信息隐藏(本科通选课)

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1、信 息 隐 藏,陈立全 副教授 东南大学信息科学与工程学院 2010年12月4日,第一部分 概论,1. 信息安全，网络安全是以密码学和隐写术为基础。 2. 信息隐蔽科学： 密码术、 隐写术。现代密码学，信息隐藏 3. 密码学技术的发展:1）1948 shannon 保密系统的通信理论。2）Simmons 的认证系统理论3）Diffie-Hellman 公开密钥系统理论, 划时代发展和应用。4. 现代密码学目标是为了使得加密变换更复杂、更随机、更难解密杂乱信息引起攻击兴趣和陷门。,信息隐藏比较,信息隐藏利用信息空间冗余、通信通道空间、人类感觉系统冗余等进行信息隐藏和隐蔽信息传输过程。信息隐藏与加

2、密方法比较1）加密方法将信息加密、信息传递过程是暴露的。）信息隐藏则是将信息的传递过程进行了掩盖。,信息隐藏历史发展,1 技术性隐写术古埃及、古希腊、古罗马，发挥意义重大。头发、蜡板、字母高度、符号斑点、隐性墨水等。 2 语言学中的隐写术藏头诗、打孔字段等。 3 版权保护书画，唐伯虎印章等。,藏头诗,平湖秋月,平湖一色万顷秋，湖光渺渺水长流。秋月圆圆世间少， 月好四时最宜秋。平湖秋月,现代信息隐藏的发展,1. 信息战，发展需求和信息隐藏主要应用场合。 2. 网络发展，多媒体信息发展，版权，安全监管等需要解决，youtobe、ku6、youku网站。 3. 1996年剑桥大学第一届信息隐藏学术会

3、议，1998第二届,1999中国召开第一次。 4. 国外研究机构：剑桥、麻省、IBM等，在当今水印版权保护、内容安全、安全跟踪等方面发挥很重要作用。 5. 另外在军事上、国家安全方面意义重大，很多技术和算法不公开而已。,信息安全研究分类,1 原始图像 2 加入水印后的图像 3 水印,数字水印,信息隐藏基本结构,通信保密密码学模型,保密系统模型,加密器 C=Ek1(m),解密器 m=Dk2(c),密钥源 k1,密钥源 k2,信源 M,接收者,非法 接入者,密码 分析员,m,m,k1,k2,信道,搭线 主动攻击,搭线 被动攻击 （窃听者）,m,C,信息隐藏概念,不可视通信，阈下通信。 信息隐藏：在

4、一些载体信息中，将需要保密传递的信息隐藏进去，而载体本身并没有太大的变化，不会引起怀疑。 基本概念：c 载体对象m秘密信息c伪装对象,人类感觉不会发现 计算机统计不会发现,信息隐藏基本结构,隐藏密钥k 伪装密钥，与加解密密钥的异同。 信息隐藏的纯粹安全性：取决于第三方有没有能力将载体对象和伪装对象区分开来。,载体的选择,有一定的冗余空间测量噪声 声音，图像等。 其它的冗余空间小的则考虑统计、变换等方法进行隐藏。 载体样本使用不能超过1次。,信息隐藏的分类,分类：无密钥信息隐藏，私钥信息隐藏（对称钥信息隐藏），公钥信息隐藏。1. 无密钥信息隐藏:不需要预先约定密钥。但必须约定嵌入算法和提取算法，

5、而且这些算法必须保密。,2. 私钥信息隐藏,无密钥信息隐藏依靠嵌入算法和提取算法的保密来保证系统的安全。 违反Kerckhoffs准则 所以提出有密钥的隐藏系统。2. 私钥信息隐藏：采用共享的密钥来进行嵌入和提取处理,算法公开，密钥保证保密性,算法,密钥,3. 公钥信息隐藏,公开钥 和私钥。Anderson首先提出应用到信息隐藏当中。公钥加密，加密后信息公开，第三方可以检测到。安全性主要取决于公钥密码体制的安全。公钥体制和私钥体制相结合使用。密钥的共享和分配是关键。,信息隐藏的安全性,三个层次：证明存在，提取信息，破坏信息绝对安全：从熵的定义出发。定义PC载体概率分布，PS隐藏后数据概率分布。

6、如果有 则称该信息系统是 安全的。如果 则称是绝对安全的。,秘密信息的检测,被动攻击：检测，判断四种情况1）准确判断隐藏有秘密信息2）准确判断没有隐藏秘密信息3）从不含秘密信息中错误检测出隐藏信息4）含秘密信息中错误地认为没有隐藏信息概率4)越大越好，也就是b越大，隐藏效果越好。如果 b=1 ？,概率a,概率b,信息隐藏的通信模型,主要是信道部分的不同。伪装载体确定，事先知道。 借鉴通信系统理论，研究信息隐藏理论：容量、性能评估、算法设计等。,信息隐藏的一些理论问题,容量的估计，载体的不同，难以统一化 信息隐藏通信模型：1）“隐藏信道”的描述2）感知模型的数学描述：JND模型等。,信息隐藏的应

7、用,军队 情报 网络安全 版权保护 等等。,第二部分 信息隐藏技术,信息隐藏技术,根据载体类型和要求进行选择。 主要是四类：1）空间替换技术（冗余部分）2）变换域技术3）扩展频谱技术4）统计特征技术：,4.1 时域替换技术,冗余信息的隐藏，最低比特位影响: (图像，语音) LSB替换方法：将样点的最低比特位进行替换。注意三个问题1）替换规则2）同步3）抗干扰,LSB嵌入算法,1) 根据m值选择载体子集 2) 将载体子集每个元素的最低比特位用mi替换，共有L(m)次替换。,嵌入过程：,提取过程：,1) 找到位置，提取出来，并重新排列成mi.,Ci = 01011101 mi = 0 ci = 0

8、1011100,注意问题,1.同步问题 2.空余载体空间的处理问题,Ci = 01011101 mi = 0 ci = 01011100,同步起始,空余载体,1. 填随机量,2. 循环填充,随机间隔法,怎样决定嵌入点：1）连续方法，好定位。2）随机间隔法，安全性稍高。 伪装密钥k种子伪随机序列：k1,k2,kL(m) 按照这个作为选点间隔基准，首同步仍然需要。,首同步,k1 k2 k3 k4,LSB隐藏算法优缺点分析,优点：简单，容易实现，隐藏容量大。对载体影响不大。 缺点： ）安全性不是很强 ）鲁棒性不是很高：有损压缩，滤波，加噪等影响很大。 改进方法： ）增强安全性，需要加密处理。 ）增强

9、鲁棒性，多次重复嵌入，增加冗余，或加上纠错编码,利用奇偶校验位,对载体进行分区域，然后计算每区域的最小bit位的奇偶性，得到奇偶值，然后选择一个样点最低位进行存放。,首同步,第1区域,b7,将第1区域的最低Bit进行奇偶校验， 结果填在b7最低位。偶检验： 1）嵌入的m值为0,则不改变第b7最低位， 2）如果嵌入的m值是1，则该区域所有最低 Bit位翻转。,最低位,二值图像中的信息隐藏,传真，徽标等：冗余信息少。 Zhao方法：特定区域内黑色图像的个数。,一个区域内,黑色大于1/2,白色大于1/2,嵌入0,嵌入1,黑多,白多,黑多,黑多,白多,黑多,白多,需要嵌入0，1，1，1，1，0，0，则

10、需要调整：,黑多,白多,白多,白多,白多,黑多,黑多,X 多,需要调整,二值图像隐藏,图像块的修改方法 另外设置门限值，确定无效块。（不能修改太多，需要修改太多的设定为无效项。）,黑多,白多,黑多,黑多,白多,黑多,白多,需要嵌入0，1，1，1，1，0，0，则需要调整：,黑多,白多,无效,白多,白多,白多,黑多,白多,无效项，并修改大于R1+3v,黑多,时域方法总结：,信息隐藏在LSB或者量化噪声部分。简单，但是健壮性不强。需要变换域的方法，将信息隐藏在载体的最重要部位。,变换域信息隐藏技术,在载体重要部位隐藏，抗攻击，不可察觉 DCT变换、DWT变换、DFT变换。 DCT变换：DCT图像变化

11、，8x8块，按照Zig-Zag排列，最重要的在前面。隐藏方法：中频系数修改。x( i, j) = x( i, j) + ami a可调参数x( i, j) = x( i, j)(1 + ami) a可调参数需要原图像，经过相减，除a，求出m。,DCT隐藏算法,利用特定数的相对大小莱进行信息隐藏。,伪随机选择,Bi(u1, v1),Bi(u2, v2), 代表m=1, 代表m=0,需要隐藏信息时， 当m值与大小关系不一致时候，则将大小关系互换。,当互换的效果影响太大的时候，则设为无效项，设定阈值。,另外，还有三项不等关系的隐藏方法。,DWT信息隐藏技术,小波变换：低频部分，水平细节，垂直细节，对

12、角线细节。类似DCT系数隐藏的方法仍然适用,回声隐藏算法,人耳的特性，较强掩盖后面短时间较弱信息c(t) = f(t) +af(t-t) “0” c(t) = f(t) +af(t-t) “1”,变换域算法总结,加密强度高。 健壮性好 需要在安全性、健壮性、隐藏容量方面平衡,第三部分 数字水印原理,数字水印基本原理,信息隐藏：伪装通信，隐秘传输 数字水印：版权保护 （研究热点） 水印定义： 传统水印，数字水印，数字多媒体的保护。 1）媒体加密,容易受拷贝。 2）数字水印，跟踪，证明侵权的存在。,信息隐藏与数字水印差别,目标： 隐藏信息， 承载标记 精确度：精确， 不需要精确 健壮性： 一般，

13、强,数字水印定义,数字水印：永久嵌入在其他数据中的具有鉴别性的数字信号或模式，并且不影响宿主数据的可用性。 特点： 1） 安全性，2） 可证明性，3） 不可感知性4） 健壮性,数字水印算法组成,算法分：水印的加载，水印的检测数字水印方案的要素：水印本身的结构、水印的加载过程、水印的检测过程。水印本身：1）包含有效信息，2）随机序列。,数字水印分类,载体分类，外观分类，加载方法分类，检测方法分类等。 载体上的分类：1）静止图像水印2）视频水印3）音频水印4）软件水印5）文档水印,数字水印分类,外观分类： 1）可见水印 2）不可见水印,东南大学,东南大学,东南大学,数字水印分类,加载方法上分类：

14、1）空间域水印： a)最低有效位方法， b) 拼凑方法， c) 文档结构微调法。2）变换域水印： a) DCT变换,数字水印分类,水印检测方法分类： 1）私有水印和公开水印 2）私钥水印和公钥水印水印的特性上分类： 1）健壮性数字水印：标志保护 2）脆弱性数字水印：完整性保护,数字水印分类,使用目的上进行分类： 1）版权标识水印: 版权认证 2）数字指纹水印：防止非法拷贝等。,数字水印的性能评价,主观和客观评价方法：各有优劣。 不可察觉性：主观，客观 嵌入数据量，嵌入算法均会影响。一个好的嵌入算法：应该能够嵌入较多的信息而引起的视觉感知最小。水印的评价准则： 1）健壮性，抗.2）失真的主观和客

15、观评价,失真度衡量方法：,1. 主观性能：等级划分 2. 客观评价： 平均绝对差分。信噪比 SNR峰值信噪比 PSNR人的主观和SNR共同的衡量比较好。最好是根据人的感官系统模型来进行失真度度量。,数字水印的应用,1. 版权保护 2. 数字指纹 3. 认证和完整性校验 4. 内容标识和隐藏标识 5. 使用控制,第四部分 数字水印技术,信息隐藏与数字水印,数字水印实质上是信息隐藏的一个应用，只是含义、应用范围等有所不同。信息隐藏的一些算法可以引用到数字水印领域。主要区别: (两个方面)1）精确度要求： 2）健壮性要求：,数字水印本体,数字水印本体,数字水印要求：1）能验证出来，2）鲁棒性 数字水印的表示形式： 一串有意义的字符 一串伪随机序列 一个可视的图片(二值或者灰度图像) （1）第一类：有意义字符方式数字水印 包括所有者信息，创作日期，发行部门等， 明文，需要纠错编码，健壮性较差。,数字水印本体（2）,（2）第二类：伪随机序列数字水印 标识信息与伪随机序列对应起来 对伪随机序列进行嵌入 提取端通过相关性检测判断数字水印存在与否，不需要每点对应比较。 鲁棒性较好。,数字水印本体（3）,（3）第三类：可视图像的数字水印 人的手写签名，或者特定图像， 通过人眼主观鉴别，能容忍较大误码， 也可以用相关性检测算法， 鲁棒性较好。 例子：银行支票印鉴 鉴别,