（信号与信息处理专业论文）抗rs检测的无损信息隐藏算法研究.pdf

中文摘要 信息隐藏技术是利用多媒体数据的冗余空间在多媒体数据中嵌入秘密信息 或与多媒体数据相关的信息等，但是现有的信息隐藏技术大多数都是有损的。在 医学图像、法律证据和天文研究等对图像质量要求很高的领域，需要使用原始图 像进行研究及做出正确的决定。因此在这些应用领域，把嵌入的信息提取后，要 求图像能够无损恢复，不致于使图像产生误导作用。于是就有了无损信息隐藏技 术的出现与发展。 同时随着信息隐藏技术的发展，信息分析检测技术也在进步，因此为了使信 息隐藏技术更加完善，必须使信息隐藏算法具有一定的抵抗信息分析检测的能 力。 基于以上两点，本文在总结与分析了大量的相关文献与算法的基础上，研究 了具有抵抗r s 分析检测能力的无损信息隐藏技术。本文所做的创新工作如下： ( 1 ) 通过r s 翻转法可以嵌入大量的信息，而且可以实现图像的恢复，但 是这种方法抵抗r s 分析检测的能力比较差，容易分析出图像中秘密信息的存在。 为了克服这一点不足，本文提出了用正负翻转相结合的方法进行信息的嵌入。实 验结果表明，该算法具有很强的抵抗r s 分析检测的能力。 ( 2 ) 通过r s 方法进行信息嵌入时，对像素的翻转幅度有很多种情况，本 文利用人类视觉系统特性，引入了自适应翻转幅度控制方法，使得嵌入信息的效 果比较好，同时该方法也同样具有抵抗r s 分析检测的能力，提取信息后可对图 像进行无损恢复。 关键词：信息隐藏无损信息隐藏r s 分析检测自适应 a b s t r a c t s e c r e tm e s s a g ec a nb eh i d d e ni nt h er e d u n d a n c yo ft h em u l t i m e d i ad a t a h o w e v e rm o s to ft h ee x i s t i n gi n f o r m a t i o nh i d i n ga l g o r i t h m sa r ei r r e v e r s i b l e i n v a r i o u sa p p l i c a t i o n ss u c ha sl a we n f o r c e m e n t ，m e d i c a li m a g e r y , e t c ，t h er e q u i r e m e n t o fi m a g eq u a l i t yi sv e r yh i g h i nt h e s ea p p l i c a t i o n s ，a f t e re x t r a c t i n gt h eh i d d e n m e s s a g e ，t h ec o v e ri m a g es h o u l db er e c o v e r e d t h e r e f o r et h et e c h n i q u eo fl o s s l e s s i n f o r m a t i o nh i d i n gc o m e su pa n dd e v e l o p s m e a n w h i l et h et e c h n i q u eo fd e t e c t i o no fh i d d e nm e s s a g ei sd e v e l o p i n gt o o i n o r d e rt op r o v i d eam o r es e c u r ea l g o r i t h mo fi n f o r m a t i o nh i d i n g ，t h ea l g o r i t h ms h o u l d b ea b l et or e s i s td e t e c t i o n o nt h eb a s eo fs t u d y i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ee x i s t i n ga l g o r i t h m s ，t h i sp a p e rd o e s s o m er e s e a r c ho nl o s s l e s si n f o r m a t i o nh i d i n ga g a i n s tr sd e t e c t i o n a n dt h i s d i s s e r t a t i o nh a st w oi n n o v a t i o n s ： ( 1 ) t h er sa l g o r i t h mc a np r o v i d eh i g hc a p a c i t yo fi n f o r m a t i o n ，a n da f t e r e x t r a c t i n gt h eh i d d e nm e s s a g et h ec o v e ri m a g ec a nb er e c o v e r e d b u ti tc a n n o t r e s i s t t h er sd e t e c t i o na n dt h es e c r e tm e s s a g ec a i lb ee a s i l yd e t e c t e d t os o l v et h i sp r o b l e m ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h en e g a t i v ef l i p p i n ga n dt h ea l g o r i t h mu s e st h et w of l i p p i n g m e t h o d st oe m b e dm e s s a g e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h i sa l g o r i t h mc a nr e s i s tt h er s 【e t e c t i o nw e l l ( 2 ) t h ea m p l i t u d e so ft h ef l i p p i n ga r ed i f f e r e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e h u m a nv i s u a ls y s t e mt oa d a p t i v e l yc o n t r o lt h ea m p l i t u d e so ft h ef l i p p i n g t h er e s u l t s p r o v et h a tt h i sa l g o r i t h mc a nd e t e r m i n et h ee m b e d d i n ga m p l i t u d e sa c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r eo ft h ec o v e ri m a g e a tt h es a m et i m e ，t h i sm e t h o dc a nr e s i s tt h er s d e t e c t i o n k e yw o r d s ： i n f o r m a t i o nh i d i n g ，l o s s l e s si n f o r m a t i o nh i d i n g ，r sd e t e c t i o n ， a d a p a t i v i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蝴 签字日期： 皿d 7 年 6 月l g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 丞盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：勾0 7 年6 月l g 日 导师签名： 张衙 签字日期：矽7 年月驴日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地 提高了信息表达的效率和准确性。随着因特网的日益发展与普及，多媒体信息的 交流已达到了前所未有的深度和广度，其发布形式也越来越丰富。人们可以通过 因特网发布自己的作品、照片等重要信息以及可以进行网络贸易等，但是，信息 安全问题也随之而来：作品的侵权更加容易，篡改更加方便，作品的所有者的权 利不能得到很好的保护。因此如何在充分利用因特网带来的便利的同时，又能有 效地保护信息安全以及作品的知识产权，已经受到了人们的高度重视。 信息隐藏技术的出现与发展为解决上述问题带来了福音。传统的密码技术是 研究如何将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式进行传递，可 能的监测者或非法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密文破坏后再 发送，从而影响机密信息的安全。与传统的密码学不同，信息隐藏技术丰要研究 如何将某一机密信息秘密地隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输 来传递机密信息，可能的检测者或非法拦截者很难从公开信息中判断机密信息是 否存在，难以截获机密信息，从而可以保证机密信息的安全。 近几年，随着信息隐藏技术的发展和实际应用的需要，又出现了无损信息隐 藏技术。在医学图像、法律证据和天文研究等领域，对图像质量要求很高，需要 使用原始图像进行研究及做出正确的决定。因此在这些应用领域，把与图像有关 的信息提取后，要求图像能够无损恢复，这样才能够保证图像的使用价值，同时 也不致于使图像产生误导作用。比如医学图像，为了对患者信息进行保密，同时 又要使患者信息与相关的医学图像匹配，我们可以将有关患者的信息嵌入到患者 医学图像中。因为对图像嵌入信息都会给图像带来或多或少的失真，如果将信息 提取后不对图像进行恢复，那么提取出信息后的图像就与原始医学图像存在差 别，就有可能给医牛错误的引导，从而对患者进行错误的诊断，有可能造成很严 重的后果。使用无损信息隐藏技术就可以很好地解决这一问题。 无损信息隐藏技术成了近些年信息隐藏技术研究的一个热门方向，出现了很 多无损信息隐藏的算法，包括空域的、频率域的，以及使用不同嵌入技术的无损 信息隐藏技术，比如通过修改l s b 位进行信息嵌入、使用差值扩展进行信息嵌 第。一章绪论 入、使用调整直方图方法进行信息嵌入等。 正如有加密技术就有解密技术一样，有信息隐藏技术就有信息隐藏分析技 术。在信息隐藏技术发展的同时，信息隐藏分析技术也在发展，出现不同的分析 检测算法。当检测者或非法拦截者用某种信息隐藏分析方法对公开信息进行分 析，有可能分析出机密信息的存在，甚至分析出所嵌入的机密信息，这样就不 能保证隐藏信息的安全。因此，一种好的信息隐藏算法要能够抵抗信息隐藏分析 算法的分析。目前，这一方面的研究工作也比较热门，是信息隐藏技术发展的 个很好的方向。 在这样的背景下，本文作了相关的研究工作，即研究能抵抗分析检测的无损 信息隐藏技术。 1 2 本论文的结构安排 在本章中，介绍了课题的研究背景以及本论文的结构安排。 在第二章中，介绍了信息隐藏技术的历史、系统模型；阐述了信息隐藏技术 的一般要求，包括不可察觉性、不可检测性、安全性、鲁棒性以及嵌入容量等； 另外对信息隐藏技术的应用也进行了分析，比如秘密通信、版权保护以及认证和 篡改检测等。 在第三章中，介绍了无损信息隐藏的一般性原理、无损压缩编码技术，并对 文献中不同的算法进行了总结与分析，比如使用无损压缩技术的算法、使用差值 扩展技术的算法、使用直方图调整技术的算法以及基于像素交换的无损信息隐藏 算法等。 在第四章中，比较详细地介绍了信息隐藏分析检测方法，包括感官检测、特 征码检测、通用盲检测和统计检测等，其中又着重介绍了统计检测中的r s 分析 检测方法。 在第五章中，提出了一种可以抵抗r s 分析检测的无损信息隐藏算法。该算 法将图像首先分块，然后用随机序列决定对该块进行正翻转还是负翻转，即对图 像进行信息嵌入时，不仅进行正翻转，还引入了负翻转操作。抵抗r s 分析检测 仿真实验表明，该算法具有很强的抵抗r s 分析检测的能力，更好地保证了信息 的隐藏和通信。 在第六章中，利用人类视觉系统特性，提出了一种可以自适应调节翻转幅度 的无损信息隐藏算法，而且这种算法具有较强的抵抗r s 分析检测的能力。该算 法中，将图像分成3 x 3 的组，用每组中四个顶点和中间位置的像素的方差来决定 翻转的幅度，对其它的像素进行全部或者部分的翻转，来嵌入信息。仿真实验表 第一章绪论 明，该算法具有很好的抵抗r s 分析检测的能力，由于运用了人类视觉系统特性， 嵌入信息后图像的视觉特性也较好。 第二章信息隐藏技术简介 第二章信息隐藏技术简介 2 1 信息隐藏技术的历史及发展状况 自从有了人类文明，人类就有了保护信息的想法，古代人用暗号或暗语来表 示所要传递的信息，这可以认为是信息隐藏的一种形式。密码学( c r y p t o g r a p h y ) 和隐写术( s t e g a n o g r a p h y ) 这两个词的出现都是在1 7 世纪中叶，并且都来自于 希腊语。隐写术一词来源于希腊词根( 删p 专f g p a ( o 一日d ) ，字面上的意思 是“密写”( s e c r e tw r i t i n g ) 1 1 ，它通常被解释为把信息隐藏于其他信息当中，充 分利用人们“所见即所得”的心理，来达到信息安全传输的目的。j o h a n n e s t r i m e t h i u s ( 1 4 6 2 1 5 1 6 ) 1 2 j 首次把秘密的信息隐藏在有意义的祈祷文中，它是利 用查表的方式进行隐藏信息，扩展码使用4 0 个表，每个表有2 4 个入口( 当时是 每个入口对应于字母表中的一个字母) ，这些入口包括四种语言：拉丁文、德文、 意大利文和法文。纯文本中的每个字母，被相应入口内的单词或短语所替代，最 终隐秘文本看上去更像是祈祷词或者咒语 现代信息隐藏技术是2 0 世纪9 0 年代中期从国外兴起的，它是一门集多学科 理论与技术于一身的新兴技术领域，并且迅速引起了专业人士的研究兴趣。信息 隐藏主要是利用数字信号的冗余空问，以数字媒体或数字文件为载体，采用空域 隐藏或变换域隐藏等技术，将需要隐藏的秘密信息隐藏于载体信息之中。 网络技术的飞速发展，电子商务的推广及大量商用多媒体业务的涌现，使得 各种多媒体数据的版权保护技术的开发显得更为重要。近年来，国外许多学者提 出了一系列新的信息安全保护思想，特别是在知识产权保护，防篡改及嵌入式注 释等领域提出了防范与保护措施。信息隐藏技术就是这样一种新的数字媒体保护 措施，它通过把信息如秘密消息、版权信息等嵌入图像、音频、视频或文本文件 等各种数字媒体中，以达到标识、注释及版权保护等目的。同时，这种特定信息 对宿主媒体的影响不足以引起人们的注意且具有特定的恢复方法，这些信息对非 法接收者应该是不可见且不易察觉的。 同时还有其他一些应用激发了对信息隐藏课题的研究兴趣【2 】： ( 1 ) 军事和其它一些情报机构，需要秘密的通信手段。现代战场上对这些 敏感信号的检测可能导致对发报员的快速攻击。基于这种原因，军方通信往往采 用诸如发散谱调制或大气散射等传递技术，保证信号不易于被敌方发现或者干 第二章信息隐藏技术简介 扰。 ( 2 ) 犯罪分子也关注和采用一些“隐蔽”的通信手段。在2 0 0 1 年的“9 1 1 ” 恐怖袭击事件中，拉登及其基地组织采用隐藏学这种古老的方法，结合现代科学 技术进行信息地秘密传递。它们把要传递的信息隐藏在一些色情网站的黄色图片 中，它的追随者把图片下载下来，采用专门的提取工具来恢复出隐藏的信息，避 开了人们的视线3 ，4 1 。 ( 3 ) 执法与反情报机关等也关注这些技术及它们的弱点，从而达到发现和 跟踪隐藏信息的目的。 ( 4 ) 有些政府最近做出了一些尝试，限制在线自由交谈和民问使用加密技 术，因此也刺激了人们致力于发展互联网络上匿名的热情，如匿名邮件中转站和 代理服务器。 2 2 信息隐藏技术的术语及其系统模型 就日前来看，对信息隐藏系统的研究团体众多，他们的研究内容也各不相同， 如隐秘术、数字水印等，对信息隐藏这一领域并没有专门的机构来制定一些标准。 这导致了一些术语上的混乱。下面我们将信息隐藏的一些术语简述如下，这些术 语是根据第一届国际信息隐藏会议上所达成的，由b i r g i tp f i t a m a n n 所整理提出 的5 1 ，它所代表的信息隐藏模型如图2 1 所示。 载 密钥 密钥 消息消息 图2 1 与术语相关的模型 消息：是指要进行隐藏的信息，它可以是文本、图像、视频或声音等二进制 数据。 嵌入：是指嵌入消息的过程。 伪装介质：它是嵌入过程的输出，是指己经进行了数据嵌入的某种介质。 载体：有时也被叫做载体介质或宿主数据，它是伪装的原始的一种形式。在 一些应用中，这些载体可以是从外部随机选择的，也可以是在嵌入过程中进行抽 第二章信息隐藏技术简介 取的。它可以是文本、图像、视频或音频信息，从目前所做的信息隐藏算法来看， 以图像或视频的比较多，这是因为相对而言，图像或视频包含大量的信息冗余， 可以利用这些冗余信息来完成数据的嵌入。 伪装密钥或隐藏密钥：它是在隐藏过程中所用到的一些额外的秘密数据，在 恢复要嵌入的信息时，通常要用到它或与它相关的一些信息。通常这些密钥是由 一些专门的密钥发生器来产生的。 恢复或提取：它是嵌入过程的逆过程，是指利用嵌入密钥，从伪装后的载体 介质中得到所嵌入的消息。 图2 2 信息隐藏嵌入与提取系统模型 典型的信息隐藏和提取系统的模型如图2 - 2 所示【6 | 。等待秘密发送的信息m 首先经过加密或其它预处理得到消息埘，再通过嵌入算法及密钥k 1 ，控制信息 嵌入到载体c 中，得到的是伪装后的载体介质s ；在传输通道中传输的是s ，也 就是伪装后的载体介质。接收方在收到信息s 后采用相反的过程提取信息。在对 信息进行恢复的过程中，可以采用原始载体c ，也可以不用载体c ，不使用原始 载体的恢复方法通常称为盲检测。为了正确提取所嵌入的信息，通信双方必须事 先知道所采用的算法和密钥。密钥k i 和k 2 可相同或不同，这是因为相对于密 码算法来说，信息隐藏算法同样也有对称和非对称算法的区分。采用密钥进行信 息嵌入的过程，可以使得在检测或恢复过程中，仅仅局限于那些知道密钥或者密 钥来源的人，才能访问要嵌入的信息。 在文献 7 1 0 中对信息隐藏技术进行了很好的分类： ( 1 ) 按保护对象分类：主要可分为隐秘通信和数字水印技术，如图2 3 所 示。前者保护秘密信息本身，后者保护的是隐秘载体。 第二章信息隐藏技术简介 数字水印 版权标志一向载体信息中嵌入一定标志信息说明其所有权 数字指纹向载体信息中嵌入合法接收者标志以跟踪非法拷贝行为 拷贝标志嵌入禁止拷贝或允许一次拷贝标志，以限制过度拷贝 认证标志一嵌入对修改敏感的水印，以检测载体数据的完整性 隐秘通信一向载体信息中嵌入需要传递给接收者的信息，明着传送载体信息， 暗地传送所嵌入的信息 图2 3 信息隐藏技术按保护对象分类 ( 2 ) 按载体类型分类：包括基于文本、图像、音频、视频、超文本、网络 层、图形等媒体的信息隐藏技术。 ( 3 ) 按嵌入域分类：主要可分为空间域( 或时域) 方法和变换域方法。 ( 4 ) 按提取要求分类：若在提取隐藏信息时不需要利用原始隐秘载体c ， 则称为盲隐藏，否则称为非盲隐藏。 近几年来，随着科技的发展以及应用的需要，又出现了无损信息隐藏方法。 这样按照提取信息后能否把载体图像恢复，可以把信息隐藏技术分为有损信息隐 藏技术和无损信息隐藏技术。 2 3 信息隐藏技术的一般要求 般来说，一个典型的信息隐藏系统在设计时必须依据其不同的应用目的来 实现不同的特性。考虑到不同的需求，在某一类应用中必须具备的特征也可能是 另一类应用中所必须避免的。本文对信息隐藏中一些一般性的要求进行了总结和 概括，具体的介绍和分析如下 1 1 - 1 3 j ： ( 1 ) 不可察觉性 不可察觉性是信息隐藏系统的最基本要求，它是指嵌入的信息不能使载体介 质的品质发生改变，不会影响载体介质的使用价值，也就是说隐藏后的介质与载 体介质在人类感觉系统( 包括视觉和听觉系统) 下是不可区分的。 ( 2 ) 不可检测性 如果秘密通信的行为泄露，最直接的后果就是通信者的身份得到了暴露。 在利用信息隐藏技术进行秘密通信时，即使嵌入的信息人类的感觉系统无法察觉 到，并不代表计算机也分析不出来。这是因为介质本身具有一些与介质内容相关 的性质。当嵌入的行为发生时，便更改了这些特性，虽【j 有可能在通信过程中，暴 第_ - 章信息隐藏技术简介 露出秘密通信的行为。这就要求嵌入信息的行为应该尽量保持原始介质所具有的 特性，即使一些攻击者非法拦截到信息，也无法判断是否隐藏有信息。 ( 3 ) 安全性 信息隐藏系统的安全性，必须建立在通常代表嵌入位置的嵌入密钥上。利用 嵌入密钥作为随机数发生器的种子，产生一连串的随机数，再结合信息隐藏算法 来嵌入信息。因此，从隐藏后的介质中提取信息时，也必须拥有相同的嵌入密钥 才能恢复出信息，非法用户是无法感知隐藏信息的存在，或者是即使知道秘密消 息的存在，没有正确的密钥同样也无法提取出原始的信息。同时也应该保证信息 隐藏的位置是安全的，信息是隐藏于介质本身数据之中，而不是介质的文件头或 文件格式信息中，介质文件格式的转换不应该导致隐藏数据的破坏或丢失。 ( 4 ) 鲁棒性 鲁棒性一般是水印系统在设计时所主要解决的问题，它是指在嵌入水印后的 载体信息，在经过多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性 或仍能被准确鉴别的能力，也就是水印的抵抗攻击的能力。这些可能的信号处理 过程包括传输过程中的信道噪声、滤波操作、数模和模数转换、重采样、剪切、 位移、尺度变化以及有损压缩编码等。在经过这些处理后，仍然能够恢复出用来 验证的水印信息。 ( 5 ) 信息嵌入量 信息嵌入量是载体介质所能隐藏的最大信息量，事实上，如果理想的假设嵌 入信息后的载体不受仟何改动，可以在载体介质中嵌入大量的信息而不会被察 觉，当然在实际应用中是有所限制的。一般来说，在保证不可感知的条件下，嵌 入的信息量越多，隐蔽性也就相对较差，嵌入行为暴露的风险也就越大，同时也 降低了嵌入信息的鲁棒性。信息隐藏容量和嵌入算法、系统需求及信息隐藏载体 介质本身的特性都有很高的相关性，在实际的应用中必须对不可察觉性、信息隐 藏量、鲁棒性之间进行适当的折衷。 ( 6 ) 无歧义性 这种特征主要体现在进行版权保护时，要求恢复出的水印或水印判决的结果 应该能够确定地表明所有权，不会发生多重所有权的纠纷。 ( 7 ) 通用性 好的信息隐藏方法适用于多种文件格式和媒体格式，也就是说，信息隐藏算 法不会因为介质的改变而变得不可用。 ( 8 ) 计算复杂度 在嵌入和恢复嵌入的信息时，计算上的复杂度也是信息隐藏所要考虑的因 素。 第_ 章信息隐藏技术简介 2 4 信息隐藏技术的应用 信息隐藏技术在许多方面都有至关重要的应用，本文对其主要应用总结如下 1 4 - 1 6 ： ( 1 ) 秘密通信 事实上，最初的信息隐藏技术主要用来进行秘密地传递消息，它隐藏了通信 收发双方以及通信过程的存在，而且隐藏后的信息可以通过公开信道进行传输， 不用担心信息被截获和破译。因为对于普通的用户来说，传输介质只是一些看起 来非常普通的图像或其它数字载体，与平常在网络上传输的信息没有什么区别， 不会对它产生怀疑，只有合法的接收者才知道秘密信息的存在，以及从伪装介质 中恢复秘密信息的方法，从而实现了秘密信息在公开信道上的安全传输。随着网 络技术的飞速发展和全球经济一体化的趋势，一些商业、金融的信息保密程度已 经和军事机密处于相同的安全等级，经济信息的安全也是国家安全的重要内涵。 ( 2 ) 版权保护 在这种应用中，象征授权的水印以不可感知( 不可见或不可听) 的方式嵌入 到多媒体中，既不损害原作品的使用价值，又达到了版权保护的目的。水印可以 由一个密钥来产生，水印往往只有版权所有者知道，它必须能够经受得住一些常 见的处理和恶意的攻击，以便在作品被盗版或出现版权纠纷时，作者能够从盗版 作品或水印版作品中获取水印信息，从而保护作品所有者的合法权益。目前市场 上的数字水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，距离真正的实用还 有一段很长的路要走。 ( 3 ) 认证和篡改检测 当数字作品被用于交通、法庭、医学、新闻及商业时，如以数字形式记录的 事故现场照片、犯罪现场记录、医学诊断照片等，由于这此数据本身具有容易修 改的特点，常常需要确定它们的内容是否被修改、伪造或经过特殊处理。在这些 应用中，一些用来认证的数据被预先嵌入多媒体中，以便以后用来检测是否介质 受到了更改。这些被嵌入的数据通常是一些与介质内容或作者身份相关的信息， 通过验证提取数据的完整性来检测介质被篡改的情况。现有的一些多媒体软件对 多媒体介质进行处理可以做到“天衣无缝”，在这种情况下，人的感觉器官是无 法分辨的。 ( 4 ) 盗版追踪 这种应用主要是用来跟踪创作者或购买者的多媒体的某种备份，如在分发给 一些用户之前，数字作品版权所有者通过指纹编码向分发给每个用户的作品拷贝 中引入唯一的信息，如不同用户的i d 或序列号等，同时保存售出拷贝中指纹与 第r _ 章信息隐藏技术简介 对应用户身份的数据库，这些不同的信息嵌入到不同的多媒体复制品中。这些被 嵌入的信息就称为指纹，指纹如同一些软件的序列号，当在市场上有未经授权的 拷贝出现时，发行者可以通过将该产品中提取出的指纹与数据库中的指纹相匹配 来确定其原始购买者，找到是谁提供了盗版的作品来源。当用于盗版追踪时，隐 藏算法必须具有好的抵抗删除攻击的特性，同时具有传输一些有价值信息的能 力。 ( 5 ) 复制控制和访问控制【6 】 这种情况下嵌入的水印表示某种复制控制和访问控制限制，水印检测器通常 集成在一个纪录回放系统，检测时通过指使某种硬件或软件产生动作如使纪录 模式有效或无效来得到实施，这种应用的一个典型的例子是d v d ( d i g i t a lv i d e o d i s k ) 防拷贝系统，即将水印信息加入d v d 数据中，这样d v d 播放机即可通 过检测d v d 数据中的水印信息来判断其合法性和可拷贝性，从而保护制造商的 合法权益和商业利益。如果其中的水印表示该拷贝不合法，则d v d 播放机拒绝 播放；如果其中的水印表示该拷贝不合法或者禁止拷贝，则d v d 刻录机拒绝工 作，保护了制造商的利益。它通常需要对删除攻击具有一定的鲁棒性，同时应当 具有盲检测能力和传输一些有价值信息的能力。 ( 6 ) 信息监控 在某些应用中，需要知道某些公司或个人是否按照协议进行了某种行为，这 可通过信息隐藏技术来实现，例如对实时广播电影的监视就是要确定转播费用是 否交纳。有时广告客户为了监控电视节目或广播电台是否按照协议进行了广告信 息内容的发布及发布的次数。我们就可以在不同的时间段内的广告加入不同的信 息，以此来监视他们的行为是否违反了协议。同时也可以用来监控一些电视节目 或电台节目在别的地方是否受到了非法使用等。 2 5 本章小结 本章主要介绍了信息隐藏的简单发展过程及发展状况，同时描述了信息隐藏 的系统模型，总结了信息隐藏技术的一般要求，主要有不可察觉性、不可检测性、 安全性、鲁棒性以及信息嵌入量等，另外本章还比较详细地介绍了信息隐藏技术 的应用，比如秘密通信、版权保护、认证和篡改定位等。 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 3 1 无损信息隐藏技术一般原理 在法律、医疗和军事图像体系等领域的应用中，出于法律和其它因素的考虑， 希望嵌入信息后的数字媒体数据在取出其中的隐藏的数据后仍能完全恢复为原 有的多媒体数据，因此，无损数据隐藏技术便应运而生。 无损信息隐藏技术的一般原理如图3 1 l l ”。在嵌入信息时，首先将图像x 的某些特征信息b 进行无损压缩，将嵌入的有效载荷信息w 附加到压缩后的特 征信息之后，形成b 。，然后将这些信息嵌入到原图像的特征信息中或者代替这 些特征信息，比如原图像的l s b 位的信息就可以作为图像一种特征信息。当对 图像特征信息进行修改或者替代时，这些特征信息的改变不会给图像带来可察觉 的变化。 在接收端，只要提取出图像的特征信息，就能得到嵌入的信息，包括压缩后 的特征信息和有效载荷信息，对压缩的特征信息进行解压缩，可获得原图像的特 征信息，利用这些特征信息对图像进行恢复，这样就完成了对信息的提取和对图 像的无损恢复。 无损压缩后的b 图3 1 无损信息隐藏技术原理 入信息 因为无损信息隐藏是信息隐藏的一个分支，所以无损信息隐藏满足信息隐藏 技术的一般要求，如第二章所介绍的。同时，从无损信息隐藏的原理上可以看出， 无损信息隐藏对嵌入容量的要求更高。在嵌入相同的有效信息的情况下，由于无 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 损信息隐藏要对图像进行恢复，所以还要嵌入与恢复图像相关的信息，也就是说， 无损信息隐藏要隐藏的信息量更大。 由于无损信息隐藏技术在接收端进行信息提取时不需要原始载体的信息，所 以无损信息隐藏都属于盲隐藏。 3 2 无损压缩编码方法 随着信息技术的发展，图像信息已成为通信和计算机系统中一种重要处理对 象。与文字信息不同的是，图像信息占据大量的存储空间，所用传输的信道也较 宽。据一些学者实验和估算，人类对信息的获取有近8 5 来自视觉系统，可见图 像是多媒体信息中的重中之重。然而，图像的最大特点也是最大难点就是海量数 据的表示与传输。因此对图像数据的压缩成了技术进步的迫切要求。由于图像数 据本身固有的冗余性和相关性，使得将一个大的图像数据文件换成较小的图像数 据文件成为可能。 3 2 1 图像数据的冗余 图像数据文件通常包含着大量冗余信息，另外还有相当数量的不相干信息， 这为数据压缩技术提供了可能。数据压缩技术利用数据固有的，几余性和不相干 性，将一个大的数据文件转换成较小的文件，图像数据压缩就是要去掉信号数据 的冗余性。一般来说，图像数据中存在以下几种兀剁1 8 】： ( 1 ) 空问凡余：这种，凡余在图像数据中最常见。如在一幅图像中，规则物 体或规则背景( 所谓规则是指表面是有序的) 的表面，其物理特性具有相关性， 这些相关性使成像后的数字化图像结构趋于有序和平滑，表现为空间数据的冗 余。 ( 2 ) 时间冗余：在序列图像( 电视图像、运动图像) 和语音数据中，相邻 两帧之问有较大的相关性，这就反映为时间冗余。 ( 3 ) 结构冗余：有些图像存在较强的纹理结构，例如墙纸图案等，这是图 像在结构上产生了冗余。 ( 4 ) 视觉冗余：人的眼睛对某些图像特征不敏感，这些特征信息可以不在 图像数据中出现。事实上，人眼的分辨能力一般约为2 6 灰度等级，而图像的量 化常采用2 8 灰度等级，我们把这类冗余称为视觉冗余。 另外还有信息熵冗余、知识冗余等。 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 3 2 2 压缩编码方法简介 应用在多媒体中的图像压缩编码方法，从压缩编码算法原理上可分为： ( 1 ) 无损压缩编码技术，包括哈夫曼编码、算术编码、行程编码和l e m p e l z e v 编码等。 ( 2 ) 有损压缩编码技术，包括预测编码、频率域编码方法、空间域编码方 法、模型编码方法等。 ( 3 ) 混合编码技术，包括j b i g 、h 2 6 1 、j p e g 、m p e g 等。 3 3 无损信息隐藏算法研究 b a r t o n 在2 0 0 0 年的专利【l9 】中提出了有关无损信息隐藏的算法，他可能是最 早提出无损算法的人【2 0 1 ，他的算法用于数字媒体的认证，包括经过j p e g 、m p e g 编码的图像和视频。该算法的主要思想是将用于嵌入信息的比特位进行无损压 缩，得到足够的空间嵌入认证信息。 2 0 0 1 年h o n s i n g e r 等人也在他们的专利【2 l 】中提出了无损信息隐藏技术。该算 法在空间域运用模2 5 6 加法进行信息的嵌入，。= ( j + w ) m o d 2 5 6 ，其中，是原 载体图像，。是嵌入信息的图像，来自于原载体图像的哈希函数。在接收端， 可以由嵌入信息后的图像得到，然后用模2 5 6 减法对图像进行恢复， ，= ( ，。一w ) m o d 2 5 6 。当图像的像素值在0 或者2 5 5 附近时，嵌入信息会给图像 带来很大的失真。这也是比较早出现的无损信息隐藏的算法。下面将比较详细地 介绍几种典型的无损信息隐藏算法。 3 3 1 1 吏用无损压缩技术的无损信息隐藏技术 在无损信息隐藏技术中，为了把原始图像恢复出来，我们要嵌入的信息除了 有效载荷信息以外，还要嵌入用于恢复图像的信息，因此无损信息隐藏要嵌入的 信息比常规的信息隐藏技术嵌入的信息量要大。为了嵌入更多的信息，一种比较 直接的方法就是将要嵌入的信息进行压缩处理l z2 | 。有很多无损信息隐藏技术 2 3 3 2 ，1 7 】都使用了压缩技术使得嵌入的信息的长度减小。在这类算法中本文介 绍一下c e l i k 等人在2 0 0 5 年提出的广义l s b 算法，即g l s b 算法【2 3 】。 假设原载体图像用i 表示，g l s b 算法的嵌入与提取过程可以表示为： i 。= q ( ，) + w ( 3 1 ) 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 w = i 。一级( j 。) = i 。一皱( ，) ( 3 2 ) 其中1 w 表示含有嵌入信息的图像，w 表示用l 进制表示的要嵌入的信息， 0 ，1 ，三一1 ) ， q 。( x ) = 三匕j 表示将x 进行l 级标量量化，lj 表示下取 整操作。 图3 2 信息嵌入过程 图3 - 3 信息提取和图像恢复过程 该算法信息嵌入过程为： ( 1 ) 将图像的每个像素x 进行l 级标量量化，臣i j q l ( x ) = 三【- 主j ，这样原像素 值和量化以后的像素之间的差值为：c = x q l o ) ，从而得到差值图像。 假如原图像的一个分块为： 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 h = 2 53 6 3 l2 0 1 73 0 3 51 4 2 61 8 1 31 9 2 9 2 4 3 11 2 对该分块的元素进行l = 5 级标量量化可得到： q = 2 5 3 5 3 02 0 1 53 0 3 51 0 2 51 5 1 01 5 2 5 2 0 3 01 0 那么原始像素值与量化后的值之差为： r = 01 1o 2 0 04 13 34 44 12 ( 2 ) 运用c a l i c 无损压缩算法【3 3 】【3 4 1 将差值图像进行压缩。假设( 1 ) 中产 牛的1 6 个差值经过压缩变为1 2 个阿拉伯数字，表示为 ，x 1 ，一，x ， ，当解压缩 时，用这1 2 个数就可以得到原来的1 6 个差值。 ( 3 ) 将l 进制的有效载荷信息w 附加在压缩后的差值信息之后，得到新的 差值信息。如果w = l o 0 0 0 11 0 1l ，将w 转化成用五进制表示的形式，即 w = 4 11 4 ；，那么将w 附加在压缩后的差值之后就得到含有嵌入信息的新的差 值。 ( 4 ) 最后将新的差值和量化后的图像像素值相加，就得到了嵌入信息的图 像，一如式( 2 1 ) 。 沿用上面的例子，该算法的信息嵌入过程如图3 - 4 所示。 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 量化后的分块 嵌入信息后的分块 图3 _ 4g l s b 方法嵌入信息过程 在接收端，将载体图像的每个像素进行l 级标量量化，求得原图像像素值与 量化后图像的像素值之间的差值，就得到了嵌入的所有的信息，即 w = i 。一q ，( ，。) ，而w 的前面部分是压缩后的原图像的差值图像，后面部分为有 效载荷。将w 的前面部分的比特信息进行解压缩后就得到原图像的差值图像， 因为q 。( ，) = 皱( ，。) ，所以原图像可以恢复为，= i + q l ( ，。) 。这样既可以实现 把嵌入的有效信息提取出来，又可以把图像进行无损恢复。 广义l s b 无损信息隐藏技术嵌入的信息量比较大，而且与一般的l s b 算法 相比，对图像带来的失真较小。广义l s b 无损信息隐藏不是对l s b 进行的简单 翻转，而是通过修改广义l s b 的值进行信息嵌入。这样的方法不具备好的统计 隐蔽性。一方面，广义l s b 的杂乱无章暴露了秘密信息的存在；另一方面，将 已有的l s b 检测方法推广到广义l s b 域，也可以察觉秘密信息的存在。 3 3 2 使用差值扩展技术的无损信息隐藏技术 文献 3 5 - 4 3 】提出的算法都用到了差值扩展技术。在这类算法中往往产生较小 的数来表示原图像的特性，然后将产生的数进行扩展来嵌入信息。一般的，将信 息嵌入到扩展后的数的最低有效位。本文将介绍t i a n 提出的算法【4 1 1 。 在该算法中，首先定义取整转换： ，= 降j 俘3 ， 其中x , y 表示两个相邻的像素值。那么逆转换过程可以表示为： 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 图3 5 使用差值扩展的信息嵌入过程 那么t i a n 的算法的信息嵌入过程为： ( 1 ) 将图像以两个相邻像素为一组进行分组，计算出第i 组像素( x ，y ，) 的， 和办，例如：l o o ，y 。：9 7 ，那么，o ：1 ( 1 0 0 9 7 ) 1 ：9 8 ，：1 0 0 一9 7 ：3 。 ( 2 ) 将要嵌入的信息位w i 附加在用二进制表示的h ，的最低有效位之后，得 到新的差值为h ：，用数学式表示为： 彰= 2 xh i + w 使用( 1 ) 中的例子，如果w 0 = o ) ：，那么h ：= 2 x3 + 0 = 6 ；如果w o = 1 ) ：， 那么h ：= 2 x3 + 1 = 7 。 ( 3 ) 使用l i 和h ；计算得到嵌入信息后的像素值( 工；，y 1 ) 。 毗一+ l 学卜十斟 为了使嵌入信息后的图像像素不产生溢出，工：、y ：必须满足条件： 峨剑，嘶卿棚哟+ l 华卢，畦乃一倒蜊，也就是要l 厶 jl j 满足公式( 3 7 ) 。 d 一 + 一2 j巴引 y + 一 一 ，f，f r = = e _ 毛 归 舯 胁 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 f h ；l - 2 ( 2 5 5 一，) 【i h ；l - 2 t + 1 f 1 2 8 ，2 5 5 i 7 r o s 1 2 7 ( 3 7 ) 和煳骶如果w o 撕那“_ f 0 + | 学| = 9 8 + l 半i = 1 0 1 ， 小，o 一引- 9 8 - 倒9 5 ；同样如果w o ： 1 ) ：，那么 拈，o + l 学i = 9 8 吐喇圳2 “钆一卧孵阱眈 ( 4 ) 重复以上操作，直到对所有的像素组都进行了处理。 ( 5 ) 每一组的( z ；，y ；) 构成了嵌入信息后图像的像素值，即得到了带有隐藏 信息的图像。 在接收端，提取和恢复图像的过程为： ( 1 ) 使用嵌入信息时的分组方法将图像进行分组( z ；，y ：) ，利用公式( 3 3 ) 、 ( 3 4 ) 、( 3 - 5 ) 、( 3 6 ) ，可以得到，；和h ；。 假“圳，徊5 棚“= i 学l - i 掣f = 9 8 ， 残= x ：一y ：= 1 0 1 - 9 5 = 6 。 ( 2 ) 用二进制表示巧，提取出其最低有效位，就得到嵌入的有效信息彬和 原图像像素组的差值h ；。 一 继续( 1 ) 中的例子，用二进制表示h j ，h j = 6 = ll o 2 ，那么嵌入的有效 信息位为= 0 ，同时h 。= i 普i = 3 。 ( 3 ) 最后计算得原图像的像素组( x iy ，) ，从而实现对图像的无损恢复。 继续使用中的例子_ “+ i 掣i = 9 8 + | 半l = l o o ， y 。刮j 一引- 9 8 一引_ 9 7 ，这样就得到了原图像的像素组。 使用差值扩展技术的无损信息隐藏技术将每对像素的差值扩大一倍，利用差 值最低有效位隐藏信息，这种方法的安全性也不理想。因为在新差值l s b 中隐 藏的信息0 、1 分布比较平均，当观察含密图像的像素差值直方图时，发现直方 图会随着差值绝对值的增加而减小，特别是差值为2 k 和2 k + l 的个数比较接近， 而差值为2 k 1 和2 k 的个数相差较远，这种不对称性可以禾o f f j - 些基本直方图的 统计方法进行检测【4 4 ，4 5 1 。 第三章无损信息隐藏技术原理及发展研究 3 3 3 使用灰度直方图调整技术的无损信息隐藏技术 有许多算法 4 6 - 5 1 】使用了灰度直方图调整技术进行信息的嵌入和提取，并实现 对图像的无损恢复。这里介绍v l e e s c h o o u w e r 等的循环调整直方图算法【4 引。 该算法进行信息嵌入的过程为： ( 1 ) 将图像进行分组，将每一组b 随机地分成两个区域z 。和z 。，然后分 别计算出两个区域的灰度直方图日。和日。，如图3 - 6 。 ( 2 ) 如果要嵌入的信息位为w = l ，将日。的灰度直方图每条灰度条的像素值 都降一级，而像素值最小的灰度条转移到像素值最大的灰度条的位置；如果要嵌 入的信息位为w = o 将灰度直方图每条灰度条的像素值都升一级，而将像素值最 大的灰度条转移到像素值最小的灰度条的位置，这样就完成了信息的