第四章 信息隐藏模型汇总

图4.1 囚犯问题 这就是典型的隐写术问题的图例。 这个模型强调的是如何保证隐蔽通信的实
现，并没有提出实现隐写术的原理，所以 实际上，这个模型是隐蔽通信的模型。我 们在第5章中将研究隐蔽通信。
通常称需要隐藏的信息为秘密信息，而公开的已嵌入秘密信 息的称为伪装载体，隐写的过程一般由隐写密钥来控制，通 过嵌入算法将秘密隐写术于公开信息中，而伪装载体则通过 信道传递，通信对方用检测器或利用密钥从伪装载体中恢复/ 检测出秘密信息。秘密信息可以是版权信息或秘密数据或者 序列号等；而公开信息则称为载体信息如视频、音频片段。 这种隐写术过程一般由密钥（key）来控制，即通过嵌入算法 （embedding algorithm）将秘密隐写术于公开信息中，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。从上面分析可 知，隐写术技术主要由两部分组成:信息嵌入算法，它利用密 钥来实现秘密信息的隐藏。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。
隐写术主要是将秘密信息隐藏，然后以 隐蔽通信的方式不让未授权第三方知觉，所以 我们首先从通信的角度来分析隐写术模型，然 后从几何的空间角度来分析数字水印模型。
4.1.1 Simmons模型分析
在隐写术的相关文献中，普遍采用Simmons提出的模型和模型的变种，隐写术 的理论模型是研究隐写术的基础。隐写术早期的研究是将秘密信息直接加到载
信息隐藏原理及应用
第4章 信息隐藏模型
本章目标
在读完本章之后，你应该能够：
理解隐写术基本模型; 了解隐写术的安全模型; 理解隐写术模型所占有的理论意义; 理解数字水印模型; 理解感知模型。
4.1 隐写术模型分析
信息隐藏模型的研究是信息隐藏基本理 论基本原理研究的基础，在本章中针对信息隐 藏的两个重要应用隐写术与数字水印，我们分 析相关的模型以及模型的评价及相关分析。从 广义上讲，模型分为两类，一类是从通信角度 来分析的通信模型，另一类是从空间角度分析 算法。
噪声
N
输入信息
信道编码器 X
信道解码器
Y
Mn
输出信息
图4.2 通信系统的标准模型
为了进一步保证传输信息的安全，可以将传输的密码技术加入，基本通信系统 图变基于密钥的信道编码的通信信道基本模型，模型如图4.3所示。
输入信息
噪声 N
信道编码器 X
信道解码器
Y
Mn
输出信息
编码密钥
解码密钥
图4.3 基于密钥的信道编码的通信信道模型
如图4.6所示，是最早的通信水印模型。如图4.7所示，是数字水印的边信息模型。
M M XN
SN
Y N N (yN | xN ) M
图4.6 早期的数字水印模型
M
M
X N A( y | x) Y N N ( y N | xN ) M
SN
KN
图4.7 数字水印的边信息通信模型
4.2 数字水印空间模型
而在隐写术中的通信中也应考虑像Wendy这样的主动攻击的存在，所以基本的 隐写术模型如图4.4所示：
图4.4 基本的隐写术理论模型
上图中所讨论的系统都符合Kerchhoffs准则，即加密函数、解密函数以及隐藏信
息嵌入函数
和提取函数
E
是1 公开的。
e
4.1.4 基于通信的水印模型
Cox(95)在其著作中给出了基于通信的基本模型，认为嵌入编码器到检测编码器之间的信息传输可以看做 是一种通信，并且需要将信息映射为同载体维度相同类型相同的模板。在Costa的脏纸通信的研究成果基 础上，Gelfand和Pinsker结合Cox的边信息水印通信模型，形成了信息隐藏的信息论模型，将信息隐藏看 做是隐藏者和攻击者之间的通信博弈，其中的隐藏者和合法解码者拥有边信息，给出了具有边信息信道的 容量定义。
体信息中，将载体数据看作噪声，若解码者知道噪声，则提取时用伪装载体数
据减去噪声即得秘密信息。目前，隐写术是一种隐蔽通信模型。对隐写术系统
的模型理论、检测理论和容量理论都需要进一步研究，这就形成了隐写术的理
论研究。在隐藏容量研究方面，通信模型为：Yn Xn Sn Zn，Xn 为隐藏的信息，
Sn 为载体，Zn 为攻击噪声，可以得出隐藏容量
C 1/ 2 log(1 P / N )
，P是X的平均能量，N是Z平均能量。
在1983年，Simmons针对隐蔽通信提出了第一个隐写术的场景描述：囚犯问题。 假定Alice和Bob是分别处在不同牢房中的囚犯，为了合谋一次越狱行动，相互 间需要秘密通信，而他们的每一次通信都必须经过看守人Wendy的监督。 Wendy可以阅读所有囚犯的信件，并决定是否传送或不传送这些信件，同时还 可以对信件进行修改，但并不改变信件的内容。为了使通信不被怀疑，Alice和 Bob不能采用常用的密码通信技术，因为一封经过加密且的语义混乱的密信虽 然可能不会泄露计划，但已经足以作为两个犯人图谋不轨的证据。因此，Alice 和Bob不仅要保证密信不可破解，而且要ห้องสมุดไป่ตู้藏秘密通信的事实。囚犯问题如图 4.1所示。
根据信息隐藏活动的离散化特点，除了可以将数字水印看做是传统的通信模型之外， 最常见的还是几何模型。几何模型有时也称为空间模型。
空间模型对信息隐藏的对象和过程进行细化和抽象，根据信息隐藏活动离散化特征， 利用集合论和矩阵空间概念描述信息隐藏的基本问题。模型对信息隐藏各元素进行空 间概念表示，对信息隐藏过程进行空间转换描述。
4.1.2 通信系统模型分析
在本小节中，重点从信息论的观点，揭示信息隐藏内在的性质，应用信息论描 述信息隐藏的嵌入，提取和检测模型，从而为研究信息隐藏的容量分析，极限 隐藏，以及指导设计隐藏算法提供坚实的基础，建立其信息论观点的理论模型， 先分析通信基本通信模型，然后提出隐写术通信模型，从而使隐写术的安全达 到一个新的理论高度。 下面首先介绍通信系统模型。 图4-2给出了一个传统通信系统的基本结构。M是准备发送的信息，信道编码器 对信息M进行编码，准备发送，它将所有可能的信息映射为码字，后者从可以 在信道中传输的符号所组成的集合中选择得到。码字序列通常标记为X。标准 的通信模型如图4-2所示。