信息隐藏技术
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信息安全
2015-4-18
1
第3 章
信息隐藏技术
2015-4-18
2
知识点：
◇ 信息隐藏技术概述
◇信息隐藏技术原理
◇信息隐藏的基本方法
◇ 数字水印
2015-4-18
3
来自百度文库
3.1 信息隐藏技术概述
1．什么是信息隐藏技术 信息隐藏技术（Information Hiding Technology），也称为 信息伪装技术，是一门近年来蓬勃发展，已逐渐引起人们关注的学 科。它是利用人类感觉器官对数字信号的感觉冗余，将一个消息 （秘密信息）隐藏在另一个消息（非秘密信息）之中，实现隐蔽通
3.2 信息隐藏技术的原理及应用
3.2.1 信息隐藏技术的原理
1．信息隐藏技术的原理及模型 信息隐藏系统的模型可以用下图表示。把被隐藏的信息称为秘
密信息 （ Secret Message ） ，它可以是文字 、密码 （ 或序列号 等）、图像、图形或声音等；而非秘密（公开）的信息则称为宿 主信息（Cover Message，也称为载体信息），它可以是文本文件、 数字图像、数字视频或音频等。
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现代的隐写技术是在数字信息上的隐写，是物理密写方法的数 字仿真，其基本原理是利用人听觉、视觉系统分辨率上的限制，以 数字媒体信息为载体，（在密钥的控制下）将秘密信息隐藏于载体 中，从而掩盖了秘密信息的存在，如果没有密码根本就不可能存取 其中的信息。 根据近几年发展的情况来看，依据所使用的算法，数据隐写术 可以分成6类：
信息 隐藏 系统 模型
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信息隐藏的具体过程： 在密钥的控制下 ，通过嵌入算法 （ Embedding Algorithm ）将秘密信息隐藏在公开信息中，掩蔽宿主 （隐藏有秘密信息的公开信息）则通过通信信道传递，接收方的检 测器利用密钥从掩蔽宿主中恢复/检测出秘密信息。 信息隐藏技术由以下组成： （1）信息嵌入算法：在密钥的控制下实现对秘密信息的隐藏； （2）掩蔽信息的检测/提取算法：利用密钥从掩蔽宿主中检测 / 恢复出秘密信息（在未知密钥的情况下，攻击者很难从掩蔽宿主中 恢复、发现秘密信息）。 2．（根据目的和技术要求）信息隐藏技术的特点 ① 自恢复性 ② 鲁棒性 ③ 安全性 ④ 不可检测性 ⑤ 透明性 2015-4-18 7 上述这些特点，会随着信息隐藏目的与应用而有不同的侧重。
（1）每个文件只能非压缩地存放一幅彩色图像； （2）文件头由54个字节的数据段组成，其中包含该位图文件的类型、 大小、图像尺寸及打印格式等； （3）从第55个字节开始是该文件的图像数据部分，数据的排序顺序 以图像的左下角为起点，每连续3个字节便描述图像一个像素点的颜色信 息，这3个字节分别代表红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色在此像素中 的亮度。若连续3个字节为00H、00H、FFH，则表示该像素的颜色为蓝 色。
3.3.1 基于空域的信息隐藏方法
基于空域的信息隐藏方法是指在图像和视频的空域上进行信息 隐藏，通过直接改变宿主图像/视频的某些像素的值来嵌入标志信 息（水印）。 1．空域方法的视觉理论基础 由于受灰度分辨率的限制，尽管HVS（视觉系统）在比较两个 物体的不同亮度时有较好的分辨能力，但在决定物体的绝对亮度上 比较困难。但图像灰度值一定范围内的改变，HVS可能察觉不到 。 因此，HVS只可能辨别超过一定门限（阔值）的灰度变化，而 这个门限受图像的信息和频率特性的影响，这就是HVS的对比度特 性。著名的Weber定律对HVS的对比度特性做定量的描述。
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Weber定律：假设物体背景的亮度是均匀的，表示为B，则刚好 可以被HVS识别的物体亮度应为B+B，且B满足：B/B≈0.2。 Weber定律说明，物体要能被HVS识别，其亮度与背景必须存 在一个亮度差，该亮度差与背景亮度无关。 对比度敏感门限可表示为：
B B0 max 1, B / B0
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5．公钥信息隐藏技术 公钥信息隐藏技术类似于公钥密码技术，公钥信息隐藏不需要 密钥的交换。 在公钥信息隐藏技术中，存在两个密钥：私钥和公钥。公钥用 于公钥信息隐藏过程，而私钥用来提取隐藏的信息。 公钥信息隐藏技术可以用公钥密码技术来实现，即应用公钥密 码系统来产生密文，再通过信息隐藏技术将密文嵌入到宿主信息中。 具体过程是（假设A和B是通信的双方）：A用B的公钥加密待传递的 秘密信息，加密后的数据要具有足够的随机性；然后A把加密信息 隐藏后通过一个可能不安全的信道传递给B，B可以用他自己的私钥 解密他接收到A发送来的信息；对于非法用户C，他有可能无法确知 所截获到的信息中是否含有秘密信息，即使他知道有秘密信息和信 息隐藏算法，由于他没有密钥，他也无法得到秘密信息，除非C破 译了该加密技术。
4．隐含标注 隐含标注是在数字媒体信息中隐藏附加信息，可能有以下应用： （1）在网络浏览器中应用水印技术，可以实现智能浏览，应 用于网上信息的搜索和数字媒体新鲜服务中。 （2）多语种电影系统和电影分级系统。 2015-4-18 14 （3）数字媒体附加描述和参考信息的携带。
3.3 信息隐藏的基本方法
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HVS的对比度特性揭示了这样的事实：可以对图像的像素灰度 值做一定程度的改变而不为HVS所察觉。 2．基于替换LSB的空域信息隐藏方法 在该方法中，图像部分像素（即载体像素）的最低一个或多个 （比特）位平面的值被隐藏数据所替换。即载体像素的LSB平面先 被设臵为“0”，然后根据需要隐藏的数据改变为“1”或不变，以达 到隐藏数据的目的。
2．数字水印技术（Digital Watermarking Technology） 数字水印技术并不是控制信息的被使用，而是通过信息隐藏技 术，为数字媒体信息打上一个永久性的标志，研究的重点是隐藏的 标志的稳健性。不论如何传播，标志都不会消失。 因此，作为加密技术的补充，数字水印可望在技术上为数字信 息及其所有者权益提供有效的保护工具。值得注意的是，数字水印 和加密技术是两种不同的手段，二者并不互相排斥。
信或隐蔽标识。 信息隐藏技术是多种学科理论与技术的综合，它隐藏了秘密信 息的存在（与传统的密码技术有明显的区别），表面上看起来与一 般的非保密信息没有两样，因而十分容易跳过攻击者的破解（与生 物学上的保护色相似，巧妙地将自己伪装隐藏于环境中，避免遭受 天敌的攻击）。
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2．加密技术与信息隐藏技术的比较 加密技术与信息隐藏技术是数字信息安全两种主要的技术。 经典的以密码学为基础的加密技术，是过去主要的信息安全手 段，在今后许多场合仍将发挥重要的作用。但是传统的加密技术存 在这样一些问题：保护秘密信息时容易遭受攻击（破译）；保护媒 体产品（比如加密电视频道）时数据传输过程中虽有保护作用，然 而数据一旦被截获并破译，其保护作用也将消失。因此，传统的加 密技术只能满足有限的要求。 信息隐藏作为近些年来信息安全和多媒体领域中提出一种解决 媒体信息安全的新方法。它通过把秘密信息永久地隐藏在可公开的 媒体信息中，达到证实该媒体信息的所有权归属和数据完整性或传 递秘密信息的目的，从而为数字信息的安全问题提供一种崭新的解 决办法。由此可以看出，信息隐藏技术所解决的安全有两方面的含 义：一是可以公开媒体信息（非秘密信息）在版权和使用权上的安 2015-4-18 5 全；二是秘密信息在传输和存储中的安全。
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注意：将隐藏数据嵌入至最低比特位，对宿主图像（CoverImage）的图像品质影响最小，其嵌入容量最多为图像文件大小的 1/8，但是值得注意的是嵌入隐藏信息后，宿主图像的品质会变差。
例：一种实用的基于替换LSB的空域信息隐藏方法（最低比特 位替换法，以24位的BMP文件为例） • 24位的BMP文件的结构特点包括以下几个方面：
（1）替换系统：使用秘密信息隐蔽宿主的冗余信息部分； （2）变换域技术：在信号的变换域中嵌入秘密信息（比如在 频域或时域中）； （3）扩展频普技术：利用信息扩频通信的原理来实现秘密信 息隐藏；
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（4）失真技术：通过信号处理过程中的失真来保存信息，在 解密时通过测量与原始信息载体的偏差以恢复秘密信息； （5）载体生成方法：通过对信息进行编码以生成用于秘密通 信的伪装载体，以隐蔽秘密信息； （6）统计方法：通过改装伪装载体的若干统计特性对信息进 行编码，并在提取过程中使用假设检验方法来达到恢复秘密信息。
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3．无密钥信息隐藏技术 在无密钥信息隐藏中，信息隐藏系统不需要预先交换一些秘密 信息（如密钥），信息的隐藏和提取是按照事先设计好的算法和过 程来进行的，其安全性完全由隐藏和提取算法的秘密性来保证。 如果非法用户拥有提取算法和截获到秘密信息，就可以提取秘 密信息；而且如果非法用户还拥有隐藏算法，还可以冒充合法用户 进行欺骗。 4．私钥信息隐藏技术 私钥信息隐藏技术类似于私钥密码技术，在隐藏和提取信息时， 需要用到一个事先约定的密钥；不知道这个密钥，任何人都无法提 取隐藏的信息，其安全性完全依赖于所使用的密钥。 此外，私钥信息隐藏技术也需要密钥的交换，这与密码学类似， 密钥的交换需要通过一个安全的信道来传递。
3.2.2 信息隐藏技术的分类
根据不同的应用场合的需求，信息隐藏技术分为隐写技术和数 字水印技术两个分支。依据信息隐藏协议来分，信息隐藏技术还可 以分为无密钥信息隐藏、私钥信息隐藏和公钥信息隐藏，如下图所 示。
1．隐写技术（Steganography） 隐写术作为信息隐藏技术的一个重要应用领域，又分为传统的 物理隐写技术和现代的隐写技术，研究的重点是如何实现信息伪装 。传统的物理隐写技术最典型的方法是利用化学药水的密写。
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将信息嵌入到BMP文件的步骤分为以下几步： （1）将待隐藏信息转化为二进制数据流； （2）将BMP文件图像数据部分的每个字节的奇偶性与上述二进 制数据流进行比较； （3）通过调整字节最低位的“0”或“1”来改变字节的奇偶性， 使之与上述二进制数据流的奇偶性一致，即将信息嵌入到24位BMP 文件中。 隐藏信息提取步骤如下： （1）判断BMP文件图像数据部分每个字节的奇偶性，若字节中 为“1”的个数为偶数，则输出为“0”，若字节中“1”的个数为奇数， 则输出为“1”； （2）每判断8个字节，便将输出8位数组成一个二进制数（先输 出为高位）； （3）经过上述处理，得到的一系列的8位二进制数，便是隐藏 信息的代码，将代码转换为文本或图像声音，即得到所隐藏的信息。
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因此，一幅24位的BMP图像由54字节的文件头和图像数据部分 组成，其中文件头是不能隐藏信息的，从第55字节开始的图像数据 部分可以隐藏信息。 例如，24位BMP文件数据为01100110，00111101，10001111， 00011010，00000000，10101011，00111110，10110000，则其字节 的奇偶排序为：0，1，1，1，0，1，1，1。现在若需要隐藏信息79， 79转化为8位二进制为01001111，将这两个数列相比较，发现第3、 4、5位不一致，于是对24位BMP文件数据的某些字节的奇偶性进行 调制，使其与79转化的8位二进制数据一致。 第3位：将10001111变为10001110，则该字节由奇变为偶。 第4位：将00011010变为00011011，则该字节由奇变为偶。 第5位：将00000000变为00000001，则该字节由偶变为奇。 经过这样的调制，这个24位BMP文件数据字段字节的奇偶性便 与79转化为的8位二进制数据完全相同了，这样8个字节便隐藏了一 个字节的信息。
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3.2.3 信息隐藏技术的应用
1．保密通信 信息隐藏技术则是把秘密信息隐藏于难以引起敌对方注意的可公 开的信息中，它试图掩盖的是通信存在的事实。与密码算法加密的 区别如图图3-3和3-4 所示。
图3-3
密码通信示意图
图3-4
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信息隐藏通信示意图
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2．所有权认定和版权保护 数字媒体信息的所有权保护和认定是数字水印的重要应用领域， 应用数字水印可以做到： （1）辨别数字媒体信息的所有权。 （2）数字媒体产品的数字指纹。 （3）防护非法复制。 3．多媒体数据认证和完整性保护 数字媒体的认证和完整性保护的典型例子包括防数据篡改、数 字媒体真伪的鉴别等。
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第3 章
信息隐藏技术
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知识点：
◇ 信息隐藏技术概述
◇信息隐藏技术原理
◇信息隐藏的基本方法
◇ 数字水印
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3.1 信息隐藏技术概述
1．什么是信息隐藏技术 信息隐藏技术（Information Hiding Technology），也称为 信息伪装技术，是一门近年来蓬勃发展，已逐渐引起人们关注的学 科。它是利用人类感觉器官对数字信号的感觉冗余，将一个消息 （秘密信息）隐藏在另一个消息（非秘密信息）之中，实现隐蔽通
3.2 信息隐藏技术的原理及应用
3.2.1 信息隐藏技术的原理
1．信息隐藏技术的原理及模型 信息隐藏系统的模型可以用下图表示。把被隐藏的信息称为秘
密信息 （ Secret Message ） ，它可以是文字 、密码 （ 或序列号 等）、图像、图形或声音等；而非秘密（公开）的信息则称为宿 主信息（Cover Message，也称为载体信息），它可以是文本文件、 数字图像、数字视频或音频等。
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现代的隐写技术是在数字信息上的隐写，是物理密写方法的数 字仿真，其基本原理是利用人听觉、视觉系统分辨率上的限制，以 数字媒体信息为载体，（在密钥的控制下）将秘密信息隐藏于载体 中，从而掩盖了秘密信息的存在，如果没有密码根本就不可能存取 其中的信息。 根据近几年发展的情况来看，依据所使用的算法，数据隐写术 可以分成6类：
信息 隐藏 系统 模型
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信息隐藏的具体过程： 在密钥的控制下 ，通过嵌入算法 （ Embedding Algorithm ）将秘密信息隐藏在公开信息中，掩蔽宿主 （隐藏有秘密信息的公开信息）则通过通信信道传递，接收方的检 测器利用密钥从掩蔽宿主中恢复/检测出秘密信息。 信息隐藏技术由以下组成： （1）信息嵌入算法：在密钥的控制下实现对秘密信息的隐藏； （2）掩蔽信息的检测/提取算法：利用密钥从掩蔽宿主中检测 / 恢复出秘密信息（在未知密钥的情况下，攻击者很难从掩蔽宿主中 恢复、发现秘密信息）。 2．（根据目的和技术要求）信息隐藏技术的特点 ① 自恢复性 ② 鲁棒性 ③ 安全性 ④ 不可检测性 ⑤ 透明性 2015-4-18 7 上述这些特点，会随着信息隐藏目的与应用而有不同的侧重。
（1）每个文件只能非压缩地存放一幅彩色图像； （2）文件头由54个字节的数据段组成，其中包含该位图文件的类型、 大小、图像尺寸及打印格式等； （3）从第55个字节开始是该文件的图像数据部分，数据的排序顺序 以图像的左下角为起点，每连续3个字节便描述图像一个像素点的颜色信 息，这3个字节分别代表红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色在此像素中 的亮度。若连续3个字节为00H、00H、FFH，则表示该像素的颜色为蓝 色。
3.3.1 基于空域的信息隐藏方法
基于空域的信息隐藏方法是指在图像和视频的空域上进行信息 隐藏，通过直接改变宿主图像/视频的某些像素的值来嵌入标志信 息（水印）。 1．空域方法的视觉理论基础 由于受灰度分辨率的限制，尽管HVS（视觉系统）在比较两个 物体的不同亮度时有较好的分辨能力，但在决定物体的绝对亮度上 比较困难。但图像灰度值一定范围内的改变，HVS可能察觉不到 。 因此，HVS只可能辨别超过一定门限（阔值）的灰度变化，而 这个门限受图像的信息和频率特性的影响，这就是HVS的对比度特 性。著名的Weber定律对HVS的对比度特性做定量的描述。
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Weber定律：假设物体背景的亮度是均匀的，表示为B，则刚好 可以被HVS识别的物体亮度应为B+B，且B满足：B/B≈0.2。 Weber定律说明，物体要能被HVS识别，其亮度与背景必须存 在一个亮度差，该亮度差与背景亮度无关。 对比度敏感门限可表示为：
B B0 max 1, B / B0
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5．公钥信息隐藏技术 公钥信息隐藏技术类似于公钥密码技术，公钥信息隐藏不需要 密钥的交换。 在公钥信息隐藏技术中，存在两个密钥：私钥和公钥。公钥用 于公钥信息隐藏过程，而私钥用来提取隐藏的信息。 公钥信息隐藏技术可以用公钥密码技术来实现，即应用公钥密 码系统来产生密文，再通过信息隐藏技术将密文嵌入到宿主信息中。 具体过程是（假设A和B是通信的双方）：A用B的公钥加密待传递的 秘密信息，加密后的数据要具有足够的随机性；然后A把加密信息 隐藏后通过一个可能不安全的信道传递给B，B可以用他自己的私钥 解密他接收到A发送来的信息；对于非法用户C，他有可能无法确知 所截获到的信息中是否含有秘密信息，即使他知道有秘密信息和信 息隐藏算法，由于他没有密钥，他也无法得到秘密信息，除非C破 译了该加密技术。
4．隐含标注 隐含标注是在数字媒体信息中隐藏附加信息，可能有以下应用： （1）在网络浏览器中应用水印技术，可以实现智能浏览，应 用于网上信息的搜索和数字媒体新鲜服务中。 （2）多语种电影系统和电影分级系统。 2015-4-18 14 （3）数字媒体附加描述和参考信息的携带。
3.3 信息隐藏的基本方法
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HVS的对比度特性揭示了这样的事实：可以对图像的像素灰度 值做一定程度的改变而不为HVS所察觉。 2．基于替换LSB的空域信息隐藏方法 在该方法中，图像部分像素（即载体像素）的最低一个或多个 （比特）位平面的值被隐藏数据所替换。即载体像素的LSB平面先 被设臵为“0”，然后根据需要隐藏的数据改变为“1”或不变，以达 到隐藏数据的目的。
2．数字水印技术（Digital Watermarking Technology） 数字水印技术并不是控制信息的被使用，而是通过信息隐藏技 术，为数字媒体信息打上一个永久性的标志，研究的重点是隐藏的 标志的稳健性。不论如何传播，标志都不会消失。 因此，作为加密技术的补充，数字水印可望在技术上为数字信 息及其所有者权益提供有效的保护工具。值得注意的是，数字水印 和加密技术是两种不同的手段，二者并不互相排斥。
信或隐蔽标识。 信息隐藏技术是多种学科理论与技术的综合，它隐藏了秘密信 息的存在（与传统的密码技术有明显的区别），表面上看起来与一 般的非保密信息没有两样，因而十分容易跳过攻击者的破解（与生 物学上的保护色相似，巧妙地将自己伪装隐藏于环境中，避免遭受 天敌的攻击）。
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2．加密技术与信息隐藏技术的比较 加密技术与信息隐藏技术是数字信息安全两种主要的技术。 经典的以密码学为基础的加密技术，是过去主要的信息安全手 段，在今后许多场合仍将发挥重要的作用。但是传统的加密技术存 在这样一些问题：保护秘密信息时容易遭受攻击（破译）；保护媒 体产品（比如加密电视频道）时数据传输过程中虽有保护作用，然 而数据一旦被截获并破译，其保护作用也将消失。因此，传统的加 密技术只能满足有限的要求。 信息隐藏作为近些年来信息安全和多媒体领域中提出一种解决 媒体信息安全的新方法。它通过把秘密信息永久地隐藏在可公开的 媒体信息中，达到证实该媒体信息的所有权归属和数据完整性或传 递秘密信息的目的，从而为数字信息的安全问题提供一种崭新的解 决办法。由此可以看出，信息隐藏技术所解决的安全有两方面的含 义：一是可以公开媒体信息（非秘密信息）在版权和使用权上的安 2015-4-18 5 全；二是秘密信息在传输和存储中的安全。
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注意：将隐藏数据嵌入至最低比特位，对宿主图像（CoverImage）的图像品质影响最小，其嵌入容量最多为图像文件大小的 1/8，但是值得注意的是嵌入隐藏信息后，宿主图像的品质会变差。
例：一种实用的基于替换LSB的空域信息隐藏方法（最低比特 位替换法，以24位的BMP文件为例） • 24位的BMP文件的结构特点包括以下几个方面：
（1）替换系统：使用秘密信息隐蔽宿主的冗余信息部分； （2）变换域技术：在信号的变换域中嵌入秘密信息（比如在 频域或时域中）； （3）扩展频普技术：利用信息扩频通信的原理来实现秘密信 息隐藏；
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（4）失真技术：通过信号处理过程中的失真来保存信息，在 解密时通过测量与原始信息载体的偏差以恢复秘密信息； （5）载体生成方法：通过对信息进行编码以生成用于秘密通 信的伪装载体，以隐蔽秘密信息； （6）统计方法：通过改装伪装载体的若干统计特性对信息进 行编码，并在提取过程中使用假设检验方法来达到恢复秘密信息。
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3.2.2 信息隐藏技术的分类
根据不同的应用场合的需求，信息隐藏技术分为隐写技术和数 字水印技术两个分支。依据信息隐藏协议来分，信息隐藏技术还可 以分为无密钥信息隐藏、私钥信息隐藏和公钥信息隐藏，如下图所 示。
1．隐写技术（Steganography） 隐写术作为信息隐藏技术的一个重要应用领域，又分为传统的 物理隐写技术和现代的隐写技术，研究的重点是如何实现信息伪装 。传统的物理隐写技术最典型的方法是利用化学药水的密写。
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将信息嵌入到BMP文件的步骤分为以下几步： （1）将待隐藏信息转化为二进制数据流； （2）将BMP文件图像数据部分的每个字节的奇偶性与上述二进 制数据流进行比较； （3）通过调整字节最低位的“0”或“1”来改变字节的奇偶性， 使之与上述二进制数据流的奇偶性一致，即将信息嵌入到24位BMP 文件中。 隐藏信息提取步骤如下： （1）判断BMP文件图像数据部分每个字节的奇偶性，若字节中 为“1”的个数为偶数，则输出为“0”，若字节中“1”的个数为奇数， 则输出为“1”； （2）每判断8个字节，便将输出8位数组成一个二进制数（先输 出为高位）； （3）经过上述处理，得到的一系列的8位二进制数，便是隐藏 信息的代码，将代码转换为文本或图像声音，即得到所隐藏的信息。
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因此，一幅24位的BMP图像由54字节的文件头和图像数据部分 组成，其中文件头是不能隐藏信息的，从第55字节开始的图像数据 部分可以隐藏信息。 例如，24位BMP文件数据为01100110，00111101，10001111， 00011010，00000000，10101011，00111110，10110000，则其字节 的奇偶排序为：0，1，1，1，0，1，1，1。现在若需要隐藏信息79， 79转化为8位二进制为01001111，将这两个数列相比较，发现第3、 4、5位不一致，于是对24位BMP文件数据的某些字节的奇偶性进行 调制，使其与79转化的8位二进制数据一致。 第3位：将10001111变为10001110，则该字节由奇变为偶。 第4位：将00011010变为00011011，则该字节由奇变为偶。 第5位：将00000000变为00000001，则该字节由偶变为奇。 经过这样的调制，这个24位BMP文件数据字段字节的奇偶性便 与79转化为的8位二进制数据完全相同了，这样8个字节便隐藏了一 个字节的信息。
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3.2.3 信息隐藏技术的应用
1．保密通信 信息隐藏技术则是把秘密信息隐藏于难以引起敌对方注意的可公 开的信息中，它试图掩盖的是通信存在的事实。与密码算法加密的 区别如图图3-3和3-4 所示。
图3-3
密码通信示意图
图3-4
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2．所有权认定和版权保护 数字媒体信息的所有权保护和认定是数字水印的重要应用领域， 应用数字水印可以做到： （1）辨别数字媒体信息的所有权。 （2）数字媒体产品的数字指纹。 （3）防护非法复制。 3．多媒体数据认证和完整性保护 数字媒体的认证和完整性保护的典型例子包括防数据篡改、数 字媒体真伪的鉴别等。