網(wǎng)絡空間安全概論 實驗11數(shù)字水印 基于空間域LSB的數(shù)字水印

中國礦業(yè)大學計算機學院2018級本科生課程報告課程名稱信息內(nèi)容安全報告題目基于空間域LSB的數(shù)字水印報告時間2021.7.6姓名何越學號08182923任課教師曹天杰2020-2021(二)《信息內(nèi)容安全》課程報告評分表序號畢業(yè)要求課程教學目標考查方式與考查點占比得分12.3目標1:掌握信息內(nèi)容安全的基本概念、分類、原理和相關(guān)技術(shù)，能夠根據(jù)課程基本知識對信息內(nèi)容安全領(lǐng)域出現(xiàn)的問題進行歸類、分析、并有初步分析和解決問題的能力。通過課堂講授和課堂研討掌握信息內(nèi)容安全概念和理論知識。40%3.2目標2：掌握信息內(nèi)容安全處理相關(guān)的理論、技術(shù)以及健全的評價體系，能夠根據(jù)具體問題分析算法、設(shè)計算法、實現(xiàn)算法并能綜合評價算法。24.3目標3：掌握信息內(nèi)容安全的基礎(chǔ)知識，針對具體問題和要求選擇正確的技術(shù)路線，通過在實驗環(huán)境中進行仿真實驗并能根據(jù)算法特點進行攻擊測試和綜合性能評價，得到具有參考價值的結(jié)論。課程報告；實現(xiàn)有關(guān)信息內(nèi)容安全的一個軟件系統(tǒng)。分析和對比各項技術(shù)，選擇相應的技術(shù)進行算法設(shè)計并在實驗環(huán)境中進行仿真實驗和性能評價，得到有效結(jié)論。60%總分100%評閱人：2021年7月10日報告摘要隨著網(wǎng)絡媒體的迅速崛起,越來越多的作品被大量盜版在網(wǎng)絡上傳播,如何從法律上約束盜版?zhèn)鞑ッ媾R著盜版溯源與取證的難題。數(shù)字水印技術(shù)是一種可以將信息隱藏在圖像或音頻流里的技術(shù),能夠在不被人眼耳察覺的情況下伴隨著圖像或音頻傳播。本文介紹的是利用LSB空間域算法的水印嵌入和提取技術(shù)。關(guān)鍵詞：數(shù)字水印；LSB算法；圖像降級算法;

報告正文1經(jīng)典數(shù)字圖像水印算法1.1LSB算法LSB（LeastSignificantBits）算法，全稱為最低有效位算法，是利用載體對象的二進制的最低一位（或幾位）來進行秘密信息的隱藏。LSB算法是隱寫術(shù)中最常見的算法，多用于圖像和聲音載體之中[9]。LSB算法的可行性說明圖像/音頻對象均可數(shù)字化為{????}序列；每一個對象????均由若干二進制位組成；每一個對象????的二進制低位在某種意義上“不重要”。對于具體圖像來說：去掉最低1位甚至最低1-4位對圖像的整體視覺效果沒有太大影響；去掉最低1位對圖像的統(tǒng)計特性影響不明顯。LSB算法嵌入基本步驟①將要隱藏的水印文本信息的轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)；②讀入載體圖像，將圖像矩陣的每個像素轉(zhuǎn)換成二進制。用水印信息的二進制數(shù)據(jù)的每一比特位替換與之相對應的載體圖像的最低有效位（LSB位）；③將載體圖像的每一像素再由二進制轉(zhuǎn)換為十進制，從而獲得含有水印信息的圖像。h待隱藏的信息01101000 圖1.1LSB算法嵌入圖解LSB算法提取基本步驟①將嵌入水印信息的載體圖像的像素轉(zhuǎn)換成二進制，依次取出每一個像素的二進制的最后一位，拼接成二進制數(shù)據(jù)。③將得到的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文本數(shù)據(jù)，便可得到隱藏的信息。嵌入水印信息的載體圖像將最后一位的信息提取出來組成秘密信息嵌入水印信息的載體圖像將最后一位的信息提取出來組成秘密信息圖1.2LSB算法提取圖解1.2圖像降級算法圖片降級算法是LSB算法的改進，但改進的不是算法性能而是載體種類。圖片降級算法要做的是將一個水印圖片嵌入到另一張圖片里去。在圖像中隱藏圖像和在圖像中隱藏文本有很大的不同，因為圖像文件和文本文件相比要大得多，圖像水印也難以直接使用LSB算法進行嵌入。圖像降級算法的原理給定一個同樣尺寸的載體圖像c和秘密圖像m，發(fā)送者將載體圖像灰度值的四個最低位比特位替換成秘密圖像的四個最高比特位。接收者從隱藏后的圖像中提取四個最低的比特位，從而獲得秘密圖像的最高四個比特位，將四個低比特位填充為0。重構(gòu)后的圖像實質(zhì)上只有四個比特位，是秘密圖像的一種近似。視覺上，重構(gòu)的圖像和原始圖像非常相似。圖像降級算法可看作是LSB算法的一種推廣，但是隱藏位由1位變成了4位，同時對水印圖片也有要求，即水印圖片的大小要小于等于嵌入圖片。圖1.3圖像降級算法原理圖選擇替換位數(shù)為4的原因用n表示載體圖像用來隱藏信息的低位數(shù)，研究人員將n的不同值都做了實驗，從實驗結(jié)果來看，選擇4位能夠最大程度地保證對嵌入水印的載體圖像和提取出的水印圖像的圖片質(zhì)量影響最小。當n較小時，提取出來的水印圖像的質(zhì)量會受到較大影響。圖1.4n=3時的圖像質(zhì)量對比當n較大時，嵌入水印后的偽裝圖像的質(zhì)量有較大影響。圖1.5n=5時的圖像質(zhì)量對比圖像降級算法的缺陷由于圖像降級算法是將載體圖片的后四個比特位替換掉了，相當于是替換了載體圖片的1/2位，所以有些時候嵌入水印后的圖片可能會產(chǎn)生一些比較輕微的肉眼可見的變化。圖1.6圖像降級算法產(chǎn)生的輕微肉眼可見的變化 2LSB音頻水印基于LSB的音頻水印嵌入流程如下：對水印信息編碼成二進制比特流，記為A={a1,...,an}；找到音頻數(shù)據(jù)的LSB位，記為記為B={b1,...,bm}；如果header+m+ender<=n可以嵌入，否則不能嵌入（header和ender為自定義的起始符號和終止符號）；在音頻數(shù)據(jù)的每一個LSB位嵌入一個水印bit，嵌入方法為：如果ai==bj則什么都不做；反之將ai的值修改為bi。3程序界面3.1界面布局LSB基本算法LSB基本算法就是基于經(jīng)典LSB算法理論進行文本水印嵌入和提取。LSB基本算法包括LSB基本算法水印嵌入和LSB基本算法水印提取，可以實現(xiàn)將信息隱藏在圖片中和從隱藏信息的圖片中提取信息的功能。圖像降級算法圖像降級算法包括圖像降級算法水印嵌入和圖像降級算法水印提取，可以實現(xiàn)將圖片水印嵌入圖片當中的功能。圖像降級算法水印嵌入由用戶選擇載體圖片和水印圖片，對載體圖像進行圖像降級隱寫，之后繪制原始圖像和隱寫后的圖像的直方圖對比，并保存隱寫后的圖像。圖像降級水印提取由用戶選擇要從中提取信息的圖片和提取信息的保存路徑，讀取圖片并提取出信息并保存到用戶選擇的路徑當中。由于圖片的信息量一般要高于文本的信息量，所以圖像降級的嵌入和提取耗時要長一些。（3）LSB音頻水印 LSB音頻水印包括LSB算法水印嵌入和LSB算法水印提取，可以實現(xiàn)將文本嵌入音頻當中的功能。3.2程序運行界面3.2.1主界面主界面包括“LSB基本算法”和“圖像講解算法”按鈕，在按鈕右方是關(guān)于空間域水印和變換域水印的組成的介紹。圖3.1可視化數(shù)字水印系統(tǒng)主界面3.2.2LSB基本算法界面LSB基本算法包括LSB基本算法水印嵌入和LSB基本算法水印提取兩個部分。點擊按鈕可以進行相應的功能，右側(cè)分別是它們的介紹。LSB基本算法水印嵌入由用戶選擇圖片和隱藏信息，對圖像進行最低有效位隱寫后，將秘密信息寫入，然后繪制原始圖像和隱寫后的圖像的直方圖對比，并保存隱寫后的圖像。LSB基本算法水印提取由用戶選擇提取信息的保存路徑，程序?qū)⒆x取LSB隱寫時保存的圖像并提取出信息并保存到用戶選擇的路徑。在進行LSB基本算法水印提取之前，需要先在下方輸入提取信息的長度。圖3.2可視化數(shù)字水印系統(tǒng)LSB基本算法界面3.2.3圖像降級算法界面圖像降級算法包括“圖像降級算法水印嵌入”和“圖像降級算法水印提取”兩個功能。點擊按鈕可以進行相應的功能，右側(cè)分別是它們的介紹。圖像降級算法水印嵌入由用戶選擇載體圖片和水印圖片，將載體圖片的四個最低為比特位替換成水印圖片的四個最高比特位，然后繪制原始圖像和隱寫后的圖像的直方圖對比，并保存隱寫后的圖像。圖像降級算法水印嵌入水印提取由用戶選擇要提取信息的圖片和提取信息的保存位置，程序讀取要提取信息的圖片，提取出隱藏的圖片并保存。圖3.3可視化數(shù)字水印系統(tǒng)圖像降級算法界面3.2.4音頻水印界面音頻水印包括“音頻水印嵌入”和“音頻水印提取”兩個功能。點擊按鈕可以進行相應的功能。圖像降級算法水印嵌入水印提取由用戶選擇要提取信息的音頻和提取信息的保存位置，程序讀取要提取信息的音頻，提取出隱藏的文本并保存。圖3.4可視化數(shù)字水印系統(tǒng)音頻水印界面4系統(tǒng)功能展示（一）LSB基本算法（1）LSB基本算法水印嵌入首先點擊“LSB基本算法水印嵌入”按鈕，進行嵌入操作。圖4.1LSB基本算法界面下面會彈出提示,請用戶選擇要進行LSB隱寫的圖像。圖4.2提示用戶選擇LSB隱寫圖像界面點擊“確定”，進行選擇要隱寫的圖像，點擊“打開”。圖4.3選擇LSB隱寫圖像界面圖4.4載體圖像下面會提示用戶選擇要隱藏的信息，用戶需要提前將要隱藏的信息放入一個txt文本文件中，然后選擇這個文件，點擊打開。圖4.5提示用戶選擇要隱藏的信息界面圖4.6選擇隱藏信息的界面這是我們準備隱寫入圖像中的信息，“Visualwatermarkingsystembasedondigitalimage”圖4.7待隱寫的秘密信息下面程序就會將隱藏信息用LSB算法嵌入到用戶選擇的圖片中。隱寫成功后會彈出提示，告訴用戶隱寫已完成，并且將隱寫后的圖像保存在程序所在的目錄下，命名為用戶選擇文件的文件名+_LSB-generate。圖4.8提示用戶圖像隱寫已完成點擊確定后，會出現(xiàn)原始圖像和隱藏信息的圖像的對比圖，并繪制它們的直方圖。圖4.9原始圖像和隱藏信息的圖像對比圖以及直方圖（2）LSB基本算法水印提取首先預計要提取的信息的長度，輸入提取信息的長度。注意這里的提取信息的長度是信息轉(zhuǎn)換為二進制后的比特長度。以我們嵌入的信息為例，“Visualwatermarkingsystembasedondigitalimage”這段文本，轉(zhuǎn)換為二進制后是“01010110011010010111001101110101011000010110110000100000011101110110000101110100011001010111001001101101011000010111001001101011011010010110111001100111001000000111001101111001011100110111010001100101011011010010000001100010011000010111001101100101011001000010000001101111011011100010000001100100011010010110011101101001011101000110000101101100001000000110100101101101011000010110011101100101”其信息長度為392，在這里我們輸入392，點擊“輸入提取信息的長度”按鈕。圖4.10輸入提取信息的長度會彈出提示，提取信息長度已經(jīng)設(shè)置成功。圖4.11提取信息長度已設(shè)置的提示框之后點擊“LSB基本算法水印提取”按鈕。圖4.12點擊“LSB基本算法水印提取”按鈕按照彈出的提示，選擇要提取隱藏信息的圖像，選擇后點擊打開。圖4.13選擇提取隱藏信息的圖像選擇要將提取的信息保存的位置，點擊確定。圖4.14提示用戶選擇隱藏信息的保存位置選擇好保存的文件夾后點擊“選擇文件夾”。圖4.15選擇隱藏信息的保存位置之后彈出提示，隱藏信息已提取，保存為LSB_recover.txt。圖4.16隱藏信息已提取提示框來到選擇保存信息的文件夾，打開LSB_recover.txt，可以看到信息已被正確提取。圖4.17提取的隱藏信息當然，用戶在提取信息的時候，可能并不知道信息的具體長度，這就需要用戶根據(jù)提取出來的內(nèi)容進行嘗試幾次，就可以正確提取，例如，以上面的信息提取為例，當我們輸入提取信息長度為100時，提取的信息為圖4.18提取信息的長度輸入較小時的結(jié)果可以看到此時有效的信息似乎還沒有結(jié)束。當輸入提取信息長度為600時，提取的信息為圖4.19提取信息的長度輸入較大時的結(jié)果可以看到有效的信息到“image”就結(jié)束了，后面就是亂碼了，所以我們可以確定隱藏的信息就是“Visualwatermarkingsystembasedondigitalimage”。（二）圖像降級算法（1）圖像降級算法水印嵌入首先點擊“圖像降級算法水印嵌入”按鈕，進行嵌入操作。圖4.20點擊“圖像降級算法水印嵌入”按鈕下面會彈出提示,請用戶選擇被嵌入水印的載體圖像。向圖片中添加圖片水印，對嵌入圖片的大小有限制，嵌入的圖片的大小不能大于隱藏信息的圖片。這是我們準備的載體圖片和嵌入載體圖片的水印圖片。圖4.21載體圖片圖4.22水印圖片選擇載體圖片后點擊“打開”。之后會提示用戶選擇要隱寫的