信息隐藏技术 考试要点整理

信息隐藏技术术语

□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（秘密信息）隐藏在另一个公开信息（载体）中，信息因此而受到保护.

□秘密信息: 版权信息、秘密数据、序列号

□载体信息: 图像、视频、音频、文本

□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。

信息隐藏与传统密码技术关系 ( 隐藏 vs 加密 )

□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

□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

□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

信息隐藏技术分类【填空】

信息隐藏:数字水印（脆弱水印、稳健水印（可见水印、不可见水印）、潜信道、叠像术、信息伪装（语义伪装、技术伪装）

信息隐藏技术的应用

□在Web网上对授予著作权的资料进行自动监控

□数据保密（防止非法用户的截取与使用）

□数据完整性的验证（确认数据在网络传输中是否被篡改过）

□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。)

□电子证件/票据防伪

二章、信息隐藏技术概论

信息隐藏的概念

□信息隐藏是把一个有意义的信息（秘密信息）隐藏在载体信息中得到隐蔽载体。非法者不知道这个普通信息中是否隐藏了其它的信息，而且即使知道也难以提取或去除隐藏的信息。

□载体可以是文字、图象、声音及视频等。为增加攻击难度，可先对消息M加密得到密文消息M’，再把M’隐藏到载体C中。

□信息隐藏技术主要由两部分组成: (1)信息嵌入算法(嵌入器) ，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) ，它利用密钥从隐蔽载体中检测/恢复出秘密信息。

信息隐藏的分类

□按载体类型分为：文本、图像、声音和视频信息隐藏技术

□按密钥分为：若嵌入和提取采用相同密钥，则称其为对称隐藏算法，否则称为公钥隐藏算法

□按嵌入域分为：空域（时域）方法及变换域方法

□按提取的要求分为：若在提取隐藏信息时不需要利用原始载体，则称为盲隐藏；否则称为非盲隐藏。

□按保护对象分为：隐写术和水印技术

–隐写术的目的是：在不引起任何怀疑的情况下秘密传送消息，

–因此它的主要要求是：不被检测到和大容量等。

★数字水印是指嵌在数字产品中的数字信号，可以是图像，文字，符号，数字等一切可以作为标识和标记的信息，其目的是进行版权保护、所有权证明、指纹（追踪发布多份拷贝）和完整性保护等。

信息隐藏技术特点

□透明性: 利用人类视觉或听觉系统属性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。★鲁棒性: 指不因载体文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。这里所谓"改动"包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、有损编码压缩、D/A或A/D转换等。

□不可检测性：指隐秘载体与原始载体具有一致的特性。如具有一致的统计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。

□安全性(security):指隐藏算法有较强的抗攻击能力，即它必须能够承受一定程度的人为攻击，而使隐藏信息不会被破坏。

□自恢复性: 由于经过一些操作或变换后，可能会使原图产生较大的破坏，如果只从留下的片段数据，仍能恢复隐藏信号，而且恢复过

程不需要宿主信号。

数字水印技术

□数字水印（Digital Watermark）定义：（见上面★）

–将数字水印嵌于一个宿主载体中，但不被觉察到或不易被注意到，而且不影响宿主载体的知觉效果和使用价值，它可以是图像、声音、文字、符号和数字等一切可以作为标记和标识的信息。

–数字水印技术利用数字产品的信息冗余性，把与多媒体内容相关或不相关的标识信息直接嵌入多媒体内容中，通过对水印的检测和分析保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识产权和数字多媒体防伪的有效手段。

数字水印与信息隐藏的联系和区别

□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

□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

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:空域水印、变换域水印和压缩域水印

□按应用划分:鲁棒和脆弱(半脆弱)水印

(版权保护)鲁棒性数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理（内容认证）脆弱水印主要用于完整性保护，与鲁棒性水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。

□按水印的载体上分: 图像水印、音频水印、视频水印、文本水印、软件水印数字水印技术分类【简答】

□按检测过程分:盲水印(公开)、非盲(私有)水印、半盲(半私有)水印

□非盲水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，

不需要原始数据。

□按水印的内容划分：有意义水印和无意义水印。

□有意义水印是指水印本身也是某个数字图像或数字音频片断的编码；

无意义水印则只对应于一个序列号。

□有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其它原因致使解码后的

水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。

□按密钥划分:私钥(对称)和公钥(非对称)水印

□按用途划分: 票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐藏标

识水印。

数字水印技术特点

–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。

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。

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

□具有篡改证明能力。即必须对传输数据的篡改非常敏感

□受到篡改后能自动移除水印。

□检测时不需要原始图像。

数字水印的设计要求

□透明性(不可感知性)：指水印应该是不可感知的，或者可见但其存在

不会影响到作品受保护。

□鲁棒性：指在经过常规的操作或恶意攻击后仍能检测到水印的能力。

常规操作：信号处理、几何失真等。一般来说，水印应当对噪声、D/A、

A/D转换、重采样、量化、旋转、剪切、缩放等常规操作具有鲁棒性。恶

意攻击：指任何意在破坏水印的行为，包括非授权去除、非授权嵌入、

非授权检测等。水印应该保证可以在一定程度上抵抗这些恶意攻击。水

印必须很难被移除(理想状态为不可移除)，若有人试图强行移除或破坏

水印，应该保证在水印被破坏前图像质量已经严重下降。

□脆弱性：具有与鲁棒性相反的特点。例如用于真伪鉴别的水印，体现

了水印的安全性。

□通用性：一个好的水印算法应该适用于各种数字媒介。

□不可检测性：指隐藏对象与载体对象需具有一致的特性，以便使检测

分析变困难。

□高数据容量：水印能够包含相当的数据容量，以满足多样化的需要。

□高检测可靠性：水印的检测必须可靠，虚警率和漏检率很小。

虚警率指在没有水印的情况下检测出水印的概率；

漏检率指在有水印的情况下没有检测出水印的概率。

三章、信息隐藏算法

空域信息隐藏的方法

□空域（时域）方法【选择】

–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：由于隐藏信息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。

均值量化空域信息隐藏方法

□设灰度图像的像素灰度值为f

□将图像分块并随机选择L个子块

□每个子块的灰度值f的均值μ

f ≤[μ]-Δ 秘密信息比特0; f ≥ [μ]+Δ 秘密信息比特1

□提取方法: 找到嵌有秘密信息的L个子块，并计算其均值μw，提取的

秘密信息比特为

W = 0 , fw < μw

1 , fw ≥μw

变换域的信息隐藏方法【填空、简答】

□信息隐藏中的常用正交变换

–正交变换：将信号按频谱进行分解，每个分量的值代表信号在此频率

上的能量；反变换则是一个对各频率分量进行加权和的合成过程。

通常，信号的主要能量集中在低频部分，因而变换域低频系数的值普

遍较大，而高频系数则表示信号的突变成份，相对来说值较小。

–信息隐藏中常用的变换有：离散傅立叶变换（DFT），离散余弦变换

（DCT）和离散小波变换（DWT）。

空域和变换域信息隐藏方法比较【简答】

□与空域的方法相比，变换域的方法有如下优点：

–变换域中嵌入的信号能量可以较均匀的分布到空域的所有像素上，有

利于保证不可见性；

–在变换域，HVS（Human Visual System）/HAS（Human Auditory System）

的某些特性可以更方便地结合到嵌入过程中，有利于不可感知性和稳健

性能的提高；

–变换域的方法可与国际数据压缩标准兼容，从而便于实现在压缩域内

的信息隐藏算法。

□变换域方法的主要缺点：

–一般来说，隐藏信息量比空域方法低；

–计算量大于空域算法；

–在正变换/反变换计算过程中，由于数据格式的转换，常会造成信息

的丢失，这将等效于一次轻微的攻击。

离散余弦变换(DCT)

□离散余弦变换的变换核为余弦函数。DCT除了具有一般的正交变换

性质外，它的变换阵的基向量能很好地描述语音和图像信号的相关特

征。因此，在对语音、图像信号的变换中，DCT变换被认为是一种准

最佳变换。

□DCT变换的主要特点:

（1）在变换域中描述图像要比在空间域中更简单；

（2）DCT变换后，各个系数间相关性下降，没有空间域那样有很强的

相关性，信号的能量也集中于左上角少数几个低频变换系数上；

（3）有快速算法，能够实现高速的图像压缩和解压缩；

（4）简单、有效，并适合于软件和硬件的应用.

二维离散余弦变换（DCT）在信息隐藏中的应用【策略】

□在一个8×8的图像块中，一共有64个DCT变换系数，其中，最左

上角的那个系数称之为直流（DC）系数，它反映了该像块的平均亮度

值，其余的63个系数称之为交流（AC）系数，经过量化之后，大部分

交流系数值为0。

□将DCT变换之后左上角的交流系数称为低频分量，而将右下角系

数称为高频分量，中间的系数则为中频分量。

□在基于DCT变换的信息隐藏算法中，通常要权衡隐藏算法的鲁棒性

和不可见性，来选择信息嵌入的位置。当嵌入到DCT系数的低频分量

中时，鲁棒性较强，能抵抗一些常规的攻击，但不可见性差；当嵌入

到DCT系数的高频分量中时，由于高频分量对视觉的不敏感性，其不

可见性较好，载密图像不会产生明显的视觉失真，但鲁棒性不强。(低

频分量（鲁棒性）↔高频分量（不可见性）)

离散小波变换(DWT)

□具有多分辨率分析的特点，在时域和频域都能够表征信号的局部特

征。小波变换具有“变焦”特性，在低频段可用高频率分辨率和低时

间分辨率(宽分析窗)，在高频段，可用低频率分辨率和高时间分辨率

(窄分析窗口)。

□离散小波变换可以用来分析或者叫做分解信号。

DCT域奇偶量化法

⌊f /Δ⌋ mod 2 =0 ↔f在偶区域↔秘密信息比特0

⌊f /Δ⌋ mod 2 =1 ↔f 在奇区域↔秘密信息比特1

f 为要修改的DCT系数. 表示取下整数. Δ>0是量化步长.

四章、数字图像基础

□矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图，这种方法实际上是

用数学方法来描述一幅图。

□点位图是将一副图像在空间上离散化，即将图像分成许许多多的

像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色或灰度值。

–点位图的优点是：

（1）显示速度快（2）真实世界的图像可以通过扫描仪、数码相

机、摄像机等设备方便的转化为点位图

–点位图的缺点是：

（1）存储和传输时数据量较大

（2）缩放、旋转时算法复杂且易失真

图像的基本属性【选择、填空】

□像素深度

–像素深度指存储每个像素所用的位数。像素深度决定彩色图像每个

像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像每个像素可能有的灰度级数。

–位( bit )计算机存储器的最小单元，用来记录每一像素颜色的值。

□黑白二色的图形，它只有黑、白两种颜色

□ 4位图，它的位深度是4，即16种颜色或16种灰度等级；

□ 8位图，位深度就是8，它含有256种颜色( 或256种灰度等级)。

□ 24位颜色可称之为真彩色，位深度是24。

□调色板

–一个彩色图像假如只包含24位真彩色空间中的16个离散的点，则

可以建立一个颜色查找表（即调色板），表中的每一行记录一组RGB

值，实际像素的值用来指定该点颜色在查找表中的索引值，这样就

可以大大缩小存储量。

□真彩色与伪彩色

–真彩色：真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，

G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强

度，这样产生的彩色称为真彩色。

–伪彩色：每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，

而是把像素值当作彩色查找表(调色板)的表项入口地址，去查找一个

显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生

的彩色称为伪彩色。

BMP文件格式 BMP文件组成的4个部分：

□位图文件头: 包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息.

□位图信息头: 包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色

等信息.

□位图颜色表或调色板: 可选，比如真彩色图（24位BMP）就不需要。

□位图像素数据：该部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同，

在24位图中直接使用RGB，而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引

值。

BMP文件格式（顺序扫描）

□ BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上

的顺序。

□ BMP图像格式仅具有最基本的图像数据存储功能，能存储每个

像素1位、2位、4位、8位和24位的位图。

□ BMP格式的特点是包含的图像信息较丰富，几乎不压缩，但由此

导致了占用磁盘空间过大的缺点，因此很少在网页中使用。

一张24位的800×600的bmp格式图形文件大小：

800×600×3Byte=1440000Byte≈1.37MB

JPEG文件格式

□ JPEG文件扩展名jpg、jpeg、jpe、jfif，它用有损压缩方式去除

冗余的图像和彩色数据，获取得极高压缩率的同时图像质量也良好。

JPEG编码标准

□ JPEG有损编码算法的主要计算步骤如下：

1. 将源彩色图像颜色模型变为YUV 模型。

2. 分成8×8数据块进行正向离散余弦变换(FDCT)。

3. 量化(quantization)。

4. Z字形排列量化结果(zigzag scan)。

5. 使用差分脉冲编码调制(DPCM)对直流系数(DC)进行编码。

6. 使用游程长度编码(RLE)对交流系数(AC)进行编码。

7. 熵编码(entropy coding)。