信息隱藏與數(shù)字水印課件(全)全書教學教程完整版電子教案最全幻燈片

1、信息隱藏與數(shù)字水印2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印11概論 信息隱藏與數(shù)字水印3提綱隱寫術和數(shù)字水印隱寫術和數(shù)字水印的歷史隱寫術和數(shù)字水印的現(xiàn)狀信息隱藏的研究分支2022/8/26典型隱寫和數(shù)字水印系統(tǒng)2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印4圖片源自Digital Watermarking and Steganography信息隱藏與數(shù)字水印5數(shù)字水印和隱寫術數(shù)字水印技術(Digital Watermarking)通過對媒體進行難以被感知的改動，從而嵌入與媒體有關的信息的技術。隱寫術(Steganography)Steganography來自于希臘詞根:steganos和graphie。20

2、22/8/26信息隱藏與數(shù)字水印6數(shù)字水印和隱寫術隱寫術(Steganography)Steganos指有遮蓋物的;graphie指寫。因此，Steganography的字面意思即為隱寫。隱寫是通過對媒體進行難以被感知的改動，從而嵌入秘密信息的技術。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印7與密碼技術的區(qū)別AliceBob2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印8與密碼技術的區(qū)別2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印9與密碼技術的區(qū)別亂碼“普通”數(shù)字媒體（調(diào)制）傳送內(nèi)容不同2022/8/26與密碼技術的區(qū)別密碼學密文是不可懂的“亂碼”秘密信息不可懂信息隱藏載體和隱寫/水印載體類似秘密信息不可見2022/

3、8/26信息隱藏與數(shù)字水印10信息隱藏與數(shù)字水印11提綱隱寫術和數(shù)字水印隱寫術和數(shù)字水印的歷史隱寫術和數(shù)字水印的現(xiàn)狀信息隱藏的研究分支2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印12信息隱藏的歷史古典廣義信息隱藏技術技術型語言學型版權保護型2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印13隱寫術和數(shù)字水印歷史技術型技術歷史記載的最早應用公元前480年，希斯提烏斯(Histiaeus)想給希臘城邦米利都（Miletus）的攝政者傳遞消息，鼓動他們反抗波斯占領者。希斯提烏斯想出了一個巧妙、但很緩慢的安全通信方法，剃了頭的奴隸，把消息紋在頭皮上，等頭發(fā)長出后，派遣到米利都。在那里，再次剃光奴隸的頭發(fā)，便獲取秘密消息。

4、書記板的故事德莫瑞特思通過書記板提醒了斯巴達(Sparta)，告知了波斯國王薛西斯(Xerxes)入侵希臘的計劃。他首先去掉書記板上的臘，然后將消息寫在木板上，再用臘覆蓋，這樣處理后的書記板看起來是一個完全空白的。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印14隱寫術和數(shù)字水印歷史技術型技術實物隱藏將信函隱藏在信使的鞋底、衣服的皺褶中，婦女的頭飾和首飾中等 。標記法刺孔、字母高度、筆畫粗細在一篇信函中，通過改變其中某些字母筆劃的高度，或者在某些字母上面或下面挖出非常小的孔，以標識某些特殊的字母，這些特殊的字母組成秘密信息。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印15隱寫術和數(shù)字水印歷史技術型技術顯影劑隱形

5、墨水：碘和淀粉、米湯和煙?；瘜W的進步促使人們開發(fā)更加先進的墨水和顯影劑但隨著“萬用顯影劑”的發(fā)明，此方法就無效了。其原理是，根據(jù)紙張纖維的變化情況，來確定紙張的哪些部位被水打濕過，這樣，所有采用墨水的隱寫方法，在“萬用顯影劑”下都無效了。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印16隱寫術和數(shù)字水印歷史技術型技術微縮膠片(Digital Watermarking and Steganography)Another idea that played an important role in several wars in the nineteenth and twentieth centuries w

6、as originally proposed by Brewster (1857) .He suggested hiding messages by shrinking them so much that they started resembling specs of dirt.2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印17隱寫術和數(shù)字水印歷史技術型技術微縮膠片(Digital Watermarking and Steganography)The shrinking was made possible by the technology developed by French photograph

7、er Dragon during the Franco-Prussian War (18701871).Microscopic images could be hidden in nostrils, ears, or under fingernails. 2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印18微縮膠片(Digital Watermarking and Steganography)In World War I, Germans used such “microdots” and hid them in corners of postcards slit open with a knife an

8、d resealed with starch.The modern twentieth-century microdots could hold up to one page of text and even contain photographs. The Allies discovered the use of microdots in 1941.2022/8/26隱寫術和數(shù)字水印歷史技術型技術隱寫術和數(shù)字水印歷史技術型技術微縮膠片主要思想：縮拍圖片左圖展示其宏觀效果。小布什頭像由若干士兵頭像組成。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印19信息隱藏與數(shù)字水印20眨眼發(fā)生摩斯碼(Digital

9、 Watermarking and Steganography)A more recent and quite ingenious use of steganography helped Commander Jeremiah Denton convey the truth about his North Vietnamese captors.When paraded in front of the news media as part of staged propaganda, Denton blinked his eyes in Morse code spelling out T-O-R-T

10、-U-R-E.2022/8/26隱寫術和數(shù)字水印歷史技術型技術隱寫術和數(shù)字水印歷史 語言學型技術藏頭詩 平湖一色萬頃秋，湖光渺渺水長流。秋月圓圓世間少，月好四時最宜秋。蘆花叢中一扁舟，俊杰俄從此地游。義士若能知此理，反躬難逃可無憂。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印21信息隱藏與數(shù)字水印22隱寫術和數(shù)字水印歷史 語言學型技術 Presidents embargo ruling should have immediate notice. Grave situation affecting international law. Statement foreshadows ruin of many

11、 neutrals. Yellow journals unifying national excitement immensely. Apparently neutrals protest is thoroughly discounted and ignored. Isman hard hit. Blockade issue affects pretext for embargo on by-products, ejecting suets and vegetable oils. Pershing sails from NY June 12022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印23隱寫術和數(shù)字水印

12、歷史 語言學型技術卡登格子中國古代設計的信息隱藏方法中，發(fā)送者和接收者各持一張完全相同的、帶有許多小孔的紙，這些孔的位置是被隨機選定的。發(fā)送者將這張帶有孔的紙覆蓋在一張紙上，將秘密信息寫在小孔的位置上，然后移去上面的紙，根據(jù)下面的紙上留下的字和空余位置，編寫一段普通的文章。接收者只要把帶孔的紙覆蓋在這段普通文字上，就可以讀出留在小孔中的秘密信息在16世紀早期，意大利數(shù)學家Cardan(1501-1576)也發(fā)明了這種方法，這種方法現(xiàn)在被稱作卡登格子法2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印24隱寫術和數(shù)字水印歷史 語言學型技術樂譜法2022/8/2625隱寫術和數(shù)字水印歷史 藝術作品中的隱寫術在藝

13、術作品中的隱寫術在一些變形夸張的繪畫作品中，從正面看是一種景象，側面看又是另一種景象，這其中就可以隱含作者的一些政治主張或異教思想2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印26隱寫術和數(shù)字水印歷史 藝術作品中的隱寫術信息隱藏與數(shù)字水印27隱寫術和數(shù)字水印歷史 版權保護型技術核對校驗圖 （作品的摘要）Lorrain(1600-1682)是17世紀一個很有名的風景畫家，當時出現(xiàn)了很多對他的畫的模仿和冒充，由于當時還沒有相關的版權保護的法律，他就使用了一種方法來保護他的畫的版權他自己創(chuàng)作了一本稱為Liber Veritatis的書，這是一本寫生形式的素描集。他創(chuàng)作這本書

14、的目的是為了保護自己的畫免遭偽造。一個細心的觀察者根據(jù)這本書仔細對照后就能判定一幅給定的油畫是不是贗品2022/8/2628紙張中的水印水印是從特定角度觀察時才顯現(xiàn)的紙張上的圖案，主要用于防偽。在造紙過程中，使用模具改變紙漿密度而形成的圖案，稱為水印。因為印記是在紙漿還在水中時制作的，故而稱為水印。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印隱寫術和數(shù)字水印歷史 版權保護型技術292022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印隱寫術和數(shù)字水印歷史 版權保護型技術 隨著技術的進展，人們可以在紙張中加入水印。一些高級酒店成為首批使用者之一。這些酒店會提含有酒店標識的信簽紙，彰顯酒店的服務和檔次。隱寫術和數(shù)字水印歷史

15、 版權保護型技術紙幣中的水印演示，紙幣中的“秘密”2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印30固定頭像水?。何挥谄泵嬲孀髠瓤瞻滋帲馔敢?，可見與主景圖像相同、立體感很強的毛澤東頭像水印。隱寫術和數(shù)字水印歷史 版權保護型技術紙幣中的水印演示，紙幣中的“秘密”2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印31白水?。何挥谡骐p色異形橫號碼下方，迎光透視，可以看到透光性很強的水印“100”字樣。信息隱藏與數(shù)字水印32隱寫術和數(shù)字水印歷史小結古典隱寫術和水印技術豐富想象力現(xiàn)代隱寫術和數(shù)字水印技術數(shù)字信號處理、編碼技術、統(tǒng)計分析感知系統(tǒng)的冗余2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印33提綱隱寫術和數(shù)字水印隱寫術和數(shù)字

16、水印的歷史隱寫術和數(shù)字水印的現(xiàn)狀信息隱藏的研究分支2022/8/26信息隱藏發(fā)展階段20世紀90年代開始迅速發(fā)展1992年國際上正式提出信息隱形研究。1995年數(shù)字水印相關文獻大量涌現(xiàn)。1996年國際第一屆信息隱藏研討會(IHW) 。1999年中國第一屆信息隱藏研討會(CIHW)。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印34信息隱藏發(fā)展階段90年代，多個組織開始考慮將數(shù)字水印技術納入標準The Copy Protection Technical Working Group (CPTWG) The Secure Digital Music Initiative (SDMI)Two projects

17、sponsored by the European Union, VIVA and Talisman The International Organization for Standardization (ISO)2022/8/26信息隱藏理論與技術35信息隱藏發(fā)展階段90年代后期，一些公司推出了水印產(chǎn)品SDMI采用了Verance Corporation的水印技術用于互聯(lián)網(wǎng)音頻分發(fā)保護，例如Liquid音頻Digimarc綁定水印嵌入和提取器到Adobe產(chǎn)品Phtoshop2022/8/26信息隱藏理論與技術36信息隱藏發(fā)展階段理論研究的熱潮（2000年以后）Moulin等人提出基于信息論的

18、信息隱藏理論框架Costa dirty paper 模型Cohen與Lapidoth模型Somekh-Baruck模型并行高斯信道模型等2022/8/26信息隱藏理論與技術37把信息的隱藏和提取視作一個通信問題，用通信理論解決容量分析等問題信息隱藏與數(shù)字水印38隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀產(chǎn)品、軟件MP3StegoJstegoStools(wav,gif,bmp)OutGuess/Steganography/toolmatrix.htm2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印39隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印40隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印41隱寫術和

19、數(shù)字水印現(xiàn)狀2022/8/26隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀促因版權保護1999年，專欄作家訴紐約時報等4家媒體1999年，王蒙等訴網(wǎng)站擅自在網(wǎng)上傳播其作品促因保密通信2001年，9.112022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印42隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀保障信號處理技術發(fā)展人類感知系統(tǒng)的冗余（生理學、心理學）海量的信息2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印43感知心理學研究表明：一個人承受的壓力越大，注意力越分散，畫面轉(zhuǎn)速越大！隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀保障信號處理技術發(fā)展人類感知系統(tǒng)的冗余（生理學、心理學）海量的信息2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印44信息隱藏與數(shù)字水印45隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀研究課題正向研究基

20、于圖像的隱寫和數(shù)字水印技術較成熟基于音頻的隱寫和數(shù)字水印技術還在發(fā)展視頻隱寫和數(shù)字水印的研究是新興的熱點文本、協(xié)議、軟件2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印46隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀研究課題逆向研究主動攻擊：在不顯著影響使用價值前提下，盡量抹除信息。被動攻擊：判定并提取待檢測載體中信息新研究點Benchmark（Stirmark），數(shù)字圖像取證，感知哈希。理論研究容量研究（博弈法、信息論法）2022/8/2647隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀研究層次基礎理論研究應用基礎研究應用技術研究信息隱藏模型、理論框架、容量、安全性理論等針對圖像、聲音、視頻等載體，研究相應的數(shù)字水印隱藏算法和檢測算法 以實用化為主要

21、目的，研究各種多媒體格式的數(shù)字水印在實際中的應用 2022/8/26信息隱藏理論與技術信息隱藏與數(shù)字水印48隱寫術和數(shù)字水印現(xiàn)狀文獻檢索（關鍵詞）Information Hiding（信息隱藏）Steganography（隱寫）Steganalysis（隱寫分析）Digital Watermarking（數(shù)字水?。?022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印49提綱隱寫術和數(shù)字水印隱寫術和數(shù)字水印的歷史隱寫術和數(shù)字水印的現(xiàn)狀信息隱藏的研究分支2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印50信息隱藏研究分支隱寫術偽裝式保密通信數(shù)字水印數(shù)字產(chǎn)品版權保護隱蔽信道計算機系統(tǒng)中的一些通道信息分存可視密碼數(shù)字圖像取證真實

22、性鑒別2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印51信息隱藏研究分支隱寫術利用人類感知系統(tǒng)以及計算機處理系統(tǒng)的冗余隱藏信息載體可以是任何一種多媒體數(shù)據(jù)，如音頻、視頻、圖像、甚至文本、數(shù)據(jù)等被隱藏的信息也可以是任何形式主要用于軍隊和安全部門2022/8/26信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用廣播監(jiān)控(Broadcast Monitoring)1997年，日本發(fā)生電視廣告丑聞。至少有兩家電臺沒有播出部份已付費的廣告節(jié)目。這樣的情況已持續(xù)超過20年而沒有被發(fā)現(xiàn)，重要原因之一是沒有系統(tǒng)監(jiān)控實際播出的廣告內(nèi)容。信息隱藏與數(shù)字水印522022/8/26信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用廣播監(jiān)控(Broadc

23、ast Monitoring)1999年，美國演員協(xié)會調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平均而言，美國每小時廣播節(jié)目少付了1000美元版稅。此外，版權所有者還關心，廣播的作品究竟是正版還是盜版作品。信息隱藏與數(shù)字水印532022/8/26信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用廣播監(jiān)控(Broadcast Monitoring)有多家公司提供了基于水印技術的廣播監(jiān)控服務，例如，Telttrax提供了基于Philips視頻水印技術的廣播監(jiān)控。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印54信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用版權保護(Copyright Protection)早期版權保護方式存在漏洞，只有在作品中能發(fā)現(xiàn)版權申明時，

24、版權所有者才能獲相關補償。然而，這種在作品某個部份增加的的申明很容易被去除。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印55信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用版權保護(Copyright Protection)常用測試圖像Lena實際屬于某雜志。最早使用該圖像的研究者掃描時，只保留了Lena的臉部和肩部，遺漏了雜志的版權申明，以致于全世界大部份相關論文都使用了該測試圖像而不知侵犯了該雜志的版權。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印56信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用版權保護(Copyright Protection)最終該雜志決定忽略對該圖像的“侵權”使用。水印具有不可感知性、不可分離性，因此既

25、能有效提供媒體的版權所有者身份證明，又不會降低媒體感官效果。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印57信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用版權保護(Copyright Protection)Digimarc公司的圖像水印是典型范例。Digimarc的圖像水印檢測器與Adobe圖像處理軟件Photoshop捆綁發(fā)布，一旦Digimarc的圖像水印檢測器發(fā)現(xiàn)水印，就通過水印信息檢索互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，獲取作者聯(lián)系方式。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印58信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用盜版追蹤(Transaction Tracking)在每份正版作品中嵌入唯一標識（指紋）后，一旦出現(xiàn)盜版，就可以追

26、蹤其來源。2004, 使用Philips視頻水印技術嵌入“指紋”信息的預覽片被分發(fā)給5803名奧斯卡觀影評選員，供評選員觀看評分。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印59信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用盜版追蹤(Transaction Tracking)后來，其中一部影片的視頻出現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)。分析這些盜版視頻發(fā)現(xiàn)其源自一位觀影評選員的拷貝。該評選員曾把其拷貝提供給他的朋友。雖然他不知道自己朋友的作為，但這位70歲的演員仍然被起訴，罰款300萬美元。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印60信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用內(nèi)容認證(Content Authentication)數(shù)字媒體能夠被

27、輕易篡改。密碼學提供了認證方式，對媒體簽名。簽名通常存放在文件頭或特定結構中，一旦格式變換，簽名可能丟失。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印61信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用內(nèi)容認證(Content Authentication)脆弱水印思路之一是將簽名嵌入媒體，例如，媒體的高比特平面產(chǎn)生簽名，低比特屏幕承載水印。圖像的任何改動都能被判別出。半脆弱水印能夠容忍常規(guī)圖像處理操作，例如格式轉(zhuǎn)換，去噪，并檢測定位內(nèi)容篡改操作。水印還可用于圖像的修復和還原。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印62信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用拷貝控制(copy control)一種方式是加密。例如電視信

28、號加密傳輸，只有包含特定密鑰的機頂盒能夠解密信號。這種方式的問題是，解密后的電視信號可以輸出并被錄制、刻錄。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印63信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用拷貝控制(copy control)另一種思路是每個刻錄裝置都配有水印檢測設備，一旦檢測到“禁止刻錄”水印，便停止刻錄。CPTWG(Copy Protection Technical Working Group)，和SDMI(Secure Digital Music Initiative)分別提出用于視頻和音頻的系統(tǒng)構想。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印64信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用設備控制(dev

29、ice control)拷貝控制實際設備控制的一種。設備控制更多地是豐富，而不是限制對媒體的使用。例如Digimarc的媒體橋技術。雜志中的廣告畫面包含水印，使用手機捕獲畫面后，手機軟件識別水印信息，并導航到相關網(wǎng)站。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印65信息隱藏研究分支數(shù)字水印Digimarc MediaBriage數(shù)字水印與隱寫術66圖片源自:Burt Perry, Brian MacIntosh, Dave Cushman. Digimarc MediaBridge - The Birth of a Consumer Product, from Concept to Commercia

30、l Application.2022/8/26信息隱藏研究分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用設備控制(device control)2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印67分支數(shù)字水印數(shù)字水印應用標注(captioning)網(wǎng)絡多媒體資源（音頻、圖像、視頻）中嵌入信息（標題、關鍵詞、分類），便于多媒體檢索。把感興趣的圖像特征（或區(qū)域）的位置和識別信息嵌入圖像中，可以實現(xiàn)特征定位和識別。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印68信息隱藏與數(shù)字水印69分支隱蔽信道隱蔽信道隱蔽信道是相對于公開信道而言的，和公開信道一起使用，公開信道上傳輸?shù)男畔ⅲ请[蔽信道的載體，例如：TCP協(xié)議頭中保留字段可用于攜帶秘密信息。

31、2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印70信息隱藏研究分支可視密碼1994年，M.Naor和A.Shamir提出。其思想是把要隱藏的密鑰信息通過算法隱藏到兩個或多個子密鑰圖片中。每一張圖片上都有隨機分布的黑點和白點。把所有的圖片疊加在一起，則能恢復出原有的信息。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印71信息隱藏研究分支可視密碼主要特點：恢復秘密圖像時不需要任何復雜的計算，直接以人的視覺系統(tǒng)就可以將秘密圖像辨識出來 2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印722022/8/26信息隱藏研究分支圖像取證圖像取證背景數(shù)碼相機的快速普及，圖像處理和編輯軟件的廣泛使用，使得修改、編輯數(shù)碼照片變得越來越簡單和有趣

32、，任何人都可以輕易地完成圖像的造假。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印73信息隱藏研究分支圖像取證圖像取證運用包含數(shù)字信號處理、數(shù)字水印在內(nèi)的各項技術，鑒定圖像的來源（數(shù)碼相機、掃描儀、計算機生成、圖像采集卡），以及圖像完整性（是否經(jīng)過編輯？經(jīng)過何種編輯？在何處被編輯？）。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印7475分支感知哈希感知哈希圖像感知哈希：由圖像數(shù)據(jù)集到圖像感知摘要集的一個簡短的單向映射，是對圖像感知信息的簡短摘要圖像感知哈希：借鑒了密碼學哈希的摘要性、單向性和抗碰撞性的同時，最重要的是要求其能夠?qū)?nèi)容保持操作具有魯棒性，并對內(nèi)容篡改操作具有敏感性主要用于解決圖像內(nèi)容的識別和認證2

33、022/8/26信息隱藏理論與技術信息隱藏與數(shù)字水印76總結信息隱藏技術的最重要的兩個分支是數(shù)字水印、隱寫術。數(shù)字水印主要用于版權保護。隱寫術主要用于保密通信。數(shù)字水印嵌入載體中的信息與載體有關。隱寫術則嵌入與載體無關的秘密信息?；陔[寫術的保密通信掩蓋的是通信存在的事實。2022/8/26數(shù)字信號處理基礎知識 音頻信號處理基礎數(shù)字音頻的概念人類聽覺系統(tǒng)(HAS)特點語音質(zhì)量評價語音信號處理基礎2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印78音頻基礎數(shù)字音頻概念什么是模擬信號？現(xiàn)實生活中的語音信號，從時間及其大小來看，都是連續(xù)的。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印79音頻基礎數(shù)字音頻概念80典型模擬

34、信號形態(tài)音頻基礎數(shù)字音頻概念什么是數(shù)字信號？數(shù)字信號是計算機能表示，能存儲的信號。其時間和大小的精度都是有限的。如何用數(shù)字信號表示模擬信號？每隔一定時間間隔觀察一次信號大小，并量化表示。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印8182典型離散信號，信號由離散時間間隔上模擬信號樣點值構成83典型數(shù)字信號信號，幅值經(jīng)離散信號量化而成音頻基礎數(shù)字音頻概念采樣頻率“觀察”信號的頻度，單位為Hz。碼速率我們需要對采樣所得信息進行編碼，產(chǎn)生的碼流單位為b/s(bit per second)。PCM碼速率：64K、128K、256K b/s2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印84音頻基礎數(shù)字音頻概念為何數(shù)字信號

35、能表示模擬信號？奈奎斯特采樣定律告訴我們，當采樣頻率滿足一定要求時，數(shù)字信號能完整保留原始信號信息。典型采樣頻率話音：8kHz；音樂：22.05kHz，或44.1kHz并且，采樣值的編碼方式是依據(jù)聲音心理學模型設計，編解碼所引起的失真是可接受的。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印85音頻基礎數(shù)字音頻文件音頻文件格式WAV文件格式2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印86文件頭（包含編碼方式、采樣率、碼速率等信息）文件頭樣點值樣點值樣點值音頻基礎數(shù)字音頻文件音頻文件實例WAV文件：s1.wav （Fs:8KHz，Nbits=16）2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印87音頻基礎數(shù)字音頻文件音頻文

36、件實例WAV文件：s1.wav （Fs:8KHz，Nbits=16）2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印88前44個字節(jié)為音頻文件頭第45、46個字節(jié)為第一個樣點量化幅值音頻基礎單雙聲道單聲道一個聲音通道雙聲道二個聲音通道，能夠形成立體聲效果。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印89人耳聽覺感知特性響度響度：人耳對聲音強度的主觀感受。1方等于1000Hz的1dB純音的聲強級。聽閾：0方痛閾： 120方2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印90HAS特性等響曲線2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印91HAS特性等響曲線2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印92100Hz，40dB的單音與1000Hz

37、，40dB的單音聲強級相同，它們聽起來響亮程度相同嗎？人的主觀感受和物理大小不一定吻合。HAS特性等響曲線2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印93聲強級同為40dB的單音，響度隨著單音頻率的變化有什么特點？人的感知系統(tǒng)對不同頻率單音的分辨能力不同。人耳對3000Hz到4000Hz的單音最敏感。人耳聽覺感知特性人類能感知聲音的頻率范圍16Hz-16kHz年輕人，20kHz老年人，10kHz案例：公園“驅(qū)逐器”2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印94人耳聽覺感知特性掩蔽效應什么是掩蔽效應？掩蔽效應的“宏觀”展示2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印95人耳聽覺感知特性掩蔽效應2022/8/26信息隱

38、藏和數(shù)字水印96人耳聽覺感知特性掩蔽效應掩蔽效應心理聲學實驗表明：人耳難以感知位于強信號附近的弱信號。這種聲音心理學現(xiàn)象稱為掩蔽。強信號稱之為掩蔽音，弱信號稱之為被掩蔽音掩蔽音和被掩蔽音同時出現(xiàn)所產(chǎn)生的掩蔽效應稱為同時掩蔽或頻域掩蔽，否則稱之為異時掩蔽或時域掩蔽。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印97人耳聽覺感知特性掩蔽效應同時（頻域）掩蔽低音容易掩蔽高音，而高音掩蔽低音較難。異時（時域）掩蔽超前掩蔽(pre-masking) 滯后掩蔽(post-masking) 2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印98人耳聽覺感知特性掩蔽效應練習若時刻0時，有一個50dB聲強級的單音，20毫秒后，有一個8

39、0dB聲強級的單音，則人耳能區(qū)分出幾個聲音？若兩者出現(xiàn)順序?qū)φ{(diào)，結果如何？2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印99人耳聽覺感知特性掩蔽效應解答第一問中，弱信號在強信號之前出現(xiàn)，屬于超前掩蔽。根據(jù)曲線，80dB的強信號，能掩蓋在它之前20ms出現(xiàn)的，聲強級小于40dB的信號。本例中，弱信號的聲強級高于40dB，超出了強信號的掩蔽能力，所以人耳可以分辨出兩個信號。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印100人耳聽覺感知特性掩蔽效應解答第二問中，弱信號在強信號之后出現(xiàn)，屬于滯后掩蔽。根據(jù)曲線，80dB的強信號，能掩蓋在它之后20ms出現(xiàn)的，聲強級小于70dB的信號。本例中，弱信號的聲強級小于70dB，

40、在強信號的掩蔽范疇內(nèi)，所以聽起來，只有一個信號存在。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印101人耳聽覺感知特性掩蔽效應2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印102虛線所示曲線為聽閾強信號附近的聽閾發(fā)生了變化聽閾提高安靜環(huán)境，2000Hz10dB左右的聲音就可以被感知在1000Hz60dB掩蔽音時，人卻聽不到上述聲音了語音的質(zhì)量評價主觀評價主觀評價由人來對語音的質(zhì)量進行評價?？陀^評價客觀評價不以人為主體。通常提取處理前后的語音的某類特征參量，根據(jù)某種規(guī)則計算這兩組參量之間的差別，是一種“誤差”度量。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印103主觀評價方法平均意見分（MOS：Mean Opinion

41、Score）用5級評分標準來評價語音的質(zhì)量。實驗者的分別打分評價語音質(zhì)量。全體實驗者的平均分就是所測語音質(zhì)量的MOS分。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印104MOS質(zhì)量標準受損程度5極好不可察覺4較好可察覺，但不影響聽覺效果3一般輕微影響聽覺效果2較差影響聽覺效果1極差嚴重影響聽覺效果MOS分評價MOS分4.0-4.5（網(wǎng)絡質(zhì)量）：高質(zhì)量數(shù)字化語音。3.5分左右（通信質(zhì)量）：能感覺到語音質(zhì)量有所下降，但不妨礙正常通話。3.0分以下（合成語音質(zhì)量）：具有足夠高的可懂度，但自然度不夠好，并且不易進行講話人識別 。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印105主觀評價的優(yōu)缺點優(yōu)點：真實：反映了人對語

42、音質(zhì)量的真實感覺 。缺點：需要組織大量的試聽人員，欠缺靈活性。評分結果重復性和穩(wěn)定性較低。評分結果受試聽者的主觀影響較大 。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印106客觀評價方法比較波形的差別：基于SNR的評價方法：信噪比、分段信噪比、變頻分段信噪比。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印107客觀評價方法比較參數(shù)的差別：基于LPC的評價方法：比較線性預測編碼的系數(shù)。比較頻譜的差別：基于譜距離的評價方法。其它評價方法：基于人類聽覺模型2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印108客觀評價方法2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印109客觀評價方法2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印110客觀評價與主觀

43、評價一致性的問題研究方便、快捷、準確的，與主觀評價相一致的客觀評價標準，是該領域研究的一個方向。如何衡量一個客觀評價與主觀評價的一致性？2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印111客觀評價與主觀評價一致性的問題通過在客觀評價和主觀評價之間建立的函數(shù)關系，可以用客觀評價值求出對主觀評價值的預測值。該預測值和實測的主觀評價值之間的相關度就作為該客觀評價方法與主觀評價方法之間的相關度。 2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印112客觀評價與主觀評價一致性的問題N為被測的樣本數(shù)， 表示第i個樣本的實測主觀評價值， 表示第i個樣本的客觀評價的主觀預測值， 是實測主觀評價值的算術平均值 值越接近1，說明該客觀

44、評價方法對主觀評價的預測越準確，該方法的性能越好 2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印113客觀評價的優(yōu)缺點優(yōu)點：簡單，可重復性強，與試聽者主觀感覺無關。缺點：無法達到與主觀評價完全一致的效果。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印114常用語音信號變換常用變換域操作DFT：離散傅里葉變換DCT：離散余弦變換DWT：離散小波變換2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印115常用語音信號變換音頻（時域）音頻（DFT）2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印116常用語音信號變換音頻（時域）音頻（DCT）2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印117常用語音信號變換DWT原理和系數(shù)音頻（DWT）2022/8/2

45、6信息隱藏和數(shù)字水印118常用語音信號變換案例二：DWT系數(shù)特性研究DWT可迭代地對信號進行多層次分解，其中近似系數(shù)反映信號的平緩變換情況，可視為信號低頻成份，細節(jié)系數(shù)反映信號劇烈變換情況，可視為信號高頻成份。案例嘗試修改語音信號DWT細節(jié)系數(shù)，觀察修改前后語音質(zhì)量變換情況。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印119常用語音信號變換案例二：DWT系數(shù)特性研究1. 準備語音信號2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印120常用語音信號變換案例二：DWT系數(shù)特性研究2. 對語音信號進行2級小波分解，得到各級小波系數(shù)。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印1212級近似系數(shù)2級細節(jié)系數(shù)1級細節(jié)系數(shù)常用語音

46、信號變換案例二：DWT系數(shù)特性研究3. 分別用兩組系數(shù)重構語音。第一組：原始系數(shù)，第二組：一半2級細節(jié)系數(shù)置零。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印122原始音頻原始系數(shù)重構音頻修改系數(shù)重構音頻圖像信號處理基礎數(shù)字圖像的概念人類視覺系統(tǒng)(HVS)特點圖像質(zhì)量評價圖像信號處理基礎2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印123圖像信號處理基礎圖像的基本表示圖像由像素（pixel）組成，像素存儲為矩陣。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印124圖像信號處理基礎圖像分辨率（image resolution）即圖像中像素的數(shù)目，常記為：水平*垂直，分別表示水平和垂直方向的像素個數(shù)。例如：顯示屏分辨率通常為1

47、024*768，表示圖像每行有1024個像素，每列有768個像素。示例圖像為350*2582022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印125圖像信號處理基礎常見圖像類型包括灰度圖像圖像每個像素為大小在0255間灰度值（gray value）。每個像素用1個字節(jié)表示。0:黑色，255:白色2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印126圖像信號處理基礎常見圖像類型包括24位彩色圖像每個像素用三個字節(jié)表示，其含義為該像素顏色的紅、綠、藍分量。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印127圖像信號處理基礎常見圖像類型包括索引（調(diào)色板）圖每個像素存儲一個調(diào)色板索引。調(diào)色板每條記錄表示一個顏色。2022/8/26信息隱藏

48、與數(shù)字水印128圖像信號處理基礎常見圖像類型包括黑白（二值）圖像像素值為0或1，對應顏色為黑色，白色2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印129圖像信號處理基礎2022/8/26Datahiding & Digital Watermark130人類視覺特點視覺范圍視覺范圍是指人眼所能感覺的亮度范圍?？陀^上相同的亮度，當平均亮度不同時，主觀感覺的亮度也不相同。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印131人類視覺特點視覺范圍視覺范圍非常寬，但是人眼并不能同時感受這樣寬的亮度范圍。當平均亮度比較適中時，能分辨的亮度的范圍較大。當平均亮度較低時，能分辨的亮度范圍較小。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印1

49、32人類視覺特點視覺適應性暗適應性人由亮處走到暗處時的視覺適應過程，稱為暗適應。暗適應過程約需大約三十分鐘。亮適應性人由暗處走到亮處時的視覺適應過程，稱為亮適應。亮適應過程約需大約一分鐘。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印133人類視覺特點視覺惰性（視覺暫留）人眼對亮度改變進行跟蹤的滯后性質(zhì)稱為視覺惰性 。人眼所看到的影像消失后，人眼仍能繼續(xù)保留其影像約0.1-0.5秒左右。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印134人類視覺特點視覺惰性（視覺暫留）看紋理豐富的窗簾，然后再看墻壁，看墻時會發(fā)現(xiàn)窗簾的花紋重疊在墻上了?？措娨?，電影是每分鐘20幾幀圖片，通過暫留形成了流暢的動作。2022/8/26

50、信息隱藏與數(shù)字水印135人類視覺特點視覺惰性（視覺暫留）持續(xù)注視圖案中心黑點30秒鐘以上。迅速看向無字白紙或空白墻壁。將看到視覺暫留。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印136（圖片源自參考文獻3）圖像質(zhì)量評價主觀評價方法主觀評價平均意見分MOS（Mean Opinion Score）觀察者根據(jù)一些事先規(guī)定的評價尺度，或自己的經(jīng)驗，判斷測試圖像的視覺效果質(zhì)量，所有觀察者給出的分數(shù)的加權平均。五級評分2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印137圖像質(zhì)量評價主觀評價方法主觀評價的優(yōu)點：比較準確。主觀評價的缺點：受觀察者的知識背景、情緒，和疲勞程度等因素的影響?？芍貜托暂^差。2022/8/26信息隱藏

51、與數(shù)字水印138圖像質(zhì)量評價客觀評價方法客觀評價處理和分析系統(tǒng)中輸入和輸出的圖像信號，提取圖像特征參量作為研究分析對象，比較特征參量，以此反映圖像間的差別 。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印139圖像質(zhì)量評價客觀評價方法2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印140圖像質(zhì)量評價客觀評價方法2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印141圖像質(zhì)量評價客觀評價方法2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印142圖像質(zhì)量評價客觀評價方法2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印143圖像質(zhì)量評價客觀評價方法客觀評價優(yōu)點：使用方便?？芍貜托詮姟？陀^評價缺點：評價結果與主觀感覺有時存在不一致。2022/8/26信息隱藏與

52、數(shù)字水印144圖像的質(zhì)量評價為什么客觀評價與主觀評價不能很好吻合？人眼對所看到物體的理解，不僅與生理因素有關，還在相當大的程度上取決于心理因素，如“視而不見”，“聽而不聞”。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印145圖像的質(zhì)量評價為什么客觀評價與主觀評價不能很好吻合？對感興趣的區(qū)域給予極大關注，對其它區(qū)域不在意。大腦對所接收的事務有一個過濾和取舍的過程，目前計算機還無法很好地模擬此過程。2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印146例1高斯噪聲，椒鹽噪聲，PSNR相同2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印147PSNR(dB)PSNR(dB)48.118350.9538例1（續(xù)）2022/8/26信

53、息隱藏與數(shù)字水印148PSNR(dB)PSNR(dB)34.138935.1996 例1（續(xù)）2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印149PSNR(dB)PSNR(dB)28.118329.0575 例1（續(xù)）2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印150PSNR(dB)PSNR(dB)19.517519.0568 例22022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印151PSNR(dB)PSNR(dB)23.180523.5164 例2（續(xù)）2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印152PSNR(dB)PSNR(dB)23.508423.2079 例2（續(xù)）2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印153PSNR(dB

54、)PSNR(dB)33.849733.5907 常用圖像信號變換 常見變換DFT：離散傅里葉變換DCT：離散余弦變換DWT：離散小波變換2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印154常用圖像信號變換圖像（空域）圖像（DFT）2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印155常用圖像信號變換圖像（空域）圖像（DCT）2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印156常用圖像信號變換圖像（空域）圖像（DWT）2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印157cH1cV1cD1cA2cH2cV2cD2常用圖像信號變換圖像（空域）圖像（1級DWT）2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印158常用圖像信號變換2級DWT2022/8/

55、26信息隱藏和數(shù)字水印159常用圖像信號變換案例四：DCT系數(shù)特性研究DCT常用于圖像信號處理操作，例如，JPEG圖像壓縮。圖像不同位置的DCT系數(shù)大小，反映圖像不同頻率成份的強弱。位置與頻率有對應關系，水平方向從左到右，頻率逐漸升高；垂直方向從上到下，頻率逐漸升高。案例嘗試修改圖像信號DCT高頻部份系數(shù)，觀察修改前后圖像質(zhì)量變換情況。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印160常用圖像信號變換案例四：DCT系數(shù)特性研究1. 準備圖像信號2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印161常用圖像信號變換案例四：DCT系數(shù)特性研究2. 對圖像進行2維DCT變換，得到DCT系數(shù)。2022/8/26信息隱藏和

56、數(shù)字水印162低頻系數(shù)中頻系數(shù)高頻系數(shù)常用圖像信號變換案例四：DCT系數(shù)特性研究3. 分別用兩組系數(shù)重構圖像。第一組：原始系數(shù)（左圖），第二組：部份高頻系數(shù)置零（右圖）。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印163小結數(shù)字音頻是時間和樣點值都離散的，計算機能處理的信號。數(shù)字音頻信息按一定的格式保存在磁盤文件中，通常包括采樣率，編碼方式，編碼速率，單或雙聲道樣點信息。響度是人耳對聲音強度的主觀感受。人耳對不同頻率的單音的敏感程度不同，物理強度相同的單音，可能因為頻率不同，導致聽起來的響亮程度不同。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印164小結人耳難以感知位于強信號附近的弱信號，這種聲音心理學現(xiàn)象稱

57、為掩蔽。強信號稱之為掩蔽音，弱信號稱之為被掩蔽音。掩蔽音和被掩蔽音同時存在所產(chǎn)生的掩蔽效應稱為同時掩蔽或頻域掩蔽，否則稱之為異時掩蔽或時域掩蔽。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印165小結數(shù)字圖像是空間和樣點值都離散的，計算機能處理的信號。數(shù)字圖像信息按一定的格式保存在磁盤文件中，通常包括分辨率，圖像類型，調(diào)色板，樣點值等信息。常見圖像包括二值、灰度、真彩色和調(diào)色板圖像。亮度是人眼對光強的主觀感受。客觀上相同的亮度，當平均亮度不同時，主觀感覺的亮度也不相同。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印166小結人由亮處走到暗處時的視覺適應過程，稱為暗適應。人由暗處走到亮處時的視覺適應過程，稱為亮適應

58、。人眼所看到的影像消失后，人眼仍能繼續(xù)保留其影像約0.1-0.5秒左右。稱為視覺惰性或暫留，電影和動畫的制作利用了人眼的視覺惰性。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印167小結質(zhì)量評價包括主客觀方法。MOS（Mean Opinion Score，平均意見分）為常用主觀評價方法。SNR（Signal to Noise Ratio，信噪比）為音頻質(zhì)量常用客觀評價方法。PSNR(Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比)為圖像質(zhì)量常用客觀評價方法。客觀評價與主觀感受不一定相符。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印168小結常用語音和圖像信號處理操作包括DFT（Discrete

59、 Fourier Transform，離散傅里葉變換），DCT（Discrete Cosine Transform，離散余弦變換），DWT（Discrete Wavelet Transform，離散小波變換）。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印169小結DFT、DCT、DWT是一對可逆變換，正變換將信號從時域（音頻樣點）或空域（圖像樣點）轉(zhuǎn)換為變換域（變換域系數(shù)），反變換則將變換域系數(shù)重構為音頻或圖像。變換域系數(shù)的大小反映了信號不同頻率分量能量的高低，變換域系數(shù)的位置與頻率高低關聯(lián)。通常修改高頻系數(shù)所引起的失真不容易被察覺。2022/8/26信息隱藏和數(shù)字水印1703.1、隱寫術基本理論信息

60、安全中心 、 、 提綱隱寫系統(tǒng)隱寫系統(tǒng)分類隱寫術性能指標隱寫系統(tǒng)的攻擊方法2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印，理論與技術172提綱隱寫系統(tǒng)隱寫系統(tǒng)分類隱寫術性能指標隱寫系統(tǒng)的攻擊方法2022/8/26信息隱藏與數(shù)字水印，理論與技術173囚犯問題保密通信雙方兩個囚犯A和B被關押在監(jiān)獄的不同牢房，他們想通過一種隱蔽的方式交換信息，但是交換信息必須要通過看守的檢查。因此，他們要想辦法在不引起看守者懷疑的情況下，在看似正常的信息中，傳遞他們之間的秘密信息。被動看守者只是檢查傳遞的信息有沒有可疑的地方。主動看守者故意去修改一些可能隱藏有信息的地方，或者假裝自己是其中的一個囚犯，隱藏進偽造的消息，傳遞給