PARTIV-1資訊隱藏的玄機(jī).ppt

1、PART IV,資訊隱藏的玄機(jī),PART IV-15,資訊隱藏,資訊隱藏(Information Hiding),資訊隱藏著重於將機(jī)密、重要資訊內(nèi)容藏入到其所利用的數(shù)位多媒體之中 讓非法使用者無法透過感官系統(tǒng)來察覺機(jī)密、重要資訊的存在 避免機(jī)密、重要資訊被攔截、破解 達(dá)到資訊安全與保護(hù)的目的。,嵌字詩(shī),芷香蘭芳寧玉碎 若無情癡何苦追 雖以陰狠毒辣名 美可顛倒惹是非 無奈淒涼情感路 忌敏防昭荼紫蛛 不防情逝難挽回 愛似星落歎何如,芷香蘭芳寧玉碎 若無情癡何苦追 雖以陰狠毒辣名 美可顛倒惹是非 無奈淒涼情感路 忌敏防昭荼紫蛛 不防情逝難挽回 愛似星落歎何如,嵌字詩(shī),摘自.tw/SHIT9.htm,

2、拆字詩(shī),鵝飛鳥去永不回 良字去頭雙人陪 雙木非林心相隨 您若無心各自飛,我 很 想 你,字謎詩(shī),畫時(shí)圓 寫時(shí)方 夏時(shí)長(zhǎng) 冬時(shí)短 日,有風(fēng)不動(dòng)無風(fēng)動(dòng) 不動(dòng)無風(fēng)動(dòng)有風(fēng) 扇子,資訊隱藏簡(jiǎn)介,數(shù)位媒體所有權(quán)的保護(hù) 數(shù)位媒體易遭複製、修改、變?cè)?數(shù)位簽章與密碼學(xué)無法保障著作權(quán) 將所有權(quán)資訊隱藏於數(shù)位媒體中，必要時(shí)能夠鑑定出真正擁有者 避免惡意攻擊者嵌入不同的所有權(quán)資訊,資訊隱藏分類,資訊隱藏學(xué),隱藏式通道（Covert Channels） ISO/IEC 2382-8 可用來傳送非授權(quán)資料的傳輸通道 木馬程式擷取受害電腦上的資訊或取得控制權(quán) 偽裝法(Steganography) 將所要傳遞的機(jī)密訊息藏入

3、所選定的偽裝媒體中，唯有正確的金鑰才能得以萃取出其中的機(jī)密訊息 1984，Simmon，囚犯問題,資訊隱藏學(xué),匿名法（Anonymity） 傳送者能以假名（Pseudonym）傳送敏感或私密的訊息，也能以假名收到回覆 不洩漏真實(shí)傳送者的相關(guān)訊息 版權(quán)標(biāo)記(Copyright Marking) 在數(shù)位媒體中藏入所有權(quán)的相關(guān)資訊的方法 數(shù)位浮水印,數(shù)位浮水印,防偽可視浮水印,數(shù)位浮水印,兩種方式來應(yīng)用： 將浮水印直接加到影像上 。 將相關(guān)文字資訊如著作權(quán)人、出版公司等編碼後置入影像檔的檔頭資訊中。,強(qiáng)化的浮水印隱藏技術(shù),條件： 透明性(Transparency) 強(qiáng)韌性(Robustness) 安

4、全性(Security) 忘卻性(Oblivious) 多浮水?。∕ultiple Watermarking） 明確性（Unambiguity）,強(qiáng)化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-1 透明性(Transparency),製作浮水印時(shí)最基本的要求， 透過人眼視覺檢視、比較原始影像圖(Host-image)與保護(hù)圖(Stego-image)時(shí)，無法辨別區(qū)分出兩張圖有何不同點(diǎn)。 要使信號(hào)雜訊比（Peak Signal to Noise Ratio ，PSNR）大於或等於30dB,均方差（Mean Square Error）,人類的視覺系統(tǒng)(Human Visual System ，HVS),影像的恰可察覺

5、色差(Just-noticeable Difference，JND) 原始影像欲嵌入浮水印時(shí)，以每一個(gè)像素(或每一個(gè)次頻帶)為單位做為評(píng)估可嵌入的資料量門檻值 降低視覺系統(tǒng)對(duì)於保護(hù)圖遭受破壞程度的感受度(Sensitivity),背景亮度,鄰近像素,影像的恰可察覺色差(Just-noticeable Difference，JND),依影像空間頻率（Spatial Frequency）、背景亮度適應(yīng)及對(duì)比遮罩效應(yīng)（Contrast Masking Effect）來衡量視覺系統(tǒng)對(duì)於影像改變的容忍度(亦可稱為最小恰可察覺的程度)。 浮水印嵌入技術(shù) 利用離散餘弦轉(zhuǎn)換(Discrete Cosine T

6、ransformation, DCT)或離散小波轉(zhuǎn)換(Discrete Wavelet Transformation, DWT) JND的考慮對(duì)於嵌入資料的容量(capacity)並沒有太大影響，但對(duì)於影像的透明性有一定效果提昇,強(qiáng)化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-2強(qiáng)韌性(Robustness),保護(hù)圖必須要有足夠強(qiáng)韌度來抵抗一般影像處理、幾何變形、列印後掃瞄以及StirMark的等多種攻擊法。 例如：過濾處理(Filtering Treatment)、失真壓縮(Lossy Compression)、重新取樣(Resampling)、重新量化(Requantization)等等,強(qiáng)化的浮水印隱藏技術(shù)

7、之條件-3安全性(Security),被不法者正確推測(cè)出浮水印資料所嵌入的區(qū)域的可能性必須要很低 不允許沒有權(quán)限的人任意移除或竄改嵌在其中的浮水印資料 藉由使用私密金鑰/公開金鑰(Private-key/Public-key)的加密系統(tǒng)或者是在嵌入浮水印前使用虛擬隨機(jī)亂數(shù)產(chǎn)生器(Pseudo-random Generator)透過一個(gè)種子金鑰(Seed Key )產(chǎn)生一堆的隨機(jī)亂數(shù)來完成,強(qiáng)化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-4忘卻性(Oblivious),非忘卻（Non-oblivious）的浮水印技術(shù)是當(dāng)針對(duì)已含有浮水印保護(hù)的媒體萃取浮水印時(shí)，需要參考原始媒體 透過原始媒體的協(xié)助，才能順利的萃取出浮

8、水印 忘卻浮水印技術(shù)則是保護(hù)媒體不需要參考原始媒體便可萃取出浮水印 僅僅需要保護(hù)媒體便可萃取出隱藏在其中浮水印 實(shí)用的機(jī)制應(yīng)該不需要原圖比對(duì)即可偵測(cè)出浮水印。,強(qiáng)化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-5多浮水?。∕ultiple watermarking）,利於購(gòu)買者，或合法的第三者也能加上自己的浮水印 在嵌入的技術(shù)上要能使後來加上的浮水印在運(yùn)用相同的嵌入機(jī)制時(shí)，並不會(huì)影響到之前的浮水印,強(qiáng)化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-6明確性（Unambiguity）,萃取出的標(biāo)誌（Logo）必須明確。 主要目的：針對(duì)影像圖所有權(quán)的鑑別、為所有者的權(quán)益提供保障。 從保護(hù)圖中萃取出來、重建的浮水印必須再具有不含糊性、清晰可辨

9、的特性。,明確性檢測(cè),NC（Normalized Correlation） NC進(jìn)行判斷兩個(gè)浮水印是否相同 當(dāng)NC值為1，表示兩個(gè)浮水印是相同的 若兩個(gè)浮水印不一致時(shí)，則NC值會(huì)降低並介於0與1之間。,3 x 3像素黑白圖範(fàn)例(1),(a) 藏入黑白圖W,(b) 取出黑白圖W,3 x 3像素黑白圖範(fàn)例(2),(a) 藏入黑白圖W,(b) 取出黑白圖W,改變後的W2有一個(gè)像素被由白轉(zhuǎn)成黑(0改變成1),經(jīng)檢驗(yàn)NC值仍為1，判斷發(fā)生錯(cuò)誤，利用NC值判斷會(huì)誤判二張圖係同一張圖。,3 x 3像素黑白圖範(fàn)例(3),(a) 藏入黑白圖W,(b) 取出黑白圖W,改變後的W3有二個(gè)像素被由白轉(zhuǎn)成黑(0改變成1

10、),經(jīng)檢驗(yàn)NC值仍為1，判斷發(fā)生錯(cuò)誤，利用NC值判斷會(huì)誤判二張圖係同一張圖。,NC 誤判,原因可以由NC的公式來看,NC 誤判,以原圖像素值平方和為分母的值並不會(huì)改變，故主要判斷圖形相似值是基於分子。 而分子是由原圖與改變後的圖每一個(gè)相對(duì)映位置像素的乘積和所組成 因此，在分母不變的情況下，若圖形的像素被由1改變成0時(shí)，因其乘積會(huì)由1變成0，故與分母相較之下，判定該像素已改變； 在圖形的像素被由0改變成1的情況下，因乘積仍然為0，故與分母相較之下，無法判定其遭受篡改。,浮水印衡量方式 TAF,解決NC誤判的問題 TAF值越大，代表萃取出之浮水印與原本的浮水印差別越多，同時(shí)也代表著浮水印的位元錯(cuò)誤

11、的比例。,TAF的計(jì)算,範(fàn)例(1)：未受到篡改 範(fàn)例(2)：W有一個(gè)像素受到篡改 範(fàn)例(3)： W有二個(gè)像素受到篡改,TAF,TAF對(duì)於原始圖形的像素與改變後圖形的像素值做互斥(Exclusive-or) 運(yùn)算 二個(gè)比較的像素發(fā)生相異情況時(shí)，不論是由0變成1或由1變成0，皆會(huì)增加TAF值，因而顯示出其圖形受到篡改 解決了NC測(cè)度的判讀錯(cuò)誤問題。,NC值的誤判,(a)原始浮水印 (b)反相的浮水印，NC值為0,當(dāng)萃取出來的浮水印呈反相時(shí)，NC值0， 但還是可以清楚地分辨出來。,PSNR的測(cè)度,PSNR的測(cè)度上亦可能產(chǎn)生非真實(shí)情形的解讀，例如當(dāng)Lenna圖中的右眼塗白，PSNR值尚有33.77dB

12、,數(shù)位浮水印技術(shù),空間域機(jī)制(Spatial Domain Mechanism)： 浮水印的嵌入偵測(cè)若是採(cǎi)用直接更改讀取影像亮度或灰階值 轉(zhuǎn)換域機(jī)制(Transform-Domain Mechanism) 或頻率域機(jī)制(Frequency Domain Mechanism) 浮水印的嵌入偵測(cè)若是採(cǎi)用更改/讀取以數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換過的係數(shù) 視學(xué)密碼學(xué)（Visual Cryptography）,空間域(Spatial Domain),直接改變或調(diào)整數(shù)位媒體的單位元素值（度量訊息的基本單位）來達(dá)成嵌入資訊的目的 LSB（Last Significant Bit）嵌入：為直接修改數(shù)位影像中像素值較不重要的部份，

13、以達(dá)到藏入數(shù)位浮水印之目的。 對(duì)於幾何變形（Geometric Transform），例如：旋轉(zhuǎn)、JPEG壓縮，則較為脆弱。,8位元灰階像素之MSB與LSB,頻率域,常見的轉(zhuǎn)換方式： 離散餘弦轉(zhuǎn)換(Discrete Cosine Transformation, DCT)/反離散餘弦轉(zhuǎn)換(Inverse Discrete Cosine Transformation, IDCT) 傅利葉轉(zhuǎn)換(Fourier Transformation, FT)/反傅利葉轉(zhuǎn)換(Inverse Fourier Transformation, IFT) 離散小波轉(zhuǎn)換(Discrete Wavelet Transfor

14、mation, DWT) /反離散小波轉(zhuǎn)換(Inverse Discrete Wavelet Transformation, IDWT) 利用這些方法轉(zhuǎn)換成係數(shù)值之後，再小幅度地調(diào)整其中部份的係數(shù)值以達(dá)到藏入數(shù)位浮水印之目的,頻率域數(shù)位浮水印製作與萃取程序,需要較多的計(jì)算處理 較能抵擋不同性質(zhì)的影像處理破壞，諸如影像模糊化或影像剪裁等,離散餘弦轉(zhuǎn)換公式,Discrete Cosine Transform DCT DCT反轉(zhuǎn)換公式,離散小波轉(zhuǎn)換,許多種數(shù)學(xué)模型都可進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如：Antonini、Haar、Daub4、villa4等 數(shù)位影像中則是在於將影像轉(zhuǎn)成各個(gè)區(qū)塊（或稱之為次頻帶, Sub

15、band）表示不同的頻率 LL這個(gè)區(qū)塊則是影像中最重要的部分 HH則是影像中較不重要的部分 LL又可再經(jīng)第二階段轉(zhuǎn)換來劃分,離散小波轉(zhuǎn)換示意圖,離散小波轉(zhuǎn)換,離散小波轉(zhuǎn)換的特性： 擁有 DCT轉(zhuǎn)換的主要優(yōu)點(diǎn) 能運(yùn)用於數(shù)位影像 小波轉(zhuǎn)換尚且提供了數(shù)位媒體的多重解析（Multi-resolution）觀點(diǎn) JPEG2000採(cǎi)用小波轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換目的,不論是離散餘弦轉(zhuǎn)換、傅利葉轉(zhuǎn)換或是離散小波轉(zhuǎn)換 其目的在於透過這些轉(zhuǎn)換技術(shù)將媒體中重要的部分與不重要的部分區(qū)分出來。 再將欲嵌入的資訊加到所選取的係數(shù)中。 最後並還原至空間域而完成嵌入資訊的目的。,轉(zhuǎn)換目的,媒體中重要的部分通常也是編輯處理後還會(huì)比較完整的

16、部分，因此將資訊嵌入其中，就能有效提高強(qiáng)韌性且可抵擋多種訊號(hào)處理的攻擊。 需要更多計(jì)算時(shí)間來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。,智慧財(cái)產(chǎn)權(quán)保護(hù),數(shù)位浮水印保護(hù)智慧財(cái)產(chǎn)權(quán)系統(tǒng)大致上有以下四種分類 Private Marking Semi-private Marking Public Marking（Blind Marking） Asymmetric Marking（Public-key Marking） I代表原圖、K代表私密金鑰、M代表浮水印、I代表測(cè)試圖來做說明,Private Marking,需要所嵌入前的原圖配合才能萃取出浮水印標(biāo)記 集合1與0以表示含財(cái)產(chǎn)權(quán)訊息的完整數(shù)位媒體系統(tǒng)，也就是1：具完整性，0：不完整

17、性（遭竄改），則F: I I K M 0, 1 主要優(yōu)點(diǎn)是所嵌入的浮水印在沒有原本的私密金鑰下難以被移除 缺點(diǎn)是管理大量的原圖、浮水印和與其對(duì)應(yīng)的私密金鑰是相當(dāng)困難的。,Semi-private Marking,無需原圖即可檢驗(yàn)，意即 F: I K M 0, 1。 只需使用到私密金鑰與浮水印即可判斷浮水印的存在與否 不需使用到原圖來進(jìn)行檢測(cè) 有效減少貯存原圖所需的空間。,Public Marking（Blind Marking）,無原圖之下，僅透過私密金鑰即可萃取出浮水印，意即F: I K M。 亦可應(yīng)用在Private Marking機(jī)制之中 學(xué)術(shù)研究上最常被使用的機(jī)制。,Asymmetri

18、c Marking（Public-key Marking）,任何使用者均能透過公開金鑰來驗(yàn)證浮水印的存在 若沒有私密金鑰時(shí)，則無法移除影像中所嵌入浮水印 浮水印嵌入時(shí)是使用私密金鑰，之後萃取或檢驗(yàn)時(shí)則是使用公開金鑰 優(yōu)點(diǎn)是加強(qiáng)金鑰的安全性，使得攻擊者即使擁有公開金鑰進(jìn)行萃取或檢驗(yàn)浮水印，亦難以藉此將浮水印移除或竄改。,影像完整性鑑別,一、簽章式鑑別法： 利用密碼學(xué)上的數(shù)值運(yùn)算方式來對(duì)影像做簽章 虛擬隨機(jī)亂數(shù)與檢查碼（Checksum）的方法：對(duì)每個(gè)像素中七個(gè)最重要的位元值（MSB）做一檢查碼，並將此檢查碼嵌入最不重要的位元值中（LSB）,簽章式鑑別法,影像切成數(shù)個(gè)區(qū)塊，並對(duì)每個(gè)區(qū)塊做hash值

19、來與MSB做運(yùn)算，並將所得到的值嵌入LSB中 鑑別太過嚴(yán)格以致於讓合法持有者無法修改影像且無法呈現(xiàn)那些地方被竄改，此外隨著影像尺寸的增加，在運(yùn)算上會(huì)更為耗時(shí)。,影像完整性鑑別,二、特徵式鑑別法： 影像特徵比對(duì)的鑑別系統(tǒng)。只要影像差異並未超過門檻值，這影像就被視為合格的。然要實(shí)現(xiàn)此法則需要儲(chǔ)存許多額外的資訊。 以特徵做為影像鑑別的方法卻較無法反映細(xì)微的竄改。,影像完整性鑑別上研究,重點(diǎn)有以下三點(diǎn)： 影像是否受到竄改的判斷。 影像受到竄改區(qū)域的偵測(cè)。 影像受到竄改後的還原。,數(shù)位浮水印,應(yīng)用： 廣播監(jiān)督（Broad Monitoring） 交易追蹤（Transaction Tracking） 拷貝

20、控制（Copy Control） 設(shè)備控制（Device Control）,Steganography,將密文隱藏起來使得沒有人會(huì)懷疑，也就是沒有人會(huì)知道其實(shí)訊息中包含了密文。 偽裝法的組合元件與要件 輸入元件：掩護(hù)媒體(Cover-media)、機(jī)密、重要資訊(Significant Information)。 處理元件：嵌入處理(Embedding)、萃取處理(Extracting)。 輸出元件：輸入元件透過處理元件所產(chǎn)出的物件，即偽裝媒體(Stego-media)。,偽裝法的評(píng)估要件,不可察覺性(Imperceptibility) 不可偵測(cè)性(Undetectability) 強(qiáng)韌性 (

21、Robustness) 容量(Capacity) 安全性 (Security),偽裝法,掩護(hù)圖 (秘密隱藏前),偽裝圖 (秘密隱藏後),掩護(hù)圖/偽裝圖（128x128pixel）就嵌入小說哈利波特(Harry Potter)部分的內(nèi)涵,偽裝法的技術(shù),偽裝法的基本技術(shù)就是LSB（Least Significant Bit）,修改了左側(cè)影像中每個(gè)像素的LSB。 若LSB是0便改成1、反之改成0，最後得到了右側(cè)的影像。,偽裝學(xué)的隱藏秘密分析,視覺分析法（Visual Analysis） 統(tǒng)計(jì)分析法（Statistical Analysis） 目前為止沒有能夠以一擋百的萬能偽裝分析 必須針對(duì)個(gè)別技術(shù)進(jìn)

22、行分析,偽裝學(xué)的隱藏秘密分析,I. 視覺分析法 是針對(duì)秘密訊息可能隱藏的位置，將其二元值擷取出來，依其相關(guān)位置組成一個(gè)位元平面(Bit-plane)，然後直接利用人類視覺來判斷是否有機(jī)密訊息隱藏其中。,原圖的分解,視覺分析法,LSB偽裝圖的分解,偽裝學(xué)的隱藏秘密分析,II. .統(tǒng)計(jì)分析法 針對(duì)這些像素值去做統(tǒng)計(jì)與分析，期望能找到數(shù)位影像隱藏有機(jī)密訊息的證據(jù)。 統(tǒng)計(jì)學(xué)上的卡方分析法(Chi-square Analysis),卡方分析法(Chi-square Analysis),先紀(jì)錄影像圖片中所有相同像素值在影像圖片的像素個(gè)數(shù)總數(shù)，並將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分組。 每組的配對(duì)由兩個(gè)連續(xù)像素值組成，紀(jì)錄各像素值

23、在影像圖片的所有像素值分佈的累積個(gè)數(shù)。 計(jì)算每組內(nèi)像素值累積個(gè)數(shù)的平均值，判斷上述的統(tǒng)計(jì)資料關(guān)係將屬於卡方的機(jī)率分佈。,卡方分析法,若所隱藏的秘密訊息的0/1位元具隨機(jī)性，則LSB出現(xiàn)0或1的期望值將會(huì)相等。 每組的配對(duì)(由兩個(gè)連續(xù)像素值組成)，紀(jì)錄各像素值在隱藏秘密訊息的影像圖片的分佈像素值個(gè)數(shù)將非常接近。 隱藏秘密訊息的圖片將藉此關(guān)係被偵測(cè)出。,16色階的影像圖,一個(gè)像素由4個(gè)位元組成，表現(xiàn)值配對(duì)集合總共會(huì)有連續(xù)像素值(像素值分佈為0-15)分佈的8組表現(xiàn)值配對(duì) 色階的影像圖的8組表現(xiàn)值配對(duì)集合,16色階的影像圖,16色階影像圖在藏入訊息之前後(利用S-Tools 的LSB嵌入技術(shù)藏入訊息),16色階灰階影像像素分布圖,16色階灰階影像(含機(jī)密訊息)像素分布圖,第一組表現(xiàn)值配對(duì)比較圖,比較之下可以清楚的看出同一組表現(xiàn)值配對(duì)隱在藏資訊前後的明顯差異，可以判斷所分析的影像圖極有可能隱藏秘密訊息，進(jìn)而達(dá)到阻止秘密通訊的目的。,資訊隱藏之運(yùn)用與問題,資訊隱藏被運(yùn)用於犯罪的方法 網(wǎng)路色情 將猥褻圖片或影片隱藏在風(fēng)景圖片中，