第06章-信息隐藏技术

水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品或水印版作品中 获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。 2．加指纹 指纹是指一个客体所具有的、能把自己和其他相似客体区分开的特征。它有许多应用，包括数字 产品的版权保护。数字指纹虽然不能抵抗篡改，不能防止用户拷贝数据，但是它能使数据所 有者追踪非法散布数据的授权用户。为避免未经授权的拷贝制作和发行，出品人可以将不同 用户的ID或序列号作为不同的水印（指纹）嵌入到作品的合法拷贝中。一旦发现未经授权的 拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。 3．标题与注释 标题与注释是将作品的标题、注释等内容（如，一幅照片的拍摄时间和地点等）以水印形式嵌入 该作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。 4．篡改提示 当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处 理过。为实现该目的，通常可将原始图像分成多个独立块，再将每个块加入不同的水印。同 时可通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其他水印不同的是，这类 水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原始数据。 5．使用控制 这种应用的一个典型例子是DVD防拷贝系统，即将水印加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通 过检测DVD数据中的水印信息来判断其合法性和可拷贝性，从而保护制造商的商业利益。
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第6章 信息隐藏技术
6.1.4 信息隐藏技术的主要分支与应用
信息隐藏
隐蔽信道
隐写术
匿名通信
版权标志
语言学中的隐写术
技术上的隐写术
鲁棒的版权标志
易碎水印
数字指纹
数字水印
不可见数字水印 可见数字水印
广义的信息隐藏技术分类
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第6章 信息隐藏技术
第6章 信息隐藏技术
6.1 信息隐藏技术概述
6.1.1 信息隐藏产生背景
采用传统密码学理论开发出来的加解密系统，不管是对称密钥系统（如 DES）还是公开密钥系统容易引起攻击者的注意，由此带来被破解的可能。 除此之外，攻击者还可以在破译失败的情况下将信息破坏，使得合法的 接收者也无法接收信息。采用加密技术的另一个潜在缺点是，随着硬件 技术的迅速发展，以及基于网络实现的具有并行计算能力的破解技术的 日益成熟，传统的加密算法的安全性受到了严重挑战。
如何防止知识产品被非法复制及传播，是目前急需解决的问题。
信息隐藏的首要目标是隐藏性好，也就是使加入隐藏信息后的媒体的质 量降低尽可能小，使人无法看到或听到隐藏的数据，达到令人难以察觉 的目的。
信息隐藏技术和传统密码技术的区别在于:密码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。信息隐藏技 术提供了一种有别于加密的安全模式。
图像的尺寸和特性有关。 对同一种水印方法而言，嵌入的信息越多，水印的健壮
性越差；增加水印嵌入强度将会增加水印的健壮性， 但相应地会增加水印的可见性。
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6.2.8 数字水印的主要应用领域
1．版权保护 版权保护即数字作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布他的
然后通过 b(k) 256 (k 百度文库1,2,, m) 转化成整数值混沌序列b ' (k ) ；
注：由于在开始的多轮迭代中随机效果较差， 可考虑从某一轮迭代开始。
(2)将W 按行列扫描方式放入一个 N N 的二维矩阵 J 。 (3) i 从 1 到 N ， j 从 1 到 N 完成下列计算：
统地了解攻击的种类及抗攻击策略对于帮助人们设计 出更好的水印方案是十分必要的。
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攻击类型
鲁棒性攻击
安全性攻击
系统攻击
非授权去除
非授权嵌入
非授权检测
去除攻击
掩盖攻击
拷贝 多重嵌 攻击 入攻击
去噪攻击压缩攻击 合谋攻击 几何 拼凑 利用检测器 攻击 攻击 的攻击
协议 最严重 次严重 末严重 攻击 攻击 攻击 攻击
图 6-6 攻击方法分类
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6.2.7 数字水印的评价标准
1、可见性评价 (1)基于像素的度量方法 (2)可见性质量变量 (3)主观性质量度量方法 2、健壮性评价 水印的健壮性主要与嵌入信息的数量、水印嵌入强度、
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3仿真结果分析
图 6-10 原 始 水 印 图 像 （ x0 0.1234567896 66, u 4 ）
图 6-11 加 密 水 印 图 像
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（1）抗攻击能力分析 首先，我们采用的是一次一密制，按照 Shanon 理论，即使调制后的水印信号在传输途 中被截获，破译者也是难以破译的。其次，从密钥流的构成上看，因为混沌序列由 Logistic
xn 0 ,1 ,n 1 ,2
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2水印加密过程
设 原 始 灰 度 水 印 图 像 W wi, j i N, j N ， 密 钥 为 初 始 值 x0 和 系 数 参 数 u
（ u 3.57），具体实现步骤如下： (1)由初始值 x0 和参数 u ，根据式（6-1）迭代生成实数值混沌序列b(k)(k 1,2,, m) ，
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6.2.4 数字水印原理
1 水印信息嵌入 从图像处理的角度看，嵌入水印可以视为在强背景（原
图像）下叠加一个弱信号（水印）。由于人的视觉系 统（HVS）分辨率受到一定的限制，只要叠加信号的 幅度低于HVS的对比度门限，人眼就无法感觉到信号 的存在。 2 水印信息检测 水印的检测可看成一个有噪信道中弱信号的检测问题， 它一般包含水印提取和水印的判定两个部分。
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6.2.2 数字水印的主要特征
1不可见性（透明性）。 2健壮性。 3确定性。 4安全性。 5数据容量。 6计算复杂度。 其中，不可见性和健壮性是数字水印最基本的要求，又
是相互矛盾的因素。如何在不可见性与健壮性之间取 得平衡是数字水印研究的重点内容之一。
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6.2.6 数字水印的攻击类型及对策
若要把数字水印技术真正地应用到实际的版权保护、内 容认证等领域，必须考虑的一个重要问题是系统可能 受到的各种攻击。
不同的应用场合有不同的抗攻击能力要求。 抗攻击能力是数字水印系统评测最重要的性能指标，系
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6.3.2 图像的小波分解与重构
N×N 图像
第一级
行
列 N×N/2图像
HP
¯2
行
列 N×N/2图像
LP
¯2
第二级
列
行
HP
¯2
列
行
LP
¯2
列
行
HP
¯2
列
行
LP
¯2
N/2×N/2对角细节 N/2×N/2垂直细节 N/2×N/2水平细节 N/2×N/2低通近似
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6.3 案例：基于混沌的小波域数字水印
• 本节介绍基于混沌的小波域数字水印算法，首 先对有意义的水印信息进行混沌加密，使其成 为加密水印信息—密印；
• 其次选择中高频区域作为水印嵌入域，嵌入密 印；
• 仿真实验结果表明即使图像经过比较严重（甚 至不具有一定的商用价值）的失真，这种算法 提取的水印仍然比较清晰。
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6.1.2 信息隐藏基本原理
密 钥
密 钥
秘 密 信 息 宿 主 信 息
编 码 器 隐 蔽 宿 主 检 测 器
秘 密 信 息 宿 主 信 息
图6-1 信息隐藏系统模型
信息隐藏技术主要由下述两部分组成： 1．信息嵌入算法（编码器），它利用密钥来实现秘密信息的隐藏。 2．隐蔽信息检测/提取算法（检测器），它利用密钥从隐蔽宿主中检测/恢复
N/2×N/2对角细节 N/2×N/2垂直细节 N/2×N/2水平细节 N/2×N/2低通近似
第一级
行 2
列 HP
N×N/2图像
行 2
列 N×N/2图像 LP
行 2
列 HP
N×N/2图像
行
列 N×N/2图像
2
LP
第二级
列
行
2
HP
列
行
2
LP
N×N 图像
图6-7 二维小波分解与重构
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6.2.3 数字水印分类
1可见水印和不可见水印 2脆弱水印、半脆弱水印和健壮水印 3时/空域数字水印和频域数字水印 4非盲水印和盲水印 5私有水印（秘密水印）和公开水印 6对称水印和非对称水印 另外，我们还可以按照数字水印的内容将其分为有意义
水印和无意义水印；按水印所依附的载体分为图像水 印、音频水印、视频水印和文本水印等。
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图6-8 二维信号小波分解原理图
LL3 HL3
HL2 LH3 HH3
HL1
LH2
HH2
LH1
HH1
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6.3.3 水印信息预处理
1混沌序列的产生 采用Logistic 映射作为密钥流发生器：
xn 1f(xn)un(x 1 xn)
出秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐蔽宿主中得到或删 除，甚至发现秘密信息。
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6.1.3 信息隐藏系统的特征
信息隐藏系统的特征主要有： 1．鲁棒性（Robustness） 2．不可检测性(Undetectability) 3．透明性(Invisibility) 4．安全性（Security） 5．自恢复性（Self-recovery） 6．可纠错性（Corrective）
k 1 ; wi, j wi, j b' (k) ; k k 1;
从而得到加密后的图像
W'

w' i, j
i

N,
j

N

(4)解密算法，用户必须输入正确的密钥（混沌序列初始值 x0 和初始参数 u 及迭代次数 k ）将加密算法逆向运算，才可获得解密图像。
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6.3.1 小波变换
小波变换理论是近年来兴起的新的数学分支，这一创新性的概念是 由法国工程师 J.Morlet在 1984年首先提出的，当时并未得到数学 专家的认可。
1989 年，Mallat将计算机视觉领域内的多尺度分析的思想引入到小波 分析中，从而成功的统一了在此之前的 Stromberg、Meyer、 Lemarie 和 Battle 提出的具体正交小波基的构造，并研究了小波变 换的离散化情形。在正交小波基构造的框架下，他给出了信号和 图像分解为不同频率信号的算法及信号的重构算法，这就是著名 的 Mallat 算法。至此，小波变换理论已逐渐被大家认识。
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6.2.1 数字水印系统的基本框架
密钥k
原始水印 信息m
密印w 产品x
含水印 产品xw
网络
水印生成 算法G
水印嵌入 算法Em
水印攻击 算法At
水印提取 算法Ex
含水印 产品xˆ
水印wˆ 有或无
水印检测 算法D
图 6-3 数字水印处理系统基本框架
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6.2.5 数字图像水印的典型算法
1 时空域算法 (1)最低有效位方法(LSB) (2)Patchwork 方法及纹理块映射编码方法 (3)文本微调法
2 变换域算法 （1）DFT域水印算法 (2) DCT域水印算法 （3）DWT域水印算法 3 压缩域算法