信息隐藏技术

xxxxx大学
计算机科学与技术学院
课程论文
2014— 2015学年第一学期
课程名称信息隐藏技术
设计题目信息隐藏技术综述
姓名
学号
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2014 年10 月27 日
信息隐藏技术综述
Xxx
河南理工大学计算机系焦作 454000
摘要：本文首先介绍了信息隐藏的理论概念，然后阐述了信息隐藏技术的特征，以及基于图像基于图像的信息隐藏检测技术和信息隐藏技术在现实中的应用，最后对信息隐藏技术的发展和系统开发作了分析与展望。

关键词：信息隐藏基于图像检测技术
一、信息隐藏概述
（一）概念简介
信息隐藏（Information Hiding），也称作数据隐藏（Data Hiding），或称作数字水印（Digital Watermarking）。

简单来讲，信息隐藏是指将某一信号（一般称之为签字信号，Signature Signal）嵌入（embedding）另一信号（一般称之为主信号，Host Signal，或称之为掩护媒体，cover-media）的过程，掩护媒体经嵌入信息后变成一个伪装媒体（stegano-media）。

这一嵌入过程需要满足下列条件：
1.签字信号的不可感知性（Imperceptibility）。

换句话讲，签字信号嵌入后，主信号的感知特性没有明显的改变，签字信号被主信号" 隐藏" 了起来。

2.签字信号的鲁棒性（Robustness）。

签字信号对主信号的各种失真变换，如失真信号压缩、仿射变换、加噪、A/D 或 D/A 转换等，以及各种恶意性攻击（MaliciousAttack），都应体现出一定的鲁棒性。

除非主信号的感知特性被明显的破坏，签字信号将很难被去除。

信息隐藏的发展历史可以一直追溯到"匿形术（Steganography）" 的使用"匿形术" 一词来源于古希腊文中"隐藏的"和"图形"两个词语的组合。

虽然"匿形术"与"密码术Cryptography）"都是致力于信息的保密技术，但是，两者的设计思想却完全不同。

"密码术"主要通过设计加密技术，使保密信息不可读，但是对于非授权者来讲，虽然他无法知获保密信息的具体内容，却能意识到保密信息的存在。

"匿形术"则致力于通过设计精妙的方法，使得非授权者根本无从得知保密信息的存在与否。

相对于现代密码学来讲信，息隐藏的最大优势在于它并不限制对主信号的存取和访问，而是致力于签字信号的安全保密性。

（二）信息隐藏技术的提出
随着多媒体技术的不断发展和扩大，以及互联网技术的普及和成熟，数字媒体已经日益受到了人们的极大欢迎，其数量也出现了指数形式的增长。

互联网的形成和发展改变了人们传统的获取信息和交流的方式。

它使得这个过程变得更加迅速、方便、经济。

而多媒体技术的
发展更是日新月异，传统的信息媒体都不得不走向数字化的道路，如报纸、书籍、图片、音乐、电影等等。

多媒体信息的多样化使得人们的生活变得越来越丰富多彩。

但这个过程同样存在着非常严重的隐患：知识产权问题和网络安全问题。

因为在互联网上获得数字媒体的手段具有多样化和隐蔽的特点，并且，对这些媒体的修改、复制、发布的方法日益完善和成熟，这使得数字媒体的知识产权问题十分严重，互联网上的盗版行为十分猖獗，比如说音乐的非法上传和下载。

另外，由于互联网具有高度的开放性、自主性，使得信息传输过程的安全性得不到有力保障，黑客攻击企业、政府以获取重要情报的事件屡见不鲜。

而传统的加密术都是基于密码学的，它的弱点在于它暴露了重要信息的位置，容易吸引攻黑客的注意力，使其得以进行有针对性的攻击。

另一个弱点则是，随着电脑硬件的不断升级，计算机的计算速度不断加快，使得密码学算法的安全性变得越来越脆弱。

信息系统正面临着信息的保密性、完整性和可控性的威胁。

为了应对这两个方面的困难，信息隐藏技术作为一门区别于传统的信息安全技术，引起了人们的极大兴趣。

很多专家学者投入到信息隐藏技术的研究之中，并取得了巨大进展。

不仅有大量的论文在国际会议和学术期刊上发表，甚至有些成熟、有效的算法已经运用到工业生产中了。

（三）信息隐藏技术的特征
1.不可感知性(imperceptibility)：有时也称为隐蔽性。

这一特性是信息隐藏最必要的条件。

载入信息的伪装载体应与原载体（没有嵌入秘密信息的载体）应当大体上是很接近的。

从人的视觉上应该不存在任何变化。

传统的信息隐藏是将秘密信息嵌入到一般信息中，使得人只看到一般信息，而看不到秘密信息。

在不改变原有信息内容的前提下，使一般信息与秘密信息的总体容量远远超过一般信息的容量，这样，传输速度会减慢，也会使人生疑，从而使秘密信息被截获的机率加大。

所以，对于信息隐藏而言，重要的是：载体在加载秘密信息前后的大小一般不应变化很大。

2.不可检测性(undetectable)：不可检测性是信息隐藏的目的，如果检测到信息隐藏的存在，说明信息隐藏本身已经失败。

容量(capacity)：在保证不可感知性和不可检测性的前提之下，希望载体能嵌入的数据容量越大越好，但容量增大，会降低不可感知性和不可检测性，所以要均衡这三种特性。

秘密信息容量越大，隐藏的难度系数越大；图片要比文本更难隐藏；秘密信息与载体信息越接近，保密的效果就会越好。

3.鲁棒性(robustness)：是指嵌入水印后的数据经过各种处理操作和攻击操作以后，不导致其中的水印信息丢失或被破坏的能力。

攻击操作一般包括模糊、几何变形、放缩、压缩格式变换、剪切等。

4.安全性(security)：指水印不易被复制、伪造、非法检测和移去，文件格式的变换不会导致水印的丢失。

5.复杂性(complication)：指水印的嵌入和提取算法复杂度低，便于推广应用。

二、图像的信息隐藏
（一）图像分类
数字图像可分为静止图像和动态图像两种，后者一般称为视频图像。

视频图像的每帧
一均可看作是一幅静止图像，但是这些静止图像之间并不是相互孤立的，而是存在时间轴上的相关性。

静止图像是像素（Pixel）的集合，相邻像素点所对应的实际距离称为图像的空间分辨率。

根据像素颜色信息的不同，数字图像可分为二值图像、灰度图像以及彩色图像。

数字图像的最终感受者是人的眼睛，人眼感受到的两幅质量非常相同的数字图像的像素可值能存在很大的差别。

这样，依赖于人的视觉系统（Human VisualSystem，HVS）的不完善性，就为数字图像的失真压缩和信息隐藏提供了非常巨大的施展空间。

（二）基本算法
1、空间域算法
（1）最低有效位算法（Least Significant Bit,LSB）
其基本思想是，在图像中，改变每个像素点的最低位不会对视觉产生影响。

基于此，可以用秘密信息直接代替数字图像的最低位。

这是一种经典的空间域的信息隐藏方法。

它满足了秘密信息的不可见性，并且算法简单，且计算机处理较快。

（2）Patchwork方法
这是一种统计算法。

首先随机选取N对像素点，然后通过增加像素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点的亮度值。

这样整个图像的平均亮度保持不变。

（3）文档结构微调方法
2、变换域算法
（1）离散余弦变换(DCT)
早期的DCT算法是Cox等人提出的。

该算法利用了图像编码中的冗余信息，对图像进行从空间数据到空间频率域的变换。

在变换过程中，可以获得图像的某些压缩特性和像素的统计值。

DCT算法对压缩、噪声干扰等攻击具有较强的鲁棒性。

（2）离散傅立叶变换(DFT)
离散傅立叶变换在信息隐藏和数字处理技术中占有重要地位，通过傅立叶变换，数字信息既可以隐藏在数字媒体的幅度上，也可以嵌入到媒体的相位中。

（3）小波变换(DWT)
将图像平面进行分割，得到一组空间、频率均不相同的子图像。

这些子图像刚好能够不重叠地组合成原始图像。

对于已经分割的图像，还可以再次分割。

子图像面积越小，则在时域和频域上的局部化程度越高。

如果时域和频域都尽可能地小，获得的信号就越精确。

但时域和频域都是有一定约束的，不可能无限小。

因此需要平衡时域和频域的关系。

基于图像信息隐藏检测技术主要用于判断图像中是否有隐藏信息的存在，它是信息隐藏分析技术的第一步，也是现阶段基于图像的隐藏信息分析的主要内容。

（三）技术分类
1、
（1
辨率、颜色值、灰度值、直方图或者变换域系数进行对比，从其中的差值或者关联信息中进行分析判断隐藏信息存在的可能性。

这种方法实现比较简单，但是在大多数情况下，无法获取原始载体图像，因此没有太大的实际意义和应用价值。

（2
身来检测隐藏信息。

通常可以通过对图像特征进行分析和提取，判断是否存在隐藏信息。

盲检测技术是当今信息隐藏检测领域最热门的研究领域，难度较大，但是具有更广泛的应用前
景。

2、
（1LSB 隐藏方法。

时空域方法检测由于是在时空域对图像进行分析计算，不需要进行频域变换，因此算法实现简单，时间复杂度较低，但是检测能力和范围有限。

目前多数算法仅采用了一阶
（2
隐藏信息的载体图像在频率域中呈现出与原始图像不同的特性，如直方图分布或者图像亮度的变化，利用这些特性可以判断隐藏信息是否存在。

常用的频率域方法有：傅立叶变换、离
3、
（1）基于数字签名
在其图像文件中留下该软件的数字签名或特征码字符串。

通过搜索该图像文件中是否包含该签名或者字符串，就可以判断该图像中是否存在隐藏信息，同时也能够确定是采用哪一种软件或算法进行的隐藏。

该方法的优点是检测准确率高，一般可以达到100%，可以分辨出具体的嵌入算法和工具；缺点是对未知模式无能为力，无法对采用未知隐藏算法和工具隐藏的
（2）Pretty Good Envelope软件，是将隐藏信息加载到载体图像的原始文件尾部，这种操作只是在载体图像尾部增加了若干个字节的存储空间，使得整个图像的大小发生了改变，即载体图像的大小为原始图像和隐藏信息之和，而且图像只是根据图像头文件中保留字表示的图像大小或者固定的文件结束标志来读取显示信息，因此隐藏信息并不会显示，图像在视觉效果上并没有变化。

由于这种图像隐藏对图像的头文件或者文件格式本身没有改变，因此可以根据这些特征的比较和搜索来判断是否存在隐藏信息。

这种算法的优点也是检测准确率高，算法实现简单；缺点是对于不同类型的图像结构不同，检测方法也不一样，需要进行多种判断才能实现不同图
（3
虽然不会引起视觉效果的改变，但是却改变了原始图像数据某一特征量的统计特性，因此通过判断给出图像的统计特征是否偏离了正常情况或更接近于隐藏了信息图像的特性，就可以判断是否存在隐藏信息。

该算法的优点是可以对某一类图像或者采用同一类隐藏算法进行信息隐藏的图像进行检测，而不用针对于某个特定的工具和算法，具有较通用的检测能力。

但缺点是检测准确性受外界因素影响较大，如统计模型和与阈值的不同，都会产生不同的检测结果，而且无法分辨采用的是哪种隐藏工具和算法。

三、信息隐藏的应用
（一）数据的安全
1、数据保密防止非授权用户截获并使用在因特网上传输的数据，这是网络安全的一个重要内容。

随着经济的全球化，这一点不仅将涉及政治、军事，还将涉及到商业、金融和个人隐私。

而我们可以通过使用信息隐藏技术来保护在网上交流的信息，如:电子商务中的敏感信息、谈判双方的秘密协议和合同、网上银行交易中的敏感数据信息、重要文件的数字签名和个人隐私等。

另外，还可以对一些不愿为别人所知道的
内容使用信息隐藏的方式进行隐藏存储。

2、数据的不可抵赖性在网上交易中，交易双方的任何一方不能抵赖自己曾经做出的行为，也不能否认曾经接收到对方的信息，这是交易系统中的一个重要环节。

这可以使用信息隐藏技术中的水印技术，在交易体系的任何一方发送或接收信息时，将各自的特征标记以水印的形式加入到传递的信息中，这种水印是不能被去除的，以达到确认其行为的目的。

3、数据的完整性对于数据完整性的验证是要确认数据在网上传输或存储过程中并没有被窜改。

通过使用脆弱水印技术保护的媒体一旦被窜改就会破坏水印，从而很容易被识别。

4、数字作品的版权保护版权保护是信息隐藏技术中的水印技术所试图解决的一个重要问题。

随着网络和数字技术的快速普及，通过网络向人们提供的数字服务也会越来越多，如数字图书馆、数字图书出版、数字电视、数字新闻等。

这些服务提供的都是数字作品，数字作品具有易修改、易复制的特点，这已经成为需要迫切解决的实际问题。

数字水印技术可以成为解决此难题的一种方案:服务提供商在向用户发放作品的同时，将双方的信息代码以水印的形式隐藏在作品中，这种水印从理论上讲应该是不被破坏的。

当发现数字作品在非法传播时，可以通过提取出的水印代码追查非法散播者。

5、防伪商务活动中的各种票据的防伪也是信息隐藏技术可以用武之地。

在数字票据中隐藏的水印经过打印后仍然存在，可以通过再扫描得到数字形式，提取防伪水印，来证实票据的真实性。

信息隐藏在军事，电子商务等方面均有广阔的应用前景。

（二）发展方向
1、信息隐藏系统的实用化信息隐藏技术虽然取得了不少研究成果，但大多数应用仍处于起步阶段，系统的抵抗攻击能力还很弱，安全性受到很大的挑战，距离实用化还有一定的距离。

如在印刷品防伪中的应用，在技术上除要满足第一代、第二代数字水印技术的特性外，还需要抵抗A/D和D/A变换、非线性量化、色彩失真、仿射变换、投影变换等攻击，且必须将打印扫描原理或印刷原理与工艺相结合，这在理论上和算法设计上都提出了更富有挑战性的要求。

2、基于其他多媒体载体的信息隐藏技术目前研究最深入、成果最丰富的是图像信息的隐藏技术，而对文本、图形、动画、视频等其它多媒体中的信息隐藏技术研究得还比较少，这习各成为今后的一个研究方向。

3、矢量数据信息隐藏技术矢量数据的数据结构、存储形式、数据特征等与一般的多媒体数据有很大的差异，因此，通用的信息隐藏技术还难以直接应用到矢量数据(特别是矢量地图数据)上来，这也将是信息隐藏技术的一个重要的应用领域。

4、公钥信息隐藏技术对于用户众多的网络应用来说，公钥密码体制是理想的选择，即使用一个专有的密钥来叠加水印，任何人均可通过一个公开的密钥来检测出水印。

目前这方面的研究还未取得突破胜的进展，有待进一步
努力。

5、信息隐藏的基本原理研究信息隐藏的算法很多，但它的基础理论知识还不成熟，对感知理论、信息隐藏模型、水印结构、水印嵌入策略、水印检测算法、水印的标准化等理论知识还有待进一步研究。

6、信息隐藏系统的评价方法研究鲁棒性、不可感知性、隐藏的信息量是评价一个隐藏系统的重要指标，但对它们之间的关系以及各自的评价指标仍没有一个权威的标准。

对鲁棒性也缺乏公认的和客观的评测体系和标准，只能用实验来验证其有效性，而无法从理论上提供严格的安全性证明。

目前信噪比或峰值信噪比常用来度量系统的客观失真程度，这是否合适仍是一个值得探讨的问题。

而主观的失真程度则涉及到生理和心理感知模型，这方面也
还缺乏比较完善的系统模型。

四、结论
信息隐藏技术是一种横跨信号处理、数字通信、密码学、计算机网络等多学科的新兴技术，具有巨大的潜在应用市场，对它的研究具有重要的学术和经济价值。

在信息隐藏中，T 门认为数字水印代表了其发展方向，虽然它的技术要求更高，但是它的应用前景也更广。

现在虽然已经有商业化的水印系统，但对水印的研究还远未成熟，许多问题如鲁棒性、真伪鉴别、版权证明、网络快速自动验证以及声频和视频水印等方面仍然还需要比较完美的解决方案。

随着该技术的推广和应用的深入，一些其他领域的先进技术和算法也将被引入，从而完备和充实数据信息隐藏技术。

例如在数字图像处理中的小波、分形理论；图像编码中的各种压缩算法；Pi视频编码技术等等。

目前，使用密码加密仍是网络上主要的信息安全传输手段，信息隐藏技术在理论研究、技术成熟度和实用性方面都无法与之相比，但它潜在的价值是无法估量的，特别是在迫切需要解决的版权保护等方面，可以说是根本无法被代替的，相信其必将在未来的信息安全体系中发挥重要作用。

同时，信息隐藏技术和力口密技术的结合，必将在信息安全领域得到广泛的应用。

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