基于图像的信息隐藏分析技术综述

随着的迅速发展和应用，信息的安全问题日益Internet 突出。隐秘通信是信息安全的一个重要方面。现阶段，实现隐秘通信的方式主要有种：安全信道、加密技术和信息隐3藏。安全信道是一种专为发送者和接收者建立的信息通道，除了发送者和接收者，其他人无法访问。虽然安全性好，但实现复杂、代价昂贵。加密技术是一种最常用的隐秘通信技术，通过加密密钥，重要信息被加密成密文传输，没有密钥无法解读信息。但加密技术也存在一定的缺点：在网络传输过程中，加密后的密文通常无法通过某些网络节点，因此造成信息传输的失败；加密技术形成的密文预示了重要信息的存在，从而引起破解者的关注。

信息隐藏技术是将隐秘信息隐藏在其他媒体中，通过载体的传输，实现隐秘信息的传递。信息隐藏技术与加密技术的最大区别在于信息隐藏技术的载体在外观上与普通载体是一样的，没有表明重要信息的存在。信息隐藏技术也包括了隐写术（）和水印（）技术。隐写Steganography Watermark 术的应用可以追溯到古代。据说在公元一世纪时，已经出现了隐形墨水，用来传递隐秘消息。历史学之父也Herodotus 于公元前年撰写的《历史》一书中，记录了在人的头皮400上刺上信息，通过头发隐蔽通信。到了现代社会，信息隐藏技术应用更加广泛，水印技术应用在防伪和版权保护，信息隐藏技术在安全通信中也得到了应用。但是信息隐藏技术也同样可以被不法分子所利用。有报道称，恐怖分子利用信息隐藏技术通过传递秘密信息、组织恐怖袭击等Internet [11]。针对这种情况，各国安全机构开展了信息隐藏分析技术的研究，该技术也称为隐写术分析技术（）。

Steganalysis 信息隐藏与分析技术

1 信息隐藏技术是一种隐秘通信技术，它将隐秘信息嵌入

到原始载体中，而外在表现上与原始载体相似，从而实现隐蔽通信。信息隐藏系统的结构如图所示。

1当信息嵌入到原始载体后，形成了隐秘载体。信息隐藏的载体很多，包括：文本、图像、音频、视频和微粒DNA 等。为了强化隐藏，还可以引入加密机制。隐藏载体的信息

提取方式有两种：一种是需要原始载体的提取，即通过比较隐秘载体和原始载体来提取隐藏信息；另一种是不需要原始载体的提取，这种方式一般采用统计的方法来提取信息。

对于信息隐藏，必须考虑以下两点：在载体中嵌入(1)一定大小的信息应该具有隐蔽性。嵌入信息后，不会引起原始载体发生可感知的降质。当然随着嵌入信息的增加，载体的降质越明显。嵌入的信息应该具有一定的鲁棒性，能(2)够抵抗外来的攻击。在不同的应用中，对这两点考虑的侧重点是不同的，需要在二者之间寻找一个平衡点。当利用信息隐藏技术实现隐秘通信时，因为网络带宽有限，对单位载体的信息量具有较高的要求，而对于嵌入的鲁棒性没有严格的要求；对于数字水印系统，为了实现产品的版权保护，必须保证数字水印能够抵抗强烈的攻击和破坏，而嵌入的信息量要求不高。

在基于图像的信息隐藏技术中，有两种隐藏技术：基于时空域的隐藏技术和基于频率域的隐藏技术。基于时空域的隐藏技术相对简单，通常采用最不重要位（）嵌入法。LSB 基于变换域的隐藏技术首先把载体变换到变换域，将信息隐

藏在变换域的系数中。常用的变换域方法有：傅立叶变换、

基于图像的信息隐藏分析技术综述

夏煜 1，郎荣玲1，戴冠中1，黄殿中2，钱思进2

西北工业大学，西安；中国信息安全产品测评认证中心(1.710072 2.)

摘要： 信息隐藏分析技术就是对信息隐藏系统进行攻击的技术。该文简要介绍了信息隐藏技术和信息隐藏分析技术，分析了基于数字图像的信息隐藏分析技术，并对现有的多种信息隐藏分析方法和研究现状进行了深入讨论。关键词：信息隐藏；数字水印；隐写术；隐写术分析

A Survey of Information Hiding Analysis in Images

XIA Yu 1, LANG Rongling 1, DAI Guanzhong 1, HUANG Dianzhong 2, QIAN Sijin 2

(1. Northwestern Polytechnical University, xi'an710072; 2.Chinese Information Technology Security Certification Center)

【】Abstract Information hiding analysis is a technology attacking on information hiding system. This paper briefly introduces the technologies of information hiding and information hiding analysis. It also analyses the technology of information hiding analysis in digital images. Some analysis methods available now are also discussed in detail.

【】Key words Information hiding; Digital watermark; Steganography; Steganalysis

第卷　第期297№

Vol.29 7计　算　机　工　程Computer Engineering

年月

20035 May 2003

・发展趋势热点技术・ /

中图分类号： TP391

文章编号：———10003428(2003)07 000103

文献标识码：A

图信息隐藏系统结构图

1

离散余弦变换、小波变换等。

(DCT)信息隐藏分析技术是伴随着信息隐藏技术而产生的，它是对信息隐藏的攻击技术。这很类似于加密技术与密码分析技术的关系。

信息隐藏的分析技术根据达到的效果可分为类：攻3(1)击技术，对隐秘载体的破坏，破坏隐秘通信。检测技(2)术，判断是否存在隐藏信息。破解技术，分析出隐藏的(3)信息内容。

信息隐藏分析技术根据数据来源可以分为类：唯隐6(1)秘载体分析，仅可以获得隐秘载体。已知载体分析，可(2)以同时获得原始载体和隐秘载体。已知消息分析，部分(3)隐藏消息已知，用于对未来的隐藏信息的分析。选择隐(4)秘载体分析，已知隐秘工具和隐秘载体。选择消息分(5)析，通过隐藏软件对选择的消息进行隐藏，从而发现采用的工具。已知隐藏分析，隐藏算法、原始载体、隐秘载体(6)都已知。

基于图像信息隐藏分析技术研究

2 基于图像的信息隐藏分析技术在近几年得到广泛研究。该技术通常与图像格式、图像压缩、图像内容和嵌入的信息有着紧密的联系。基于图像的信息隐藏分析技术以数字图像作为载体和研究对象，数字图像可分为以下类：

3原始图像（、、、）。(1) BMP PGM RAS TIFF 有限调色板图像（、）。(2) GIF

PNG 有损压缩图像、、。(3) (JPEG

Wavelet Fractal Compression)基于图像的信息隐藏分析的研究主要集中在检测和攻击技术上。破解技术难度很大，至今还没有深入的研究成果。攻击技术相对简单，便于实现。对图像文件的裁剪、旋转、效果改变、格式转换都可认为是一种攻击过程。检测技术作为信息隐藏分析的第一步，显得尤为重要。基于图像的检测技术大致可分为两大类：对比检测技术和盲检测技术。

在对比检测技术中，检测过程需要隐秘载体和原始载体对比，这种方法相对简单。通常从原始载体和隐秘载体的像素之间的关联分析、变换域系数的关联分析从而发现隐藏信息的可能性。但通常原始载体是无法获得的，因此对比检测技术的应用有很大的局限性。盲检测技术是指在没有原始载体相对比的情况下，仅通过隐秘载体检测隐藏信息。这里主要讨论现有的盲检测技术。

和比较系统地提出了Andress Westfeld Andreas Pfitzmann 信息隐藏分析方法，包括可视攻击和统计攻击两种方法[2]。可视攻击方法否定了数字图像的最低位是完全随机的，信息嵌入时可以被替换的思想。该方法的基本思路是移除所有隐蔽消息的原始图像内容，使人的视觉系统可以分辨出隐藏的消息和图像的原始内容。嵌入过滤器的构造是关键，既要保留隐藏信息，又要去除隐蔽消息的原始图像内容。例如：在一个色调色板图像中采用二值调色板代替，黑色代替排256序后的奇数位调色板，白色代替排序后的偶数位调色板，通过人的视觉系统观察新构成的图像，可以检测采用EzStego 工具隐藏的信息。实质上，它提取的就是调色板。该方LSB 法可以检测多种图像隐藏工具，如：、、EzStego S-Tools 、等。

Steganos Jsteg 统计攻击方法是更为有效的分析方法。工具通Ezstego 过覆盖排序调色板索引值的最低有效位来嵌入信息，排序的调色板索引奇偶位形成一个索引对，称为（PoVs Pairs of

），表示信息位和。该方法首先假设隐秘信息是服Values 01从均匀分布的，通过比较隐秘信息的理论的频率分布和隐秘载体的样本分布，进行检验，发现隐藏信息。该方法的关 键点在于隐秘信息理论的频率分布的构造。对于连续嵌入的信息隐藏，该算法有较好的检测能力，包括时空域的隐藏工具，如；频率域的隐藏工具，如。但对于扩散EzStego Jsteg 嵌入、随机嵌入等非连续嵌入方法，如：、S-Tools Steganos 等，该方法并不能得到很好的效果。

等人提出了在彩色图像中检测隐藏信息Jessica Fridrich 的方法，也称为方法RQP(Raw Quick Pairs)[3]。当嵌入信LSB 息后，新的调色板会产生很多相近的颜色对。大量的颜色对的出现，表明可能存在隐藏信息。该方法不仅仅适用于、等调色板图像，而且还适用于真彩色图像。该方GIF PNG 法通过构造相近的颜色对与所有颜色对的比值作为衡量是 否存在隐藏信息的判据。对于没有嵌入信息的原始图像， 值应该较小。实际上阈值选取是很困难的。因此采用一种变换的方式：如果把消息嵌入到已经嵌入消息的图像中，值 的变化应该很小，而嵌入到原始图像中时，值变化很大。 该方法还可以大致地分析出嵌入信息的大小。嵌入信息的大小是影响该算法检测效率的一个重要因素。当在图像中独立的颜色数少于，有不错的检测能力，但是当大于，30%50%检测效率则变坏。该方法的不足之处在于：首先，该方法不适用于独立颜色数较多的图像，如采用数码相机和扫描仪制作的原始高清晰度图像；其次，该方法不适用于灰度图像。

等人还提出了一种基于无损嵌入容量的Jessica Fridrich 信息隐藏检测方法LSB [4]。该方法适用于灰度或彩色图像。该方法认为对的随机化会降低位平面的无损容量，LSB LSB 但是嵌入多个位平面对无损容量的影响是不同的。因此无损容量可以认为是位平面随机性的度量。通常原始图象的LSB 具有相当的随机性，图像的多个位平面之间多少有着相LSB 互联系，无损容量可以很好地度量这种相关性。该方法将图像分为多个组，对于每个组进行定制的翻转操作，根据构造的差别函数将图像中的组分为类：常规组、奇异组、不可3用组。当信息嵌入后，会引起个组中元素个数的改变。对3于原始图像，加入小范围的噪声（小范围翻转）会引起差别函数值的增加，常规组的总数大于奇异组的总数。这个偏差保证了无察觉地嵌入无损信息。当信息嵌入后，这种情况就发生了变化，与原始图像有了很大的变化。该检测方法通过关键点估计条曲线，计算曲线的交点，确定是否存在信息4嵌入、并估计信息的长度。原始图像的噪声级别、消息位在图像中的位置和初始偏差是影响估计精确度的重要因素。该方法在调色板图像中的应用还有待进一步研究。

和提出了一种转换密度Yeuan-Kuen Lee Ling-Hwei Chen 函数的方法来检测基于位平面的嵌入LSB [5]。该方法认为图像的多个位平面满足：在最重要位平面出现随机纹理，(1)在最不重要位平面仍出现随机纹理，如果信息嵌入到非最不重要位平面，则改变这个特征；纹理的随机度从最重要(2)位到最不重要位逐渐增大，如果第个位平面嵌入信息，第k 个位平面到第个位平面的随机度变化是很突然的，则k k-1改变这个特征。该算法通过转换密度函数衡量上面两个特征。转换意味着两个相邻像素到或到的转换。该方法定0110义了一个位于图像中的矩形滑窗，作用在该滑窗上的转移 密度定义为。对于图像中的每一个点，以为中心选择TD P P 滑窗，计算值，再绘制值的直方图，统计值的分

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