第六章水印攻击和隐写分析ppt课件

1、第六章水印攻击和隐写分析6.1 Stirmark运用指南 【实验目的】【实验目的】 【实验环境】【实验环境】 【原理简介】【原理简介】 【实验步骤】【实验步骤】【实验目的】【实验目的】 了解水印攻击的根本概念。掌握Stirmark工具的安装和运用方法，运用Stirmark工具对某种水印算法进展攻击，验证该水印算法的性能，并对攻击结果进展相应的分析。【实验环境】【实验环境】 (1) WindowsXP或Vista操作系统 (2) Stirmark软件 (3) S-tools工具 (4) Ultraedit编辑软件【原理简介】【原理简介】 对水印的性能建立合理的评价方法和基准是数字水印研讨的一个重

2、要内容。在对水印系统进展性能评价的过程中，需求对水印系统进展一系列的攻击，以测试其性能，这些攻击是指一个水印系统在实践运用过程中能够会蒙受的有意或无意的各种攻击。有意的攻击是指为了去除水印而采取的各种处置方法，这种攻击往往是恶意的；无意的攻击是指含水印的载体在运用的过程中不可防止的遭到诸如有损紧缩、噪声影响的处置。 水印测试主要是从水印鲁棒性角度来思索，也即当水印在蒙受各种攻击后仍能提取水印，但目前并没有一个一致的测试规范，大部分测试规范都只能针对某一种水印算法。为了得到一个一致的水印测试规范，很多学者和组织进展了水印测试规范基准方面的研讨，英国剑桥大学的Fabien Petitcolas设计

3、一个通用的水印基准测试软件StirMark，该工具曾经变成数字水印领域运用最为广泛的水印技术评测工具。Stirmark可从多个方面来评测水印算法的鲁棒性，模拟多种水印攻击手段来测试水印的鲁棒性。【实验步骤】【实验步骤】 1.1.安装安装StirmarkStirmark软件软件 2.2.添加测试图像集添加测试图像集 3.3.选择测试类型选择测试类型 4.4.初始化参数初始化参数 5.5.执行测试程序执行测试程序 6.6.阅读日志文件，察看结果阅读日志文件，察看结果 7.7.提取攻击后的水印信息提取攻击后的水印信息1.1.安装安装StirmarkStirmark软件软件 Strimark解紧缩后得

4、到Bin、Media、Profiles、sources四个目录和阐明文档。执行文件(Bin)目录包含基准测试程序(Benchmark)目录和水印算法库文件(Libraries)目录，其中Benchmark目录中包含Stirmark基准测试可执行程序和测试输出的日志文件。配置文件Profiles目录包含测试所需配置文件，Stirmark基准可执行程序的命令行可以指定配置文件。媒体集Image目录包含了输入Input文件夹和输出Output文件夹。2.2.添加测试图像集添加测试图像集 为在配置文件中指定测试图像集，需在ImageFolders节点下将Folder n指定为测试图像集文件夹相对于输入

5、文件夹的相对途径，n 是文件夹序号，例如：ImageFolders Folder1=Image/Set1 然后生成一个嵌入水印信息的图像，并将其保管在Media/Input/Images/set1目录下。3.3.选择测试类型选择测试类型 Stirmark基准测试程序包含了大部分常用测试方法，如JEPG 紧缩、几何变换等，同时也保管了相应的扩展接口，用户可自定义新的测试。 Stirmark基准测试程序经过配置文件来定义测试和设置测试参数。经过修正Profiles中的SMBsettings.ini设定测试类型，用户也可自定义ini文件。 在SMBsettings.ini文件中选择测试类型为：Tes

6、t_PSNR、Test_AddNoise、Test_JPEG、Test_ConvFilter、Test_SelfSimilarities、Test_RotationCrop、Test_RotationScale、Test_Affine。4.4.初始化参数初始化参数在SMBsettings.ini文件中设置初始化参数：a、Test_PSNR，起始值为0，终止值为100，步进为50b、Test_AddNoise，起始值为10，终止值为50，步进为20c、Test_JPEG，质量因子为15，25和35d、Test_ConvFilter，运用高斯滤波e、Test_SelfSimilarities，运用

7、rgb色系，r，g通道，交换攻击f、Test_RotationCrop,旋转角度为-5,0.75,10g、Test_RotationScale,旋转角度为-5,0.75,10h、Test_Affine，x轴不变，y轴坐标为x轴坐标的0.05倍与y轴坐标之和，再固定向上平移1个单位；x和y都变化5.5.执行测试程序执行测试程序 Stirmark基准测试程序运用3个参数作为命令行选项，各参数的含义如下： 数字水印算法库文件：程序缺省的设置是EmbedDLL.dll； 配置文件包含了运转测试时各参数，同时也可以为不同的数字水印运用程序运用不同的配置，文件运用的默许配置文件为SMBsettings.i

8、ni； 日志文件：用于导出结果，默许的日志文件是SMBReport.log。 翻开Dos命令行，进入Stirmark的安装目录，然后进入BinBenchmark，在目录下执行Benchmark SMBsettings.ini EmbedDLL.dll SMBReport.log。6.6.阅读日志文件，察看结果阅读日志文件，察看结果 执行程序无误后得到日志文件SMBReport.log，翻开日志文件，查看执行结果。7.7.提取攻击后的水印信息提取攻击后的水印信息 从Mediaoutputimagesset1目录下找到watermarkedlena_ROT_90.bmp文件，表示该文件被旋转90度

9、。 采用第三章DCT水印提取算法提取水印信息，该图像隐藏的水印信息是1234567CAB。携密载体被旋转90度后，提取的水印信息是乱码，表示该算法不能抵抗旋转攻击。6.2 LSB信息隐藏的卡方分析 【实验目的】【实验目的】 【实验环境】【实验环境】 【原理简介】【原理简介】 【实验步骤】【实验步骤】 【思索题】【思索题】【实验目的】【实验目的】 了解什么是隐写分析steganalysis，隐写分析与信息隐藏和数字水印的关系。掌握基于图像的LSB隐写的分析方法，设计并实现一种基于图像的LSB卡方隐写分析方法。【实验环境】【实验环境】 (1) WindowsXP或Vista操作系统 (2) MAT

10、LAB7.1科学计算软件 (3) 图像文件man.bmp【原理简介】【原理简介】 隐写术和隐写分析技术是相互矛盾又是相互促进的，隐写分析是指对可疑的载体信息进展攻击以到达检测、破坏，甚至提取信息的技术，它的主要目的是为了提示媒体中隐蔽信息的存在性，甚至只是指出媒体中存在信息的可疑性。 图像LSB信息隐藏的方法是用嵌入的信息取代载体图像的最低比特位，原来图像的7个高位平面与代表信息的最低位平面组成含隐蔽信息的新图像。虽然LSB 隐写在隐藏大量信息的情况下依然坚持良好的视觉隐蔽性，但运用有效的统计分析工具可判别一幅载体图像中能否含有信息。 目前对于图像LSB信息隐藏主要分析方法有卡方分析、信息量估

11、算法、RS分析法和GPC分析法等。卡方分析的步骤是：设图像中灰度值为j的象素数为hj，其中0j255。假设载体图像未经隐写，h2i和h2i+1的值会相差很大。信息在嵌入之前往往经过加密，可以看作是0、1 随机分布的比特流，而且值为0与1的能够性都是1/2。假设信息完全替代载体图像的最低位，那么h2i和h2i+1的值会比较接近，可以根据这个性质判别图像能否经过隐写。定量分析载体图像最低位完全嵌入信息的情况：嵌入信息会改动直方图的分布，由差别很大变得近似相等，但是却不会改动h2i+h2i+1的值，由于样值要么不改动，要么就在h2i和h2i+1之间改动。令 显然这个值在隐写前后是不会变的。假设某个样

12、值为2i，那么它对参数q的奉献为1/2；假设样值为2i+1 ，对参数q的奉献为-1/2。载体音频中共有 2h2i*个样点的值为2i或2i+1，假设一切样点都包含1比特的信息，那么每个样点为2i或2i+1的概率就是0.5。221*22iiihhh2212iihhq当2h2i*较大时，根据中心极限定理，下式成立：*22122*222(0,1)2iiiiiihhhhNhh*222*12()kiiiihhrh11210211exp()212()2rkktptdtk其中-N(0,1)表示近似服从正态分布所以，服从卡方分布。上式中，k等于h2i和h2i+1所组成数字对的数量， h2i*为0的情况不计在内。

13、r越小表示载体含有信息的能够性越大。结合卡方分布的密度计算函数计算载体被隐写的能够性为：假设p接近于1，那么阐明载体图像中含有信息。【实验步骤】【实验步骤】 1.LSB1.LSB嵌入和直方图变化嵌入和直方图变化对图像进展对图像进展LSBLSB嵌入，并比嵌入，并比较嵌入信息前后的直方图变化。较嵌入信息前后的直方图变化。 2.2.卡方分析函数卡方分析函数 3.LSB3.LSB卡方分析卡方分析【思索题】 1.假设信息没有嵌满一切像素，并且嵌入位置随机分布于整个图像，而分析者很难知道信息所在位置，卡方分析方法就很难生效。可以运用伪随机序列随机在载体的最低比特位嵌入信息，运用上述卡方分析方法判别载体能否

14、携密，验证卡方分析方法在上述隐写算法情况下能否有效。6.3 LSB信息隐藏的RS分析 【实验目的】【实验目的】 【实验环境】【实验环境】 【原理简介】【原理简介】 【实验步骤】【实验步骤】【实验目的】【实验目的】 了解RS隐写分析的原理，掌握一种图像LSB隐写算法的分析方法，设计并实现一种基于图像LSB隐写的RS隐写分析算法。【实验环境】【实验环境】 (1) WindowsXP或Vista操作系统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3) 图像文件lena.bmp (4) S-Tools工具【原理简介】【原理简介】 RS主要是针对采用伪随机LSB嵌入算法进展攻击的一种方法。RS方法不但能

15、检测出图像能否隐藏信息，而且还能比较准确的估算出隐藏的信息长度。 RS隐写分析算法思索图像各个位平面之间具有一定的非线性相关性，当利用LSB隐写算法隐藏信息后，这种相关性就会被破坏。只需能找出衡量这一相关性的方法，并对隐藏信息前后的情况加以对比，就有能够设计出隐写分析方法。 RS隐写分析方法的实际中心是：任何经过LSB隐写的图像，其最低比特位0，1分布满足随机性，即0，1的取值概率均为1/2，而未经过隐写的图像不存在此特性。 对于一个M*N像素的图片，设各个像素的值取自集合P，例如一个8bit的灰度图像，P=0,1,2,.,255。将这些像素分为有着n个相邻像素的子集，例如n可以取值为4，记为

16、G=x1，x2，x3，x4。进一步利用如下函数表示图像块的空间相关性 函数f使得每一个集合G都对应一个实数。G中的噪声越大，函数f的值越大。f值越小，阐明图像相邻像素之间的起伏越小，而图像块的空间相关性越强。11211(,)nniiif xxxxx定义集合P上的3个函数：交换函数F1： ，偏移函数F-1： ，恒等变换F0： 。复杂度分辨函数f和三种变换函数F定义以下三种类型的元素组R，S，U。Regular G： ，也就是说对G中的元素进展变换之后增大了元素之间的差别程度，R表示正那么组。Singular G： ，也就是说对G正的元素进展变换之后减小了元素之间的差别程度，S表示奇特组。Unus

17、able G： ，也就是对G中的元素进展变换之后元素之间的差别程度几乎不变，G表示无用组。221nn01,23,254255221nn10,12,255256 0( ),F xx x P( ( )( )G Rf F Gf G ( ( )( )GSf F Gf G( ( )( )G Uf F Gf G引入伪装M，它的取值范围是-1，0，1。对应着 F-1，F0，F1三个变换函数。记对于伪装M的R组的数量为RM，类似的S组记为SM。例如G=27，28，26，25，M=1，0，1，0，那么-M=(-1,0,-1,0)。于是就得到FM(G)=(26,28,27,25)，F-M(G) =(28,28,2

18、5,25) 。对于一个原始不包含隐藏信息的载体来说具有下面的规律： (式6.3.3)但是当在载体中嵌入了信息的话，就会有下面的式子成立： (式6.3.4)也即对于一个待检测的载体，只需求得到上述的统计量，然后经过对比这四个统计参数之间的大小关系就可以判别出载体中能否含有信息。MMMMRRSSMMMMRSRSRS算法不但能判别载体能否含有密码信息，RS隐写分析算法还可以估计出隐写容量。上面算出的一组RM、SM、R-M、S-M是在比例为p/2p为隐写率的样点值曾经作了一次F1变换情况下得到的。将该隐写体的一切样点值运用 变换，相对于原始载体那么有比例为1- p/2的样点值作了 变换，计算此时RM、

19、SM、R-M、S-M值。如以下图所示，得到两组这四个统计量的数据，将这四对数据连线并相交得到。详细步骤如下：将待检测图像分成假设干大小相等的图像块，通常定义n=4，对每个小图像块定义一个掩模算法函数，通常为M(0,1,1,0)，即 结合公式判别此图像小块属于Regular或Singular，遍历整幅图像得到 并定义为 (6.3.5)改动掩模算法函数，令M为0，-1，-1，0反复操作1得到 和 。01121304( )( ),( ),( ),( )MF GF xF xF xF x( /2),( /2)MMRpSp4/)2/(4/)2/(bufsizeSpSbufsizeRpRMMMM(/2)MR

20、p(/ 2)MSp 将图像数据的LSB位取反，用获得的数据反复操作1和操作2，得到 以及 结合如下方程： (6.3.6) 其中： 解方程6.3.6，取绝对值较小的x，计算嵌入率p为： 。(1/2),(1/2)MMRpSp(1/2),(1/2)MMRpSp2100110002()x3 )0dddddd x dd 0100( /2)( /2),(1/2)(1/2)( /2)( /2),(1/2)(1/2)MMMMMMMMdR pS pdRpSpdRpSpdRpSp/(1/2)p x x【实验步骤】【实验步骤】 1.1.隐藏信息并分析隐藏信息并分析 2.2.利用利用S-toolsS-tools工具在

21、原始载体中隐藏工具在原始载体中隐藏信息信息 隐藏的信息文件为隐藏的信息文件为hidden.txthidden.txt，载，载体图像为体图像为Lena.bmpLena.bmp(1)(1)把载体图像拖入把载体图像拖入S-toolsS-tools界面，界面，并隐藏信息并隐藏信息(2)(2)隐藏后，出现原始图片和携密隐藏后，出现原始图片和携密图片，将携密图片另存为图片，将携密图片另存为Lenahidden.bmpLenahidden.bmp 3.3.利用上述算法估计隐写率利用上述算法估计隐写率6.4 基于SPA的音频隐写分析 【实验目的】【实验目的】 【实验环境】【实验环境】 【原理简介】【原理简介】

22、 【实验步骤】【实验步骤】【实验目的】【实验目的】 了解什么是抽样对分析(sample pairs analysis，SPA)方法根本原理，掌握运用SPA方法来判别音频文件能否经过LSB隐写，设计并实现一种基于SPA的音频隐写分析。【实验环境】 (1) WindowsXP或Vista操作系统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3) 携秘音频文件【原理简介】【原理简介】LSB隐写分析方法有很多种，本节引见抽样对分析(sample pairs analysis，SPA)方法来分析音频文件能否经过LSB隐写。在SPA算法中，要用到RS算法中所定义的函数，即式6.4.1在这里定义该函数为f(G

23、)，用f(G)函数来描画信号的时域相关性。在音频信号中，相邻抽样值对之间有很高相关性。因此选择相邻的抽样值对(xi, xi+1)来构成一个抽样组。在LSB隐写之后，函数 的期望值变为:函数f(G)的期望值变化为：11211(,)nniiif xxxxx111( )(|)niiiE f GExx1111()()(|)(|)niiiiiEfGEf GExxExx在LSB隐写过程中假设隐写率为，假设信息随机地嵌入到音频载体中，抽样值对(xi,xi+1)将会有四种变化模型：10 模型：xi变化，xi+1不变化； 01 模型：xi+1变化，xi不变化； 11 模型：xi和xi+1都变化； 00 模型：x

24、i和xi+1都不变化； 假设抽样值用B比特的二进制表示，令Y为抽样值最重要的B-1比特值，U为LSB比特的值。因此，X=2Y+U。这样就能表示为：在下表中对 进展统计。2(10)/2/4p2(01)/2/4p2(11)/4p2(00)(1/2)p12,2iixn k xmj11(|(|)iiiicE xxE xxnmnmn=mn=mnmnm的抽样值对的数量和k=0, j=0,nm的抽样值对的数量近似相等，而且，k=0,j=1, nm 抽样值对的数量和 抽样值对的数量也近似相等。因此，这些对于式(6.4.3)不会有任何影响，由于LSB隐写方式并不会改动n和m的值，因此式(6.4.3)的变化主要是由那些n=m的抽样值对所引起的。同时，k=0,j=0和k=1,j=1的抽样值对的数量要大于k=0,j=1和k=1,j=0的抽样值对的数量，因此式(6.4.3)值为正，也就是说LSB隐写会增大f(G)的值。 对于B比特的音频信号，LSB隐写嵌入的过程并不会引起抽样值前面B-1比特的变化，也就是说，m和n不会改动。对于没有信息的音频信号，当n=m时抽样值对(xi,xi+1) 有四