【文章內(nèi)容簡介】 ：信息隱藏技術(shù)中對含密信息的 分析者 （ 攻擊者 ） 的目的是檢測出 信息隱藏 事實的存在甚至破譯出秘密信息 ，其側(cè)重點是檢測出 信息隱藏 事實的存在。攻擊者分為主動攻擊者和被動攻擊者，被動攻擊者的目的是檢測出 信息隱藏 事實的存在，而主動攻擊者不僅要檢測出 信息隱藏 事實的存在，還要破壞通過他們手中的所有可能加入了秘密信息的信息，甚至在該信息中嵌入自己的信息，以欺騙秘密信息的接受者。 在這個系統(tǒng)構(gòu)成圖中，右端向下的虛線箭頭表示在從“含密信息”中提取秘密信息時，可能需要原始的掩護信息，這樣的嵌入算法通常稱為“非盲的嵌入算法 ” 或“非盲的隱寫方案 ”、 “非盲的提取 ”； 否則稱為“盲的嵌入算法 ”、“ 盲提取算法”等等。向右的虛線箭頭表示， 非秘密的接受者所見到或聽到的與掩護信息視覺或聽覺一致的含密信息。 信息隱藏技術(shù)的主要特性 在統(tǒng)一了上面的基本術(shù)語后，現(xiàn)在可以闡述 信息隱藏技 術(shù)的特性。根據(jù) 信息隱藏技 術(shù)的目的和技術(shù)要求，它有如下一些特性 ： 1) 不可感知性 （ Imperceptibility） 。包括不可見性 （ Invisibility） 和不可聽性（ In audibility） ，指利用人類視覺系統(tǒng)或人類聽覺系統(tǒng)屬性，經(jīng)過一系列信息隱藏技 術(shù)處理，含密信息必須沒有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象，而隱藏的秘密信息無法人為地看見或聽見，也即人的視覺或聽覺覺察不出掩護信息與 含密信息的差別。這是 信息隱藏技術(shù)中 最根本的特性和要求。 對于圖像信息隱藏領(lǐng)域來說，不可感知性即不可見性。 2) 不可檢測性 （ Undetectability） 。 指含密信息與掩護信息具有一致的數(shù)學特性，如具有一致的統(tǒng)計噪聲分布等，使非法攔截者即使通過數(shù)據(jù)特性的數(shù)學分析也無法判斷是否有隱藏信息。 3) 魯棒性 （ Robustness） 。也稱免疫性 （ Immunity） 。指抗拒因含密信息文件的某種改動而導致隱藏的秘密信息丟失的能力。所謂改動包括 ： 傳輸過程南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 7 中的信道噪音、濾波操作、重采樣、剪切、有損編碼壓縮、 D/A 或 A/D轉(zhuǎn)換等。 4) 非對 稱性 （ Asymmetry） 。在某些場合， 信息隱藏技術(shù) 的目的是為了將一些數(shù)據(jù)嵌入掩護信息 （ 此時稱為宿主信號更符合實際 ） 中，而不希望增加數(shù)據(jù)訪問的難度。因此希望采用非對稱的隱藏數(shù)據(jù)編碼，來保證不使存取難度增加。 5) 自恢復性。經(jīng)過一些操作或變換后，可能使含密信息產(chǎn)生較大的破壞，如果只從留下的片段數(shù)據(jù)，仍能恢復隱藏信號，而且恢復過程不需要宿主信號，這就是所謂的自恢復性。 由于篇幅和研究時間有限，本文主要討論圖像信息隱藏技術(shù)中的不可見性、不可檢測性和魯棒性。 信息隱藏系統(tǒng)的分類 信息隱藏技術(shù)與傳統(tǒng)的密碼學相結(jié)合， 不僅可以保持信息隱藏技術(shù)原有的優(yōu)勢，還可以進一步提高信息隱藏系統(tǒng)的機密性與安全性。 在學術(shù)界 ， 信息 隱藏 系統(tǒng) 從與密碼學結(jié)合的角度上看可以分為三種： 無密鑰信息隱藏系統(tǒng)、私鑰信息隱藏系統(tǒng)和公鑰信息隱藏系統(tǒng)。 無密鑰信息隱藏系統(tǒng) 如果一個信息 隱藏 系統(tǒng)不需要預先交換一些秘密信息 （ 如隱藏用的密鑰 ） ，我們就稱之為無密鑰信息隱藏系統(tǒng)。在數(shù)學上嵌入過程可描述為一個映射CMCE ??: ，這里 C 是所有可能的掩護信息 （ 掩護媒體 ） 集合， M 是所有可能秘密信息的集合。提取過程也看作一個映射 MCD ?: ，是從掩護信息中提取秘密信息。顯然，必須滿足 MC? 。發(fā)送和接收雙方都必須能夠得到嵌入算法和提取算法，但這些算法不能對外公布 ，否則任何人都能通過算法輕易獲得秘密信息，從而使信息隱藏系統(tǒng)失去了意義。 私鑰信息隱藏系統(tǒng) 如果一個隱蔽通信系統(tǒng)不需要預先交換一些秘密信息 （ 如隱藏用的密鑰 ） ， 則稱之為無密鑰隱蔽通信系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)的安全性就完全依賴于它自己的保密性。這違反了 Kerckoffs 的準則 ： 假設(shè)對手知道數(shù)據(jù)加密的方法，數(shù)據(jù)的安全性 必須依賴于密鑰的選擇。于是，無密鑰隱蔽通信系統(tǒng)在現(xiàn)實中是很不安全的。一個信息隱藏系統(tǒng)的安全性應該僅依賴于發(fā)送方和接收方的隱寫密鑰。不知道這個密鑰，任何人不能從含密信息中提取秘密信息。 一個私鑰信息隱藏系統(tǒng)類似于私鑰密碼，發(fā)送者選擇一個掩護信息 c 并使用南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 8 密鑰 k 將秘密信息嵌入到 c 中。如果嵌入過程中使用的密鑰對接收者來說是已知的，則他就可逆向操作這個過程并提取秘密信息，而不知道這個密鑰的任何人都不可能得到被隱藏信息的證據(jù)。另外，掩護信息 c 和含密信息之間感覺上是相似的。 私鑰信息隱藏系統(tǒng)的數(shù)學描述： 對于一個五元組 ? ??? KK EDKMC , ，其中 C 是所有可能掩護信息的集合， M 是所有可能秘密信息的集合，且滿足 MC? ，K 是所有可能密鑰的集合， CKMCE K ???: 是嵌入函數(shù)， MKCDK ??: 是提取函數(shù) ， 若滿足性質(zhì) ： 對所有 CcMm ?? , 和 Kk? ，恒有 mkkmcED KK ?)),(( ，則稱該五元組為私鑰信息隱藏系統(tǒng)。 公鑰 信息隱藏系統(tǒng) 就像公鑰密碼系統(tǒng)一樣，公鑰信息隱藏系統(tǒng)不依賴于密鑰的交換。公鑰信息隱藏系統(tǒng)需要使用兩個密鑰 ： 一個私鑰和一個公用鑰。公鑰存儲在一個數(shù)據(jù)庫中，并且公鑰用于信息嵌入過程，而私鑰用于重構(gòu)秘密信息。 建立公鑰信息隱藏系統(tǒng)的一種方式是使用公鑰密碼系統(tǒng)。我們假設(shè)發(fā)送者和接收者在通信前已經(jīng)交換好某些公鑰算法的公鑰 （ 這也是一個比較合理的假設(shè) ） 。 公鑰信息隱藏利用這樣一個客觀事實，及隱藏系統(tǒng)里的解碼函數(shù) D 能適用于任何掩護信息 c，而不管它是否己經(jīng)包含秘密 （ 前面已經(jīng)提到 D 是一個作用于整個集合 C 的函數(shù) ） 。在沒有隱藏信息 的情形下，解碼的結(jié)果會是秘密消息集合 M 的一個隨機元素，我們稱之為掩護信息的“自然隨機性 ”。 如果這種自然隨機性與某些公鑰密碼系統(tǒng)產(chǎn)生的密文是統(tǒng)計上不可區(qū)分的，就可以通過嵌入密文 （ 而不是未加密的秘密信息 ） 來建立一個安全的信息隱藏系統(tǒng)。 一個使用公鑰信息隱藏的協(xié)議 已 由 Anderson 在文獻中提出，它依賴于這樣一個事實，即經(jīng)加密的消息具有足夠的隨機性 以至 于可以“躲過明亮的眼睛 ”。 發(fā)送者用接收者的公鑰加密消息，得到一個“外觀隨機”的消息，并將它嵌入到接收者知道的信道 （ 對手或敵方也可能知道 ） 中去，從而替代了每個通信過程 所伴隨的某些“自然隨機性公我們假定加密算法和嵌入函數(shù)是大家都知道的。接收者事先并不能決定秘密信息是否經(jīng)由一個特定的掩護信息傳輸過來，只是猜測可能有秘密信息到來，并試圖用私鑰去提取和解密。如果掩護信息確實含有秘密信息，則解密出來的信息就是發(fā)送者的消息。 由于我們假定對手已經(jīng)知道使用的嵌入方法，他或她也可以試圖去提取由發(fā)送者傳給接收者的秘密信息。然而，如果加密方法產(chǎn)生外觀隨機的密文，則對手將沒有證據(jù)表明提出來的信息是否只是一些隨機的比特。這樣，對手就無法確定提取出來的信息是有意義的還是自然隨機性的一部分，除非他 （ 她 ） 能攻擊這個密碼系統(tǒng)。 一個至關(guān)重要的方面就是接收者必須時刻猜疑隱藏技術(shù)的使用，并試圖對他南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 9 從發(fā)送者接受到的每一個信息進行解密 （ 他也許并不了解發(fā)送者的個性 ） 。如果含密信息不是專門發(fā)給一個特定接收者，而是發(fā)送到一個因特網(wǎng)新聞組，則事情變得 更糟糕。雖然這個協(xié)議在這種情形也可以工作 （ 知識特定的接收者才能解密出秘密信息，因為只有他才有正確的密鑰 ） ，但所有可能的接收者都試圖對每一個接收到的對象進行解密。 Craver 在文獻中使用私鑰信息隱藏系統(tǒng)和公鑰信息隱藏對這個協(xié)議進行擴展來模擬一個無密鑰信息隱藏。當攻擊者知道嵌 入方法時，一個無密鑰信息隱藏協(xié)議不能提供任何安全性，但在絕大數(shù)應用中，無密鑰信息隱藏仍是首選，這是因為通信雙方不需要共享一個隱藏密鑰。通過使用公鑰信息隱藏系統(tǒng)執(zhí)行一個密鑰交換協(xié)議，發(fā)送者和接收者可以共享一個密鑰 k，稍后他們可以在私鑰信息隱藏系統(tǒng)中使用這個密鑰 k。 本章小結(jié) 本章介紹了 圖像信息隱藏技術(shù)中的一些基本概念 ， 包括信息隱藏系統(tǒng)一般構(gòu)成的相關(guān)術(shù)語和信息隱藏技術(shù)的主要特性的一些術(shù)語，并介紹了信息隱藏系統(tǒng)的基本模型和信息隱藏技術(shù)系統(tǒng)在與傳統(tǒng)密碼學技術(shù)相結(jié)合方向的分類。為下一章的研究內(nèi)容奠定了相應的理 論基礎(chǔ)。南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 10 第三章 圖像信息隱藏技術(shù)算法的研究與實現(xiàn) 引言 自 1996 年來，信息隱藏學科誕生以來，信息隱藏技術(shù)發(fā)展十分迅猛。 信息隱藏技術(shù)是本論文研究的基礎(chǔ)和核心，本章主要研究信息隱藏于圖像的算法及相關(guān)問題 。有上一章可知，一個信息隱藏系統(tǒng)的構(gòu)成包括密鑰系統(tǒng)、嵌入系統(tǒng)和提取系統(tǒng)。密鑰系統(tǒng)主要分為 對稱 密鑰 隱藏 系統(tǒng) （ 秘密信息在掩護信息中的嵌入和提取采用相同的密鑰 ） 和公鑰隱藏 系統(tǒng)。本文主要研究對稱密鑰隱藏系統(tǒng)，并結(jié)合偽隨機序列實現(xiàn)。 嵌入系統(tǒng)和提取系統(tǒng)是相對應的，提取算法應根據(jù)相應的嵌入算法進行設(shè)計，才能正確提 取秘密信息。目前信息隱藏技術(shù)的嵌入和 提取 的算法有很多，但歸結(jié)起來主要是 兩類典型 算法：空間域 算法和 變換域 算法。 圖像 載體 具有較大的冗余空間來隱藏信息 ， 大多數(shù)空間域方法具有較大的隱藏信息量（容納性）和不可見性（透明性），但魯棒性（穩(wěn)健性）較差 ；而變換域方法 具有較強的不可見性和魯棒性 ，但 隱藏信息量 相對較小。本文分別從空間域和變換域兩個方向研究不同算法實現(xiàn)信息的隱藏，并使用 Matlab 2020a 軟件進行驗證。 偽隨機序列在信息隱藏技術(shù)中的使用 偽隨機序列概述 從“隨機” 一 詞的本意上看，所謂隨機數(shù)就是 在其產(chǎn)生前 的 任一時刻都是不可捉摸的，不受外界影響的數(shù)。假設(shè)一個序列中的所有數(shù)字都符合這個要求，那么顯然其序列的隨機性能是良好的。換句話說，對一個其隨機數(shù)序列可以這樣定義 ： 1) 能通過所有正確的隨機性檢驗。 2) 序列的產(chǎn)生是不可預知的。 3) 在完全相同的操作條件下得到的序列是不重復的。 在自然界中確實擁有作為隨機數(shù)發(fā)生器能產(chǎn)生滿足這樣定義的現(xiàn)象與實例 ，如布朗運動等。我們 將 這樣的隨機數(shù)稱為真隨機數(shù) （ Real random number） 。 事實上，在實際運用中去得到上述的隨機序列是很困難的，即使得到所 花 費的代價也相當?shù)拇蟆?而且為了便于其他研究的 需 要，隨機數(shù)序列也必須服從一定的概率分布。于是人們便試圖利用計算工具與數(shù)學方法去快速、大規(guī)模地產(chǎn)生隨機數(shù)。這其中最為普遍的算法模式便是迭代： ),(1 tt XEfX ?? 式（ 31） },{ 321 nE ???? ?? 是一個參數(shù)組，用以控制序列的性能。對于序列的第一個南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 11 數(shù) 1X ， 我們引人一個數(shù) sX 使得 ),(1 sXEfX ? 。我們稱 sX 為序列種子 （ Seed） 。由于通過這種方法得到的隨機數(shù)序列并不能完全符合前而的定義，所以我們將其稱為偽隨機數(shù) （ Pseudo random number） 序列。 偽隨機序列與信息嵌入位的選擇 前面我們討論了對偽隨機序列進行了概述，接著我們討論偽隨機系列在信息隱藏技術(shù)中的一個應用方面 —— 信息嵌入位的選擇。之所以要討論這個問題，是因為我們發(fā)現(xiàn)隨機序列的知識與具體的隱藏算法有著密切的聯(lián)系，甚至決定著隱藏效果的好壞。如對于盲嵌入水印，其水印 本身就是一個隨機序列構(gòu)成的信號，水印的區(qū)別完全由序列種子（ Seed）決定。在 不知道真實 Seed 的情況下檢測 秘密信息就好比在不知道密鑰的情況下試探性地解密文件一樣，成功的幾率是可以忽略的。 一個品質(zhì)良好的隨機序列可以在信息安全的諸多領(lǐng)域發(fā)揮不可估量的作用。在信息隱藏中，最直接的一個例子就是利用隨機序列控制秘密信息的嵌入規(guī)則。一個沒有隨機序列控制的隱藏算法是沒有安全性可言的。圖 是在順序選取像素點的情況下利用 LSB 空間域算法得到的效果（為了效果明顯，將原始圖像的第 6比特位置為 0），仔細觀察不難發(fā)現(xiàn)在圖像中隱 藏有信息。圖 是由于秘密信息很多短，只占用了載體圖像的一部分像素位而造成的。出現(xiàn)這樣的效果基本上可以認為實驗是失敗的。解決這一問題的方法就是使用為隨機序列將秘密信息打亂嵌入到圖像中，使其不至于在一個局部形成明顯的分界線，如圖 所示。 a 原圖像 b 嵌入秘密信息后 有明顯分界線的 圖像 圖 順序選擇 嵌入位 南京郵電大學 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 12 后無分界線的圖像 圖 偽隨機序列選擇 嵌入位 Krckhoffs 原則是信息安全領(lǐng)域里的一個基本原則，即系統(tǒng)的安全僅僅依賴于密鑰而不是安全算法。同樣還是舉 LSB 算法的例子，如果將信息順序地隱藏到圖像中，那么將不存在密鑰的應用空間。在算法公開的要求下，任何一個人都可以逐一將秘密信息提取，信息隱藏將毫無意義。 所以我們使用隨機序列控制信息嵌入位。