（信号与信息处理专业论文）可逆信息隐藏及无损图像认证技术研究.pdf

摘要 信息隐藏作为网络时代信息安全的一项重要技术，已成为国内外学者的研究热点。 在一些特殊应用领域，如医学、法律等，不允许宿主图像有任何修改，图像像素的微小 变化就可能导致诊断结果出错或者法律诉讼失败，可逆信息隐藏技术作为解决这些特殊 应用的新手段，成为信息隐藏技术的重要分支。无损图像认证技术在完成图像内容真实 性与完整性认证的同时，还能完全恢复宿主图像，也引起人们越来越多的关注。 本文提出一种基于宿主图像差值矩阵的可逆信息隐藏算法，利用差值矩阵中元素分 布集中的特性，生成秘密信息的嵌入空间，完成图像预处理，再通过修改差值矩阵元进 而映射修改宿主图像的像素，完成秘密信息的嵌入，在接收端可以提取秘密信息，同时 能够完全恢复宿主图像。该算法在保证图像视觉质量的基础上，有较大的嵌入量，算法 简单，性能优越。文章对算法还做了进一步扩展，提高了嵌入量。 本文在无损信息隐藏方案的基础上提出一种基于脆弱水印的图像认证算法。结合 h a s h 函数和宿主图像的差值矩阵生成图像摘要，将摘要作为水印信息嵌入到宿主图像 中，接收端可以检测篡改，并能实现块大小为2 x 2 的篡改定位。该算法的最大好处就是 能够保证非篡改区域图像内容的绝对真实性。实验表明该算法对篡改能准确检测，并能 实现定位。 关键词 可逆信息隐藏，差值矩阵，无损图像认证，h a s h 函数 a b s t r a c t d a t ah i d i n gi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o ns a f e t yi nt h ei n t e m e te r a , a n d b e c o m e sah o tp o i n ti nt h ew o r l dw i l d i ns o m es p e c i a lf i e l d s ，l i k em e d i c i n ea n dl a w s ， m o d i f i c a t i o no fi m a g ei sn o tp e r m i t t e d ；t i n yc h a n g eo fap i x e lm a yl e a d st ow r o n gr e s u l to f d i a g n o s eo rf a i l u r eo fas u i t a san e wm e t h o do fs a t i s f y i n gt h es p e c i a la p p l i c a t i o n s ，r e v e r s i b l e d a t ah i d i n gb e c o m e sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fi n f o r m a t i o nh i d i n g l o s s l e s si m a g e a u t h e n t i c a t i o nn o to n l ya u t h e n t i c a t et h ea u t h e n t i c i t ya n di n t e g r i t yo ft h ei m a g e ，b u ta l s o r e s t o r et h ec a r r i e ri m a g ee x a c t l y , i ta t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s r e v e r s i b l ed a t ah i d i n ga l g o r i t h mb a s e do nd i f f e r e n c em a t r i xo ft h eo r i g i n a li m a g ei s p r o p o s e di nt h i sp a p e r , t h ep r o p e r t yo fc e n t r a ld i s t r i b u t i n go f t h ee l e m e n t si nt h ed i f f e r e n c e m a t r i xi su s e dt og e n e r a t et h ee m b e d d i n gs p a c e ，t h es e c r e ti n f o r m a t i o ni se m b e d d e dt h r o u g h m o d i f y i n gt h ee l e m e n t so ft h ed i f f e r e n c em a t r i x ，a n dt h i sc a nb em a p p e d t ot h em o d i f i c a t i o n o ft h ep i x e l so ft h ec a r r i e r t h es e c r e ti n f o r m a t i o nc a nb ee x t r a c t e db yr e c e i v e r , a n dt h ec a r r i e r c a l lb er e s t o r e de x a c t l y t h ev i s u a lq u a l i t yo ft h ei m a g ei sg u a r a n t e e d ，a n di th a sl a r g ec a p a c i t y , s i m p l ea l g o r i t h ma n dp e r f e c tp e r f o r m a n c e a ne x p a n s i o na l g o r i t h mi sp r o d u c e dt oi n c r e a s e t h ee m b e d d i n g c a p a c i t y a ni m a g ea u t h e n t i c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nf r a g i l ew a t e r m a r k i n gi sp r o p o s e di n t h e b a s i so fl o s s l e s sd a t ah i d i n g s u m m a r yo ft h ei m a g ei sg e n e r a t e dt h r o u g hh a s hf u n c t i o na n d t h ed i f f e r e n c em a t r i xo ft h ec a r r i e r , t h e nt h es u m m a r yi se m b e d d e di nt h ec a r r i e ra sa w a t e r m a r k , t a m p e ro f t h ei m a g ec a nb em e a s u r e d ，a n da 2 x 2t a m p e rc a nb el o c a t e d t h e a d v a n t a g eo f t h i sa l g o r i t h mi st h a tt h ea u t h e n t i c i t yo ft h en o n t a m p e r e da r e ai sg u a r a n t e e d e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h et a m p e rc a nb em e a s u r e de x a c t l ya n dc a nb el o c a t e d k e y w o r d s r e v e r s i b l ei n f o r m a t i o nh i d i n g ，d i f f e r e n c em a t r i x ，l o s s l e s si m a g ea u t h e n t i c a t i o n , h a s h i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：丕亟邀指导教师签名：盘垒立 1 一年月j 箩日 哕年月扣日 西北大学学位论文独创性声明 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另t l d n 以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它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谢 = 也 恩。 学位论文作者签名：獗圾 砌争年月i s 日 两北大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 信息已成为人类社会和国家发展的重要战略资源，社会信息化步伐日益加快，计算 机网络技术的飞速发展改变了信息传递的基本方式，结合多媒体技术的不断飞跃，网络 的应用范围得到了极大的拓宽。通过计算机网络进行数字化多媒体信息传输，彻底颠覆 了原有的媒体发布和传递方式，也使人们对信息的需求从单一的文本形式延伸到数字化 的文本、图像、音频、视频等多种信号集成的多媒体信息形式。由于多媒体信息易存储 加工、易传输复制，加快了知识和信息的传播与交流，再加之网络通信技术和计算机辅 助设备的发展，使得信息的获取与交换更加简单便利。 虽然多媒体技术和网络技术的结合为人类生活创造了极大的便利，但随之而来的副 作用也是显而易见的：对数字化信息进行恶意篡改、攻击、盗用等都是轻而易举的，例 如：侵犯、伪造多媒体信息的版权，非法盗用、传播、拷贝、篡改多媒体信息的内容， 非法截获、查看、攻击在网络中传输的多媒体信息等等。因而，如何既能充分的利用互 联网技术及多媒体信息的方便性，又能有效地保护这些数字化信息的安全，成为一个迫 在眉睫的问题。传统的密码技术虽然可以解决其中的部分问题，但是密码技术本身存在 着其无法避免的缺科i 】：首先，随着计算机处理数据的能力飞速加快，使得这种通过不 断增加密钥长度来提升系统保密性的方法越来越不安全；其次，密码技术通常是将明文 加密成密文，使非法用户无法解读从而保护秘密信息，但是密文明确提示了重要信息的 存在，容易引起攻击者的注意，进而有可能被破解。一旦密文被破解，秘密信息就完全 变成明文。即使攻击者无法将其破解，也可以通过对其破坏使得合法用户也无法获得正 确的信息；另外，多媒体技术已经被广泛应用，需要进行保护的数字化信息也越来越多， 而对这些数据利用密码技术加密，就忽略了信号本身的属性。 信息隐藏技术【l 吲应运而生，成为现代信息安全领域的一个重要方面。信息隐藏技 术主要研究如何将某一秘密信息隐藏于另一公开信息中，通过公开信息的传输来传递隐 藏信息。相当于把秘密信息乔装藏匿在信息空间中一个足够大而复杂的子集中，目的是 使攻击者难于搜寻秘密信息所在，更难于破坏它。正是因为含有秘密信息的载体对象是 公开的，攻击者难以判断公开信息中是否隐藏了秘密信息，更加难以获得秘密信息，从 而保证了信息的安全。但在信息隐藏过程中，可能造成宿主图像不可恢复的失真，然而 第一章绪论 在些特殊场合，需要宿主图像的原始信息，可逆信息隐藏技术在提取出秘密信息之后， 可以完全恢复宿主图像，已经成为信息隐藏技术的重要分支。 随着相关技术的不断发展，信息隐藏技术已经逐渐成为一门独立的学科，其研究范 围在不断扩大，影响力也在逐步提升。信息隐藏技术横跨数字信号处理、多媒体技术、 密码技术、数字通信、计算机网络、信息论等多个领域，具有巨大的潜在市场，对其研 究具有重要的学术意义和经济价值。虽然对信息隐藏技术的研究在国内起步比较晚，而 且尚处于初步阶段，但是经过多年的努力，信息隐藏技术的各个方面已经取得了很大进 展，同时，也引起了我国科研人员的浓厚兴趣。对信息隐藏技术的研究，可以分为以下 三个方面：基础理论研究、应用基础研究和应用研究。基础理论研究就是建立信息隐藏 的基础理论框架和理论模型，解决安全性度量、通信量分析等基本理论问题，以揭示信 息隐藏技术中存在的若干基本矛盾。信息隐藏的应用基础研究主要是针对典型的应用需 求，研究各种信息隐藏算法和算法性能评估体系。信息隐藏的应用研究是以信息隐藏技 术的实用化为目的的，主要研究针对各种应用的实用系统，开发相关软件等等。现今信 息隐藏研究的各方面还存在着各种问题：信息隐藏技术的基础理论研究还很薄弱，有关 理论基础尚未建立和完善；缺乏公平统一的性能测试与评价体系；开发商用隐写系统的 基础准备不足；对隐藏信息量的研究有待继续等等。 信息隐藏技术在未来一段时期内的主要研究方向如下f l - 5 1 ： ( 1 ) 信息隐藏技术的基础理论与方法研究。包括信息隐藏技术的数学基础、基本模型、 检测方法、评价体系等等。 ( 2 ) 信息隐藏具体算法的研究。包括可逆信息隐藏算法、非可逆信息隐藏算法等等。 ( 3 ) 信息隐藏技术的应用研究。包括水印的标准化、信息隐藏的协议、信息隐藏技术 在各行各业中的应用、具体隐藏软件的开发等等。 1 2 可逆信息隐藏技术 1 2 1 研究目的和意义 在解决数字化信息传输和存储的安全问题方面，信息隐藏技术所发挥的作用越来越 重要，但是现有的绝大多数用于图像的隐藏算法，常常在进行信息嵌入的过程中，会造 成宿主图像不可恢复的改变，也就是说，即使在接收端提取了嵌入信息之后，也无法获 得原始的载体对象。而在很多领域，这种失真是不容许的，如：军事遥感图像、医学图 片、法律证据图片、高能物理图像等等敏感领域。在这些应用中，原始图像中任何一个 2 西北人学硕+ 学位论文 像素信息都是非常重要的，对这些信息做任何修改都会影响原始图像的可信度，甚至产 生严重的后果，比如对医学图像的修改可能直接影响诊断结果，法律证据图像的变化可 能会影响判决结果等等。所以需要一种无损的信息隐藏方法，在接收端完整的提取出秘 密信息之后，能够完全恢复宿主图像。 可逆信息隐藏技术【1 3 9 1 0 1 是指：虽然宿主图像在信息嵌入的过程中可能遭到一定的 修改、破坏，但是如果隐藏载体图像在传输过程中没有发生变化，那么接收端的合法用 户及权威机构可以根据提取算法得到秘密信息，并且清除失真恢复原始图像。可逆信息 隐藏也称为可恢复、无损、无失真信息隐藏等。在许多对原始图像要求较高的领域，该 方法的独特性质使其更具优越性。例如：在医学上，可以用于检测数字医疗图像在传输、 存储过程中是否被修改了；在商业中，可以用来防止数字化票据被篡改；在法庭上，可 以检验作为证据的图片的真实性；在军事上，可以用于保证所获得的数字化军事图像的 是否完整等等。 可逆信息隐藏技术与一般的信息隐藏技术几乎没有原理性的差别，但是两者关注的 焦点却发生了转移，传统信息隐藏技术主要关注秘密信息，而可逆信息隐藏技术更注重 原始的载体信息。可逆信息隐藏技术在多媒体信息传送之前，将秘密信息嵌入其中，然 后再进行传输，接收端提取出嵌入信息之后，可以完全修复由于嵌入对载体信息的破坏， 得到原始载体信息。可逆信息隐藏算法就是可以修复嵌入过程对宿主图像损坏的信息隐 藏方法，其不仅传送了秘密信息，还可以得到原始载体信息的准确拷贝。 1 2 2 研究现状 1 9 9 9 年，h o n s i n g e r l 8 】等人在的一项专利中最早提出了可逆信息隐藏的思想并设计 了一种无损信息隐藏算法，该算法是从含秘密信息的图像中重构被覆盖的数据以无损恢 复原始图像。f r i d r i c h 等人【l l 】提出了基于块状态编码的可逆隐藏算法，其对宿主图像分 块并将信息隐藏在图像块的状态中。随后j e s s i c a 又在文献 1 2 1 中提出r - s 算法，利用了 原始图像中像素的冗余性，算法有较高的信息嵌入量。x u a n 在文献 1 3 1 中提出了基于整 型小波变换的可逆数据隐藏方法，该算法隐藏容量较高，但会发生像素值溢出的情况。 t i a n 在文献 1 4 1 中提出了一种基于扩大差值的高容量无损水印算法，该方法通过计算相 邻像素的整数均值和差值，在差值的最低位嵌入信息比特，但嵌入和提取的过程是不对 称的，算法实现繁杂，计算量大，且含水印图像的视觉质量偏低。n iv a nl e e s t 在文献 1 5 】中提出一种基于分块直方图的可逆信息隐藏算法，该方法性能较好，但会出现像素 3 第一章绪论 值溢出的问题。m i c h i e lv a n d e r v e e n 等人在文献【1 6 】中提出了一种基于比特移位的音频 可逆水印算法。a l a t t a r 在t i a n 算法的基础上，将“像素对”扩展为三像素组、四像素 组、像素对向量的方法，以能在每个像素组中嵌入多个比特，从而进一步增加嵌入容量。 这种改进在相同的含水印载体保真度下，如果保真度较低时，嵌入容量增益比较明显； 但在保真度要求较高时，信息量的下降比较大【1 7 , 1 8 】。n i 等人在文献【9 】【1 0 】提出一种基于 宿主图像直方图的无损信息隐藏算法。该算法通过修改宿主图像直方图的最值点，完成 信息嵌入，算法能保证较好的图像视觉质量，含秘图像的峰值信噪比高于现有大部分可 逆隐藏算法，但是最大的缺陷是嵌入量受到直方图最值大小的制约，嵌入量受限于原始 图像。g u o r o n gx u a n 等人在文献 1 9 q a 提出一种基于小波域的无损隐藏方案，利用小波 系数进行信息嵌入，同时利用直方图修改来防止像素值溢出，该算法性能比较好。y a n g 等人在文献 2 0 1 中提出在整型d c t 域内改变系数直方图的方法来完成无损信息隐藏， 该算法充分利用了d c t 域内系数近似l a p l a c i a n 分布而使得能量比较集中的特性，算法 性能较为优越。文献1 2 1 提出了一种空间域的可逆信息隐藏方法，该方法仅使用了一个 参数，而且可以利用自由度控制信息嵌入量。c c l i n 等在文献【2 2 】中提出了一种自适 应的无损隐藏算法，能够保持较高的隐藏载体图像的视觉质量。c h i n c h e nc h a n g 等人 在文献【2 3 】中提出了一种基于彩色图像的无损信息隐藏算法，利用点阵图改善了压缩 图，还保证了较高的图像视觉质量。 总体来看，可逆信息隐藏及其相关技术的研究才刚刚起步，特别是在国内比较少， 急需解决的问题还有很多，潜在的应用领域也很宽，因此该技术将是今后学者们的一个 研究热点。 1 3 无损图像认证技术 数字图像的真实性和完整性已成为多媒体信息安全的重点，具有广泛的代表性。图 像认证技术【2 3 。3 1 1 就是鉴别并检测图像的真实性和完整性。无损图像认证技术【3 2 3 6 1 在完成 图像篡改检测之后，可以完全恢复宿主图像。 基于水印的图像认证技术是通过在宿主图像中嵌入水印来实现的，根据水印信息的 完整性和有效性来检测图像是否被篡改过，然而水印嵌入本身就修改了宿主图像的内 容，在一些特殊的领域，希望通过了认证的图像，能完全恢复到原始状态，例如在医学 图像中嵌入脆弱水印后，必然修改了原始图像的信息，然而医学图像对任何修改都是无 法容忍的，所以需要在图像通过认证后，完全修复嵌入过程对原始图像的改变，否则， 4 西北火学硕士学位论文 对图像所做的任何修改都可能导致诊断结果的错误。无损图像认证成为解决这一问题的 关键技术，它在提取脆弱水印信息后，能恢复原始图像，确保经过认证的图像完全真实 可信。 无损图像认证的特殊应用使得越来越多的人开始关注这项技术，至今已出现了许多 无损图像认证算法。龚剑等人在文献【3 3 】中提出了一种基于整型小波变换并结合s p i h t 图像编码的可恢复水印方法，能保证较好的图像视觉质量，并能实现篡改定位与篡改内 容恢复，但是在形成恢复水印时舍弃了图像的高频细节，所以对于图像的平滑区域恢复 较好，而对于纹理复杂的部分恢复的比较模糊。文献 3 4 1 提出了一种图像自嵌入的水印 算法，不仅能检测和定位对图像的窜改，而且能恢复被损坏的图像内容。但是算法并非完 全可逆的，不能完全恢复宿主图像。o a o 3 6 1 提出的基于水印的可逆图像认证方案，能 够检测篡改且可以实现篡改定位，图像视觉质量也非常好，而且算法简单，执行时间很 短，但是该算法的篡改定位是基于块的，定位精度不高。文献 3 7 1r p 提出一种基于可逆 水印技术的图像认证算法，该算法将图像块分为可逆块和不可逆块，不可逆块用来提取 特征水印，可逆块在提取特征水印的同时还要进行特征水印的嵌入。该算法可以检测篡 改并能较好地实现篡改定位，且能恢复原始图像。但算法比较复杂，还必须要求可逆子 块的数目大于等于非可逆子块的数目，否则可逆认证不能实现。 虽然至今已出现了许多无损图像认证方法，但对该技术的研究仍处于起步阶段，还 有很多问题有待解决，它是信息隐藏技术的一个重要研究方向。无损图像认证技术和可 逆信息隐藏技术之间存在着很大的关联，这两个技术势必成为今后信息隐藏领域的研究 热点。 1 4 本文的主要工作 本文主要研究可逆信息隐藏新算法，及无损图像认证的方法。主要工作如下： ( 1 ) 研究可逆信息隐藏及图像认证的基础理论，包括信息隐藏和无损信息隐藏的基 本概念、分类、特点、评价方法及应用领域，图像认证技术基本框架、设计要求及分类 等，无损图像认证技术的特殊要求、应用领域等知识。 ( 2 ) 本文提出了一种基于宿主图像差值矩阵的可逆信息隐藏新算法。此算法借助宿 主图像的差值矩阵，对图像进行预处理生成嵌入位置，继而完成信息嵌入，接收端根据 嵌入逆过程提取出秘密信息，并修复图像预处理和嵌入过程对宿主图像的改变，恢复原 5 第一章绪论 始图像。理论分析和实验仿真都证明该算法视觉质量较好，算法嵌入量比较大。同时， 在新算法的基础上提出了扩展算法一，扩展算法二和混合扩展算法，在保证图像视觉质 量的基础上更进一步提高了信息嵌入量。 ( 3 ) 提出一种新的无损图像认证方案。该方法结合宿主图像差值矩阵、h a s h 函数及 其h a m m i n g 重量产生图像摘要信息，将摘要作为水印嵌入到宿主图像中，在嵌入过程 中利用重复嵌入方式来实现数据的纠错处理。在接收端，首先提出水印信息，得到宿主 图像的摘要信息m 1 ，再利用可逆算法恢复宿主图像，根据恢复的宿主图像生成摘要信 息m 2 ，通过对比两个摘要信息来检测篡改。实验表明该方案可以有效检测篡改，并能 实现块大小为2 2 的篡改定位。 本文章节具体安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了信息隐藏技术的研究意义、研究的类别及今后的研究方 向，无损信息隐藏技术的研究背景和研究现状，图像认证技术的研究背景及相关知识， 无损图像认证的研究意义及研究现状。最后指出本文的主要工作及章节安排。 第二章：基础理论。首先介绍了信息隐藏技术和无损信息隐藏的基础理论；其次详 细阐述了图像认证技术基础理论和无损图像认证技术的相关内容。 第三章：可逆信息隐藏算法研究。本章首先介绍了几种经典的基于直方图的可逆信 息隐藏算法，在对这些算法做了研究分析的基础上，提出了一种基于宿主图像差值矩阵 的可逆信息隐藏新算法及其扩展算法，实验证明算法性能较优越。 第四章：无损图像认证技术研究。本章首先介绍了h a s h 函数的基础理论。接着详细 介绍了无损图像认证的新方案，算法分析及实验结果说明算法性能比较优越。 最后是结论。分析总结了本论文的研究成果，并对文中提出的这个两种算法未来的 发展方向进行了展望。 6 西北丈学硕士学位论文 2 1 信息隐藏技术概述 第二章基础理论 网络通信技术和多媒体技术的快速发展和应用，为全世界范围内数字化信息的广泛 传播与交流提供了非常便利的条件。但同时这些新技术也为非法者提供了恶意篡改、盗 用、攻击他人劳动成果的便利条件。非法用户可以在极短的时间内，轻易获取他人的劳 动成果，并随意复制、传播。因此数字化信息的安全与维护就成了当今信息安全领域中 急需解决的问题。信息隐藏技术应运而生。 2 1 1 信息隐藏技术的基本概念及模型 信息隐藏技术【h 3 8 删是近年来信息安全领域中提出的一种解决多媒体安全的新方 法。其原理是利用载体中存在的冗余信息来隐藏秘密对象，以实现保密通信、数字签名 及认证等。 信息隐藏技术和传统密码技术都是为了保护秘密信息的使用和传输安全，但两者对 信息的保护使用了不同的手段。信息加密技术是利用密钥把待保护的信息变换成密文形 式，通过公开信道的传送到达接收端。加密后的信息，如果没有密钥，非法用户无法进 行解密，从而也无法得到正确的信息。也就是说，信息加密通过密钥控制信息的使用权。 而信息隐藏则不同，它通过把秘密信息隐藏在公开媒体信息中，达到传递秘密信息或者 证实该媒体信息的所有权和数据完整性的目的。信息加密技术隐藏了秘密信息的内容， 而信息隐藏技术不仅仅隐藏了信息的内容还隐藏了秘密信息的存在。信息隐藏技术比密 码技术更安全，因为它不容易引起攻击者的注意，有更好的隐蔽性。但是，密码技术和 信息隐藏技术并不是互相矛盾、互相竞争的技术，它们是互补的。在实际的信息安全系 统中，可以将这两项技术结合起来使用，先将秘密信息进行加密预处理，然后再利用信 息隐藏技术，把密文隐藏于公开信息中进行传输，使秘密信息的保密性和不可察觉性效 果更好。信息隐藏技术的出现和发展，为信息安全的研究应用拓展了一个新的领域。但 其远不如密码技术成熟，密码术中的许多技术和准则都可以为信息隐藏技术所借鉴。 信息隐藏系统的基本模型如下图l 所示。 在信息隐藏系统中，通常称待隐臧的信息为秘密信息。将承载秘密信息的公开信息 称为载体对象，秘密信息和载体对象可以是文本、图像、音频、视频、密码协议、编码 体制和系统等等，一般将图像载体对象称为原始图像或宿主图像。将已经藏有秘密信息 7 第二章基础理论 秘密信息 秘密信息 预处理载体对象 隐藏分析者 后处理 图1 信息隐藏系统基本模型 的载体对象称为隐藏载体。将秘密信息添加到载体对象中得到隐藏对象的过程称为信息 嵌入，嵌入过程中所使用的算法称为嵌入算法。信息嵌入的逆过程，即从隐藏对象中重新 获得秘密信息的过程称为信息提取，或称为信息恢复，在提取过程中使用的算法称为提 取算法。如果提取过程中不需要载体对象参与，则称为盲提取，否则称为非盲提取。执 行嵌入过程和提取过程的个人或组织分别称为嵌入者和提取者。人们通常需要使用一些 额外的秘密信息来控制嵌入和提取过程，以增加系统的安全性，这个秘密信息称为隐藏 密钥。位于隐蔽图像传输的信道上，对隐蔽图像进行可能的数学分析或破坏，造成秘密 信息的丢失的技术称为隐藏分析技术，把隐藏分析技术的研究者称为隐藏分析者。 2 1 2 信息隐藏技术的分类 信息隐藏的方法很多，根据不同的角度，会有不同的分类结果，但这些分类并不是 绝对的，相互之间是具有一定联系的。下面给出几种常见的分类方法： ( 1 ) 按密钥分类：若嵌入过程和提取过程采用相同的密钥，这样的信息隐藏技术称为 对称信息隐藏技术，反之，则称为非对称信息隐藏技术。 ( 2 ) 按载体类型分类：可分为基于文本、图像、音频和视频等数字媒体的信息隐藏技 术。 ( 3 ) 按提取要求分类：若在提取隐藏信息时不需要原载体对象的参与，则称为盲隐藏 技术；否则称为非盲隐藏技术。 ( 4 ) 按嵌入域分类：时域( 空域) 方法、变换域方法。空域隧减就是在载体图像的冗余 部分中嵌入秘密信息，典型算法如l s b 算法。变换域信息隐藏典型算法包括基于d c t f 离 散余弦变换) 的信息隐藏算法、基于d w t ( 离散小波变换) 的信息隐藏算法等。 ( 5 ) 按保护对象分类：主要可分为隐写术和数字水印技术。隐写术意在不引起任何怀 疑的情况下秘密传送消息，主要要求是不被检测到和大容量隐藏信息等，是比较成熟的 信息隐藏技术。数字水印是嵌在数字产品中的数字信号，可以是图像、文字、符号、数 8 西北大学硕上学位论文 字等一切可以作为标识和标记的信息，目的是进行版权保护、所有权证明、指纹和完整 性保护等，要求具有鲁棒性和不可感知性等。 2 1 3 信息隐藏技术的基本特点 根据信息隐藏的目的和技术要求，信息隐藏技术具有以下特性： ( 1 ) 安全性。指隐藏算法有较强的抗恶意攻击能力，即它必须能够承受一定程度的人 为攻击，而嵌入对象却不会被破坏。 ( 2 ) 透明性或不可感知性。这一特性是信息隐藏最必要的条件。利用人类视觉系统或 听觉系统属性，经过一系列隐藏处理，使隐藏对象没有明显的降质现象，嵌入对象无法 人为地看见或听见，即嵌入了秘密信息不能使载体对象产生可感知的失真。当然个别特 殊应用场合可能会使用可见水印。 ( 3 ) 鲁棒性。指隐藏对象通过常用信息处理操作后，不会引起嵌入对象丢失的能力。 这里的信号处理操作包括滤波操作、有损压缩、打印、扫描、几何变换、d a 或a d 转 换等等。 ( 4 ) 不可检测性。指隐藏载体与原始载体具有一致的特性，以便使隐藏分析者无法判 断隐藏对象中是否藏有嵌入对象。不可检测性是信息隐藏的目的，如果检测到信息隐藏 的存在，说明信息隐藏失败。 ( 5 ) 信息量或嵌入强度。在保证不可感知性和不可检测性的条件下，希望载体对象能 嵌入的信息量越大越好，但是嵌入容量增大，会减低不可感知性和不可检测性，所以要 均衡这三种特性。秘密信息容量越大，隐藏的难度系数越大；秘密信息与载体信息越接 近，保密的效果就会越好。 ( 6 ) 自恢复性。经过某些操作或变换后，可能会使含秘密信息的载体产生较大的破坏。 如果只根据留下的片段数据，仍然能够恢复出嵌入的秘密信息，而且不需要原始载体对 象参与恢复过程，这就是信息隐藏技术的自恢复性。 2 1 4 信息隐藏技术的评价方法 随着信息隐藏技术的发展，人们不仅仅关注信息隐藏的算法，而且开始关注该技术 的性能，即评价方法。定义了隐藏数据后的载体对象相对于原始载体对象的保真度标准。 目前常见的标准有：主观保真度标准和客观保真度标准。 ( 1 ) 主观保真度标准 对隐藏载体对象的主观评价由人来完成。主观质量评分法是现今最具代表性的主观 9 第二章基础理论 评价方法。它有两类度量尺度：绝对性尺度和比较性尺度。具体的评分步骤如下： 用某些原始的标准图像建立图像质量等级标准； 由评价人观看被评价的图像，并将其与图像质量等级标准作比较，得出被评价图 像的质量等级； 归一化平均评价者对图像的打分。 由于h v s 的主观性，主观保真度标准受到评价者知识背景、情绪、动机、疲劳程度 及时间、环境等因素的影响，不同的评价者对同一副图像的评价结果的一致性较差，并 且从工程的角度来看，主观质量评分法太过于费时费力。所以，传统的主观评价方法不 能满足对图像质量评价的要求。而客观的保真度标准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。 但) 客观保真度标准 目前，最常用的客观保真度标准是均方误差m s e ( m e a n - s q u a r ee r r o r ) 和信噪比 s n r ( s i g n a l t o - n o i s er a d i o ) 。 将原始图像和隐藏载体图像分别表示为厂 ，y ) 和厂( x ，y ) ，d x m j ，d y 一j ， 则隐藏载体图像相对于宿主图像的均方误差m s e 定义为： 1 m ln - 1 m s e = l i 厂阮一纸| 2 (21mn x 厶一= o 锡p 一“一。 、7 数据嵌入到宿主图像中也可以看作引入了一定的噪声( 误差) ， 厂( x ，少) = f ( x ，y ) + e ( x ，y ) ( 2 2 ) 因此，可以定义原始图像和隐藏载体图像的信噪比s n r 为： ( 2 3 ) 在图像处理中，峰值信噪比p s n r ( p e a ks i g n a l t o - n o i s er a d i o ) 更为常见 p s n r = j 7 龇篆 ( 2 4 ) 基于均方误差的客观保真度标准( m s e ，s n r , p s n r ) 与h v s 的特性并不完全匹配。两 幅具有相同p s n r 的图像可能具有差别很大的视觉效果。由于图像的最终用户是h v s ， 所以在信息隐藏中，除了应用客观标准外，主观标准也常被使用。 l o 似 矿 m 脚 w 剃 办似 以 m 舢 w 脚 = 黜 西北人学硕上学位论文 2 1 5 信息隐藏技术的应用领域 目前信息隐藏技术在信息安全的各个领域中发挥着极其重要的作用，主要体现在以 下几个方面： ( 1 ) 保密通信 在网上传输的一些秘密数据涉及政治、军事，金融、商业和个人隐私等等，需要防 止非授权用户截获并使用。尽管在传递信息的过程中可采取加密的方式保护信息，但由 于开放式的网络传递方式使得信息的传输过程及信息内容是公开的，因此，经过加密处 理的数据很容易引起非法用户的注意、攻击和破坏，导致单纯的加密方法存在不安全隐 患。而在基于信息隐藏的保密通信中，传输过程对外表现为载体的外部特征，并未改变 其基本特性和使用价值，使之比密码加密方法的保密通信具有更独特的优势，其最大优 点是使机密信息从“看不懂 变为“看不见”，隐藏了攻击目标。 ( 2 ) 所有权认定和版权保护 随着网络技术和多媒体技术的飞速发展和广泛应用，如何保护图像、音频、视频等 多媒体信息的内容成为迫切需要解决的问题。多媒体信息的创作者，可在媒体传播之前 嵌入特殊水印信息。例如，把水印技术实现在数字照相机中，可以使照片带出摄影师的 信息。在必要时，可以对可疑的、有争议的媒体进行测试，证实该媒体的所有权归属。 数字作品的提供者在发放作品时，将特定信息代码以水印的形式隐藏在作品中，这种水 印从理论上是不被破坏的。当发现数字作品在非法传播时，可以通过提取出的水印代码 追查非法散播者，保护提供者的根本利益。 ( 3 ) 数据的不可抵赖性 网上交易可信和成功的一个重要环节就是交易双方中任何一方均不能抵赖自己曾 经做出的行为，不能否认曾经收到的对方信息。信息隐藏中的水印技术，在交易体系中 的任何一方发送或接收信息时，将各自的特征标记以水印的形式加入到传递的信息中， 这种水印是不能被去除的，也就使得交易双方无法否认自己的行为。 ( 4 ) 防伪和数据的完整性保护 商务活动中各种票据的防伪也是信息隐藏技术的个重要应用领域。在数字票据中 隐藏的水印经过打印后仍然存在，可以通过再扫描成数字形式，提取防伪水印，以证实 票据的真实性。对于数据完整性的验证是要确认数据在网络传输或存储过程中并没有被 篡改。通过使用脆弱水印技术保护的媒体数据，一旦被篡改就会破坏其中嵌入的水印， 根据水印的完整性就可以鉴别数据的完整性。 1l 第二章基础理论 ( 5 ) 匿名通信 匿名技术是指不暴露身份和个人特征的一种技术，即设法隐藏消息的来源。网络匿 名可分为发送方匿名和接收方匿名，分别保护通信双方的身份，所使用的主要技术有匿 名重发和网络代理等技术。目前网络上已有许多实用的匿名通信工具，提供发送方匿名 和接收方匿名服务，而且有的可隐匿电子邮件地址。 除此之外，信息隐藏技术在其它方面的应用前景还是十分广阔的，比如在数据的分 级访问、商业化的视频广播、网络多媒体信息的服务付费、电子商务中的认证鉴定等等。 信息隐藏技术的应用尚处于初级阶段，有待于进一步研究、拓展。相信在不远的将来， 可以探索出更多信息隐藏技术的应用领域。 2 2 可逆信息隐藏技术 信息隐藏技术在保证多媒体信息安全方面发挥的作用越来越重要，但是现有的绝大 多数用在数字图像中嵌入信息的隐藏算法，常常在进行秘密信息嵌入的同时，也会造成 宿主图像不可恢复的改变。而这种改变恰恰在很多情况下是不能被忽略的，对于载体对 象，嵌入的秘密信息是用来鉴定接收信息的，在确认接收信息的完整性和可靠性之后， 还能精确地恢复载体信息。也就是说，使用可从载体中擦除水印的数据隐藏技术，目的 在于得到原始的不含水印作品的准确拷贝。例如：医学上的医疗图片，法庭上的证据图片， 军事中的卫星图像，科研中高能物理图像等。在上述应用中，对图像的微小改变就可能 造成巨大的负面影响，因此需要一种无损的信息隐藏嵌入方法，在完整的提取了嵌入信 息后，能够完全恢复宿主图像。 可逆信息隐藏【8 之o 4 1 4 2 1 ，又称无损信息隐藏，主要是指在嵌入信息时，虽然可能会 对宿主图像的视觉质量造成一定的破坏，但如果隐藏载体图像在传输过程没有发生变 化，那么合法用户和权威机构在接收端可以根据提取算法提取出隐藏信息，并能够修复 失真，实现原始图像的精准恢复。可逆信息隐藏技术与一般的隐藏技术没有原理上的本 质区别，但是可逆技术在合法用户得到嵌入信息的过程中，将因信息嵌入而引起的图像 失真完全修正。 对可逆信息隐藏技术的研究，特别是对基于空间域可逆信息隐藏算法的研究，需要 注意如下几点： ( 1 ) 算法的可逆性 可逆性是指含秘密信息的图像在接收端能够完全还原为原始图像，这是可逆信息隐 1 2 西北大学硕上学位论文 藏技术的核心。可逆性保证了接收方从接收到的图像中，得到隐藏的秘密信息之后，或 根据水印完成图像的可靠性和完整性的鉴定之后，能将隐藏载体还原成为原始载体信 息，而无任何失真。 ( 2 ) 嵌入强度和图像视觉质量 在可逆数据隐藏技术中，人们虽然己经关注载体信息，但作为一种信息隐藏技术， 人们还是希望能够在不影响人类视觉效果的前提下能够嵌入尽可能多的信息。 可逆信息隐藏是一种脆弱性的技术，隐藏载体图像的轻微改变就会影响隐藏信息的 提取及原始载体对象的恢复，目前衡量可逆信息隐藏方法的主要评价标准是：算法的信 息嵌入量和信息嵌入后图像的视觉质量( 视觉质量主要靠峰值信噪比来衡量) 。算法研究 者都希望算法的嵌入量大，图像的视觉质量好，但信息嵌入量和隐藏载体图像的视觉质 量是相互矛盾的，增加嵌入量常会降低图像的视觉质量，要保证图像视觉质量就不能嵌 入太多的信息。所以，通常根据实际需求的不同有所侧重，在嵌入量和视觉质量之间寻 求一个平衡。 ( 3 ) 像素值的溢出 在空间域修改像素值所遇到的最大障碍就是像素值的溢出问题。在可逆数据隐藏技 术中，这个问题变得尤为严重，如果像素值发生溢出则会使得图像中出现噪声点，而且 这些噪声点不能被消除，从而导致算法不可逆。 2 3 图像认证基础理论 图像认证技术已经成为检测数字图像真实性和完整性的主要手段。当前实现图像认 证技术的方法主要分为两大类【l 。4 5 闱： 一类是通过数字签名实现图像认证。信息发送者用其私钥对所传送内容进行加密得 到签名，将数字签名作为原始信息的附加数据传送，当接受者收到信息后，就可用发送 者的公钥对数字签名的真实性进行验证。经验证无误的签名同时也确保信息在经签名后 未被篡改，即保证了信息的完整性。这种方法虽然思想简单且易实现，但签名作为附加 信息增加了原始信号的数据量，容易引起攻击者的注意，而原始数据和附加信息的截然 分开给攻击者带来了方便。另外，数字签名不容许密文的任何改动，即使一般传输中的 数据压缩，也可导致数字签名认证失败。 另一类是基于数字水印的图像认证技术，它克服了签名算法的缺陷。数字水印技术 是在保证一定视觉质量的前提下，将数字水印嵌入到多媒体数据中，当多媒体信息的内 13 第二章基础理论 容受到怀疑时，通过提取水印来鉴别多媒体内容的真伪。使用水印技术有两方面优势： 第一，水印技术不需要类似签名的附加数据；第二，水印与含水印作品一起经历相同的 变换。 目前，采用数字水印技术进行数字图像的真实性、完整性认证己成为信息认证领域 的研究热点。图像认证技术除了能够认证自己所关心的信息内容在传输过程中是否遭到 恶意篡改，还可以接受数字图像在传输过程中的一些善意的合法操作，如j p e g 压缩、 图像增强、线性滤波等，所以图像认证不仅需要判断图像内容的真实性和完整性，还需 要区分恶意篡改和合法操作，同时还要能检测、定位、度量甚至修复恶意篡改。用于图 像真实性、完整性认证的数字水印一般分为( 完全) 脆弱性数字水印和半脆弱性数字水 印。利用水印的脆弱性，图像在被篡改的同时也会影响到水印本身，因此可以通过检测 水印的变化来判断图像是否被篡改。脆弱水印对所有操作都很敏感，即对图像的任何修 改都会使水印发生改变，只要检测到水印发生了细微变化，就说明原始图像被修改了。 而半脆弱水印对一些善意操作具有鲁棒性但对其他恶意操作具有脆弱性，基于半脆弱水 印的认证系统可以允许某些善意图像操作如压缩、格式转换等，但不允许如删除、篡改 之类的恶意操作。 认证水印【1 , 2 , 4 3 - 4 7 1 就是在保证多媒体信息一定视觉( 或听觉) 质量的前提下，将标志 信息作为水印直接嵌入到媒体中，这些标志信息可以与多媒体内容相关，也可以和媒体 内容毫无关联，当媒体内容需要认证时，可提出水印鉴定其是否真实、完整。认证水印 除了具有数字水印的一般特征，如稳健性、安全性、不可见性外，认证水印本身对篡改 必须具有一定的脆弱性和敏感性。这也是认证水印和鲁棒性水印的不同。 2 3 1 认证水印的基本框架及设计要求 图2 给出了认证水印系统的一般框架，系统主要包括水印的产生及嵌入和水印检测 认证两部分。 认证水印系统首先将提取的宿主图像信息( 与图像相关的特征或图像内容) 或自定 义信息( 图像标志或序列号) 转变为水印信号，根据水印嵌入算法将其嵌入到载体对象 中得到隐藏载体图像，经过信道传输到接收方。接收方利用检测认证算法进行图像认证， 得到检测结果。检测篡改时，要求仅借助于隐藏载体图像，或再加上水印信息，即可得 到认证结果。在实际应用中，为了进一步保障系统的安全性，在嵌入和检测的过程中， 还常常加入密钥。 1 4 西北大学硕士学位论文 根据对认证水印应用需求的研究分析，我们发现一个完备的认证水印系统应该满足 如下要求： ( 1 ) 能准确地判断数字媒体内容是否被篡改； ( 2 ) 如果数字媒体内容被篡改，能够有效描述被篡改程度； ( 3 ) 在无法得知原始媒体内容或其它与真实信号内容相关的信息的条件下，认证系统 最好能