第二章信息讲义隐藏基本原理

图2.2 隐写术框架
数学上发送方嵌入的过程和接收方提取的过程都可以通过映
射描述：前者为；后者为，而且；（其中，E为嵌入过程， D为提取过程，C为载体，M为秘密信息）
下面分别介绍纯隐写、密钥隐写和公钥隐写术。 纯隐写的文字定义为：“a steganographic system that does not require
第二章信息隐藏基本 原理
第2章 信息隐藏基本原理
本章目标:
在读完本章之后，你应该能够： (1),理解信息隐藏的基本原理; (2),了解隐写系统的分类; (3),理解一般的数字水印系统; (4),理解隐写术的主要术语和基本分类; (5),理解数字水印技术的主要术语和基本分类。
信息隐藏技术是近几年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域。 特别是在网络技术迅速发展的今天，信息隐藏技术的研究更具 有现实意义。目前，为保证数据传输的安全，需要采用数据传 输加密技术、信息隐藏技术、数据完整性鉴别技术；为保证信 息存储安全，必须保证数据库安全和终端安全。信息安全的研 究包括两个主要研究方向：信息加密与信息隐藏。在信息安全 的研究理论体系和应用体系中，密码技术已经历了长期的发展， 形成了较完整的密码学理论体系，有一系列公认的、经典的、 可靠的算法。然而，在现代信息科学技术的条件下的信息隐藏， 虽然可以追溯到公元前，但其完备的理论体系还尚未建立。在 本章中将详细地阐述信息隐藏的基本术语、基本原理的分类等 基础知识。
2.1 信息隐藏的基本原理与分类
Lisa M.Marvel博士于1999年提出了SSIS（spread spectrum Image steganogrphy 扩展频谱的图像信息隐藏中阐述了信息隐藏的基本原理，那 就是先将秘密信息嵌入到噪声信号中，然后再随噪声信号嵌入到数字图像中， 因为数字图像中存在着噪声信号，如果噪声的容量不大，在没有原始图像比较 的情况下，一般人类视觉和计算机统计分析都无法感知到秘密消息的存在，这 样隐写就成功了。在提取秘密信息时，需要图像恢复和差错控制编码技术，前 者得到原始图像的近似估计，并对嵌入的秘密信息容量进行估计，然后根据相 应的算法进行提取。这种方案的位错率较高，所以必须对秘密信息也进行低比 率差错编码，才 能较完善地提取秘密信息。
the exchange of a cipher such as a stego-key.”也就是说，一个不需要交换 隐写密钥的隐写系统。这种类型的隐写安全性最低，因为在这种隐写中， 通信双方只能假定没有任何第三方能察觉发送的秘密消息，但是使用开放 的环境，如在互联网上，这种情况绝对不会发生，网络上的任何通信都可 能被第三方截获。如果使用纯隐写，秘密消息被隐写分析出来的可能性最 高。因为只要第三方知道嵌入算法，就可以提取出相应的秘密信息。 纯隐写系统的数学定义如下： 定义1(纯隐写系统)：对一个四元组，C是所有随机选择的载体的集合，M 是所有可能嵌入的秘密信息的集合，且满足，是嵌入函数，是提取函数； 对和，恒有D(E(c m))=m则称该四元组为纯隐写系统。 纯隐写系统的原理图如图2.3所示。
无论是哪种秘密通信，从理论上隐蔽通信是很完美的，就如Fabien A.P. Petitcolas 所指出的：“in a ‘perfect’ system， a normal cover should not be distinguishable from a stego-object， neither by a human nor by a computer looking for statistical patterns.”也就是说，在完美的系统中，无论是人或者计算 机通过统计分析都不能区分出是一般载体还是伪装载体。但在实际中，情况并非 总是这么完美。为了将秘密消息嵌入到载体中，载体必须包含足够的冗余数据或 噪声。这是因为隐写术的嵌入处理过程实际上是使用秘密消息替换这些冗余信息。 隐写术的框架如图2.2所示。
2.1.1 纯隐写术、密钥隐写术和公钥隐写术
首先，分析理论上完美的隐蔽通信，隐写术将包含在其中。为了透彻地阐明这个 概念，假设有三个人分别为Alice、Bob和Denmy。Alice想发送秘密信息（M）给 Bob，使用无害消息作为载体（C），然后秘密消息嵌入到C中形成伪装载体，伪 装载体将发送给Bob并且没有引起任何怀疑，这是纯隐写的过程；或者，Alice使 用隐写密钥（stego-key(K)）将秘密消息（M）嵌入到载体（C）中生成伪装载体 （S）。然后Alice将伪装载体（S）发送给Bob而没有引起Denmy的任何怀疑。而 Bob能够阅读秘密信息，因为Bob有相同的隐写密钥（stego-key(K)）；但在通信 双方必须对密钥进行协商，达成一致后，双方能才进行通信，这是密钥隐写过程； 如果在这个过程中Alice在嵌入秘密信息时使用的是公钥，而Bob在提取信息时使 用的是与公钥为一对密钥的私钥，那么这是公钥隐写过程，在公钥体制中，为了 防止篡改，必须要借助于证书体系，来验证公钥。
目前，隐写术的基本原理可以概括为：首先，对欲嵌入的秘密信息进行预处 理，预处理包括加密、编码然后生成伪随机数，然后将预处理后的秘密信息根 据相应的嵌入算法嵌入到载体中，载体可以包括文本、图像、语音和视频等多 种格式的多媒体，然后在通信中可以使用隐蔽信道进行通信，最后在提取中根 据相应的提取算法和密钥提取秘密消息，这样，就可以达到三层安全。对相应 的嵌入算法和提取算法都要分析不可感知性、容量和鲁棒性三者之间的关系， 理论上使三者之间平衡并性能达到最佳。
信息隐藏的主要分支如图2.1所示:
图2.Fra Baidu bibliotek 信息隐藏主要分支
根据分类的依据不同，可以将隐写术分为以 下几类： 可以按隐写系统结构分类：分为纯隐写术、
密钥隐写术和公钥隐写术； 按隐写空间分类：可以分为空域隐写、变
换域隐写； 按隐写载体分类：可以分为文本隐写、图
像隐写、语音隐写、视频隐写和二进制隐 写。