（光学工程专业论文）基于fourier变换的图像信息隐藏与识别研究.pdf

一 一 一 a d d i d c i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一 1 1 ab s t r a c t t h e a i m i n t h is t h e s i s i s t o d i s c u s s th e r e l e v e n t q u e s t i o n s o f f o u r i e r - t r a n s f o r m - b a s e d i n f o r m a ti o n h i d i n g m e t h o d i n o p t ic a l i m a g e p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s . t h e s h a p e m a tr i x m e 山 。 氏w h ic h c a n b e u s e d t o d e s c r i b e th e s h a p e f e a t u re , i s p r o p o s e d . b a s e d o n t h e s h a p e m a tr i x m e t h o d , t h e f o u r i e r - t r a n s f o r m - b a s e d i m a g e i n f o r m a ti o n h i d i n g m e t h o d is p r o p o s e d a s w e ll . t h e h id d e d i m a g e r e c o g n i ti o n m e t h o d b y u s i n g t h e m a x - i m u m d e g r e e o f m e m b e r sh i p i n f u z z y s e t 山 e o ry , a n d t h e ro b u s tn e s s a n a n l y s i s f o r f o u r i e r - t r a n s f o r m - b a s e d i m a g e in f o r m a ti o n h i d in g m e t h o d u n d e r i m a g e c o m p r e s s i o n i s r e p o rt i n t h i s t h e s is . t h e e m p h a s e s i n th i s t h e s i s a r e s u m m a r i z e d a s f o ll o w i n g . 1 . a n e w a p p r o a c h o f e x tr a c t in g a n d d e s c r i b i n g t h e s h a p e f e a t u r e o f a i m a g e b a s e d o n s h a p e m a t r i x i s p r o p o s e d . i f t h e i m a g e i s a b i n a ry i m a g e , o n l y th e s h a p e m a t r i x i s n e e d f o r d e s c ri b i n g t h e s h a p e f e a t u re , a n d i f t h a t i s a g r a y i m a g e , t h e g e n e r a l h i s t o g r a m , w h i c h i s c o n s t r u c t e d b y s h a p e m a t r i x a n d g r a y h i s t o g r a m o f i m a g e , c a n b e u s e d f o r d e s c r i b e th e s h a p e f e a t u re c o m p l e t e l y . 2 . a d i g i t a l e n c o d i n g m e t h o d o f s h a p e m a t r i x o r g e n e r a l h i s t o g r a m , w h i c h tr a n s f o r m t h e s h a p e m a t r i x o r g e n e r a l h i s t o g r a m f ro m a m a t r i x t o a b i n a ry s e q u e n c e f o r h i d i n g i n f o r m ti o n p r o ces s i n g , i s p r e s e n t 3 . a e ff e c t a p p roa c h f o r h i d i n g th e s h a p e f e a t u re , w h ic h i s d e s c r i b e d b y s h a p e m a t r ix , b a s e d o n t h e f o u r i e r t r a n s f o r m m e th o d is p ro p o s e d . t h e m a i n p r i n c ip l e o f t h i s a p p ro a c h i s t o e n c o d i n g t h e s h a p e m a t r i x e x t r a c te d f ro m t h e h id d e n im a g e t o a b i n a ry s e q u e n ce a n d h i d i n g t h e s e q u e n ce i n t o t h e h i g h f r e q u e n c y re g i o n o f d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ( d f t ) s p a c e o f h o s t i m a g e . 4 . b a s e d o n t h e m a x i m u m d e g r e e o f m e m b e r s h i p p r i n c i p le o f f u z z y s e t t h e o ry , a f u z z y r e c o g n i ti o n m e t h o d i s r e p o r te d . f o r e a c h d e g r e e o f g r a y , th e c o r re s p o n d i n g s h a p e m a t r i x a r e c o m p a r e d b y t h i s m e t h o d , a n d t h e d e g r e e o f m a t c h i n g b e t w e e n t h e t w o g r a y i m a g e t h e n c a n b e o b t a i n e d . 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开 大学关于收集、 保存、 使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本; 学校有权保存学 位论 文的印 刷本和电 子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供 目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版: 在不以 赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 夕 砂 子 a - 07 年 r月可 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: 学位论文作者签名: l 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长5 年，可少于 5 年) 秘密*1 0年 ( 最长 1 0年，可少于t o 年) 机密*2 0年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的 成果。除文中己经 注明引用的内容外， 本学位论文的 研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发 表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的 研究工作做出贡献的其 他个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 :坷 ”7 年广月4日 第一章 绪论 第一章绪论 随着计算机应用技术的普及， 微电 子技术、 数字技术以 及网 络通讯技术的不 断革新， 信息时代所追求的高效、 快速的信息交流和共享己 成为了现实， 并为科 学技术、 文化教育、 工业生产、 以 及国防建设等各方面的发展提供了 新的强大的 动力， 大大提高了 现代文明社会的开放程度和广大民 众的生活质量。 与此同时， 信息交流中的信息泄漏或盗窃， 信息篡改、 伪造或恶性破坏， 以 及产权盗版等现 象也使信息技术的安全应用面临着极大的挑战。 信息安全是在当今数字信息社会中保护信息不受侵害、 识别用户合法身份的 关链技术。 据报道11 .2 1 ， 美国每年由于滥用多重身份冒 领福利， 盗窃网 络通信带宽 和盗用信用卡等造成的经济损失约有数十亿美元; 欧盟各国每年由于信息泄露和 盗用而造成的直接经济损失达6 0 亿美元， 并且在不断攀升. 此外， 由于软件产品 和数字媒体产品的非法盗版、 俊权而造成的经济损失也是相当巨大的。 因此， 行 之有效的信息安全技术对于解决上述问题将有重要意义。 保守估计， 信息安全技 术及产品在全球至少是一个数十亿乃至数百亿美元的产业， 而且将在未来快速增 长。 1 . 1 研究意义 信息加密、 隐藏和防伪鉴别技术13 ,4 1 是信息安全研究领域中的重要组成部分。 对信息加密的研究主要着眼于通过加密过程， 将待传递的信息文本处理成为不可 识别的秘文， 使之在传递过程中无法被第三者窃取或破坏; 而信息隐藏过程则是 通过将待传递的 信息隐藏于另一宿主文本中， 以 迷惑第三者， 避免被其发现， 从 而避免或降低被攻击或被窃取的风险。 其中， 被隐藏的信息可以是隐藏于不具传 递意义的宿主文本中的含有待传递信息的密文， 亦可以是隐藏于有意义的宿主文 本中的仅具标示作用的 待认证信息。 前者属于信息保密或安全通讯的研究领域， 后者即是自 上世纪9 0 年代以 来广泛应用于数字信息安全领域的 不可视数字水印的 技术基础。 其中， 信息隐藏技术是作为重要的研究分支， 今年来对它的研究得到 了广泛的重视。 信息隐藏是 信息安全的一个重要的核心技术。 信息隐 藏是将机密信息隐 藏在 第一章 绪论 普通的信息之中 而不露破绽。 根据隐藏信息的载体不同， 可以分为在图像、 视频、 声音、 文本等中的信息隐藏， 所隐藏的信息也可以是以 上各种形式。 其中， 数字水 印是信息隐 藏的最重要的一个分支， 也是目 前国际学术界研究的一个前沿热门 方 向。 1 9 9 6 年以 来， 国际上召开了多次有关信息隐 藏的 专业研讨会ls l数字水印为 计算机网络上的多媒体产品的版权保护等问题提供了有效的解决方案16 ,7 1 。目 前， 围绕数字水印技术尚 待深入解决的关键问 题18 - 1 5 1 包括: 具体应用中的水印 选择与 宿主可容量估计; 水印检测差错率估计与快速检测算法; 水印算法的安全性论证; 水印攻击与水印顽健性评价; 多重水印鉴别; 水印与密码系统的结合; 水印与信 源、 信道编码技术的结合; 水印与印刷技术的结合; 水印技术的标准化; 水印应 用中的第三方认证及有关的法律问 题等。 在国内， 以中 科院软件所( 信息安全国 家重点实验室) 、自动化所 ( 模式识别国 家重点实验室) 、 以及北京邮电 大学为代 表的中国科学家也在活跃地开展密码学和信息隐藏理论与技术的研究。 1 . 2 信息隐藏研究现状 信息隐藏技术作为上个世纪九十年代发展起来的新兴学科， 主要研究如何将 某一机密信息 秘密隐 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。 对加密通信而言， 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， 或将密文进行破坏后再发送， 从而影响机密信息的安全; 但对信息隐藏 而言， 可能的监侧者或非法拦截者则难以 从公开信息中 判断机密信息是否存在， 难以截获机密信息， 从而能保证机密信息的安全。 信息隐藏技术主要由 下述两部分组成: ( 1 ) 信息嵌入算法， 它利用密钥来实现 秘密信息的 隐 藏。 ( 2 ) 隐蔽 信息 检测 提取 算法( 检测 器 ) ， 它利用密钥从隐 蔽 载体中 检测/ 恢复出秘密信息。 在密钥未知的前提下， 第三者很难从隐秘载体中得到或删 除， 甚至发现秘密信息。 信息隐藏不同于传统的加密， 因为其目 的不在于限制正常的资料存取， 而在 于保证隐 藏数据不被侵犯和发现。 因 此， 信息隐藏技术必须考虑正常的 信息操作 所造成的威胁， 即要使机密资料对正常的数据操作技术具有免疫能力。 这种免疫 力的关键是要使隐藏信息部分不易被正常的数据操作( 如通常的信号变换操作或 数据压缩) 所破坏。 根据信息隐藏的目 的和技术要求， 该技术存在以下特性: .普棒性( r o b u s t n e s s )指不因图 象文 件的 某种改 动而导 致隐藏信息丢失的 能力. 第一章 绪论 这里所谓” 改 动” 包括传输过程中的 信道嗓 音、 滤波操作、 重采样、 有损编码压 缩、 d / a 或a / d 转换等。 . 不可检测性( u n d e te c ta b i l ity )指隐蔽载体与原始载体具有一致的 特性. 如具 有一致的统计噪声分布等， 以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。 . 透明 性( i n v i s i b i l i ty )利 用人类视觉系 统或人类听觉系统属性， 经过一系列隐 藏处理， 使目 标数据没有明显的降质现象， 而隐藏的数据却无法人为地看见 或听见。 .安 全性( s e c u ri ty )指隐 藏算法 有较强的 抗攻击能 力， 即 它必须能够承受一 定 程度的人为攻击， 而使隐藏信息不会被破坏。 .自 恢复性由于经过一些操作或变换后， 可能会使原图产生较大的破坏， 如果 只从留下的片段数据， 仍能恢复隐藏信号， 而且恢复过程不需要宿主信号， 这 就是所谓的自 恢复性。 信息隐藏学是一门新兴的交叉学科， 在计算机、 通讯、 保密学等领域有着广阔的应用前景。 数字水印技术作为其在多媒体领域的重 要应用， 已受到人们越来越多的重视。 国际上的第一届信息隐藏大会于1 9 9 6 年在英国的 剑桥大学举行， 这次会议推 动了信息隐藏的理论和技术的研究。 1 9 9 8 年在美国的波特兰召开了第二届信息隐 藏研究会。 1 9 9 9 年在德国的d r e s d e n 召开了第三届信息隐藏研讨会。 最 o 然后 求 取 相邻两 块对 应系数的 差 值 符 号， 若 所 对 应的 水印 值为1 ， 则 通过改 变 两块 妹， ， 的 值使得差值变号: 最后 通过 d c t 反 变换得到嵌 入信息 后的图 像:f m. b o l a n d 提出 把图像映射到变换域中， 抽取包含主要能 量的 系数加入水印 信号。 由于其验证过程依赖于正确的图像块分割， 所以对仿射变换和裁剪等操作 敏感; 2 h a o 和k o c h 2 4 1 提出利用密钥随机的选择图像一些分块， 在d c f 域的中频区 上稍微改变一个三兀组以隐藏二进制信息序列， 该算法对有损压缩和低通滤波是 很稳健的。 d wt 变换是最新图像压缩标准( j p e g 2 0 0 0 ) 所采用的变换。因 此基于 d w i ，变 换是 数字水印 技术发展的 趋势之一。 x i a n g - g e n y- i a l25 l 提出了 多尺 度水印 技术， 把 高斯白噪声加入d wt 的高频系数中。 牛夏牧176 1 等把水印图像按多分辨率金字塔 结构分解， 分解三层， 把原始图像按二维小波变换分解， 同样也分三层: 而后把相 同分辨率层次的数字水印嵌入到对应的相同分辨率层次的原始静态图像之中。 孟 兵17 77 1 等 提出 利 用 双正 交 9 / 7 小 波的 数字图 像 水印 算 法. d . k u n d u r l78 1 等 分 别 提出 了 一种基于小波变换的私有水印和公有水印算法。 前者将图像和嵌入的水印信息分 别作小波比较， 根据视觉特性嵌入水印， 提取水印时需要原始图像: 后者将小波系 数进行特殊的量化以嵌入水印， 提取水印时不需要原始图像。 其他变 换域比 如 d f i 方面， j . j . r u a n a i d h l19 等 提出 了 一个具 有旋转( r o t a ti o n ) , 尺度( s c a l e ) ， 平移( t r a n s l a ti o n ) 不变性的水印 方案。 该算法对旋转， 尺度， 平移等 攻击具有较好的香棒性， 但对j p e g 压缩的鲁棒性较差。 1 3 墓于光学方法的信息隐藏研究现状 在对复杂图 像信息进行大数据童的处理过程中， 与数字技术的串行计算相比， 光学图像处理方法和系统表现出了明显的并行处理优势， 而且， 图像越复杂， 信 息量越大， 这种优势就越明显; 此外， 在图 像的加密编码和信息隐藏的过程中， 光 学系统除了具有这种先天的并行处理优势外， 还可通过计算光的干涉、 衍射、 滤 波、 变换等过程， 对涉及的波长、 振幅、 光强、 相位、 偏振、 空间频率， 以 及光 学元件的参数进行多维编码和信息隐藏， 与基于纯数字处理的编码及隐藏处理过 程相比， 具有多维、 大信息量、 鲁棒性强， 高设计自由度及难于破解等诸多优越 第一章 绪论 性; 在对加密隐藏的图像进行提取和鉴别的过程中， 采用光学图像处理技术， 易 于实现计算速度快， 使用方便可靠的 专用二维认证软栩硬件系统。 因 此， 基于光 学图像处理技术的信息加密、 隐藏和防伪鉴别研究在新一代信息安全理论与技术 的发展中， 已经发挥了不可替代的重要作用， 并表现出了越来越引人瞩目 的发展 潜力13 0 1 近t o 年来， s p i e . i e e e 及美国光学学会等国际学术组织召开了多次专题国际 会 议， 并多次发行了 基于光学信息处理技术的光学信息安 全方面的会 议论文集和 期刊专辑13 ; - 3 6 1 ， 为国际学术界开辟了广泛的研讨和交流的平台， 促进了对该领域 内尚 待解决的 关键理论、 技术、 及其应用问 题的深入研究和发展。 在采用光学方 法对图 像进行加密和解密方面， 美国 c o n n e c t ic u t 大学的 b a h r a in j a v i d i 教授研究组 的研究成果在该领域具有代表性。自 从他们于1 9 9 5 年首次提出了在标准4 f 光信 号处理器中通过双随机相位编码进行数据加密的光学方法13 7 1 ， 并于1 9 9 9 年获得 了 2 项美国专利t a t 以 来， 不断发表了采用光学方法实现图 像加密及解密的研究报 道13 9 - 4 2 1 ， 并获得了 有关的专利， 如: “ 利用指纹加密和解密的全息方法” 4 3 1“ 光学 加密接口n 4 4 1 , “ 光学图像加密和解密过程n 14 5 1等等. h a n 等人提出通过光学异或 操 作， 将图 像 灰 度 转 换 成 8 个 位 平 面 进 行 图 像 加 密 的 方 法 14 6 1 ; 2 0 0 1 年， m o g e n s e n 等 人利用铁电液晶空间光调制器在实验室构建了一种高速、 大容it的光学加密系 统14 7) . vin c e n t r .d a r i a 等人于 2 0 0 4 年实现了 仅位相光学解密平面微光学系统14 8 1 在信息隐藏方面， t a k a i 和m i f u n e 于2 0 0 2 年提出利用全息技术进行数字水印的研 究149 1 . k i s h k 和j a v id i 在2 0 0 3 年提出了 利用全息方法在三维物体中嵌入三维水印15 0 1 的 方法。 在防 伪鉴别方面， 光学相关方法特别是光学联合变换相关方法表现出了明 显的应用前景. f ie l d i n g 等人在1 9 9 1 年提出 基于二元联合变换相关器的 光学指纹 识别 系统 15 11 ， w e b e r 和 t r o li n g e r 提出 了 基 于光 学 非 线性 联 合 变 换 相 关器 原 理的 生 物测定方法。 2 1 ， 可应用于身份证、 护照、 信用卡的防伪鉴别及访问控制的身份安 全认证中， 并有可能与数字网络集成。目 前， 对在上述各相关领域内的研究成果 的最新报道不断出现在不同的国际重要学术期刊和会议论文集中， 显示出采用光 学手段实现图 像的加密、 隐 藏和防 伪鉴别的研究在信息安全领域内 越来越引人瞩 目 的发展潜力。 墓于光学理论与方法的数据加密和隐藏技术是近年来在国际上开始起步发 展的新一代信息安全理论与技术。 并行数据处理是光学系统固有的能力， 如在光 学系统中一幅二维图像中的每一个像素都可以同时地被传播和处理。当进行大 第一章 绪论 t信息处理时， 光学系统的并行处理能力很明显占有绝对的优势。 同时， 光学加 密装里比电子加密装置具有更多的自由度， 信息可以被隐藏在多个自由度空间 中 ， 如 相 位、 波 长、 空间 频 率以 及光的 偏 振 态 等. 其实 早 在1 9 9 1 年， f i e l d i n g 等 人 就提出了基于二元联合变换相关器 ( b j t c )的光学指纹识别系统， 3 1 ， 这是最早 开始的光学生物特征识别的研究之一。 近年来， 光信息处理在生物测定的研究方 面取得了引人瞩目的进展， 年， h a n 等提出通过光学异或 ( x o r ) 操作， 将图像 灰 度转换 成8 个位平面 进行图 像 加密的 方 法 例如w e b e r 和t ro li n g e r 提出 的 基于 光学 非线性联合变换相关器 ( n j t c ) 原理的生物测定方法【5 4 ,5 5 1 ， 该方法不仅在身份 证、 护照、 信用卡的防伪检测以 及访问控制的身份安全认证中显示出极大的潜 力， 而且有可能与数字网 络 集成。 2 0 0 1 年， m o g e n s e n 等 人利用铁电 空间 光 调制器 在实验室构建了 一种高 速、 大容量的 光学加密系统5 6 1 . 2 0 0 2 年， b i n d u 等提出 通 过引入一个新的反馈函数来同步两个半导体激光器，利用长波长直接调制的半 导体激光器获得通信系统安全的混沌序列编码5 7 1 。 信息光学理论除了在密码学 研究方面显示出极大的潜力外， 在发展新的信息隐藏理论与技术方面也表现出极 大的活力。 最近， t a k a i 和mi f u n e ( 2 0 0 2 ) 提出利用全息技术可以进行数字水印的 研究15 8 1 . k i s b k 和】 a v i d i ( 2 0 0 3 ) 提出利用数字全息方法在三维物体中嵌入三维水 印15 9 。 此外， 分形傅里叶变换也被用来研究光学加密算法以进一步提高光密码学 的安全强度6 0 ,6 1 1 。 上述这些工作引发了各国学者对光学加密以 及光学信息隐藏理 论与技术深入研究的浓厚兴趣。 特别值得注意的是“ 9 1 1 事件” 后美国政府开始了 一 项耗资巨 大的 所谓“ 国 土安 全 计划”( h o m e l a n d s e c u r i ty ) ， 其中 涉及庞大的 有 关光信息安全的研究与开发， 与之有关的研究结果的报道最近已经成为国际光学 工程学会 ( s p i e ) 最热门的主题之一。 一方面， 光学信息安全作为一种“ 非数学的密码理论和技术” 已 经显示出极 大的潜力; 另一方面， 这一领域的工作目 前还存在着许多关键问 题有待解决. 首 先， 对于光学加密以 及光学信息隐藏理论与技术的研究还处于初步探索的阶段， 这一领域的工作缺乏系统和深入的研究。 从密码学的观点来看， 国际上绝大多数 报道的关于光学加密的工作都属于对称密码的范畴， 对光学非对称密码系统( 公 钥密码系统) 的研究极少。 而非对称密码学( 公钥密码) 无论是从信息安全理论 体系的完整性， 还是从实际应用的重要性来看都是极其重要的。 其次，目 前国际 上对光学信息安全的研究也还只局限在实验室阶段， 所有报道的实验装置与系统 的部件大多采用自由空间传播的光学元器件。 这样的实验系统成本很高而且灵活 第一章 绪论 性差， 对数字媒体数据处理不方便; 理论上的安全强度也会受到现有物理器件性 能的限 制; 其中主要的限制之一是目 前还缺乏设计和制造结构紧凑、 成本低廉、 高集成度的微光学器件与系统的能力和手段。 目 前发展的光信息安全的实验系统 与实际可以 应用的信息安全产品相距甚远。 由此可见， 尽管光信息安全的理论与 技术具有极大的 潜力， 但要将它从实验室推向 真正的实际应用还有很多关键技术 问题需要解决。 在基于光学图 像处理技术的 信息加密、 隐藏和防伪鉴别研究 工作方面尚 处于 初步探索性的刚刚起步阶段， 缺乏全面系统和深入的 研究。 例如， 中国科学院 研 究生院及深圳大学等单位的部分学者已开始了 与数字水印、 图 像加密、 及密码学 和信息隐藏方面的相关研究， 但一般仅限于根据光学运算的概念， 进行基于数字 技术的如计算全息、 计算机模拟、 或虚拟光学等运算6 2- 7 3 。 但是总体上， 有关国 内 光学界在本研究领域内 采用光学图 像处理手段的 研究成果的报道并不多见. 在 这一领域的工作还存在着许多关键问题有待系统深入地进行研究和解决。 本文的课题来源为国家自然科学基金“ 光学图像处理技术在彩色图像加密、 隐藏、 提取及认证中的应用研究” ， 主要内容是光学图像隐藏技术的相关基础问 题， 包括基于f o u r ie r 变换图像信息隐 藏技术的相关问 题， 包括: 基于形态矩阵方 法的隐藏图 像的 形态信息编码及隐藏方法， 隐藏图像提取与识别的 模糊匹配方法 和f o u r i e r 变换图像信息隐藏技术的压缩鲁棒性分析。 1 . 4 本文主要的内 容及创新之处 i a . 1 主要内容 本文共分六章。 除本章外， 其余各章的内容如下: 第二章， 图像信息隐藏基础. 介绍了信息隐藏的原理; 信息隐藏的数学模型; 荃于空域的信息隐藏技术和基于变换域的信息隐藏技术。 第三章， 基于f o u r i e r 变换图像信息隐藏研究。 介绍了图像的形态特征的概念， 现有的描述方法; 提出了用以描述图像形态信息的形态矩阵方法， 并由此提出了 基于形态矩阵方法的图像形态信息的编码方法; 提出了 将隐藏图像经过编码隐藏 于宿主图 像f o u r i e r 空间的方法和数学模型， 并给出了实验结果和讨论. 第四 章， 隐藏图 像的提取与识别。 介绍了 基于 f o u r ie r 变换图 像信息隐藏方法 的信息提取方法; 提出了识别隐藏图像形态信息的模糊匹配方法， 给出了实验结 第一章 绪论 果。 第五章， 基于f o u r ie r 变换图像信息隐藏的压缩鲁棒性。 介绍了常见的图像有 损和无损压缩算法;从数学上讨论了基于f o u r ie r 变换的信息隐藏方法在经过基 于d c - 1 ，变换的图像有损压缩过程后， 隐藏图像的损失问题。 同时给出了实验结果 和讨论。 第六章， 总结与展望。 本章对作者开展的工作进行了 共结， 并对未来的工作 做了展望。 1 a .2 主要创新点 本文主要有以下创新点: ( 1 ) 提出用以描述图 像形态特征的形态矩阵方法， 该方法在同时表达图 像形态特 征的径向和角向分布信息的同时， 可以大大降低运算的复杂度， 并且需要的数 据量也大大减少。 基于形态矩阵方法， 我们结合灰度直方图提出了整体描述 灰度图像形态特征的广义直方图方法， 并给出了图像形态特征的编码方法。 ( 2 ) 将 基于 f o u r ie r 的 信息隐 藏方法与形 态矩阵 编码结 合， 提出 了 基于 f o u r i e r 图 像 信息的形态特征隐藏方法， 该方法将编码后的广义直方图隐藏于图像的f o u l e r 空 间高频区域。 该方法由于是基于f o u r i e r 变换， 因f o u r i e r 变换的数学性质可知， 其具有几何变换鲁棒性， 即可以抗剪切、 旋转和缩放等几何变换， 可应用于 具有一定形态特征的图像的信息隐藏。 ( 3 ) 墓于形态矩阵的模枷匹配方法， 根据模糊集理论提出了隐藏信息的 模糊匹配 识别方法， 实验上证明了该方法的准确性和有效性， 该方法可用于对隐藏信 息的提取和识别。 ( 4 ) 从数学上讨论了 基于 f o u r i e r 变换的信息隐 藏方法的 d c ，压缩香棒性问 题， 首 先讨论了一维条件下c 7 ，空间的信息损失对图像f o u r ie r 空间信息的影响， 并 通过计算给出了该描述影响的数学经验公式。 该结论说明: 若将图 像d o， 空 间的商频区域中的信息删除， 则图像的 d f t 空间高频区域中的信息亦有相应 的损失， 并且两者区域位置关系有本章所得的经验公式给出。 由 此结论， 我 们可以知道， d c r 的高频区域与d f t 的高频区域既有“ 近似搜盖” 的关系， 又 因为d c f 压缩的原理是将图像d o，空间高频信息大量删去， 因此， 可知， 基 于f o u r i e r 变换的图像隐藏方法不具有d c r 压缩的鲁棒性， 仅当 门，压缩比极 第一章 绪论 小时。 该结论亦可用于研究以 f o u r i e r 变换为基础的 光学图像信息隐藏方法的 压缩普棒性， 而不限于本文所提出的基于f o u r i e r 变换的基本模型。 第二章 信息隐藏概迷 第二章 信息隐藏概述 2 . 1 引言 信息隐藏技术起源于隐写术， 是一项特殊的 信息加密技术， 它把秘密信息隐 藏在非机密载体上， 不仅隐藏了秘密信息的内容， 而且隐藏了秘密信息的存在， 对它的研究要用到的基本理论和技术比较丰，7 6 1 ， 如信息加密技术、 计算机网络 技术、 数据压缩技术、 扩频通信技术、 小波多分辨分析的理论等等。 作为一类新 兴的技术， 信息隐藏技术有广阔的发展空间和较强的应用性。 本章主要介绍信息隐藏的基本概念及数学基础， 并介绍现有的基于空域和基 于频域的信息隐藏技术。 2 . 2 信息隐藏技术的概念 2 . 2 . 1 信息隐 藏技术的一般系统构成及术语 第一届国 际信息隐藏学术研讨会论文集中 ， p 6 给出了一个信息隐藏技 术的 一般系 统 构成的 模型( 图 2 . 1 ) : 目 前对于图像信息隐藏技术还没有一致公认的术语表达， 为便于表述， 本文 统一使用的术语及其含义在下边列出: 1 . 秘密 信 息( s e c r e t m e s s a g e ) 是 指 隐 藏 在 公 开的 宿主图 像中 的 保密 信 息， 也即 发信者想要发送给接收者而不想让第三者知道的信息， 它可以是文本、 图像、 版权信息、 序列号等其它二进制秘密数据。 2 . 宿主图 像( c o v e r i m a g e ) 指承载秘密 信息的公开图 像， 是含密图 像的 原 始形 式。 3 . 含密图 像( s t e g o i m a g e ) 指己 经嵌有 秘密 信息的图 像， 是嵌 入过程的 输出 。 4 . 隐藏密钥 ( s t e g o k e y ) 在信息隐藏过 程中可能需要的一些额外的 秘密数据 ( s e c re t d a ta ) ， 以增加秘密信息的安全性。 为了提取嵌 入在含密图像当中的秘 第二章 信息隐藏概述 秘密信息 预处理 ( 加密) 载体图像 隐藏分析 载体图像 圈2 . 1 圈像隐旅系统一般模型 密信息， 通常在信息提取方需要同样的隐藏密钥。 在密钥未知的前提下， 第 三者很难从含密图 像中得到或删除、 甚至发现秘密信息。 隐藏密钥在嵌入过 程中被称为嵌入密钥， 在提取过程中被称为提取密钥. 5 . 嵌 入( e m b e d d i n g ) 算 法 指 利用 嵌 入 密 钥 将 秘密 信息 嵌 入 宿 主图 像， 从 而生 成 含密图像的过程。 6 . 提取( e x tr a c ti n g ) 算法 指 利 用 提 取 密 钥 将 秘 密 信息 从 含 密图 像中 恢复 的 过 程， 是嵌入过程的 逆过程。 在提取过程中可能需要宿主图像， 也可以不需要宿主 图像。 7 . 隐 藏分 析( s t e g a n a l y s is ) 位于 含密图 像传输的信道( c o m m u n i c a ti o n c h a n n e l ) 上， 对含密图像进行可能的数学分析或破坏， 造成秘密信息的丢失。 需要指 出的是， 在有些情况下为了提高保密性， 需要对秘密信息进行预处理 ( 如加 密) ， 相应的在提取过程后要对得到的嵌入对象进行后处理( 如解密) ， 从而 恢复出原始信息。 2 . 2 . 2 倍息隐藏技术的分支 隐 写 术 ( s t e g a n o g r a p h y ) 与 数 字 水 印 ( w a t e r m a r k in g ) 是 信 息 隐 藏 最 重 要的 两 个 分 支。 隐写术的目的在于如何隐藏实际存在的秘密信息， 主要用于信息的安全通 信。 第二章 信息隐藏概述 采用隐写术的网络通信就是把秘密信息隐藏在普通的多媒体信息中 传输， 由 于网上存在数量巨大的多媒体信息， 从而使得秘密信息难以被窃听者检测， 因此 将隐写术用于军事上是一种新的通信方式。 另外， 隐写术还可以用于保护个人隐 私。 数字水印主要应用于数字作品的版权保护， 是近几年的热点问题。 2 . 2 ) 图像信息隐藏的特征 表征一个隐藏系统的特性有各种指标， 针对不同的应用， 所要求的各特性指 标的多寡也有不同。 一般来说， 一个典型的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。 下面是对图像信息隐藏中一些一般性的要求进行的总结 和概括: 1 . 不可见 性( i n v i s ib ili ty ) 不可见性是图像信息隐藏系统的最基本要求， 它是指嵌入的图像信息不 能使宿主图像的品质发生改变， 不会影响宿主图像的使用价值， 也就是说隐 藏后的图 像与 宿主图 像在 人类视觉 系 统( h u m a n vi s u a l s y s te m , h v s ) 下是 不 可 区分的。 2 . 不可检测性( u n d e t e c ta b i l i ty ) 如果秘密通信的行为泄落， 最直接的后果就是通信者的身份被暴落。 在 利用图像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， 也并不代表计算机分析不出来。 这是因为图像本身具有一些与图 像内 容相关的性质， 当嵌入的行为发生时， 便更改了这些特性， 即有可能在 通信过程中， 暴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 持原始图像所具有的特性， 即使一些攻击者拦截到信息， 也无法判断是否隐 藏有信息。 3 . 安 全 性 s e c u ri ty ) 嵌入信息后， 必须拥有某种程度的相关信息， 才能提取出原来所嵌入的 信息。 一般来说， 根据k e r c k h o ff s n 1 所阐明的加密算法原则， 加密算法必须是 公开的， 算法的安全性只依赖于加密算法所采用的密钥。同样，图像信息隐 第二章 信息隐藏概述 藏算法也不能是保密的， 图像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， 再结合图像信息隐 藏算法来嵌入信息。 因此， 从隐藏后的图像 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， 非法用户应无 法感知隐藏信息的存在， 或者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 息是隐藏于图像本身数据之中， 而不是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。 在设计一个图像信息隐藏系 统时， 嵌入密钥的产生、 发放、 存贮和管理都必须综合的加以 考虑。 4 . 誉棒性 ( r o b u s t n e s s ) 所谓普棒性是指嵌入隐 藏信息的宿主图像应有足够的 抗攻击能力， 在对 其施加一些常见的图像处理， 如: 图像几何变换 ( 旋转、 剪切、 平移等) 、 亮 度和对比 度调整、 锐化处理、 图 像压缩、 加噪音、 涟波等等， 宿主图 像中的隐 藏信息不丢失或者丢失较少。 5 . 信息嵌入量 信息嵌入量是宿主图 像所能隐 藏的 最大信息量。 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， 嵌入行为暴落的 风险也就越大， 同时也降低了嵌入信息的鲁棒性。 隐藏容量和嵌入算法、 系 统需求及信息隐藏宿主介质本身的特性都有很高的相关性， 在实际的应用中 必须对隐蔽性、 信息隐藏量和奋棒性之间进行适当的折衷。 6 . 唯 一性( s o l i ta r y ) 即要求宿主图像在保证其对原始图像的忠实性的前提下， 第三方很难再 加入其它的水印 信息。 也就是 说， 嵌入水印 信息的 含密图 像要使以 后试图 再 加入的水印信息达不到应有的强度， 即使强度达到了， 但含密图像相对原始 宿主图像已经严重失真、 变形， 从而无法实现图像隐藏处理的目 的， 以此来 保证水印的唯一性。 保证了 首先加入的水印的唯一性， 也就保证了版权的唯 一性。 7 . 计算复杂度 第二章 信息随 藏概述 在嵌入和恢复嵌 入的信息时， 计算上的复杂度也是图像信息隐藏所要考 虑的因紊。 这往往根据具体的不同应用， 而做适当的调整。 一般来说， 在实时 性要求不高的情况下， 对计算复杂度并没有过多的要求。 如果在提取信息时 同时具有实时的性质， 则要求隐藏算法必须尽可能的计算简单， 这样节省了 提取时的时间。 图 像信息隐 藏系统这些技术要求并不是每一个图像信息隐 藏 系统都必须满足的， 实际上也不可能都满足， 因为某些 要求自 相矛盾。 一般 来说， 嵌入量越大， 隐蔽性和鲁棒性就越差， 实际的系统只能根据具体应用 的不同来进行权衡。 例如， 当前研究比较多的数字水印， 作为版权保护的核 心技术， 毓要求有很好的鲁棒性， 而对可以隐藏的信息量的要求较弱; 对于 隐写术通常考虑的是最好的隐蔽性， 兼顾较大的隐藏容t， 而牺牲抗千扰的 能力。 2 3 图像隐藏技术的数学基础 2 3 ) 圈像质.的评价标准 2 .3 . 1 . 1 主观评价 一个好的数字图 像隐藏与 检测算法要求被隐藏的信息是不可见的， 即加入隐 藏信息后的图像与原始图像没有明显的差别。 很显然， 为了识别这一点， 人眼是 最快的评价标准， 这种评定可基于i t u - r r e c .5 0 0 质量等级级别. 表2 . 1 179 1 列出了 等级级别和相应的可觉察性及质量。 主观评价对最终的质量评价和测试是有实用 价值的。 但是， 这种评价标准无法做到定量的对系统性能进行分析。 2 3 . 1 . 2 客观评价 主观评价方法往往在很大程度上受到观察者本身的知识背景、 情绪、 动机以 及疲劳程度等因素的影响， 评价结果的一致性较差， 并且从工程的角度来看， 该 方法太过于费时费力。 因此， 在图像处理中， 传统的主观评价方法都不能满足图 像质量评价的要求。 在此情况下， 客观的量化度量因其结果不依赖于主观评定而成为科学研究中 有效的手段和方法。 在信息隐藏领域中， 评价图像质量的客观度量主要是基于秘 密信息隐藏前后的图像对应像素的差分失真度量， 该度量方法可以 在不同的算法 第二章 信息隐藏概 述 衰2 . 1 i t u - r r e c . 5 0 0 质f等级级别 等级类别 对原始图像的损害质量 不可察觉图 像质量的改 变优 可察觉图像质量改变， 但不令人难以接受良 可清晰察觉图 像质量改变， 有点儿令人难以 接受 中 令人难以 接受差 令人不能接受极差 一j月叶 门， 之间进行公平的比较。 假设 数字图 像 i 在( ， 力 位里的函 数 值为 f ( = , 力 : 0 ) ( ， j ) 2 5 5 ( 2 . 1 ) i 在( ， 力 位置 的 函 数 值 为 f ( _ , 力 0 ) ( ， j ) 2 5 5( 2 . 2 ) 0 1 j ) 为数 字图 像的 纵 横分辨率上点的 位里。 则数 字图 像i 和数字图 像i 之间 的 差 异可用下面的几种定义方法来描述: 1 . 图像逼真度的定义【7 艺 me j= 1 e ln= l (。 ( ， (， ) 一 ( f (j ,k ) ) ) 2 碟 l e 仁 , (0, ( f (z , j ) ) ) 2 ( 2 . 3 ) 其中 a ( ) 为 数学 期望. 2 . 数字图 像的峰值信噪比 可以定义为 p sn 。 一 1