第10章 信息隱藏及數(shù)字水印

第10章信息隱藏與

數(shù)字水印技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)信息隱藏的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法數(shù)字水印的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方法本章主要講解信息隱藏技術(shù)和數(shù)字水印技術(shù)，介紹信息隱藏和數(shù)字水印的相關(guān)概念、應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)方法。2如何建立隱秘信道傳輸秘密信息？3目錄10.1信息隱藏技術(shù)10.2數(shù)字水印技術(shù)410.1信息隱藏技術(shù)信息隱藏就是利用特定載體中具有隨機(jī)特性的冗余部分，將有特別意義的或重要的信息嵌入其中掩飾其存在，嵌入的秘密信息稱為隱藏信息，嵌入秘密信息后的載體稱隱藏載體。510.1信息隱藏技術(shù)“囚犯問題”關(guān)押在兩地的兩個(gè)囚犯Alice和Bob，他們可以通過監(jiān)獄看守進(jìn)行正常的書信交流，而監(jiān)獄看守者Willie則作為書信審核者（隱藏信息分析者），查看書信中是否有商議越獄等信息存在。此時(shí)A1ice和Bob的目的是利用隱寫系統(tǒng)（書信中隱藏秘密信息）傳輸越獄計(jì)劃，并使得看守者Willie無法輕易發(fā)現(xiàn)通信中的秘密，同時(shí)為防止因Willie對通信消息的輕微修改而導(dǎo)致隱藏信息的不可提取，隱寫系統(tǒng)要求對小的變形具備一定的穩(wěn)健性。610.1信息隱藏技術(shù)隱蔽性：透明性、不可見性，在特定載體中嵌入秘密信息后在不引起所嵌入信息質(zhì)量下降的前提下，不顯著改變隱藏載體的外部特征。不可檢測性：指嵌入秘密信息后載體與原始載體具有一致的特性。魯棒性：指不因隱藏載體（如圖像）的某種改動(dòng)而導(dǎo)致隱藏信息丟失的能力，這里所謂“改動(dòng)”包括傳輸過程中對載體進(jìn)行的一般信號(hào)處理（如濾波、增強(qiáng)、重采樣、有損壓縮等）、一般的幾何變換（如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、分割等）和惡意攻擊等。710.1信息隱藏技術(shù)自恢復(fù)性：指經(jīng)過了一些操作和變換后，可能會(huì)使隱蔽載體受到較大的破壞，如果只留下部分的數(shù)據(jù)，在不需要宿主信號(hào)的情況，卻仍然能恢復(fù)隱藏信息的特征就是所謂的自恢復(fù)性。安全性：指隱藏算法有較強(qiáng)的抗攻擊能力，即隱藏算法必須能夠承受一定程度的人為攻擊，保證隱藏信息不會(huì)被破壞。810.1信息隱藏技術(shù)910.1信息隱藏技術(shù)圖像中嵌入信息方法一般分為空域（或時(shí)域）方法及變換域方法?？沼蛱鎿Q方法是用需隱藏的信息替換載體信息中的冗余部分。一種簡單的替換方法就是用隱藏信息位替換載體中最不重要的位，將秘密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0、1比特流，然后將其藏入到圖像時(shí)域數(shù)據(jù)的最低比特上。例如把一個(gè)灰度圖像的某個(gè)像點(diǎn)的灰度值由190變成191，人的肉眼是看不出來的。信息嵌入過程，即選擇一個(gè)載體元素子集，例如每個(gè)元素代表一個(gè)像點(diǎn)的灰度，然后在子集上執(zhí)行替換操作，即把子集元素的最不重要位（如最低位）替換為隱藏信息位，提取過程直接提取隱藏載體集合元素對應(yīng)的位。1010.1信息隱藏技術(shù)采用變換域技術(shù)，即在載體圖像的顯著區(qū)域隱藏信息，在偽裝系統(tǒng)中，在信號(hào)頻域中嵌入信息比在空域中嵌入信息具有更好的健壯性，能夠更好地抵御攻擊，如壓縮、裁剪和一些圖像處理。典型的變換方法如使用離散余弦變換（DCT）、小波變換等方法在圖像中嵌入信息，變換可以在整個(gè)圖像上進(jìn)行，也可以對整個(gè)圖像分塊后操作。當(dāng)然圖像中能夠隱藏的信息數(shù)量和可以獲得的健壯性之間存在著矛盾。1110.1信息隱藏技術(shù)例如，使用DCT變換隱藏信息，DCT變換是著名有損數(shù)字圖像壓縮系統(tǒng)JPEG系統(tǒng)中使用的方法，JPEG首先將要壓縮的圖像轉(zhuǎn)換為YCbCr顏色空間，并把每一個(gè)顏色平面分割成88的像素塊，然后對所有塊進(jìn)行DCT變換。利用JPEG壓縮過程隱藏信息時(shí)，每一塊精確編碼一個(gè)秘密信息位，如使用DCT變換中兩個(gè)系數(shù)，確定系數(shù)在圖像塊中位置后，利用兩個(gè)系數(shù)大小關(guān)系編碼秘密比特位，如第一個(gè)系數(shù)大于第二個(gè)系數(shù)編碼“1”，否則編碼“0”，若系數(shù)關(guān)系不滿足編碼位要求，交換兩個(gè)系數(shù)。12如何保護(hù)數(shù)字媒體版權(quán)？13目錄10.1信息隱藏技術(shù)10.2數(shù)字水印技術(shù)1410.2數(shù)字水印技術(shù)數(shù)字產(chǎn)品具有易修改、易復(fù)制、易竊取的特點(diǎn)，因此，數(shù)字知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)就成為基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)字產(chǎn)品應(yīng)用迫切需要解決的實(shí)際問題。數(shù)字水?。―igitalWatermark）是指嵌入在數(shù)字產(chǎn)品中的、不可見、不易移除的數(shù)字信號(hào)，可以是圖像、符號(hào)、數(shù)字等一切可以作為標(biāo)識(shí)和標(biāo)記的信息，其目的是進(jìn)行版權(quán)保護(hù)、所有權(quán)證明、指紋（追蹤發(fā)布多份拷貝）和完整性保護(hù)等。1510.2數(shù)字水印技術(shù)魯棒性：指嵌入數(shù)字水印的媒體在受到無意損害或蓄意攻擊后，仍然能夠提取出數(shù)字水印，如加入圖像中的水印必須能夠承受施加于圖像的變換操作（如加入噪聲、濾波、有損壓縮、重采樣、D/A或A/D轉(zhuǎn)換等），不會(huì)因變換處理而丟失，水印信息經(jīng)檢驗(yàn)提取后應(yīng)清晰可辨。不可見性（透明性）：數(shù)字水印不應(yīng)影響宿主媒體的主觀質(zhì)量，如嵌入水印的圖像不應(yīng)有視覺質(zhì)量下降，與原始圖像對比，很難發(fā)現(xiàn)二者區(qū)別。安全性：數(shù)字水印應(yīng)能抵御各種攻擊，必須能夠惟一地標(biāo)識(shí)原始圖像的相關(guān)信息，任何第三方都不能偽造他人的水印信息。1610.2數(shù)字水印技術(shù)17圖數(shù)字水印嵌入和檢測模型10.2數(shù)字水印技術(shù)數(shù)字水印有多種分類方法，按照數(shù)字水印提取過程是否需要原始宿主的參與，可以分為秘密水印——檢測水印時(shí)需要輸入原始數(shù)據(jù)或原始水印，半秘密水?。ò朊せ。皇褂迷紨?shù)據(jù)而使用水印拷貝檢測水印，公開水?。せ。獧z測水印時(shí)不需要原始數(shù)據(jù)也不需要原始水印。按照水印的用途不同，可以分為文本水印、圖像水印、音頻水印和視頻水印。按照數(shù)字水印自身類型分為有意義數(shù)字水?。ㄈ鐢?shù)字水印本身為有特定意義的圖像）和無意義數(shù)字水?。〝?shù)字水印本身為序列）。在版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域，有意義數(shù)字水印更具有版權(quán)證明能力。1810.2數(shù)字水印技術(shù)按照數(shù)字水印嵌入方法不同，數(shù)字水印嵌入技術(shù)可以分為空域算法、時(shí)域算法、變換域算法和壓縮算法。空域算法適用于圖像、視頻、文本、三維模型等載體，它將水印信息直接嵌入到圖像的像素、視頻的幀、文本的字符特征及字符間隙、三維模型的空間尺寸中。時(shí)域算法主要適用于音頻數(shù)字水印，它將水印信息嵌入到音頻時(shí)域采樣中，如果將時(shí)間序列看成一個(gè)普通的維度，時(shí)域算法可以等價(jià)于一維空域算法。變換域算法將水印信息嵌入到音頻、圖像、視頻等數(shù)字載體的變換域系數(shù)中。1910.2數(shù)字水印技術(shù)如何評(píng)價(jià)數(shù)字水印技術(shù)的優(yōu)劣呢？一是魯棒性，基于攻擊測試評(píng)價(jià)，常見的對數(shù)字水印的攻擊包括低通濾波、添加噪聲、去噪處理、量化、幾何變換（縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、錯(cuò)切等）一般圖像處理（灰度直方圖調(diào)整、對比度調(diào)整、平滑處理、銳化處理等）、剪切、JPEG壓縮、小波壓縮等。通常通過計(jì)算歸一化相關(guān)度來度量提取出的數(shù)字水印和原始數(shù)字水印的相似程度，以此衡量數(shù)字水印的魯棒性。二是不可見性，數(shù)字水印的不可見性有兩個(gè)方面的含義，一方面指數(shù)字水印的不可察覺性，另一方面指數(shù)字水印不影響宿主媒體的主觀質(zhì)量。數(shù)字水印的隱蔽性一般用峰值信噪比PSNR來衡量。20小結(jié)本章介紹了信息隱藏技術(shù)和數(shù)字水印技術(shù)。信息隱藏技術(shù)用于在特定載體數(shù)據(jù)中嵌入秘密的隱藏信息，以求保密傳輸嵌入信息。數(shù)字水印技術(shù)也采用信息隱藏類似的技術(shù)，但目的是數(shù)字出版物版權(quán)保護(hù)。這兩種技術(shù)都要求嵌入