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1、7.4 JPEG图像的密写与密写分析,JPEG图像密写软件,Jsteg OutGuess F5 改变了载体图像的DCT直方图或分块效应,JPEG压缩过程,将原始图像分割为88的小块 每小块作二维DCT变换 左上角为直流，zigzag扫描，对应频率从低到高 对DCT系数进行量化 对不同频率成分采用不同的量化步长 量化后的DCT系数是整数,JPEG压缩过程,标准量化表,Jsteg密写,将秘密信息嵌入在量化后的DCT系数的LSB上。但原始值为1，0，1的DCT系数除外。 提取秘密信息时：将图像中不等于1，0，1的量化DCT系数的LSB取出即可,例如,原图像块的象素值为,Jsteg密写,DCT变换后的
2、系数矩阵为,Jsteg密写,以标准量化表量化后的系数矩阵为,Jsteg密写,其中，只有两个系数可以隐藏秘密信息，如果需要隐藏的为01,Jsteg密写,用量化表进行逆量化，做逆DCT变换，得到密写图像块 对比发现，几乎每个象素都有变化,Jsteg密写的问题,Jsteg密写就是对DCT系数进行LSB密写，用c2分析可以进行密写分析,基于量化表调整的密写,Jsteg密写可嵌入的DCT系数非常少，因此密写量较小 提出基于量化表调整的密写：不使用标准量化表,不同之处在于：中频量化步长置为1,例,上例中图像块的DCT系数用新的量化表量化,基于量化表调整的密写,有较多的量化DCT系数可以进行密写 问题 仍然
3、是LSB密写，用c2分析可以进行密写分析 量化表中量化步长的异常，会引起分析者怀疑,F5密写,JPEG图像的DCT系数特点 DCT系数的绝对值越大，其出现的频率越低 随着DCT系数绝对值的升高，其出现次数下降的幅度减小,F3密写,F5密写方法是由F3、F4发展而来 F3密写 每个非0的DCT系数用于隐藏1比特秘密信息 秘密信息与DCT系数的LSB相同，则不改动；不同则将DCT系数绝对值减1，符号不变 如果原始值为1或1，嵌入比特0时，变为0，此隐藏视为无效，在下一个系数上重新嵌入 提取时：将不为0的DCT系数的LSB取出即可,F3密写,F3密写的特点 密写是将绝对值减1，而不是LSB替换，因此
4、可以抵抗c2分析 漏洞：“原始值为1或1，嵌入比特0时，变为0，此隐藏视为无效，在下一个系数上重新嵌入”，造成隐藏了更多的比特0，因此密写后DCT系数直方图中，偶数位置上的灰色柱比奇数位置上的要突出 F3密写 奇数代表秘密信息1，偶数代表秘密信息0,F3密写,F4密写,F4密写 用正奇数和负偶数代表秘密信息1 用负奇数和正偶数代表秘密信息0 值为0的DCT系数仍然不负载秘密信息 当欲嵌入的比特与DCT系数代表的信息不同时，同样将绝对值减1，符号不变 如果嵌入时产生了0系数，同样无效，在下一个系数上重新嵌入 与F3的区别 不仅嵌入比特0时可能产生无效隐藏，嵌入比特1时也会产生无效隐藏，需要重新嵌
5、入 所以偶数柱比奇数柱突出的特点不会出现,F4密写,F5密写,F5密写 在F4的基础上，添加了混洗技术和矩阵编码技术 混洗：使秘密信息分布在整个图像中 如果可携带秘密信息的DCT系数个数大于秘密信息长度，采取混洗的方法，随机选择系数进行嵌入 矩阵编码：增加嵌入效率,F5密写：矩阵编码,LSB密写 嵌入1比特可能修改也可能不修改原数据，概率为0.5 则每个LSB的修改可以平均嵌入2比特信息 矩阵编码的目的是，使得每个LSB的修改可以嵌入更多的比特信息 在2k-1个原始数据的LSB中最多改动1比特达到嵌入k比特的效果 k=1：普通LSB密写 k=2：在3个数据上，只修改1比特，代表嵌入2比特,矩阵
6、编码,例如：k=2 设a1, a2, a3是三个载体数据的LSB 设x1, x2是要嵌入的秘密比特 如果 ，不改变原数据 如果 ，改变a1 如果 ，改变a2 如果 ，改变a3 提取：a1与a3异或为x1，a2与a3异或为x2,矩阵编码,矩阵编码的特点 嵌入2比特平均修改3/4个LSB（普通LSB：嵌入2比特平均修改1个LSB），嵌入效率比普通LSB高。同样嵌入量，对图像的修改少，失真小 用3个数据负载2比特（普通LSB：1个数据负载1比特），载体数据利用率比普通LSB低,矩阵编码,k越大，载体数据利用率越低，嵌入效率越高,F5密写,步骤 进行JPEG压缩，量化DCT系数 混洗DCT系数 确定k
7、，并计算 实施矩阵编码嵌入 逆混洗，产生密写后的图像,F5密写,要求：可嵌入的DCT系数的个数大于秘密信息的长度 特点 增加了嵌入效率，即减小了信息隐藏带来的失真 DCT系数直方图的原始特性不变,总结F5密写可能的漏洞,DCT系数绝对值减1 直方图奇偶不均衡的特点不会出现 但，直方图会由两端向中间收缩 DCT系数量化是分块进行的 不同小块之间会有一定的不连续性 当压缩比较高时，人眼可以分辨出小块的界限；用高通滤波后，界限更明显 F5密写后，小块间的不连续性更明显,JPEG图像密写分析,直方图分析 分块特性分析,JPEG图像密写分析,分析者无法得到原始图像，但是能构造一个统计特性相近的参考图像
8、将待测图像删除前四行（或前四列），得到参考图像 重新分块，DCT变换，量化 参考图像与原始图像有相近的内容，使用相同的量化表 参考图像的DCT直方图和分块特性作为原始图像的估计,JPEG图像密写分析,分块特性 M，N是图像的行数和列数 g是象素灰度值 分块特性B表示相邻块的相邻象素灰度值之差的绝对值总和,JPEG图像密写分析,计算参考图像的分块特性Be 计算待测图像的分块特性B1 如果B1明显大于Be 或，参考图像与待测图像的DCT系数直方图存在明显差异 则可以认为待测图像是经过密写的 此方法可以察觉Jsteg、OutGuess、F5等方法嵌入的秘密信息,例1,512512 质量因子70 JP
9、EG图像,例1,原始直方图 参考图像直方图 F5密写后的直方图,例2,512512 质量因子70 JPEG图像,例2,原始图像分块特性值5.40E5 参考图像分块特性值5.51E5 F5密写后图像分块特性值6.56E5,安全的JPEG密写,密写时兼顾图像的统计特性 不改变DCT直方图 不改变分块特性,新密写算法的原则,秘密信息嵌入在非零、非直流的DCT系数上，每个系数负载1比特 用正奇数和负偶数代表秘密信息1 用负奇数和正偶数代表秘密信息0,新密写算法的步骤,计算原始图像DCT系数直方图，和分块特性 将秘密信息每比特对应一个非零、非直流DCT系数 相同：不作任何改动 不同：修改DCT系数 修改
10、系数时：可以加1，也可以减1 即：正向调整，负向调整,新密写算法的步骤,在选择用加1还是减1的方法修改系数时，计算直方图的改变，使得调整后直方图与原始图像直方图近似不变 同时，计算分块特性，选择合适的修改（加1还是减1），使得分块特性不会大大偏离原始分块特性,新密写算法的步骤,提取 取出非零、非直流的量化后DCT系数 正奇数或负偶数：1 负奇数或正偶数：0,例：新密写算法结果,可嵌入4.5E4个秘密信息比特 密写后PSNR35.1dB,例：新密写算法结果,原始图像分块特性B05.40E5 参考图像分块特性Be5.51E5 含密图像分块特性B15.40E5,例：新密写算法结果,直方图,算法比较,用数字相机采集100幅人物、风景图片 以质量因子70压缩后作为原始图像集 用随机修改的方法和新密写算法进行密写,算法比较分块特性比较,计算待测图像的分块特性B1 计算参考图像的分块特性Be 计算a=B1/Be,算法比较直方图比较,计算待测图像和参考图像的直方图差异,算法比较直方图比较,结论,安全密写方案 分块特性 直方图 无明显差异 存在的问题 质量因子越小时，DCT量化步长越大，密写时不太容易同时保持直方图和分块特性不变,
