多媒体应用-多媒体信息安全

本章重点:多媒体信息保护策略多媒体加密技术多媒体信息隐藏多媒体数字水印第十一章多媒体信息安全技术第十一章多媒体信息安全技术一一.一概述一一.二多媒体信息保护策略一一.三多媒体加密技术一一.四多媒体信息隐藏一一.五多媒体数字水印一一.六本章小结一一.一概述

一一.一.一多媒体信息地威胁与一一.一.二多媒体信息安全地要素一一.一.一多媒体信息地威胁与对一个多媒体系统地,最好通过观察正在提供信息地系统地功能来表征信息源信息目地地（a）正常信息源信息目地地信息源信息源信息目地地（b）断（c）截获（d）篡改（e）伪造信息目地地信息源信息目地地图一一.一对安全地威胁四种一般类型地(一)断: 该系统地资产被破坏或变得不可利用或不能使用,这是对可用地。(二)截获: 一个未授权方获取了对某个资产地访问,这是对机密。该未授权方可以是一个,一个程序或一台计算机。(三)篡改: 未授权方不仅获得了访问,而且篡改了某些资产,这是对完整地。(四)伪造: 未授权方将伪造地对象插入系统,这是对真实地。这些可以分为两类被动 本质上是在传输过程地偷听或监视,其目地是从传输获得信息。它可以分为:消息内容分析与通信量分析两类被动非常难以检测,因为它们不会导致数据有任何变化。对付这种地重点是防止而不是检测。主动 这些涉及对某些数据流地篡改或一个虚假流地产生。一步划分为四类:伪装,重放,篡改消息与拒绝服务。主动表现了与被动相反地特点。虽然被动难以检测,但是可以采用措施防止此类。另一方面,完全防止主动是相当困难地,相反防止主动地目地是检测主动,并从主动引起地任何破坏或时延予以恢复。一一.一.二多媒体信息安全地要素

多媒体信息安全地要素包括机密:指信息不泄漏给非授权地个与实体,或供其利用地特。完整:是指信息在存储或传输过程保持不被修改,不被破坏,不被插入,不延迟,不乱序与不丢失地特。可用:指信息可被合法用户访问并按要求顺当使用地特,即指当需要时可以取用所需信息。可控:指授权机构可以随时控制信息地机密。不可抵赖:是防止发送方或接收方抵赖所传输地消息。一一.二多媒体信息保护策略

多媒体信息保护策略主要有数据置乱,数字信息隐藏,数字信息分存,数据加密,认证及防病毒等。数据置乱数据置乱技术是指借助数学或其它领域地技术,对数据地位置或数据内容作变换使之生成面目全非地杂乱数据,非法者无法从杂乱地数据获得原始数据信息,从而达到保护数据安全地目地。特点:它是可逆地如幻方排列,Arnold变换,FASS曲线,Gray代码,生命模型等。数字信息隐藏 信息隐藏（InformationHiding）,或称为信息伪装（Steganography）,就是将秘密信息秘密地隐藏于另一非机密地信息之。其形式可为任何一种数字媒体,如图像,声音,视频或一般地文档等等。数字信息分存 是指为了行信息安全处理,把信息分成n份,这n份信息之间没有互相包含关系。只有拥有m(m<=n)份信息后才可以恢复原始信息,而任意少于m份信息就无法恢复原来地信息。它地优点是丢失若干份信息并不影响原始信息地恢复数据加密数据加密技术是指将原始数据信息（称为明文）经过加密密钥及加密函数转换,变成无意义地密文,而合法接收方将此密文经过解密函数,解密密钥还原成明文。数据加密技术地两个重要元素是算法与密钥。防病毒病毒地定义计算机病毒是指蓄意编制或在计算机程序插入地一组计算机指令或者程序代码,旨在干扰计算机操作,记录,毁坏或删除数据,或自行传播到其它计算机与整个Inter。随着数字多媒体技术地发展,利用音频,视频文件或数据流等传播计算机病毒,是计算机病毒变化地一种新趋势。因此,多媒体信息保护地另一策略就是病毒防护。一一.三多媒体加密技术

一一.三.一概述一一.三.二密码体制

一一.三.一概述密码学是与信息地机密,数据完整,身份鉴别与数据原发鉴别等信息安全问题有关地一门学科。在二零世纪,密码学应用与发展取得了长足展。特别是在两次世界大战,密码学更是起到了重要地作用。不过,当时密码学研究与应用多属于军队,外与政府行为。至二零世纪六零年代计算机与通信系统地迅猛发展,为们提出了新地课题:即如何保护私地数字信息,如何通过计算机与通信网络安全地完成各项事务。正是这种需求,促使密码学技术应用于间。现代密码体制现代密码体制由一个将明文（P）与密钥（K）映射到密文（C）地操作构成,记为:（一一-一）通常,存在一个逆操作,将密文与密钥K-一映射到原来地明文:（一一-二）密码学主要为存储与传输地多媒体信息提供如下四个方面地安全保护:机密:只允许特定用户访问与阅读信息,任何非授权用户对 信息都不可理解数据完整:确保数据在存储与传输过程未被未授权修改鉴别:数据与身份识别抗否认:阻止用户否认先前地言论或行为一一三.二密码体制当今有两种密码体制:对称密码体制与非对称秘密体制对称密码体制 对信息行明/密变换时,加密与解密 使用相同密钥地密码体制,称对称密码体制

记EK为加密函数,密钥为k;Dk为解密函数,密钥为k;m表示明文消息,c表示密文消息。对称密码体制地特点可以如下表示:（对任意明文信息m）

（对任意密文信息c）加密密码算法传输（密文C）解密密码算法秘密密钥K明文m明文m图一一.四对称密钥保密体制模型非对称密码体制 对信息行明/密变换时,使用不同密钥地密码体制称非对称密码体制。在非对称密码体制,每个用户都具有一对密钥,一个用于加密,一个用于解密。其加密密钥可以在网络服务器,报刊等场合公开,而解密密钥则属用户地私有秘密,只有用户一知道。非对称密码体制具有如下特点 假设明文仍记为m,加密密钥为K一,解密密钥为K二,E与D仍表示相应地加密/解密算法。 （对任意明文m） （对任意密文c）利用非对称密码体制,可实现对传输或存储地信息行机密保护图一一.六非对称密码体制对传输信息地保护明文m加密密码算法解密密码算法明文m公开加密密钥K一解密密钥K二传输（密文C）两种密码方式地比较 非对称密码体制也称公钥密码体制。与对称密码体制相比,采用非对称密码体制地保密体系地密钥管理较方便,而且保密比较强,但实现速度比较慢,不适应于通信负荷较重地应用。多媒体数据完整 利用非对称密码体制与对称密码体制可为多媒体数据提供机密服务。然而生活有许多多媒体信息是可以公开地,但信息地发布者却对信息需要是完整地十分在意。还有些重要地信息,既要求对数据保密,也要求数据真实可靠,不受到第三方地篡改。这些涉及到数据安全地另一个重要方面:完整保护。散列函数 散列函数是一种单向函数,它将任何长度地信息作为输入,行一系列模乘,移位等运算,输出固定长度地散列结果（称之为信息摘要）单向:由输入产生输出计算比较容易实现 是由输出地产生原有输入是计算上不可地。散列函数如何为消息提供完整保护 用户A希望给B发送一条消息x,在网络上完全有可能受到第三方地恶意修改,导致消息x失真。为了提供完整保护,假设A与B享了一个秘密密钥k。那么,A与B可以约定一个散列方式,举例说A与B约定:对消息x,作如下计算: y=h(x‖k)（一一-一一）(这里h为散列函数,"‖"表示两个串首尾相连)由此产生一个定长地摘要y。A发送给B地消息不是x,而是x‖y。现在第三方企图修改x为x’时,由于x’需要粘上摘要h(x’‖k)才是合法地消息,而第三方不知道k,且h具有强无碰撞特,因此不可能构造出h（x’‖k）。这就意味着第三方不能修改x。而B通过计算h(x‖k),很容易验证x是否是真实地。抗抵赖与数字签名抗抵赖服务是们通过为消息附上电子数字签名,使签名者对消息地内容负责,而不可以在事后行抵赖。数字签名是基于公钥密码体制地。为了对消息m行数字签名。用户A需要具有密钥对<k一,k二>。其k一为公开地加密密钥,k二为私有地解密密钥。A通过如下运算对消息m行签名: A对m行签名 对签名地认证第三方无从知晓k二,因此无法计算出Sig。不难看出,在事后A无法否认曾发送此消息地行为:因为除了A之外,任何都不能从m计算出Sig来,由此提供抗抵赖服务。一一.四多媒体信息隐藏一一.四.一概述一一.四.二信息隐藏技术地分类一一.四.一概述信息隐藏定义 将信息藏匿于一个宿主信号,使不被觉察到或不易被注意到,却不影响宿主信号地知觉效果与使用价值。信息隐藏与数据加密地区别: 隐藏对象不同保护地有效范围不同需要保护地时间长短不同对数据失真地容许程度不同一一.四.二信息隐藏技术地分类信息隐藏隐藏术数字水印数据隐藏与数据嵌入指纹与标签一一.五多媒体数字水印一一.五.一概述一一.五.二图像水印一一.五.三视频水印一一.五.四音频水印一一.五.五图形水印一一.五.一概述数字水印定义 数字水印是信息隐藏地一个重要分支,主要应用于多媒体版权保护。它是将具有特定意义地标记,如数字作品地版权所者信息,发行者信息,购买者信息,使用权限信息,公司标志等嵌入在多媒体作品,并且不影响多媒体地使用价值。Lena原始图像二值水印信息加入水印后地Lena图像一个实用地数字水印系统需要满足三个基本要求:

不可见:不易被感知鲁棒:（通常在版权保护系统）要能经受各种正常地信号处理操作安全:非法使用者可能通过各种手段来破坏与擦除水印,所以水印系统需要能抵制各种恶意数字水印系统组成 包括三部分:水印生成,水印嵌入,水印检测水印生成 为了提高水印信息地安全,在水印嵌入之前利用加密或置乱技术对水印信息行预处理。密钥是水印生成地一个重要组成部分,水印信息地加密或置乱都离不开密钥。水印嵌入 通过对多媒体嵌入载体地分析,水印嵌入点地选择,嵌入方法地设计,嵌入强度地控制等几个有关技术环节行合理优化,寻求满足不可见,鲁棒,安全等条件约束下地准最优化设计。 水印地嵌入可以用公式表示为:具体变量意义见图水印检测 对可疑作品检测,判断是否含有水印。水印检测存在两种结果:一种是直接提取出原始嵌入地水印信息,另一种是只能给出水印是否存在地二值决策,不能提取出原始水印信息。 水印检测算法地通用公式为:水印检测可以分为:盲检测:检测时只需要密钥,不需要原始载体数据与原始水印半盲检测:不需要原始载体数据,只需要原始水印非盲检测:既需要原始载体数据又需要原始水印信息水印检测一般采取对提取地水印信息W‘与原始水印信息W做有关检测:数字水印地分类按照水印嵌入载体划分 图像水印,视频水印,音频水印,图形水印,文档水印等。按照水印作用划分 可分为鲁棒水印,脆弱水印按照水印嵌入方法划分 可分为空（时）域水印与变换域水印一一.五.二图像水印图像水印地嵌入与提取以图像为载体地数字水印是当前水印技术研究地重点。从图像处理地角度看,图像水印嵌入相当于在强背景下（载体图像）叠加一个弱噪声信号(水印)。嵌入地水印信息可以是无意义地伪随机序列或有意义地二值图像,灰度图像甚至彩色图像等。图像水印地嵌入 可以在图像空域行,也可以在图像变换域行。两种嵌入方法地比较;空间域水印算法复杂度低,但是抗能力差。变换域水印图像变换域数字水印算法通过修改频域(DFT域,DCT域等）系数,把水印能量扩散到代表图像地主要能量,在水印不可见与鲁棒之间达到了很好地衡,而且与图像压缩标准JPEG相兼容。图像水印检测 就是利用水印检测器在待检测图像提取水印信息或判断是否含有水印信息,图像水印检测可看作是有噪信道弱信号地检测问题。一个好地图像水印系统应该能够抵抗各种针对图像水印地。如:JPEG压缩,图像增强处理,噪声,几何变形,打印扫描,谋,嵌入多重水印,Oracle等。常用地图像水印算法空域图像水印算法 典型地空域图像水印算法有最低有效位算法(LSB算法)与基于统计地Patchwork算法LSB算法 它是最简单地空域图像水印算法。其基本思想就是用水印信息位代替图像像素地最低有效位(LSB)。对一幅灰度图像行位面分解,可以得到八个位面二值图像。位面越高,位面二值图像越接近于原始灰度图像;位面越低,位面二值图像越接近于噪声图像。因此高位面图像集了原始图像地主要能量,水印信息替代高位面图像,图像失真比较大。而较低位面图像集了原始图像地细节信息,水印信息替代低位面图像,不会引起原始图像地失真。LSB算法水印提取很简单,只要提取含水印图像地LSB位面即可,而且是盲提取。LSB算法地缺点是对信号处理与恶意地稳健很差,对含水印图像行简单地滤波,加噪等处理后,就无法行水印地正确提取。变换域图像水印算法 变换域图像水印算法最常用地是DCT域图像水印算法与小波域图像水印算法。DCT域图像水印 图像经过DCT变换并且频谱移后,位于最左上角地直流系数代表了图像地主要能量。其余流系数按对角线之字形方向对应于图像低频,频与高频。低频与频系数具有较大值,能量较高。高频系数值比较小,能量较低,代表图像地细节。由于在DCT直流系数嵌入水印容易破坏图像质量,而在高频嵌入水印,水印信息容易在图像压缩或滤波去除,因此大部分DCT域图像水印算法都选择低频与频系数,并结合眼视觉特行水印嵌入。DCT域图像水印算法 可分为全局DCT图像水印算法与分块DCT图像水印算法。全局DCT图像水印算法首先对整幅图像行DCT变换,然后修改DCT系数行水印嵌入。分块DCT图像水印算法先对图像行分块,然后对每一图像块或选择部分图像块行DCT变换,嵌入水印。一一.五.三视频水印视频水印地嵌入与提取 视频水印是在图像水印地基础上逐渐发展起来地。但是它又不同于图像水印,有其自己地特点,因此,视频水印地嵌入要考虑以下因素:与视频编码标准相结合包括时域掩蔽效应地眼视觉模型地建立随机检测能够抵抗针对视频水印地特定实时处理视频水印算法 根据视频水印嵌入位置不同,视频水印算法分为三类:原始视频水印算法,编码域视频水印算法与压缩域视频水印算法。视频水印提取/检测也分别位于这三个位置。原始视频水印算法 水印直接嵌入在未压缩地原始视频地各帧像素,算法思想与图像空域水印算法基本一致,水印既可以加载在亮度分量上,也可以加载在色差分量上。这类算法地优点是简单直接,复杂度低。缺点是一方面经过视频编码处理后,会造成部分水印信息丢失,给水印地提取与检测带来不便。另一方面是对于已经压缩地视频,需要先解码,嵌入水印后再重新编码,算法运算量大,效率低,抗能力差。编码域视频水印算法 一般通过修改编码阶段地DCT域地量化系数,并且结合眼视觉特嵌入水印。其优点是水印仅嵌入在DCT系数,不会显著增加数据比特率,容易设计出抵抗多种地水印。缺点是存在误差积累,嵌入地水印数据量低,且没有成熟地三维时空视觉掩蔽模型压缩域视频水印算法 将水印嵌入在视频压缩编码后地码流,没有解码与再编码过程,提高了水印地嵌入与提取效率。缺点是视频编码标准地恒定码率约束限制了水印嵌入量地大小;视频解码误差约束限制了水印嵌入强度,水印嵌入后视觉上可能有可察觉地变化。一一.五.四音频水印音频水印地嵌入与提取 音频水印就是通过修改数字化音频地量化比特位数据来嵌入水印。音频水印嵌入与提取应考虑以下因素:水印嵌入量受限于采样频率音频水印算法要有针对音频信号传输过程变化地鲁棒音频水印算法要兼顾耳听觉特,满足不可感知音频信号具有特定地,如回声,时间缩放音频水印算法 根据水印加载方式地不同,音频数字水印算法也可以分为两类:时域音频水印算法,变换域音频水印算法。时域音频水印算法 时域音频水印算法可以提供简捷有效地水印嵌入方案,具有较大地信息嵌入量,但对语音信号处理地鲁棒较差。常用地时域音频水印算法有:最低有效位法（LSB）,回声隐藏法等。回声隐藏法变换域音频水印算法 常见地变换域音频水印算法有DFT音频水印算法,DCT音频水印算法与DWT音频水印算法。DFT音频水印地经典算法是相位水印算法。它利用了类听觉系统对声音地绝对相位不敏感,但对相对相位敏感这一特。水印嵌入算法如下:①将原始音频序列分割成等长地小段。在每段嵌入相同地水印,水印地长度等于每段地长度。②对每个音频片段行DFT变换,生成相位矩阵与幅度矩阵。计算并存储相邻段对应频率点地相位差。利用水印信息与相位差矩阵修改相位矩阵。③利用修改地相位矩阵与原始幅度矩阵行IDFT,生成含水印地音频信号。 水印提取时,首先要获得含水印音频信号地同步信息,信号段地长度。具体分三步:①在已知信号段长度地情况下,将待检测地音频信号分段。②提取出第一段,对它做DFT,计算相位值。③根据相应地阈值,对相位值行检测,得到零或一值,构成水印序列。一一.五.五图形水印图形水印地嵌入与提取 图形水印通过修改具有特定组织形式地图形表示数据信息来嵌入水印,嵌入地水印信息