信息隐藏与数字水印绪论讲课文档
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– 在16世纪早期，意大利数学家Cardan(1501-1576) 也发明了这种方法，这种方法现在被称作卡登格子 法
第13页，共35页。
古代隐写术——用于版权保护
• 核对校验图 （作品的摘要）
– Lorrain(1600-1682)是17世纪一个很有名的风景画家， 当时出现了很多对他的画的模仿和冒充，由于当时还 没有相关的版权保护的法律，他就使用了一种方法来 保护他的画的版权
•
第35页，共35页。
藏和隐蔽信息传输过程
•
第3页，共35页。
明文 载体 明文
加密算法 加密
密文
嵌入算法 隐写
携密载体
加密与隐写比较
第4页，共35页。
载体
携密载体
嵌入算法
隐写
明文
密文
加密算法
加密
现代隐写原理
第5页，共35页。
概论--信息隐藏历史
• 技术性的隐写术
• 头发、书记板、字母高度、符号斑点、隐形墨水
• 语言学中的隐写术
第22页，共35页。
可能吗？
• 利用人类感知系统的冗余 • 利用计算机处理系统的冗余 • 利用各种潜信道
• 技术上是可行的
第23页，共35页。
需要吗？
• 信息隐藏
– 加密：对秘密信息本身进行保护，但信息的传递过程 是暴露的
– 隐藏：掩盖秘密信息存在的事实
• 将密码学与信息隐藏相结合，就可以同时保证信 息本身的安全和信息传递过程的安全
Detector
不可见水印
第19页，共35页。
信息隐藏的思想
利用以 • 数字信号处理理论（图像信号处理、音频信号处
理、视频信号处理等） • 人类感知理论（视觉理论、听觉理论） • 现代通信技术 • 密码技术 等为代表的伪装式信息隐藏方法来研究信息的保密
和安全问题
第20页，共35页。
基本框架
•守
第31页，共35页。
概论--信息隐藏的主要分支
第32页，共35页。
第33页，共35页。
概论--人类视觉特点与图像质量评价
• 人类视觉特点
• 视觉范围 分辨率 视觉适应性 视觉惰性
• 图像质量评价
• 主观评价 客观评价 •
•
第34页，共35页。
信息隐藏基本原理--概念和分类
• 信息隐藏的概念 • 信息隐藏原理框图
– 水印性能评价
第2页，共35页。
概论--信息隐藏历史
• 信息安全---------密码(起源古埃及\古罗马\古希腊) • 隐蔽信息的方式:
• 密码学的目标是使得加密变换更复杂、更随机，即使信息处理得无法看懂--〉信息 杂乱--〉引发攻击兴趣
• 信息隐藏的目标是掩盖机密信息存在的事实 • 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
第14页，共35页。
古代的隐写术
• 纸张中的水印
– 高级酒店的信签纸中的水印 – 纸币中的水印
第15页，共35页。
藏头诗的过去与现在
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
第16页，共35页。
藏头诗的过去与现在
第17页，共35页。
图像水印
可见水印
第18页，共35页。
原理是，根据纸张纤维的变化情况，来确定纸张的哪 些部位被水打湿过，这样，所有采用墨水的隐写方法， 在“万用显影剂”下都无效了。
• 在艺术作品中的隐写术
– 在一些变形夸张的绘画作品中，从正面看是一种景象， 侧面看又是另一种景象，这其中就可以隐含作者的一 些政治主张或异教思想
第9页，共35页。
古代的隐写术
历年文献统计
• 信息隐写与隐写分析
140 120 100
80 60 40 20
0 1998
2000
信息隐写 隐写分析
2002
2004 统计源：IEEE、IEE期刊、会第2议8页，论共35文页。
施耐庵《水浒传》第61回 吴用诱使卢俊义将离合诗
卢花潭上有扁舟， 俊杰黄昏独自游。 义到尽头原有命， 反弓逃难必无忧。
• 鲁棒性
秘密信息在传输的中会受到各种主动或被动攻击，可能造成携密载体的部分破坏。 鲁棒性就是用来度量隐写系统抗击各种有意或无意攻击携密载体的能力的程度， 它是信息隐藏安全性的重要指标之一。
• 隐写容量
在满足一定的约束条件下，信息隐藏系统最大的携带隐秘信息的比特数 称为最大隐写容量，也称为最大有效载荷。隐写容量就是在载体中嵌入 的隐秘信息的大小。一定的约束条件主要是指隐写系统的不可感知性和 特定的鲁棒性等条件。
• 藏头诗
• 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。
• 《唐伯虎点秋香》中唐伯虎的藏头诗，历史上 确实是唐伯虎所作，并非电视剧杜撰，原诗为： “我画蓝江水悠悠，爱晚亭上枫叶愁。秋月溶 溶照佛寺，香烟袅袅绕经楼。”，电视剧中的 “我为秋香”来自唐伯虎真正写的是一首藏头 词《西江月》原词为：“我闻西方大士，为人 了却凡心。秋来明月照蓬门，香满禅房出径。 屈指灵山会后，居然紫竹成林。童男童女拜观 音，仆仆何嫌荣顿。”
第11页，共35页。
古代的隐写术
• 乐谱
– 第二次世界大战期间，一位热情的女钢琴家，常为 联军作慰问演出，并通过电台播放自己谱写的钢琴 曲。由于联军在战场上接连遭到失败，反间谍机关 开始怀疑到这位女钢琴家，可一时又因找不到钢琴 家传递情报的手段和途径而迟迟不能决断。原来， 这位德国忠实的女间谍，从联军军官那里获得军事 情报后，就按照事先规定的密码巧妙地将其编成乐 谱，并在电台演奏时一次次公开将重要情报通过悠 扬的琴声传递出去。
• 将信函隐藏在信使的鞋底、衣服的皱褶中，妇女 的头饰和首饰中等
第7页，共35页。
古代的隐写术
• 在一篇信函中，通过改变其中某些字母笔划的高 度，或者在某些字母上面或下面挖出非常小的孔， 以标识某些特殊的字母，这些特殊的字母组成秘 密信息
• 采用无形的墨水在特定字母上制作非常小的斑点 （17世纪）
• 现代战争——信息战
– 尤其是国家安全部门需要研究伪装式信息安全的攻与 防
第24页，
– 数字产品的无失真复制的特点，造成版权保护和管理 方面的漏洞
第25页，共35页。
信息隐藏的研究状况
• 1992年国际上正式提出信息隐形性研究 • 1996年国际第一届信息隐藏研讨会 • 1998、1999、、、信息隐藏研讨会 • 各种大型国际会议中都有信息隐藏和数字水印的
第12页，共35页。
古代的隐写术
• 卡登格子
– 中国古代设计的信息隐藏方法中，发送者和接收者 各持一张完全相同的、带有许多小孔的纸，这些孔 的位置是被随机选定的。发送者将这张带有孔的纸 覆盖在一张纸上，将秘密信息写在小孔的位置上， 然后移去上面的纸，根据下面的纸上留下的字和空 余位置，编写一段普通的文章。接收者只要把带孔 的纸覆盖在这段普通文字上，就可以读出留在小孔 中的秘密信息
信息隐藏与数字水印绪论
第1页，共35页。
目录
• 概论
– 信息隐藏历史
– 信息隐藏的主要分支
– 人类视觉特点与图像质量评价
• 信息隐藏基本原理
– 信息隐藏的概念和分类
– 信息隐藏的安全性和健壮性
• 信息隐藏技术
– 时域替换技术 – 变换域技术
• 数字水印
– 数字水印基本原理
– 水印预处理技术
– 水印嵌入技术
题于墙上，使卢俊义遭官府迫害逼上 梁山
第29页，共35页。
概论--隐写技术的特点
•
信息隐藏的目的是为了利用人类感觉器官（主要是视觉器官）对数字媒体的感觉冗余特性
和各种通信协议的冗余特性，将隐秘信息嵌入到公开的载体之中进行存储或利用公共网络资
源进行隐蔽通信。
• 不可感知性
信息隐藏的研究的重要目的之一就是隐藏隐秘信息的“存在性”，让人“摸不 着”，“看不见”，无法从外表的感官或统计特征上判断出载体中是否存在隐秘 信息。
– 他自己创作了一本称为《Liber Veritatis》的书，这是 一本写生形式的素描集。他创作这本书的目的是为了 保护自己的画免遭伪造。事实上，只要在素描和油画 作品之间进行一些比较就会发现，前者是专门设计用 来作为后者的“核对校验图”，并且任何一个细心的 观察者根据这本书仔细对照后就能判定一幅给定的油 画是不是赝品
第10页，共35页。
古代的隐写术
• 国 外 最 著 名 的 例 子 可 能 要 算 薄 伽 丘 Giovanni Boccaccio(1313-1375) 的 诗 作 ， 据 说 是 “ 世 界 上最宏伟的藏头诗”作品。 他先创作了三首十四行诗，总共包含大约 1500个字母，然后创作另一首诗，使连续三行 押韵诗句的第一个字母恰好对应十四行诗的各 字母。
• 藏头诗、打孔字段
• 版权保护
• 书画、唐伯虎印章 •
第6页，共35页。
古代的隐写术
• 用头发掩盖信息
– 将消息写在头皮上，等到头发长出来后，消息被遮盖， 这样消息可以在各个部落中传递（公元前440年）
• 使用书记板隐藏信息
– 首先去掉书记板上的腊，然后将消息写在木板上，再 用腊覆盖，这样处理后的书记板看起来是一个完全空 白的
– 尽可能多地将信息隐藏在公开消息之中 – 尽可能不让对手发现任何破绽
•攻
– 尽可能地发现和破坏对手利用信息隐藏技术隐藏在公 开消息中的机密信息
第21页，共35页。
内容
• 广义信息隐藏
– 在某种载体中嵌入数据
• 两个分支
– 信息隐藏
• 伪装式隐蔽通信
– 数字水印
• 数字产品的版权保护（数字版权管理DRM）
第30页，共35页。
概论--隐写技术的特点
• 密钥安全性
信息隐藏系统的密钥是指隐秘信息的大小、嵌入初始位置和嵌入算法的特定 参数、预处理的初值等信息。
• 技术交叉性
信息隐藏的发展过程将一直伴随密码与分析学、信息论、图像处理、DNA计算模型、
统计学和网络协议等的研究和发展，可见，对于信息隐藏的研究不能从单一技术出发 进行思考，而需综合对各种技术和理论，特别是交叉学科的技术研究。
专题 • 国内信息隐藏研讨会每年召开（1999年开始）
第26页，共35页。
历年文献统计
• 数字水印与信息隐写
500 450 400 350 300 250 200 150 100
50 0 1998
2000
数字水印 信息隐写
2002
2004 统计源：IEEE、IEE期刊、会第2议7页，论共35文页。
• 微缩胶片（1860年）
– 信鸽传递 – 粘贴在无关紧要的杂志等文字材料中的句号或逗号上
第8页，共35页。
古代的隐写术
• 使用化学方法的隐写术
– 用笔蘸淀粉水在白纸上写字，然后喷上碘水，则淀粉 和碘起化学反应后显出棕色字体
– 化学的进步促使人们开发更加先进的墨水和显影剂 – 但随着“万用显影剂”的发明，此方法就无效了。其
第13页，共35页。
古代隐写术——用于版权保护
• 核对校验图 （作品的摘要）
– Lorrain(1600-1682)是17世纪一个很有名的风景画家， 当时出现了很多对他的画的模仿和冒充，由于当时还 没有相关的版权保护的法律，他就使用了一种方法来 保护他的画的版权
•
第35页，共35页。
藏和隐蔽信息传输过程
•
第3页，共35页。
明文 载体 明文
加密算法 加密
密文
嵌入算法 隐写
携密载体
加密与隐写比较
第4页，共35页。
载体
携密载体
嵌入算法
隐写
明文
密文
加密算法
加密
现代隐写原理
第5页，共35页。
概论--信息隐藏历史
• 技术性的隐写术
• 头发、书记板、字母高度、符号斑点、隐形墨水
• 语言学中的隐写术
第22页，共35页。
可能吗？
• 利用人类感知系统的冗余 • 利用计算机处理系统的冗余 • 利用各种潜信道
• 技术上是可行的
第23页，共35页。
需要吗？
• 信息隐藏
– 加密：对秘密信息本身进行保护，但信息的传递过程 是暴露的
– 隐藏：掩盖秘密信息存在的事实
• 将密码学与信息隐藏相结合，就可以同时保证信 息本身的安全和信息传递过程的安全
Detector
不可见水印
第19页，共35页。
信息隐藏的思想
利用以 • 数字信号处理理论（图像信号处理、音频信号处
理、视频信号处理等） • 人类感知理论（视觉理论、听觉理论） • 现代通信技术 • 密码技术 等为代表的伪装式信息隐藏方法来研究信息的保密
和安全问题
第20页，共35页。
基本框架
•守
第31页，共35页。
概论--信息隐藏的主要分支
第32页，共35页。
第33页，共35页。
概论--人类视觉特点与图像质量评价
• 人类视觉特点
• 视觉范围 分辨率 视觉适应性 视觉惰性
• 图像质量评价
• 主观评价 客观评价 •
•
第34页，共35页。
信息隐藏基本原理--概念和分类
• 信息隐藏的概念 • 信息隐藏原理框图
– 水印性能评价
第2页，共35页。
概论--信息隐藏历史
• 信息安全---------密码(起源古埃及\古罗马\古希腊) • 隐蔽信息的方式:
• 密码学的目标是使得加密变换更复杂、更随机，即使信息处理得无法看懂--〉信息 杂乱--〉引发攻击兴趣
• 信息隐藏的目标是掩盖机密信息存在的事实 • 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
第14页，共35页。
古代的隐写术
• 纸张中的水印
– 高级酒店的信签纸中的水印 – 纸币中的水印
第15页，共35页。
藏头诗的过去与现在
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
第16页，共35页。
藏头诗的过去与现在
第17页，共35页。
图像水印
可见水印
第18页，共35页。
原理是，根据纸张纤维的变化情况，来确定纸张的哪 些部位被水打湿过，这样，所有采用墨水的隐写方法， 在“万用显影剂”下都无效了。
• 在艺术作品中的隐写术
– 在一些变形夸张的绘画作品中，从正面看是一种景象， 侧面看又是另一种景象，这其中就可以隐含作者的一 些政治主张或异教思想
第9页，共35页。
古代的隐写术
历年文献统计
• 信息隐写与隐写分析
140 120 100
80 60 40 20
0 1998
2000
信息隐写 隐写分析
2002
2004 统计源：IEEE、IEE期刊、会第2议8页，论共35文页。
施耐庵《水浒传》第61回 吴用诱使卢俊义将离合诗
卢花潭上有扁舟， 俊杰黄昏独自游。 义到尽头原有命， 反弓逃难必无忧。
• 鲁棒性
秘密信息在传输的中会受到各种主动或被动攻击，可能造成携密载体的部分破坏。 鲁棒性就是用来度量隐写系统抗击各种有意或无意攻击携密载体的能力的程度， 它是信息隐藏安全性的重要指标之一。
• 隐写容量
在满足一定的约束条件下，信息隐藏系统最大的携带隐秘信息的比特数 称为最大隐写容量，也称为最大有效载荷。隐写容量就是在载体中嵌入 的隐秘信息的大小。一定的约束条件主要是指隐写系统的不可感知性和 特定的鲁棒性等条件。
• 藏头诗
• 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。
• 《唐伯虎点秋香》中唐伯虎的藏头诗，历史上 确实是唐伯虎所作，并非电视剧杜撰，原诗为： “我画蓝江水悠悠，爱晚亭上枫叶愁。秋月溶 溶照佛寺，香烟袅袅绕经楼。”，电视剧中的 “我为秋香”来自唐伯虎真正写的是一首藏头 词《西江月》原词为：“我闻西方大士，为人 了却凡心。秋来明月照蓬门，香满禅房出径。 屈指灵山会后，居然紫竹成林。童男童女拜观 音，仆仆何嫌荣顿。”
第11页，共35页。
古代的隐写术
• 乐谱
– 第二次世界大战期间，一位热情的女钢琴家，常为 联军作慰问演出，并通过电台播放自己谱写的钢琴 曲。由于联军在战场上接连遭到失败，反间谍机关 开始怀疑到这位女钢琴家，可一时又因找不到钢琴 家传递情报的手段和途径而迟迟不能决断。原来， 这位德国忠实的女间谍，从联军军官那里获得军事 情报后，就按照事先规定的密码巧妙地将其编成乐 谱，并在电台演奏时一次次公开将重要情报通过悠 扬的琴声传递出去。
• 将信函隐藏在信使的鞋底、衣服的皱褶中，妇女 的头饰和首饰中等
第7页，共35页。
古代的隐写术
• 在一篇信函中，通过改变其中某些字母笔划的高 度，或者在某些字母上面或下面挖出非常小的孔， 以标识某些特殊的字母，这些特殊的字母组成秘 密信息
• 采用无形的墨水在特定字母上制作非常小的斑点 （17世纪）
• 现代战争——信息战
– 尤其是国家安全部门需要研究伪装式信息安全的攻与 防
第24页，
– 数字产品的无失真复制的特点，造成版权保护和管理 方面的漏洞
第25页，共35页。
信息隐藏的研究状况
• 1992年国际上正式提出信息隐形性研究 • 1996年国际第一届信息隐藏研讨会 • 1998、1999、、、信息隐藏研讨会 • 各种大型国际会议中都有信息隐藏和数字水印的
第12页，共35页。
古代的隐写术
• 卡登格子
– 中国古代设计的信息隐藏方法中，发送者和接收者 各持一张完全相同的、带有许多小孔的纸，这些孔 的位置是被随机选定的。发送者将这张带有孔的纸 覆盖在一张纸上，将秘密信息写在小孔的位置上， 然后移去上面的纸，根据下面的纸上留下的字和空 余位置，编写一段普通的文章。接收者只要把带孔 的纸覆盖在这段普通文字上，就可以读出留在小孔 中的秘密信息
信息隐藏与数字水印绪论
第1页，共35页。
目录
• 概论
– 信息隐藏历史
– 信息隐藏的主要分支
– 人类视觉特点与图像质量评价
• 信息隐藏基本原理
– 信息隐藏的概念和分类
– 信息隐藏的安全性和健壮性
• 信息隐藏技术
– 时域替换技术 – 变换域技术
• 数字水印
– 数字水印基本原理
– 水印预处理技术
– 水印嵌入技术
题于墙上，使卢俊义遭官府迫害逼上 梁山
第29页，共35页。
概论--隐写技术的特点
•
信息隐藏的目的是为了利用人类感觉器官（主要是视觉器官）对数字媒体的感觉冗余特性
和各种通信协议的冗余特性，将隐秘信息嵌入到公开的载体之中进行存储或利用公共网络资
源进行隐蔽通信。
• 不可感知性
信息隐藏的研究的重要目的之一就是隐藏隐秘信息的“存在性”，让人“摸不 着”，“看不见”，无法从外表的感官或统计特征上判断出载体中是否存在隐秘 信息。
– 他自己创作了一本称为《Liber Veritatis》的书，这是 一本写生形式的素描集。他创作这本书的目的是为了 保护自己的画免遭伪造。事实上，只要在素描和油画 作品之间进行一些比较就会发现，前者是专门设计用 来作为后者的“核对校验图”，并且任何一个细心的 观察者根据这本书仔细对照后就能判定一幅给定的油 画是不是赝品
第10页，共35页。
古代的隐写术
• 国 外 最 著 名 的 例 子 可 能 要 算 薄 伽 丘 Giovanni Boccaccio(1313-1375) 的 诗 作 ， 据 说 是 “ 世 界 上最宏伟的藏头诗”作品。 他先创作了三首十四行诗，总共包含大约 1500个字母，然后创作另一首诗，使连续三行 押韵诗句的第一个字母恰好对应十四行诗的各 字母。
• 藏头诗、打孔字段
• 版权保护
• 书画、唐伯虎印章 •
第6页，共35页。
古代的隐写术
• 用头发掩盖信息
– 将消息写在头皮上，等到头发长出来后，消息被遮盖， 这样消息可以在各个部落中传递（公元前440年）
• 使用书记板隐藏信息
– 首先去掉书记板上的腊，然后将消息写在木板上，再 用腊覆盖，这样处理后的书记板看起来是一个完全空 白的
– 尽可能多地将信息隐藏在公开消息之中 – 尽可能不让对手发现任何破绽
•攻
– 尽可能地发现和破坏对手利用信息隐藏技术隐藏在公 开消息中的机密信息
第21页，共35页。
内容
• 广义信息隐藏
– 在某种载体中嵌入数据
• 两个分支
– 信息隐藏
• 伪装式隐蔽通信
– 数字水印
• 数字产品的版权保护（数字版权管理DRM）
第30页，共35页。
概论--隐写技术的特点
• 密钥安全性
信息隐藏系统的密钥是指隐秘信息的大小、嵌入初始位置和嵌入算法的特定 参数、预处理的初值等信息。
• 技术交叉性
信息隐藏的发展过程将一直伴随密码与分析学、信息论、图像处理、DNA计算模型、
统计学和网络协议等的研究和发展，可见，对于信息隐藏的研究不能从单一技术出发 进行思考，而需综合对各种技术和理论，特别是交叉学科的技术研究。
专题 • 国内信息隐藏研讨会每年召开（1999年开始）
第26页，共35页。
历年文献统计
• 数字水印与信息隐写
500 450 400 350 300 250 200 150 100
50 0 1998
2000
数字水印 信息隐写
2002
2004 统计源：IEEE、IEE期刊、会第2议7页，论共35文页。
• 微缩胶片（1860年）
– 信鸽传递 – 粘贴在无关紧要的杂志等文字材料中的句号或逗号上
第8页，共35页。
古代的隐写术
• 使用化学方法的隐写术
– 用笔蘸淀粉水在白纸上写字，然后喷上碘水，则淀粉 和碘起化学反应后显出棕色字体
– 化学的进步促使人们开发更加先进的墨水和显影剂 – 但随着“万用显影剂”的发明，此方法就无效了。其