信息隐藏与水印技术-第4章.ppt

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1、第4章 信息隐藏 技术,返回总目录,目录,4.1时空域替换技术,4.2变换域技术,4.3文本信息隐藏技术,返回总目录,4.4习题四,基本要求：）了解信息隐藏的时空域替换技术；）了解信息隐藏的变换域技术；）通过一些具体算法熟悉信息隐藏技术。学习重点：）信息隐藏的时空域与变换域概念；）信息隐藏的算法。,4.1时空域替换技术,返回目录,4.1.0引言,根据载体分类语音、图像、视频、文本中的信息隐藏等根据隐藏算法分类时空域替换算法变换域算法其它算法,4.1时空域替换技术,任何多媒体信息，在数字化时，都会产生物理随机噪声，而人的感观系统对这些随机噪声是不敏感的替换技术就是利用这个原理，试图用秘密信息比特

2、替换掉随机噪声，以达到隐藏秘密信息的目的时空域：原始的载体数据称为时空域数据，而经过DCT等变换处理后的载体数据称为变换域数据，,4.1.0引言,4.1时空域替换技术,图41图像象素的灰度表示,4.1.0引言,图像的位平面概念,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,图像各个位平面的作用,原始图像（8bit 灰度BMP图像）,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,图像各个位平面的作用,去掉第一个位平面的Lena图像和第一个位平面,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,图像各个位平面的作用,去掉第12个位平面的Lena图像和第12个位平面,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,图像各个位平面的作用

3、,去掉第13个位平面的Lena图像和第13个位平面,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,图像各个位平面的作用,去掉第14个位平面的Lena图像和第14个位平面,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,图像各个位平面的作用,去掉第15个位平面的Lena图像和第15个位平面,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,图像各个位平面的作用,去掉第16个位平面的Lena图像和第16个位平面,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,图像各个位平面的作用,去掉第17个位平面的Lena图像（即第八个位平面）和第17个位平面,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,图像各个位平面的作用,从这个例子可以看出，每一个位平

4、面对图像能量的贡献大小，也可以帮助我们理解如何选择信息隐藏的位置，达到不易察觉的目的。,4.1时空域替换技术,4.1.0引言,本节所用符号,Ci：载体对象的取样值 L(c)：载体的长度L(m)：秘密信息的长度Si：伪装对象的取样值K：伪装密钥,4.1时空域替换技术,4.1.1流载体的LSB方法(Least Significant Bits),流载体：发送方在信息嵌入时，得不到载体的全部元素，只能一边得到载体一边进行嵌入。LSB：(Least Significant Bits)指最低有效位。,4.1时空域替换技术,4.1.1流载体的LSB方法(Least Significant Bits),嵌入

5、：选择一个载体元素的子集，其中共有 个元素，用以隐藏秘密信息的 个比特。然后在这个子集上执行替换操作，把 的最低比特用 来替换 提取：找到嵌入信息的伪装元素的子集，从这些伪装对象中抽出它们的最低比特位，排列之后组成秘密信息,嵌入与提取方法,4.1时空域替换技术,4.1.1流载体的LSB方法(Least Significant Bits),如何选择隐藏位置子集？,顺序选取缺点：已嵌和未嵌部分数据特征不同随机间隔法用伪装密钥k作为伪随机数发生器的种子，生成一个伪随机序列，嵌入位置为,4.1时空域替换技术,4.1.2伪随机置换的LSB方法,能够得到载体的所有元素，就可以从整个载体考虑，把秘密信息比特

6、随机地分散在整个载体中嵌入：用种子密钥产生一个伪随机索引序列，将第k个秘密消息比特隐藏在索引为 的载体元素的最低比特位中,4.1时空域替换技术,提取：用同样的种子密钥产生同样的伪随机索引序列，从这些位置最低比特位中提取信息 应避免的问题产生的索引值可能产生碰撞用一个集合记录所有已使用过的载体索引值，当再次出现同样的索引值时，则放弃这个索引值，再选择下一个元素 提取时同样处理,4.1.2伪随机置换的LSB方法,4.1时空域替换技术,简单，易实现，容量大安全性不高，不能抵抗叠加噪声、有损压缩等破坏提高安全性：加密信息后再隐藏；多次重复嵌入；先进行纠错编码后再嵌入。,LSB方法的特点,4.1.2伪随

7、机置换的LSB方法,4.1时空域替换技术,4.1.3利用奇偶校验位,把载体划分成几个不相重叠的区域，在一个载体区域中存储一比特信息嵌入：选择 个不重叠区域，计算出每一区域的所有最低比特的奇偶性，并选择一个载体元素的最低比特位存放这个区域的奇偶校验位。嵌入信息时，在对应区域的奇偶校验位上嵌入信息比特，如果奇偶校验位与 不匹配，则将该区域中所有元素的最低比特位进行翻转，使得奇偶校验位与 相同,4.1时空域替换技术,4.1.3利用奇偶校验位,提取：用同样的方法划分载体区域，计算出奇偶校验位，排列起来就可以重新构成秘密信息示例：奇校验原载体最低位数据嵌入“1”嵌入“0”,4.1时空域替换技术,4.1.

8、4基于调色板的图像,基于调色板的图像调色板数据：定义了N种颜色索引对（i,ci）图象数据：代表每一个象素的调色板索引颜色向量代表R、G、B三个分量的值，如果是灰度图像，则三个分量取值相同使用调色板格式，可以降低图像存储的大小,4.1时空域替换技术,4.1.4基于调色板的图像,信息隐藏方法：修改调色板颜色向量的LSB对彩色图像如果三种颜色同时修改，有可能引起颜色偏差修改图像数据（索引）的LSB索引值不代表颜色，相邻的索引值其代表的颜色可能相差很远可以先将颜色按某种规则排序，使得相邻颜色比较接近，这时索引值所代表的颜色是相近的,4.1时空域替换技术,4.1.5基于量化编码的信息隐藏,在差分编码中隐

9、藏信息嵌入计算邻近采样和的差值，对差值进行量化，得到 查量化隐藏表，如果 与要编码的秘密信息比特相同，则差分信号不变；如果 与秘密信息比特不相同，则由最接近的 替换，使得查表所对应的比特与秘密信息比特相同,4.1时空域替换技术,4.1.5基于量化编码的信息隐藏,提取接收者拥有同样的伪装密钥表，它根据伪装对象的相邻数据的差分信号，对应密钥表，可以得到每一个差分值所对应的秘密信息比特,4.1时空域替换技术,4.1.6二值图像中的信息隐藏,二值图像：由黑白象素的分布构成图像通常方法：利用图像区域中黑色象素的个数对秘密信息进行编码,4.1时空域替换技术,4.1.6二值图像中的信息隐藏,嵌入把一个二值图

10、像分成 个矩形图像区域，如果其中黑色象素的个数大于一半，则表示嵌入0；如果白色象素的个数大于一半，则表示嵌入1当需要嵌入的比特与所选区域的黑白象素的比例不一致时，为了达到希望的象素关系，则需要修改一些象素的颜色修改应遵循一定的规则，原则是不引起感观察觉修改应在黑白区域的边缘进行,4.1时空域替换技术,4.1.6二值图像中的信息隐藏,另一种方法：利用游程编码的方法例编码：,4.1时空域替换技术,4.1.6二值图像中的信息隐藏,嵌入：修改二值图像的游程长度如果秘密信息位是0，则修改该游程长度为偶数；如果为1，则修改游程长度为奇数；如果秘密信息的取值与游程长度的奇偶性相匹配，则不改变游程长度 提取根

11、据游程长度的奇偶性提取出秘密信息,4.1时空域替换技术,4.1.6二值图像中的信息隐藏,刚介绍的时空域的最低比特位替换方法把信息隐藏在载体的最不重要部分容易被噪声掩盖，有损压缩后丢失能否隐藏在载体的最重要部分？信息隐藏在载体的最重要部分，则只要载体不被破坏到无法使用的程度，隐藏的信息都能保留。引出了另一大类的信息隐藏技术变换域隐藏技术。,4.2变换域技术,4.2.0引言,在载体的显著区域隐藏信息，比LSB方法能够更好地抵抗攻击，而且还保持了对人类感观的不可察觉性 常用的变换域方法离散余弦变换（DCT）离散小波变换（DWT）离散傅立叶变换（DFT）等,返回目录,4.2变换域技术,4.2.1DCT

12、域的信息隐藏,图像压缩标准（JPEG）的核心二维DCT变换在DCT域中的信息隐藏，可以有效地抵抗JPEG有损压缩,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,二维DCT变换简介（回顾）,(1)通过离散余弦变换，可以将能量集中在矩阵左上角的少数几个系数上。简单地说，我们可以将DCT看作用一个8行8列的二维数组产生另一个8行8列的二维数组的函数。也就是说，把一个数组通过某种变换，变成另一个数组。首先将一幅图像划分成一个个8*8像素的图像块。比如，原图的尺寸是640*480，那么将会被划分成80行60列的图像块。如果图像只包含灰度，那么每个象素都会用一个8bit的数字表示。因此可以将每个图像块表

13、示成一个8行8列的二维数组，这个数组中每个元素都是0255的8bit整数。DCT变换就是作用在这个数组上。再看一下彩色的情况。如果图像是彩色的，那么每个象素都可以用24bit、相当于3个8bit的组合来表示。因此可以用3个8行8列的数组来表示这个8*8的图像块。DCT变换作用于每一个数组。,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,(2)用f表示像素值的数组，f(i,j)表示第i行第j列的值，则DCT变换之后定义一个新的数组F(u,v)表示第u行v列的值。DCT变换通过下面公式完成：逆DCT变换公式：在上面两公式中，当u,v=0时，其他情况下，C(u),C(v)=1。,二维DCT变换简介

14、（回顾）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,下面举例说明。下面矩阵表示一个8*8的图像样本的原始数组。,二维DCT变换简介（回顾）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,为了便于计算，在进行变换之前先对原始图像中的每个样本数据减去128。然后再按照公式计算出数组中每个元素的值。举F(0,0)的值的计算过程如下：,二维DCT变换简介（回顾）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,按照这样，继续计算其他值：f(i,j)经过DCT变换之后得到了F(i,j)，其中F(0,0)是直流系数，称为DC系数，其他的为交流系数，称为AC系数。,二维DCT变换简介（回顾）,4.2

15、变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,为了达到压缩的目的，我们需要对经过DCT变换的DCT系数进行量化，目的是减小非0系数的幅度以增加0值系数的数目。在一定的主观保真的前提下，丢掉那些对视觉效果影响不大的数据。量化是压缩过程中造成质量下降的最主要原因。因为人眼对于亮度的感知能力高于色度，JPEG压缩时使用了两个量化表色度量化表和亮度量化表。,二维DCT变换简介（回顾）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,二维DCT变换简介（回顾）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,用数组F中的每一个元素除以量化表中起对应位置的值。按照这个公式，我们对上面例子中的数组F进行量化后得

16、到如下结果Q（采用亮度量化表）：,二维DCT变换简介（回顾）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,z形排列：对图像块进行DCT变换后，能量集中在矩阵左上角的少数几个系数上。所以一般左上角的数值比较大，而0则主要集中在矩阵右下角。为了增加连续的0的个数，我们采用z形排列（zigzag），以便更好地压缩数据。这样，我们就能把一个8*8的矩阵转换成一个1*64的矢量。我们将上面经过量化的结果Q进行z形排列，如下所示：,二维DCT变换简介（回顾）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,经过z形排列之后，结果变成了：15 0-2-1-1-1 0 0-1 0 0 后面全部是连续的0，

17、这样一来，连续0的个数变多了。（可用游程编码）,二维DCT变换简介（回顾）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,二维DCT变换简介（小结）,DCT,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,二维DCT变换简介（小结）,DCT,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,图像分为88的象素块，进行二维DCT变换，得到88的DCT系数系数按照Zig-Zag次序排列，左上角为直流系数，其余为交流系数左上角部分为直流和低频，右下角部分为高频，中间区域为中频。中低频系数包含了图像的大部分能量，是对人的视觉最重要的部分,二维DCT变换简介（小结）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域

18、的信息隐藏,基本隐藏算法,以一定的方式挑选一些中频系数，在这些中频系数中叠加秘密信息 所有中频系数固定位置的中频系数随机挑选中频系数选择最大的几个中频系数。,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,基本隐藏算法（算法一）,在选出的中频系数中叠加秘密信息：DCT系数：隐藏后的DCT系数：第 i 个秘密信息比特：可调参数，控制嵌入强度,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,基本隐藏算法（算法二）,在选出的中频系数中叠加秘密信息方法一：每个系数上嵌入的强度相同方法二：根据系数的大小，成比例地嵌入此两算法的提取需要原始图像,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,基本隐藏算法

19、（算法三）,不需要原始载体的信息隐藏方法：利用载体中两个特定数的相对大小来代表隐藏的信息 嵌入：载体图像分为88的块，做二维DCT变换，伪随机地选择一个图像块，分别选择其中的两个位置，比如用 和 代表所选定的两个系数的坐标如果，代表隐藏1；如果相反，则交换两系数如果，代表隐藏0；如果相反，则交换两系数,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,基本隐藏算法（算法三）,提取接收者进行二维DCT变换，比较每一块中约定位置的DCT系数值，根据其相对大小，得到隐藏信息的比特串，从而恢复出秘密信息 特点：不需原始图像注意：如果选定位置的两个系数相差太大，则对图像影响较大。应选择相近的值（如中频系数

20、）,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,基本隐藏算法（算法四）,算法三的扩展：利用DCT中频系数中的三个系数之间的相对关系来对秘密信息进行编码 嵌入：选择三个位置，嵌入1：令嵌入0：令如果数据不符，则修改这三个系数值，使它们满足上述关系其中参数D的选择要考虑隐藏的健壮性和不可察觉性之间的平衡，D越大，隐藏算法对于图像处理就越健壮，但是对图像的改动就越大，越容易引起察觉,4.2变换域技术,4.2.1DCT域的信息隐藏,基本隐藏算法（算法四）,如果需要做的修改太大，则放弃该块，将其标识为“无效”“无效”：对这三个系数做小量的修改使得它们满足下面条件之一：或,4.2变换域技术,4.2.1

21、DCT域的信息隐藏,基本隐藏算法（算法四）,提取对图像进行DCT变换，比较每一块相应三个位置的系数，从它们之间的关系，可以判断隐藏的是信息“1”、“0”还是“无效”块，这样就可以恢复秘密信息,4.2变换域技术,4.2.2小波变换域的信息隐藏,二维DWT变换简介（回顾）,原始图像：下面的左图是一文本图像。,4.2变换域技术,4.2.2小波变换域的信息隐藏,二维DWT变换简介（回顾）,1级小波分解：近似部分（LL），水平方向细节部分（HL），垂直方向细节部分（LH），对角线方向细节部分（HH）,4.2变换域技术,4.2.2小波变换域的信息隐藏,二维DWT变换简介（回顾）,2级小波分解：对1级分解后

22、的LL1再进行一级分解,4.2变换域技术,4.2.2小波变换域的信息隐藏,二维DWT变换简介（回顾）,3级小波分解：对2级分解后的LL2再进行一级分解,20 30 40 20 30 20 20 10 4040 40 40 40,15 35-5-5 25 0 5 25 5-1540 40 0 0,17.5 30-2.5 032.5 32.5 2.5-7.5-2.5 5-2.5-5-7.5-7.5 2.5-7.5,例：,4.2变换域技术,4.2.2小波变换域的信息隐藏,二维DWT变换简介（小结）,DWT,4.2变换域技术,4.2.2小波变换域的信息隐藏,二维DWT变换简介（小结）,20 30 40

23、 20 30 20 20 10 4040 40 40 40,17.5 30-2.5 032.5 32.5 2.5-7.5-2.5 5-2.5-5-7.5-7.5 2.5-7.5,DWT,4.2变换域技术,4.2.2小波变换域的信息隐藏,从图可以看出，图像数据的每一级分解总是将上级低频数据划分为更精细的子带。其中LL子带是与原图内容极为相似的逼近子图，HL子带是通过先将上级低频图像数据在水平方向高通滤波后（行方向），再经垂直方向低通滤波（列方向）而得到的，因此，HL子带中包含了更多水平方向的高频信息。相应地，在LH子带中则主要是原图像垂直方向的高频成分，而HH子带是图像中对角方向高频信息的体现。

24、,二维DWT变换简介（小结）,4.2变换域技术,4.2.2小波变换域的信息隐藏,一级小波分解后得到的四个部分：（1）左上：低频近似部分（2）右上：水平方向细节部分（3）左下：垂直方向细节部分（4）右下：对角线方向细节部分对一幅图像而言，图像的主要能量集中在低频部分。其高频信息主要集中在边缘、轮廓和某些纹理的法线方向上，代表了图像的细节变化。,二维DWT变换简介（小结）,4.2变换域技术,4.2.2小波变换域的信息隐藏,隐藏算法,适合于DCT域的修改系数方法和系数比较方法都可以用于小波变换域,4.2变换域技术,小结,变换域隐藏的总体思想，就是将秘密信息隐藏在载体的最重要部位DCT变换、小波变换、

25、傅氏变换等，都是能量守恒变换，在变换域中将能量集中，隐藏时将秘密信息与载体的视觉重要部分紧密联系在一起,4.3文本信息隐藏技术,4.3.0引言,前面介绍的技术，主要适用于图像、音频或视频数据，而不一定适用文本数据。文本是由具有记录语言功能的文字符号所组成的一个序列。,返回目录,4.3文本信息隐藏技术,4.3.0引言,用于信息隐藏的文本载体主要有：非图像格式的电子文本。如TXT、源程序文件、PDF、RTF、DOC、HTML、XML、Email等。文本图像。包含文本内容的灰度图像或二值图像，如传真、乐谱等。纸质文本。提取信息，需先对其进行数字化、文字和排版识别等步骤。,4.3文本信息隐藏技术,4.

26、3.0引言,文本信息隐藏的困难主要有：文本载体的冗余量很小，尤其是纯文本，导致隐藏途径少，隐藏容量小。文本载体参数易于受到修改或噪声的影响，难于实现一个高鲁棒性的隐藏系统。当前自然语言处理技术尚不成熟，对文本内容的理解、变换和生成缺乏实用手段。中文文本的信息隐藏研究尚处于初始阶段，未形成体系。,4.3文本信息隐藏技术,4.3.1基于文件系统结构的文本信息隐藏,信息隐藏的要点：修改与有效内容无关的冗余结构信息。如：保留空间。如图像文件调色板中的保留字节属性与注释。如HTML源文件中的注释内容句法规则。需要个性化处理逻辑结构。基于文件结构的文本信息隐藏方法的优点是实现简单，缺点是安全性不高。因为这

27、样的隐藏方法有限，攻击者可以穷举搜索这些隐藏方法,4.3文本信息隐藏技术,4.3.1基于文件系统结构的文本信息隐藏,FAT文件系统的信息隐藏,信息嵌入：选择合适的载体文件，记录该文件的完整路径和文件大小。如系统文件不易被删除确定载体文件的文件系统类型和簇大小。如FAT系统：可嵌入字节数簇大小文件大小/簇大小在文件数据区定位到文件最后一簇，将秘密信息写入到该簇内偏移地址为文件大小/簇大小，簇大小1的存储区域若还有后续数据需要嵌入，则转到第一步选择另一个载体文件嵌入；否则嵌入过程结束。信息提取前应已知载体文件名、路径及嵌入的字节数,4.3文本信息隐藏技术,4.3.1基于文件系统结构的文本信息隐藏,

28、FAT文件系统的信息隐藏,信息提取：信息提取与嵌入过程类似，但提取前应已知载体文件名、路径及嵌入的字节数,小结：本方法没有改变载体文件的大小，用户在复制携密文件时不会将秘密信息带出，因此这种方法只适合于移动存储的场合，即用户先将秘密信息隐藏到移动存储设备，然后将移动存储设备交给接收方。在各种移动存储设计广泛应用的今天，本方法具有一定实用价值。,4.3文本信息隐藏技术,4.3.2格式化电子文本的文本信息隐藏,信息隐藏的要点：修改文本的排版格式，以达到普通用户视觉不可见的目的。为实现隐藏和提取，需要分析不同文档的格式。如：行间距、字间距行内部分字的上下位移、空格、制表白字符文字大小、字体造字法、文

29、字合成HTML、DOC、RTF、PDF文档都可作为信息隐藏载体,4.3文本信息隐藏技术,4.3.3二值文本图像的文本信息隐藏,信息隐藏的要点：基于文本行移和字移进行信息隐藏。文本行移：将文本图像的一行字符进行一个微小的垂直位移文本字移：将文本图像的一个字符进行一个微小的水平位移,4.3文本信息隐藏技术,4.3.4自然语言文本的文本信息隐藏,信息隐藏的要点：对文本进行语言表达上的修改或转换。这些改动应该保证语法上的正确性，而且希望改动带来的句子意义变化不可察觉。有两大类途径，即句法和语义基于句法的文本信息隐藏：如主动/被动式变换同义词替换文本信息隐藏汉字同音替换隐藏,4.4习题,P33 思考题第1题,返回目录,本章完！谢谢大家的合作！,QQ:30047495手机:15673275085E-mail:祝同学们学业大成！有问题或建议请与本人直接联系！,