（计算机软件与理论专业论文）基于局部相关的图像隐写方法研究.pdf

摘要 信息隐藏作为一种新兴的信息安全技术，在当前i n t e m e t 高速增长、电子商务和电子 政务等社会活动信息化不断发展的背景下，已经成为信息技术领域研究的一个热点。 数字隐写是信息隐藏的一个重要分支，它利用人的视觉、听觉冗余和多媒体数字媒 体的统计冗余，将秘密信息以一定的编码或加密方式嵌入公开的数字媒体，可靠地隐藏 了秘密信息的存在性。作为网络环境中一种新的保密通信手段，数字隐写即网络隐蔽通 信技术的研究在学术界和企业界受到普遍关注。由于图像是网络数据中最常见的类型， 其自身的特点( 数据冗余和统计冗余) 非常适合做载体以及图像产品急需产权标识和保 护，因此以图像为载体的信息隐藏技术是该领域的一个研究重点，尤其在军事和国家安 全等对信息的安全性和机密性有更高要求的领域，数字隐写技术的应用前景更是不可估 量。 本文在研究了图像信息隐藏技术的基本概念和基本理论的基础之上，提出了一种新 的图像隐写方法。这种方法利用秘密图像和载体图像之间的相关性进行相关性匹配，然 后将得到的相关信息利用模算子方法嵌入到载体图像当中，完成秘密图像的隐藏，该方 法很大程度上改进了载密图像的图像质量。 在秘密图像嵌入阶段，首先将秘密图像与载体图像分块，然后在载体图像块中，分 别寻找秘密图像块的最佳匹配块。找到最佳匹配块之后，将其标记为相关匹配块，并计 算秘密图像块和最佳匹配块之间的误差矩阵、规范化误差矩阵、差异度、量化误差矩阵， 然后，根据规范化误差矩阵和量化误差矩阵修改载体图像块，并得到由相关匹配块索引、 量化误差矩阵以及误差矩阵最小元素三部分组成的块首部信息。最后，利用模算子方法， 将块首部信息嵌入到载体图像当中。 在秘密图像提取阶段，我们首先根据块首部信息的存储需求获得块首部信息，进而 获得秘密图像块，最后获得整个秘密图像。 根据本文提出的隐写算法，我们进行了大量实验，对隐写嵌入过程和秘密信息的提 取过程进行了测试。实验结果表明，利用此方法可以得到高质量的载密图像，并且能够 很好的恢复秘密图像。总之，本文提出的图像隐写算法是切实可行的。 关键词：隐写；局部相关；模算子 a b s t r a c t i nt h ec u r r e n tb a c k g r o u n do fr a p i dg r o w t ho fi n t e r n e t ，e - c o m m e r c ea n de - g o v e r n m e n t a n do t h e rs o c i a la c t i v i t i e si nt h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nl l i d i n ga san e wi n f o r m a t i o ns e c u r i t yt e c h n o l o g ya l r e a d yb e c a m eah o tr e s e a r c h s p o to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd o m a i n d 蜮t a ls t e g a n o g r a p h yi 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 ，w h i c ht a k e su s eo f t h er e d u n d a n c yo fh u m a nv i s u a l ，a u d i t o r ya n dt h em u l t i - m e d i ad i g i t a lm e d i as t a t i s t i c a l r e d u n d a n c y , m a k e st h es e c r e ti n f o r m a t i o ne m b e d d e di n t op u b l i cd i g i tm e d i ab yc e r t a i nc o d e o re n c r y p t i o nw a y , i tr e l i a b l yh i d e st h ee x i s t e n c eo fs e c r e ti n f o r m a t i o n a san e wm e a n so f s e c u r ec o m m u n i c a t i o ni nn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，d i 百t a ls t e g a n o g r a p h yt h a tn e t w o r kc o v e a c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hi n t h ea c a d e m i ca n db u s i n e s sc i r c l e sa r eg e n e r a l l y c o n c e m e da b o u t b e c a u s et h ei m a g ei st h em o s tc o m m o nt y p eo fn e t w o r kd a t a , i t so w n c h a r a c t e r i s t i c s ( d a t ar e d u n d a n c ya n ds t a t i s t i c a lr e d u n d a n c y ) i sw e l ls u i t e dt ob et h ec a r f i e r ， a n di m a g ep r o d u c ti si nu r g e n tn e e do fi d e n t i f i c a t i o na n d p r o t e c t i o no fp r o p e r t yr i g h t s ，s ot h e i n f o r m a t i o ni l i d i n gt e c h n o l o g yw h i c ht a k e st h ei m a g ea st h ec a r r i e ri sar e s e a r c hk e yi n t h i s d o m a i n ，e s p e c i a l l yi nt h ed o m a i no fm i l i t a r ya f f a i r sa n dn a t i o n a ls e c u r i t yw h i c hh a v eu r g e n t r e q u i r e m e n t so nt h ec o n f i d e n t i a l i t ya n ds e c u r i t yo fi n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , a f t e rs t u d y i n gt h eb a s i cc o n c e p ta n db a s i ct h e o r yo fi m a g ei n f o r m a t i o n h i d i n gt e c h n o l o g y , w ep r o p o s e dan o v e li m a g es t e g a n o g r a p h ym e t h o d b ye x p l o r i n gt h eb l o c k c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec o v e v i m a g ea n dt h es e c r e t - i m a g e ，a n dt h e nt h er e l e v a n ti n f o r m a t i o n w i l lb ee m b e d d e di n t ot h es t e g o - i m a g eb yt h em e t h o do fm o d u l u sf u n c t i o n ，t h eh i d i n go ft h e s e c r e ti m a g ei sc o m p l e t e d ，t h es t e g o i m a g eq u a l i t yc a nb eg r e a t l yi m p r o v e d i nt h ee m b e d d i n gp r o c e s s ，f i r s tt h ec o v e r - i m a g ea n dt h es e c r e t - i m a g ea r ed i v i d e di n t o b l o c k s ，t h eb e s tm a t c hc o v e r - i m a g eb l o c ko ft h es e c r e t i m a g eb l o c ki sf i r s ts e l e c t e d t h e n ，t h e e r r o r - m a t r i x ，t h en o r m a l i z e d e r r o r - m a t r i x ，t h ed i f f e r e n c e - d e g r e ea n dt h eq u a n t i z e d e r r o r - m a t r i x b e t w e e nt h ec o v e r - i m a g eb l o c ka n dt h es e c r e t i m a g eb l o c ka r ec o m p u t e d a f t e rt h a t ，t h e c o v e r - i m a g eb l o c ki sm o d i f i e d ；t h eb l o c kh e a d e ri n f o r m a t i o n i se m b e d d e di n t o t h e c o v e r - i m a g eb yt h es i m p l em o d u l u sf u n c t i o nm e t h o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a to u r m e t h o dp r o v i d e sar e l a t i v e l yg o o dq u a l i t ys t e g o - i m a g ea n dt h ee m b e d d e ds e c r e t - i m a g ec a nb e c o m p l e t e l yr e c o v e r e d i nt h ee x t r a c t i o np r o c e s s ，t h eb l o c kh e a d e ri n f o r m a t i o ni sf i r s te x t r a c t e d t h e s e c r e t - i m a g eb l o c ki st h e no b t a i n e & f i n a l l y , t h es e c r e t - - i m a g ec a nb er e c o v e r e db ye x t r a c t i n g a l lt h es e c r e t i m a g eb l o c k s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a to u rm e t h o dp r o v i d e sar e l a t i v e l y g o o dq u a l i t ys t e g o i m a g ea n dt h ee m b e d d e ds e c r e t - i m a g ec a nb ec o m p l e t e l yr e c o v e r e d k e yw o r d s ：s t e g a n o g r a p h y ；p a r t i a lc o r r e l a t i o n ；m o d u l u sf u n c t i o n i i 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：三咝。：! 兰 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学 位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版 发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期： 亟坤 掣、b 指导教师签名： 日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：连拯1 1 聋酗尘猛里鱼： 通讯地址：l 甬阻斗辛窖乏长骂4 降j 乙继 电话： 邮编：! ：兰坚 东北师范大学硕士学位论文 引言 二十世纪以来，网络的迅猛发展在为人们创造前所未有的通信条件、给人们营造一 个全新的信息传播环境的同时，也为信息的压缩、存储、复制、处理和利用提供了显著 的便利性，为信息资源的充分共享提供了优越的条件。在以i n t e r a c t 为代表的全球性信息 化迅猛发展的今天，依赖公共网络所从事的经济、文化、政治活动，如党政部门信息上 网、网上金融业务、电子商务等呈急剧上升趋势。但是，计算机通信网络技术的发展使 得信息传输和交流更加简单易行，却也使得关系国家安全、经济发展乃至个人隐私等方 面的信息安全更加突出。政府机密的文件能否在网络中安全的传输；企业机密能否躲过 商业间谍的窃取；各式各样的黑客想方设法利用各种高新技术窃取和篡改信息，对数字 产品进行篡改、假冒、剽窃和盗用，制造盗版，从中牟利这一系列问题归结起来， 就是信息安全存储和传输的问题。因此，蓬勃发展的因特网所具有的开放性、国际性和 自由性在增加应用自由度、提高办事效率和市场反应能力的同时，对于国家、党、政和 国民经济建设主要部门展乃至个人隐私等方面的信息安全提出了更高的要求。 在计算机和网络技术进一步推广的今天，如何既能充分利用i n t e r a c t 的便利，同时又 保证网络信息的安全已经引起了人们的高度重视。目前各国政府纷纷加大在信息安全方 面研究的投入，并制定严格的政策来控制信息安全产品的进出口，同时，各大跨国公司 也都建立了强大的信息安全实验室，网络信息安全己经成为影响个人利益、经济发展、 社会稳定、国家安全的重大问题。 信息安全涉及到信息传输的安全和信息存储的安全。为保障数据传输的安全，需采 用数据传输加密技术、信息隐藏技术、数据完整性鉴别技术；为保证信息存储的安全， 必须保障数据库安全和终端安全；信息内容的审计则是实时对进出内部网络的信息内容 进行监控，以防止或追查可能的泄密行为；对用户的鉴别是对网络中的主体进行验证， 如口令、密钥认证，物品认证，指纹、签名认证等。信息安全的研究主要包括两个方面， 一是信息安全技术，包括两个主要的研究方向：信息加密( c r y p t o g r a p h y ) 与信息隐藏 ( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 。一是信息安全的标准化研究，主要包括i t u 的h 系列标准中 的h 2 3 5 标准。 保护信息安全所采用的手段称为安全机制。现在，加密体制仍然是最基本的安全机 制。如何保护敏感信息的安全，传统的方法就是以密码学的方法对数据进行加密，其结 果是被加密的信息表现为一种无序的不可解读的状态，在保护信息的同时，也容易引起 攻击。它的不可破译是靠不断增加密钥长度来提高的，然而随着计算机计算能力的成倍 增长，这种加密方法显得越来越不安全。人们逐渐意识到仅有加密体制来保护信息的安 全是远远不够的。在人们迫切的寻求新的安全体制的过程中，信息隐藏技术应运而生。 在这样的应用背景下，信息隐藏技术作为一种新兴的信息安全技术逐步受到了人们的重 视，成为信息安全领域新的研究热点。 1 东北师范大学硕士学位论文 信息隐藏技术是- - f - j 新兴的交叉性学科，它打破了传统密码学的思维范畴，从一个 全新的视角审视信息安全，是信息安全领域的一个新方向，信息隐藏技术在保密通信特 别是网络中保护信息的安全将会起到重要作用。传统的密码学，在加密后通常是一堆乱 码，他是保护通信内容不被非法接受者所理解，但容易引起拦截者的注意和破解欲望， 信息隐藏技术是将机密资料隐藏于一般的可公开的载体( 图像、声音、文字等) 之中， 然后通过网络传递，隐藏前后看不出有什么差别，因而十分容易逃过非法拦截者的注意 或破解。如：将秘密情报隐藏在一首动听的歌曲里，通过公开的民用频道进行传输，而 不易引起拦截者的攻击兴趣。其原理如同生物学上的保护色，巧妙地将自己伪装隐藏于 环境之中，免于被天敌发现而遭受攻击，它使得安全机制发生改变，这一点是传统加密 解密通信系统所欠缺的。当然，信息隐藏技术和加密技术并不是相互矛盾、相互竞争的， 而是互补的。它们分别应用于不同的场合、适应不同的要求，在实际应用中还可以相互 配合。从信息隐藏的角度来说，先将秘密信息进行加密得到密文，再把密文隐藏到载体 对象中，可以更好的确保信息的安全性，也是更符合实际要求的方法。 从2 0 世纪9 0 年代中期以来，信息隐藏技术得到了迅速发展，在保护网络信息安全领 域起到重要作用，已经被广泛应用于网络隐蔽通信、数字媒体的版权保护和保密信息的 真实性认证等方面。作为一种新的隐蔽通信手段，信息隐藏技术已经成为信息安全领域 中一个新的研究方向，国内外的学术机构进行了大量的针对性的研究，有着广阔的应用 前景。 2 东北师范大学硕士学位论文 第一章数字隐写技术概述 1 1 信息隐藏概述 随着计算机技术的发展，信息数字化已经成为趋势，信息隐藏这门古老的学科又重 新引起了各种研究团体的关注。从广义上讲，信息隐藏有多种含义：一是信息不可见， 二是信息的存在性隐蔽，三是信息的接收方和发送方隐蔽，四是传输的信道隐蔽。1 9 9 6 年5 月第一次国际信息隐藏学术研讨会在英国剑桥召开，建立了现代信息隐藏技术的一 般模型和术语。信息隐藏也称数据隐藏，它利用人类感觉器官对数字信号的感觉冗余， 把特定信息( 如版权信息、秘密信息等) 嵌入到图像、语音、视频及文本文件等各种数 字媒体中，以达到秘密通信、标识注释及版权保护等目的。 1 1 1 信息隐藏的定义 所谓信息隐藏就是将秘密信息隐藏到一般的非秘密的数字媒体文件( 如图像、声音、 文档文件) 中，从而不让对手发觉的一种方法。 信息隐藏是把一个有意义的信息隐藏在另一个称为载体c 的信息中得到隐蔽载体 s ，非法者不知道这个普通信息中是否隐藏了其他的信息，而且即使知道也难以提取或 去除隐藏的信息。所用的载体可以是文字、图像、声音及视频等。 信息隐藏不同于传统的密码学技术。密码技术主要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文进行传递；而信息隐藏则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，可能的监测者或非法拦截 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。多媒体技术的广泛应用，为信息隐藏技术的发展提供了更加广阔的领域。 信息之所以能够隐藏在多媒体数据中是因为： 1 多媒体信息本身存在很大的冗余性，从信息论的角度看，未压缩的多媒体信息的 编码效率是很低的，所以将某些信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传送是完全可行的， 并不会影响多媒体本身的传送和使用。 2 人眼或人耳本身对某些信息都有一定的掩蔽效应，比如人眼对灰度的分辨率只有 几十个灰度级，对边沿附近的信息不敏感等。利用人的这些特点，可以很好地将信息隐 藏而不被察觉。 信息隐藏作为- - fj 新兴学科，是与密码术、多媒体技术、计算机网络紧密相关的交 叉学科，在版权保护、保密通信等领域都具有广泛的应用价值，特别是在网络技术和多 媒体技术迅速发展的今天，人们可以充分利用多媒体中存在的冗余信息作为隐藏消息的 掩体信息，并将隐秘信息通过计算机互联网络发送出去，使得信息隐藏的研究更具现实 3 东北师范大学硕士学位论文 意义。 1 1 2 信息隐藏的特征 信息隐藏不同于传统加密技术，其根本目的是保证秘密信息不被侵犯和发现。因此， 信息隐藏技术必须考虑正常的数据操作的威胁，使秘密信息对正常的数据操作技术具有 免疫力。一般来说，信息隐藏技术存在以下六种特性： 1 隐蔽性：指嵌入信息后在不引起秘密信息质量下降的前提下，不显著改变掩护对 象的外部特征，即不引起人们感官上对掩护对象变化的察觉。例如掩护对象与隐蔽载体 具有一致的噪声统计分布等，以使非法拦截者无法判断是否有秘密信息的存在。 2 不可检测性：指含密对象与载体对象具有一致的特性，使非法拦截者无法判断载 体中是否含有秘密信息。因为含密对象本身具有一些与载体对象内容相关的性质，而信 息隐藏行为可能会改变这些性质。这就要求信息隐藏应该尽量保持载体对象的特性，即 使攻击者拦截到载体，对其进行隐写分析，也无法判断是否含有秘密信息。 3 安全性：指隐藏算法必须能承受一定程度的人为攻击，使隐含信息不被完全破坏。 信息隐藏技术与密码学一样遵循k e r c k h o f f 原则，其安全性必须建立在密钥上。利用密 钥和特定的隐藏算法来嵌入信息，而提取时也必须拥有相同的密钥才能恢复出信息，非 法用户即使知道秘密信息的存在，如果没有正确的密钥也无法提取出信息。另外，必须 保证信息的嵌入位置是安全的，信息应该隐藏在载体对象中，而不是载体的文件头或文 件格式信息中，载体文件格式的转换也不会导致秘密信息的破坏或丢失。 4 鲁棒性：指载体对象经过一些常用的信号处理或变换后，不会丢失隐藏信息的能 力。这里的处理包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、有损编码压缩、几何 变换、d a 或a d 转换等。 5 自恢复性：指经过了一些操作和变换后，可能会使隐蔽载体受到较大的破坏，如 果只留下部分的数据，在不需要宿主信号的情况下，却仍然能恢复隐藏信息的特征就是 所谓的自恢复性。 6 可纠错性：为了保证隐藏信息的完整性，使其在经过各种操作和变换后仍能很好 地恢复，通常采取纠错编码方法。 1 1 3 信息隐藏技术的分类 信息隐藏技术包含的内容范围非常广泛，分类的方法也多种多样。目前广泛使用的 分类方法是分为如下几类乜1 ，如图1 1 所示： 4 东北师范大学硕士学位论文 1 隐蔽信道：l a m p s o n 乜1 最早给出了隐藏信道的定义：在多级安全水平的系统环境中， 那些既不是专门设计也不是打算用来传输信息的通信路径被称为隐蔽信道。常见的隐蔽 信道存在于计算机操作系统、网络建设、通信载体等的漏洞中。 2 隐写术：隐写又称信息伪装，是网络隐蔽通信的主要手段，将秘密信息隐藏于看 似正常的载体数据中，隐藏了秘密信息的存在性，使通信第三方无法感知正常的通信过 程中已经发生了秘密信息的通信。随着信息的数字化，隐写术获得了更大的发展空间。 一般可以分为基于语义的隐写和基于技术的隐写。 3 信息分存：这是由密码学发展而来的隐藏技术，密码学中的信息分存是指原来唯 一的密钥分别存放于n 个不同的子密钥持有者手中，其中任意的t 个人可合作恢复密钥， 而任意少于t 个人则不能恢复密钥。根据这样的分存原理，出现了一种新的隐藏技术一 一叠像术，叠像术产生一系列具有不同图案和文字的普通图像，将这一系列的图像叠加 起来，原有的图像内容都将消失，而显现出隐藏的内容。 4 版权标识：指作者可以向创作的数字作品中添加不易察觉、但可以辨识的版权标 记，以达到版权保护的目的。版权标识分为鲁棒性的版权标识和脆弱水印，鲁棒性版权 标识包括鲁棒数字水印和数字指纹，它主要用于版权保护的数字水印、盗版跟踪的数字 指纹等方面，脆弱水印主要用于完整性保护和防篡改。 1 1 4 信息隐藏的应用领域 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作用，具体地可总结为 以下四个方面d - 6 ： 1 数据保密：在因特网上传输一些数据要防止非授权用户截获并使用，这是网络安 全的一个重要内容。随着经济的全球化，这一点不仅将涉及政治、军事，还将涉及到商 业、金融和个人隐私。可以通过使用信息隐藏技术来保护在网上交流的信息( 如电子商 务中的敏感信息、谈判双方的秘密协议和合同、网上银行交易中的敏感数据信息、重要 文件的数字签名和个人隐私等) 。另外，还可以对一些不愿为别人所知道的内容使用信 息隐藏的方式进行隐藏存储。 东北师范大学硕士学位论文 2 数据的不可抵赖性：在网上交易中，交易双方的任何一方不能抵赖自己曾经做出 的行为，也不能否认曾经接收到对方的信息，这是交易系统中的一个重要环节。这可以 使用信息隐藏技术中的水印技术，在交易体系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，这种水印应是不能被去除的，以达到确认 其行为的目的。 3 数字作品的版权保护：版权保护是信息隐藏技术中的水印技术所试图解决的一个 重要问题。随着网络和数字技术的快速普及，通过网络向人们提供的数字服务也会越来 越多，如数字图书馆、数字图书出版、数字电视、数字新闻等。这些服务提供的都是数 字作品，数字作品具有易修改、易复制的特点，当今已经成为迫切需要解决的实际问题。 信息隐藏技术是解决此难题的方法之一，服务商在向用户发放作品的同时，将双方的信 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。 4 防伪和数据的完整性保护：商务活动中的各种票据的防伪也是信息隐藏技术的用 武之地。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上传输 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一旦被窜改就会破坏水 印，从而很容易被识别。 1 2 数字隐写技术 人类对于隐写术的应用可以追溯到远古时代。h e r d o y o s 口1 在他的著作中讲到：大约 在公元前4 4 0 年，h i s t o r i e s 把一个可靠奴隶的头发剔光，在头皮上写好情报。等到头发 长长，奴隶被派去传送信息。到达目的地后把头发剔光，于是信息即被安全送达。现代 科学文献中关于隐写术的研究源于s i m m o n s 1 在1 9 8 3 年所提出来的“囚犯问题 ，它己 经成为隐写系统的通用模型。a l i c e 和b o b 由于某种犯罪被拘留并分别监禁在不同的单 人牢房里。两人希望能够共同商量出逃计划，但他们之间的任何通信都被叫w e n d y 的 监狱看守人来检查，w e n d y 不允许他们加密通信的内容，并且一旦发现值得怀疑的信息， 传递信息交换立即终止，因此通信双方即a l i c e 和b o b 就需要进行不可见的信息交换以 不引起看守人w e n d y 的怀疑。看守人w e n d y 指隐写信道中存在的隐写分析者，如果看 守者能够对流经的信息进行改动和处理，称作主动看守人，否则称作被动看守人。 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。 1 2 1 数字隐写技术的原理 不同于密码学中对信息内容的保护，隐写术着眼于隐藏信息本身的存在。例如，通 过在一份报纸上用隐形墨水标志特定的字母，达到给间谍发送消息的目的，或者在声音 6 东北师范大学硕士学位论文 记录中某个特定的地方添加难以察觉的回音等。隐写术既可用以确保国家政治、军事、 经济信息在公共通信网络和计算机网络中安全、可靠、迅速地传递与共享：也有可能被 犯罪分子、恐怖分子用于计划和协助犯罪活动，危害公共安全和国家安全。2 0 0 1 年3 月，美国各大媒体相继报道本拉登恐怖组织可能使用隐写工具传递秘密消息，如指令、 地图、攻击目标的资料等旧1 ，一些著名的网站e b a y 和a m a z o n 等已成为传播隐写信息的 渠道。虽然这些报道在当时没有引起广泛的关注，却激发了研究人员的极大兴趣。研究 者开始试图寻找可能存在的敌对隐蔽信息n 们，并用所谓的字典式攻击法分析n 虬u s e n e t 上数以百万计的文档。同年“9 1 l ”事件后，这种猜测进一步升级。可见，利用网络进 行隐蔽通信所嵌入的信息不仅具有特定的机密性，而且可能对国家安全构成潜在威胁。 由于对数字媒体的修改非常方便，隐写者可以根据一定的算法和密钥将秘密信息嵌 入到图像、音频或视频等数字信号中，秘密信息的嵌入不应引起第三方或信道监控者的 怀疑。接收方在得到含有秘密信息的数字载体后，可以根据提取算法和同样的密钥恢复 出秘密信息。通常数字隐写系统的构成如图1 2 所示。 图1 2 数字隐写系统结构 图1 2 中的掩饰媒体指传送秘密信息的公开媒介，这里的媒介可以是文本、图像、 音频等文件。隐藏过程把要传送的秘密信息通过密钥并采用某种隐写算法嵌入掩饰媒 体，形成表面看来和掩饰媒体完全相同的隐秘对象，然后把隐秘对象通过公开信道传输， 接收者接到隐秘对象后，通过相应的还原算法，提取出秘密信息。数字隐写在通信双方 之间建立一条秘密通信路径，潜在的攻击者不知道这个通信的存在，任意第三者无法检 测到秘密信息，故不能从掩饰媒体和隐秘对象对隐藏数据进行攻击。 隐写分析是隐写技术的主要威胁，因为一旦分析成功，隐写者不仅无法传送秘密信 息，甚至有暴露身份的危险。隐写分析的目的是检测数字载体中是否含有秘密信息，在 隐写过程不可避免地对载体数据进行一定的修改，使载体产生一定的变化，隐写分析者 可以通过载体统计特性的异常变化检测到秘密通信过程。虽然隐写分析者并不一定能破 解出秘密信息的内容，但仍然可以切断隐蔽通信的信道，导致隐写行为失败。 东北师范大学硕士学位论文 1 2 2 数字隐写技术的发展现状 数字隐写技术发展至今已经出现了很多较为成熟的算法，其中具有代表性的有空间 域l s b 算法n 羽、基于l s b 算法n 2 1 或与l s b 算法兼容的保持图像一阶统计特征的嵌入算 法n 副、可实现大容量嵌入的b p c s n 钔算法、应用于j p e g 图像的f 5 算法n 副、保持d c t 系数一阶统计特性的嵌入算法n 副，应用于小波域的b p c s 算法n 力n 剖，从数字隐写的发展 可以看出，在隐写的性能指标中不可检测性占有越来越重要的地位。 虽然隐写分析技术起步较晚，但经过近几年的发展，已经取得了很多突破性的进展， 特别在针对某一种或某一类隐写算法的检测算法研究方面，提出了很多有效的隐写分析 算法，p r o v o s 研制的s t e d e t e c t n 卅和美国w e t s t o n et e c h n o l o g i e s 公司的s t e g ow a t c h 比伽都是 目前比较流行的隐写分析软件。目前通用的隐写分析算法是隐写分析研究的热点。 国内的隐写技术虽然起步较晚，但随着各大研究所和高校纷纷投入到隐写与隐写分 析的研究中，因此国内隐写技术的发展也十分迅速。其中陈明奇、钮心忻和杨义先晗嵋 提出了一种基于小波变换和矢量量化的隐写算法，而张新鹏、王朔中等人先后提出基于 新的j p e g 隐写算法瞻引、基于调色板的图像安全性隐写算法嘲等，使秘密信息的安全性 得到了有效保证。 1 2 3 数字隐写技术的分类 按嵌入信息的载体类型的不同，可以分为文本数字隐写、音频数字隐写、图像数字 隐写和视频数字隐写。由于图像数据的空间冗余和视觉冗余更大，具有更适宜用于隐藏 通信的特性，因此大多以数字图像作为覆盖信号。具体到图像数字隐写，根据载体数据 类型的不同，可以分为：二值图像、半色调图像、调色板图像、灰度图像、真彩图像、 有损压缩存储图像、无损存储图像等。 目前使用最为广泛的图像隐写方法主要是基于空间域的图像隐写方法和基于变换 域的图像隐写方法。 视觉特性研究表明，人眼的亮度分辨力与颜色分辨力是有限的。图像中灰度或颜色 的微小变化在视觉中有时无明显的响应，即人眼的视觉冗余特性。利用该冗余特性，可 在空间域中实现秘密信息的隐藏。基于空间域的图像隐写方法是用秘密信息替换载体图 像中不重要的比特位。如果接收者知道秘密信息嵌人的位置，就能提取出秘密信息。由 于在嵌入过程中仅对不重要的部分进行修改，可以假定这种修改不会引起攻击者的注 意。空间域隐写算法复杂度不高，易于快速实现，并能保证大容量的嵌入。 而基于变换域的图像隐写方法乜4 1 是利用某种数学变换将图像用变换域表示，通过更 改载体图像的变换域系数中，再反变换生成含密图像。由于变换域算法依据人眼对于不 同空问频率的敏感性，因此适当选择秘密信息的嵌入位置和嵌入强度可以使秘密信息的 嵌入具有良好的鲁棒性和不可觉察性。此时嵌入信息的容量可有更大的灵活性。变换域 隐藏处理算法比空间域算法复杂。为了进一步提高信息隐藏的安全性和可靠性，也可以 应用对秘密信息进行某些预处理。 尽管数字隐写技术有不同的分类，但是其核心算法对于不同类型的载体具有一定的 8 东北师范大学硕士学位论文 通用性，即同一隐写嵌入算法可以应用于不同类型的载体对象，在具体应用中不同的只 是如何读取不同格式的载体对象的数据，并使读出的数据符合隐写算法所要求的结构。 1 3 本文所做的工作及章节安排 本文介绍了信息隐藏和隐写技术的概念、原理、应用领域等相关理论知识，研究了 目前使用较为广泛的空间域和变换域图像隐藏算法。在此基础之上，本文提出了一种基 于局部相关的图像隐写算法。本文所做的工作主要有以下两个方面： 1 充分利用秘密图像块和载体图像块之间的相关性，首先将秘密图像与载体图像分 块，然后在载体图像块中，分别寻找与秘密图像块的最佳匹配块。接下来计算秘密图像 块和载体图像块之间的误差矩阵、规范化误差矩阵、差异度、量化误差矩阵，并根据规 范划误差矩阵和量化误差矩阵修改载体图像块，得到块首部信息，最后，利用模算子方 法，将块首部信息嵌入到载体图像当中，得到载密图像。 2 根据本文提出的隐写算法，我们进行了大量的实验，针对隐写算法的隐蔽性、隐 写容量两个指标进行了测试。通过大量实验证明，本算法在进行大容量嵌入的同时，也 保证了隐写图像良好的视觉效果。 文章的具体结构如下： 第一章为数字隐写技术概述，介绍了信息隐藏和隐写技术的基础理论和发展现状。 第二章为现有数字隐写技术研究，对现有的图像数字隐写算法进行了总结与阐述。 第三章提出了一种基于局部相关的图像隐写算法。详细阐述了本文提出的隐写算法 的嵌入、提取过程，并针对本文提出的算法进行了实验，对实验结果作出了分析与总结。 第四章为总结与展望，归纳了本文工作要点，展望了未来工作。 9 东北师范大学硕士学位论文 第二章数字图像隐写算法 目前，国内外已提出多种数字隐写算法。其中最低有效位替换隐写( l s b ) 算法出现 得最早，由于其算法简单，数据隐藏量大，因此是目前使用最为广泛的隐写算法。目前 互联网上公开的图像信息隐藏软件大多使用这种算法，然而当信息隐藏量较大时，该算 法对载体图像的改变比较大。在该基础上，又发展了频域数字隐写算法。现在已发展出 针对不同载体文件的多种算法乜副。由于数字隐写技术掩盖了秘密通信的存在性，而加密 技术是不能做到的。数字隐写技术不仅可以应用在军事方面，在民用方面也会发挥出巨 大的作用，成为密码技术的补充。 本章将主要介绍目前比较常见的基于数字图像的空间域隐写算法和变换域隐写算 法，并分析其优缺点。 2 1 空间域隐写算法 早期的隐写方法以空间域隐写方法为主，该类算法以l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 替换、 l s b 匹配2 6 3 2 7 1 ( l s bm a t c h i n g ) g lb p c s 2 8 1 2 9 l ( b i tp l a n ec o m p l e x i t ys e g m e n t a t i o n ，位平面复 杂度分割) 算法为主，该类方法具有原理简单、易于实现和隐藏容量大的优点，是目前 的信息隐藏软件所使用的最多的隐藏算法。 2 1 1l s b 算法 l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，最低有效位替换) 算法是一种经典的空间域数字隐写算 法，由l f - t u r n e r 啪1 与r gv a ns c h y n d e l 盼等先后利用此算法将特定的标记隐藏于数字 音频和数字图像内。该算法适用于数字静止位图图像，它利用了人眼对于图像的微小改 动不敏感和图像的l s b 平面的类噪声特性，通过用秘密消息比特去替换载体图像的l s b 来实现消息的嵌入，具有对载体文件改动小、嵌入量大、简单易行、实用性强等特点， 有着极其广泛的应用。 数字图像是隐写的主要载体，数字灰度图像由像素组成，每个像素点对应一个灰度 值，灰度值越大表示像素的亮度越高。像素灰度值是介于0 到2 5 5 之间的任一整数， 共2 5 6 级。数字图像的每个像素灰度值可以用8 位二进制数表示，其中最高位的权值 是1 2 8 ，对灰度值的影响最大；而最低位的权值是l ，对灰度值的影响最小，最低位称 之为最低有效比特位( 1 e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 。将图像的所有像素点的不同二进制比 特位分别取出来，如将所有二进制的最高位放在一起，将所有二进制数的最低位放在一 起等，这样就构成了8 个不同的由0 、l 组成的二进制图像，称之为位平面( b i t p l a n e ) 。 图2 1 ( a ) 至2 1 ( i ) 分别显示了原始l e n a 图像及其从高位到低位八个位平面图。 由于低位平面所代表的能量很少，基本上不能表示原始图像的信息特征，故仅用最 低位或较低位平面不能描述出原图像的特征。换言之，改变图像的低位不会很大程度上 1 0 东北师范大学硕士学位论文 降低图像质量。l s b 算法正足利用这一特性，在图像的最低有效位隐藏秘密信息的。 l s b 算法的其体过程”：首先将欲嵌入的秘密信息转化为_ _ 进制序列，再对这个二 进制序列进行加密或置乱，然后迓行或逐列地替换载体图像的最低比特位。加密或置乱 的方式就是密钥。如果秘密信息的比特数小于载体图像的像素数，也可以聚用在最低平 面上伪随机游走的方式建立起秘密比特与载体图像最低比特位的对应关系，然后进行替 换。接收方直接取出载密罔像的最低位平面，根掘密钥解密或逆置乱后得到秘密信息。 图22 为嵌入秘密信息后的载密图像，其中嵌八量为2 5 6 k b ，原始载体图像的大小为 5 1 2 5 1 2 像素。载密图像的每个像素仍然由8 比特表示，每个像素都含有1 比特秘密信息。 帽i j 图2 1l e n a 圈像和八个位平面目( a ) 原始l e o a ；伯) 忙平面8 ；f c ) 位平面7 ：( d ) 何平面6 ； ( e 化甲面5 ；m 化甲面4 ：( g ) 何平皿3 ；( h 位平i f 2 ；m i 位平面i 承熬蕤鏖壤熬 东北师范大学硕士学位论文 王 图2 20 ) 秘峦凹像( 2 5 6 】2 8 ) ( b ) 载密图像( 5 1 2 5 1 2 从视觉上人眼不能够从图中察觉出隐写引起的失真，但是使片j 有效的统引分析工具 就可以判断m 载体图像中是否含有秘密信息，并估算出隐减量。 2 1 2l s b 匹配算法 l s b 匹配可视为一种改进的l s b 隐写算法，l s bm a t c h i n g 这个术语是由a n d r e w dk e r 。”1 在第六届信息隐藏国际会议上提出的。l s b 替换是直接以秘密信息比特粹换图 像像素的l s b ，l s b 匹配不足直接替换像素的l s b ，而是定义个随机性准则，根据泼 准则确定像素值+ i 或一l ，使其l s b 值与信息比特相同，l s b 匹配与l s b 替换同样具有 顺序嵌入和随机位置嵌入两种机制，二者对隐藏信息的提取方式相同。虽然算法复杂度 与l s b 替换相比提高不多，但l s b 匹配的安全性有了质的提高。 l s b 替换机制中像素值形成了如下值对关系：2 f h2 f + 1 ( 0 i 1 2 7 ) ，这意味着l s b 替换后构成值对的像素值数目将趋于一致，这种图像一阶统计特征的趋向特征使得对 l s b 替换的捡测成为可能，而l s b 匹配并不会形成上述的值对关系，l s b 匹配的像素 值转关系为：2 f 2 f + l 或2 h2 卜1 这是l s b 匹配安哞= 忖! 提高的原因所在。 2 1 3b p c s 隐写算法 b p c s 算法“借鉴了l s b 替换巾位替换的思恕，采用块替换的方法嵌人信息。首先 将图像不旧的位平面分割为大小相同的像素块( 典型值为8 x 8 ) ，定义复杂度为像素块中 垂直和水平方向上实际的0