信息隐藏与数字水印.pptVIP

第4章信息隐藏和数字水印 郑州航空工业管理学院齐qiyan 1概述 伪装式信息安全 加密 对信息本身进行保护 但是信息的传递过程是暴露的伪装 掩盖信息存在的事实将密码学与伪装式信息安全相结合 就可以更好地保证信息本身的安全和信息传递过程的安全 信息隐藏的历史 古代的隐写术技术性的隐写术语言学中的隐写术用于版权保护的隐写术 古代的隐写术 技术性的 在一篇信函中 通过改变其中某些字母笔划的高度 或者在某些字母上面或下面挖出非常小的孔 以标识某些特殊的字母 这些特殊的字母组成秘密信息采用无形的墨水在特定字母上制作非常小的斑点 17世纪 微缩胶片 1860年 信鸽传递粘贴在无关紧要的杂志等文字材料中的句号或逗号上 古代的隐写术 技术性的 使用化学方法的隐写术用笔蘸淀粉水在白纸上写字 然后喷上碘水 则淀粉和碘起化学反应后显出棕色字体化学的进步促使人们开发更加先进的墨水和显影剂但随着 万用显影剂 的发明 此方法就无效了 其原理是 根据纸张纤维的变化情况 来确定纸张的哪些部位被水打湿过 这样 所有采用墨水的隐写方法 在 万用显影剂 下都无效了 在艺术作品中的隐写术在一些变形夸张的绘画作品中 从正面看是一种景象 侧面看又是另一种景象 这其中就可以隐含作者的一些政治主张或异教思想 古代的隐写术 语言学的 乐谱第二次世界大战期间 一位热情的女钢琴家 常为联军作慰问演出 并通过电台播放自己谱写的钢琴曲 由于联军在战场上接连遭到失败 反间谍机关开始怀疑到这位女钢琴家 可一时又因找不到钢琴家传递情报的手段和途径而迟迟不能决断 原来 这位德国忠实的女间谍 从联军军官那里获得军事情报后 就按照事先规定的密码巧妙地将其编成乐谱 并在电台演奏时一次次公开将重要情报通过悠扬的琴声传递出去 古代的隐写术 语言学的 卡登格子中国古代设计的信息隐藏方法中 发送者和接收者各持一张完全相同的 带有许多小孔的纸 这些孔的位置是被随机选定的 发送者将这张带有孔的纸覆盖在一张纸上 将秘密信息写在小孔的位置上 然后移去上面的纸 根据下面的纸上留下的字和空余位置 编写一段普通的文章 接收者只要把带孔的纸覆盖在这段普通文字上 就可以读出留在小孔中的秘密信息在16世纪早期 意大利数学家Cardan 1501 1576 也发明了这种方法 这种方法现在被称作卡登格子法 古代的隐写术 用于版权保护 核对校验图 作品的摘要 Lorrain 1600 1682 是17世纪一个很有名的风景画家 当时出现了很多对他的画的模仿和冒充 由于当时还没有相关的版权保护的法律 他就使用了一种方法来保护他的画的版权他自己创作了一本称为 LiberVeritatis 的书 这是一本写生形式的素描集 他创作这本书的目的是为了保护自己的画免遭伪造 事实上 只要在素描和油画作品之间进行一些比较就会发现 前者是专门设计用来作为后者的 核对校验图 并且任何一个细心的观察者根据这本书仔细对照后就能判定一幅给定的油画是不是赝品 古代的隐写术 用于版权保护 图像保护系统ImageLock系统对每一个图像保存一个图像摘要 构成一个图像摘要中心数据库 并且定期到网络上搜寻具有相同摘要的图像 它可以找到任何未被授权使用的图像 或者对任何仿造的图像 可以通过对比图像摘要的办法来指证盗版纸张中的水印 信息隐形的主要分支 隐写术 伪装式保密通信数字水印 数字产品版权保护隐蔽信道 计算机系统中的一些通道信息分存 可视密码 1 隐写术 伪装式保密通信 利用人类感知系统以及计算机处理系统的冗余载体可以是任何一种多媒体数据 如音频 视频 图像 甚至文本 数据等被隐藏的信息也可以是任何形式 全部作为比特流 主要用于军队和安全部门 2 数字水印 信息隐藏在民用领域的应用 数字水印数字作品的特点 无失真复制 传播 易修改 易发表数字作品的版权保护需要 鉴别作者确定 鉴别作者的版权声明 2 数字水印 用于版权保护的数字水印 将版权所有者的信息 嵌入在要保护的数字多媒体作品中 从而防止其他团体对该作品宣称拥有版权用于盗版跟踪的数字指纹 同一个作品被不同用户买去 售出时不仅嵌入了版权所有者信息 而且还嵌入了购买者信息 如果市场上发现盗版 可以识别盗版者用于拷贝保护的数字水印 水印与作品的使用工具相结合 如软硬件播放器等 使得盗版的作品无法使用 3 隐蔽信道 计算机系统中的隐蔽信道 在多级安全水平的系统环境中 那些根本不是专门设计的也不打算用来传输消息的通信路径称为隐蔽信道这些信道在为某一程序提供服务时 可以被一个不可信的程序用来向它的控制者泄露信息计算机系统中存在的安全漏洞也可以被利用作为秘密信道传递信息 4 可视密码 1994年 M Naor和A Shamir提出其思想是把要隐藏的密钥信息通过算法隐藏到两个或多个子密钥图片中每一张图片上都有随机分布的黑点和白点把所有的图片叠加在一起 则能恢复出原有的信息主要特点 恢复秘密图像时不需要任何复杂的计算 直接以人的视觉系统就可以将秘密图像辨识出来 2信息隐藏基本原理 信息隐藏的概念 名词 A打算秘密传递一些信息给B A需要从一个随机消息源中随机选取一个无关紧要的消息c 当这个消息公开传递时 不会引起怀疑 称这个消息c为载体对象把需要秘密传递的信息m隐藏到载体对象c中 此时 载体对象c就变为伪装对象c 秘密信息的嵌入过程需要密钥 此密钥称为伪装密钥 实现信息隐藏的基本要求 载体对象是正常的 不会引起怀疑伪装对象与载体对象无法区分 无论从感观上 还是从计算机的分析上不可视通信的安全性取决于第三方有没有能力将载体对象和伪装对象区别开来对伪装对象的正常处理 不应破坏隐藏的信息 信息隐藏的分类 无密钥信息隐藏私钥信息隐藏公钥信息隐藏 无密钥信息隐藏 隐藏过程 映射E C M C C 所有可能载体的集合M 所有可能秘密消息的集合C 所有伪装对象的集合提取过程 映射D C M双方约定嵌入算法和提取算法 算法要求保密 定义 对一个五元组 C M C D E 其中C是所有可能载体的集合 M是所有可能秘密消息的集合 C 是所有可能伪装对象的集合E C M C 是嵌入函数D C M是提取函数若满足性质 对所有m M和c C 恒有 D E c m m 则称该五元组为无密钥信息隐藏系统 私钥信息隐藏 Kerckhoffs准则 密码设计者应该假设对手知道数据加密的方法 数据的安全性必须仅依赖于密钥的安全性无密钥信息隐藏系统 违反了Kerckhoffs准则 私钥信息隐藏 定义 对一个六元组 C M K C DK EK 其中C是所有可能载体的集合 M是所有可能秘密消息的集合 K是所有可能密钥的集合 EK C M K C 是嵌入函数 DK C K M是提取函数 若满足性质 对所有m M c C和k K 恒有 DK EK c m k k m 则称该六元组为私钥信息隐藏系统私钥的传递 密钥交换协议 公钥信息隐藏 类似于公钥密码通信各方使用约定的公钥体制 各自产生自己的公开钥和秘密钥 将公开钥存储在一个公开的数据库中 通信各方可以随时取用 秘密钥由通信各方自己保存 不予公开公钥用于传递会话密钥会话密钥用来作为伪装密钥 信息隐藏的安全性 信息隐藏系统的安全性系统自身算法的安全性各种攻击情况下的安全性攻击一个信息隐藏系统证明隐藏信息的存在破坏隐藏信息提取隐藏信息理论安全的 如果攻击者经过各种方法仍然不能判断是否有信息隐藏 信息隐藏的应用 军事和情报部门现代化战争的胜负 越来越取决于对信息的掌握和控制权军事通信中通常使用诸如扩展频谱调制或流星散射传输的技术使得信号很难被敌方检测到或破坏掉伪装式隐蔽通信正是可以达到不被敌方检测和破坏的目的 信息隐藏的应用 需要匿名的场合包括很多合法的行为 如公平的在线选举 个人隐私的安全传递 保护在线自由发言 使用电子现金等非法的行为 如诽谤 敲诈勒索以及假冒的商业购买行为在信息隐藏技术的应用中 使用者的伦理道德水平并不是很清楚 所以提供信息隐藏技术时需要仔细考虑并尽量避免可能的滥用 信息隐藏的应用 数据载体中嵌入信息在医院 一些诊断的图像数据 通常是与患者的姓名 日期 医师 标题说明等信息是相互分离的 有时候 患者的文字资料与图像的连接关系会由于时间或者人为的错误产生丢失 所以 利用信息隐藏技术将患者的姓名嵌入到图像数据中去是一个有效的解决办法 3数字水印基本原理 数字水印的定义 数字水印是永久镶嵌在其他数据 宿主数据 中具有可鉴别性的数字信号或模式 并且不影响宿主数据的可用性 数字水印的特点 安全性数字水印难以被发现 擦除 篡改或伪造 同时 要有较低的虚警率可证明性数字水印应能为宿主数据的产品归属问题提供完全和可靠的证据 数字水印的特点 不可感知性从感观上和统计上都不可感知稳健性数字水印应该难以被擦除 任何试图完全破坏水印的努力将对载体的质量产生严重破坏好的水印算法应该对信号处理 几何变形 恶意攻击等具有稳健性 数字水印三要素 水印本身的结构版权所有者 合法使用者等具体信息伪随机序列图标水印嵌入算法水印检测算法 数字水印加载和检测流程 从载体上分类 图像水印图像是使用最多的一种多媒体数据 也是经常引起版权纠纷的一类载体彩色 灰度图像 卡通 设计图 二值图像 徽标 文字 等视频水印保护视频产品和节目制作者的合法利益音频水印保护MP3 CD 广播电台的节目内容等 从载体上分类 软件水印是镶嵌在软件中的一些模块或数据 通过它们证明该软件的版权所有者和合法使用者等信息软件水印分为静态水印和动态水印两类静态水印 不依赖于软件的运行状态 可以在软件编制时或编制完成后被直接加入动态水印 依赖于软件的运行状态 通常时在一类特殊的输入下才会产生 水印的验证也是在特定的时机下才能完成文档水印确定文档数据的所有者 从外观上分类 可见水印 可察觉水印 如电视节目上的半透明标识 其目的在于明确标识版权 防止非法的使用 虽然降低了资料的商业价值 却无损于所有者的使用不可见水印 不可察觉水印 水印在视觉上不可见 目的是为了将来起诉非法使用者 不可见水印往往用在商业用的高质量图象上 而且往往配合数据解密技术一同使用 数字水印的性能评价 不可感知性对载体的破坏程度主观评价客观评价水印容量 可感知性 健壮性三者之间的平衡 数字水印的应用 版权保护 表明对数字产品的所有权数字指纹 用于防止数字产品被非法复制和散发认证和完整性校验 验证数字内容未被修改或假冒内容标识和隐藏标识 多媒体内容检索使用控制 控制复制次数内容保护 保护内容不被滥用 数字水印的研究方向 理论数字水印模型 隐藏容量 抗攻击性能等算法研究具有更高性能的水印算法标准真正起到数字版权管理的作用 还需要完善一系列的标准和协议 4信息隐藏算法 1 空域算法该类算法中典型的算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位 LSB 上 这可保证嵌入的水印是不可见的 LSB算法的主要优点是可以实现高容量和较好的不可见性 但是该算法的鲁棒性差 容易被第三方发现和得到 遭到破坏 对图像的各种操作如压缩 剪切等都会使算法的可靠性受到影响 2 Patchwork算法是随机选择 对像素点 ai bi 然后将每个ai点的亮度值加1 每个bi点的亮度值减1 这样整个图像的平均亮度保持不变 适当地调整参数 Patchwork方法对JPEG压缩 FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力 但该方法嵌入的信息量有限 为了嵌入更多的水印信息 可以将图像分块 然后对每一个图像块进行嵌入操作 3 频域算法 该类算法中 大部分算法采用了扩展频谱通信 spreadspectrumcommunication 技术 算法实现过程为 先计算图像的离散余弦变换 DCT 然后将水印叠加到DCT域中幅值最大的前 系数上 不包括直流分量 通常为图像的低频分量 5 NEC算法该算法由NEC实验室的Cox等人提出 该算法在数字水印算法中占有重要地位 其实现方法是 首先以密钥为种子来产生伪随机序列 该序列具有高斯N 0 1 分布 密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成 其次对图像做DCT变换 最后用伪随机高斯序列来调制 叠加 该图像除直流 DC 分量外的1000个最大的DCT系数 6 生理模型算法人的生理模型包括人类视觉系统HVS HumanVisualSystem 和人类听觉系统HAS 该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用 同样可以供数字水印系统利用 利用视觉模型的基本思想均是利用从视觉模型