【文章內容簡介】 將受保護信息隱藏在載體信息中，其外在的表現(xiàn)是宿主信息的外部特征，并沒有改變載體信息的商用價值和使用價值。 信息隱藏技術的研究方法 現(xiàn)在典型的信息隱藏技術的基本流程模型如下： 圖 圖 給出了一個安全性基于密鑰的基本的信息隱藏系統(tǒng)。圖中的載 體 A 可以是任何載體 A 秘密信息 隱秘對象 嵌入算法 C 隱藏密鑰 秘密信息 隱秘對象 提取算法 B 載體 A 6 的數(shù)字載體，包括文本、音頻、圖像和視頻等，秘密信息是具有某種特殊用途的二進制代碼，秘密信息在隱藏密鑰的控制下，由嵌入算法 C 將秘密信息嵌入到載體 A 中，而接收端在密鑰的控制下，從隱秘對象中提取隱藏信息，其中圖中的虛線表示提取隱藏信息時并不一定需要原始的載體媒質 A。 通常隱藏信息在嵌入載體之前要經(jīng)過預處理，預處理大體分為兩類：（ 1）出于安全性考慮的置亂；（ 2）以增強魯棒性為目的的擴頻。 本章小結 本章主要介紹了信息隱藏技術的概念、分類和特點，從根本上分析了信息隱藏和加密的區(qū)別，針對信息隱藏的 主要技術進行了介紹，并結合現(xiàn)有的基于圖像的信息隱藏技術，對信息隱藏算法進行了分析，為以后的工作奠定了基礎。 3 基于圖像的信息隱藏方法概述 數(shù)字水印概述 網(wǎng)絡時代，信息安全和版權問題日益受到人們的關注，信息隱藏技術的一個重要分支—— 數(shù)字水印，為解決這些問題提供了一個可研究的方向。 前面已經(jīng)提到過數(shù)字水印技術的概念，它是將具有特定意義的、與載體內容相關或不相關的標記，利用數(shù)字信號處理的方法內嵌、隱藏在多媒體宿主中 【 6】 ?，F(xiàn)實生活中有實際意義的數(shù)字水印一般是被保護的數(shù)字對象（如靜止圖像、視頻、音頻等） 中嵌入某些能夠證明版權歸屬或跟蹤侵權行為的秘密信息，這些秘密信息需要經(jīng)過適當變換再嵌入到數(shù)字產(chǎn)品中，通常稱變換后的秘密信息為數(shù)字水印 【 7】 。而已知圖像為載體的水印稱為圖像水印。 數(shù)字水印的基本原理和模型 目前主要的數(shù)字水印算法包含三個基本方面，即數(shù)字水印的產(chǎn)生、嵌入和檢測。我們在下面將簡要對這三個方面作簡單的介紹。 （ 1）數(shù)字水印的產(chǎn)生 以往的研究中經(jīng)常采用的數(shù)字水印信號常常是基于偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的，還有諸如糾錯編碼水印、擴頻水印、分解、變換和自適應等水印生成方法。通常數(shù)字水印信號的生成過程就 是在密鑰的控制下由原始保密信息、版權信息、認證信息或其他相關的信息生成而適合嵌入到原始載體數(shù)據(jù)中的過程。 7 （ 2）數(shù)字水印的嵌入 在水印的嵌入過程中通常要考慮的問題主要是采用怎樣的方法，在數(shù)據(jù)載體的何種位置上嵌入數(shù)字水印，這是決定算法性能的關鍵所在。 圖 為水印的嵌入過程，輸入信號可以為原始載體數(shù)據(jù)和水印信息，而密鑰用來增強算法的安全性，是為了避免未授權方修改和恢復水印，它是可有可無的，可以根據(jù)具體的應用來設計密鑰，通常只有具有合法密鑰的用戶才能正確的恢復出嵌入信息。原始載體數(shù)據(jù)可以為文本、音頻、視頻和圖 像等，經(jīng)過算法的處理相應的水印信息就被嵌入到載體數(shù)據(jù)中。 （ 3）數(shù)字水印的檢測 水印檢測是水印算法中最重要的步驟。水印的判斷方式有提取和檢測兩種。一般來說，有意義水印常用提取的方法，得到的是與原始水印相似的水印信息；無意義水印通常采用檢測的方法，直接判斷圖像中是否含有指定的水印。 圖 圖 水印信號的檢測模型 水印 載體數(shù)據(jù) 密鑰 嵌入算法 嵌入水印后的數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù)或水印 測試數(shù)據(jù) 水印檢測算法 水 印提取 或存 在的二 值判斷 密鑰 8 數(shù)字水印的特 點 數(shù)字水印技術對于不同的應用范圍及目的可以應用在不同的領域，不同的應用領域對水印算法的要求也各不相同，但是數(shù)字水印還有具有一些共同特征，具體的介紹如下： （ 1）安全性。所謂安全性是指數(shù)字水印抵御非法用戶修改的能力。我們往往希望嵌入的水印不能被第三方輕易地發(fā)現(xiàn)和銷毀。而數(shù)字水印的安全性一般是通過引入密鑰來實現(xiàn)的，對于一個安全的嵌入算法來說應該不能輕易地被未授權用戶破解，除非他擁有在原始圖像中嵌入水印的密鑰。 （ 2）魯棒性也是水印的一個最重要特征。指的是嵌入圖像在經(jīng)過一些數(shù)字信號處理操作后仍然具有能夠檢測到水 印的能力。由于數(shù)字水印完全嵌入在圖像之中，所以對載體圖像所做的攻擊也會導致嵌入水印受到相同攻擊，而數(shù)字水印應該對這些攻擊具有一定的抵抗作用。然而在實際中很難設計出一種方法保證嵌入水印對所有可能的圖像處理和攻擊（例如有損壓縮、濾波、噪聲干擾、旋轉、伸縮、剪切、掃描等操作）都具有魯棒性，所以在實際算法設計中，要求設計的水印方案對其中一些常用的圖像處理具有魯棒性就可以了。 （ 3）可證明性。通常所有者的信息通過水印算法嵌入到被保護的數(shù)據(jù)中，在需要的時可以通過某種方法提取出水印，來為版權提供可靠的證據(jù)。所以數(shù)字水印所 攜帶的信息必須是能夠被唯一地、確定地被鑒別，從而沒有爭議地證明版權，同時判別的準確度即使在嵌入載體遭受一定的攻擊情況下，其證明性不會產(chǎn)生明顯的改變。 （ 4）不可見性。指的是視覺上的不可見性，就是說嵌入水印后的圖像對于觀察者來說不會有較大的變化，理想的是原始圖像與水印圖像肉眼觀察是不易區(qū)分開的，而且攻擊者難以用統(tǒng)計的方法發(fā)現(xiàn)、修改和刪除水印信息。在不損害原始圖像使用價值的基礎上，如果嵌入的水印不易引起視覺的察覺，就認為該水印信息是不可見的。 數(shù)字水印的應用 數(shù)字水印處理技術在目前的主要應用大致可以 分為如下幾類： （ 1）標題和注釋 我們可以將數(shù)字作品的標題、注釋等信息內容以水印形式嵌入到作品之中。采用這種隱式注釋不需要額外的帶寬，且不易丟失。 （ 2）版權保護 如果將數(shù)字作品的所有者通過密鑰作一個水印處理，并將作者的重要信息嵌入到原始數(shù)據(jù)中，然后公開發(fā)布該水印版作品。如果該作品不幸被盜舨或出現(xiàn)版權糾紛時，該作品 9 的所有者可以作品中提取水印信號作為有力證據(jù)，從而保護所有者的權益。當然，這就要求水印信號必須有較好的安全性、穩(wěn)健性和透明性。 （ 3）完整性認證 所謂完整性認證的目的就是檢測被保護的信息是否完好無損 ，在數(shù)字水印技術中通常采用脆弱水印來實現(xiàn)圖像認證。 （ 4）篡改提示 如果當數(shù)字作品被用于商業(yè)、醫(yī)學或新聞時，一般需要確定該數(shù)字作品的內容是否被刪除、修改、偽造和特殊處理過。通常這類水印必須是脆弱的，而且檢測該水印信號時，不需要原始數(shù)據(jù)。 數(shù)字水印的經(jīng)典算法 本節(jié)從水印的空域和變換域的角度介紹一些數(shù)字圖像水印的幾種經(jīng)典算法。 空域嵌入數(shù)字水印算法 由于數(shù)字圖像具有下述特征： (1)水印的數(shù)據(jù)間存在冗余度； (2)圖像像素點問的相關性； (3)變換域的能量集中特性； (4)人眼的視覺特性，所以基于這 些特性可以進行頻域數(shù)字水印嵌入。 下面介紹目前最常用的的幾類空間域嵌入算法，分別如下： （ 1） Patchwork 方法 該方法是一種基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的水印嵌入方案，具體操作如下：把圖像像素分成兩個不同的集合，對其中一個集合像素的亮度改變一個負值，而另外一個集合像素的亮度改變一個相應的正值，這樣整體的圖像亮度將保持不變。如果適當?shù)恼{整參數(shù)，該方法將對壓縮、濾波及剪裁等數(shù)字圖像處理有一定抵抗力，但是用這種方法只能嵌入很有限的信息，這是該方法的一個缺點。 （ 2）最低有效位算法 該算法是一種典型的空間域信息隱藏算法 。 。最低有效 位算法的具體步驟是：使用某種特定的密鑰通過 m 序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機信號，之后按一定的規(guī)則排列成二維水印信號，并按順序插入到原始圖像相應像素值的最低幾位中，相當于在最低位上疊加了一個能量微弱的信號，因而在視覺和聽覺上都難以察覺。最低有效位算法的水印檢測是通過待測圖像與水印圖像的相關運算和統(tǒng)計決策來實現(xiàn)的。最低有效位算法雖然相比 Patchwork 方法可以隱藏較多的信息，但是由于受到它基本原理的限制，所隱藏的水印信息是極為脆弱的，因 10 而容易遭受有損壓縮、量化等攻擊而導致信息丟失，因而無法滿足數(shù)字水印的魯棒性要求，所以， 目前的數(shù)字水印軟件己經(jīng)很少采用最低有效位算法了。 （ 3）紋理塊映射編碼方法。 該方法是將一塊紋理映射到與其相似的紋理上去，所以視覺上不易引起察覺，并且該方法對于濾波、壓縮和扭轉等數(shù)字圖像處理都具有一定的抵抗能力，但是僅適于具有大量任意紋理區(qū)域的圖像，而且不能完全自動完成，需要在人工的操作下完成。 變換域嵌入數(shù)字水印算法 由于變換域中具有能量分布集中的特點，該特點有利于保證水印的不可見性，所以目前絕大部分的水印算法都是在變換域中實現(xiàn)的。 （ 1） DFT 算法 數(shù)學是一種理論工具，而傅立葉變換是一種經(jīng)典而 有效方法。 DFT 算法有利于實現(xiàn)水印的仿射不變性，并且可以利用變換后的相位特性嵌入水印信息。下面提出了兩種 DFT 域的水印算法：（ 1）將水印嵌入到 DFT 系數(shù)的相位信息中；（ 2）實現(xiàn)水印的平移、旋轉和尺度拉伸不變性。 （ 2） DCT 算法 二維 DCT 是數(shù)字圖像壓縮技術 —— JPEG 的核心。因此，在 DCT 域中的信息隱藏，可以有效地抵抗 JPEG 有損壓縮。下一章將重點研究 DCT,此處不再贅述。 （ 3） DWT 算法。 離散小波變換在數(shù)字多媒體信息處理方面對高頻成分采用由粗到細漸進的空域上的取樣間隔，是構造圖像多分辨率的有力工具， 在圖像處理與圖像分析領域正得到越來越廣泛的應用。小波域水印方法的主要優(yōu)點表現(xiàn)在 3 個方面：一是可以保證在“ JPEG— 2021”有損壓縮中水印信息不會被去除；二是可以將圖像編碼研究中關于視覺特性的研究成果用于水印技術；三是有可能提供在壓縮域中直接嵌入水印的方法。 除了上述有代表性的變換域算法外，還有一些變換域水印方法，它們中有相當一不部分都是上述算法的改進及發(fā)展。 兩種嵌入域算法的比較 變換域水印方法與空間域水印方法相比，一般來說，具有如下優(yōu)點。 （ 1）在變換域中嵌入的水印信號能量可以散步到空間域的所有 位置上，有利于保證水印的不可察覺性。 11 （ 2）在變換域，人類視覺系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)的某些特性（如頻率掩蔽效應）可以更方便地結合到水印編碼過程中。 （ 3）變換域的方法可與數(shù)據(jù)壓縮標準相兼容，從而實現(xiàn)在壓縮域內的水印算法，同時，也能抵抗相應的有損壓縮。 本章小結 本章主要介紹了數(shù)字水印的基本理論，包括原理、模型、特點和應用，并簡要介紹了幾種數(shù)字水印的算法，并分析了它們的優(yōu)異。為下一章的工作奠定了基礎。 4 基于 DCT 系數(shù)的信息隱藏算法 現(xiàn)在已知魯棒性較好的隱藏技術都是作用在某種頻域上的，在信號的頻域嵌入隱藏信息比在時域嵌入具有更強的魯棒性。變換域方法比 LSB 方法能夠更好的抵抗攻擊，如裁剪、壓縮或添加噪聲等。它們既能更好的抵抗各種數(shù)字信號處理，又保持了對人類感覺器官的不可察覺性。目前有許多變換域的隱藏方法，例如：可以采用基于傅立葉變換的方法隱藏信息，也可以使用離散余弦 DCT 變換在圖像的頻域中嵌入隱藏信息，或者是基于小波變換的隱藏信息等， Cox 等提出的“擴展頻譜”數(shù)字水印算法， 將水印信息隱藏在圖像的 DCT變換域中，這種方法既滿足了水印的不可感知性又滿足了魯棒性的要求。 離散余弦 DCT 變換 根據(jù)如下數(shù)學定理：任何一個在給定區(qū)間內滿足狄里赫利條件的連續(xù)實對稱 (偶 )函數(shù)，均可展開成僅含有余弦項的傅里葉級數(shù)，我們可以先把一幅圖像擴展成對稱函數(shù)，如果重疊一個圖像元素來折疊成對稱形式，則由此種擴展方法得到的變換稱為奇離散余弦變換；如果圍繞圖像邊界將其折疊成對稱形式，則由此種擴展方法得到的變換稱為偶離散余弦變換。二維偶離散余弦變換 (DCT)的定義如下： 11 ( 2 1 ) ( 2 1 )22200( , ) ( ) ( ) ( , ) c o s [ ] c o s [ ]MN x u y vMNMN xyF u v K u K v f x y ???? ????? ?? 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