信息隐藏与数字水印技术共59页文档
信息隐藏技术在数字水印中的应用探究
信息隐藏技术在数字水印中的应用探究随着数字化时代的到来，数字媒体成为人们日常生活不可或缺的一部分。
然而，数字内容的广泛传播也给版权保护、数据完整性等方面带来了挑战。
为了解决这些问题，人们开始研究和应用信息隐藏技术，其中数字水印技术成为一种重要的手段。
本文将探究信息隐藏技术在数字水印中的应用，分析其原理和发展趋势。
一、信息隐藏技术的基本原理信息隐藏技术是通过在数字媒体中插入一种无感知的信息，使其不影响原始媒体内容的可视和可听性，同时实现对信息的确认和提取。
数字水印技术作为信息隐藏技术的一种形式，主要通过修改或嵌入数字媒体中的像素值、频谱或数据等，使得水印可以被嵌入和提取。
在数字水印中，嵌入的信息被称为水印信息，而被嵌入信息的数字媒体被称为载体。
嵌入水印的过程主要包含以下步骤：1. 选择合适的水印嵌入域：可以选择像素域、频域或压缩域等进行嵌入。
不同的域选择将影响水印的可靠性和对原始媒体的干扰程度。
2. 将水印信息与载体进行融合：通过修改载体中的像素或数据，将水印信息嵌入到载体中。
这一步骤可以使用不同的算法和技术来实现，如Least Significant Bit (LSB) 替换法、离散余弦变换 (DCT) 等。
3. 水印数据的可靠性检测：在嵌入水印后，需要对水印数据的可靠性进行验证，以确保水印可以被正确提取出来。
二、数字水印的应用领域数字水印技术在多个领域都有着广泛的应用，其中包括版权保护、信息认证、数据完整性等。
1. 版权保护：数字水印技术可以嵌入到音频、视频等数字媒体中，以证明其所有权和保护作品的版权。
一旦其中的水印信息被篡改或删除，就可以通过检测和提取水印来追溯到侵权来源，维护数字内容的版权权益。
2. 信息认证：数字水印技术可以用于验证数字媒体的真实性和完整性。
例如，在数字图像中嵌入水印信息可以用于确定图像是否被篡改过；在音频文件中嵌入水印信息则可以用于确认音频的来源和完整性。
3. 数据完整性：数字水印技术可以用于保护数据的完整性，防止数据在传输或存储过程中被篡改。
信息隐藏与数字水印技术58页
信息隐藏的应用
• 军事和情报部门
–军事通信中通常使用诸如扩展频谱调制或流星 散射传输的技术使得信号很难被敌方检测到或 破坏掉
–伪装式隐蔽通信正是可以达到不被敌方检测和 破坏的目的
• 需要匿名的场合
–包括很多合法的行为，如公平的在线选举、个 人隐私的安全传递、保护在线自由发言、使用 电子现金等
128 127 127 … 121 124 124 … …… 86 85 87 …
利用以
信息隐藏的思想
– 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
• 隐藏者
• 看守者
–被动看守者：只是检查传递的信息有没有可疑的地方 –主动看守者：故意去修改一些可能隐藏有信息的地方，
或者假装自己是其中的一个囚犯，隐藏进伪造的消息， 传递给另一个囚犯
信息隐藏问题
0 1 1… 1 0 0… …… 0 1 1…
128 127 126 … 120 123 124 … …… 85 85 86 …
• 密码仅仅隐藏了信息的内容，而信息伪装不但 隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在；
• 传统的以密码学为核心技术的信息安全和伪装 式信息安全技术不是互相矛盾、互相竞争的技 术，而是互补的；
内容
• 信息伪装技术研究的内容包括信息隐藏和信 息的版权认证，信息访问的合法身份认定等。 其研究涉及密码学，图象处理，模式识别， 数学和计算机科学等领域。
密信息
• 信息隐藏（Information Hiding）
利用人类感知系统以及计算机处理系统的 冗余
信息隐藏——数字水印技术研究
信息隐藏——数字水印技术研究摘要: 作为隐蔽通信的主要技术手段和保护知识产权的有力武器, 以数字水印为代表的信息隐藏技术日趋成熟,本文充分介绍了数字水印技术的研究与应用领域，并展望了其未来发展前景。
关键词:信息隐藏数字水印前景计算机网络已广泛地应用于工业、商业、教育以及日常生活的各个领域,成为信息传输中不可缺少的基础设施。
但是,随之而出现的问题也十分严重:软件资源和数据信息受到非法的复制、篡改和毁坏。
在这种背景下,对多媒体数字信息安全的保护就成了当今数字时代的一个重要的研究课题。
数字水印(Digital Watermarking)技术则为上述问题提供了一套解决方案。
一、数字水印技术概述（一）概念数字水印是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支，是实现版权保护的有效办法。
它是通过一定的算法将具有特定意义的标志性信息(水印)利用数字嵌入的方法隐藏在数字图像、声音、文档、视频等要保护的数字产品中，这种被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息完整性和可靠性。
在数字水印系统中，隐藏信息的丢失即意味着版权信息的丢失，从而也就失去了版权保护的功能，说明这一系统就是失败的。
（二）特征1.不可感知性: 有两个方面: 一个指视觉上的不可见性, 即因嵌入水印导致图像变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的; 另一方面水印用统计方法也是不能恢复的, 如对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在。
2.鲁棒性: 指不因图像文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。
这里所谓“改动”包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、有损编码压缩、D/A 或A/D 转换等。
3.安全性: 指隐藏算法有较强的抗攻击能力, 即它必须能够承受一定程度的人为攻击, 而使隐藏信息不会被破坏。
4.不可检测性: 指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。
第三讲 数字水印及信息隐藏
鲁棒水印主要用于版权保护,易损水印和半易损水印主要用 于认证
静止图象水印 ； 视频水印 ；声音水印 ； 文档水印 ；
按水印所附载的媒体划分 :
六 典型数字水印算法
空域算法 典 型 空 域 方 法 有 最 低 有 效 位 方 法 LSB （ Least Significant Bits）、 Patchwork法和文档结构微调 方法。 LSB方法是将水印直接嵌入到原始信号表示数 据的最不重要的位置（最低有效位）中，这可保 证嵌入的水印是不可见的。该算法的鲁棒性差， 水印信息很容易被滤波、图像量化、几何变形的 操作破坏。
9
三、信息隐藏技术的内容
信息隐藏
隐蔽信道 信息隐藏
匿名
隐写术
数字水印
鲁棒水印
易损水印
版权标识
数字指纹
10
两个重要分支
共同点: 将重要的、秘密的信息嵌入到不受怀疑、公开的数 据中。
隐写术（Steganography）
通常用于秘密通信过程中;秘密的信息可以是任何信 息;一般情况下，隐写术不要求算法具有鲁棒性，也就 是当公开数据被破坏或失真之后，隐藏的信息将无法提 取出来;它着重于最大限度地隐藏和传送信息 .
5
密码学的问题
加密方法保护下的数字媒体一般不具有可 识别和理解性，因此，不利于媒体的的直 接传播和使用 加密方法有一个致命的缺点，那就是它明 确地提示攻击者哪些是重要信息，容易引 起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可 能性 一旦加密文件经过破解后其内容就完全透 明，其保护作用也随之消失
22
五、数字水印的基本特征
数字水印有四个基本特征:不可感知,鲁棒性、安全性、
信息隐藏与数字水印技术
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
信息隐藏与数字水印技术研究
1、空域隐藏技术：这种技术是在图像的像素值中直接嵌入信息。常见的有 空域嵌入算法、最低有效位(LSB)算法等。这种方法的优点是简单易行，但鲁棒 性较差，容易受到图像处理和压缩等操作的干扰。
2、频域隐藏技术：在频域隐藏技术中，信息被嵌入到图像的频率分量中。 这种技术可以抵抗一定的图像处理和压缩，但计算复杂度相对较高。
二、数字水印技术
数字水印是信息隐藏的一种特定形式，主要用于版权保护。数字水印通过将 标识信息（如版权所有者信息、授权信息等）嵌入到数字媒体（如图像、音频、 视频等）中，以实现版权保护和盗版追踪。
数字水印技术按照嵌入信息可分为可见水印和不可见水印。可见水印会改变 载体数据的外观，但通常容易被攻击者移除或篡改。不可见水印不会改变载体数 据的外观，因此对攻击者更具挑战性。
3、建立完善的数字水印评价体系：目前，数字水印的评价主要依赖于人工 评估和客观指标评估。如何建立完善的评价体系，使得数字水印的评估更为准确 和公正，是一个需要解决的问题。
参考内容
数字水印是近年来发展起来的一种信息隐藏技术，它通过将一些特定的信息 隐藏在数字媒体中，以达到保护版权、防止篡改、追踪侵权等目的。基于数字水 印的文本信息隐藏方法的研究也因此成为了信息安全领域中的一个重要方向。
信息隐藏技术的核心原理在于使用人的感觉系统对数据的依赖性。人类的感 觉系统，如视觉、听觉等，对于某些特定类型的数据变化并不敏感。例如，我们 可能无法察觉到一段音频或视频中的微小改变，这就为信息隐藏提供了可能。通 过将信息编码为这些人类感觉系统无法察觉的变化，可以确保信息在传输过程中 的安全性。
另一个重要的信息隐藏技术是数据压缩。在这个方法中，信息的发送者会将 信息编码成一种特殊的格式，使得只有使用正确的解码器才能读取和理解信息。 这种方法在保证信息完整性的也大大提高了信息的保密性。
信息隐藏与数字水印技术
空域算法。该类算法中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位 (LSB:least significant bits)上 ，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重要的像素位 ，算法的鲁棒性差 ，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。Patchwork算法方法是随机选择Ｎ对像素点 (ai，bi) ，然后将每个ai点的亮度值加 1 ，每个bi点的亮度值减 1，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，Patchwork方法对JPEG压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。
透明性 (invisibility) 利用人类视觉系统或人类听觉系统属性 ，经过一系列隐藏处理 ，使目标数据没有明显的降质现象 ，而隐藏的数据却无法人为地看见或听见 。
安全性 (security) 指隐藏算法有较强的抗攻击能力 ，即它必须能够承受一定程度的人为攻击 ，而使隐藏信息不会被破坏 。
1 信息隐藏
1. 1 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。
chap4-12-信息隐藏与数字水印-v2.1
掩体对象:
– 用于隐藏被嵌入信息的载体,在一些信息隐藏系统的 提取过程中也需要掩体信息的参与
隐藏对象:
– 嵌入过程的输出,指将被嵌入对象隐藏在掩体对象中 之后得到的结果
密钥:
– 在隐藏过程中可能需要的附加秘密数据
信息隐藏系统的一般模型
密钥生成器 嵌入密钥 隐藏对象 嵌 入 对 象 嵌入过程 隐藏分析者 嵌入对象 掩体对象 提取过程 提取 密钥 掩体对象
数字水印的基本特征
隐形性(即不可感知性)
– 向数字作品中嵌入数字水印不应引起被保护作品 可感知的质量退化.
鲁棒性(即健壮性)
– 这是数字水印一个极为重要的特征.数字水印必 须能抵抗传输过程中可能受到的处理或变形,使 得版权信息最终仍能够被提取出来,以证明作品 的所有权.
确定性(即可证明性)
– 数字水印所携带的版权信息能够被唯一确定地鉴 别,以判定数字作品的真正所有者
信息隐藏技术特征
鲁棒性(robustness ) 不可检测性 (undetectability) 透明性 (invisibility) 安全性 (security),指隐藏算法有较强的 抗攻击能力 …
数字水印的基本概念
数字水印过程就是向被保护的数字对象(如静止图像, 视频,音频等)嵌入某些能证明版权归属或跟踪侵权 行为的信息,可以是作者的序列号,公司标志,有意 义的文本等等. 可见水印:
信息隐藏与数字水印
罗森林
信息安全与对抗技术实验室
内容
信息隐藏的基本概念 信息隐藏的分类 数字水印的基本概念 数字水印的基本特征 数字水印
– 图像,视频,音频
数字水印的鲁棒性和攻击 数字水印的发展
信息隐藏的基本概念
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. 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).
信息隐藏与数字水印
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
数字水印 信息隐写
1998
2000
2002
2004
统计源：IEEE、IEE期刊、会议论文
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 2002 2004 信息隐写 隐写分析
古代的隐写术
卡登格子
中国古代设计的信息隐藏方法中， 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， 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。 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， 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， 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。 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， 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 16世纪早期 意大利数学家Cardan(1501-1576)也 世纪早期， 在16世纪早期，意大利数学家Cardan(1501-1576)也 发明了这种方法， 发明了这种方法，这种方法现在被称作卡登格子法
信息隐藏问题描述
囚犯问题
两个囚犯A 两个囚犯A和B被关押在监狱的不同牢房，他们想通过 被关押在监狱的不同牢房， 一种隐蔽的方式交换信息， 一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通过 看守的检查。因此， 看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者怀 疑的情况下，在看似正常的信息中， 疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间的 秘密信息