【正文】 要特征之一。另一種量化方法是非均勻圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計 第 17 頁 共 51 頁 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進行量化。根據(jù)人眼的視覺特性，為了使量化后恢復(fù)的圖像具有良好的視覺效果，通常需要 100 多個量化等級。 圖像的數(shù)字化處理 實際的圖像具有連續(xù) 的形式，但必須經(jīng)過數(shù)字化變成離散的形式，才能在計算機中存儲和運算。 物體 圖 像 數(shù)學(xué)圖像 可見圖像 不可見圖像 模擬 數(shù)字 圖片 光學(xué)圖像 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計 第 15 頁 共 51 頁 客觀世界在空間上是三維的，但一般從客觀景物得到的圖像是二維的。由此可見，視覺信息對人類非常重要。在國內(nèi) 15種有關(guān)圖像工程的重要中文期刊中關(guān)于圖像和信息隱藏的文獻，20xx年有 49篇， 20xx年有 57篇， 20xx年有 48篇，信息隱藏已成為圖像技術(shù)中的一個重要研究熱點。 (7)抗否認機制 抗否認機制一般用在電子商 務(wù)中，這是保證一些個體或單位不能否認自己曾經(jīng)產(chǎn)生的一些行為。 (4)數(shù)字作品的版權(quán)保護 現(xiàn)代信息社會，各種數(shù)字服務(wù)，如數(shù)字圖書館、數(shù)字電視、數(shù)字新聞等，為圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計 第 12 頁 共 51 頁 人們的工作、學(xué)習(xí)和生活 帶來了方便和快捷。 信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用 信息隱藏技術(shù)在政府、軍事情報部門、銀行系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，廣泛應(yīng)用于通信保密、數(shù)字作品的版權(quán)保護、商務(wù)活動中的票據(jù)防偽、驗證資料的 完整性等方面。隱蔽性包括視／聽覺隱蔽性和統(tǒng)計上的隱蔽性，意味著監(jiān)控者無法察覺，所以最重要；隱蔽通信往往高傳輸率，戰(zhàn)爭狀態(tài)下還要求實時傳送，故嵌入量其次；隱寫通常應(yīng)用于無擾信道，所以對穩(wěn)健性的要求最低。嵌入量考慮的是傳輸?shù)男畔⒘俊? 信息隱藏系統(tǒng)的基本屬性 信息隱藏系統(tǒng)有三個基本屬性包括：不可感知性、魯棒性和嵌入量。我們稱待隱藏的信息為秘密信息 (secretmessage)，它可以是版權(quán)信息或秘密數(shù)據(jù)，也可以是一個序列號；稱公開信息為載體信息 (cover message)，這種信息隱藏過程一般由密鑰 (Key)來控制，通過嵌入算法 (Embedding algorithm)將秘密信息隱藏于公開信息中形成隱蔽載體 (stego cover)，隱蔽載體則通過信道 (Communication channel)傳遞，然后檢測器 (Detector)利用密鑰從隱蔽載體中恢復(fù) /檢測秘密信息 嵌入密鑰 提取密鑰 掩體對象 嵌入對象 隱藏對象 嵌入對象 掩體對象 隱藏分析者 圖 信息隱藏系統(tǒng)的一般模型 101100101010101001110011111101010101 1 加密 ?。?%amp。 圖 信息加密示意圖 信息隱藏則是把一個有意義的信息隱藏在另一個稱為載體的普通信息中得到隱密載體，然后通過普通信息的傳輸來傳遞秘密信息。 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間或空間冗余性和人對信息變化的掩蔽效應(yīng)。文章介紹了信息隱藏技術(shù)的基本知識和圖像信息隱藏的常用算法，像信息隱藏技術(shù)，并且運用 量的實驗測試，對該方法的性能進行檢驗分析，表明該方法具有一定的優(yōu)點?；趫D像位平面復(fù)雜度估計和統(tǒng)計濾波實現(xiàn)隱蔽信息檢測的技術(shù)則是國內(nèi)學(xué)者在隱寫分析方面較早發(fā)表的成果。 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計 第 4 頁 共 51 頁 在國內(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)有相當一批有實力的科研人員和機構(gòu)投入到這一領(lǐng)域中。一些隱寫算法被開發(fā)成工具，其中有數(shù)以百計的隱寫軟件可在互聯(lián)網(wǎng)上獲得。 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 出于對知識產(chǎn)權(quán)保護和信息安全的需求，上世紀 90年代以來，國內(nèi)外開始對信息隱藏技術(shù)投入了大量的關(guān)注和研究。 信息隱藏技術(shù)的發(fā)展，為社會提供一種新的隱蔽通信手段的同時也帶來了新的威脅。數(shù)字水印的主要目的不是限制對媒體的訪問，而是確保媒體中的水印不被篡改或消除。隨著計算機性能的大幅度提高，軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，加密算法的安全性受到了嚴重 挑戰(zhàn)。借助于計算機網(wǎng)絡(luò)所提供的強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、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傳遍全球。 因此，在全球聯(lián)網(wǎng)的形勢下，網(wǎng)絡(luò)信息安全非常重要，一個國家信息系統(tǒng)的失控和崩潰將導(dǎo)致整個國家經(jīng)濟癱瘓，進而影響到國家安全。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方式：將機密信息嵌入到公開的圖像、視頻、語音及文本文件等載體信息中，然后通過公開信息的傳輸來傳遞機密信息。這些改變包括常見的圖像處理 (如數(shù)據(jù)壓縮、低通濾波、圖像增強、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。它包括了數(shù)字隱寫與隱寫分析兩個方面。目前，己支持或開展信息隱藏研究的機構(gòu)既有政府部門，也有大學(xué)和知名企業(yè)。近年來的一些研究成果包括 Memon等基于圖像和音頻質(zhì)量測度的隱寫檢測技術(shù)，以及 Westfeld針對 MP3Steg等幾種隱寫算法進行的低嵌入量隱寫分析。第六屆(CIHW20xx4)于 20xx年 8月上旬在哈爾濱工業(yè)大學(xué)召開，聚集國內(nèi)眾多從事多媒體信息安全技術(shù)研究的專家學(xué)者，就多媒體信息安全技術(shù)及數(shù)字版權(quán)保護技術(shù)等領(lǐng)域的最新研究成果展開研討，經(jīng) 42位專家評審，從近 150篇論文中評審出 78篇組成論文集，發(fā)表在哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報增刊上?？偟膩碚f，信息隱藏技術(shù)尚未發(fā)展到完善實用的階段，仍有不少技術(shù)性問題需要解決。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。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感覺，使人的感覺變得不靈敏、不準確，這就是視覺掩蔽效應(yīng)。 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，即先對消息 M加密得到密文 C，再把 C隱藏到載體 S中，如圖 所示。*amp。只有將秘密信息隱藏到載體數(shù)據(jù)中進行傳輸，才有可能起到保護作用，所以不可感知性是秘密信息安全傳輸?shù)那疤?。在轉(zhuǎn)化方面，增加密文信號的冗余或帶寬會提高魯棒性，而這是以犧牲嵌入量為代價。 圖 信息隱藏的主要分支 信息隱藏的四個主要分支包括：隱蔽信道 (Covert channel)、匿名通信(Anonymity)、隱寫術(shù) (Steganography)和版權(quán)標識 (Copyright marking)。 (2)匿名技術(shù)通信 匿名技術(shù)是不暴露身份和個人特征的一種技術(shù)，該技術(shù)主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。目前，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于 MP3和網(wǎng)上圖像的版權(quán)保護。這時我們可以采用信息隱藏技術(shù)，在交易雙方的任何一方發(fā)送或者接收信息時，必須把自己的數(shù)字簽名和身份信息、以二進制的方式嵌入到要傳遞的信息中去。 本章首先介紹了圖像的定義和類型，圖像的數(shù)字化處理過程，灰度直方圖的概念和作用，常用的顏色模型，討論了圖像質(zhì)量評價方法；然后討論了兩種空域隱 藏算法： LSB替換算法和基于統(tǒng)計的信息隱藏算法；接著介紹了變換域隱藏算法的原理和優(yōu)越性，在此基礎(chǔ)上討論了基于離散傅里葉變換的圖像信息隱藏算法、基于離散余弦變換 (DCT)的圖像信息隱藏算法、基于離散小波變換的圖像信息隱藏算法，對基于離散余弦變換 (DCT)的圖像信息隱藏算法做了詳細的論述，給出了算法流程、程序和實例效果。圖像可根據(jù)其形式或產(chǎn)生方法來分類。為了便于計算機處理和存儲，需要將連續(xù)的圖像在坐標空間 XY和性質(zhì)空間 F都離散化。采樣時要滿足“采樣定理”。 F2 F0 F1 圖 量化示意圖 將連續(xù)圖像的像素值分布在 [f1,f2]范圍內(nèi)的點的取值量化為 f0，稱之為灰度值和灰階。 3．數(shù)字圖像的表示 經(jīng)過采樣和量化操作，就可以得到一幅空間上表現(xiàn)為離散分布的有限個像素，灰度取值上表現(xiàn)為有限個離散的可能值的數(shù) 字圖像。顯然 0≤ k≤ L1， 0≤ Nk≤n1， n為圖像總的像素數(shù)目。提出了基于空域直方圖、頻域直方圖的無損數(shù)據(jù)隱藏方法。 (0,0,0)為黑色， (1,1,1)為白色。在 HSV顏色模型中，每一種顏色和它的補色相差 180度。 色濃 白 純色 色調(diào) 灰 色深 黑 圖 顏色三角形 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計 第 21 頁 共 51 頁 圖像質(zhì)量評價 圖像質(zhì)量評價的研究是圖像信息工程的基礎(chǔ)技術(shù)之一。因此，對圖像質(zhì)量的評價方法工程中采用的還是主觀評價法，在一些特定應(yīng)用背景，如圖像復(fù)原中，才采用定量分析。 2．圖像的主觀質(zhì)量評價方法 主觀評價方法就是讓一群觀察者根據(jù)一些事先規(guī)定的評價尺度或自己的經(jīng)驗，對測試圖像按視覺效果提出質(zhì)量判斷，并給出質(zhì)量分數(shù)，對所有觀察者給出的分數(shù)進行加權(quán)平均，所得的結(jié)果即為圖像的主觀質(zhì)量評價。 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計 第 23 頁 共 51 頁 2．基于視覺興趣的圖像質(zhì)量評價方法 從視覺心理學(xué)角度看，視覺是一種積極的感受行為，不僅與生理因素有關(guān)，還在相當大的程度上取決于心理因素。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，在視覺上是不可見的。對于許多變換，即使是有益的，也都是很脆弱的。 Bander等人提出的 Patchwork算法是一種基于統(tǒng)計特性的信息隱藏算法。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，它們主要是通過修改載體圖像某些指定的頻域系數(shù)來嵌入數(shù)據(jù)。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，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動盲水印算法。 基于壓縮標準模型的信息隱藏算法可以很好的解決與這些標準的兼容問 題，增強抵抗有損壓縮攻擊的能力。早在上世紀末， COX等人較早地提出了基于 DCT域信息隱藏方法。定義大小為 M N的圖像 f(x,y)的二維離散余弦變換 F(u,v)為： N vyM uxyxfvCuCMNvuF Mx Nv 2 )12(c o s2 )12(c o s),()()(2),( 10 10 ?? ??? ? ??? ?? （ 36） 二維離散余弦反變換 (2DIDCT)f(x,y)為： N vyM uxvuFvCuCMNyxf Mu Nv 2 )12(c o s2 )12(c o s),()()(2),( 10 10 ?? ??? ? ??? ?? （ 37） DCT變換相當于將圖像分解到一組不同的空間頻率上， F(u,v)即為每一個對應(yīng)的空間頻率成分在原圖像中所占的比重；而 反變換則是一個將這些不同空間頻率上的分量合成為原圖像的過程，變換系數(shù) F(u， v)在這個精確、完全的重構(gòu)過程中規(guī)定了各頻率成分所占分量的大小。然而秘密信息嵌入在這個位置，在隱密圖像受到有損壓縮等攻擊后，秘密信息受到的攻擊很小，魯棒性較好。若用于保密通信，由于更注重隱藏信息的隱蔽性，以及隱藏信息容量， 則可以利用低中頻帶作為 DCT域信息嵌入?yún)^(qū)域。 源圖像的 8 8 數(shù)據(jù)塊由 64 個像點構(gòu)成， 64 個像點實質(zhì)上就是 64 個離散信號，輸入后被分成 64 個正交基信號。 水印的嵌入 (1)首先對原始圖像進行 DCT 變換。由于視覺上重要的分量是圖像信號的主要成分，圖像信號的大部分能量都集中在這些分量上，在圖像有一定失真的情況下，仍然能保留主要成分，即視覺上重要的分量的抗干擾能力較強，因此將數(shù)字水印嵌入到這些分量上，可以獲得較好的魯棒性。 圖 未受攻擊的含水印圖像提取的水印與原始水印圖像比較 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計 第 33 頁 共 51 頁 相似度和峰值信噪比計算 根據(jù)相似度的值即可判斷圖像中是否含有水印信號，從而達到版權(quán)保護的目的。為了衡量經(jīng)過處理后的影像品質(zhì)，我們通常會參考 PSNR 值來認定某個處理程序夠不夠令人滿意。 圖 加入白噪聲之后的圖像提取出來的水印與原始水印比較 高斯低通濾波 對水印圖像進行高斯低通濾波，圖像依然清晰，這說明水印對這種攻擊的魯棒性比較強，攻擊試驗效果如圖 所示。采用較大的子塊可以明顯減少圖像分塊效應(yīng)，但隨著子塊尺寸的增加，算法的復(fù)雜度急劇