数字隐写分析术研究与实现

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1、仲恺农业工程学院 毕 业 论 文数字隐写分析术方法研究与实现姓 名 梁胜展院（系） 信息学院专业班级 通信工程 072学 号 200710324232指导教师 王员根职 称 讲师论文答辩日期 仲恺农业工程学院教务处制学生承诺书学生承诺书我承诺在毕业论文过程中严格遵守学校有关规定，在指导教师的安排与指导下独立完成所规定的毕业论文工作，决不弄虚作假，不请别人代做毕业论文或抄袭别人的成果。所撰写的毕业论文或毕业设计是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用数据、图表均注解并说明来源，本人愿意为由此引起的后果承担责任。学生(签名):年 月 日摘 要随着网络和信息技术的发展，数字多媒体数据可以在通

2、信网络中迅速便捷地传输，带来通信便利的同时，也给信息安全带来新的挑战。信息隐藏技术成为信息安全领域的研究热点。作为信息隐藏技术主要分支的信息隐写技术，通过将秘密信息隐藏到公开的数字媒体中，以达到传输秘密信息的目的，因而具有更强的隐蔽性。研究信息隐写技术及隐藏信息的检测隐写分析技术，对国家信息安全具有重要意义。本文主要研究以数字图像为载体的信息隐写分析技术。隐写算法中利用图像 DCT 系数最不重要位隐藏信息的隐写算法具有透明性好，鲁棒性强等特点，这类隐写算法包括 JSteg,Outguess 等。论文提出了针对 DCT 系数 LSB 算法的隐写分析算法。主要对针对 JSteg 隐写的检测进行研究

3、。实验结果表明，采用基于 DCT 系数对值（pair values）的变化的卡方统计攻击方法来检测 Jsteg 顺序隐写，具有很好的检测效果。由于 Westfeld 等人提出的卡方检验方法的耗时很大，故引出一种改进的卡方检验方法：快速卡方检验方法。关键词：隐写 隐写分析 DCT 卡方检验 JSteg目 录1 绪论111 引语1 12信息隐藏技术的历史、应用和发展1121 信息隐藏技术的历史.1122 信息隐藏技术的应用.1123 信息隐藏技术的发展.213数字图像隐写检测技术2131 隐写信息检测技术.3132 隐写信息的提取技术.32 基于图像统计模型的隐写分析421针对 LSB 替换隐写分

4、析.4211 卡方检测方法.4212 RS 方法.8213SPA 方法.1022 针对K及随机调制隐写的隐写分析 .10221 1 隐写的信息比率估计10222 K隐写信息比率估计1123 随机调制隐写的信息比率估计113 针对 JSteg 隐写的检测1131 卡方检测方法12 32 快速卡方检验方法12321 针对顺序 JSteg 隐写13322 针对随机 JSteg 隐写144 结论14参 考 文 献15 致 谢1811 绪论11 引语数字隐写术 (Steganography)，其目的是以表面正常的数字载体，如文本、图像、音频、视频等作为掩护，在其中隐藏秘密信息，将秘密信息隐藏在可公开的载

5、体中进行传送，达到掩盖真正的通信目的和通信发生的事实。数字隐写术的发展在保护机密性和个人隐私方面具有积极作用，但同时给敌对势力和非法团伙提供了进行非法活动的手段，在为人们带来一种新的安全隐蔽通信手段的同时也带来了新的威胁。如何检测发现隐藏信息，进而监控和破坏非法通信，成为影响国家安全和社会稳定的一个重要问题。由于JPEG 压缩图像是目前应用最为广泛的图像格式之一，以JPEG 图像为载体的隐写算法具有其不可取代的实用价值。近年来，JPEG 图像隐写分析的研究受到了越来越多研究者的关注。12信息隐藏技术的历史、应用和发展121 信息隐藏技术的历史现代信息隐藏技术来源于古代的隐写术(steganog

6、raphy),公元 1499 年 Johannes Trithemius 将“steganos”与“graphein”两个希腊字根合并组成单词“steganography” ，以为着隐写（covered writing） ，即隐藏消息的存在性（existence） 。隐写术是一门古老而有趣的安全传递秘密信息的方法，从中国古代文人的藏头诗到德国间谍的隐写信，从古希腊的蜡板藏书到现在的网络隐藏通信，舞步蕴藏着人类的智慧。机关信息隐藏技术已经有久远的研究和应用历史，但是在当时的技术条件下，信息隐写的手段和应用条件是十分有限的。在很长一段时间里，信息隐藏技术无论在研究领域还是在实际应用中都未受到关注。

7、随着科学技术的发展，古老的隐写术在信息时代又称为新的研究热点。在数字化、计算机、网络等这些新时代的产物的孕育中，基于信息理论、数理统计理论、认知心理学和现代信技术手段，载新的隐写术现在的信息隐藏技术因运而生。新的内涵，新的处延，新的方法，新的技术，使人们不得不重新审视和研究者一源远流长的信息安全技术。122 信息隐藏技术的应用信息隐藏技术在信息安全保障体系的诸多方面发挥着重要作用，主要可归结为下列几个方面。（1） 数据保密通信2（2） 身份认证（3） 数字作品的版权保护与盗版追踪（4） 完整性、真实性鉴定与内容恢复123 信息隐藏技术的发展20 世纪 90 年代以来，现代信息隐藏技术得到了迅速

8、的发展。1996 年在英国剑桥召开的第一届国际信息隐藏学术研讨会，标志着信息隐藏作为一个新学科的诞生。随后，国际上举行了第 211 届国际信息隐藏学术研讨会。此外，IEEE、ACM、SPIE 等一些知名学术组织在其主办的学术会议和期刊中叶包含了信息隐藏方面大量的研究成果。我国在信息隐藏技术领域的研究与国际上基本同步。1999 年，在何德全、周仲义、蔡吉人三位院士的积极倡导下，由北京电子技术应用研究所组织成立了信息隐藏专家委员会，定期主办信息隐藏方面的学术会议。13数字图像隐写检测技术信息隐藏技术作为信息安全传输的重要手段，可以应用于军事、情报、国家安全等层面，同时也会被恐怖分子和敌对事例所利用

9、。因此，人们在关注信息隐藏正向技术研究的同时，也在探索各种检测可疑信息的存在、寻找敌对方隐秘通信信源的手段和方法。隐写和隐写分析模型如图 1 所示。秘密保存的信息称为嵌入对象，用于隐蔽嵌入对象的非保密载体称为载体对象，通过密钥将嵌入对象加密，利用隐写算法将嵌入对象隐藏到载体对象中，得到隐写对象。提取过程中只有掌握了密钥才能正确恢复出原始嵌入对象。对隐写分析而言，唯一可疑利用的就是隐写对象，密钥及载体对象都是得不到的，也不知道信息的隐藏位置。嵌入密钥 提取密钥 载体对象嵌入过程嵌入对象提取过程嵌入对象载体对象 隐写分析图 1隐写分析的主要目的包括三个方面：1）检测隐写信息的存在性；2）估计隐写信

10、息的长度和提取隐写信息；3）删除或扰乱隐写对象中的嵌入信息。前两者称为被动隐写分析，后者称为主动隐写分析。密钥生成器3131 隐写信息检测技术目前隐写信息的检测技术大致可以分为 3 类：感官检测法、标识特征检测法、统计检测法，其中统计检测法又分为特定隐写检测和通用盲检测。1. 感官检测法感官分析利用人类感知和清晰分辨噪声的能力来对数字载体进行分析。在数字载体的失真和噪声中，人类可感知的失真或模式最容易被检测到。辨别这种模式的一个方法是比较原始载体和隐秘载体，注意可见的差异，如果没有原始载体，这种噪声就会作为载体的一个有机部分二不被注意。感官检测的思想是移去载体主题信息，这时人的感官就能区分剩余

11、部分是否有潜在的信息或仍然是载体的内容。2. 标识特征检测法某些隐写软件在隐秘图像中留下标识特征，可通过分析待检测对象中是否出现该类标识特征来实现检测。标识特征检测法只适用于一直的算法和工具，对于未知的隐写算法不奏效。3. 统计检测法统计检测法是将原始载体的理论期望频率分布和待检测载体中的样本分布践行比较，从而找出差别的一种检测方法。信息隐藏改变了载体数据流的荣誉部分，虽然不改变感觉效果，但是往往改变了原始载体数据的统计性质，因此，通过判定给定载体的统计性质是否属于非正常情况，就可以判断是否含有隐藏信息。统计分析的关键问题是如何得到原始载体数据的理论期望频率分布，在大多数情况下，检测者无法得到

12、原始信号的频率分布。132 隐写信息的提取技术现在隐写分析领域的研究主要集中于隐蔽信息的检测，已开发的隐写分析工具也只是实现隐蔽信息的检测、隐写信息长度的估计和隐写工具的识别。在某些情况下，能检测到隐写信息的存在就足以解决问题。但是，是否能进一步提取出隐藏的信息对于获取情报、法庭取证骑着决定性作用。而且，这个问题的研究对检测也颇具意义，因为现在的检测方法大都是通过分析载体是否进行过修改来判断其中是否隐藏了消息，而修改过的载体不一定藏有消息，所以这种检测的可靠性最终还是会受到质疑。至今，关于隐藏信息提取的论文也只是凤毛麟角。导致关于提取攻击研究结果很少的一个重要原因是这个问题本身的困难性。其实，

13、一提到隐写术的攻击，人们自然就会4想到热河提取隐蔽的信息，一些隐写术的文章也早就提到这个问题，但是一直以来隐写分析者很少涉及这个问题是因为提取比检测要困难得多。单纯的检测可以说是要从已有的数据和条件中提取 1 比特信息，即“有”还是“没有”隐藏信息；而提取攻击的目的是要从中获取全部的精确信息，其难度可想而知。对于基于密钥的隐写术，提取攻击的终极任务是找到恢复隐写密钥的方法，这本质上是一种密码分析，但是面对的数据形式、算法的结构等于传统的密码分析又大相径庭，这使得传统的密码分析手段并不直接适用。以上原因导致了欲在提取攻击问题上获得思想、方法上的每一点都是困难的。但是，提取隐藏信息优势密码分析者不

14、得不面对的一个新问题。现在许多隐写软件都与加密软件集成在一起，已有数百种这样的软件在网上散布，这使得加密+隐藏成为一种新的保密通信模式。在面对这种通信模式时，以获取信息内容为目的的密码分析者不得不考虑隐藏信息提取的问题。2 基于图像统计模型的隐写分析随着信息隐写技术的发展，各种隐写算法的公开发表和网络中隐写工具的流行，使得信息的传输具有隐秘性。各国军事机构在应用信息隐写技术进行隐秘通信的同事也纷纷担心自身的信息安全。为了有效地检测、截获不法用户的隐秘通信，促使信息隐写的检测技术隐写分析技术开始发展。隐写分析技术是对各种媒体（或信息）进行分析，判别其是否吟唱有秘密信息进而提取和篡改秘密信息的技术

15、。隐写分析分为主动隐写分析和被动隐写分析。被动隐写分析的目的是检测目标载体中是否存在隐秘信息，主动隐写分析的目的是估计嵌入算法的各种参数为信息的提取服务。目前隐写分析滞后于信息隐写的发展，其研究主要集中于被动隐写分析。由于图像信息隐写是信息隐写的主要内容，使得图像隐写分析的研究具有重要意义。21针对 LSB 替换隐写分析由于 LS 替换隐写出现最早，具有嵌入容量大、容易实现等优点，因此使用极为广泛。虽然 LSB 替换隐写可以在嵌入量很大的情况下仍然保持良好的不可察觉性，但已有许多有效地通井机分析方法来判断图像中是否含有 LSB 替换隐写信息。在这里主要介绍卡方检测方法、RS 方法。211 卡方检测方法对待检测的图像，要判断其中是否含有秘密信息，通常采用的方法是进行统计分析。对空域灰度图像而言，LSB 替换隐写主要是将像素灰度值的最低有效位用秘密信息替换。5也就是说，如果待嵌入的秘密信息比特与隐藏该比特的像素的灰度值的最低有效位相同，就不改变原始载体；反之，则要改变灰度值的最低位，即进行 2i2i+1 之间的翻转。嵌入的秘密信息可看做 0、1 随机分布的比特流，而且值为 0 或 1 的概率都为 1/2。设图像中灰度值为 j 的像素数量为，那么，如果秘密信息完全替换了载体图像像素的最jH低位，和的值会比较接近，而如果图像未经过信息嵌入，和的值会相iH212 iHiH212