【正文】 廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 圖像 信息隱藏技術(shù) 及應(yīng)用 姓 名 （ 徐獻(xiàn)靈 論文節(jié)選， 僅 作格式樣文 ） 專(zhuān) 業(yè) 年級(jí)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 完成日期 2021 年 4 月 摘 要 隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字媒 體 的 安全問(wèn)題正日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。 本文 的 成果在于 將空域信息隱藏算法和變換域信息隱藏算法相結(jié)合，提出了一種 基于 圖像 置亂 和 融合的 DCT 域 圖像信息隱藏技術(shù) ，實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明，該隱藏技術(shù)具有較大的信息嵌入量和良好的隱藏效果，對(duì)常見(jiàn)的圖像處理操作，具有一定程度的魯棒性。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。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。對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，要求有不同的穩(wěn)健性。 在許多文獻(xiàn)中，隱寫(xiě)術(shù)也被稱(chēng)為信息隱藏技術(shù)，而數(shù)字水印技術(shù)作為一個(gè)單獨(dú)的技術(shù)提出來(lái)。目前互聯(lián)網(wǎng)上可以免費(fèi)下載到多種隱寫(xiě)上具，如 Hide and Seek wbStego2等。 早在 2021 年初，美國(guó)報(bào)紙《 USA TODAY3》就曾刊登文章，指出本 另外，一些國(guó)家的警方也曾在恐怖組織的計(jì)算機(jī)內(nèi)查獲大量可疑圖像和視頻文件，據(jù)分析可能藏有與恐怖活動(dòng)有關(guān)的信息。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。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, IHW）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)范 [5]，標(biāo)志著一門(mén)新興的交叉學(xué)科 ——信息隱藏學(xué)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。適用的技術(shù)包括將 LSB 嵌入法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。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。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 [10]。 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。 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。 2. 圖像信息隱藏技術(shù) 介紹： 數(shù)字圖像處理的基本概念和知識(shí) ， 空域隱藏算法 ，變換域隱藏算法 。 文中 著重討論了 兩幅數(shù)字 圖像的融合 及其應(yīng)用。 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。 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) 。 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 [21]。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。%$%$%^*amp。%$%$%^*amp。我們稱(chēng)待隱藏的信息為秘密信息 (secret message)，它可以是版權(quán)信息或秘密數(shù)據(jù)，也可以是一個(gè)序列號(hào)；稱(chēng)公開(kāi)信息為載體信息 (cover message)，如數(shù)字圖像、聲音、視頻等。 提取過(guò)程是指利用提取算法從接收到的、可能經(jīng)過(guò)修改的 隱藏對(duì)象 中恢復(fù)秘密信息，提取過(guò)程中可能需要 掩體對(duì)象 的參與，也可能不需要，通常前者稱(chēng)為非盲提提取密鑰 嵌入密鑰 嵌入過(guò)程 提取過(guò)程 密鑰生成器 嵌入對(duì)象 掩體對(duì)象 隱藏分析者 嵌入對(duì)象 掩體對(duì)象 隱 藏對(duì)象 廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 取，后者稱(chēng)為盲提取。 信息隱藏的主要分支 信息隱藏的四個(gè)主要分支包括：隱蔽信道 （ Covert channel） 、匿名通信 （ Anonymity） 、隱寫(xiě)術(shù) （ Steganography） 和版權(quán)標(biāo)識(shí) （ Copyright marking） [27]。日前電子商務(wù)中，一般用數(shù)字簽名和身份認(rèn)證來(lái)保證。 第 3 章 圖像信息隱藏技術(shù) 11 第 3 章 圖像信息隱藏技術(shù) 目前信息隱藏研究中使用的載體信息有幾種：文本、圖像、語(yǔ)音信號(hào)、視頻信號(hào)和應(yīng)用軟件?；诳沼蛐畔㈦[藏算法 中 的典型算法是 LSB 算法，該算法的主要特點(diǎn)是在載體圖像中嵌入的隱藏信息數(shù)據(jù)量大，但是嵌入位置固 定，安全性差，嵌入的隱藏信息易被破壞，魯棒性不高；基于變換域信息隱藏算法中的典型算法是離散余弦變換域的信息隱藏算法，該算法嵌入信息能夠抵御多種攻擊，具有較好的魯棒性，并且嵌入方式多種多樣，增加了攻擊者提取的難度，具有一定的安全性，但是該類(lèi)算法嵌入的隱藏信息數(shù)據(jù)量較小，不適合于進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的隱蔽通信。視覺(jué)廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 是人類(lèi)從大自然中獲取信息的最主要的手段。 一幅圖像包含了它所表示的物體的有關(guān)信息，在較廣的定義下，圖像也包括人眼不能感知的各種 “表示 ”。另一個(gè)子集為光學(xué)圖像（ optical image），即用透鏡、光柵和全息技術(shù)產(chǎn)生的圖像。 圖像的另一個(gè)子集是由連續(xù)函數(shù)和離散函數(shù)組成的抽象的數(shù)學(xué)圖像，其中后一種是能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字圖像 （ digital image ） 。 圖 像 物 體 可見(jiàn)的圖像 圖 片 照片 圖 畫(huà) 光學(xué)圖像 不可見(jiàn)的物理圖像 模擬圖像 數(shù)學(xué)圖像 數(shù)字圖像 第 3 章 圖像信息隱藏技術(shù) 13 ??????????361271731276117225217398178220217 圖 灰度圖像及其函數(shù)表示 日常見(jiàn)到的圖像多是連續(xù)的，有時(shí)又稱(chēng)之為模擬圖像，即 f、 x 和 y 的值可以是任意實(shí)數(shù)。這里 I、 r、 c 的值都是整數(shù)。采樣就是用一個(gè)有限的數(shù)字陣列來(lái)表示一幅連續(xù)的圖像，陣列中的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)?“采樣點(diǎn) ”，又稱(chēng)為圖像基元（ picture element），簡(jiǎn)稱(chēng)為像素（ pixel）。 1. 圖像的采樣 圖像采樣的常見(jiàn)方式是均勻的矩形網(wǎng)格，如圖 所示，將平面 (x,y)沿 x 方向和 y 方向分別以 Δx 和 Δy 為間隔均勻地進(jìn)行矩形的劃分，采樣點(diǎn)為 yjy ???? xix 于是連續(xù)圖像 fc(x,y)對(duì)應(yīng)的離散圖像 fd (x,y)可表示為 ??? ????? 0 , ),(),( yiyxixyxfyxf cd 圖像采樣時(shí)必須滿足下面的二維采樣定理（ Nyquist 圖像采樣定理）： 對(duì)于二維有限帶寬信號(hào) fc(x,y)，如果其二維傅立葉變換只在 cUu? 和 cVv? 的范圖 典型的矩形網(wǎng)格采樣方式 廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 圍內(nèi)不為零，那么采樣間隔必須滿足 21 ,2 1 cc VyUx ????，這樣才能保證信號(hào)可以重構(gòu)。根據(jù)人眼的 視覺(jué)特性，為了使量化后恢復(fù)的圖像具有良好的視覺(jué)效果，通常需要 100多個(gè)量化等級(jí)。把真實(shí)值 f和量化值 f Si之差稱(chēng)為量化誤差。另一種量化方法是非均勻量化，它是依據(jù)一幅圖像具體的灰度值分布的概率密度函數(shù)，按總的量化誤差較小的原則來(lái)進(jìn)行量化。數(shù)字化之后的圖像用一個(gè)矩陣表示 )],(g[ yxg ? 式中 x、 y 是 整數(shù)，且 NyMx ???? 1 ,1 ，表示矩陣的大小為 MN。 數(shù)字圖像的灰度直方圖 灰度直方圖是數(shù)字圖像的重要特征之一。在圖像處理中常用的是歸一化的直方圖 )(krp 。如圖 所示，為具有某個(gè)固定色彩的顏色三角形表示。數(shù)字圖像信息隱藏系統(tǒng)中也必須對(duì)隱藏算法中得到的隱密公開(kāi)圖像和解密算法中得到的恢復(fù)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，對(duì)圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法工程中采用的還是主觀評(píng)價(jià)法，在一些特定應(yīng)用背景，如圖像復(fù)原中，才采用定量分析。 PSNR 的表達(dá)式為 ? ?? ? ?????MxNyyxfyxgNMPS N R1 12)],(),([2 5 62 5 6lg10 （ 34） 單位是 dB，峰值信噪比 PSNR 越大，說(shuō)明圖像的保真度越好，兩幅圖像越相似。 2. 圖像的主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法 主觀評(píng)價(jià)方法 就是讓一群觀察者根據(jù)一些事先規(guī)定的評(píng)價(jià)尺度或自己的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)測(cè)試圖像按視覺(jué)效果提出質(zhì)量判斷，并給出質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對(duì)所有觀察者給出的分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)平均，所得的結(jié)果即為圖像的主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)。 表 主觀質(zhì)量測(cè)量尺度 3. 新的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法 ?????? ?????? 空域（ Spatial Domain） 隱藏 算法 空域隱藏技術(shù)是指將秘密信息嵌入數(shù)字圖像的空間域中，即對(duì)像素灰度值進(jìn)行修改以隱藏秘密信息。顯然， LSB 隱藏算法最低位被改變的概率是 50%，它在原始圖像里面引入了極小的噪聲，在視覺(jué)上是不可見(jiàn)的。因此在嵌入數(shù)據(jù)位時(shí)，嵌入的是數(shù)據(jù)位與 1 或 者 0 的異或值。 也可以計(jì)算出在 8 位灰度圖像中進(jìn)行信息隱藏時(shí)的數(shù)據(jù)隱藏率， 8 位灰度圖像的是每個(gè)像素隱藏一個(gè)信息位，每個(gè)像素是由 8 位來(lái)表示，它的 LSB 信息隱藏率為：1/8，可能看出它的結(jié)果與 24 位圖像相同，同樣改變兩位或三位也與 24 位圖像相同。因?yàn)?LSB算法試圖利用人類(lèi)視覺(jué) 系統(tǒng)的漏洞，而有損壓縮算法所依賴(lài)的，是對(duì)附加噪聲的不敏感性，正是利用它來(lái)減少數(shù)據(jù)量的。 圖 原來(lái)的 Lena 灰度圖 圖 隱密的 Lena 灰度圖 基于統(tǒng)計(jì) 的信息隱藏 基于統(tǒng)計(jì)的信息隱藏技術(shù)也是空域算法的重要分支，它對(duì)圖像的一些特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來(lái)表示要隱藏的信息。 比較常用的是離散傅立葉變換（ DFT）、離散余弦變換（ DCT）和離散小波變換（ DWT）等，它們主要是通過(guò)修改載體圖像某些指定的頻域系數(shù)來(lái)嵌入數(shù)據(jù)。 變換域算法的 優(yōu)點(diǎn) 由于變換域信息隱藏技術(shù)是在頻域嵌入信息，因此它有頻域所固有的抗攻擊和變換的能力，使這一隱藏方案對(duì)比例變化、 JPEG 壓縮、抖動(dòng)、剪輯、打印 /掃描以及合謀攻擊都具有很好的魯棒性。文獻(xiàn) [57]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上，文獻(xiàn) [58]利用傅里葉變換的可加性和圖象去噪原理 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（ DCT）的圖像信息隱藏算法 早在上世紀(jì)末， Cox 等人較早地提出了基于 DCT 域信息隱藏方法 [59]。 基于離散小波變換 (DWT)的圖像信息隱藏算法 小波分析（ Wavelet Analysis）是自 1986年以來(lái)由 等的奠基工作而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科 [64]，并迅速應(yīng)用到圖像和語(yǔ)音分析等眾多領(lǐng)域的數(shù)學(xué)工具，是繼 110 多年前建立傅立葉（ Joseph Fourier）分析之后的一個(gè)重大突破。 基于離散余弦變換（ DCT）的圖像信息隱藏算法 離散余弦變換，簡(jiǎn)稱(chēng) DCT（ Discrete Cosine Transform），是指將一組光強(qiáng)數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換成頻率數(shù)據(jù)，以便得知強(qiáng)度變化的情形。在傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中，如果被展開(kāi)的函數(shù)是實(shí)偶函數(shù)，那么，其傅里葉級(jí)數(shù)中只包含余弦項(xiàng)，再將其離散化可導(dǎo)出離散余弦變換。1,1,0, ?????????? NvyMux 0, 0 1)(),( 21 ?????? vuu ,v vCuC 二維離散余弦變換的正反變換核相同，且是可分離的 。 DCT 變換的基本思路是將圖像分解為 88 的子塊或 16 16 的子塊，并對(duì)每一個(gè)子塊進(jìn)行單獨(dú)的DCT 變換，然后對(duì)變換結(jié)果進(jìn)行量化、編碼。 廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 24 圖 JPEG 壓縮流程圖 （ 1） 顏色模式轉(zhuǎn)換及采樣 RGB 色彩系統(tǒng)是最常用的表示顏色的方式，目的是為了配合計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備，但是 RGB 三分量的關(guān)聯(lián)性高，無(wú)形中造成存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。這種矩陣在 JPEG 中被稱(chēng)為MCU(Minimum Code Unit) 。經(jīng)過(guò)量化階段后，所有數(shù)據(jù)只保留整數(shù)近似值，也就再度損失了一些數(shù)據(jù)內(nèi)容，量化是圖像質(zhì)量下降的最主要原因，但是它并不影響圖像給人的視覺(jué)效果，只是一些對(duì)人的視覺(jué)冗余的數(shù)據(jù)被丟棄。 數(shù)字 圖像置亂技術(shù)概述 數(shù)字圖像置亂框圖 數(shù)字圖像的置亂技術(shù)是指發(fā)送方借助數(shù)學(xué)或其他領(lǐng)域的技術(shù)，對(duì)一幅有意義的數(shù)字圖