（通信与信息系统专业论文）信息隐藏技术在信息安全中的应用.pdf

硕士论文信息隐藏技术在信息安全中的应用 ab s t y 合 c t mo d e 功访 肠口 l a t i on址 d in g t e c hno l o gybecom e s 即加p o 比 姐 t re s 已 对 c h to pi c 比c a 理 犯 it p r o v l d ese 月 免 d i v e w a y s tosolv e th e n e w p r o bl e 皿 ”inthe fi el d ofi n fo n 刀 口 t i onhi 山9. d i gi talw at rmar 倒 山 g t ec bn0 1 o gy， one o f th e 助po比 阴 t b r anc b e s o f in fo n n a t i o n hi d in g ， 15创 泊 d i edin面s p a per ， 助 d s o m e 叭 旧 te 功 阴 rk 加 g ai gori th m s are p u t fo r 胃 ar d in面s p al 犯 r . t b e seai gori th m s inclu de: 1 . ab l in d叭 . i er m 肛 kj ng ai g o ri th 口 b as ed on d c t . a c 苗 e v m gb li n de x 七 朗 t 运 9 w at e m 坦 rk in gal g o ri th mw ouldr e d u cethe ro b us td e s s andinvis ibil ity. t 七 ekeyof而5 川 g o ri t h mistom j n j 功 j 此 s u c hfo ss esasm ucbaspos sibletore ac hthe r equ l 邝 m 。 吐of 即p h 日 欲 i o ns. 丁 卜 i s p 月 ” r b a s 切 改 e n the fo ” 的朋g m . a 理 m s to” 刀 p r o v e th e perfon n a n c 亡 of the al g orit h . : u sec 压 id t i c 狱 冯 u en沈s tosc ” 刃 刀 b le w a t e rm歇 t飞 1 云 s m e th od 面户 旧 v esthe m b u ” 刀 e s s of此 al gori t 知 叮 ; b as e d onm ak 加g th e bestofth e te l ati。 川h 1 p 别 盯 o ngthe d c t coe 伍ci e n ts四d doin g m 助 y e x 声 泊 m e 刘 tsto血d the most即p r o priate d c tcoe ffici e n ts ， 如s al gori t h n l r ea l 公s a g 以 记com p ro 而se比 栩ee n the ro b u st n e s s 叻d invisi bility. t 五 e exper lm e n ts sh o w e dth at th eperfon 刃 旧 n c 亡of th eal gori t b m canre 朗h俪 desi gn r equ i r em e n ts . 2 . ablindg ra y s “ 目 e di gi ta l w a te n 刀 az k al g o ri th m ， 了 为 e al g o ri t 】l mat t e m p t e d toe m 卜 刃 d c tcoe ffic l e nl tso f w at e n n 出 火i n t o the hi gh 加q u e n c ycoe ffic i e n t s o f di sc r et c wavel et 廿 歇 怡 化 n 刀j b e ai gori 们 1 .印m b in edthe ad v an1agesofw a v el ettr a n s fo rm an dd ct and r 。 犯 卜 目a b ette r ro b us 栩 e s s and invi si b i l i ty. 3 . an 汕p ro v 吨 al gori t h 叮fo r g 旧 y s c ai e di gi ta l w at 已 rl n ar k . t b l s 加体 。 v edal g o ri th m c 助sethe 川 比 。 ngestl ow毛eq u e n c y coe ffici e n tsofdi sc r 日 贻 w a v e lettr 出 ” 伪 n n 叨d 。 叮 悦d d ed the hi ghe s t -ener gy d c t以 姆 ffic i e n t s ofw at e nn田 业访 t othesecoe ffici e n ts . s t 加ul at in g 眯p 面田 即 tss b o w ed让 坦 t the 汕p r o v 目习 9 州比 m如pj ro v ed此 r o b 此 to e s s onth e p r e nuse o f the s 印 叮 e in vi s i b i l ity. k e y w o r d s : i n fo rmat i o n s e c u ri ty ， 玩 伪 rmation托d ing， d i gi talw欲 e n 赶 盯 k i ng， c h aoti c ro b u s 饥e s home ，d i s c r e t e c o s in e t r ans fo rm， wave l et t r 出 ” 伪 而， 5 5 ，in v i s i b i l i ty 声 明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中，除了加以 标注和致谢的 部分外，不包含其他人己 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说 明。 研究生签名 :年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内 容，可以向 有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕士论文信息隐藏技术在信息安全中的 应用 1绪论 1 . 1引言 随着信息时代的到来， 信息技术得到了前所未有的高 速发展。 但是， 信息技术是 把双刃剑， 它给人们带来极大便利的同时也带来了 一系列信息安全问题。 不法分子利 用信息处理技术可以 对重要信息进行窃取、 篡改和伪造， 危害信息安全的事件屡见不 鲜。 因此信息安全问题已经成为人们关注的重点， 是关乎国家安全、 经济发展和社会 稳定的重大问题。 谈到信息安全， 人们首先会想到的是信息加密。 通过信息的加密， 可以将可读的 明 文信息转变成无法识别的乱码即密文。 非法的截获者看不懂这些乱码， 而接收者则 可以通过解密这些乱码来获取明文信息。 通常人们认为信息安全问题可以用信息加密方法来解决。 但是加密方法是潜伏着 一定安全威胁的。 它传输的是无意义乱码， 这就等于提醒人们这个信息经过加密处理， 引 起攻击者的好奇和注意， 攻击目 标明确. 攻击者可以 对密文进行破译获取秘密信息， 一旦加密文件经过破解后其内 容就完全透明， 起不到信息保护作用。即使破译失败， 攻击者也可以 对信息进行破坏， 传输经过破坏后的无意义密文， 使得接收者无法解密 出 原 始 信 息 川 12 。 因此， 加密技术并不能全面保障信息的安全。 随着新问题的不断涌现， 人们迫切 需要新的技术来充实信息安全领域， 以满足应用要求。 在这种形势下， 具有伪装特点 的 新兴信息安全技术一一信息隐藏技术应运而生， 成为保护数字多媒体产品的有效手 段， 月 . 信息隐藏技术使用载体信息来隐藏秘密信息， 表面上传输的仍然是有意义的载体 信息， 攻击者难以从中判断秘密信息是否存在。 隐藏的信息不被感知， 而载体信息仍 然具有原来的使用价值。 可见， 信息隐 藏与加密技术最大的不同在于它不仅隐藏了 信 息的内容， 还隐藏了信息的存在， 因而在数据安全领域显示出更为优良的特性. 信息 隐藏 还可以 引入加密技术以 提高其安全性。 经过短短几年的 发展， 信息隐藏已 经成为 信息安 全领域中一个重要的 研究课题， 在军事、 法律、 医学、 互联网 等领域的信息安 全问 题上都有着广泛的 应用前景16) 。 1 . 2信息隐藏技术 信息隐藏技术研究的是将某一秘密信息隐藏于另一公开传输的信息( 即载体信 息) 中的 方法。 信息隐藏技术起源于古老的隐写术， 是因 作战时情报通信的需要产生 硕士论文信息隐藏技术在信息安全中的应用 和 发 展起来的。 古代战争中 利用隐 写 术 传输 秘密 信息的 例子很多 lll t22， 例如: 被公 认 的 历史学之父h erodotus就在他的著作 历史 一书中， 记录了 这样一个例子: 为了 军事情报的安全传送， 一个名叫h ist aie us 的人把奴隶头发剃光，将情报文刺在奴隶 的头皮上， 等他头发长长， 秘密情报就隐藏在头发里。 收信方只要将他的头发剃掉便 可获取重要信息。 在一次和二次世界大战中使用的隐写墨水、 空心硬币 及微型照片等 也是古老的信息隐藏技术。 我国古代战争中同样有许多使用隐写术的例子。 尽管如此， 在以往的技术条件下， 信息伪装的应用是极有限的. 科技发展， 信息隐藏技术也必然随之发展和变革。 现代信息隐藏技术借鉴古代的 隐写术的基本思想， 利用先进的科学技术， 将信息安全技术的应用领域扩宽到一个新 的 层 面11 1 141 。 现代信息隐 藏技 术的知 识 背景极其宽 广， 横跨感知科学、 信息论、 密 码 学 等 多 个 学 科 领 域 11 闭 . 1 996 年5 月， 在英国 剑 桥大学 召开了 第一 届国 际 信息隐 藏学术 研讨会1习 .目 前， 国外研究信息隐藏的学术机构主要有美国的 m i t，p u r d 此， c ul umb ia大学、 英国的 g 即 r g e m as on大学、 德国的er langen. n ur em比 r g 大 学、 美国的n e c 研究 所、 ib m公 司从 厄 t so n 研究中心、 at ) 。 。 ，* 。 0 ( 223 ) 其中少 表示水印信号域， k 的取值形式根据维数d 来定。 水印 信号可以 是一维， 二维， 多维的。 表示嵌入声音中的水印时， d 司时即 信号 是一维的， 此时k 是时间值的离散; 表示静止图像中的水印时， d=2 时信号是二维的， k 是数字图像的行列坐标: 表示动态图像中的水印时， d 月即信号是三维的。 u表示水印信号的值域， 可以是二值形式， 如u二 0 ，月，u二 一1 ，1或u= 硕士论文 信息隐截技术在信息安全中的应用 一 r ， r ，也可以 是高斯噪声等其它形式. 把 水印 信 号w加到原 始 数 字 产品1 = 1 ( k) 中 一 般 有如 下 两 种嵌 入 方 法日 伙 1 ( k ) = 1 ( k ) + 幽( k )( 加 法准则) 1 ，( k ) = 1 ( k ) ( 1 + 叨( k )( 乘法准则) ( 2 . 2 . 4) ( 2 . 2 . 5 ) 其中r = 扩 ( k ) 为嵌入水印 后的 信 息。1 和厂 可以 是时 域或空 域的 幅 值即 空 域水 印算法， 也可以是载体信息经过变换后的变换系数， 即变换域水印算法。 “为嵌入强 度系数，它的大小对水印的性能有影响。 由 上面 的 公式 可知， 乘法准则中 嵌入强 度 是丁 (k ) 和“ 的 乘积， 嵌 入强 度与 原 始载 体信息有关， 可以 实现水印的自 适应嵌入。 但是在变换域水印 算法中， 将水印 嵌入高 频时 应 慎用乘 法准则。 文献 13 ) 中 指出， 这是因 为 小 波图 像高 频带 系数大都很 小， 用 乘法公式容易越界，引起误差。 水印嵌入算法的设计是关乎整个水印系统性能的关键， 由于水印鲁棒性和不可见 性之间存在矛盾， 通常设计者所作的工作实际上就是在水印的鲁棒性和不可见性之间 进行权衡折衷。 3. 数字水印的提取和检测 数字水印的提取或者检测过程如图2. 2. 2 所示。 密钥 七_ _ _- -._一 _ . - -一 ，一， ，气 图2. 2. 2提取脸测过程 在某些水印 系统中， 水印 可以 被精确的 提取出 来， 这一过程被称作水印 提取， 水 印的提取是嵌入的逆过程。 水印的检测则并不关心水印的具体内 容， 只要判断水印存 在与否即 可。 对有意义的图 像， 将水印提取出 来， 可以 进行更为直观的 判断。 而有些 时 候水印很可能 遭受恶意的攻击， 导致提取出的 水印面目 全非， 此时就用水印 检测算 法，只判断水印是否存在。 水印的盲提取算法如下: 牙 ， = t ( y ， k )( 2 2 .6 ) 其中y 为 有待检测的数字产品， 提取水印时使用密钥k， 对y 进行提取运算便可得到 水印 信息平， 。 若含有水印， 则提取得到的水印 信息甲， 虽然可能与原始水印信息牙有 所差别， 但仍然可以 辨认。 这是一种盲提取算法， 即不需要原始数字产品和原始水印。 7 硕士论文信息隐藏技术在信息安全中的应用 非盲提取算法如下: 砰r 二 t(y，k ， 1 ) ( 2 . 2 . 7 ) 设d为检测算法，则: a = d ( y ， k ) ( 228 ) 式中， a 只取两个值， 0 和 1 . 当a 为0 时，检测器输出为0， 当a 为1 时， 检测器输出为1 ， 表示检测到了 水印信号; 表示没有检测到水印信号。 同样， 式 ( 2. 2. 8) 没有用到原始信息. 表示的是盲检测. 非盲检测可以由下式表 a = d ( y ， k ， 1) ( 2 . 2 . 9 ) 2 . 3数字水印的典型算法 数字水印算法按嵌入位置的不同可以分为两大类: 空域( 时域) 水印算法和变换 域算法。 2 . 3 . 1空域水印算法 空间域水印算法将水印直接嵌入图像像素中或者声音的时域中. 空域水印算法相 对简单， 计算量小， 实时性较强， 充分利用了 人眼的视觉特性。 早期的数字水印算法 多是基于空域的。 空域 算法中 最简单 和最具 代 表 性的 方案就是肠 盛 e llsl等提出 的l s b 算法， 该算 法 将m序列的伪随机信号以 编码的方式嵌入到灰度图 像数据的lsb中。 这种方法具有 较好的不可见性和较大的数据隐 藏量， 但鲁棒性较差. 对含水印的图像进行简单的滤 波、 加噪等处理后，提取出的水印就无法辨认。 b en d er等人 114 提出 了p 魄h 认 勺 比算法， 这 是空 域图 像 水印 算 法中 非 常著 名的 基 于统计特征的算法。 这类算法通过修改原始载体数据使得原始载体的某些统计特征发生变化， 检测时 只需查看含水印 载体的统计特征即可， 这些统计特征的来源必须受到密钥的控制以保 证安全性3 21. p 战 c h w o rk算法嵌入的水印 只有一比 特。 针对p 翻 te h w o r k算法的不足， 很多 研究 者 提出 了 改 进的 算法，旨 在 增加 嵌入的 信息量， 提高 算法的 鲁棒 性113 气 c h e n等fl 司 提出了 一种建立 在 量 化而非 扩频 调 制基 础上的 量 化指 数调制 ( q im) 方法。 基于量化思想的空域水印 嵌入算法主要目 的是为了实现盲 检测。 主要根据水印 信息的不同， 将原始载体数据量化到不同的量化区间， 检测时根据数据所属的量化区 硕士论文信息隐旅技术在信息安全中的应用 间来识别水印信息。 2 . 3 . 2变换域水印算法 早期的水印主要是空域算法，而近几年则是变换域水印算法更常用。 变换域水印 算法将水印信息嵌入到图 像的 变换域系数之中， 从而使得水印 信息分 散到整个图像区域之中， 有利于保证水印的不可见性和提高鲁棒性。 而且变换域水印 算法还可以充分利用人类感知特性， 能在不可见性和鲁棒性之间有个较好的 折衷。 变 换 域 算 法 还 可 与国 际 数 据 压 缩 标 准兼 容， 实 现在 压 缩 域内 的 水印 算 法 161 . 常用的变换包括离散余弦变换 ( d ct) 、 小波变换 ( d wt ) 、 傅氏 变换 ( d 盯) f 哈达马变换 ( h 血 场 m ax d 坛 知 fo rm) 、 f o u n ey . m e ll in域、 小波包变换 ( wp t ) 、 分形等。 随着数字信号处理技术的发展， 信号变换不再局限于以上几种， 只要构成一种信号变 换， 我们就有可能在这种变换域上隐藏水印 l 几 2. 4数字水印的 攻击 不论哪个水印系统， 因为一些无意或者有意的处理操作， 水印总会受到一定的削 弱. 水印攻击是指削弱数字水印的可检测性或扰乱通过水印传递信息的通信的任何处 理。 为了提高算法抗攻击的鲁棒性， 研究数字水印的攻击是十分必要的。 以 下列出的是几种常见的攻击111 16181 : 1 . 水印的去除攻击 去除攻击指的是在保证多媒体产品能够正常使用的前提下， 从含水印的产品中去 除或消弱水印的存在性。 荃本攻击是去除攻击中的一种， 通过降 低图 像质量或采用常规的图像处理手段来 达到移去水印的目 的， 是攻击中最普通的一种。 这种攻击对整个含有水印的图像进行 操作，并不是单独将水印区分或者隔离出 来，主要有:噪声攻击、滤波攻击、 jpe g 压缩攻击、 滤波攻击等。 通常 水印 算法设计时 就应该考虑这种攻击。 另一种去除 攻击是共谋攻击， 这种攻击是指恶意的攻击者如果获得一系列带有不 同 水印的 相同 载体数据的 拷贝， 则攻击者可以 利用平均法达到消除水印的目 的。 2 . 几何攻击 几何攻击与去除攻击的不同 之处在于， 它并不需要去除载体图 像中的水印 信息， 而是采用几何变形的方法使得水印 检测器无法检测到水印的存在。 几何攻击一直是很有效的 攻击方法。 常用的 几何变形方法有: 对图 像尺寸进行缩 放、 空间 方向的 平移、 旋转某个角度、 剪切、 像素置换、 二次抽样化、 像素或者像素 簇的 减少和增加等， 其目 的是破坏水印 检测器和内 嵌水印之间的同步， 使得水印嵌入 硕士论文信息隐截技术在信息安全中的应用 和提取两个过程不对称， 使检测器无法检测到水印。 攻击者并没有把水印给去除， 只 是使水印信号错位。 为了消除几何失真， 最直接的办法是比 较原始数据和受攻击的含水印数据， 观察 它受了 哪一种或几种几何攻击后， 再对其进行相反的几何变换， 重新获得同步。 但是 在盲检测中，由于没有原始数据，只能采用穷举的方法。尝试所有可能的几何变换， 这 种 方 法变得极其复杂 根本 无法 在实 际中 使用. 于是 有 研究 者 11.1提出， 可以 在 嵌入水 印的同时嵌入水印参考信息， 提取时 还要提取参考信息来进行比 照，根据水印 参照物 的几何变化来判断出所受的几何攻击，然后再用与其相反的变换来得到水印。 比 上 述常见的 几 何 攻击更为 复 杂的是一 种基于 抖动的 几 何 攻击。 gj . 这种方法具体 做法是将数据切割成小块，把其中的一些小块移动，一些则复制，还可能移去一些， 然后再组合成新的数据信息。这种几何变换并没有对原来的载体数据造成很大的影 响， 改变不被感知， 但是对水印信息确造成了很大的破坏， 是一种很有效的攻击方法. 为了 抵抗这种攻击， 可以在提取水印之前对受攻击的多媒体产品 进行低频滤波。 3协议攻击 协议攻击与去除攻击和几何攻击都不相同， 它既不试图去除水印， 也不试图使水 印检测器无效，而是使水印在认证过程中无法判定真伪. 一种很具代表性的协议攻击是解释攻击， 即一个攻击者试图在同一个嵌入了水印 的图 像中再次嵌入另一个水印， 由 于一个图像中出现了两个水印信息， 而许多水印方 案并没有提供方法来检测嵌入的水印中哪个是最先嵌入的， 后嵌入水印的盗版者也可 以声称图像是自己所有，这样就导致了所有权的争议。 可以 采用数字时间戳或其他公证来抵抗这种攻击， 也可以 设计不可逆水印来抵抗 这种攻击。 2. 5数字水印的应用领域 不同的 应用对水印的特性有不同的 要求。 在设计一种水印时 应该 注意它的 应用背 景。 数 字水印的应用领域十分广泛， 而且随 着电 子技术的发展， 新的技术和产品出 现， 水印的 应用领域也会不断的 扩宽。 目 前主要有以 下几种应用， 每种应用对水印 性能的 要 求 都 不 一 样 16 网 : 1 .版权保护 版权保护是水印最主要的应用， 基于这种应用的水印， 鲁棒性要求非常高。 由于 数字 作品的 拷贝、 修改非常容易， 原 创者要证明自 己的 所有权， 就会考虑加上版权标 志 而明 显可见的标志很容易被篡改。 数字水印技术利用数据隐 藏原理使版权标志不 可感知， 当 该作品被盗 版或者出 现版权纠纷时， 版权所有者就可以 利用水印检测方法 从盗 版作品或水印 版本作品中 获取水印 信号作为依据，从而保护版 权所有者的 权益。 l 0 硕士论文信息隐藏技术在信息安全中的应用 2 . 内容认证 内容认证就是将签名信息加入到内 容中以 待日 后检验内容是否被篡改。 在这种应 用中， 主要利用对任何的改动都非常的敏感的脆弱水印来进行认证。 一些用来认证的 数据被预先嵌入多媒体中， 以 便以后用来判断是否受到更改。 在所有的水印技术的应 用中，用于图像认证的水印，鲁棒性要求是最低的。 3 . 电子票据防 伪 随着电子商务的普及， 会有许多不法分子伪造人们上网交易使用的各种各样的电 子票据。 数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志， 大大增加了伪造的难 度。 票据防伪水印是一类比较特殊的水印， 主要用于打印票据和电子票据的防伪。 一 般说来， 伪币制造者不可能对票据图像进行过多的修改， 所以诸如尺度变换等信号处 理操作是不用考虑的。 但另一方面， 人们必须考虑票据破损、 图案模糊等情形， 而且 考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。 4 . 隐藏标识 在数据的标识信息有使用价值时， 它的保密性非常重要。 没有标识信息的数据有 时无法使用， 而直接将这些重要信息标记在原始文件上会很危险。 数字水印技术提供 了一种隐藏标识的方法， 在文件上， 我们不能看见标识信息， 合法读取者采用特殊的 处理技术才能读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。 5 . 篡改提示 在一些应用领域， 常常需要确定数字作品的内 容是否被修改。 如何防范篡改攻击 是重要的研究课题。 数字水印技术将载体信息分成多个独立块， 每一块都加上一个脆 弱水印， 通过检测每个数据块所隐藏水印的 状态可以判断信号是否被篡改。 硕士论文 信息隐藏技术在信息安全中的应用 3 基于混沌置乱的盲水印技术 由 上章可知 变换域水印 算法较空域水印算 法有许多 优点， 本文所 采用的 水印 方案 都是基于变换域的。在实际应用中， 原始图像是不容易保存和传输的，因此， 设计盲 水印 算法是很必要的。 但是盲提取的 实现， 通 常会对水印 的鲁棒性和不 可见 性造成一 定的 影响， 因 此有一些性能很好的 水印算法并没有实现盲提 取。 现在很多 研究者都 致 力 提高 盲水印算法的 鲁棒性和不可见 性。本章的算 法就是在这种背景下提出 的。 3 . 1 棍沌置乱在数字水印技术中的 应用 3 . 1 . 1混沌的定义 混沌现象是 一种确定的却 又类似随机的过程。 到现在为 止， 科学上仍没能给混 沌 一 个完全统一的定义， 不同的 学科 对混沌的 理解和定义都不同。 以 下给出的是在数学 界和 物理界被大多数人认可的定 义。 1 98 9 年 d e vaneyrl 124 1给 出 了 混 沌 的 定 义 ， 这 是目 前 引 用 的 较 多 的 一 种 ， 定 义 如下: 设平是 一个度量空间， f : 砰峥甲是一 个连续 映射， 如果映射满足以 下条件， 则 称映 射f 在空间甲上是混沌的: 条 件 1 . f 具有对初始条件的 敏感依赖性。这说明混 沌映射具有不可预测性，初 始值的极微小变化将导致映射后的结果发生很大改变。 以 迭 代方 程气 + ， = 4 xn (l+ 戈) 为 例， 这是 一个logi 州 c 映 射。 取不 同 的 初 值 0. 8765 4321 与0. 8 7654犯2 ， 所得的混 沌序 列如图3. 1 . 1 所示.图中， 虚线表示初值为 0. 8765 4321 的 混沌序列， 实线则表示 初值为0. 8 7 6 5 4 3 22的序列。 两 个初值仅相差1 。 福 ， 但是得到的 运动轨迹却从n 约为25 以 后完全不同。 可见初 值微小的 变化对混沌信号 有着极大的影响。 条 件2 . f 是 拓 扑 传 递 的。 这 说 明 混 沌 系 统 不 能 被 细 分 或不 能 被 分 解 为 两 个 在f 下相互影响的子系统， 其轨道具有 规律性的 成分。 条件3 . f的 周期点 在万中 稠密。 这说明混 沌系统虽然看似紊乱，其实是具 有规 律性的. 利用混 沌系 统的 初值敏感性， 可以 提供数量众多、 非相关、 类似随 机而又 确定可 再生信号。 硕士论文信息隐藏技术在信息安全中的应用 图3. 1 ， 1混沌 序列对初值的敏感性 3 . 1 . 2混沌的一般特征 上述定 义中的 几个性质决定了 混沌系 统还具备以 下 特征2 习 阅: 1 . 内 在随 机性: 一般来说，系 统受到外界干 扰会产生随机性。 但是，内 在随机性 是不同于外 在随 机性的， 它的随机性是由 内因 所产生的， 是系统内 部自 发 产生 的。 混 饨系统便具 有这 样的 特性， 它能用完全确定 性的 方 程描述，无需附加 任何随 机因 素， 但系统仍 会表现出 类似随机性的行为。 混沌信号的相 关函数类 似于随 机信号的 相关函 数， 具有类 似于 冲激函数的特性。对初值的 敏感性决定了混沌系统的 这种内 随机性。 2. 有界性:混沌的运动轨迹始终局限于一个确定的区域，即混沌吸引区. 3. 混沌具 有分形的性质: 各种奇怪吸引子 都具有分形结构， 由 分形维 数来描述其 特征。 维数是 对吸引 子几何结构复 杂度的 一种定量描 述。 在欧式空间中， 空间 被看成 三维， 平面或 球面 看成二维， 而直线或曲 线看成 一维。 平衡点、 极限环以 及二维环面 等吸引子具 有非 整数维数， 即分数维. 混沌 系统在相空间中得到的 运动 轨迹， 在某个 有限 区 域经过无限 次的折叠，可以 用分数维 来表示。 4. 遍历性: 一定条 件下， 棍 沌变量能 在其混沌吸引 域内 按自 身 规律不重复的遍历 所有状态，即 在有限时间内混沌轨 道经过 混沌吸引 域内 每一个 状态点。 3 . 1 . 3log i s t i c 棍沌模型 logi sti c 映 射 【231 46 是常 用的 混 沌 映 射。 表 示 如 下 : 气， = 氏 ( 1 + 气) p 称 为 分 枝 参 数. 当。 凡 1 且3. 5 6 9 9 4 56 ( 4 . 1 . 4 ) 即连续小波变换可以 表示为信号函数和小波函 数的内 积。 小波函 数帆0 一般须满足以 下条件: f 口 ( 0( 4 . 1 . 5 ) 这 个 条 件 称 为 允 许 性 条 件， 满 足 这 个 条 件 时， 我 们 可以 用 小 波 变 换环 了 厂 ( a， b) 来 恢复。如下所示: 其中: ， (，卜 f 一 二 二 一 ” ，、 (t ，“ ( 4 . 1 . 6 ) ， = f 煞 鸡 口 ( 4 . 1 . 7 ) 4 . 1 . 2离散小波变换 由于尺度因子和位移因子的连续性， 连续小波变换是有冗余性的。 它的各个分析 窗口 会有很多的重叠内 容， 有强的相关性， 不便于实际应用。 所以 我们常常要将连续 的小波离散化。 离散化时， 在计算机上处理的时间 a=之b=牙 辉， 其 中 t. 为 采 样时 间 间 隔 ， t自 然是离散的。 取为1 .这样式 还需将 ( 4 . 1 . 3 ) a ，b离散化，令 便离散化为151 1: 硕士论文信息隐藏技术在信息安全中的应用 。 (t) = 岩 “ 2- 卜 k) ( 4 . 19 ) 式 (4. 1 . 1) 离散化得f (l)的离散小波变换为: d 叽( a ， 句 = j 了 ( ， ) 吟 (t)dt ( 41 . 9 ) 4 . 1 . 3图像的小波分解 对一维小波变换进行推广可以 得到图 像的二维小波变换。 而小波变换用于图 像分 析的 基本思 想就是把图 像进行多 分 辨率 分 解即多 尺度时 频分解 133 】州 1 。 分解后可得到 很多 个子图， 这些子图频率各不相同， 有逼近原图的子图， 也有表示原图细节信息的 子图。 图 像经过一次小波变换后被分割成四 个大小是原图四 分之一子图， 如图4 . 1 . 1 所 示. 这些子图分别是:水平方向细节子图、垂直方向细节子图、 对角线方向细节子图 和低频部分的逼近子图。低频部分还可以 继续分解。 用斌表示 低频 部分图 像;扭飞 表 示水 平方向 高 通、 垂 直方向 低通滤 波后所保留 的 水 平 细 节 信 息; 五 万 1 表 示 水 平 方向 低 通、 垂 直 方 向 高 通 滤 波 后 的 垂 直 细 节 信息 : 了 刃 叮 ， 表示的是水平方向和垂直方向都经过高通滤波后， 保留的对角线细节信息， 假设原图 大 小 为 “ x ” ， 得 到 的 四 个 子 图 大 小 都 侧、 忧 对 低 频 子图仙再 作 小 波 变换 如图4 ，4 . 1 所示， 类似的 会 得到 : 对 低 频子图 的 逼 近 子 图 从 : 对仙作 水 平 方向 高 通 、 垂 直 方向 低 通 滤 波 后 的hl: : 垂 直 方向 高 频、 水 平 方向 低频的 细节 子图五 万 2 ; 水 平 方向 和垂 直方向 都高 频的 细 节 子图月 万 生 。 这四 个 子 图 大 小 变 为 叼、 努。 对l 几作小波变换 可以 得到从 、城 、l h 3 和月 万 ， 。 每 个子图 大小都为: %、 % 可以 对从 再进 行相同 的 分解， 得到更高 层次的 子图. 对 口 ” 力 c 价 泣 n a n 图像进行三级小 波分解， 在m 成 lab中实现， 结果如图4. 1 2 。 从图 中可以 看出， 图像经过小波分解后输出的数据总量并没有发生变化， 只不过重新进行 了分组， 小波图像的能量主要集中于低频部分， 高频部分是上一级低频图像的细节信 硕士论文信息隐藏技术在信息安全中的应用 选 择月 几、 l 凡、班2 、 lhz 作为 嵌 入 位置 是为 了 在 鲁 棒 性 和不 可 见 性之间 作 折 衷， 因 为 若 选 择 低 频鸽 嵌 入 水印 ， 鲁 棒 性 虽强， 不 可 见 性 却 受 到 挑战， 而 选 择 一层 中 的 细 节 系 数私 、l 拭，月 万 ， ， 不 可 见 性 虽 好， 鲁 棒 性却 差。 对水印图像先做离散余弦变换是因为: 戊t 变换系数有较好的不相关特性， 水印 图像经过戊1 ， 变换后嵌入， 增强了算法的安全性和鲁棒性。 仪 万变换有聚能作用，即 图像经过d ct变换后，能量集中了，中频、高频所含的能量较少， 而少量的低频系数 却 聚 集了 原图 像的 大 部分能 量。 把能 量高的 低频 系 数 嵌入 鲁棒 性相 对 较高的班， 和 lh3 中 ， 能 量 低的 嵌 入 鲁 棒 性 相 对更 低的机2 、 l h : 中 ， 较好的 解决了 鲁 棒性 与 不可 见性 之间的矛盾。 d ct变换误差不会积累， 信道误差和量化误差将像随 机信号一 般分 散到水印图像块中的各个像素中去。 4. 2. 2水印的嵌入 水印嵌入的流程如图4. 2 . 1 所示。 图4. 2. 1水印嵌入流程图 设 载体图 像1 ， 大小为n x n ， 为了 便于说明， 此处 取卜5 12. s te p l . 对 载体图 像1 进 行三层小 波分 解， 得到 三 层子图。 选 择以 下系 数进行嵌入: 第 三 层 子 图 中 的 : 成 、 丈 月 ， 大 小 为64x 64: 第 二 层子 图 中 的 : j 江 2 、 上 万 全 ， 大 小 为1 2 8 x1 2 8 。 3 5 硕士论文信息隐藏技术在信息安全中的应用 5 记 p z . 对 灰度水印 图 像w ( 大小 为64x 64) 进 行分 块离 散余弦变 换， 得 到d w 矩阵， 分成64块大小为8 x 8 的 块， 用d 斌 ( 1 1 64) 表示. s tep 3 . 对 每一块d 斌 ( 1 1 64) 进 行 之字形扫描。 设 有一 块d 狱， 将 其扫描 后所得的 数 据依次 放入一维 矩阵八 中。 根据之字形扫 描 特点 可 知， 祝 中 依次 存入了 水印 块的 低 频 系数、 中 频系数 和高 频系 数， 能 量按 顺序递 减。 将 所 有氏 按 行标为1 存入矩阵b 中， 即b 的 第1 行是一 个一维矩阵吞 ， 而矩阵b 的 每一列表示不同的块同一频率下的系数值，b 的大小为64x 64， 这样存储系数矩阵， 是为了 便于以后的操作. 在嵌入时， 选择某个频率的系数可以 直接从b 中取某列的元 素即可。 例如， b 的 第一 行存入的 是d 巩， 即d w矩阵的 第一 块。 而第一列的 是d w图 像 的d