信息隐藏与数字水印技术1

边缘信息的嵌入
– 扩充数据包括对主信号的描述或参考信息、控制信息以及其它媒体 信号等。例如，在某一频道内收看电视，可以通过信息隐藏方法在 所播放的同一个电视节目中嵌入更多的镜头以及多种语言跟踪，使 用户能够按照个人的喜好和指定的语言方式播放。
电子证件/票据防伪
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数字作品版权保护
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数字作品版权保护 字
~ X
Chaotic map
extracted watermark 01011... 11110... ...
watermark 11010... 11010 11010... ...
% X w
the watermarked iamge + +
Σ
attack
tampered region +
Chaotic map
（1）具有很大的信息隐藏容量,隐藏容量信息可以达到1-3比特/像素。 （2）计算简单。 （3）掩密图像失真小。 （4）隐藏数据的稳健性差。
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基于替换LSB的空域信息隐藏方法
举例: 待隐藏信息:1001 取灰度图像的4个像素值(0~255整数)的最低位进行隐藏
隐藏前8位灰度值
34 180 255 2
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信息隐藏技术嵌入算法
空域信息隐藏方法
– 空域的方法是指在图像、视频、音频的空间域上进行信息隐 藏。通过直接改变宿主媒体的某些像素值（采样值）来嵌入 数据。 – 优点：无需对原始媒体进行变换，计算简单，效率较高 – 缺点：由于水印要均衡不可感知性和稳健性，因而可选择的 属性范围较小。此外，难以抵抗常见信号处理的攻击及噪声 干扰的影响，鲁棒性较差。
原始作品 隐藏版权标识后的作品 版权标识
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数据完整性的验证
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数据完整性的验证
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数据完整性的验证
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边缘信息的嵌入
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电子证件防伪 件
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电子证件防伪 件
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电子通知书防伪 书
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商务交易中的票据防伪
成都市现在使用的有奖发票采用了目前国际国内领先的“宇飞印刷 打印数字水印防伪技术”
区别
– 信息隐藏技术侧重于隐藏容量,对隐藏容量要求较高,而对鲁棒 性要求不高; 数字水印技术侧重于鲁棒性 – 信息隐藏技术主要应用于隐蔽通信,而数字水印技术主要应用 于版权保护和内容可靠性认证
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信息隐藏技术分类 藏 分
信息隐藏
Information Hiding
数字水印
Digital Watermarking
潜信道
叠像术
信息伪装
Steganography
Covert Channels Image Covering
脆弱水印
Fragile
稳健水印
Robust
语义伪装 技术伪装
Linguistic Technical
可见水印
Visible
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不可见水印
invisible
数字水印技术分类
按外表划分: 可感知和不易感知水印 按嵌入技术划分:空域和变换域水印 按应用划分:鲁棒和脆弱(半脆弱)水印 按水印的载体上划分: 图像水印、音频水印、视频水 印、文本水印、软件水印 按检测过程划分:盲水印(公开)、非盲(私有)水印、半 盲（半私有）水印 按密钥划分:私钥(对称)和公钥(非对称)水印 按内容划分:有意义水印和无意义水印
信息隐藏与密码技术的关系
密码技术仅仅隐藏了信息的内容，而信息隐藏不但隐藏了信息的内 容而且隐藏了信息的存在; 密码技术与信息隐藏技术并不是互相矛盾、互相竞争的，而是互补 的。
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信息隐藏与数字水印的联系和区别
联系
– 信息隐藏技术包括数字水印技术 – 数字水印技术要将水印嵌入到载体中,就需要用到信息隐藏的 算法,把水印隐藏到载体中 – 两者都要求不可感知性
信息隐藏与数字水印技术概论
信息科学与技术学院
信息隐藏技术术语 藏
信息隐藏是利用人类感觉器官对数字信号的感觉冗余，将一个信 息（称为待隐藏信息或秘密信息,Secure Message）隐藏在另一 个公开信息（称为遮掩信息或载体,Cover Message）中，信息因 此而受到保护. 秘密信息(Secure Message): 版权信息、秘密数据、序列号… (Cover Message): g ) 图像、视频、音频、文本… 载体信息( 信息隐藏系统一般由密钥(Key)控制，即通过嵌入算法 (Embedding Algorithm)将秘密信息隐藏于公开信息中，而隐藏载 体则通过信道(Communication (C i ti Ch Channel) l) 传递，在接收端用检测 器从载体中恢复或检测秘密信息。
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信息隐藏技术通信模型 藏
置乱 传输
0111011……
嵌入
信息隐藏模型发送端
4
信息隐藏技术通信模型 藏
检测 是否含有 秘密信息？
恢复
0111011……
反置乱
信息隐藏模型接收端
5
信息隐藏与传统密码技术关系 藏
传统加密技术的局限性
明确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，而且一旦加密文件经过破解后其内容就完全 透明了 攻击者可以在破译失败的情况下将信息破坏，使得即使是合法的接 收者也无法阅读信息内容 加密后的文件因其不可理解性也妨碍了信息的传播 随着电脑硬件的迅速发展 ，破解技术日益成熟
基于替换LSB的空域信息隐藏方法
LSB ( (the Least Significant g Bits): ) 最不重要比特位 在基于空域的信息隐藏方法中，替换LSB位平面的方 法是最简单和最经典的一种。 改变LSB主要的考虑是不重要数据的调整对原始图像 的视觉效果影响较小。 在该方法中，图像部分像素的最低一个或者多个位平 面的值被隐藏数据所替换。即载体像素的LSB平面先 被设置成0，然后根据要隐藏的数据改变为“1”或者不 变，以此达到隐藏信息的目的。
i =0 N −1
因此，只有知道嵌入位置的人才能得到s≈2n; 否则只能 得到 s≈0. 0 实际上，该嵌入方法只嵌入了1比特信息。通过适当调 整参数，拼凑方法对JPEG压缩、FIR ( (Finite Impulse p Response)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。为了嵌入更多的隐藏信息， 可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。
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信息隐藏技术所涉及的知识领域
多媒体技术：多媒体编解码（JPEG、TIFF、GIF、 BMP、PNG、WAV、MP3、AAC、AVS、MPEG等）， 图像处理（图像处理工具的使用-Photoshop、像素、亮 度、色度、DCT、DWT、DFT、缩放、旋转、滤波 等），音频（声音处理工具的使用-Audio g Pro、声音编辑、人类声 Editor/SoundForge/CoolEdit 学模型、音频掩蔽效应、子带声音处理、采样等），视 频（视频处理工具的使用-Video Editor、MPEG标准） 通信理论（隐藏容量理论分析-信息论，PSNR、调制、 滤波、噪声污染、扩频、BER） 计算机：编程实现 信息安全：密码技术、系统安全性分析
LSB plane
Σ
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-
11011... 10010... ...
应用LSB算 应 算法的图像可靠性认证
(a) 嵌有水印的受保护图像
(b)篡改图像
(c)篡改检测结果
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Patchwork空域信息隐藏方法
由Bender等人提出的另一种典型的方法(W. Bender, D.
Gruhl and N. Morimoto. Technique for Data Hiding. Proc. of the SPIE, 2420, Storage and Retrieval for Image and Video pp.164-173. ) Database, 1995, vol.III, pp
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鲁棒水印特点
透明性。水印在通常或特定视/听觉条件下不可感知； 安全性。未经授权者很难检测出水印，经授权者能很 快地提取出水印； 鲁棒性。水印信号在经历多种无意或有意的信号处理 后，仍能保持完整性或仍能被准确鉴别的特征； 无二意性。提取的水印能够证明版权所有者，不会引 起争议； 实时操作性。在保证水印基本性能的同时，水印算法 尽可能计算复杂度低，便于操作。
二进值表示
00100010 10110100 11111111 00000010
隐藏后二进值
00100011 10110100 11111110 00000011
隐藏后8位灰 度值
35 180 254 3
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应用LSB算 应 算法的图像可靠性认证
LSB plane host image 10110... 01011... ...
– 一个自动程序搜索Web网，寻找带有版权标记的资料，通过这种手 段来识别可能的非法使用.
数据保密
– 对于一些秘密数据防止非法用户的截获与使用. – 在商业、金融方面的应用日益上升。如电子商务中的敏感数据，双 方秘密协议互递，网上银行交易等
数据完整性的验证
– 确认数据在网络传输中是否被篡改过.
s = ∑ (aiw − biw )
i =0 N −1
如果 s≈2n ，则判定隐藏信息存在,否则应该接近0 。
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Patchwork空域信息隐藏方法
这种方法是基于如下统计假设的，即原始载体中随机 选择的N对像素是独立分布的，也就是
E[ s ] = ∑ ( E[ai ] − E[bi ]) = 0
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脆弱水印特点
不可见

即嵌入水印后的数字多媒体数据必须要有很高的峰值信噪比 （peak signal-to-noise ratio, PSNR） 即必须对传输数据的篡改非常敏感
具有篡改证明能力

受到篡改后能自动移除水印 检测时不需要原始图像
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数字水印技术的应用
在Web网上对授予著作权的资料进行自动监控
Patchwork算法(拼凑方法)只是试图回答是否有水印存 在，因而实际隐藏的只是1bit信息。算法步骤如下：
（1）用一个密钥初始化一个伪随机数发生器； （2）根据伪随机数发生器的输出，随机选择n个像素对，其灰度值 为 (a i , b i )； （3）令awi=ai+1, bwi=bi-1 ，完成信息的嵌入。这样整个图像的平均 亮度保持不变。检测时，令
变换域信息隐藏方法
– 信息隐藏过程是在变换域中进行的。借助信号进行正交变换 后能量重新分布的特点，在变换域中进行信息隐藏，可以较 好的解决不可感知性和稳健性的矛盾。因而，基于变换域的 方法在信息隐藏研究中占有主要地位。 – 变换域的方法需要对原始媒体数据进行变换，计算较复杂。 – 鲁棒性较好
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2
信息隐藏技术术语 藏
由于在隐藏后外部表现的只是遮掩信息的外部特征，故并不改变 遮掩信息的基本特征和使用价值。 信息隐藏方法的最大特点是：除了被通知的有关方面以外的任何 人都不知道秘密信息存在这个事实，这就较之单纯的加密方法更 多了一层保护，使得需要保护的消息由“看不懂”变为了“看不 见”。
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数字水印技术特点 字 印
数字水印（Digital Watermark）技术是将与多媒体内容相关或不 相关的一些标识信息直接嵌入多媒体内容当中，但不影响原内容 的使用价值，并不容易被人的知觉系统觉察或注意到。通过这些 隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者， 或者是否真实完整。作为数字水印技术基本上具有下面几个方面 的特点： – 安全性：数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同 时，应当有较低的误检测率。 – 隐蔽性：数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数 据的正常使用，不会降质。 – 鲁棒性：是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数 字水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。 – 水印容量：嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建 者或所有者的标志信息，或购买者的序列号，这样有利于解 决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。尤其是隐蔽 通信领域的特殊性，对水印的容量需求很大。
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基于替换LSB的空域信息隐藏方法
令（f1,f2, ,…,f ,fn）为从原始宿主图像中选择出来作为隐藏信息 载体的像素集合，（b1,b2,…,bn| bi∈{0,1} ）为待隐藏的信息， 则嵌入过程为： C1{fi} ←bi 其中算子取载体像素的最低1位。 基于替换的LSB的隐藏方法具有如下优缺点：