第2讲 信息隐藏技术基本原理

❖ 时（空）域是数字信号的自然表示
❖ 信号变换是数字信号处理研究的一个重要方面， 即利用各种正交变换的性质和特点，将信号转 换到变换域中进行处理
❖ 离散傅立叶变换（DFT）域是信号做傅立叶变 换的系数，系数分布代表信号的频谱分布
❖ 离散余弦变换（DCT）域是取信号傅立叶变换 的余弦部分（实部）
❖ 离散小波变换（DWT）域是信号的小波变换系
❖ 频率掩蔽：低频声音容易掩蔽高频声音，反之 则较难
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信息科学与技术学院计算机系
信号合成需考虑的基本要素
载体信号C
视/听觉 载体信号
特征
特征分析

含密信号C’
ci' ci g(ci )wi
视/听觉 滤波器
1. 嵌入域的选择 2. 嵌入位置的选择 3. 嵌入方法的选择
待藏消息W 对待藏消息的预处理过程
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信息科学与技术学院计算机系
嵌入域的选择
❖ 存在一个尺度函数
j,n (x) 2 j / 2(2 j x n)
使得 j,n (x) | j, n Z 是 V j 的规范正
交基
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信息科学与技术学院计算机系
小波函数与MRA的关系
❖ 存在一个小波函数
j,n (x) 2 j / 2 (2 j x n)
的问题
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信息科学与技术学院计算机系
语音信号基础知识
❖ 语音信号的时频域表示 ❖ 语音信号短时特性及短时傅立叶变换 ❖ 语音信号的小波变换 ❖ 语音信号的离散余弦变换 ❖ 影响语音感知的主要因素 ❖ 语音信号的质量评价
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信息科学与技术学院计算机系
语音信号的时频域表示
❖ 时域表示：对语音波形的采样序列x(n)
❖ 在高频部分具有较高的时间分辨率，较低的频 率分辨率
❖ 这正符合低频信号变化缓慢而高频信号变化迅 速的特点，所以DWT被称为数学显微镜
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信息科学与技术学院计算机系
小波变换
❖ 引入了两个可变因子：平移，伸缩
❖ 连续小波变换
CWTx ( , a) 1 a
x(t)h* t dt
❖ 取较宽的时间窗，可以得到较高的频率分辨率， 但是时域信号的细节特性就无法分辨
❖ STFT无法同时满足时间分辨率和频率分辨率的 要求
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信息科学与技术学院计算机系
语音信号的离散小波变换（DWT）
❖ 窗口大小（即窗口面积）固定但其形状可变的 时－频局部化分析方法
❖ 在低频部分具有较高的频率分辨率，较低的时 间分辨率
(1) 单调性： V j1 V j V j1
(2) 逼近性： V j 0 V j L2 (R)
jZ
jZ
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多分辨分析（MRA）
(3) 伸缩性： f (x) V j f (2x) V j1
(4) 平移不变性：f (x) V0 f (x k) V0
使得 j,n (x) | j, n Z 是 W j 的规范正
交基
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信息科学与技术学院计算机系
几种常用的小波函数
❖ Haar小波
1
(x) 1
0
❖ Daubechies小波系
▪ 没有解析式 ▪ db1-db10 ▪ db1为Haar小波
0 x 1/ 2 1/ 2 x 1 其它
(5) Riesz基存在性：存在 g V0 ，使
g(x k) | k Z 构成 V0 的Riesz基
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多分辨分析的直观含义
❖人观察目标，设他所处的尺度为 j ，观察目标
所获得的信息为 V j
❖当他走近目标，即尺度增加到 j+1 ，观察目标 所获得的信息应该比尺度 j 下获得的信息更为 丰富，即 V j V j1
数，是对信号做多分辨分析的结果
❖…… 是直接在自然的时（空）域上还是选
择某个变换域嵌入？
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信息科学与技术学院计算机系
嵌入位置的选择
❖ 信号表示（无论时空域还是变换域）的各个位 置上的分量取值不同，其所能容忍或隐藏消息 的能力也不同
❖ 是在所有分量上嵌入还是选择部分分量嵌入？ 部分分量又如何选择，利用密钥随机选择还是 利用HVS/HAS特性选择？
❖ 频域表示：离散傅立叶变换（DFT），是对输 入采样x(n)做傅立叶变换
N 1
X (k ) x(n)e j2kn/ N n0
正、反 变换核
x(n)
1
N 1
X (k )e j2kn/ N
N k0
DFT反映的是整个时间段中信号的频谱特性， 信号任何时刻的微小变化都会影响到整个频谱， 适合对确定性信号和平稳信号做频谱分析
❖ 由于人类的感知系统受限且多媒体文件本身所 具有的统计冗余特性，所以总可以在其中隐藏 信息而不被发现——可能性
❖ 数据量大，复杂性高，能够隐藏较多的信息 ——大而复杂的隐藏空间
❖ 可以利用信息理论和数字信号处理技术来探索 安全高效的隐藏方法——实现特性匹配
4
信息科学与技术学院计算机系
LOGO
第二讲 信息隐藏技术基本原理 和基础知识
语音信号的DCT系数
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信息科学与技术学院计算机系
影响语音感知的主要因素
❖ 人的听觉范围 ❖ 掩蔽效应 ❖ 频率选择性 ❖ 限幅的影响
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信息科学与技术学院计算机系
人的听觉范围
❖ 频率和强度两方面 ❖ 正常人可听声音的频率范围为0.016---16KHz，
年轻人可听到20KHz的声音，而老年人可听到 的最高频率为10KHz左右
M C
Voice.mp3
......
10
00，1，1，10，1，00，， 嵌入强度？
0......
嵌入位置？
信息科学与技术学院计算机系
基于HVS/HAS特性合成
载体信号C
视/听觉 特征
载体信号 特征分析

含密信号C’
ci' ci g(ci )mi
视/听觉 滤波器
待藏消息M 依据视听觉特性，合理分配 隐藏信号分量的局部能量， 以提高隐蔽性和稳健性 对待藏消息的预处理过程
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信息科学与技术学院计算机系
嵌入方法的选择
❖ 是否对待藏消息进行预处理以及如何预处理？ ❖ 信号合成的两种方式
▪ 叠加：将待隐藏消息乘以调节因子（常量或变量） 然后直接叠加到载体信号分量上
▪ 量化（标量或矢量量化）：根据消息比特按照一定 的量化阶，对载体信号分量进行量化
❖ 最终采用叠加还是量化方式实现嵌入？ ❖ 还需考虑接收端是否能正确接收（提取）消息
dN N级DWT 细节分量
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信息科学与技术学院计算机系
s
L
H
小波重构的实现
2
L
2
N级DWT
近似分量
aN
L
2
H
H
Βιβλιοθήκη Baidu
2
2
2
d1 1级DWT
细节分量
d2 2级DWT
细节分量
dN N级DWT
细节分量
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信息科学与技术学院计算机系
Daubechies小波的例子
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信息科学与技术学院计算机系
语音信号的1级小波分解与重构
主要内容
1 信息隐藏技术的概念 2 信息隐藏技术基本原理 3 语音信号基础知识 4 图像信号基础知识
6
信息科学与技术学院计算机系
信息隐藏技术的概念
❖ 利用人的视听觉局限性，以数字多媒体数据为 载体，将秘密消息以一定的编码或加密方式隐 藏于其中，从而掩盖秘密消息存在的事实

＝
Message

＝

＝
a
1
x(t) CH
1 a2
CWTx
(
,
a)
1 a
h

t

a

dad
❖h(t)是小波母函数
对小波函数做平移 和伸缩的结果
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信息科学与技术学院计算机系
尺度因子和平移因子
❖在
1 a
h

t

a

中，a 是尺度（伸缩）因子； 是
平移因子
❖当尺度 a 增加时，表示以伸展了的波形去观察 整个信号，而当尺度 a 减小时，表示以缩窄了 的波形去观察信号的局部
❖ 尺度越大，距离越近，信息越丰富；反之，如 果远离目标，即尺度减小到 j-1，则观察目标所 获得的信息比尺度 j 下获得的信息更为减少。 尺度越小，距离越远，信息越稀少
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信息科学与技术学院计算机系
小波函数与MRA的关系
❖令 W j 是 V j 在 V j1中的正交补空间，即
V j1 V j W j
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信息科学与技术学院计算机系
小波分解与重构的实现
❖ 分解
▪ 低通滤波 ▪ 高通滤波 ▪ 降采样率（抽取）
❖ 重构
▪ 低通滤波 ▪ 高通滤波 ▪ 升采样率（插值）
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信息科学与技术学院计算机系
L
s
H
小波分解的实现
2
L
2
N级DWT
近似分量
aN
L
2
H
H
2
2
2
d1 1级DWT 细节分量
d2 2级DWT 细节分量
上讲回顾
❖ 三个思考问题
▪ 信息隐藏的构成要素与基本要求 ▪ 信息隐藏技术的重要指标 ▪ 多媒体文件作为载体的优势
1
信息科学与技术学院计算机系
思考1：构成要素与基本要求
❖ 构成要素：被隐藏消息和隐藏载体 ❖ 基本要求
▪ 寻找合适的隐藏载体：足够大的空间，足够高的复 杂性，确保具有一定的隐藏容量
▪ 隐蔽性好：对被隐藏消息和隐藏载体做特性匹配
密信号，M为待隐藏消息，则信息隐藏过程可
以表示为： C = C + f (C, M)
（2-1）
8
信息科学与技术学院计算机系
简单合成
载体信号C

含密信号C’
×a 对比度门限问题
待藏消息M
ci' ci mi
对待藏消息做预处理 以减弱其对载体信号质量的影响
9
信息科学与技术学院计算机系
信号合成的例子
1 F(0) N
2
N 1
F (u) cos
(2x
1)u
N u0
2N
x 0,1,L , N 1
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信息科学与技术学院计算机系
语音信号的离散余弦变换（DCT）
❖ DCT由于具有实频谱、能量聚集性好和计算简 单等优点，在信号处理领域里得到了普遍的应 用。例如在图像和视频压缩国际标准JPEG、 MPEG和H.26x中，DCT都占据重要的位置。
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信息科学与技术学院计算机系
语音信号的时频域表示
语音信号波形
语音信号的DFT幅度谱
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信息科学与技术学院计算机系
语音信号短时特性及短时傅立叶变换
❖ 语音信号具有时变非平稳的特性，所以DFT不 适合语音信号
❖ 语音信号的短时特性：一般认为语音信号在 20ms以内是平稳的，所以处理时一般取20ms为 一帧，取出一帧语音时要用一个窗函数（矩形 窗或汉明窗）乘以语音信号采样值
36
信息科学与技术学院计算机系
语音信号的3级小波分解与重构
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信息科学与技术学院计算机系
语音信号的离散余弦变换（DCT）

F
(u)


1 N 1 f (x)
N x0


2 N1 f (x) cos (2x 1)u
N x0
2N
u=0 u 1, 2,L , N 1
f (x)
2
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思考2：重要指标
❖ 隐蔽性：不可感知和不可检测的 ❖ 隐藏容量：载体隐藏信息的能力 ❖ 稳健性（鲁棒性）：不容易被破坏
普通隐写
隐藏容量
秘密隐写、 隐秘通道
隐蔽性
数字水印、 数字指纹
稳健性
隐蔽性、稳健性和隐藏容量的关系
3
信息科学与技术学院计算机系
思考3：多媒体文件作为载体的优势
❖ 感觉域：容忍的最高声压。当声压高到一定程 度时，耳朵会出现不适感。对正常人而言，一 般取120dB为不适阈，140dB为痛阈，且与频率 无关
❖ 无法区别间隔太短的声音；无法区别频率相近 的声音
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信息科学与技术学院计算机系
人的听觉范围
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信息科学与技术学院计算机系
掩蔽效应
❖ 时间掩蔽：强声音后面的弱音容易被掩蔽；强 声音前面的弱音也容易被掩蔽
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信息科学与技术学院计算机系
信息隐藏技术基本原理
❖ 从视听觉科学和信号处理的角度，信息隐藏可 理解为在强背景（原始图像/音频/视频等载体 信号）下迭加一个弱信号（待隐藏消息）
❖ 只要迭加的弱信号的幅度低于人类视听觉系统 （HVS/HAS）的对比度门限，HVS/HAS就无 法感觉到信号的存在
❖设 C 和C 分别代表原始载体信号和隐藏后的含
❖平移因子 则是将扩展或缩窄了的小波沿着时
间轴平移，以达到对整个时间段的覆盖
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信息科学与技术学院计算机系
离散小波变换（多分辨分析）
❖ L2 (R) 表示平方可积的实数空间
❖定义：空间 L2 (R) 中的一列闭子空间 V j jZ
称为 L2 (R) 的一个多分辨分析（MRA）。
如果满足下列条件：
❖ 短时傅立叶变换（STFT）：用窗口取得某一时 间段的信号，再分析其频谱
STFTx (t, f )
x(t)g * (t t) e j2ftdt
变换核
窗函数
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短时傅立叶变换的特点
❖ 取较窄的时间窗，可以得到较好的时间分辨率， 但是其频率分辨率降低