毕业设计(论文)数据隐写技术及其仿真.doc
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1、南京邮电大学 毕 业 设 计(论 文)题 目数据隐写技术及其仿真专 业电子科学与技术学生姓名班级学号指导教师指导单位电子科学与工程学院 日期: 年 月 日至 年 月 日摘 要随着信息技术、网络技术、电子商务的迅速发展,网络信息安全将全方位地危及社会的经济、政治和文化等方面。随着计算机硬件的迅速发展,具有并行计算能力的破解技术日益成熟。仅通过增加加密算法的密钥长度来达到增强安全性已不再是唯一的可行方法。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。 本论文将密码编码学和信息隐藏技术相结合,并通过人眼的视觉冗余来实现对24位位图图片文件的信息隐
2、藏和还原。本系统是基于Windows XP环境下,通过matlab开发的。经测试结果表明:通过该最低有效位(LSB)算法,能够实现在一副8位图图片中隐藏数个字节的信息,并且,图片隐藏信息的能力与它自身的大小成正比。而通信双方只能在输入正确密钥的情况下才能从载体图片中提取出正确的秘密信息;否则得到的将是一堆乱码。从而表明,将密码编码学和信息隐藏相结合使得秘密信息的通信得到了更高的安全的保障。关键词:信息安全;加密算法;信息隐藏;感觉冗余;最低有效位(LSB)AbstractAs the rapid development of information technology, network te
3、chnology and e-commerce,full range of network information security will threaten the economic, political and cultural aspects. With the rapid development of computer hardware, parallel computing capacity has become more sophisticated cracking. It is no longer the only option to achieve enhanced secu
4、rity only by increasing the length of encryption algorithm key. However, for information hiding, the possible monitoring or illegal interceptor is difficult to determine from the disclosure of information in the presence of confidential information, and it is difficult to intercept confidential info
5、rmation.In this paper, we combinate Cryptography and information hiding, and realizing information hiding and restore in a 24-bit bitmap image by the human visual redundancy. The system is based on the Windows XP environment, through matlab development. The test results show that: The test results s
6、how that: Through the least significant bit (LSB) algorithm, we can hide a number of bytes of information in an 8 Figure Pictures, and the ability to hide information in direct proportion is to its own.The communication parties can get correct secret information only by entering the correct key from
7、 vector images, otherwise just garbled. So that the Cryptography and Information Hiding combination makes the communication of confidential information by a higher security protection.Keywords: information security; encryption algorithm; information hiding; feel redundant; least significant bit (LSB
8、)目 录第一章 绪论11.1信息隐藏的相关研究11.2信息隐藏的实施阶段11.3信息隐藏的应用范围11.4信息隐藏技术的现实意义2第二章 信息隐藏概述32.1信息隐藏技术简介32.2信息隐藏技术的模型及特点42.3隐藏技术分类及常用方法52.3.1信息隐藏技术的分类52.3.2信息隐藏技术的常用方法62.3.3信息隐藏检测技术简介72.3.4常用的检测(攻击)方法7第三章 基于BMP图像隐藏的原理研究83.1BMP图片格式的介绍83.2BMP图像文件结构83.3 基于静止数字图像的信息隐藏算法10第四章 最低有效位(LSB)算法原理124.1 嵌入位置问题124.2 算法的基本原理134.3
9、实现信息隐藏的流程154.4 对抗压缩的图像信息隐藏方法16第五章 混沌理论的原理及其应用195.1 混沌的定义195.2 混沌理论与密码学的关系205.3 算法原理215.4 算法的实现22第六章 实验-数据隐写技术及其仿真246.1 算法实现24结束语32致 谢33参 考 文 献34第一章 绪论1.1信息隐藏的相关研究 在信息隐藏的研究中,主要研究信息隐藏算法与隐蔽通信。在信息隐藏算法中,主要有空间域算法和变换域算法。最典型的空间域信息隐藏算法为LSB算法,最典型的变换域算法是小波变换算法。由于LSB算法的鲁棒性比较差,相关的研究改进工作都是提高其鲁棒性。对于小波变换算法,由于小波变换具有
10、良好的视频局部特性,加上JPEG2000和MPEG4压缩标准使用小波变换算法取得了更高的压缩率,使得基于小波的变换的信息隐藏技术成为目前研究的热点。一般根据人类的视觉特点,对秘密信息用一定的比例进行小波压缩,压缩过程增加了数据的嵌入容量。然后量化小波系数并转换为二进制流数据。对载体信号同样进行小波变换,选择适当的小波系数及嵌入参数嵌入信息。因为小波有几十种,每种小波的特性不同,参数的选取也不同,所以必须通过实验,筛选出隐蔽性较好、容量较大的方法,从而使不可感知性、鲁棒性与容量三者之间达到平衡。另外,还可以先对偶数点的小波系数与之相邻的两点的小波系数的平均值来替换,这个平均值称为插值,作为秘密数
11、据嵌入的位置。 1.2信息隐藏的实施阶段 一般而言,信息隐藏是分为四个阶段:预处理阶段、嵌入阶段、传输阶段和提取阶段。为了使每个阶段都达到安全,所以必须在预处理阶段,引入加密术中的加密算法。在嵌入阶段,使用基于小波的隐藏信息的算法,在传输阶段,进行隐蔽通信,从而使用传输阶段也是安全的。所以这套信息隐藏的处理方案,将形成一个安全的体系,因此即能隐藏秘密信息的内容,也能隐蔽通信的接收方和发送方,从而建立隐藏通信。 1.3信息隐藏的应用范围 信息隐藏的优势决定了其具有广泛的应用前景,它的应用范围包括:电子商务中的电子交易保护、保密通信、版权保护、拷贝控制和操作跟踪、认证和签名等各个方面。信息隐藏主要
12、分为隐写术和数字水印,数字水印技术主要用于版权保护以及拷贝控制和操作跟踪。在版权保护中,将版权信息嵌入到多媒体中(包括图像、音频、视频、文本),来达到标识、注释以及版权保护。数字水印技术的应用已经很成熟。信息隐藏的另一个分支为隐写术,隐写术的分类的依据不同:可以按隐写系统结构分类:分为纯隐写术、密钥隐写术和公钥隐写术;按隐写空间分类1:可以分为信道隐秘、空域隐写、变换域隐写;按隐写载体分类可以分为文本隐写、语音隐写、视频隐写和二进制隐写。 1.4信息隐藏技术的现实意义 在网络飞速发展的今天,信息隐藏技术的研究更具有现实意义。将加密技术融合到信息隐藏技术中来,并将信息隐藏中的子分支数字水印中的经
13、典算法加以改进也融合进信息隐藏技术,使整个信息隐藏过程达到理论上的最高安全级别。所以基于算法的隐蔽通信研究具有不可估量的现实意义。 信息隐藏技术是近几年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域。特别是在网络技术迅速发展的今天,信息隐藏技术的研究更具有现实意义。目前,为保证数据传输的安全,需要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;为保证信息存储安全,必须保证数据库安全和终端安全。信息安全的研究包括两个主要研究方向:信息加密与信息隐藏。在信息安全的研究理论体系和应用体系中,密码技术已经历了长期的发展,形成了较完整的密码学理论体系,有一系列公认的、经典的可靠的算法,然而,在现代信息科学技
14、术的条件下的信息隐藏,虽然可以追溯到公元前,但其完备的理论体系还尚未建立。信息隐藏与传统的信息加密有明显的区别,传统的密码术以隐藏信息的内容为目的,使加密后的文件变得难以理解,而信息隐藏是以隐藏秘密信息的存在为目标。本论文对时域的基于最低有效位的隐写方法进行了研究。本文共分六章,各章的主要内容如下:第二章先讲述了信息隐藏的简介,然后介绍了信息隐藏的分类及其特点第三章介绍了bmp图片的格式,最后提出了一个基于bmp格式图片的信息隐藏的算法第四章首先说明了LSB算法的基本原理,然后介绍了LSB算法的流程,最后还提到了LSB算法的抵抗攻击的能力第五章介绍了混沌序列,重点介绍混沌序列的算法及流程第六章
15、介绍了一个实验,基于LSB算法的信息隐藏实验,包含了主要代码和实验结果第二章 信息隐藏概述2.1信息隐藏技术简介信息隐藏指在设计和确定模块时,使得一个模块内包含的特定信息(过程或数据),对于不需要这些信息的其他模块来说,是透明的。 “隐藏”的意思是,有效的模块化通过定义一组相互独立的模块来实现,这些独立的模块彼此之间仅仅交换那些为了完成系统功能所必需的信息,而将那些自身的实现细节与数据“隐藏”起来。信息隐蔽为软件系统的修改、测试及以后的维护都带来好处。通过抽象,可以确定组成软件的过程实体。通过信息隐藏,可以定义和实施对模块的过程细节和局部数据结构的存取限制。2.2信息隐藏技术的模型及特点信息隐
16、藏(Information Hiding)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码形式(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。信息隐藏的例子层出不穷,从中国古代的藏头诗,到中世纪欧洲的栅格系统,从古希腊的蜡板藏书到德国
17、间谍的密写术等这些都是典型的例子。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。图1即是一个信息隐藏的通用模型。我们称待隐藏的信息为秘密信息(secret message),它可以是版权信息或秘密数据,也可以是一个序列号;而公开信息称为载体信息(cover message),如视频、音频片段。信息隐藏过程一般由密钥(Key)来控制,通过嵌入算法(Embedding algorithm)将秘密信息隐藏于公开信息中,而隐蔽载体(隐藏有秘密信息的公开信息)则通过信道(Communication channel)传递,然后检测器(Detector)利用密钥从隐蔽载体中恢复/检测出秘密
18、信息。密钥秘密信息载体信息嵌入算法通信信道秘密信息检测器密钥图2.1信息隐藏模型信息隐藏技术主要由下述两部分组成:(1)信息嵌入算法,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),它利用密钥从隐蔽载体中检测/恢复出秘密信息。在密钥未知的前提下,第三者很难从隐秘载体中得到或删除,甚至发现秘密信息。信息隐藏不同于传统的加密,因为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发现。另外,由于信息隐藏必须考虑隐藏的信息在经历各种环境、操作之后,仍需具有免遭破坏的能力,因此,信息隐藏技术必须考虑正常的信息操作所造成的威胁,使机密资料对正常的数据操作技术具有免疫能力
19、。这种免疫力的关键是要使隐藏信息部分不易被正常的数据操作如通常的信号变换操作或数据压缩所破坏。根据信息隐藏的目的和技术要求,该技术存在以下特性2:(1)鲁棒性(robustness) 指不因图象文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。这里所谓“改动”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、D/A或A/D转换等。(2)不可检测性(undetectability) 指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。如具有一致的统计噪声分布等。使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。(3)透明性(invisibility) 利用人类视觉系统或人类听觉系统属性,经过一系列隐藏处理,使目标数据没有明显的
20、降质现象,而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。(4)安全性(security) 指隐藏算法有较强的抗攻击能力,即它必须能够承受一定程度的人为攻击,而使隐藏信息不会被破坏。(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,仍能恢复隐藏信号,而且恢复过程不需要宿主信号,这就是所谓的自恢复性3。2.3隐藏技术分类及常用方法2.3.1信息隐藏技术的分类信息隐藏隐蔽信道隐秘术版权标识匿名语言上的隐秘术技术上的隐秘术鲁棒的脆弱的指模水印可见的不可见的图2.2 信息隐藏的分类1) 隐写术隐写术(Steganography):隐写术就是将秘密信息隐藏到看上去普通的信
21、息(如数字图像)中进行传送。现有的隐写术方法主要有利用高空间频率的图像数据隐藏信息、采用最低有效位方法将信息隐藏到宿主信号中、使用信号的色度隐藏信息的方法、在数字图像的像素亮度的统计模型上隐藏信息的方法、Patchwork方法等等。当前很多隐写方法是基于文本及其语言的隐写术,如基于同义词替换的文本隐写术,an efficient linguistic steganography for chinese text一文章就描述采用中文的同义词替换算法。其他的文本的隐写术有基于文本格式隐写术等。 2) 数字水印技术数字水印技术(Digital Watermark):技术是将一些标识信息(即数字水印)
22、直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中,但不影响原载体的使用价值,也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。目前主要有两类数字水印,一类是空间数字水印,另一类是频率数字水印。空间数字水印的典型代表是最低有效位(LSB)算法,其原理是通过修改表示数字图像的颜色或颜色分量的位平面,调整数字图像中感知不重要的像素来表达水印的信息,以达到嵌入水印的目的。频率数字水印的典型代表是扩展频谱算法,其原理是通过时频分析,根据扩展频谱特性,在数字图像的频率域上选择那些对视觉最敏感的部分,使修改后的系数隐含数字水印的信息。 3) 可视密码技术可视密码技术:可视密码技术是Naor和Shami
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