第六章發(fā)展方向-信息隱藏技術(shù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體信息處理技術(shù)的迅速發(fā)展，給人們帶來(lái)便利的同時(shí)也暴露出越來(lái)越嚴(yán)重的安全問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是發(fā)布信息、提供應(yīng)用和服務(wù)的主要媒介，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的保護(hù)，尤其是網(wǎng)絡(luò)上日益增多的多媒體信息進(jìn)行保護(hù)已經(jīng)引起了人們的高度重視。人們?cè)谕ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件文文件、多媒體作品時(shí)，希望能夠有效地保護(hù)自己的作品版權(quán)，防正他人對(duì)信息進(jìn)行非法復(fù)制、傳播以及篡改。為了解決此類的安全問(wèn)題在近些年信息安全技術(shù)研究領(lǐng)域出現(xiàn)了一個(gè)新的研究方向一信息隱藏和數(shù)字水印技術(shù)，作為版權(quán)保護(hù)、違反者、防]r非法復(fù)制、圖像安全認(rèn)證、隱蔽通訊與對(duì)抗以及電子商務(wù)中網(wǎng)頁(yè)保護(hù)和票據(jù)防偽等方面的有力工具，已得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。信息隱藏技術(shù)1

信息隱藏InformationHiding)是把一個(gè)有意義的秘密信息如軟件序列號(hào)、秘文或版權(quán)信息通過(guò)某種嵌入算法隱藏到載體信息hovermessage)中從而得到隱秘載體Ategocover)的過(guò)程。通常載體可以是文字、圖像、聲音和視頻等，而嵌入算法也主要利用了多媒體信息的時(shí)間或空間冗余性和人對(duì)信息變化的掩蔽效應(yīng)。信息隱藏后，非法使用者無(wú)法確認(rèn)該載體中是否隱藏了其它信息，也難于提取或去除所隱藏的秘密信息。隱秘載體通過(guò)信道到達(dá)接收方后，接收方通過(guò)檢測(cè)器detector)利用密鑰從中恢復(fù)或檢測(cè)出隱藏的秘密信息信息隱藏雖然繼承了信息加密的一些基木思想，但信息隱藏目不是限制資料信息的交流存取，而在于保證隱藏信息不被察覺(jué)和破壞，信息隱藏不但隱藏了信息的內(nèi)容而且隱藏了信息的存在。而信息加密是將資料加密完全變?yōu)槊匚?，沒(méi)有密鑰的人難以獲取機(jī)密資料，一旦被解密，則信息就完全變成明文，對(duì)信息的保護(hù)作用也隨之消失，并且傳統(tǒng)的加密方法由此也表明了哪些是重要信息，這會(huì)引起攻擊者注意，況且攻擊者可以在破譯失敗的情況下將信息破壞，使合法的接收者無(wú)法閱讀信息內(nèi)容一、信息隱藏的基本原理2信息隱藏技術(shù)主要內(nèi)容包括信息嵌入算法和隱蔽信息檢測(cè)/提取算法。信息嵌入算法利用對(duì)稱密鑰或公開密鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)秘密信息的隱藏，得到隱秘載體。隱蔽信息檢測(cè)/提取算法利用相應(yīng)的密鑰從隱蔽載體中檢測(cè)或恢復(fù)出秘密信息。沒(méi)有解密密鑰，攻擊者很難從隱秘載體中發(fā)現(xiàn)和編輯秘密信息。通常信息隱藏和提取的系統(tǒng)模型下圖所示:二、信息隱藏的模型3根據(jù)信息隱藏的基木原理，當(dāng)對(duì)含有秘密信息的隱秘載體進(jìn)行操作如對(duì)圖像進(jìn)行幾何變化，數(shù)據(jù)壓縮或者傳輸)時(shí)，不應(yīng)該破壞所隱藏的秘密信息，即對(duì)通常的操作具有免疫性根據(jù)信息隱藏的目的和技術(shù)要求，通常將信息隱藏要求和特性主要分為以下幾個(gè)方面:1)不可感知性(Imperceptibility)，指隱蔽載體S與原始載體C具有充分接近的特性，信息隱藏對(duì)人的視覺(jué)或聽覺(jué)系統(tǒng)透明，感覺(jué)不到隱秘載體的明顯變化。如具有一致的統(tǒng)計(jì)特性、肉眼無(wú)法區(qū)分隱秘圖像與原始圖像區(qū)別等，當(dāng)然個(gè)別場(chǎng)合也采用可見的水印。

2)魯棒性(Robustness)隱秘載體S收到一定的干擾，仍然能夠恢復(fù)秘密信息的能力。對(duì)隱秘載體資料干擾通常包括濾波、平滑、增強(qiáng)、重采樣、有失真壓縮,A/D或D/A變換，噪音干擾、幾何變換以及人為的破壞等。3)密鑰及安全性(Security)，對(duì)密鑰的保護(hù)以及嵌入算法有較強(qiáng)的對(duì)抗攻擊能力，能夠抵抗攻擊者一定程度的攻擊，使秘密信息不會(huì)被破壞。4)隱藏的信息量，嵌入的秘密信息必須能夠具有足夠多的信息。例如足夠表示多媒體信息的版權(quán)等。實(shí)際上，隱藏的信息與系統(tǒng)的魯棒性是一對(duì)矛盾，嵌入的秘密信息越多，魯棒性就越差。三、信息隱藏的特性4四、信息隱藏技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域(1)數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù):數(shù)字作品的版權(quán)所有者可將版權(quán)信息作為水印嵌入到作品中成為其不可分離的一部分，在發(fā)生盜版行為或版權(quán)糾紛時(shí)，則可從作品中提取出水印以證明對(duì)該作品的所有權(quán)。(2)數(shù)字作品的完整性認(rèn)證:在涉及到法律案件、醫(yī)學(xué)圖像、新聞圖片等等的領(lǐng)域中，數(shù)字作品(主要是數(shù)字圖像)的內(nèi)容的真實(shí)性是非常重要的。為確定數(shù)字圖像的內(nèi)容是否被修改過(guò)，可將水印信息嵌入到原始圖像中，對(duì)圖像的任何修改都會(huì)使水印發(fā)生變化，通過(guò)驗(yàn)證水印的完整性即可確定圖像的真實(shí)性。(3)數(shù)字指紋:當(dāng)數(shù)字作品版權(quán)所有者向不同用戶分發(fā)其作品時(shí)，為避免該作品不會(huì)被非法拷貝及發(fā)行，可向分發(fā)給不同用戶的作品中嵌入不同的水印以標(biāo)識(shí)該用戶的信息，相當(dāng)于在作品加入了一個(gè)能識(shí)別每個(gè)用戶的數(shù)字指紋，一旦發(fā)現(xiàn)非法拷貝，即可根據(jù)非法發(fā)行作品中的水印信息確定其來(lái)源。這樣，數(shù)字指紋不但可作為調(diào)查非法拷貝和分發(fā)行為的技術(shù)手段，也起到了震懾、防止這些行為的作用。5(4)拷貝控制:在生成一個(gè)數(shù)字作品(如數(shù)字音頻、視頻)時(shí)即向其中嵌入一個(gè)水印以指明它是否能被復(fù)制及可以重復(fù)拷貝的次數(shù)，若要對(duì)這樣的數(shù)字作品進(jìn)行復(fù)制，預(yù)置了水印檢測(cè)電路的復(fù)制設(shè)備在檢測(cè)到水印信息后即會(huì)作出相應(yīng)的反應(yīng)，或不允許復(fù)制，或控制復(fù)制的次數(shù)。(5)廣播監(jiān)測(cè):一些電臺(tái)或電視臺(tái)向廣告商虛報(bào)廣告的播出時(shí)間，使得廣告商向電臺(tái)或電視臺(tái)付出的報(bào)酬高于其實(shí)際應(yīng)得報(bào)酬，或未經(jīng)許可擅自播放音樂(lè)家、演員的藝術(shù)表演作品而不付或少付費(fèi)用，從而侵犯了該藝術(shù)作品的版權(quán)所有者的利益。解決這類問(wèn)題的方法是向廣告、藝術(shù)作品的聲音、視頻中加入一個(gè)其獨(dú)有的水印，監(jiān)測(cè)電臺(tái)或電視臺(tái)的播出內(nèi)容，查找這一水印信息就能確證相應(yīng)的聲音、視頻的播出時(shí)間和次數(shù)。61.數(shù)字水印的原理特點(diǎn)數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支，它的出現(xiàn)主要為了解決多媒體信息在網(wǎng)絡(luò)上的版權(quán)保護(hù)問(wèn)題。數(shù)字水印主要是通過(guò)在原始資料中嵌入秘密信息一水印fvatermark)來(lái)證實(shí)該資料的所有權(quán)。嵌入的水印是有特殊意義的信息，如文字、序列號(hào)、公司標(biāo)志、聲音等，用來(lái)識(shí)別多媒體信息的作者、版木、所有者、發(fā)行者、合法使用人對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的擁有權(quán)等，并攜帶有版權(quán)保護(hù)信息和認(rèn)證信息。水印可以隱含、顯示、半透明等方式嵌入，形狀、大小可以任意等，但通常情況下數(shù)字水印是不可察覺(jué)的，它同原始資料緊密結(jié)合在一起，不會(huì)影響原內(nèi)容的價(jià)值和可用性，并且不易被人察覺(jué)或破壞信息隱藏應(yīng)用技術(shù)之一：數(shù)字水印7數(shù)字水印技術(shù)涉及到通信理論、編碼理論、噪聲理論、視聽覺(jué)感知理論、擴(kuò)頻技術(shù)、信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、算法設(shè)計(jì)、人工智能等理論，對(duì)數(shù)字水印的研究已逐漸成為多媒體信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。數(shù)字水印82.數(shù)字水印的分類數(shù)字水印的分類方法很多，該文主要從水印的載體、外觀、檢測(cè)方法、嵌入策略上進(jìn)行分類。主要分類下圖所示:數(shù)字水印93.典型數(shù)字水印系統(tǒng)模型水印的嵌入和提取/檢測(cè)模型下圖所示。水印信號(hào)嵌入模型，功能是將水印信號(hào)加入載體資料中;水印信號(hào)提取/檢測(cè)模型，用于判斷載體中是否含有水印信號(hào)以及從隱秘載體中提取出水印信號(hào)數(shù)字水印10數(shù)字水印114.信息隱藏?cái)?shù)字水印典型算法從20世紀(jì)90年代初期研究數(shù)字水印開始，從技術(shù)和應(yīng)用上，數(shù)字水印技術(shù)研究獲取了廣泛關(guān)注和較快的進(jìn)步，木部分主要介紹分析該技術(shù)的典型算法。數(shù)字水印算法從最初的空域到變換域至以及根據(jù)人的生理模型特點(diǎn)研究，范圍有了很大發(fā)展，如同密碼學(xué)的發(fā)展歷程一樣，數(shù)字水印技術(shù)更加復(fù)雜，對(duì)載體信息的保護(hù)更加有效，抵御攻擊的能力也越來(lái)越強(qiáng)。數(shù)字水印12

1)空域水印算法?？沼蛩∷惴ǘ嗖捎锰鎿Q法，最為典型的算法是最不重要位(LSB)插入，這種水印方法比較常見且易于實(shí)現(xiàn)，有許多工具可以實(shí)現(xiàn)，如:StegoDos.EzStego.Steganos等，但這種方法對(duì)于抵抗攻擊十分脆弱。對(duì)于圖像信號(hào)的水印嵌入，空域算法比較多，針對(duì)不同的圖像如二值圖像、基于調(diào)色板的圖像等有不同的算法。針對(duì)圖像的統(tǒng)計(jì)特性嵌入水印的方法典型的有Patchwork法和Pitas提出的水印系統(tǒng)，基于統(tǒng)計(jì)的隱秘系統(tǒng)魯棒性較強(qiáng)，但嵌入的資料率較低，適合于嵌入較少的信息場(chǎng)合。在空域上嵌入水印的算法還可以通過(guò)偽隨機(jī)置換，圖像降質(zhì)和秘密信道，隱秘區(qū)域和奇偶位，量化和抖動(dòng)，失真技術(shù)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？傮w上來(lái)看，空域水印算法對(duì)攻擊的魯棒性抵御能力較差，對(duì)于隱秘載體的壓縮、噪聲擾動(dòng)等攻擊方式難于發(fā)揮作用。數(shù)字水印132)變換域水印算法。目前變換域水印成為水印算法研究重點(diǎn)，現(xiàn)有多數(shù)水印系統(tǒng)都是在變換域中進(jìn)行處理。變換域水印算法對(duì)攻擊的魯棒性更強(qiáng)，隱藏的信息量也更大。目前主要集中在DCT域、小波(Wavelet)域、其它正交域的信息隱藏。在DCT和小波域處理水印算法很多，基木原理是通過(guò)對(duì)信息或圖像進(jìn)行DCT或者DWT變換，根據(jù)所嵌入的水印信息調(diào)整DCT或DWT系數(shù)，再用IDCT或IDWT映像到空域，接收方通過(guò)相應(yīng)的DCT變換來(lái)恢復(fù)或檢測(cè)水印。特別是近些年對(duì)小波理論研究的日趨深入和完善，小波理論多分辨分析以及好的時(shí)頻特性，在小波域研究數(shù)字水印也越來(lái)越廣泛。水印嵌入還可通過(guò)其它正交變化(如U-system)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于在數(shù)字音頻中嵌入水印，還可以通過(guò)相位編碼，回波隱藏等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字水印14

3)擴(kuò)頻水印算法。通常擴(kuò)頻技術(shù)用于通信中，主要提供低檢測(cè)率、抗干擾的通信手段，Tirkel將擴(kuò)頻技術(shù)引入信息隱藏以后，擴(kuò)頻技術(shù)在信息隱藏領(lǐng)域逐漸發(fā)展成一個(gè)重要的領(lǐng)域。擴(kuò)頻信息隱藏算法通常使用直接序列和跳頻序列擴(kuò)頻方法，基木原理是將秘密信息用片率進(jìn)行直擴(kuò)，用偽隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，加入到隱秘載體中。

4)生理模型算法。生理模型算法主要利用人類視覺(jué)系統(tǒng)HVS和人類聽覺(jué)系統(tǒng)HAS對(duì)信息變化的掩蔽效應(yīng)，結(jié)合其它算法例如空域、分塊DCT和小波分解框架來(lái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字水印系統(tǒng)進(jìn)行信息隱藏和數(shù)字水印。考慮生理模型的算法具有更好的透明性和魯棒性。數(shù)字水印155)壓縮域算法。為了節(jié)省資源，目前多媒體信息大多采用壓縮算法進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸如圖像JPEG，視頻MPEG等。因此針對(duì)這些壓縮媒體的數(shù)字水印的研究有很大實(shí)際價(jià)值和意義，對(duì)水印的嵌入和提取或檢測(cè)直接在水印在壓縮域中進(jìn)行。通常一種好的水印算法結(jié)合多種處理技術(shù)來(lái)達(dá)到最好的隱藏效果和抵御攻擊的能力。數(shù)字水印16信息隱藏應(yīng)用技術(shù)之二：數(shù)字指紋版權(quán)標(biāo)記技術(shù)根據(jù)標(biāo)記內(nèi)容和所采用的技術(shù)的不同可以分為數(shù)字水印和數(shù)字指紋。數(shù)字指紋與數(shù)字水印相比最顯著的特征在于,數(shù)字水印版權(quán)標(biāo)記的目的是為了證明作者的身份,可能多個(gè)作品使用相同的數(shù)字水印,而數(shù)字指紋標(biāo)記的目的在于鑒別出非法分發(fā)著,所以每份作品具有與其他作品都不相同的數(shù)字指紋。17技術(shù)簡(jiǎn)介數(shù)字指紋技術(shù)是由數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)所有者向分發(fā)給每個(gè)用戶的拷貝中引入一個(gè)唯一的“指