《数字水印基础教程 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教学课件 ppt 作者 杨义先 5.1图象信息隐藏与水印算法(1)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字水印基础教程 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教学课件 ppt 作者 杨义先 5.1图象信息隐藏与水印算法(1)（129页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5、信息隐藏（数字水印）算法,信息隐藏算法的分类,根据载体分类 图像、语音、视频、数据、文本中的信息隐藏 根据隐藏算法分类 文件格式法 时域替换算法 变换域算法 扩频算法 统计方法 变形方法 载体生成方法,5.1 图像信息隐藏（数字水印）算法,图像水印的分类,普通图像水印 图像鲁棒性水印 图像脆弱性水印,1普通图像水印,在鲁棒性和脆弱性等方面没有特别要求，主要强调隐蔽性（不可见性） 介绍一些有代表性的普通图像数字水印，有助于开拓思路,2图像鲁棒性水印,能够抵抗各种信号处理、攻击 如：压缩、滤波、加噪、剪切、增删、拼接、合并、放大缩小、打印扫描、几何变形、等等,3图像脆弱性水印,在保证多媒体信息
2、一定感知质量的前提下，将数字、序列号、文字、图像标志等做为数字水印嵌入到多媒体数据中，当多媒体内容受到怀疑时，可将该水印提取出来用于多媒体内容的真伪识别，并且指出篡改的位置，甚至攻击类型等 又称为易碎水印，图像载体发生变化，水印则受到破坏 分为完全脆弱性和半脆弱性,普通图像水印,根据隐藏算法分类,文件格式法 时域替换算法 变换域算法 扩频算法 统计方法,1 文件格式信息隐藏,在图像文件格式中隐藏信息（BMP，GIF，TIF） 在HTML文件中隐藏信息,在图像文件中隐藏信息,图像文件都有一定的存贮格式 文件头主要描述图像文件的格式、文件大小、数据起始偏移地址、图像数据大小等关键信息 利用图像文件
3、的这种特性，可以在图像文件中隐藏秘密数据,BMP文件格式,由Microsoft公司推出的位图文件格式 由三个部分组成：位图文件头、位图信息和位图阵列信息 位图文件头由14个字节组成；位图信息由位图信息头和调色板组成，其中位图信息头由40个字节组成，而调色板的大小取决于色彩数。位图信息头中就包含了图像的宽度、高度和位图大小等信息 位图阵列信息按行的顺序依次记录图像的每一个象素的图像数据,BMP格式,秘密信息嵌入文件末尾: DataStash、Cloak等掩密软件,调色板,BMP图像文件,秘密数据必须保存到位图文件的两个有效数据结构之间 这些有效数据结构至少包括位图图像的结尾以及文件头数据与图像数
4、据之间等位置 存放在文件尾部可以减少修改文件头的数据量，仅需修改文件头中文件长度域的值即可 如果将秘密数据放在文件头与图像数据之间，则至少需要修改文件头中文件长度、数据起始偏移地址这两个域的值,例,特点,Lena图像文件增加的字节数正好等于Office文档的字节数 文件头中文件长度域的值增加的幅度也刚好等于Office文档的字节数 使用Windows的画板程序可以将伪装后的Lena图像文件正常打开 将图像另存为一个新文档后发现，所隐藏的Office文档数据完全丢失,GIF文件格式,分为文件头和文件体两部分 文件头包括文件标志、图像水平分辨率、垂直分辨率、彩色表、图像宽度、图像高度、图像偏移量、
5、编码的初始值等关于图像的参数,1。秘密信息嵌入 文件注释块 2。秘密信息嵌入文件末尾 DataStash等掩密软件,TIF文件格式,分为四个部分：文件头、参数指针表、参数数据表和图像数据 文件头长度为8B，包含字节顺序、标记号和指向第一个参数指针表的偏移量 参数指针表占12B，它包含了描述图像的压缩种类、长度、彩色数以及扫描密度等参数，在参数指针表中列出了参数的偏移指针 实际参数数据放在参数数据表中，其中比较常见的是16色或者256色的调色板 最后一部分是图像数据，它们按照参数表中描述的形式按行排列,在HTML文件中隐藏信息,HTML文件是文本文件，在浏览器端仅能显示ASCII码中的可见字符。
6、利用这一特点，可以在HTML的标记之间插入隐藏的数据 比如，如果要隐藏的二进制比特值为1，在选定的HTML标记后插入ASCII码值为9的字符；如果要隐藏的二进制比特值为0，则在选定的HTML标记后插入ASCII码值为32的字符,例,隐藏信息前的HTML文件的部分文本,例,隐藏信息后的HTML文件的相应文本 深颜色部分为隐藏的数据。尽管在代码文本上可以明显的看出二者之间的差异，但在浏览器端则显示不出任何差异,例,在HTML文件中隐藏了秘密数据的载体文件的部分数据,例,例,HTML文件中隐藏的秘密数据,结论,用文件格式法，可以在文件中隐藏任意多的数据 其隐藏结果不会对载体本身的外观造成任何损坏 文
7、件的拷贝不会对隐藏的信息造成破坏 文件存取工具在保存文档时可能会造成隐藏数据的丢失 隐藏的信息较容易被发现 为了确保隐藏内容的机密性，需要首先进行加密处理，然后再隐藏,2 时域替换技术,任何多媒体信息，在数字化时，都会产生物理随机噪声，而人的感观系统对这些随机噪声是不敏感的 替换技术就是利用这个原理，试图用秘密信息比特替换掉随机噪声，以达到隐藏秘密信息的目的,时域替换技术,图像的位平面概念,图41，图像象素的灰度表示,图像各个位平面的作用,原始图像（8bit 灰度BMP图像）,图像各个位平面的作用（1）,去掉第一个位平面的Lena图像和第一个位平面,图像各个位平面的作用（2）,去掉第12个位平
8、面的Lena图像和第12个位平面,图像各个位平面的作用（3）,去掉第13个位平面的Lena图像和第13个位平面,图像各个位平面的作用（4）,去掉第14个位平面的Lena图像和第14个位平面,图像各个位平面的作用（5）,去掉第15个位平面的Lena图像和第15个位平面,图像各个位平面的作用（6）,去掉第16个位平面的Lena图像和第16个位平面,图像各个位平面的作用（7）,去掉第17个位平面的Lena图像（即第八个位平面）和第17个位平面,彩色图像,蓝色通道,绿色通道位平面（16）,所用符号,Ci：载体对象的取样值 L(c) ：载体的长度 L(m) ：秘密信息的长度 Si：伪装对象的取样值 K：
9、伪装密钥,1。流载体的LSB方法,嵌入：选择一个载体元素的子集 ，其中共有 个元素，用以隐藏秘密信息的 个比特。然后在这个子集上执行替换操作，把 的最低比特用 来替换 提取：找到嵌入信息的伪装元素的子集 ，从这些伪装对象中抽出它们的最低比特位，排列之后组成秘密信息,如何选择隐藏位置子集？,顺序选取 缺点：已嵌和未嵌部分数据特征不同 随机间隔法 用伪装密钥k作为伪随机数发生器的种子，生成一个伪随机序列，嵌入位置为,2。伪随机置换,能够得到载体的所有元素，就可以从整个载体考虑，把秘密信息比特随机地分散在整个载体中 嵌入：用种子密钥产生一个伪随机索引序列 ，将第k个秘密消息比特隐藏在索引为 的载体元
10、素的最低比特位中,伪随机置换,提取：用同样的种子密钥产生同样的伪随机索引序列，从这些位置最低比特位中提取信息 应避免的问题 产生的索引值可能产生碰撞 用一个集合记录所有已使用过的载体索引值，当再次出现同样的索引值时，则放弃这个索引值，再选择下一个元素 提取时同样处理,LSB顺序嵌入,LSB随机嵌入,101101011010101010100101000101101101101010100101011010101011110000101010100101110101101011010100001101000110011101110011110010011100110111010001,11010
11、1010101101010010101110110101001010110101010101100101010101100011110101101011110100111001101000110101001111011011010111011101000100100011001,替换,特点：修改量很小，视觉效果好，与图像内容无关,LSB方法的特点,简单，易实现，容量大 安全性不高，不能抵抗叠加噪声、有损压缩等破坏,3。利用奇偶校验位的方法,把载体划分成几个不相重叠的区域，在一个载体区域中存储一比特信息 嵌入：选择 个不重叠区域，计算出每一区域的所有最低比特的奇偶性，并选择一个载体元素的最低比特
12、位存放这个区域的奇偶校验位。嵌入信息时，在对应区域的奇偶校验位上嵌入信息比特 ，如果奇偶校验位与 不匹配，则将该区域中所有元素的最低比特位进行翻转，使得奇偶校验位与 相同,10110101101010101010010100010110110110101010010101,利用奇偶校验位的方法,提取：用同样的方法划分载体区域，计算出奇偶校验位，构成秘密信息,4。基于调色板的图像,基于调色板的图像 调色板数据：定义了N种颜色索引对（i,ci） 图象数据：代表每一个象素的调色板索引 颜色向量代表R、G、B三个分量的值，如果是灰度图像，则三个分量取值相同 使用调色板格式，可以降低图像存储的大小,基于
13、调色板图像的隐藏方法,修改调色板颜色向量的LSB 对彩色图像如果三种颜色同时修改，有可能引起颜色偏差 修改图像数据（索引）的LSB 索引值不代表颜色，相邻的索引值其代表的颜色可能相差很远 可以先将颜色按某种规则排序，使得相邻颜色比较接近，这时索引值所代表的颜色是相近的,基于调色板图像的隐藏方法,利用调色板中颜色顺序的不同组合隐藏信息 改变调色板顺序会破坏隐藏信息,基于调色板图像的隐藏方法,Hide&Seek将调色板中各颜色分量进行划分，生成一个特殊的调色板，然后提取128个基色并经过细微的修改后扩展到256个颜色，产生可互相替换的相近颜色，嵌入时根据嵌入数据进行相应的替换 产生相近颜色对,5。
14、基于量化编码的信息隐藏,在差分编码中隐藏信息 嵌入 计算邻近采样的差值，对差值进行量化，得到 查量化隐藏表，如果 与要编码的秘密信息比特相同，则差分信号不变；如果 与秘密信息比特不相同，则由最接近的 替换，使得查表所对应的比特与秘密信息比特相同,基于量化编码的信息隐藏,提取 接收者拥有同样的伪装密钥表，它根据伪装对象的相邻数据的差分信号，对应密钥表，可以得到每一个差分值所对应的秘密信息比特,6。Patchwork算法,水印嵌入位置的选择（时空域） 选择视觉不敏感区域（如纹理区域等） Patchwork算法：根据密钥随机选择n个象素对，更改它们的亮度值 提取时，计算,(a1,b1) (a2,b2
15、) (a3,b3) (an,bn) Aa1,., an Bb1,., an,A,B,7。二值图像中的信息隐藏,二值图像：由黑白象素的分布构成图像 例如：传真、文字识别等 通常方法：利用图像区域中黑色象素的个数对秘密信息进行编码,二值图像中的信息隐藏 （方法1）,嵌入 把一个二值图像分成 个矩形图像区域 ，如果其中黑色象素的个数大于一半，则表示嵌入0；如果白色象素的个数大于一半，则表示嵌入1 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，为了达到希望的象素关系，则需要修改一些象素的颜色 修改应遵循一定的规则，原则是不引起感观察觉 修改应在黑白区域的边缘进行,二值图像中的信息隐藏,需注意的细
16、节 应考虑有一定的冗余度。确定有效区域 确定两个阈值 和 ，以及一个健壮性参数 。隐藏0时，该块的黑色象素的个数应属于 ；隐藏1时，该块的黑色象素的个数应属于 如果为了适应所嵌入的比特，目标块必须修改太多的象素，就把该块设为无效 标识无效块：将无效块中的象素进行少量的修改，使得其中黑色象素的百分比大于 ，或者小于,二值图像中的信息隐藏,提取 判断每一个图像块黑色象素的百分比，如果大于 ，或者小于 ，则跳过这样的无效块 如果在 或者 的范围内，则正确提取出秘密信息0或1,二值图像中的信息隐藏,应用 工程图纸，地图等 需注意的问题 在边缘处修改（如何标识边缘？）,二值图像中的信息隐藏 （方法2),另一种方法：利用游程编码的方法 例 编码：, , , , ,二值图像中的信息隐藏,嵌入：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
