5.1图象信息隐藏与水印算法(2)-数字水印基础教程
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信息安全概论-5 信息隐藏技术
信息安全概论
1
第五章 信息隐藏技术
5.1 信息隐藏的概念 5.2 隐藏信息的基本方法 5.3 数字水印 5.4 数字隐写 5.5 数字指纹
2
5.1 信息隐藏的概念
• 信息隐藏把一个待保护的秘密信息隐藏在另一个 称为载体的信息中，非授权者不知道这个普通的 载体信息中是否隐藏了其他的信息，而且即使知 道也难以提取或去除隐藏的信息。所用的载体可 以是文字、图像、声音及视频等。
• DCT变换域的基本思想是:先计算原始图像D的离 散余弦变换(DCT)，然后将隐秘信息叠加到变换 域的系数上(不包括直流分量)，这些系数通常为 图像的低频分量。
12
5.2.3压缩域算法
• 基于JPEG、MPEG标准的压缩域信息隐藏 系统不仅节省了大量的完全解码和重新编 码过程，而且在数字电视广播及 VOD(Video on Demand)中有很大的实 用价值。相应地，隐秘信息的检测与提取 也可直接在数据的压缩域中进行。
8
• 成功的信息隐藏通常需要满足以下技术要 求：
• 1．透明性（invisibility）或不可感知性（ imperceptibility）。
• 2．鲁棒性（robustness）。 • 3．安全性（security）。 • 4．不可检测性（undetectability）。 • 5．自恢复性。 • 6．嵌入强度（信息量）。
• 按检测是否需要载体信息参与分类，可分为 非盲检测算法和盲检测算法。非盲检测算法 中隐秘信息的检测需要原始载体的参与，而 盲检测算法中隐秘 信息隐藏的概念
• 按照保护对象分类，主要分成以下几类： • (1)隐写术：目的是在不引起任何怀疑的情
况下秘密传送消息，因此它的主要要求包 括难以检测和大容量。 • (2)数字水印:它是指嵌在数字产品中的数 字信号，其目的是进行版权保护、所有权 证明、指纹和完整性保护等，因此，它的 性能要求是鲁棒性和不可感知性等。
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第五章 信息隐藏技术
5.1 信息隐藏的概念 5.2 隐藏信息的基本方法 5.3 数字水印 5.4 数字隐写 5.5 数字指纹
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5.1 信息隐藏的概念
• 信息隐藏把一个待保护的秘密信息隐藏在另一个 称为载体的信息中，非授权者不知道这个普通的 载体信息中是否隐藏了其他的信息，而且即使知 道也难以提取或去除隐藏的信息。所用的载体可 以是文字、图像、声音及视频等。
• DCT变换域的基本思想是:先计算原始图像D的离 散余弦变换(DCT)，然后将隐秘信息叠加到变换 域的系数上(不包括直流分量)，这些系数通常为 图像的低频分量。
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5.2.3压缩域算法
• 基于JPEG、MPEG标准的压缩域信息隐藏 系统不仅节省了大量的完全解码和重新编 码过程，而且在数字电视广播及 VOD(Video on Demand)中有很大的实 用价值。相应地，隐秘信息的检测与提取 也可直接在数据的压缩域中进行。
8
• 成功的信息隐藏通常需要满足以下技术要 求：
• 1．透明性（invisibility）或不可感知性（ imperceptibility）。
• 2．鲁棒性（robustness）。 • 3．安全性（security）。 • 4．不可检测性（undetectability）。 • 5．自恢复性。 • 6．嵌入强度（信息量）。
• 按检测是否需要载体信息参与分类，可分为 非盲检测算法和盲检测算法。非盲检测算法 中隐秘信息的检测需要原始载体的参与，而 盲检测算法中隐秘 信息隐藏的概念
• 按照保护对象分类，主要分成以下几类： • (1)隐写术：目的是在不引起任何怀疑的情
况下秘密传送消息，因此它的主要要求包 括难以检测和大容量。 • (2)数字水印:它是指嵌在数字产品中的数 字信号，其目的是进行版权保护、所有权 证明、指纹和完整性保护等，因此，它的 性能要求是鲁棒性和不可感知性等。
信息隐藏技术课件 第三章 图像信息隐藏与水印
为改变上述算法，可以采用游 程编码方法在二值图像中隐藏 信息。采用游程编码方式隐藏 的信息量较大，而且隐写后的 载体图像和原始载体图像从视 觉效果上看差别不大，是较好 的一种二值图像信息隐藏方法。
【思考题】
• 1.二值图像信息隐藏另一种方 法原理如下：将二值图像分块， 使用一个与图像块大小相同的 密钥二值图像块，与每一个图 像块按像素进行“与”运算， “与”运算的结果可以确定是 否在该块中嵌入数据，或嵌入 怎样的数据。设计并实现该算 法。
• 该方法存在一定的缺陷，没有 明确界定哪些像素可以修改以 便于隐藏秘密信息，二值图像 中某些像素的修改可能会引起 二值图像视觉效果上的较大变 化，相应的水印嵌入算法可能 在较大程度破坏图像的质量。 • 为达到较好的隐藏效果，可以 采用游程编码方法在二值图像 中隐藏信息。
• 游程编码的概念在图像压缩的 过程中经常使用，如下图所示 的编码为：<0,3>, <1,5>, <0,4>, <1,2>,<0,1>。其中0 表示白色像素点，1表示黑色 像素点。
• Patchwork方法典型算法只能隐藏 1bit的信息，也就是只能说明该 图像是否存在水印，隐藏的信息 量比较小，但是该算法的鲁棒性 较强。该算法的原理如下：随机 选择两个集合A={ai}和B={bi}， 要求A和B中含有相同图像系数， 设为n；将集合A中所有样点的像 素值增加d，同时将集合B中所有 样点的像素值减少d，这样两个集 合中的样值都经过微小的改动。
【实验步骤】
• 1.嵌入秘密信息 • 2.提取秘密信息 原始图像和携密图像从视觉效 果上几乎相同。提取时，首先 将两个图像块集合的样本分别 求平均值，计算两个样本均值 的差来判断水印信息是否存在。 把整个图像中的像素全部分成 两组，也可以通过随机的方式 实现。
信息隐藏与数字水印技术
信息隐藏与数字水印技术信息隐藏模型信息隐藏 (Information Hiding)不同于传统的密码学技术。
密码技术主要是研究如何将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式 (密文 )进行传递；而信息隐藏则主要研究如何将某一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息。
对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全；但对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者则难以从公开信息中判断机密信息是否存在，难以截获机密信息，从而能保证机密信息的安全。
多媒体技术的广泛应用，为信息隐藏技术的发展提供了更加广阔的领域。
我们称待隐藏的信息为秘密信息 (secret message)，它可以是版权信息或秘密数据，也可以是一个序列号；而公开信息则称为载体信息 (cover message)，如视频、音频片段。
这种信息隐藏过程一般由密钥 (Key)来控制，即通过嵌入算法(Embedding algorithm)将秘密信息隐藏于公开信息中，而隐蔽载体 (隐藏有秘密信息的公开信息 )则通过信道(Communication channel)传递，然后检测器 (Detector)利用密钥从隐蔽载体中恢复 /检测出秘密信息。
信息隐藏技术主要由下述两部分组成 :(1 )信息嵌入算法，它利用密钥来实现秘密信息的隐藏。
(2 )隐蔽信息检测 /提取算法 (检测器 ) ，它利用密钥从隐蔽载体中检测 /恢复出秘密信息。
在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载体中得到或删除，甚至发现秘密信息。
信息隐藏特点信息隐藏不同于传统的加密，因为其目的不在于限制正常的资料存取，而在于保证隐藏数据不被侵犯和发现。
因此，信息隐藏技术必须考虑正常的信息操作所造成的威胁，即要使机密资料对正常的数据操作技术具有免疫能力。
这种免疫力的关键是要使隐藏信息部分不易被正常的数据操作 (如通常的信号变换操作或数据压缩 )所破坏。
信息隐藏与数字水印绪论讲课文档
– 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
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
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藏和隐蔽信息传输过程
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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
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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
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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
数字水印基本理论
数字水印基本理论
李同亮
数字水印基本理论
• 概述 • 信息隐藏 • 数字水印 • 文本数字水印
一、概述
现代的版权保护制度最突出的特 点之一是出现了专门的版权保护技术。 在版权保护方面，法律与技术之间存 在着密切的互补关系，当法律的威慑 力不足以制止侵权行为时，技术手段 就用来弥补法律的不足。随着多媒体 技术特别是声像数据压缩技术的发展， CD音乐、VCD影碟、电脑动画等数字 化产品逐渐走进了人们的生活， Intemet的迅猛发展更为数字作品的 广泛传播创造了条件。
3.2 数字水印系统的基本原理
• 水印提取：嵌入过程的逆过程。其模 型如图所示：
四、文本数字水印
• 文本文档的分类 • 文本文档的特点 • 文本数字水印的研究现状 • 文本数字水印基本理论 • 文本数字水印所用到的理论知识 • 研究方向
4.1 文本文档的分类
所谓文本文档就是文字信息的数字 化表示所形成的电子文件。在对文字信 息的数字化过程中，由于来源不同对文 档内容描述方式不同。因而，文本文档 的表现形式也不尽相同。 概括来说，文本文档分为两大类:一 种是以 ASCll码表示内容并包含格式的 文档格式文件，其中汉字用双字节表示; 另一种是以象素点阵的方式描述内容的 文档图像表示文件。
一、概述
用于版权保护的数字水印一般称 为稳健水印。利用这种水印技术在多 媒体内容的数据中嵌入创建者或所有 者的标识信息，或者嵌入购买者的标 识(即序列号)。用于版权保护的数字 水印要求有很强的稳健性，除了要求 在一般图像处理，如滤波、加噪声、 部分替换、压缩等中能生存外，还需 要能抵抗一些恶意攻击。 然而目前，尚无能十分有效用于 实际版权保护的稳健水印算法。
• 信息隐藏技术主要由下述两部分 组成: 1.信息嵌入算法，它利用密钥来 实现秘密信息的隐藏。 2.隐蔽信息检测或提取算法(监 测器)，它利用密钥从隐蔽载体 中检测或恢复出秘密信息。在密 钥未知的前提下，第三者很难从 隐秘载体中得到或删除、甚至发 现秘密信息。
李同亮
数字水印基本理论
• 概述 • 信息隐藏 • 数字水印 • 文本数字水印
一、概述
现代的版权保护制度最突出的特 点之一是出现了专门的版权保护技术。 在版权保护方面，法律与技术之间存 在着密切的互补关系，当法律的威慑 力不足以制止侵权行为时，技术手段 就用来弥补法律的不足。随着多媒体 技术特别是声像数据压缩技术的发展， CD音乐、VCD影碟、电脑动画等数字 化产品逐渐走进了人们的生活， Intemet的迅猛发展更为数字作品的 广泛传播创造了条件。
3.2 数字水印系统的基本原理
• 水印提取：嵌入过程的逆过程。其模 型如图所示：
四、文本数字水印
• 文本文档的分类 • 文本文档的特点 • 文本数字水印的研究现状 • 文本数字水印基本理论 • 文本数字水印所用到的理论知识 • 研究方向
4.1 文本文档的分类
所谓文本文档就是文字信息的数字 化表示所形成的电子文件。在对文字信 息的数字化过程中，由于来源不同对文 档内容描述方式不同。因而，文本文档 的表现形式也不尽相同。 概括来说，文本文档分为两大类:一 种是以 ASCll码表示内容并包含格式的 文档格式文件，其中汉字用双字节表示; 另一种是以象素点阵的方式描述内容的 文档图像表示文件。
一、概述
用于版权保护的数字水印一般称 为稳健水印。利用这种水印技术在多 媒体内容的数据中嵌入创建者或所有 者的标识信息，或者嵌入购买者的标 识(即序列号)。用于版权保护的数字 水印要求有很强的稳健性，除了要求 在一般图像处理，如滤波、加噪声、 部分替换、压缩等中能生存外，还需 要能抵抗一些恶意攻击。 然而目前，尚无能十分有效用于 实际版权保护的稳健水印算法。
• 信息隐藏技术主要由下述两部分 组成: 1.信息嵌入算法，它利用密钥来 实现秘密信息的隐藏。 2.隐蔽信息检测或提取算法(监 测器)，它利用密钥从隐蔽载体 中检测或恢复出秘密信息。在密 钥未知的前提下，第三者很难从 隐秘载体中得到或删除、甚至发 现秘密信息。
DH_5.1图象信息隐藏与水印算法_v2_精讲典型算法
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=
得出结论：给定信道容量，可用不同的带宽和 信噪比来传输信息。当信噪比较小时（干扰很 强），可用宽带系统传输信息。
Datahiding & Digital Watermark 11
2014/10/23
Cox等人研究发现，在对感官质量影响最关键 （或对信号处理和攻击具有很好鲁棒性）的区 域嵌入水印，将使水印系统具有较强鲁棒性。 矛盾的是，嵌入带来的、对这些区域的修改， 会导致载体感官质量下降。 为了解决上述矛盾，Cox将载体(变换域）视为 通信信道，将水印视为信道上传输的信号，将 传输过程中水印系统必须抵抗的处理（攻击） 视为噪声。类比扩频通信技术，将水印以扩频 的方式嵌入到载体最重要的频谱成分中。
扩频通信基本原理
将扩频通信的概念应用到隐蔽通信系统中。 隐蔽通信系统就是试图一 小部分载体，也很难删除整个信息。
2014/10/23
Datahiding & Digital Watermark
13
3 变换域算法
基于扩频思想的数字水印算法
图像信息隐藏算法一
钮心忻、杨榆 北京邮电大学 计算机学院 信息安全中心 yangyu@
图像信息隐藏技术分类
图像隐写算法
隐蔽性 能够抵抗各种信号处理、攻击 完整性验证、篡改定位
图像鲁棒性水印
图像脆弱性水印
2014/10/23
Datahiding & Digital Watermark
QIM量化索引调制（Quantization Index Modulation） 根据要嵌入的信息，使用不同的量化器对图 像进行量化，得到的图像就是含有嵌入信息 的图像
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=
得出结论：给定信道容量，可用不同的带宽和 信噪比来传输信息。当信噪比较小时（干扰很 强），可用宽带系统传输信息。
Datahiding & Digital Watermark 11
2014/10/23
Cox等人研究发现，在对感官质量影响最关键 （或对信号处理和攻击具有很好鲁棒性）的区 域嵌入水印，将使水印系统具有较强鲁棒性。 矛盾的是，嵌入带来的、对这些区域的修改， 会导致载体感官质量下降。 为了解决上述矛盾，Cox将载体(变换域）视为 通信信道，将水印视为信道上传输的信号，将 传输过程中水印系统必须抵抗的处理（攻击） 视为噪声。类比扩频通信技术，将水印以扩频 的方式嵌入到载体最重要的频谱成分中。
扩频通信基本原理
将扩频通信的概念应用到隐蔽通信系统中。 隐蔽通信系统就是试图一 小部分载体，也很难删除整个信息。
2014/10/23
Datahiding & Digital Watermark
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3 变换域算法
基于扩频思想的数字水印算法
图像信息隐藏算法一
钮心忻、杨榆 北京邮电大学 计算机学院 信息安全中心 yangyu@
图像信息隐藏技术分类
图像隐写算法
隐蔽性 能够抵抗各种信号处理、攻击 完整性验证、篡改定位
图像鲁棒性水印
图像脆弱性水印
2014/10/23
Datahiding & Digital Watermark
QIM量化索引调制（Quantization Index Modulation） 根据要嵌入的信息，使用不同的量化器对图 像进行量化，得到的图像就是含有嵌入信息 的图像
信号处理课件05音频信息隐藏与水印算法
回声信号的检测。
信息隐藏与数字水印
38
回声隐藏
如何隐藏多个比特？
2023/12/20
语音信号分为多个片段，每个分段加入对应不同回声
例：若回声延迟为0.5毫秒代表比特“1”，回声延迟
为1毫秒代表比特“0”，回声幅度衰减系数为0.5，
分段长度为2毫秒，请给出下面信号嵌入比特 “1,0”
以后所得信号
33
回声隐藏（深入讨论）
混合信号复倒谱自相关
混合信号复倒谱自相关（局部）
1
1.2
1.1
0.9
1
0.8
0.9
0.7
0.8
0.6
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2023/12/20
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信息隐藏与数字水印
2
46810 Nhomakorabea12
14
16
34
回声隐藏（深入讨论）
回 声 延 迟 :8
回 声 延 迟 :12
1.6
0.9
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信息隐藏与数字水印
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回声隐藏
如何隐藏多个比特？
2023/12/20
语音信号分为多个片段，每个分段加入对应不同回声
例：若回声延迟为0.5毫秒代表比特“1”，回声延迟
为1毫秒代表比特“0”，回声幅度衰减系数为0.5，
分段长度为2毫秒，请给出下面信号嵌入比特 “1,0”
以后所得信号
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回声隐藏（深入讨论）
混合信号复倒谱自相关
混合信号复倒谱自相关（局部）
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信息隐藏与数字水印
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回声隐藏（深入讨论）
回 声 延 迟 :8
回 声 延 迟 :12
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5视频信息隐藏与水印算法数字水印基础教程
22
方案一——原始视频水印
空域（Hartung等，1996，1998）
将视频序列从左到右、从上到下以及时间 上的先后顺序进行扫描，变成一个一维信 号 再将水印信号扩展、放大和调制，得到一 个伪随机序列 利用人眼的视觉掩盖效应，在空间域精确 地控制嵌入水印信息的嵌入幅度，使其在 满足不可见性条件下具有抵抗有损压缩的 能力
29
视频序列 GOP(随机访问单元)
I
B B P
B
B P
B
B I
B B 嵌入位置 2
Y
当前帧
被匹配宏块 匹配宏块 最佳匹配宏块 运动矢量
求 差 值
0 2
1 3
Cb Cr 4 5
DCT,量化,扫描,RLE
预测误差宏块 DPCM
d (d x , d y )
Huffman 编码
比特流
参考帧
嵌入位置 3
33
方案二——基于视频编码
E. Koch（1995）提出了一种基于分块DCT变换 的水印嵌入算法，用于静止图象水印
将图象按8×8的块进行分割并作DCT变换，接着利 用伪随机的方法选出所有DCT块的一个子集，对这 一子集中的每一个块进行嵌入
以上方法针对视频的I帧图象，因为I帧是帧内 编码，可以用静止图象水印方案 对于前向预测P帧，根据P帧和参考的I或P帧关 系，通过修改冗余掩膜嵌入水印 对于双向预测B帧也类似
应与视频编码标准相结合
3
视频水印的应用
版权保护 隐含标识 信息认证 隐蔽通信 完整性保护
4
应用例1
DVD版权保护系统
信息隐藏与数字水印技术
差分隐私的优点是能够提供强有力的 隐私保护，但缺点是可能会影响数据 分析的准确性。
03
数字水印技术原理
数字水印的嵌入方法
空域嵌入
直接修改图像的像素值来嵌入水印，通常用于可见水印。
频域嵌入
在图像的频率域中嵌入水印，通过修改图像的变换系数实现，具 有较好的鲁棒性。
量子嵌入
利用量子力学原理将水印信息以量子状态的形式隐藏在图像中， 具有极高的安全性。
02
信息隐藏技术原理
隐写术
隐写术是一种将秘密信息隐藏在普通数据中的技术。它通过改变数据的一 些属性，如像素值、音频信号幅度等，来编码秘密信息。
隐写术通常用于在不破坏原始数据的情况下传递秘密信息，接收者需要使 用特定的方法来提取隐藏的信息。
隐写术的优点是隐蔽性好，难以被察觉，但缺点是容量较小，只能传递少 量信息。
对于不同类型的数据，如音频、视频、图像等，信息隐藏和数字水 印技术的适用性和效果也有所不同，需根据实际情况选择。
根据安全性要求选择
如果对数据的安全性要求较高，可以选择信息隐藏技术；如果更关注 数据的完整性和来源认证，可以选择数字水印技术。
信息隐藏与数字水印技术的发展趋势
信息隐藏技术的进一步发 展
随着信息技术的不断进步，信息隐藏技术将 不断改进和完善，提高隐蔽性和鲁棒性。
数字水印技术的多元化应用
随着多媒体技术的普及，数字水印技术将广泛应用 于版权保护、内容认证等领域，并呈现出多元化的 发展趋势。
信息隐藏与数字水印技术 的融合
未来信息隐藏与数字水印技术将相互借鉴和 融合，形成更加高效和安全的信息保护技术 。
05
信息隐藏与数字水印技术的应用 案例
信息隐藏在数据传输中的应用案例
信息隐藏与数字水印技术的应用场景
03
数字水印技术原理
数字水印的嵌入方法
空域嵌入
直接修改图像的像素值来嵌入水印，通常用于可见水印。
频域嵌入
在图像的频率域中嵌入水印，通过修改图像的变换系数实现，具 有较好的鲁棒性。
量子嵌入
利用量子力学原理将水印信息以量子状态的形式隐藏在图像中， 具有极高的安全性。
02
信息隐藏技术原理
隐写术
隐写术是一种将秘密信息隐藏在普通数据中的技术。它通过改变数据的一 些属性，如像素值、音频信号幅度等，来编码秘密信息。
隐写术通常用于在不破坏原始数据的情况下传递秘密信息，接收者需要使 用特定的方法来提取隐藏的信息。
隐写术的优点是隐蔽性好，难以被察觉，但缺点是容量较小，只能传递少 量信息。
对于不同类型的数据，如音频、视频、图像等，信息隐藏和数字水 印技术的适用性和效果也有所不同，需根据实际情况选择。
根据安全性要求选择
如果对数据的安全性要求较高，可以选择信息隐藏技术；如果更关注 数据的完整性和来源认证，可以选择数字水印技术。
信息隐藏与数字水印技术的发展趋势
信息隐藏技术的进一步发 展
随着信息技术的不断进步，信息隐藏技术将 不断改进和完善，提高隐蔽性和鲁棒性。
数字水印技术的多元化应用
随着多媒体技术的普及，数字水印技术将广泛应用 于版权保护、内容认证等领域，并呈现出多元化的 发展趋势。
信息隐藏与数字水印技术 的融合
未来信息隐藏与数字水印技术将相互借鉴和 融合，形成更加高效和安全的信息保护技术 。
05
信息隐藏与数字水印技术的应用 案例
信息隐藏在数据传输中的应用案例
信息隐藏与数字水印技术的应用场景
图象信息隐藏与水印算法(1)
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
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
100101011010101010 110101001010111011 010100101011010101 010110010101010110 001111010110101111 010011100110100011 010100111101101101 011101110100010010 010101110110101001 010110101010101100 101010101100011110 101101011110100111 秘密信息流 001101000110101001 111011011010111011 101000100100011001
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
数字水印技术与图象隐藏
数字水印技术与图象隐藏一、引言随着多媒体技术已广泛应用，网络的普及，人们的交流也越来越便捷但是信息的安全保护问题日益突出。
当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，采用公钥或私钥控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。
但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全。
最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。
“数字水印”技术在图象隐藏方面有着广泛的用途。
能够很好地达到隐藏图象的作用，使我们有用的信息得以加密。
二、数字水印数字水印技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。
数字水印在信息隐藏及图象隐藏方面有着极为广泛的应用。
数字水印技术的基本思想源于古代的密写术。
古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热木板，融化石蜡后，就可以看到密信。
使用最广泛的密写方法恐怕要算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。
可以说人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。
然而，与密码技术相比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，究其原因，主要是因为密写术缺乏必要的理论基础。
如今，数字化技术的发展为古老的密写术注入了新的活力，也带来了新的机会。
在研究数字水印的过程中，大量借鉴了密写技术的思想。
尤其是近年来信息隐藏技术理论框架研究的兴起，更给密写术成为一门严谨的科学带来了希望。
毫无疑问，密写技术将在数字时代得以复兴。
以密写技术为基础的数字水印技术将在未来的信息隐藏及图片隐藏技术中扮演重要的角色。
数字水印具有以下特点：1、隐蔽性：在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质，并且不易被察觉。
2、隐藏位置的安全性：水印信息隐藏于数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。
数字图像水印技术
NEC实验室的COX等人提出的基于扩展频谱的 水印算法在数字水印算法中占有重要地位，这一算 法提出了强壮水印算法的几个重要原则。首先，水 印信号应该嵌入数据中对人的感觉最重要的部分。 其次，水印信号应该由具有高斯分布的独立与分布 随机实数序列构成。
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频域的图像水印技术
下面介绍一下具体水印嵌入过程。 图像和水印信息图像进行颜色模型转换，从RGB颜
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空域图像水印技术
经典的LSB算法就是将水印信息放置在原始图像 中对于人类视觉最不敏感的地方，在空域中，通常选 择改变原始图像中像素的最低位来实现水印的嵌入和 提取。下面用一个具体的算法来说明。
嵌入过程：将水印信号经过颜色模型转换后 再转化为二进制数据码流；原始图像同样经过颜色模 型转换后，将其每个字节的高7位依次异或；最后再用 原始图像像素字节位异或结果与二进制数码流异或后 写入其最低位。如下图所示为基于LSB算法的水印嵌入 过程。
首先来看水印的嵌入过程，所谓水印嵌 入过程就是将水印信息隐藏到宿主数据中， 从图像处理的角度看，嵌入水印可以视为在 强背景（原始图像）下叠加一个弱信号（水 印信号），
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数字水印技术的基本原理
由于人的视觉系统分辨率受到一定的限制 ，只要叠加信号的幅度低于对比度门限，就 无法感觉到信号的存在，对比度门限受视觉 系统的空间、时间和频率特性的影响。因此 ，通过对原始图像作一定的调整，有可能在 不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。另 一方面，从数字通信的角度来看，水印嵌入 过程可理解为在一个宽带信道（原始图像） 上用扩频通信技术传输一个宽带信号（水印 信号），尽管水印信号具有一定能量，但分 布到信道中任一频率上的能量是难以检测的 ，
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频域的图像水印技术
下面介绍一下具体水印嵌入过程。 图像和水印信息图像进行颜色模型转换，从RGB颜
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空域图像水印技术
经典的LSB算法就是将水印信息放置在原始图像 中对于人类视觉最不敏感的地方，在空域中，通常选 择改变原始图像中像素的最低位来实现水印的嵌入和 提取。下面用一个具体的算法来说明。
嵌入过程：将水印信号经过颜色模型转换后 再转化为二进制数据码流；原始图像同样经过颜色模 型转换后，将其每个字节的高7位依次异或；最后再用 原始图像像素字节位异或结果与二进制数码流异或后 写入其最低位。如下图所示为基于LSB算法的水印嵌入 过程。
首先来看水印的嵌入过程，所谓水印嵌 入过程就是将水印信息隐藏到宿主数据中， 从图像处理的角度看，嵌入水印可以视为在 强背景（原始图像）下叠加一个弱信号（水 印信号），
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数字水印技术的基本原理
由于人的视觉系统分辨率受到一定的限制 ，只要叠加信号的幅度低于对比度门限，就 无法感觉到信号的存在，对比度门限受视觉 系统的空间、时间和频率特性的影响。因此 ，通过对原始图像作一定的调整，有可能在 不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。另 一方面，从数字通信的角度来看，水印嵌入 过程可理解为在一个宽带信道（原始图像） 上用扩频通信技术传输一个宽带信号（水印 信号），尽管水印信号具有一定能量，但分 布到信道中任一频率上的能量是难以检测的 ，
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信息隐藏与通信保密-07数字水印原理
数字水印分类
外观分类： 1）可见水印 2）不可见水印
数字水印分类
加载方法上分类： 1）空间域分类：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
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 6. 使用控制
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）失真的主观和客观评价
数字水印的研究方向
数字水印理论 数字水印健壮性分析 数字水印的协议 等等
信息隐藏与通信保密
07节 数字水印基本原理
本次内容目录：
——数字水印基本原理—— 所以本章主要内容： 1）数字水印的背景 2）数字水印的定义 3）数字水印的分类 4）数字水印的评价 5）数字水印的应用与方向
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）
档案图片隐藏数字水印分析
档案图片隐藏数字水印分析随着数字化技术的不断发展，数字水印技术已经成为了信息隐藏领域中的重要技术之一。
数字水印是指在数字化信息中嵌入一些隐蔽的标识，以验证、保护或追踪数字内容的技术。
档案图片是经常被嵌入数字水印的一种载体，通过分析档案图片隐藏数字水印的技术，可以更好地了解数字水印技术的应用和发展。
档案图片隐藏数字水印技术是将一些隐蔽的信息嵌入到原始图片中，这些信息可以是文字、数字、图形等形式。
嵌入数字水印的目的是为了在不影响原始图片的质量和美观度的前提下，在图片中隐藏一些不可见的信息。
通过这种方式，在对图片进行编辑或复制的过程中，可以追踪、验证或保护图片的所有权和完整性。
具体来说，档案图片隐藏数字水印的过程包括以下几个步骤：1. 物理模型选择：选择一个适合图片隐藏数字水印的物理模型，例如选择在像素域还是频域进行数字水印的嵌入和提取。
2. 数字水印生成：根据需要隐藏的信息，生成相应的数字水印，这些数字水印可以是一些特定的码字序列，也可以是一些统计模型，具体选择取决于隐藏信息的特性。
3. 嵌入过程：将生成的数字水印嵌入到原始图片中，这一过程通常需要结合一些调制和编码技术，以确保数字水印的隐蔽性和鲁棒性。
4. 提取过程：对包含数字水印的图片进行提取操作，将嵌入的数字水印从图片中提取出来，并进行解码，最终得到隐藏的信息。
档案图片隐藏数字水印技术在许多领域都有着重要的应用价值。
从实用的角度来看，这种技术可以用于图像信息的身份验证、版权保护、图像内容的跟踪和追踪等方面。
档案图片隐藏数字水印技术还可以应用于数字取证，在刑事案件调查和司法实践中发挥着重要的作用。
在商业和娱乐领域，档案图片隐藏数字水印技术也有着广泛的应用。
数字水印可以用于数字产品的防伪和防欺诈，可以为数字化的艺术品和影视作品提供版权保护，以及对数字化的档案图片进行安全存储和传输。
对于档案图片隐藏数字水印技术的研究，分析方法是至关重要的。
在数字水印的分析过程中，通常需要考虑到数字水印的隐蔽性、鲁棒性和安全性等方面的特点。
数字水印算法
数字水印算法
数字水印算法是一种数字版权保护技术，用于将特定信息嵌入数
字媒体中，以保护版权和防止盗版。
数字水印可以嵌入到图像、音频、视频等数字媒体中，不会影响原始媒体的质量和内容，但又能够将特
定的标识信息嵌入进去。
数字水印算法包括空域算法和频域算法两种，其中空域算法是在原始媒体中直接嵌入数字水印，而频域算法则是在
傅里叶变换后的频域中嵌入数字水印。
数字水印算法具有不可见性、
稳定性、鲁棒性和保密性等优点，已被广泛应用于数字版权保护、证
据保全、信息认证等领域。
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28
隐藏算法
计算图像边界 筛选隐藏位置 数据预处理（加密、随机化等） 数据替换
29
提取算法（需要原始图像）
从原始图像确定隐藏位置 提取信息
30
隐藏了764bits
31
4 渐进图像数字水印
图像渐进传输技术
网络用户在浏览图片时，首先获得一幅模糊 图像，随着时间的推移，用户可以逐步获得 更加清晰的图像，而如果用户不想看这幅图 像的全貌，可以取消该图像的进一步传输。 这样即节省了用户的时间，又节省了网络带 宽
b a (1 s)
组合图像形成嵌入信息的图像
16
提取算法
将接收图像分为88 的图像块 嵌入位置上的值记为b’ 在嵌入位置上，初始值设为零，用插值算 法根据周围像素值计算这些位置的值，记 为a’(=a)
b' ( 1) s' a
组合s并反置乱
17
原始载体图像 Lena ，512512
R0 3
0
[ R0 , R0 ] [ R1 , R1 ]
0.5
R1 3
1
42
嵌入算法
嵌入1
修改像素值，使得黑色像素的比例在[R1,R1+] 如果修改太大，则标志为无效
修改像素值，使得黑色像素的比例大于R1+3或小于R0 －3
嵌入0
修改像素值，使得黑色像素的比例在[R0-, R0] 如果修改太大，则标志为无效
位图文件头 位图信息头 调色板 图像矩阵
47
调色板：
256种颜色索引列表 (i, RGBi) 大部分图像，用到的颜色数小于256 存在冗余
算法基础
48
嵌入算法
把图像中某一个已用到的颜色值，复制到一 个没有使用过的颜色索引对的颜色值 1 RGB1 2 RGB2 i RGBi 1 RGB1 2 RGB2 i RGB2
CPP ：对被保护的数字产品 C 进行的 预处理 WPP ：对数字水印 W 进行的预处理 G ：数字水印嵌入算法 1 CPP ：CPP 的逆操作 C：被保护的数字产品 W：水印信息 K：数字水印嵌入算法的密钥 5 CW ：嵌入数字水印后的数字产品
数字水印框架
提取
C
CW
CPP
W' /水印是否
22
算法扩展
多址隐藏
选择多个不同的位置，嵌入多幅图像
23
Lena 原始图像
Airplane原始图像
隐藏了Airplane的Lena图PSNR=26.91db
24
被破坏的图像
恢复的Airplane PSNR=14.02db
25
Hall原始图像
49
编码规则
0：位于调色板前面的颜色索引 1：位于调色板后面的颜色索引 在图像中找到两个有相同颜色但不同索引的 像素 索引号小：0 索引号大：1
50
提取算法
特点：
对图像无任何修改 信息隐藏在调色板中
51
6 小波系数量化法
邻近值算法：对小波系数进行量化编码 嵌入
C 小波变换
修改像素值，使得黑色像素的比例大于R1+3或小于R0 －3
43
修改应在黑白交界处进行
数据修改方法
如果需要将某一个像素的最高位b修改为1-b， 则修改方法为： 在该像素周围的8个像素中，寻找最高位值 为1-b，并且与原像素值最接近的像素，用 它的值代替被修改像素的值
44
提取算法
图像渐进传输时，接收端首先收到图像 的最高位平面图像，该图像可以看作一 幅二值图像 将该图像分块，计算每一图像块中“黑” 像素所占的比例
38
Step3至Step7与前几步相类似
39
40
渐进图像水印算法
图像渐进传输中第一阶段传输的是最高 位平面，在接收端接收到的实际上是一 个二值图像 为了在渐进传输的第一阶段可以恢复水 印数据，需要将数据隐藏到最高有效位 上，数据的隐藏类似一个二值图像的水 印隐藏
41
嵌入算法
将图像分为8x8的块，将每个图像块分为 8个位平面，从高位到低位依次记为 P0,P1,…P7。P0是要隐藏数据的位平面 将最高位平面作为一幅二值图像进行数 据隐藏。计算每一个块中的“黑”像素 （即：值为1）的出现频率 P1 ( P 0)和 P0 ( P 0) “白”像素（即：值为0）的出现频率
5.1 图像信息隐藏（数字水印） 算法
图像水印算法介绍
普通图像水印 图像鲁棒性水印 图像脆弱性水印
2
数字水印三要素
水印本身的结构
版权所有者、合法使用者等具体信息 伪随机序列 图标
水印嵌入算法 水印检测算法
3
数字水印框架
嵌入
C
CPP
G
W
CPP
1
CW
WPP
K
4
53
提取
水印提 取处理
小波变换
置乱恢复
K
（b）水印提取过程
54
数字水印分存的思想
密钥分存：将一个密钥分解成n份，只有 知道了其中的至少t份(t小于等于n）才 能恢复出原来的秘密信息 数字水印分存算法实际上就是密钥分存 的思想应用于数字水印
55
7 基于Lagrange插值的密钥分 存水印算法
Step2
计算原图像中所有前三位最高有效位为 111、110、101、100、011、010、001 和000的像素值的平均值，记为Ck 向客户端传输最高有效位平面P2和Ck 客户端利用接收到的数据重建图像，首 先使用已接收到的最高有效位为计算重 建图像的像素值，再使用Ck的值计算新 的像素值
27
满足以下条件的位置不能隐藏数据：
该像素既是其所在区域的左边界，同时又是右边界； 该像素既是其所在区域的上边界，同时又是下边界； 该像素只是左边界、右边界、上边界、下边界四种 边界情况中的一种情况； 该像素的周边八个像素中与该像素同色的所有像素 都是既是左边界或右边界，同时又是上边界或下边 界。
OC oc(i, j ),1 i, j N
OS os(i, j ),1 i, j N
14
伪随机置换：对原始秘密图像进行伪随 机置换，得到OS 将图像OS 和 OC分为大小分别为44和 88的图像块
15
嵌入算法
在OC的嵌入位置上，初始值设为零 用插值算法根据周围像素值计算这些位置的 值，记为a 计算新值b
10
1 图像插值数字水印
是一种空间域水印 图像插值的主要目的是确定图像中一些 未知像素值，可用于受损图像的修复， 图像的放大等处理操作
11
插值
12
算法实现
OC为原始载体图像 OS为原始秘密图像， N=N/2
OS
OC
13
算法实现
目的是将OS隐藏到OC中，并将得到的新 图像通过公开信道进行传送
基于DCT算法 取n=9, t=3 数字水印为二值图像，对水印图像进行 加密处理，形成随机噪声。对数据进行 适当分组，转化为十进制数 将十进制数分为n份（例如有限域上多项 式方法）
56
嵌入：将载体图像分为n份，每份嵌入分 存后的水印（例如用DCT一组系数比较 法） 提取：只要获得其中3份就可以恢复出水 印信息 1 2 3
如果大于R1+3或小于R0－3，无效块 如果在[R1,R1+]，提取1 如果在[R0-, R0]，提取0
45
仿真结果
R1=0.55, R0=0.45, 0.05
Lena图像
加载159bits水印的Lena PSNR = 49.6db
46
5 无失真数据隐藏算法
适用：以BMP格式存储的每像素8位编码 的图像 BMP文件：
D K
WRP
存在
6
D ：数字水印提取算法 WRP：
对直接提取水印的算法，就是 WPP 的逆操作 对判决水印存在与否的算法，则就是数字水印的 判决算法 直接提取水印 判断水印是否存在
提取过程的输出：两种
提取过程中，是否需要原始载体，取决于嵌 入提取算法 7
根据预处理的不同，可以分为
原始秘密图像 Airplane ，256256
伪装后的载体图像. PSNR=43.12db
恢复的秘密图像. PSNR=29.83db.
18
特点
此算法是一个空间域的图像水印算法，它对 图像压缩、滤波等处理带来的破坏的抵抗力 较弱 适用于隐蔽传输（无干扰环境） 系数的选择：不能太大或太小
对载体图像做8x8的DCT变换
t1 t3 t2 t4
s3 s4 s1 s2
20
嵌入：
用t的值替换s的值
s t
越大，恢复的秘密图像的质量越好，而隐 藏后的载体图像质量则越差 越小，则情况相反
21
提取：
对载体图像做8x8的DCT变换 对相应位置计算： t (1 / ) s 组合t形成秘密图像