信息隐藏技术课件 第三章 图像信息隐藏与水印

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1、第三章图像信息隐藏与水印3.1 LSB图像信息隐藏 【实验目的】 【实验环境】 【原理简介】 【实验步骤】 【思考题】【实验目的】 了解信息隐藏中最常用的LSB算 法特点，掌握LSB算法原理，设 计并实现一种基于图像的LSB隐 藏算法； 了解如何通过峰值信噪比来对图 像质量进行客观评价，并计算峰 值信噪比。【实验环境】 (1) Windows XP或Vista操作 系统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3) BMP灰度图像文件 【原理简介】 多媒体信息在数字化时，会产 生物理随机噪声，而人的感观 系统对这些随机噪声不敏感。 替换技术就是利用这个原理， 通过使用秘密信息比特替换随 机噪

2、声，从而完成信息隐藏目 标。 BMP灰度图像的位平面图如右，每 个像素值为8bit二进制值，表示 该点亮度。 不同位平面对视觉影响不同，可 用下面系列图像表示。去除第一位平面的图像和第一位平面去除第1-4位 平面的图像和 第1-4位平面去除第1-7位平面的Lena图像和第1-7位平面 图像高位平面对图像感官质量起主要作 用，去除图像最低几个位平面并不会造 成画面质量的明显下降。利用这个原理 可用秘密信息（或称水印信息）替代载 体图像低位平面以实现信息嵌入。 算法选用最低位平面来嵌入秘密信息。 最低位平面对图像的视觉效果影响最轻 微，但很容易受噪声影响和攻击，解决 办法可采用冗余嵌入的方式来增强

3、稳健 性。即在一个区域（多个像素）中嵌入 相同的信息，提取时根据该区域中的所 有像素判断。【实验步骤】 (1)隐藏算法 (2)计算峰值信噪比(1)隐藏算法 算法分为三个部分实现： 隐藏算法 提取算法 测试脚本(2)计算峰值信噪比 峰值信噪比定义： 峰值信噪比函数 测试脚本【思考题】 1.LSB算法可以替换最低位，也可以 采用随机算法来替换低第四位中的 任何一位，因为图像低四位中的任 意一位的改变不影响图像文件的视 觉效果，自行设计一个LSB隐写算法 ，将秘密信息随机嵌入到原始载体 每个像素的低四位中的任意一位。 2.设计一种算法，用水印信息（二 值图像）的高四位替换载体图像（ 灰度图像）的低四

4、位，并提取水印 信息。3.2 二值图像信息隐藏 【实验目的】 【实验环境】 【原理简介】 【实验步骤】 【思考题】【实验目的】 了解二值图像的特点，掌握基 于二值图像的信息隐藏原理， 设计并实现两种基于二值图像 的信息隐藏方法。【实验环境】 (1) WindowsXp或Vista操作系 统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3) 二值图像文件 【原理简介】 二值图像又称为单色图像或黑白图像， 一般用1或者0表示黑色或白色像素点， 利用二值图像信息隐藏的方法主要是根 据二值图像中黑白像素的数量的比较来 隐藏信息。方法是把一个二值图像分成 一系列矩形图像区域B，某个图像区域B 中黑色像素的

5、个数大于一半，则表示嵌 入0；如果白色像素的个数大于一半， 则表示嵌入1，但是当需要嵌入的比特 与所选区域的黑白象素的比例不一致时 ，为了达到希望的像素关系，则需要修 改一些像素的颜色。 该方法存在一定的缺陷，没有 明确界定哪些像素可以修改以 便于隐藏秘密信息，二值图像 中某些像素的修改可能会引起 二值图像视觉效果上的较大变 化，相应的水印嵌入算法可能 在较大程度破坏图像的质量。 为达到较好的隐藏效果，可以 采用游程编码方法在二值图像 中隐藏信息。 游程编码的概念在图像压缩的 过程中经常使用，如下图所示 的编码为：, , , ,。其中0 表示白色像素点，1表示黑色 像素点。游程编码像素分布图

6、秘密信息嵌入的时候修改二值图像的游 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。提取的时候根据游程长度奇 偶性提取出秘密信息。在隐藏信息的时 候，改变游程的奇偶性是通过对下一个 游程的第一个像素的像素值进行修改， 因此当下一个游程的值为1的时候不能 修改。修改后的游程长度不能隐藏信息 ，因此隐藏信息的位置是选取游程长度 数组的偶数位来隐藏。【实验步骤】 1.嵌入秘密信息 2.提取秘密信息 提取秘密信息时，提取方需知 道隐藏的秘密信息的数量，使 用隐藏的秘密信息的数量值来 对载体图像进行

7、分块。 3.游程编码方法在二值图像中 隐藏信息携秘载体在视觉效果上和原始载体 有很大变化，通过不断修改 hidden.txt文本的值来增加隐藏的 信息容量。隐藏的信息越多，图像 的分块就越细，隐藏的效果就越好 。 方案中修改像素的位置非常固定， 都是修改每个图像块的所有行前面 的像素，这样隐藏信息后的图像在 视觉效果上和原始图像存在较大差 别，违背了信息隐藏不改变视觉效 果的原则。为改变上述算法，可以采用游 程编码方法在二值图像中隐藏 信息。采用游程编码方式隐藏 的信息量较大，而且隐写后的 载体图像和原始载体图像从视 觉效果上看差别不大，是较好 的一种二值图像信息隐藏方法 。【思考题】 1.二

8、值图像信息隐藏另一种方 法原理如下：将二值图像分块 ，使用一个与图像块大小相同 的密钥二值图像块，与每一个 图像块按像素进行“与”运算 ，“与”运算的结果可以确定 是否在该块中嵌入数据，或嵌 入怎样的数据。设计并实现该 算法。3.3 Patchwork图像信息隐藏 【实验目的】 【实验环境】 【原理简介】 【实验步骤】 【思考题】【实验目的】 了解Patchwork信息隐藏特点 ，掌握基于Patchwork的图像 信息隐藏原理，设计并实现一 种基于Patchwork信息隐藏方 法。【实验环境】 (1) Windows XP或Vista操作 系统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3)

9、BMP图像 【原理简介】 Patchwork是指从载体数据中 选择一些数据组成两个集合， 然后通过修改这两个集合之间 的某种关系来携带水印信息。 这两个集合可以是两个系数、 两组系数或者是两个特征量。 两个集合之间的关系可以是大 小关系、能量关系、逻辑关系 和奇偶性关系等。 Patchwork方法嵌入水印时， 通过修改集合之间的某种关系 来嵌入水印；提取水印时，则 根据对应的关系来提取嵌入的 水印信息。Patchwork方法最 大优点之一就是可以实现盲检 测。Patchwork可以适用于时/ 空域、变换域和压缩域，本节 主要介绍时域下的典型 Patchwork方法。 Patchwork方法典型

10、算法只能隐藏 1bit的信息，也就是只能说明该 图像是否存在水印，隐藏的信息 量比较小，但是该算法的鲁棒性 较强。该算法的原理如下：随机 选择两个集合A=ai和B=bi， 要求A和B中含有相同图像系数， 设为n；将集合A中所有样点的像 素值增加d，同时将集合B中所有 样点的像素值减少d，这样两个集 合中的样值都经过微小的改动。 选择集合A和B的方法很多，但 PatchWork方法是基于以下假设的，也 就是说随机选择的两个样本集合的均 值相同。本节中方法是根据图像的横 坐标和纵坐标之和的奇偶性不同将图 像分为两组，将横坐标和纵坐标之和 为偶数的所有系数上增加常量d=2.3， 将横坐标和纵坐标之和

11、为奇数的所有 系数上减少常量d=2.3。第二种方法是 随机选择N对像素点（ai和bi），然后 将ai点的值增加d,将bi点的像素值减 少d。【实验步骤】 1.嵌入秘密信息 2.提取秘密信息 原始图像和携密图像从视觉效 果上几乎相同。提取时，首先 将两个图像块集合的样本分别 求平均值，计算两个样本均值 的差来判断水印信息是否存在 。 把整个图像中的像素全部分成 两组，也可以通过随机的方式 实现。【思考题】 1.本节介绍的方案都是假设A和B 两个集合在未修改之前样本的均 值相同，但实际情况下样本均值 之间的差异并不总为零。读者可 自行从图像的像素中挑选A和B两 个集合，使得这两个集合样本的 均值尽

12、量接近，越接近，隐藏和 提取的效果越好。设计并实现一 种Patchwork算法，使得挑选的 两个集合A和B的均值尽可能接近 。3.4 调色板图像隐写 【实验目的】 【实验环境】 【原理简介】 【实验步骤】【实验目的】 了解调色板图像的特点，掌握 基于调色板图像的信息隐藏原 理，设计并实现一种基于调色 板图像的信息隐藏算法。【实验环境】 (1) WindowsXP或Vista操作系 统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3) 调色板图像【原理简介】 调色板图像含有一个不超过 256种颜色的调色板，并对应 每种颜色的R、G、B三种分量 的值，图像内容中的每个像素 存储的是一个不超过8比特的

13、 索引值，其指向调色板中的对 应颜色就是图像的真实色彩。 大部分图像用到的颜色数小于 256种，甚至小于128种，因此 可以在调色板中隐藏秘密信息 。 调色板图像的调色板中最多包含256种 颜色，若改变这些颜色的排列顺序并相 应的改变图像像素数据，不会对图像内 容造成任何影响。因此隐藏秘密信息最 简单方法就是重新排列调色板中的这些 颜色，同时修改索引值，但是许多软件 生成的调色板都是按照亮度和使用频率 排列的，如果在调色板中打乱颜色会使 其毫无隐藏可言。如果调色板颜色小于 128种，可复制一个调色板，得到一个 扩展的调色板，隐藏0使用原始索引值 ，隐藏1使用扩展索引值，但是重复颜 色的调色板会

14、引起使用者怀疑。 其他方法来隐藏信息：对于调 色板中的每一种颜色，可以通 过修改颜色的蓝色分量（人眼 对于绿色分量最为敏感，对蓝 色分量最不敏感）来增加一种 接近的但不完全相同的颜色， 这样就形成一个扩展的调色板 。 嵌入算法如下：对调色板中所 有颜色，把像素点的蓝色分量 增加，然后将这种颜色添加到 调色板中形成一个扩展调色板 。根据需要嵌入的消息长度， 随机选取隐藏的位置，当嵌入 0 的时候，使用原调色板中的 颜色，当嵌入1的时候，使用 扩展后调色板中的颜色。 提取的时候，需要知道原始调 色板的长度、随机选择的种子 数和隐藏的信息数量，对于选 中的像素点，如果使用原调色 板中的颜色，提取信息

15、0，如 果使用扩展调色板中颜色数， 提取信息1。【实验步骤】 1.嵌入秘密信息 2.提取秘密信息3.5 DCT域图像水印 【实验目的】 【实验环境】 【原理简介】 【实验步骤】 【思考题】【实验目的】 了解频域水印的特点，掌握基 于DCT系数关系的图像水印算 法原理，设计并实现一种基于 DCT域的图像水印算法。 【实验环境】 (1) WindowsXP或Vista操作系 统 (2) MATLAB7.1科学计算软件 (3) 图像文件【原理简介】 在信号的频域（变换域）中隐藏 信息要比在时域中嵌入信息具有 更好的鲁棒性。一副图像经过时 域到频域的变换后，可将待隐藏 信息藏入图像的的显著区域，这 种

16、方法比LSB以及其他一些时域水 印算法更具抗攻击能力，而且还 保持了对人类感官的不可察觉性 。常用的变换域方法有离散余弦 变换（DCT）、离散小波变换（ DWT）和离散傅立叶变换（DFT） 等 。 下面介绍一种提取秘密信息的时候不 需要原始图像的盲水印算法。算法的 思想是利用载体中两个特定DCT系数 的相对大小来表示隐藏的信息。载体 图像分为88分块，进行二维DCT变 换，分别选择其中的两个位置，比如 用(u1,v1)和(u2,v2)代表所选定的两 个系数的坐标。如果 Bi(u1,v1)Bi(u2,v2)，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。 提取的时候接收者对包含水印的图像 文件进行二维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