：簡(jiǎn)單的列舉出空域和變換域兩種算法，重點(diǎn)介紹變換域的幾種算法，通過(guò)比對(duì)最終選取小波域變換作為圖像信息處理算法。攻擊性實(shí)驗(yàn)是為了測(cè)試水印的抗干擾能力，主要通過(guò)JEPG 壓縮實(shí)驗(yàn)和噪聲干擾實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試。 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)一般使用文字、圖像、聲音及視頻等作為載體，信息之所以能隱藏在多媒體數(shù)據(jù)中，主要是利用 多媒體信息的時(shí)間或空間 的 冗余性和人對(duì)信息變化的掩蔽效應(yīng)。通常人眼對(duì)灰度 分辨率只有幾十個(gè)灰度級(jí)，對(duì)邊緣附近的信息 的 不敏感。 信息隱藏則是將一個(gè)有意義的信息隱藏到 另一個(gè)稱為載體的普通 的 信息中 而 得到 的 隱密載體，然后通過(guò)普通 的 信息的傳輸來(lái)傳遞秘密 的 信息。對(duì)于數(shù)字圖像 的水印而言，常規(guī)的信號(hào)處理操作包括空域?yàn)V波、幾何變形、有損壓縮等。例如用于內(nèi)容 的認(rèn)證的數(shù)字水印就是脆弱水印，脆弱水印具有 魯棒性完全相反的脆 100100100100001110010 加密 !$%^^amp。含水印圖像對(duì)任何信號(hào)處理操作都應(yīng)該是 比較敏感的，但是面向版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印必須 有很強(qiáng)的魯棒性。對(duì)于數(shù)字圖像 的 水印而言，嵌入的水印不應(yīng)引起載體圖像 的 明顯降質(zhì)， 而 且不能被人類視覺(jué)系統(tǒng)所察覺(jué) 的 。因此，一個(gè)好的數(shù)字水印系統(tǒng)應(yīng) 合理地折中三者之間的矛盾。 圖 魯棒水印的性能指標(biāo)之間的合理折中 第 9 頁(yè) 共 45 頁(yè) 數(shù)字水印系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)之間往往是相互制約、相互競(jìng)爭(zhēng)的。在電子商務(wù) 之 中，交易雙方的任何方 都不得抵賴自己曾經(jīng)做出的行為，也不能否認(rèn)曾經(jīng)接受到對(duì)方 信息，這是 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)電子交易的重要環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，在嵌入這類信息時(shí)，同時(shí)要加上時(shí)間戳 這一標(biāo)志 作為另外一層防護(hù)。 空域隱藏算法 空域隱藏技術(shù)是指將秘密 的 信息嵌入 到 數(shù)字圖像的空間域 之 中，即對(duì)像素灰度值進(jìn)行修改以 達(dá)到 隱藏秘密信息 的目的 。顯然 ， LSB 隱藏算法最低位被改變的概率 大概 是 50%，它在原始圖像里面引入了極小 噪聲，在視覺(jué)上是不可見的。因此在嵌入數(shù)據(jù)位 之 時(shí)，嵌入的是數(shù)據(jù)位與 1 或 0 的異或值。有損壓縮 典型 如 JPEG 壓縮，就 有可能徹底破壞隱藏的信息。 隱蔽效果 圖 為 512 512 的 Lena 的 灰度圖，圖 為 LSB 直接替換 的 最低有效位后的Lenna 圖，我們看不出兩個(gè)圖片 之間的區(qū)別，隱蔽性比較 好。 變換域隱藏算法 變換域算法原理 變換域隱藏技術(shù)就是指將秘密 的 信息嵌入數(shù)字圖像的某一變換域 之 中。 變換域算法的優(yōu)點(diǎn) 由于變換域 的信息隱藏技術(shù)是在頻域嵌入信息，所以 它有頻域所固有的抗攻擊和變換的能力，使這一 個(gè) 隱藏方案對(duì)比例變化、 JPEG 壓縮、抖動(dòng)、剪輯、打印 /掃描以及合謀攻擊都 能 具有很好的魯棒性。提出基于原始圖象的傅立葉變換，將調(diào)制后的秘密信息依次加入到某些固定位置的幅值譜 之 上，利用傅里葉變換的可加性和圖象去噪 的 原理提出了一種基于頻域的三維運(yùn)動(dòng)盲水印算法。 基于離散余弦變換的圖像信息隱藏算法 早在上世紀(jì)末， Cox 等人較早地提出 基于 DCT 域信息隱藏方法。經(jīng)過(guò)近二十 多 年的努力，由多尺度分析、時(shí)頻分析、金字塔算法等發(fā)展起來(lái)的小波理論 的 基礎(chǔ)已經(jīng)基本建立并成為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)新 的 領(lǐng)域，引起了眾多數(shù)學(xué)家和工程技術(shù)人員的極大 的 關(guān)注，成為國(guó)際上科技學(xué)術(shù)界 的 高度關(guān)注的前沿領(lǐng)域。小波是一種窗口大小不變而 形狀可變，即時(shí)間窗和頻率窗 [21]都 是 可改變的時(shí)頻局部化分析 的方法。 而且與傳統(tǒng)的信號(hào)分析技術(shù)相比較，小波分析還能 在沒(méi)有明顯損失的情況下，對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪和壓縮 處理 。 小波分析的基本思想就是把信號(hào)分解為一系列基函數(shù) ?i 的加權(quán)和，即 ?iiaf ?? ，如果基函數(shù) ?i 能 夠良好的匹配 出 所表示的信號(hào) f 的特性 ， 那么就可以用 較少的系 數(shù) ai 有效的表示出信號(hào) f ，因而基函數(shù) ?i 的選擇很 重要，這個(gè)基函 數(shù) ?i 就是 該 小波。將式 (35)、 (36)合并 ，可 以得到實(shí)際數(shù)值計(jì)算時(shí)使用的逆離散小波變換的重構(gòu)公式： )()(, tdtf kjj k kj ?? ???????????? (37) 特別當(dāng) TS=1 時(shí)，離散化小波 為： Zkjktt jjkj ??? ?? ,)()( 22 2, ?? (38) 稱為二進(jìn) 制 小波基函數(shù)。同時(shí)，在多分辨率理論分析基礎(chǔ) 之 上， [27]提 出了 離數(shù)二維小波變換的算法，從此，小波分析被引入到了數(shù)字圖像處理中來(lái) 。圖像的一階 小波分解如圖 所示。 (a) Lenna 圖像 (b) 第一層小波分解 系數(shù) 圖 一 階 小波分解示意圖 小波變換 的特點(diǎn) 小波變換被廣泛應(yīng)用于 圖像視頻壓縮、信號(hào)分析和信號(hào)處理 之 中。這個(gè)特點(diǎn)使得在圖像的指定位置加入水印 的 信息成為 了 可能。由于小波變換是全局 的 變換，嵌入水印產(chǎn)生的失真隨機(jī)分布在整幅圖像 之 中，可 以 免除采用分塊 DCT 變換所固有的方塊效應(yīng)。 小波變換 反映人類視覺(jué)系統(tǒng) (HVS)[13]的特 性。 5.、小波變換的 自適應(yīng)性。 圖像置亂技術(shù)及其意義 信息安全技術(shù)經(jīng) 多年的發(fā)展，對(duì)信息的保護(hù)已從密碼技術(shù) 的 發(fā)展到了隱藏技術(shù)的發(fā)展 。數(shù)字圖像置亂和信息加密思想 是 類似 的，它先對(duì)圖像進(jìn)行處理，使圖像看起來(lái)雜亂無(wú)章 ，隱藏真實(shí)圖像 的信息。 圖像置亂可 達(dá)到兩個(gè)目的 [15]：第一是 進(jìn)行 加密處理，就像不知道加密密鑰就無(wú)法對(duì) 加密過(guò)的信息進(jìn)行解密一樣；如果不知道置亂所采用 的算法， 同樣 難以恢復(fù)原始圖 像的 信息。在水印預(yù)處理 過(guò)程 中，置亂技術(shù)主要考慮的是盡 量可能的分散錯(cuò)誤比特的分布，提高數(shù)字水印的視覺(jué)效性 來(lái)增強(qiáng)水印的魯棒性。 ②首先將 A 中自然數(shù)序列跟 B中的像素點(diǎn)的行列一一 進(jìn)行 對(duì)應(yīng)。 幻方變換是根據(jù)幻方矩陣中的自然數(shù)序號(hào)對(duì)圖像塊位置進(jìn)行 了 相應(yīng)的移動(dòng)。 Arnold[23]變換 假設(shè)有單位正方形上的點(diǎn) （ x,y） ，將點(diǎn) (x,y)變到另一點(diǎn) ),( 11 yx 的變換為： )1( m o d21 1111 ????????????????????????? yxyx (41) 此變換成為二維 Arnold 的 變換，簡(jiǎn)稱 Arnold 變換。對(duì)于不同矩陣的階 N， Arnold 變換有不同的周期，為了盡量減少 Arnold 變換所帶來(lái)的花費(fèi)，應(yīng)該選擇周期較短的 項(xiàng) 。由于對(duì)不同的矩陣階數(shù) N， Arnold變換 具 有不同的周期，為了盡量減少 Arnold 變換所帶來(lái)的花費(fèi)，