第2章-信息隐藏技术...ppt

第二部分信息加密与信息隐藏第6章信息隐藏技术 2 导读 利用前面讨论的各种密码系统保护机密信息的方法 是将机密信息加密 加密后的信息将变为不可识别的乱码 但这也提醒攻击者 这是机密信息 如何隐藏机密信息的存在 这是本章将要讨论的第一个问题 当前 数字音频和视频正大行其道 对其进行不限次数的完全保真复制异常简单 如何保护所有者的版权 这是本章将要讨论的第二个问题 3 内容 6 1信息隐藏技术概述6 2数据隐写术6 3数字水印 4 信息隐藏技术概述 什么是信息隐藏 采用传统密码学理论开发出来的加解密系统致命的缺点 明确地提示攻击者哪些是重要信息 随着硬件技术的迅速发展 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 传统的加密算法的安全性受到了严重挑战 数字信号处理和网络传输技术可以对数字媒体的原版进行无限制的编辑 修改 拷贝和传播 造成数字媒体的知识产权保护和信息安全的问题日益突出 如何防止知识产品被非法复制及传播 是目前急需解决的问题 5 信息隐藏技术概述 1992年 提出了一种新的关于信息安全的概念 信息隐藏 即将关键信息秘密地隐藏于一般的载体中 图像 声音 视频或一般的文档 或发行或通过网络传递 由于非法拦截者从网络上拦截的伪装后的关键信息 并不像传统加密过的文件一样 看起来是一堆会激发非法拦截者破解关键信息动机的乱码 而是看起来和其它非关键性的信息无异的明文信息 因而十分容易逃过非法拦截者的破解 6 信息隐藏不同于传统的加密 信息隐藏不同于传统的加密 其目的不在于限制正常的资料存取 而在于保证隐藏数据不被侵犯和重视 隐藏的数据量与隐藏的免疫力始终是一对矛盾 目前还不存在一种完全满足这两种要求的隐藏方法 信息隐藏技术和传统的密码技术的区别在于 密码仅仅隐藏了信息的内容 而信息隐藏不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在 信息隐藏技术提供了一种有别于加密的安全模式 7 信息加密和隐藏 b 隐藏 c 隐密 10 信息隐藏技术原理 藏头诗华夏之光 西部翘楚 都会雄风 市镇豪情 报业先锋 谢客醉斟共杯潺 霆空无雨云自散 锋寒久别饮沙场 吟尽离骚盟风凉 谢霆锋 张弓不为步后羿 艺高何处不可取 谋筹生擒奥斯卡 力斩嘎纳金棕榈 张艺谋 11 信息隐藏技术原理 信息隐藏是集多门学科理论技术于一身的新兴技术领域 它利用人类感觉器官对数字信号的感觉冗余 将一个消息隐藏在另一个消息中 由于隐藏后外部表现的只是遮掩消息的外部特征 故并不改变遮掩消息的基本特征和使用价值 数字信息隐藏技术已成为信息科学领域研究的一个热点 被隐藏的秘密信息可以是文字 密码 图像 图形或声音 而作为宿主的公开信息可以是一般的文本文件 数字图像 数字视频和数字音频等 12 信息隐藏技术原理 我们把待隐藏的信息称为秘密信息 SecretMessage 它可以是版权信息或秘密数据 也可以是一个序列号 而公开信息则称为宿主信息 CoverMessage 也称载体信息 如视频 音频片段等 13 信息隐藏技术原理 这种信息隐藏过程一般由密钥 Key 来控制 通过嵌入算法 EmbeddingAlgorithm 将秘密信息隐藏于公开信息中 而隐蔽宿主 隐藏有秘密信息的公开信息 则通过通信信道 CommunicationChannel 传递 然后对方的检测器 Detector 利用密钥从隐蔽宿主中恢复 检测出秘密信息 14 信息隐藏技术原理 信息隐藏技术主要由下述两部分组成 1 信息嵌入算法 编码器 它利用密钥来实现秘密信息的隐藏 2 隐蔽信息检测 提取算法 检测器 它利用密钥从隐蔽宿主中检测 恢复出秘密信息 在密钥未知的前提下 第三者很难从隐蔽宿主中得到或删除 甚至发现秘密信息 15 信息隐藏系统的特征 1 鲁棒性 Robustness 健壮性或顽健性 鲁棒性指不因宿主文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力 2 不可检测性 Undetectability 不可检测性指隐蔽宿主与原始宿主具有一致的特性 如具有一致的统计噪声分布 以便使非法拦截者无法判断是否藏有隐蔽信息 3 透明性 Invisibility 利用人类视觉系统或人类听觉系统的特性 经过一系列隐藏处理 使目标数据没有明显的降质现象 而隐藏的数据却无法人为地看见或听见 16 信息隐藏系统的特征 4 安全性隐藏的信息内容应是安全的 最好经过某种加密后再隐藏 同时隐藏的具体位置也应是安全的 至少不会因格式变换而遭到破坏 5 自恢复性由于经过一些操作或变换后 可能会使原图产生较大的破坏 如果只从留下的片段数据 就能恢复隐藏信息 而且恢复过程中不需要宿主信息 这就是所谓的自恢复性 7 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 17 信息隐藏技术的主要分支与应用 18 信息隐藏技术的主要分支与应用 隐蔽信道由Lampson定义为 在多级安全水平的系统环境中 比如军事计算机系统 那些既不是专门设计的也不打算用来传输信息的通信路径称为隐蔽信道 匿名通信就是寻找各种途径来隐藏通信消息的主体 即消息的发送者和接收者 Web应用强调接收者的匿名性 而电子邮件用户们更关心发送者的匿名性 隐写术版权标志包括易碎水印和数字指纹 数字水印两种鲁棒的版权标志 19 内容 6 1信息隐藏技术概述6 2数据隐写术6 3数字水印 20 一个例子 图是一棵树的照片 内含了隐蔽的图像 如果把每个颜色分量和数字3进行逻辑与运算 再把亮度增强85倍 得到图 21 藏头诗 22 离合诗 23 数据隐写术 根据嵌入算法 我们可以大致把隐写术分成以下六类 1 替换系统 用秘密信息替代隐蔽宿主的冗余部分 2 变换域技术 在信号的变换域嵌入秘密信息 如在频域 3 扩展频谱技术 采用扩频通信的思想 4 统计方法 通过更改伪装载体的若干统计特性对信息进行编码 并在提取过程中采用假设检验方法 5 失真技术 通过信号失真来保存信息 在解码时测量与原始载体的偏差6 载体生成方法 对信息进行编码以生成用于秘密通信的伪装载体 24 对隐写术的一些攻击 对隐写术的攻击和分析有多种形式 即检测 提取 混淆破坏 攻击者在隐藏信息上进行伪造与覆盖 使隐藏信息无效 1 检测隐藏信息寻找明显的 重复的模式将原始载体与伪装图象进行比较2 提取隐藏信息取决于检测技术3 破坏隐藏信息有损压缩 扭曲 旋转 模糊化 加入噪音 25 内容 6 1信息隐藏技术概述6 2数据隐写术6 3数字水印 26 数字水印 随着多媒体技术和计算机网络的飞速发展 数字产品的版权和信息安全问题日益倍受关注 数字水印技术正是适应这一要求发展起来的 与信息伪装技术相比 数字水印是为了保护数字产品的版权 而要对数字产品加载所有者的水印信息 以便在产品的版权产生纠纷时作为证据 而信息伪装技术是指把不便于公开的信息 通过信息伪装算法加载到可以公开的信息载体中去 在信息的接收方使用提取算法 恢复出被伪装的信息 前者是为了保护载体数字产品的版权 而后者则是为了被伪装信息的安全与保密 27 数字水印的特点 数字水印技术即是通过在原始数据中嵌入秘密信息 水印 watermark 来证实该数据的所有权 而且并不影响宿主数据的可用性 不同的应用对数字水印的要求是不尽相同的 一般认为数字水印应具有如下特点 1 安全性2 确定性3 不可感知性4 健壮性 28 数字水印的主要应用领域 1 版权保护2 加指纹3 标题与注释4 篡改提示5 使用控制 29 数字水印的一类典型应用 电视台标志 30 数字水印的一些分类 我们可以按照不同的标准对数字水印进行分类 从水印的载体上可以分为静止图像水印 视频水印 声音水印 文档水印和黑白二值图像水印从外观上可分为可见水印和不可见水印 更准确地说应是可察觉水印和不可察觉水印 从水印加载方法是否可逆上可分为可逆 非可逆 半可逆 非半可逆水印根据采用的用户密钥的不同可分为私钥 Secret key 水印和公钥 Public key 水印 31 数字水印算法 1 空域算法2 变换域算法3 压缩域算法4 NEC算法5 生理模型算法 32 数字水印攻击分析 与密码学类似 数字水印也是一个对抗性的研究领域 正是因为有水印攻击的存在 才有水印研究的不断深入 水印攻击与密码攻击一样 包括主动攻击和被动攻击 主动攻击的目的并不是破解数字水印 而是篡改或破坏水印 而被动攻击则试图破解数字水印算法 值得一提的是 主动攻击并不等于肆意破坏 真正的主动水印攻击应该是在不过多影响数据质量的前提下 除去数字水印 33 水印攻击的几种情形 参照密码学的概念 可以定义水印攻击的几种情形 1 唯密写攻击 stegoonlyattack 2 已知掩蔽信息攻击 knowcoverattack 3 已知水印攻击 knownmessageattack 4 选择密写攻击 chosenstegoattack 34 具体的攻击类型 1 IBM攻击2 StirMark攻击3 马赛克攻击4 共谋攻击5 跳跃攻击 35 基于双混沌的DCT变换域数字水印 图6 6原水印图6 7对原水印加密后的结果 图6 8原图像图6 9嵌入加密水印后的结果 36 图610知道正确的初始值提取出来的水印图6 11错误的初始值提取出来的水印x0 0 6666666666666661 基于双混沌的DCT变换域数字水印 37 攻击性仿真实验 图6 16添加高斯滤波图6 17从 16中提取出来的水印 cor 0 99805 38 攻击性仿真实验 图6 18图像增加对比度后图6 19从6 18中提取的水印 cor 0 93168 39 攻击性仿真实验 图6 20图像变暗后图图6 21从图6 20中提取的水印 cor 0 99416 40 攻击性仿真实验 图4 22添加乘积性噪音图4 23从图4 22中提取出来的水印 cor 0 99609 41 攻击性仿真实验 图4 24剪切后的图像图4 25从图4 24中提取出来的水印 cor 0 76459 42 数字水印研究状况与展望 由于数字水印技术是近几年来国际学术界才兴起的一个前沿研究领域 处于迅速发展