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1、摘 要目前,信息隐藏技术作为新型的信息安全技术受到了越来越多人的关注。由于人的视觉敏感程度比较弱,所以图像文件是理想的信息隐藏载体。图像信息隐藏技术主要分为空间域方法和频率变换域方法。本文分别从空间域和变换域两方向研究不同算法,并加以实现。 本论文首先介绍了图像信息隐藏技术中用到的一些基本概念和基本模型;接着介绍了空间域LSB、Patchwork和变换域DCT算法;然后对不同算法的性能进行了分析与讨论;最后,在Matlab R2009a软件下实现了相应的算法。实现结果表明,基于空间域方法具有较大的信息隐藏量和不可见性,但鲁棒性较差;而基于变换域方法具有较强的不可见性和鲁棒性,但信息隐藏量相对较
2、小。关键词:LSB;Patchwork;DCT;信息隐藏量;不可见性;鲁棒性AbstractAt present, the information hiding as a new information security technology is attracting more and more peoples attention. As the human visual sensitivity is relatively weak, so the image file is an ideal carrier of information hiding.Image information h
3、iding techniques are divided into spatial domain methods and frequency transform domain methods. This paper researches spatial domain and frequency transform domain algorithms and realizes and verifies the algorithms.First, some basic concepts and the basic model used in information hiding technolog
4、y are introduced in this paper. Then spatial domain algorithms LSB, Patchwork and transform domain algorithms DCT are introduced. The performance and effectiveness of these algorithms were also discussed in the paper. Finally, the algorithms are realized using Matlab R2009a.Implementation results sh
5、ow that the spatial domain methods have large information hiding capacity and invisibility, but less robustness.The frequency transform domain methods has high invisibility and robustness, but less capacity.Keywords: LSB; Patchwork; DCT; information hiding capacity; invisibility; robustness目 录1 绪 论1
6、1.1 引言11.2 信息隐藏简介11.3 信息隐藏的产生和发展21.4 水印技术的研究现状31.5 图像的信息隐藏研究的意义41.6 图像的信息隐藏研究的意义51.7 论文的主要内容52 数字图像信息隐藏技术62.1 数字图像的概念62.2 水印分类62.3 数字图像水印的基本模型72.4 信息隐藏技术的主要特性92.5 数字图像水印技术的评价方法92.5.1 无密钥信息隐藏系统102.5.2 私钥信息隐藏系统102.5.3 公钥信息隐藏系统102.6 本章小结113 空域的图像信息隐藏123.1 水印信息的预处理123.1.1 图像置乱技术数字水在印中的应用123.1.2 混沌系统在数字水
7、印中的应用133.2 伪随机序列在信息隐藏技术中的使用143.2.1 伪随机序列概述143.2.2 伪随机序列与信息嵌入位的选择153.2.3 对称密钥系统163.2.4 水印嵌入位置的选择163.3 LSB算法173.3.1 LSB算法的原理173.3.2 算法及分析183.4 Patchwork方法204 变换域的图像信息隐藏234.1 离散余弦变换(DCT)234.2 离散域变换原理244.3 DCT与信息隐藏技术264.3.1 信息的嵌入过程264.3.2 信息的提取过程264.4 实验结果274.5 本章小结28结 论29致 谢30参考文献31附录A 英文原文32附录B 中文翻译42
8、附录C 程序代码501 绪 论1.1 引言数字图像的信息隐藏技术是数字图像处理领域中最具挑战性、最为活跃的研究课题之一。本文概述了数字图像的信息隐藏技术,三种图像的信息隐藏算法。数字图像可分为静止图像和动态图像两种,后者一般称为视频图像。视频图像的每一帧均可看作是一幅静止图像,但是这些静止图像之间并不是相互孤立的,而是存在时间轴上的相关性。静止图像是像素(Pixel)的集合,相邻像素点所对应的实际距离称为图像的空间分辨率。根据像素颜色信息的不同,数字图像可分为二值图像、灰度图像以及彩色图像。数字图像的最终感受者是人的眼睛,人眼感受到的两幅质量非常相同的数字图像的像素值可能存在很大的差别。这样,
9、依赖于人的视觉系统(Human Visual System,HVS)的不完善性,就为数字图像的失真压缩和信息隐藏提供了非常巨大的施展空间。信息隐藏与信息加密是不尽相同的,信息加密是隐藏信息的内容,而信息隐藏是隐藏信息的存在性,信息隐藏比信息加密更为安全,因为它不容易引起攻击者的注意。1.2 信息隐藏简介信息隐藏(Information Hiding),也称作数字水印(Digital Watermarking),或称作数据隐藏(Data Hiding)。简单来讲,信息隐藏是指将某一信号(一般称之为签字信号,Signature Signal)嵌入(embedding)另一信号(一般称之为主信号,H
10、ost Signal,或称之为掩护媒体,cover-media)的过程,掩护媒体经嵌入信息后变成一个伪装媒体。这一嵌入过程需要满足下列条件:签字信号的不可感知性(Imperceptibility)。换句话讲,签字信号嵌入后,主信号的感知特性没有明显的改变,签字信号被主信号隐藏了起来。签字信号的鲁棒性(Robustness)。签字信号对主信号的各种失真变换,如失真信号压缩、仿射变换、加噪、A/D或D/A转换等,以及各种恶意性攻击(Malicious Attack),都应体现出一定的鲁棒性。除非主信号的感知特性被明显的破坏,签字信号将很难被去除。一般来讲,签字信号的嵌入不增加主信号的存储空间和传输
11、带宽。也就是说,签字信号嵌入后,表面上很难觉察到信息的改变。信息隐藏的发展历史可以一直追溯到匿形术(Steganography)的使用。匿形术一词来源于古希腊文中隐藏的和图形两个词语的组合。虽然匿形术与密码术(Cryptography)都是致力于信息的保密技术,但是,两者的设计思想却完全不同。密码术主要通过设计加密技术,使保密信息不可读,但是对于非授权者来讲,虽然他无法获知保密信息的具体内容,却能意识到保密信息的存在。而匿形术则致力于通过设计精妙的方法,使得非授权者根本无从得知保密信息的存在与否。相对于现代密码学来讲,信息隐藏的最大优势在于它并不限制对主信号的存取和访问,而是致力于签字信号的安
12、全保密性。1.3 信息隐藏的产生和发展信息隐藏技术具有久远的历史渊源背景。在很早以前,人们就懂得使用各种方法进行信息的隐藏,以达到不让外人或敌人知道的目的。例如公元前440年一个名叫Histaieus的人用头发掩盖的方法传递叛变信息;17世纪的无形墨水:在特定的字母上制作非常小的斑点;19世纪的微缩胶片;化学方式实现的高级隐写术用笔蘸淀粉水写在白纸上,喷上碘水后显示棕色字体;中国文学上的藏头诗等都是信息隐藏技术的经典应用。但是在以Internet为代表的信息时代,信息隐藏技术已经涉及了感知科学、信息论、密码学等多个学科领域,涵盖信号处理、扩频通信等多专业技术的研究方向。随着全球信息化迅猛发展,
13、由于对保护知识产权不断增长的需要,以及受到使用密码加密技术的局限性两方面的原因,世界各国对信息隐藏技术的研究迅速增长。为了方便学术交流,1996年5月30日至6月1日在英国剑桥召开的国际第一届信息隐藏学术研讨会上对信息隐藏的部分英文术语和学科分支进行的统一和规范,标志着一门新兴的交叉学科信息隐藏学正式诞生。国际学术界也陆续发表了许多关于信息隐藏技术的文献,几个有影响的国际会议(如IEEE ICIP,IEEE ICASSP,ACM Multimedia等)及一些国际权威学术期刊相继出版了与信息隐藏技术相关的专题。针对信息隐藏技术的各种应用领域,目前国际上剑桥大学、NEC美国研究所、麻省理工大学大
14、研究机构的专家和研究人员提出了很多有效的算法,如今信息隐藏技术的研究出现了百花齐放、百家争鸣的局面。一些国际标准项目也将信息隐藏技术列为重点研究内容,如欧洲的TALISMAN和OCTALIS等,其目标是在欧洲对大规模的商业侵权和盗版行为提供一个版权保护机制,并将有条件的访问机制和版权保护整合起来。国内关于信息隐藏技术的研究室从1999年开始兴起的,其标志是第一届全国信息隐藏学术研讨会的召开,至今已经举行了8届全国学术会议(CIHW1999,北京;CIHW2000,北京;CIHW2001,西安;CIHW2002,大连;CIHW2004,广州;CIHW2005,郑州;CIHW2006,哈尔滨;CI
15、HW2007,南京)。研讨会集中了国内从事信息隐藏技术研究领域的著名专家学者,促进了我国的信息隐藏学术研究及其应用。从目前的发展来看,我国相关学术领域的研究与世界水平处在同一阶段,而且有独特的思路,但就研究成果来说,大多局限在初级阶段,只有极少数商品化的软件推出。图像水印作为数字水印的基础,蕴育了很多具有普遍意义的算法,为其他形式数字媒体的数字水印研究以及在实际中的应用奠定了基础,视频水印、音频水印等各种媒体水印技术也随着图像水印技术的研究迅速发展起来了。1.4 水印技术的研究现状数字水印技术是多媒体通信和多媒体信号处理领域近年来新的研究方向,它尚未形成一套独立完整的学科理论体系,也未形成一套
16、特有的标准体系。作为数字化时代的一门新兴技术,数字水印已激发了国内外众多知名学府、研究机构和公司的极大兴趣,己成为当前信息科学中的一个新颖且具有广阔应用前景的研究热点。国际上关于数字水印的算法主要集中在研究具有良好鲁棒性的水印上,如:频域嵌入水印,能抵御像几何变换、压缩攻击、信号处理等各种攻击。麻省理工学院媒体实验室开始研究在彩色打印机、复印机输出图像中加入唯一、不可见的数字水印。瑞士洛桑联邦工技院信号处理实验室和通信研究所、美国的NEC研究所以及我国台湾的国立交通大学等在数字产品的著作权保护方面都做出了不少成就。目前,数字水印的应用领域主要有以下几个方面:数字作品的知识产权保护版权标识水印是
17、目前研究最多的一类数字水印,由于数字作品的拷贝、修改非常容易,而且可以做到与原作完全相同,所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志,而这种明显可见的标志很容易被篡改。数字作品的所有者可用密钥产生一个水印,并将其嵌入原始数据,然后公开发布其水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时,所有者即可从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依据,从而保护所有者的权益。目前用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶,IBM公司在其“数字图书馆软件中就提供了数字水印功能,Adobe公司也在其著名的Photoshop软件中集成了Digimarc公司的数字水印插件。商务交易中的票据防
18、伪随着高质量图像输入输出设备的发展,特别是高精度彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现,使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。据报道,美国、日本以及荷兰都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托,已经开始研究在彩色打印机、复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印,在需要时可以实时地从扫描票据中判断水印的有无,快速辨识真伪。此外在电子商务中会出现大量过度性的电子文件,如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后,各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志,从而大大增加了伪造的难度。
19、1.5 图像的信息隐藏研究的意义图像信息隐藏技术的研究与发展具有重要的意义,它的价值主要体现在两个方面:一是学术价值,二是商业价值。 信息隐藏数字水印给基础研究和应用研究引入新的问题。图像信息隐藏技术是一种交叉学科,它涉及了不同学科领域的思想和理论,如信号处理、信息论、编码理论、密码学、检测理论、数字通信、概率论和随机理论等,它吸引了许多来自通信、密码学、图像处理等领域的专家从事这项研究。数字水印技术的特殊要求给上述领域引入了新的问题。例如:如果数字水印技术按照通信信道建立模型,则水印的任何攻击都可以当噪声处理,这就给通信领域提出了新问题:如何在这种情况下增强水印算法的抗噪能力。所以数字水印技
20、术具有很大的学术价值。数字水印技术有很大的商业价值,它不但己广泛用于许多商业领域,同时还有着很好的商业前景。现在己建立了许多数字水印应用系统,它们包括所有者鉴别系统、DVD防盗版系统、广告确认服务系统、用于交互式电视的水印系统等,同时它还有许多潜在的商业应用,如:交易的跟踪、所有权的证明、拷贝控制、认证、信息传输等许多应用。综上所述,数字水印在商业和学术两方面都具有非常重要的意义和地位,所以对数字水印的研究成为许多研究机构和人员的重要课题。1.6 图像的信息隐藏研究的意义Matlab是一个功能强大丰富的工具,它主要是由主包、Simulink和功能各异的工具箱组成的,矩阵运算是它的基础,把计算、
21、程序设计、可视化融合在一个简单容易操作的交互式工作环境之中,可以实现符号运算、工程计算、建模和仿真、数据分析以及可视化和工程绘图等功能。使用Matlab语言做信息隐藏的设计主要是因为以下几个原因:1.选择的信息隐藏载体是图像,用Matlab来处理图像的信号非常的方便,尤其是在图像的矩阵运算中更是便捷;2.Matlab中置有数据非常庞大的函数工具箱,在进行信号处理方面的问题时能够快速的完成设计,利用这些内置的函数能够避免对一些信号的基本操作的编程,而把设计的注意力更多的放在信息隐藏算法的实现以及性能的分析上面,提高设计的效率;3.与C语言和C+等高级语言相比较,Matlab的语法规则更加的简单,
22、并且更加贴近人们编程的思维方式,对于我们学生来说相对的容易上手。1.7 论文的主要内容本文对图像信息隐藏技术进行了研究,着重讨论了空域和频域的数字水印算法。通过在MATLAB环境下进行仿真试验。全文分为5章具体安排如下:第l章 绪论介绍了图像的信息隐藏的产生发展和研究现状以及研究图像的信息隐藏的意义,并对数字水印的研究背景和发展状况进行了综述。还有对Matlab进行简单介绍。第2章 数字图像信息隐藏技术首先介绍了数字图像的概念、数字图像水印系统的基本要求和基本模型,介绍了数字水印技术的相关技术,然后简述了数字图像水印技术的质量评价方法。第3章 基于块运算的空域数字水印算法首先介绍水印信号的生成
23、和处理,然后LSB算法和Patchwork进行了仿真试验和分析。第4章 基于DCT域的数字水印算法介绍了一种基于DCT域的数字图像水印算法。2 数字图像信息隐藏技术2.1 数字图像的概念在自然情况下,计算机不能分析和处理物理图片,因此采集的图像必须首先被转换为数字格式。通常采用数字阵列来表示一副自然图像。最基本的图像元素称为像素。在每个像素的位置上,图像的亮度都被采样和量化,从而得到图像对应点上表示其明暗程度的一个整数数值。对每个像素完成这样的过程之后,自然图像就被表示成了一个整数矩阵,即完成了物理图像的数字化,这个数字矩阵就是计算机处理的对象即数字图像。一般图像分为以下两类:1.连续图像连续
24、图像是指在二维坐标中具有连续变化的,即图像画面的像点是无限稠密的,同时其灰度值(即图像从暗到亮的变化值)也是无限稠密的图像。换句话说,连续图像在水平与垂直方向上的像素点位置的变化,以及每个像素点位置上的灰度变化都是连续的,可以认为它是由无数个像素组成的,而且每一点上的灰度值都是从黑到白有无限多个可能的取值。它反映了客观景物的亮度和颜色随空间位置和方向上的变化而变化,连续图像的典型代表是由光学透镜系统所获得的图像,如人物、照片、图纸或景物等,有时又称之为模拟图像。2.离散图像离散图像指用一个数字阵列表示图像。该阵列中的每一个元素称为像素。像素是组成数字图像的基本元素,是按照某种规则(如模拟/数字
25、转换)编成一系类二进制数码(0和1)来表示图像每个点的信息,因此又称之为数字图像2.2 水印分类水印从其表现形式上可以分为几大类,一类是一串有意义的字符,一类是一串伪随机序列,一类是一个可视的图片(或二值图像或灰度图像)。第一类水印标注的是作品所有者、创作日期、发行部门以及其他的信息,将这些字符串以比特流的形式嵌入数字作品中。水印提取时,按照提取算法提取出这些比特流,转换成字符串,就可以得到需要的水印信息。这种水印的优点是直观明了,没有歧义,只要水印能够正确提取,就可以证明作品的版权。但是这类水印需要更多的冗余度进行纠错编码,而且需要鲁棒性更强的水印嵌入算法来保证水印能够正确提取。第二类数字水
26、印是将需要嵌入的标识信息与一个伪随机序列串对应起来。比如,将需要嵌入的字符标识利用函数转换成一个数字,再将这个数字作为一个伪随机序列发生器的种子,产生一串伪随机数,这串伪随机数就惟一代表了原来的字符串。将伪随机数作为数字水印嵌入数字作品中。在需要验证作品的所有权时,用相应的水印提取算法提取出数字水印,通过相关性检测就可以判断有没有水印的存在。如果相关性高于设定的阈值,就可以判断水印存在。第三类数字水印是一种可视图像,它可以是一个人的手写签名或者是一些字符,也可以是一个徽标,以二值图像(或灰度图像)的形式保存。将这些二值图像(或灰度图像)变为比特串,作为数字水印嵌入作品。水印提取时,根据相应算法
27、提取这些比特串,并把它们复原成原图像,由于数字作品可能受到一些信号处理,或者恶意攻击,因此恢复出的比特串可能有误码,但是误码在一定范围内,它们所组成的二值图像(或灰度图像)仍然能够通过人眼识别出原来的图像,从而可以断定水印的存在。也可以用相关性检测的方法判定水印是否存在。因此这一类水印从形式上来说,也是比较好的水印。从以上介绍来看,水印的包含两个方面的含义:选用水印的形式以及水印算法。一方面,选择水印时应该考虑水印本身能够容忍一定的误码,比如第二类和第三类水印;另一方面,设计水印算法时,要考虑水印算法的抗攻击能力,同时还要考虑水印检测方式。2.3 数字图像水印的基本模型第一届国际信息隐藏学术研
28、讨会论文集中,Pfitzman对信息隐藏的系统构成做了介绍,给出了信息隐藏技术的一般系统构成如图2.1所示。其中的数据类型()可以是任何的“文档”、“图像”、“声音”及“视频”等信息,现给出对应的中文术语及解释,在解释中使用“信息”代替。有时,为使表述更贴切,也用“媒体”或“载体”代替 。 1.Embedded(秘密信息):英文原意为嵌入信息,这里可理解为秘密信息,是指隐藏在公开信息中的保密信息,也即发信者想要发送给收信者而不想让第三者知道的信息。2.Cover-(掩护信息,掩护媒体):指承载秘密信息的载体信息,是用来隐藏秘密信息的,是Stego-的原始形式,在隐藏秘密信息的过程中可对它进行选
29、择,如载体选为图像、声音和文档,则分别称为掩护图像、掩护声音和掩护文档。有时也统称为“载体图像”。嵌入算法Embedding隐密密钥Stego-Key提取算法Extracting隐密密钥Stego-Key掩护信息Cover-含密信息Stego-秘密信息Embedden-攻击或分析Stegoanalyst秘密信息Embedden - 图2.1 信息隐藏系统的基本模型 3.Stego -(含密信息,含密媒体):该术语的中文翻译最多,有“载密信息”,“隐写信息”、“伪装信息”等。“隐写信息”与“掩护信息”一字之别,不易区分,“伪装信息”及“载密信息”又不能很好体现其真实含义。Stego-实质上指信息
30、隐藏系统中的输出信息,此时秘密信息已经隐藏在其中,它的外在表现形式与“掩护信息”没有感知上的差别,为了体现和突出其中已含有了秘密信息,又因为在中文里“含”字有“藏在里面”的意思,因此主张用“含密信息”一词。 4.Stego-Key(隐藏密钥):在信息隐藏处理的过程中可能需要使用附加的秘密数据(secret data)来增加秘密信息的安全性,这些附加的秘密数据即是隐藏密钥。为了提取掩护信息中嵌入的秘密信息,通常在提取端需要统一的隐藏密钥。 5.Stegoanalyst(隐藏分析者或攻击者):信息隐藏技术中对含密信息的分析者(攻击者)的目的是检测出信息隐藏事实的存在甚至破译出秘密信息,其侧重点是检
31、测出信息隐藏事实的存在。攻击者分为主动攻击者和被动攻击者,被动攻击者的目的是检测出信息隐藏事实的存在,而主动攻击者不仅要检测出信息隐藏事实的存在,还要破坏通过他们手中的所有可能加入了秘密信息的信息,甚至在该信息中嵌入自己的信息,以欺骗秘密信息的接受者。在这个系统构成图中,右端向下的虚线箭头表示在从“含密信息”中提取秘密信息时,可能需要原始的掩护信息,这样的嵌入算法通常称为“非盲的嵌入算法”或“非盲的隐写方案”、“非盲的提取”;否则称为“盲的嵌入算法”、“盲提取算法”等等。向右的虚线箭头表示,非秘密的接受者所见到或听到的与掩护信息视觉或听觉一致的含密信息。2.4 信息隐藏技术的主要特性在统一了上
32、面的基本术语后,现在可以阐述信息隐藏技术的特性。根据信息隐藏技术的目的和技术要求,它有如下一些特性:1.不可感知性(Imperceptibility)。包括不可见性(Invisibility)和不可听性(In- audibility),指利用人类视觉系统或人类听觉系统属性,经过一系列信息隐藏技术处理,含密信息必须没有明显的降质现象,而隐藏的秘密信息无法人为地看见或听见,也即人的视觉或听觉觉察不出掩护信息与含密信息的差别。这是信息隐藏技术中最根本的特性和要求。对于图像信息隐藏领域来说,不可感知性即不可见性。2.不可检测性(Undetectability)。指含密信息与掩护信息具有一致的数学特性,
33、如具有一致的统计噪声分布等,使非法拦截者即使通过数据特性的数学分析也无法判断是否有隐藏信息。3.鲁棒性(Robustness)。也称免疫性(Immunity)。指抗拒因含密信息文件的某种改动而导致隐藏的秘密信息丢失的能力。所谓改动包括:传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、剪切、有损编码压缩、D/A或A/D转换等。4.非对称性(Asymmetry)。在某些场合,信息隐藏技术的目的是为了将一些数据嵌入掩护信息(此时称为宿主信号更符合实际)中,而不希望增加数据访问的难度。因此希望采用非对称的隐藏数据编码,来保证不使存取难度增加。5.自恢复性。经过一些操作或变换后,可能使含密信息产生较大的破坏,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。以上的这些性能要求之间通常是有矛盾的,在实际的算法设计过程中,往往采取折中的方法,使水印系统的性能达到最佳。2.5 数字图像水印技术的评价方法信息隐藏技术与传统的密码学相结合,不仅可以保持信息隐藏技术原有的优势,还可以进一步提高信息隐藏系统的机密性与安全性。在学术界,信息隐藏系统从与密码学结合的角度上看可以分为三种:无密钥信息隐藏系统、私钥信息隐藏系统和公钥信息隐藏系统。
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