基于隐写术的信息隐藏技术 (1)
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素的最低 1、2位所组成的位平 面反映的基本 是噪 声, 没有太多的图 像有用信 息。因 此, 传统 的 L SB 算法是在载体元素的一个最低位嵌入 1bit秘密信息 ( 或在载体元素的两个最低位嵌入 2b it秘密信息 ) 。 LSB 算法以其隐蔽性好、信息隐藏量大且易于实现 等优点, 而被广泛采用。 4. 2 变换域算法
该隐写系统模型的安全性取决于被动攻击者丙 是否有能力检测出从公开信道获取的数据中是否存 在秘密信息 M。M 既可以是未经任何处理的消息, 也可以是经过预处理如压缩、加密或置乱后的消息。 而经过预处理的信息更增加了系统被攻击的难度。
图 4 隐写系统的一般模型
4 隐写算法概述
隐写算法, 亦即嵌入算法, 按照其作用域, 可以 分为空域、频域 ( 变换域 ) 和压缩域算法; 按隐藏的 载体可分为基于图像、音频、视频等类型。而对隐写 算法的性能主要从以下几个方面来考虑:
图 3 信息加密和隐写结合示意图
ຫໍສະໝຸດ Baidu! 120 !
2 隐写术和数字水印
数字水印技术 ( D ig ita lW aterm ark) : 是将一些标 识信息 (即数字水印 ) 直接嵌入数字载体 ( 包括多媒 体、文档、软件等 ) 当中, 但不影响原载体的使用价 值, 也不容易被人的知觉系统 ( 如视觉或听觉系统 ) 觉察或注意到。
变换域算法是指将秘密信息嵌入数字作品的某 一变换域中。主要算法有离散 傅立叶变换 ( DFT ) 域、离 散 余 弦 变 换 ( DCT ) 域 [ 3] 、离 散 小 波 变 换 ( DWT ) 域 [ 4] 、傅立叶 - 梅林变换 ( FMT ) 域中的信息 隐藏。变换域信息隐藏技术稳健性较好, 但隐藏容 量较小, 适用于数字水印。在某些情况下, 将数据隐 藏在变换域中, 相 当于在空域上 隐藏了加性噪声。 典型的有变换域 Q IM ( quant izat ion index m odu lation) 嵌入法 [ 5 ] 和自适应嵌入方法 [ 6] 。变换域 Q IM 嵌入 法具有良好的不可见性和抵御攻击的鲁棒性, 选择 较高频率的变换系数并采用小的量化步长, 以牺牲 一定的鲁棒性为代价能得到更好的隐蔽性。自适应
0 引言
随着科学技术的发展, 数字化技术精确、廉价、 大规模的复制功能和 Internet的全球传播能力给人 们带来信息共享的巨大方便的同时, 也带来了大量 的负面影响, 例如信息篡改、版权侵犯等等。信息的 开放性给知识产权的保护和敏感信息的安全带来了 极大的危险和挑战, 信息安全日益重要。如何防止 信息被窃听、被盗用、被篡改, 从而保证通信安全, 成 为首要解决的问题。
且大量存在的, 因而是被研究最多的, 而且, 基于图 像的隐写研究方法往往经过改进可以轻易地移植到
其他的载体中。下面只讨论基于数字图像的信息隐 写算法。 4. 1 时空域算法
时空域算法就是指将秘密信息嵌入载体的时间 域或空间域中, 如对于一幅图像, 可以将信息嵌入图 像的空间域中, 即 对像素值进行 变换来隐藏信息。 时空域信息隐藏技术的特点是易于实现和隐藏容量 大, 但其稳健性较差, 适用于隐蔽通信。基于图像的 时空域信息隐藏算法分为以下几种:
( 1) 隐蔽性, 指经隐写处理后的载体信息, 必须 不易被人类感观系统察觉, 不易被分析算法检测出 秘密信息的存在。
( 2) 隐藏数据量, 指载体中能隐藏的最大信息量。 ( 3) 鲁棒性, 即系统的健壮性, 是指被保护的信 息经过某种改动后抵抗隐藏信息丢失的能力。 ( 4) 复杂度, 包括时间复杂度和空间复杂度。 而在隐写的各种载体中, 数字图像是最常用而
中图分类号: TP391 文献标识码: A 文章编号: 1009- 2552( 2010) 07- 0119- 04
基于隐写术的信息隐藏技术
李 友, 张定会
( 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093)
摘 要: 随着信息技术的高速发展, 信息安全变得越来越重要, 伴随着逐渐发展起来的信息隐 藏技术, 成为近年来信息安全领域的研究热点。介绍了信息隐藏技术的概念和发展, 分析了信 息隐藏技术的几个分支之间的区别与联系, 并着重论述了隐写术的发展、一般模型、基本原理 及其基本算法。最后指出了隐写术的发展趋势。 关键词: 隐写术; 数字水印; 加密
Ab stract: A s the rapid deve lopm ent of inform ation techno logy, inform ation security has becom e m ore and m ore im portan,t gradua lly developing inform ation hiding techn iques, has becom e a ho tspot in the field of inform ation security. T his paper in troduced the concept and developm ent of in form at ion h id ing techno logy, ana lyzed the d ifferences and connections betw een a few branches o f inform ation h id ing techniques, and focused on the developm en,t the genera l m ode,l the basic principles and the basic a lgorithm s of steganography, w h ich is one of branches o f inform ation h id ing techn iques. In the end, developm ent trend of staganography w as po inted ou.t Key words: steganography; d ig ital w aterm ark; encryption
基于文件结构法: 将秘密信息隐藏在文件格式 的某些结构项后面。
利用调色板: 图像的调色板一般都列出最大可 使用的颜色数, 而图像实际用到的颜色数不一定为 最大数目, 因此有些冗余的空间可以用来隐藏信息。
空间域的低比特位 ( LSB ) 隐藏 [ 1] : 将秘密信息 直接替换多媒体数据的低比特位。 L SB 是空域法中 常见的算法, 适用于数字静止位图图像, 就是用秘密 信息位来替换最不重要位, 传统的 LSB 嵌入方式主 要分为序贯式 嵌入和随机间隔式 嵌入 [ 2] 。图 像像
数字水印和隐写术作为信息隐藏的最重要的两 类应用, 可以使用相同的技术但也存在着差异, 针对 隐藏目的而言, 数字水印是为了证明载体的版权所 有或验证其完整性; 隐写术则是为了将隐体信息通 过公开的载体信道秘密传递给接收方。针对载体和 隐体而言, 数字水印的载体是特定的数字作品, 隐体 是特定的版权标识或作品摘要, 二者对攻击者而言 目标是确定的; 隐写术的载体是类似随机的, 越普通 越具有隐匿性, 而且隐体的类型是不确定的。针对 保护对象而言, 数字水印中隐体的存在是为了保护 载体; 隐写术中, 载体的存在是为了掩护隐体信息的 传输。针对隐藏方法而言, 鲁棒性数字水印要求隐 体的嵌入是鲁棒和难以去除的; 信息隐匿则只要能 保证其隐秘和安全, 不关心鲁棒性。针对隐藏时效 性而言, 数字水印要求隐体的存在是长效的; 而隐写 术则只要求隐体在隐匿通信过程中存在即可, 基本 是一次一隐。针对隐藏容量而言, 数字水印只要能 证明版权或验证完整性即可, 对容量要求不大; 而隐 写术可能需要传输的是电子文档或军事情报, 容量 要求较大。针对提取要求而言, 数字水印允许一定 的误差存在; 隐写术则因为隐体信息的重要性, 不允 许有任何提取错误发生。
图 1 信息加密示意图
图 2 隐写技术示意图
在实践中, 为了获得更高级别的安全, 可以结合 使用两种技术, 如先利用密码技术对秘密信息进行 加密, 再通过隐写术将加密过后的秘密信息隐藏于 载体中, 通过掩蔽媒体的传送来达到秘密信息安全 传送的目的, 如图 3所示。加密技术历史悠久, 已经 形成了好 多比 较安 全的 算法, 比 如 T rip le DES 和 RSA 等。而隐写术的正式研究还处于初级阶段, 尚 缺乏考验。但是随着时间的推移, 必定会出现较高 安全性算 法, 成 为保 证通信 的安 全性的 重要 组成 部分。
Inform ation hiding techniques based on steganography
L I You, ZHANG D ing hui
( School of O p tica l E lectr ica l and Compu ter Engin eerin g, Shanghai Un iversity of Science and T echnology, Shanghai 200093, Ch ina)
隐写术是近年发展起来的一种信息保密技术, 它是信息隐藏的重要分支。隐写术 ( steganography) 一词来 源于希 腊词 汇 stegons和 g raph ia, 意 即 隐 藏 ( cover) 和 书写 ( w riting ), 是一种保密通信技 术, 通常解释为把秘密消息隐藏于其他信息当中, 其 中消息的存在形式较为隐秘。它使用信息隐藏技术
3 隐写术基本原理
隐写技术是利用人类感觉器官的不敏感 ( 感觉 冗余 ) , 以及多媒体数字信号本身存在的冗余 ( 数据 特性冗余 ) 把一个秘密信息通过某种嵌入算法隐藏 到载体信息中, 从而得到隐密载体。
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 码等, 然后生成伪随机数, 将预处理后的秘密信息根 据相应的嵌入算法和密钥 K 嵌入到载体中, 形成载 密信息, 可以在公开信道中传输, 密钥 K 在隐蔽信 道进行传输, 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、 容量和鲁棒性及其三者之间的相互关系, 理论上使 三者保持平衡, 使隐写算法性能达到最佳。
将秘密信息隐藏在可公开的普通载体中进行传送, 实现隐蔽通信。因此, 隐写技术得到了人们越来越 广泛的关注。通过信息隐藏技术, 可将重要信息隐 藏于公开信息的冗余部分, 通过公开信息的传输来 传递秘密信息, 从而达到安全传递秘密信息的目的。
1 隐写术和加密技术
隐写术和加密技术是两种可用来进行隐蔽通信 的技术手段。加密技术以密码学为理论基础, 对明 文进行加密变换, 输 出密文, 实 现对信息内容 的保 密, 如图 1所示。其实质是使得通信的内容在没有 正确的解密密钥的情况下不可读。加密技术只是设 法隐藏秘密信息的内容, 可保证内容的安全, 但并不
隐写系统的一般模型如图 4所示, 系统主要包 括一个嵌入过程和一个提取过程, 在这一模型中, 甲 和乙分别对应隐写系统中的发送者和接收者, 而丙 则作为隐写分析者, 即攻击者, 存在于隐写系统的信 道中。甲通信时可以选择两种方式, 一种情况是甲 直接将未隐藏任何秘密信息 M 的无关紧要的载体 信息 C通过公开信道传送给乙, 即开关置于 0 状 态; 另一种情况是甲将秘密消息 M 利用 随机数 R、 密钥 K 通过嵌入算法嵌入到载体信息 C 中, 使之变 成载秘信息 S后再经公开信道传送给乙, 即开关置 于 1 状态。乙利用事先通过秘密信道得到的密钥 K 以及提取算法提取出秘密信息 M ∀, 希望尽量得到 甲发送的秘密信息 M。这里假定 K 只有甲和乙知 道, 丙无法获得, 且 K 与 R、M、C 均独立; 假定 R 与 M、C 独立; 并且假定只有甲和乙知道 M 在 S中的分 布, 随机数 R 不一定与 K 独立。这里的载体信息 C 有时简称载体, 载秘信息 S也称为含隐载体。
收稿日期: 2009- 12 - 31 作者简介: 李友 ( 1986 - ), 男, 硕士研究 生, 主要研究领 域为数字图
像处理。
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保证形式上的安全, 暴露了通信的行为, 容易引起 怀疑, 也给攻击者留下了追踪的线索。而作为信息 加密补充办法的隐写技术, 是近年来多媒体信息与 信号处理领域提出的一种解决通信安全的新方法, 如图 2所示。隐写术是将某些特殊信息隐藏于正常 载体之中, 从而掩盖特殊信息存在的事实。隐秘通 信掩盖了秘密通信 的行为, 不易 引致攻 击者的怀 疑, 攻击者也很难追踪发信者。与传统密码学相 比, 隐写技术更注重隐藏信息存在的不可察觉性。
该隐写系统模型的安全性取决于被动攻击者丙 是否有能力检测出从公开信道获取的数据中是否存 在秘密信息 M。M 既可以是未经任何处理的消息, 也可以是经过预处理如压缩、加密或置乱后的消息。 而经过预处理的信息更增加了系统被攻击的难度。
图 4 隐写系统的一般模型
4 隐写算法概述
隐写算法, 亦即嵌入算法, 按照其作用域, 可以 分为空域、频域 ( 变换域 ) 和压缩域算法; 按隐藏的 载体可分为基于图像、音频、视频等类型。而对隐写 算法的性能主要从以下几个方面来考虑:
图 3 信息加密和隐写结合示意图
ຫໍສະໝຸດ Baidu! 120 !
2 隐写术和数字水印
数字水印技术 ( D ig ita lW aterm ark) : 是将一些标 识信息 (即数字水印 ) 直接嵌入数字载体 ( 包括多媒 体、文档、软件等 ) 当中, 但不影响原载体的使用价 值, 也不容易被人的知觉系统 ( 如视觉或听觉系统 ) 觉察或注意到。
变换域算法是指将秘密信息嵌入数字作品的某 一变换域中。主要算法有离散 傅立叶变换 ( DFT ) 域、离 散 余 弦 变 换 ( DCT ) 域 [ 3] 、离 散 小 波 变 换 ( DWT ) 域 [ 4] 、傅立叶 - 梅林变换 ( FMT ) 域中的信息 隐藏。变换域信息隐藏技术稳健性较好, 但隐藏容 量较小, 适用于数字水印。在某些情况下, 将数据隐 藏在变换域中, 相 当于在空域上 隐藏了加性噪声。 典型的有变换域 Q IM ( quant izat ion index m odu lation) 嵌入法 [ 5 ] 和自适应嵌入方法 [ 6] 。变换域 Q IM 嵌入 法具有良好的不可见性和抵御攻击的鲁棒性, 选择 较高频率的变换系数并采用小的量化步长, 以牺牲 一定的鲁棒性为代价能得到更好的隐蔽性。自适应
0 引言
随着科学技术的发展, 数字化技术精确、廉价、 大规模的复制功能和 Internet的全球传播能力给人 们带来信息共享的巨大方便的同时, 也带来了大量 的负面影响, 例如信息篡改、版权侵犯等等。信息的 开放性给知识产权的保护和敏感信息的安全带来了 极大的危险和挑战, 信息安全日益重要。如何防止 信息被窃听、被盗用、被篡改, 从而保证通信安全, 成 为首要解决的问题。
且大量存在的, 因而是被研究最多的, 而且, 基于图 像的隐写研究方法往往经过改进可以轻易地移植到
其他的载体中。下面只讨论基于数字图像的信息隐 写算法。 4. 1 时空域算法
时空域算法就是指将秘密信息嵌入载体的时间 域或空间域中, 如对于一幅图像, 可以将信息嵌入图 像的空间域中, 即 对像素值进行 变换来隐藏信息。 时空域信息隐藏技术的特点是易于实现和隐藏容量 大, 但其稳健性较差, 适用于隐蔽通信。基于图像的 时空域信息隐藏算法分为以下几种:
( 1) 隐蔽性, 指经隐写处理后的载体信息, 必须 不易被人类感观系统察觉, 不易被分析算法检测出 秘密信息的存在。
( 2) 隐藏数据量, 指载体中能隐藏的最大信息量。 ( 3) 鲁棒性, 即系统的健壮性, 是指被保护的信 息经过某种改动后抵抗隐藏信息丢失的能力。 ( 4) 复杂度, 包括时间复杂度和空间复杂度。 而在隐写的各种载体中, 数字图像是最常用而
中图分类号: TP391 文献标识码: A 文章编号: 1009- 2552( 2010) 07- 0119- 04
基于隐写术的信息隐藏技术
李 友, 张定会
( 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093)
摘 要: 随着信息技术的高速发展, 信息安全变得越来越重要, 伴随着逐渐发展起来的信息隐 藏技术, 成为近年来信息安全领域的研究热点。介绍了信息隐藏技术的概念和发展, 分析了信 息隐藏技术的几个分支之间的区别与联系, 并着重论述了隐写术的发展、一般模型、基本原理 及其基本算法。最后指出了隐写术的发展趋势。 关键词: 隐写术; 数字水印; 加密
Ab stract: A s the rapid deve lopm ent of inform ation techno logy, inform ation security has becom e m ore and m ore im portan,t gradua lly developing inform ation hiding techn iques, has becom e a ho tspot in the field of inform ation security. T his paper in troduced the concept and developm ent of in form at ion h id ing techno logy, ana lyzed the d ifferences and connections betw een a few branches o f inform ation h id ing techniques, and focused on the developm en,t the genera l m ode,l the basic principles and the basic a lgorithm s of steganography, w h ich is one of branches o f inform ation h id ing techn iques. In the end, developm ent trend of staganography w as po inted ou.t Key words: steganography; d ig ital w aterm ark; encryption
基于文件结构法: 将秘密信息隐藏在文件格式 的某些结构项后面。
利用调色板: 图像的调色板一般都列出最大可 使用的颜色数, 而图像实际用到的颜色数不一定为 最大数目, 因此有些冗余的空间可以用来隐藏信息。
空间域的低比特位 ( LSB ) 隐藏 [ 1] : 将秘密信息 直接替换多媒体数据的低比特位。 L SB 是空域法中 常见的算法, 适用于数字静止位图图像, 就是用秘密 信息位来替换最不重要位, 传统的 LSB 嵌入方式主 要分为序贯式 嵌入和随机间隔式 嵌入 [ 2] 。图 像像
数字水印和隐写术作为信息隐藏的最重要的两 类应用, 可以使用相同的技术但也存在着差异, 针对 隐藏目的而言, 数字水印是为了证明载体的版权所 有或验证其完整性; 隐写术则是为了将隐体信息通 过公开的载体信道秘密传递给接收方。针对载体和 隐体而言, 数字水印的载体是特定的数字作品, 隐体 是特定的版权标识或作品摘要, 二者对攻击者而言 目标是确定的; 隐写术的载体是类似随机的, 越普通 越具有隐匿性, 而且隐体的类型是不确定的。针对 保护对象而言, 数字水印中隐体的存在是为了保护 载体; 隐写术中, 载体的存在是为了掩护隐体信息的 传输。针对隐藏方法而言, 鲁棒性数字水印要求隐 体的嵌入是鲁棒和难以去除的; 信息隐匿则只要能 保证其隐秘和安全, 不关心鲁棒性。针对隐藏时效 性而言, 数字水印要求隐体的存在是长效的; 而隐写 术则只要求隐体在隐匿通信过程中存在即可, 基本 是一次一隐。针对隐藏容量而言, 数字水印只要能 证明版权或验证完整性即可, 对容量要求不大; 而隐 写术可能需要传输的是电子文档或军事情报, 容量 要求较大。针对提取要求而言, 数字水印允许一定 的误差存在; 隐写术则因为隐体信息的重要性, 不允 许有任何提取错误发生。
图 1 信息加密示意图
图 2 隐写技术示意图
在实践中, 为了获得更高级别的安全, 可以结合 使用两种技术, 如先利用密码技术对秘密信息进行 加密, 再通过隐写术将加密过后的秘密信息隐藏于 载体中, 通过掩蔽媒体的传送来达到秘密信息安全 传送的目的, 如图 3所示。加密技术历史悠久, 已经 形成了好 多比 较安 全的 算法, 比 如 T rip le DES 和 RSA 等。而隐写术的正式研究还处于初级阶段, 尚 缺乏考验。但是随着时间的推移, 必定会出现较高 安全性算 法, 成 为保 证通信 的安 全性的 重要 组成 部分。
Inform ation hiding techniques based on steganography
L I You, ZHANG D ing hui
( School of O p tica l E lectr ica l and Compu ter Engin eerin g, Shanghai Un iversity of Science and T echnology, Shanghai 200093, Ch ina)
隐写术是近年发展起来的一种信息保密技术, 它是信息隐藏的重要分支。隐写术 ( steganography) 一词来 源于希 腊词 汇 stegons和 g raph ia, 意 即 隐 藏 ( cover) 和 书写 ( w riting ), 是一种保密通信技 术, 通常解释为把秘密消息隐藏于其他信息当中, 其 中消息的存在形式较为隐秘。它使用信息隐藏技术
3 隐写术基本原理
隐写技术是利用人类感觉器官的不敏感 ( 感觉 冗余 ) , 以及多媒体数字信号本身存在的冗余 ( 数据 特性冗余 ) 把一个秘密信息通过某种嵌入算法隐藏 到载体信息中, 从而得到隐密载体。
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 码等, 然后生成伪随机数, 将预处理后的秘密信息根 据相应的嵌入算法和密钥 K 嵌入到载体中, 形成载 密信息, 可以在公开信道中传输, 密钥 K 在隐蔽信 道进行传输, 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、 容量和鲁棒性及其三者之间的相互关系, 理论上使 三者保持平衡, 使隐写算法性能达到最佳。
将秘密信息隐藏在可公开的普通载体中进行传送, 实现隐蔽通信。因此, 隐写技术得到了人们越来越 广泛的关注。通过信息隐藏技术, 可将重要信息隐 藏于公开信息的冗余部分, 通过公开信息的传输来 传递秘密信息, 从而达到安全传递秘密信息的目的。
1 隐写术和加密技术
隐写术和加密技术是两种可用来进行隐蔽通信 的技术手段。加密技术以密码学为理论基础, 对明 文进行加密变换, 输 出密文, 实 现对信息内容 的保 密, 如图 1所示。其实质是使得通信的内容在没有 正确的解密密钥的情况下不可读。加密技术只是设 法隐藏秘密信息的内容, 可保证内容的安全, 但并不
隐写系统的一般模型如图 4所示, 系统主要包 括一个嵌入过程和一个提取过程, 在这一模型中, 甲 和乙分别对应隐写系统中的发送者和接收者, 而丙 则作为隐写分析者, 即攻击者, 存在于隐写系统的信 道中。甲通信时可以选择两种方式, 一种情况是甲 直接将未隐藏任何秘密信息 M 的无关紧要的载体 信息 C通过公开信道传送给乙, 即开关置于 0 状 态; 另一种情况是甲将秘密消息 M 利用 随机数 R、 密钥 K 通过嵌入算法嵌入到载体信息 C 中, 使之变 成载秘信息 S后再经公开信道传送给乙, 即开关置 于 1 状态。乙利用事先通过秘密信道得到的密钥 K 以及提取算法提取出秘密信息 M ∀, 希望尽量得到 甲发送的秘密信息 M。这里假定 K 只有甲和乙知 道, 丙无法获得, 且 K 与 R、M、C 均独立; 假定 R 与 M、C 独立; 并且假定只有甲和乙知道 M 在 S中的分 布, 随机数 R 不一定与 K 独立。这里的载体信息 C 有时简称载体, 载秘信息 S也称为含隐载体。
收稿日期: 2009- 12 - 31 作者简介: 李友 ( 1986 - ), 男, 硕士研究 生, 主要研究领 域为数字图
像处理。
! 119 !
保证形式上的安全, 暴露了通信的行为, 容易引起 怀疑, 也给攻击者留下了追踪的线索。而作为信息 加密补充办法的隐写技术, 是近年来多媒体信息与 信号处理领域提出的一种解决通信安全的新方法, 如图 2所示。隐写术是将某些特殊信息隐藏于正常 载体之中, 从而掩盖特殊信息存在的事实。隐秘通 信掩盖了秘密通信 的行为, 不易 引致攻 击者的怀 疑, 攻击者也很难追踪发信者。与传统密码学相 比, 隐写技术更注重隐藏信息存在的不可察觉性。