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1、12、隐写术基本理论信息安全中心钮心忻、杨榆、雷敏提纲 隐 写系统 隐 写 系统分类 隐 写术评估指标 隐 写系统的攻击 方法2提纲 隐 写系统 隐 写 系统分类 隐 写术评估指标 隐 写系统的攻击 方法3囚犯问题 两个囚犯 A和 B被关押在监狱的不同牢房，他们想通过一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通过看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者怀疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间的秘密信息 被动看守者：只是检查传递的信息有没有可疑的地方 主动看守者：故意去修改一些可能隐藏有信息的地方，或者假装自己是其中的一个囚犯，隐藏进伪造的消息，传递给另一个囚犯45隐写系统载体信息源载
2、体对象 c信息嵌入算法秘密消息 m隐写对象 c密钥 k信息提取算法秘密消息 m隐写 系统不安全信道A 隐写 系统 术语 A打算秘密传递一些信息给 B， A需要从一个随机消息源中随机选取一个无关紧要的消息 c，当这个消息公开传递时，不会引起怀疑，称这个消息 c为 载体对象 (cover work, carrier) 把需要秘密传递的 消息 m隐藏到载体对象 c中，此时，载体对象 c就变为 隐写对象 c (stego) 秘密消息的嵌入过程需要密钥，此密钥称为 隐写密钥 (stego key)6隐写系统示例 -LSB算法 图像的数字化表示7120 119 118121 121 123119 120
3、118隐写系统示例 -LSB算法 图像的数字化表示8隐写系统示例 -LSB算法 不同比特平面（层）对图像视觉质量 (第1层 )9隐写系统示例 -LSB算法 不同比特平面（层）对图像视觉质量 (第4层 )10隐写系统示例 -LSB算法 不同比特平面（层）对图像视觉质量 (第7层 )11隐写系统示例 -LSB算法 LSB算法描述1212 3隐藏信息：用秘密信息替换最低有效 比特载体样点： 0110 0011 0101 0111 0111 0110秘密消息： 0 0 1隐写样点： 0110 0010 0101 0110 0111 0111提取消息： 提取 最低有效比特还原信息隐写系统示例 -LSB算
4、法 基于 LSB的隐写系统13不安全信道AB秘密消息秘密消息载体对象隐写对象嵌入算法 提取算法提纲 隐 写系统 隐 写 系统分类 隐 写术评估指标 隐 写系统的攻击 方法14隐写系统分类 按 载体 视频 、文本、图像 按 采用的 技术 空间 域、变换域、基于扩频、基于结构 按隐藏时是否使用 载体 有 载体隐写，无载体隐 写 按提取时是否使用原始 载体 盲 和非 盲提取15隐写系统分类 按 隐藏 协议 无密钥隐写系统 私钥隐写系统 公钥隐写系统16无密钥隐写系统17载体信息源载体对象 c信息嵌入算法秘密消息 m隐写对象 c信息提取算法秘密消息 m无密钥隐写 系统不安全信道A 18私钥隐写系统 K
5、erckhoffs准则 ： 密码设计者应该假设对手知道数据加密的方法，数据的安全性必须仅依赖于密钥的安全性 无密钥隐写系统，违反了 Kerckhoffs准则私钥隐写系统19载体信息源载体对象 c信息嵌入算法秘密消息 m隐写对象 c密钥 k信息提取算法秘密消息 m密钥交换协议不安全信道A 私钥隐写 系统私钥隐写系统 基于 LSB的私钥隐写系统20不安全信道AB秘密 消息秘密消息载体对象隐写对象嵌入算法 信息提取密钥K密钥Karnold变换替换最低比特平面arnold变换公钥隐 写系统21载体信息源载体对象 c信息嵌入算法秘密消息 m隐写对象 c密钥 k1信息提取算法秘密消息 m不安全信道A 公钥
6、隐写 系统密钥 k2公钥隐写系统 类似于公钥密码 通信各方使用约定的公钥体制，各自产生自己的公开钥和秘密钥，将公开钥存储在一个公开的数据库中，通信各方可以随时取用，秘密钥由通信各方自己保存，不予公开 发送方： 用对方的公开钥将需要传递的秘密信息进行加密 ，再隐藏 接收方：提取隐藏信息， 用自己的秘密钥解密2223公钥隐写 系统 问题 公钥隐写术只是借用公钥密码的思想，对秘密信息先加密，再隐藏 类似于公钥密码算法的公钥隐藏算法？目前还没有提纲 隐 写系统 隐 写 系统分类 隐写算法评估 指标 隐 写系统的攻击 方法24隐写算法评估指标 容量（ Capacity） 负载（ Payload），载体数
7、据利用率，嵌入效率（ Embedding Efficiency） 不可 感知性（ Imperceptibility） 透明性（ Transparency）保真性（ Fidelity） 稳健性（ Robustness） 鲁棒性、健壮性 安全性 (Security) 统计不可检测性 (Statistical Undetectability)25隐写算法 评估 指标 Capacity This refers to the number of bits of information that are embedded in the host signal. The payload is often n
8、ormalized by the number of samples of the host signal, resulting in a bit rate R per sample of the host. 容量 隐 写算法容量指，算法在载体对象中能嵌入的消息总数。 容量也常用平均每样点能嵌入的信息比特来衡量算法容量，即，载体数据利用率 =嵌入消息总比特数 /样点总数。2015/3/25 信息隐藏与数字水印 26隐写算法评估指标 案例：容量分析 512*512规格的图像，使用 LSB（只替换最低比特），那么其容量为？载体数据利用率为？ 解 ： 512*512的图像有 256k个 样点，而每个
9、样点能 隐藏 1比特消息 ，所以，容量为： 256k比特。 每个样点能隐藏 1比特消息，所以，载体数据利用率为： 1。27隐写算法评估指标 Transparency (Fidelity, Imperceptibility) In most applications, embedding of information should not cause perceptual degradation of the host signal. 透明性（保真性，不可感知性） 透明性 指 算法对载体对象感官质量的影响程度。 通常，算法引入的失真应该是不可感知的。2015/3/25 28信息隐藏与数字水印PS
10、NR=14dB隐写算法 评估 指标 透明性 (保真性，不可感知性 ) 实例，以峰值信噪比衡量透明性，2015/3/25 29信息隐藏与数字水印PSNR=51dB 2,2,m a x xyxyx y x yxypP S N R X Ypp隐写算法 评估 指标 Robustness This refers to the ability of the embedding algorithm to survive common signal processing operations。 稳健性（鲁棒性，健壮性） 健壮性指算法抵抗常规信号处理操作的能力。 隐写对象经滤波等操作处理后，会产生失真。如果信息
11、提取算法仍能从这样的载体中提取消息，那么就称算法对滤波等操作稳健。2015/3/25 30信息隐藏与数字水印隐写算法 评估 指标 稳健性（鲁棒性、健壮性） 案例： LSB算法对噪声添加处理不稳健。2015/3/25 31信息隐藏与数字水印LSBpsnr=50高斯白噪psnr=30误码率为 0误码率为 0.5隐写算法评估指标 Security（安全性 ） 隐写算法主要用于保密通信，因此仅确保对载体的改动不可感知还不够，还需要同时保持载体的统计特征尽可能不变。 隐写算法对载体的统计特征的影响程度称为安全性。算法安全性越高，其对载体统计特征的影响越小。 不可检测性 感官 质量变化不可检测，即透明性。
12、 载体统计特征变化不可检测，即安全性。32隐写算法评估指标 Security（安全性 ） 实例33LSB算法透明性虽然好，但安全性不足。右图显示，LSB隐写 后，图像的直方图发生明显变化。灰度 值为 2n和 2n+1的像素成对出现。34隐写算法评估指标 隐写算法三个最关键的指标： 不可感知性 鲁棒性 容量提纲 隐 写系统 隐 写 系统分类 隐写算法评估 指标 隐 写系统的攻击 方法3536隐写系统的攻击方法 被动攻击 监视和破译隐藏的秘密信息 主动攻击 破坏隐藏的秘密信息 篡改秘密信息 非恶意修改 压缩编码 ，信号处理技术，格式转换，等37隐写术的应用 军事和情报部门 现代化战争的胜负，越来越
13、取决于对信息的掌握和控制权 军事通信中通常使用诸如扩展频谱调制或流星散射传输的技术使得信号很难被敌方检测到或破坏掉 伪装式隐蔽通信正是可以达到不被敌方检测和破坏的目的38隐写术的应用 需要匿名的场合 包括很多合法的行为，如公平的在线选举、个人隐私的安全传递、保护在线自由发言、使用电子现金等 。 非法的行为，如 诽谤、敲诈勒索以及假冒的商业购买行为 。 在隐写术技术的应用中，使用者的伦理道德水平并不是很清楚，所以提供隐写术技术时需要仔细考虑并尽量避免可能的滥用 。本科 练习题 1、 请 在框图中填上隐写系统各个部份 名称 。39载体信息源信息 算法 信息 算法不安全信道对象 C对象 C秘密消息 m 秘密消息 m隐写密钥kA B本科练习题 2、 已知使用算法，在 1000个样点中隐藏了 100比特消息，请问算法容量是？载体数据利用率是 ？ 3、 下面指标中，哪个不用于描述算法对载体感官质量的影响程度？（） A、 不可 感知性 B、透明性 C、健壮性 D、不可感知性 4、 下面 指标中，不用于描述隐写算法抵抗常规信号处理操作的能力？（） A、安全性 B、稳健性 C、健壮性 D、 鲁棒性 5、 简 答：请简介隐写算法安全性，并说明安全性和透明性的区别。40
