（计算机应用技术专业论文）数字图像隐形信息检测技术研究.pdf

摘要 数字图像隐形信息的检测技术，也称为图像隐写分析( i m a g es t e g a n a l y s i s ) 。随 着信息安全日益引起人们的关注，隐写分析已经成为了信息隐藏领域的一个重要的 研究方向。隐写分析不仅具有重要的应用价值，更具有重要的学术意义。一方面它 可以促进隐写算法安全性的提高，推动隐写算法的实用化。另一方面可以防止隐写 术的非法应用，防止不法分子利用隐写术进行犯罪活动，危害国家安全。 本文首先对隐写术和隐写分析技术的基本概念和基本理论以及隐写分析技术的 国内外研究现状进行介绍和讨论。在此基础上针对不同的隐写方法和载体图像分别 进行研究，提出了三种隐写分析算法：对空域l s b 隐形信息的检测方法进行分析和 研究，提出了基于图像颜色特征的隐写分析算法，实验证明，该算法对彩色b m p 图 像有比较高的检测正确率；对j p e g 图像隐形信息的检测方法进行研究设计了基于 j p e g 图像结构特征的隐写分析算法，并在理论上分析了算法的正确性，实验上验证 了算法的有效性；对通用的隐写分析方法进行研究，提出了基于图像能量的隐写分 析算法，该算法不针对某类具体隐写算法，具有一定的通用性。 关键词：信息隐藏，隐写术，隐写分析，支持向量机( s v m ) a b s t r a c t i m a g es t e g a n a l y s i s i s a na r to f d e t e c t i n gh i d i n g i n f o r m a t i o ni n d i g i t a l i m a g e r e c e n t l y , s t e g a n a l y s i sh a sb e e np a i dag r e a td e a lo fa t t e n t i o nb o t hf r o mt h ea c a d e m i c r e s e a r c ha n dl a we n f o r c e m e n t o no n eh a n d ，s t e g a n a l y s i sc a n i m p r o v es e c u r i t yo f s t e g a n o g r a p h i ca l g o r i t h m o n t h eo t h e rh a n d ，i tc a nb e u s e dt or e v e a lt h e i l l e g a l c o m m u n i c a t i o nw i t l ls o m es t e g a n o g r a p h i ct o o l s i nt h i st h e s i s ，as u r v e yo nt h er e l a t e dr e s e a r c ha n dr e c e n td e v e l o p m e n tw a sg i v e nf i r s t o nt h i sb a s i s ，t h r e es t e g a n a l y t i ca l g o r i t h m sw e r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l yt od i f f e r e n t s t e g a n o g r a p h i ca l g o r i t h m s a n dc o v e ri m a g e s w eh a v ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e dl s b s t e g a n o g r a p h yi ni m a g e ss p a t i a ld o m a i na n dp r o p o s e das t e g a n a l y t i ca l g o r i t h mb a s e do n i m a g e sc o l o rc h a r a c t e r i s t i c s t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a t t h i sa l g o r i t h mb e i n go fg o o d e x a m i n a t i o nr e s u l tt ot h ec o l o rb m p i m a g e s f o rj p e gi m a g e ，as t e g a n a l y t i cm e t h o db a s e d o nj p e oi m a g e ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c si sp r o p o s e d t h e o r e t i c a l l y , w ea n a l y z e dt h e m e t h o d s c o r r e c t n e s s ；e x p e r i m e n t a l l y , v a l i d a t e t h ee f f e c t a s u r v e y o nu n i v e r s a l s t e g a n a l y s i st e c h n i q u e sw a sg i v e na n dw ep r o p o s e das t e g a n a l y t i cm e t h o do ni m a g e s e n e r g y t h i sa l g o r i t h mi sn o tl i m i t e dt oc o n c r e t es t e g a n o g r a p h i ca l g o r i t h m ，t h e r e f o r eh a s t h ec e r t a i nv e r s a t i l i t y k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o nh i d i n g ，s t e g a n o g r a p h y ，s t e g a n a l y s i s ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e i i 上海师范大学预士学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题背景及研究意义 随着多媒体技术和网络技术的迅猛发展，互联网上的数字媒体应用正在呈爆炸 式的增长。数据压缩和多媒体技术的发展，使得人们能够方便快捷地对数字媒体( 数 字声音、文本、图像和视频) 的原文件进行无限制的任意编辑、修改、拷贝和散布。 由此引发出数字媒体的知识产权保护和信息安全的问题，这一问题日益突出，已经 成为了数字世界的一个非常重要和紧迫的议题。 信息安全的内涵包括信息的保密性、完整性、真实性和不可否认性。信息的保 密性是指除授权者外任何不具信息享有权的人对信息内容的不可获取性：信息的完 整性是指信息在存储和交换等过程中不被篡改和破坏：信息的真实性是指所获取地 信息应该来自该信息的真实发出者或拥有者，它是相对于信息的伪造和欺诈而存在 的：信息的不可否认性则是指信息的不可抵赖性，它要求信息的真实发出者事后对 自己的行为不能予以抵赖。在现代通信技术条件下，如何在获取、存储、交换和享 有信息过程中保 芷信息的保密性、完整性、真实性和不可否认性等便是信息安全所 需解决的基本问题。 解决信息安全问题的一个重要技术是密码技术。密码技术是利用密码算法按照 一定的安全协议所构成的一种技术。密码算法的理论基础是密码学，密码学是专门 设计和分析密码算法并为密码算法提供理论基础的学科。人们常常认为信息安全的 实现可以通过加密来完成。但是采用传统密码学理论开发出来的加解密系统，对于 机密文件的处理都是将其加密成密文，使得在网络传递过程中出现的非法拦截者无 法从中获取机密信息，从而达到保密的目的。但是这种方法有一个很明显的不足， 经典加密技术往往把一段有意义的信息( 明文) 转换成看起来没有意义的东西( 密 文) ，它明确地提示攻击者哪些是重要的信息，容易引起攻击者的好奇和注意，从根 本上造成了一种不安全性。并且密文有被破解的可能性，而一旦加密文件经过破解 后其内容就完全透明了。即使攻击者破译失败，他们也可以将信息破坏，使得即使 是合法的接收者也无法阅读信息内容。另一方面，加密后的文件因其不可理解性也 妨碍了信息的传播。采用加密技术的另一个潜在缺点是，随着电脑硬件的迅速发展， 以及基于网络实现的具有并行计算能力的破解技术的日益成熟，加密算法的安全性 受到了严重挑战，仅仅通过增加密钥长度来增强安全性已经不再是唯一的可行方法。 数字图像隐形信息检测技术研究 所以，仅仅依靠密码学已经不能完全解决信息安全问题。 近年来，国际上提出了一种新的关于信息安全的概念，开发设计出了一种不同 于传统密码学的技术，即将机密资料信息秘密地隐藏于普通的文件中，然后再通过 网络传递散发出去。这样非法拦截者从网络上拦截下来的伪装后的机密资料，并不 像传统加密过的文件那样是一堆乱码，而是看起来和其他非机密性的一般资料无异， 因此十分容易欺骗非法拦截者。这一点是传统加解密系统所欠缺的，也是信息隐藏 ( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 基本的思想。近年来，出于对数字作品版权保护和个人隐私 保护等方面的需求，掀起了信息隐藏技术研究的热潮。信息隐藏技术利用载体信息 中具有随机特性的冗余部分，将机密重要信息嵌入到载体信息之中，使其不被其他 人发现。在实际应用中，存在冗余信息的载体非常丰富，这一点也在客观上增强了 信息隐藏技术的隐蔽性和可行性。这种通过把信息存在本身隐藏起来的技术使得攻 击者无从获取秘密信息的位置，从而增强了安全性。 信息隐藏主要有数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 和隐写术( s t e g a n o g r a p h y ) 两 大分支。数字水印主要是为了保护知识产权，通过在原始媒体数据中嵌入信息来证 实该媒体的所有权归属。数字水印的主要目的不是限制对媒体的访问，而是确保媒 体中的水印不被篡改或消除。因此稳健性是数字水印的最基本要求之一。数字水印 的稳健性是指水印图像经过一些常见的改变后，水印仍具有较好的可检测性。这些 改变包括常见的图像处理( 如数据压缩、低通滤波、图像增强、一次抽样、二次量化、 a d 和d a 转换等) 、几何变换和几何失真( 如裁剪、尺度拉伸、平移、旋转、扭曲等) 、 噪声干扰、多重水印( m u l t i p l ew a t e r m a r k i n g ) 的重叠等。对不同的应用场合，要求 有不同的稳健性。需要指出的是，存在另一种与稳健水印性质相反的水印，称为易 损水印( f r a g il ew a t e r m a r k s ) ，它们被用来证实原始媒体是否被改变过。稳健性在 整个水印系统设计中具有非常重要的分量，这也是将隐写术和数字水印区别对待的 原因之一。 隐写术是信息隐藏技术的另一个重要分支。密码学研究如何保护信息的内容， 而隐写术研究如何隐藏信息的存在。隐写术的英文单词s t e g a n o g r a p h y 是由 t r i t h e m i u s 首先构造出来的，一般认为它来源于希腊文，其含义为“被掩盖的笔迹” ( c o v e r e dw r i t i n g ) 。该词的现代含义通常理解为将秘密信息隐藏在载体文件中， 在尽可能不引起第三方怀疑的情况下，通过公共通信网发送出去，它更注重的是不 2 上海师范大学硕士学位论文 可察觉性。隐写术的目的是保护隐藏在载体中的秘密信息。如果第三方察觉出载体 数据中含有额外的秘密信息，即使无法破译其具体内容，隐写也己经宣告失败，因 为公共通信网的监控者可以中止通信双方的通信并追查隐蔽信息的来源。这种察觉 数字媒体中秘密信息的存在性的攻击方法被称作隐写分析( s t e g a n a l y s i s ) 。由于信 息安全日益引起人们的关注，隐写分析也就成为了研究热点之一。 隐写分析是对隐写术的攻击，目的是检测秘密信息的存在以至破坏隐秘通信。 隐写分析是解决非法使用隐写术问题的关键技术。近几年来由于恐怖活动猖獗，隐 写分析技术引起了很大的关注，获得了较快的发展。据报道， “9 1 1 ”恐怖事件的 恐怖分子就是利用了数字隐写技术，通过因特网相互传递隐藏的密谋信息。现在因 特网上存在很多的隐写工具，而且这些工具大部分是免费的。隐写工具的易用性以 及获得上的便利性，使得执法部门非常关心非法资料的流通，迫切地需要检测各种 隐形信息的技术，以达到揭示非法消息，打击恐怖主义，预防灾难发生的目的，从 而保证国家的安全和社会的稳定。 隐写分析不仅具有重要的应用价值，更具有重要的学术意义。隐写分析研究可 以揭示当前隐写术的缺陷，对隐写术的安全性进行测试与评价，促进隐写算法安全 性的提高。 1 2 论文的主要工作 本文主要研究数字图像隐形信息的检测技术。针对不同的隐写方法和载体图像 分别进行了研究，进行了大量的实验，主要工作和成果如下： 对空域l s b 隐形信息的检测方法进行研究，提出了一种基于图像颜色特征的 隐写分析算法，该算法是对真彩色b m p 图像中是否含有隐形信息进行检测。 该算法采用攻击的方法，先在图像中埋入一定的信息。通过大量实验发现， 如果该图像是原始图像，则埋入一定信息后，图像中不同颜色数目和相近 颜色对数目的变化很大：如果该图像是隐写图像，则埋入一定信息后，图 像中不同颜色数目和相近颜色对数目的变化就比较小。根据原始图像和隐 写图像被攻击前后的该特征，提取特征向量，用支持向量机进行分类，把图 像区分为原始图像和隐写图像。实验证明，该方法对彩色b m p 图像有比较高 的检测正确率。 针对j p e g 虱像进行研究，提出了一种基于j p e 6 图像结构特征的隐写分析方 数字图像隐形信息检测技术研究 法。并从理论上分析了算法的正确性，实验上验证了算法的有效性。该算 法首先提取j p e 6 压缩过程中用到的量化矩阵。然后来检测图像中的每个8 x 8 块是否与该量化矩阵兼容。如果存在某些块是不兼容的，则可判断该图像 是含有秘密信息的，否则是不含秘密信息的。实验证明，该算法对j p e g 图 像隐形信息有比较好的检测结果，并且还可以确定秘密信息的隐藏位置， 为以后秘密信息的提取作准备。 对通用的隐写分析方法进行研究，提出了一种基于图像能量的隐写分析方 法。该算法首先定义了像素的梯度能量，实验证明：原始图像中能量较大 的像素点比较集中，而隐写图像中能量较大的像素点的分布则比较分散， 会分布在整幅图像中。该算法就是根据这个特点，提取特征向量，用支持 向量机进行分类，把图像区分为原始图像和隐写图像。该算法不针对某类具 体的隐写方法，具有一定的通用性， 1 3 论文的结构安排 本文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章即本章，首先讨论了论文的选题背景及研究意义，然后对论文的主要工 作和结构安排做了介绍。 第二章对数字图像隐写术和隐写分析技术的基本理论和基本概念进行了分析和 概括。 第三章对空域l s b 隐形信息的检测方法进行了分析和研究。提出了一种基于图像 颜色特征的隐写分析算法。 第四章探讨了j p e g 图像隐形信息的检测问题。提出了一种基于j p e g 图像结构特 征的隐写分析算法。 第五章讨论了通用的隐写分析方法。提出了一种基于图像能量的隐写分析算法。 第六章对已完成的工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 上海师范大学硕士学位论文 第二章数字图像隐写术与隐写分析技术 数字隐写术是一种隐秘通信技术，它是将秘密信息嵌入到其它正常的数字媒体 ( 例如文本、图像、音频、视频) 文件中，通过对藏有秘密信息的载体文件的传输， 实现秘密信息的传递。与传统加密技术不同，隐写术掩盖的是隐秘通信的存在性， 不易引起别人的怀疑，因此更加保证了秘密信息的安全。隐写分析是对隐写术的攻 击，是随着隐写术的发展而不断发展起来的一种技术。隐写分析的目标是检测多媒 体信息中是否藏有秘密信息，若藏有秘密信息，则进一步确定秘密信息的长度和提 取秘密信息。隐写术与隐写分析技术之间的关系就像病毒程序与防毒、杀毒软件的 关系一样，既相互斗争，又相互促进。只要出现了一种新的隐写算法，就会马上出 现一种相应的针对该算法的隐写分析算法。同理，隐写分析技术的发展也会促进隐 写算法的改进。由于图像在i n t e r n e t 上的广泛使用以及图像中固有的大量冗余空间， 使其成为了一种最普遍的隐写载体，因此本章将介绍以图像作为载体的两种技术。 2 1 数字图像隐写术 2 1 1 隐写术介绍 隐写术( s t e g a n o g r a p h y ) 一词来源于希腊语，其对应的英文意思是“c o v e r e d w r i t i n g ”。隐写术的应用实例可以追溯到非常久远的年代。被人们誉为历史学之父 的古希腊历史学家罗多德( h e r o d o t u s ，4 8 6 4 2 5 ) ，在其著作中讲述了这样一则故事： 一个名口q h i s t a i e w s 的人筹划着与他的朋友合伙发起叛乱，里应外合，以便推翻波斯 人的统治。他找来一位忠诚的奴隶，剃光其头发并把消息刺在头皮上，等到头发又 长起来了，便把这人派出去送“信”，最后叛乱成功了。 历史上诸如此类的隐写方法还有很多种。现代又发明了很多方法用于信息隐藏： 高分辨率缩微胶片、扩频通信、流星余迹散射通信、语义编码( s e m a g r a m ) 等。其中， 扩频通信和流星余迹散射通信多用于军事上，使敌方难以检测和干扰通信信号。语 义编码是指用非文字的东西来表示文字消息的内容，例如把手表指针拧到不同的位 置可表示不同的含义，用图画、乐谱等都可以进行语义编码。 数字隐写术是信息隐藏研究领域中的一个重要分支，是随着计算机和网络技术 的发展而出现的一个研究方向。信息隐藏技术是在不对载体信号产生过分影响的前 提下将秘密信息嵌入到数字媒体中，以实现版权保护、隐蔽通信等功能 1 。信息隐 数字图像隐形信息检测技术研究 藏可分为数字水印、数字隐写术两大分支，分别用于版权保护和隐蔽通信。 隐写术和数字水印有以下的不同点：水印系统所隐藏的信息总是与被保护的数 字媒体或它的作者有关，而隐写系统中隐藏的信息与载体可以是无关的；两者对稳 健性的标准也不同，隐写术关注的是隐藏信息能否被检测，而水印技术则关注水印 被盗版者擦除的可能性：两者对嵌入的信息量的要求也不同数字水印对信息隐藏 容量的要求不高，在一般的水印应用中如版权保护、指纹等，1 0 0 比特以下的水印也 许就足够了，而隐写术中要求的可嵌入信息量则要大得多。 2 1 2 隐写术的基本原理 首先介绍一个不可视通信的经典模型，它就是由s i m m o n s 在 2 中提出的“囚犯 问题”。a i i c e 和b o b 因为某种原因被逮捕了，并被关押在两个不同的牢房里。他们 想设计一越狱计划，但不幸的是，他们俩之间的所有通信都要接受名为w e n d y 的看守 人的监督。她不能让他们使用加密通信，并且如果一旦她注意到任何可疑的通信， 她将把他们放置在单独的禁闭室里，并禁止他们交换任何信息。所以为了不引起 w e n d y 的怀疑，他们双方必须进行不可视的通信。进行此项工作的一条实用途径就是 把有意义的信息隐藏在某些无关紧要的消息里。 看守人w e n d y 有两种监督方式，第一种情况，她只能观察a 1 i c e 和b o b 之间的通信， 而不去改变通信的内容，我们称w e n d y 为“消极的看守人”：另一种情况是w e n d y 可 以改动a l i c e 和b o b 间的信息，我们称为“主动看守人”。 上述模型可以应用到很多需要不可视通信( 隐写术) 的地方。a l i c e 和b o b 代表通 信的双方，想以不可见的形式交换秘密信息。监狱看守人w e n d y 代表一个攻击者，她 能读取并可以修改通信双方传送的信息。 隐写术的绝大多数应用遵循着一个一般原理，如图2 1 所示。a 1 i c e 打算与b o b 共 享一段秘密信息m ，她先随机地从私有的随机消息源r 中选取一个无关紧要的消息c ， 当把它传送给b o b 时不会引起什么怀疑，称这个消息为载体对象，然后把秘密信息m 嵌入到c 中，也许会用到密钥k ( 称为隐写密钥) 。这样a l i c e 就把载体对象c 变成一个 隐写对象( 含密对象) s 。当然，必须以很小心的方式进行这项工作，使得任何第三 方不能检测m s 中存在秘密消息m 。在一个“完美”的系统里，不管是通过人的感觉 还是使用计算机来寻找统计模式，都不能区分正常的载体对象与隐写对象。然后， a l i c e 通过一个不安全的信道将s 传送给b o b ，并且希望w e n d y 不会注意到嵌入的消息。 6 上海师范大学硕士学位论文 由于b o b 知道a l i c e 使用的嵌入方法，也能得到嵌入过程中使用的密钥k ，所以他能重 构信息m 。这个提取过程可以不需要原始的载体对象c 。 监视通信过程的第三方，应该无法确定发送者在发送消息时到底是包含了秘密 消息还是没有包含任何额外信息。这样，不可视通信的安全性主要取决于有没有能 力将载体对象与隐写对象区分开。然而在现实中，并不是所有的数据都能用作秘密 通信的载体，因为嵌入过程中对载体的修改应该对任何不参与通信过程的一方都是 不可视的。这就要求载体必须含有足够多的冗余数据，这些冗余数据可以被秘密信 息代替。 图2 i 隐写模型 从图2 1 可以看出，任何一个隐写系统都包含两个算法：嵌入算法和提取算法。 通过嵌入算法，可以把秘密信息嵌入到载体图像中，得到隐写图像( 也称为载密图 像) 。按照该嵌入算法可以在图像中埋入的最大信息量称为隐写容量，每个隐写算 法都有自己的隐写容量。提取算法是嵌入算法的逆算法，假设w e n d y 并没有改变图像， 则通过提取算法，b o b 可以把秘密信息提取出来。在嵌入的过程中，载体图像会被轻 微的改变，但为了保证安全，这种轻微的改变人的视觉一般是无法觉察的。显然， 嵌入的秘密信息越少，嵌入过程中引入的可测性人工痕迹就越小，秘密信息被检测 到的可能性也就越小。所以，在隐写系统中，嵌入的秘密信息量和安全性是一对不 可调和的矛盾。每一个隐写系统都试图在保证安全的前提下尽量嵌入比较多的秘密 信息。 2 1 3 隐写方法的分类 近几年数字隐写技术飞速发展，新的隐写方法层出不穷。本小节将分类介绍以 数字燃像隐形信息检测技术研究 圈像为载体的数字臆麓方法。 按照秘密僖意隐藏蠛翡不褥霹敬将数字隐麓零分为：空城方法、变换域方法、 压缩域方法、扩展频谱方法和基予现代信号处理的方法。 空域的方法：直接在空域( s p a t i a ld o m a i n ) 上实现信慰的嵌入，悬娥阜出现 静数宇戆写方法。最常艚的做法就怒雳最低青效院特位( l s b ) 替换为秘密潲感眈特。 该类方法的优点是：算法简单易实现，隐写容爨大。缺点是：鲁棒性较熬，很容易 通过主动式攻击消除嵌入的秘密信息。 交欹壤方法：瘦麓信号处瑾羧零，摆秘密傣怠嵌入到霭像黥交换蠛。这种方法 获得了比空域替换方法更强的鲁棒性。常见的变换有：数字求弦变换( d c t ) 3 、离 数傅立盼交换( d f t ) 羽、小波交换( d 孵) 5 ，8 3 等。 d c t 燮换和小波交换技术是箕巾应用最广泛躯。这一方霹建霞为广泛筏餍的p e g 压缩标凇采用了分块d c t 变换，新的图像压缩标凇j p e g 2 0 0 0 采用了小波变换；另一方 嚣是因为d c t 变换和小波交换本身其霄缀多优良嬲 生质。 压雅域算法；将傣惑直接嵌入在j p e g 文释的麓傀系数审，这样检测舄提敷氇可 直接在鹰缩域数据中j 拽行，因此节省了大量的究惫解码和重新编码所要花赞的时间。 一毅考虑, j p e g 压缨域楚爨为口g 麟像接式是i n t e r n e t 上最零趱熬压缠格式，苓容易 引起猜疑，而且j p e g 聪缩量化过程与“水e | i ”嵌入过程类儆，隐藏攻击膏幂易辨剽 是量化邂是隐藏信息使图像发生变化。许多隐藏软件，例如j s t e g 、o u t g u e s s 、 j p h i d e & j p s e e k 、f 5 等，它稍都是对蓬续域上翳莱个参数熬爱不重要逝特钕( 摄3 ) 嵌 入信息以达到隐藏信息的置的。 扩展频谱方法：n e c 的研究人员卑在1 9 9 5 年就提出了基予扩展频谱技术的信息隐 藏方法【7 ，8 3 ，瑟嚣又陆续茇震爨耪豹算法 9 。扩嶷频港羧零匏特点在予尽警接竣 的总的信号功率可能搬大，但是每个频率段上的信噪比都报小，因此难予被截获和 消除。即使几个频率敬上的部分信号被消除，在其它波段的信息仍然足以恢复信号。 嚣蘧，基乎扩震频灌技零熬痿惠豫藏方法具有鼹捡测窝难瀵狳f 鲁捧谜强) 豹特点。 基予现代信号处璩的方法：信息隐藏近年柬与现代信号处理技术愈加紧密地结 合起来，出现了许多基于s v d i o ，1 1 i c a 1 2 ，1 3 ，1 4 以及多维栅格 1 5 ，1 q1 7 ，1 8 等 夔痿惠戆藏箕洼。 上海师范大学硕士学位论文 2 1 4 隐写安全 所谓安全的隐写方法是指用该种方法嵌入信息后，秘密信息不能被检测到。如 果存在一种隐写分析算法，它检测出含有秘密信息的结果超过了随机猜测( 5 0 ) 的 话，则该隐写算法就认为被攻破了，是不安全的。判断一种隐写算法是否安全是一 件比较困难的事情，关于这方面的研究也不是很多，下面将介绍两种常用的隐写安 全理论。 1 c a c h i n 定义的一种信息安全理论模型 1 9 。设p 。表示载体图像的概率分布， p 。表示隐写图像的概率分布，如果两者概率分布的相关熵不超过值，则认为该隐写 方法是安全的。相关熵的计算公式如式( 2 1 1 ) ： d ( p 。= 仁1 0 9 鲁占 ( 2 1 1 ) 从式( 2 1 1 ) 可以看出，d 随着詈的增大而增大，d 越大就表示被检测到的概率越 大。当e = 0 ( 即只= 只) 时，该隐写算法被认为是绝对安全的。这种情况下，载体图 像和隐写图像被认为是不可区分的。该种方法有如下缺点： 该方法把载体图像和隐写图像都看成是随机的比特流，没有固定的统计结构，但 是实际的图像并非如此。自然图像有非常丰富的统计结构，例如相关性，高阶统 计量等，通过使用这些统计特性，即使嵌入时低阶概率分布被保护了( e = o ) ， 也可设计出好的隐写分析算法将其击破。 该方法只衡量了载体图像和隐写图像的低阶统计特性，没有考虑隐写图像的实际 失真度。可能会存在两者的相关熵很小，但是失真很大，此时也是不安全的。 2 利用检测器接受操作特性( d e t e c t o r sr e c e i v e ro p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c ，r o c ) 来判断。 检 测 窒 b 虚警率a 图2 2 检测器r o c 平面 数字图像瞻形信息检测技术研究 我们用虚警率n 和检测率b 来表示检测器的正确程度，两者的关系可以用图2 2 所示的检测器接受特性( d e t e c t o r sr e c e i v e ro p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c 。r o c ) 二维平面来表示。其中，虚警率是指把载体图像误判为隐写图像的概率，表示为 口= p ( 聪写图像f 载体图像) ( 2 1 2 ) 检测率是把隐写图像判断为隐写图像的概率，表示为 p = p ( 隐写图像隐写图像) ( 2 i 3 ) 则检测的错误率为 只= ( 1 一卢) e ( 隐写图象) + 鸩( 载体图象) ( 2 1 4 ) 假设p 。= p ：，则只= 寺【( 1 一) + 口】，如果口= 卢，则p f 寺，此时检测器纯粹是随机 猜测，说明该隐写方法是安全的。据此，定义如下安全准则：如果协一口l = ， ( 0 r s l ) ，则r 越小，表示该隐写方法越安全，当r = o ，即口= 时，该隐写方法 被认为是绝对安全的。所以隐写方法总是尽量使一口 最小，而隐写分析则总是试 图使防一口i 最大。该方法的缺点是只能判别隐写方法对某种隐写分析方法是否安全。 2 2 隐写分析技术 隐写分析是对隐写术的攻击，目标有两个：第一，检测给定图像中是否含有秘 密信息；第二，若第一步中检测到其中含有秘密信息，则确定秘密信息的长度并进 一步提取出其中秘密信息。现在大部分隐写分析算法还只针对于第一个目标。 2 2 1 隐写分析原理 信息隐藏技术中，所有的被隐藏的秘密信息m 都可以表示为下面简单的公式： m - p + t( 2 2 1 ) 其中，t 为被隐藏的秘密信息中经过处理后在载体文件中不会产生可检测失真的部 分，它是人对一个媒体的不可感知能力的阈值。p 为被隐藏的秘密信息中经过处理后 在载体文件中会产生可检测失真的部分。t 值的大小代表着隐写算法的水平，当m = t ， 即p = 0 时，表示秘密信息的嵌入没有对载体信息产生任何影响，这时的隐写算法达到 最高水平，任何检测技术都会无能为力。 隐写分析技术主要是秘密信息的检测和提取，它着重检测某个媒体中的失真和 上海师范大学硕士学位论文 反常，即着重于对( 2 2 1 ) 式中的p 的分析和研究，因此，检测的成功与否与p 的大小 有直接关系。p 值越大，说明隐写算法漏洞越多，检测就越容易实现。 利用图2 1 表示的隐写模型，根据看守人w e n d y 是否会修改图像。可将隐写分 析方法分为两类：一类是被动攻击，看守人w e n d y 只是判断图像中是否含有秘密信 息，如果有则阻止通信，若没有则让其通过，不对其做任何修改：另一类是主动攻 击，看守人w e n d y 不经判断就对其进行修改。本文讨论的都是被动攻击。 在图像中嵌入秘密信息后，尽管从视觉角度看，载体图像和隐写图像并无差别， 但是嵌入过程肯定会引起图像的某些统计特征发生改变，所以，隐写分析方法可用 图2 3 所示的通用模型表示 被动隐写分析主动隐写分析 通过 图2 3 隐写分析通用模型 2 2 2 隐写分析技术的分类 图像隐写分析技术按照是否需要原始图像，可以分为对比检测技术和盲检测技 术。 在对比检测技术中，检测过程需要将待测图像和原始图像进行对比。通常是对 待测图像和原始图像进行像素之间的关联性分析或变换域系数的关联性分析，从而 发现隐藏信息的可能性。但对比分析有一定的局限性，通常对图像进行隐写分析，原 始图像是无法获得的。盲检测技术是指在没有原始图像对比的情况下仅通过对待测 图像分析，检测存在秘密消息的可能性。本文讨论的是图像盲检测技术。 2 2 3 数字图像隐写分析技术的研究现状 图像隐写分析技术在近几年得到了广泛的发展。该技术通常与图像格式、图像 压缩、图像内容和嵌入信息的容量有着密切的联系。目前图像隐写分析的研究主要 集中在检测技术上，而破解技术难度较大，至今还没有进行深入的研究。 从图2 3 表示的隐写模型可以看出，隐写分析关键是特征的寻找与选择，根据特 征提取与嵌入算法的关系，可以将隐写分析算法分为两类：一类是专用的隐写分析 算法。该方法针对专门的嵌入算法提取其专有的特征，所以准确性较高，但是适用 数字田像隐形信息检测技术研究 性低；另一类是通用的隐写分析算法。该方法寻找独立于嵌入算法的特征，适用性 高，但整体的准确性不如专用的隐写分析算法。 ( 1 ) 专用的隐写分析方法 根据提取特征所在域的不同，专用隐写分析可分为空域隐写分析和变换域隐写 分析。空域隐写分析攻击对象主要是空域l s b 隐写术，包括e z s t e g o ，s - t o o l s 等。 变换域隐写分析的攻击对象主要是d c t 域隐写术包括j s t e g 、f 5 、o u t g u e s s 等， 是隐写分析研究比较活跃的部分。d c t 域隐写分析主要围绕d c t 系数的统计特性及其 对空域像素的影响进行研究，包括对载体图像d c t 系数的估计及空域像素块不连续性 的计算。研究方法经历了从简单的一阶统计分析到采用比较复杂的实验手段来获得 相关变化量的过程。 ( 2 ) 通用的隐写分析算法 通用隐写分析算法是根据图像嵌入秘密信息前后的总体或局部统计量的不同提 取特征，然后选取一定的训练样本进行训练，得到一分类器，最后用分类器对待测 图像进行分类，将其区分为载体图像或隐写图像。 该类方法不针对某种具体的嵌入算法，所以通用性较强，不但可以检测已知的 隐写算法，对未知的隐写算法可能也有效。但是也正因为该方法在选取特征的时候 不针对于某种具体嵌入算法，所以特征选择没有一个系统准则。如果选取的特征对 某种嵌入算法不敏感，则对该嵌入算法就会失效。另外该方法只能判别一幅图像中 是否含有秘密信息，对秘密信息的大小、位置等无能为力。 2 3 小结 本章讨论了数字图像隐写术与隐写分析技术的一些基本概念和理论，是后续章 节的基础。为了更清楚的研究隐写分析技术，本章首先介绍了隐写术的相关知识： 包括数字隐写术的发展、隐写技术的基本原理、隐写方法的类别以及如何判断一个 隐写方法的安全性等。在此基础上介绍了隐写分析原理、隐写分析技术的类别和图 像隐写分析技术的研究现状。 上海师范大学硕士学位论文 第三章空域l s b 隐形信息的检测 在以非压缩图像为载体的隐写方法中，空域l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 替 换方法是最经典的一种。它只需对载体文件做很小且不易察觉的改变就能隐藏大量 的秘密信息。虽然该方法的鲁棒性较变换域的嵌入方法差，但由于其实现简单、隐 写容量大的优点，使其成为最为常用的一种隐写方法。目前互联网上一些免费的隐 写工具，如e z s t e g o 、h i d e & s e e k 、s - t o o l s 、s t e g a n o s 、s t e g o d o s 等都使用了空域 的l s b 替换方法。本章主要探讨空域l s b 隐形信息的检测方法。 3 1 空域l s b 替换的隐写原理 通常隐写系统把载体c ( 数字图像或数字声音等) 用