信息安全与伪装技术

1、信息安全与伪装技术信息伪装就是将秘密信息隐藏于另一非机密的文件内容之中，其形式可以是任何一种数字媒体，如图像、声音、视频等等。信息伪装技术不同于传统的加密技术，密码仅仅隐藏了信息的内容，而信息伪装不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在。 信息伪装技术研究的内容包括信息隐藏和信息的产权认证、信息访问的合法身份认定等。一般来说，信息伪装技术具有隐蔽性、安全性、对称性和可纠错性四大特性。信息伪装技术包含的内容范围十分广泛，可以分为伪装术、数字水印、数据隐藏和数据嵌入等。 伪装术：伪装术是对那些进行秘密通信技术的总称。伪装术通常依赖于第三方不知道隐蔽通信的存在的假设，而且主要用于互相信任的双方的点到

2、点秘密通信。 数字水印：数字水印就是在被保护的数字对象（如静止图像、视频、音频等）中嵌入某些能够证明版权归属或跟踪侵权行为的信息，这些信息可能是作者的序列号、公司标志、有意义的文本等等。与伪装术相反，水印中的隐藏信息能够抵抗各类攻击。即使水印算法是公开的，攻击者要毁掉水印仍十分困难。 数据隐藏和数据嵌入：通常用在不同的上下文环境中，在这些应用中嵌入数据的存在是公开的，但无必要保护它们。例如：嵌入的数据是辅助的信息和服务，它们可以是公开得到的，与版权保护和控制存取等功能无关。 上述三种伪装技术是互相关联的，其中图像伪装术和图像数字水印是人们研究的重点。 信息伪装是一门不断发展的学科，许多新的分支

3、和技术都在不断地涌现。可视密码学（或称为叠像术）就是其中的一种。这种技术在恢复秘密图像时不需要任何复杂的密码学计算，而是直接以人的视觉系统即可将秘密图像辩识出来，完全不同于传统的密码技术，在解密过程中须靠大量且复杂的技术才可解出真正的信息。叠像术产生n 张不同含义的胶片或称之为伪装图像，任取其中t张胶片叠合在一起即可还原出隐藏在其中的秘密信息。叠像术是一门技巧性学问，目前正在实用化方向发展。 与密码屡遭攻击类似，隐藏信息也会经常遭到各种恶意攻击。攻击者会从检测隐藏信息、提取隐藏信息和破坏隐藏信息三方面入手加以进行。 信息伪装技术作为一种新兴的信息安全技术已经被许多应用领域所采用。其中，数字水印

4、作为在开放的网络环境下保护版权的新型技术，可以确立版权所有者，识别购买者或者提供关于数字内容的其他附加信息，并将这些信息以人眼不可见的形式嵌入在数字图像，数字音频和视频序列中，用于确认所有权和跟踪行为。此外，数字水印在证据篡改鉴定、数据的分级访问、数据的跟踪和检测、商业和视频广播、互联网数字媒体的服务付费以及电子商务的认证鉴定等方面也具有广阔的应用前景。 基于迭代函数系统和编码空间的数字图像置乱方法研究2003-7-3  档案馆论文中心 【摘 要】针对数字图像的安全保密问题，本文介绍了一种基于位置空间的数字图像置乱技术。首先利用伴随于迭代函数系统（IFS）的编码空间对数字图

5、像各像素赋予不同编码，然后通过对编码的特定置换使各像素位置改变以达到图像置乱的目的。本文讨论了置乱变换对原图信息分散的规律以及变换的周期性。理论和实践表明，该方法克服了图像信息量大造成的编码上的困难，置乱变换后原图的信息按照特定的规律分散开，增强了信息隐藏的不可感知性。【关键词】 迭代函数系统（IFS） 编码空间 数字图像置乱 1引 言随着计算机技术、通讯技术、信息处理技术迅速发展和广泛应用，信息安全成为信息时代的一个关系到国家安全、经济发展和个人厉害的重大关键问题。在信息安全中，图像的安全性倍受关注。近年来，图像信息隐藏成为国内外研究的热点，信息隐藏和伪装技术是解决其安全性的主要手段，其中包

6、括：（1）数字图像的置乱技术；（2）数字图像的分存技术；（3）数字图像的隐藏技术；（4）数字图像的水印技术。数字图像置乱技术主要用于数字图像的预处理和后处理，主要目的是将一幅给定的数字图像变换成一幅杂乱无章的图像，使其所要表达的真实信息无法直观地看到，即使计算各种可能的组合情况也要花费巨大的代价。数字图像置乱可以在位置空间、色彩空间及频率空间上进行。其基本思想可以追溯到在高卢战争期间恺撒大帝使用的恺撒暗码，即原始信息中的每个字母，按某种固定的规则依次用另外的字母代替。这种字母的替换可以看作是一种一维数据流的值替换，将之扩展到二维情形从而可以得到数字图像的置乱变换。简单地说，数字图像的置乱变换就

7、是一种可逆变换，它通过对数字图像的位置或灰度级等做变换使图像变得“面目全非”，从而达到信息隐藏的目的。在这方面已有一些经典的算法，如基于Arnold变换、幻方、Gray码变换、FASS曲线2-6等方法。但是由于图像的信息量往往大得惊人，这个特点造成编码上的困难，有效的算法公开发表的尚不多见。本文则提出了一种新的基于迭代函数系统和编码空间的数字图像置乱技术，很好地克服了图像信息量大造成的编码上的困难，并且置乱变换后原图的信息按照特定的规律分散开，削弱了像素间的相关性，增强了信息隐藏的不可感知性。2迭代函数系统（IFS）和编码空间一个迭代函数系统由一个完备度量空间 和一个有限的压缩映射集 及其相应

8、的压缩因子 所组成。用IFS表示 ，且其压缩因子便是 .IFS通过一组变换的迭代过程实现对吸引子的寻求，设 ,变换 迭代过程为当 1，得到的图像序列 随着 按 距离收敛到IFS的吸引子,即分形。设 为 对 进行 次迭代的结果图，用 （ ）表示。当 时，这种按照变换序列而得到的整数排序的字称为分形上的点的地址，并且每个点的地址都是由整数 组成。所有地址的集合称为伴随于该IFS的编码空间，用 表示。3基于伴随于某个IFS的编码空间对数字图像置乱3.1选择IFS并生成编码图数字图像可看作一个 矩阵，元素的数值就是像素的灰度。当 时，取IFS ,令 是4个顶点为A(0,1),B(1,1),C(1,0)

9、, D(0,0)的正方形四条边组成的平面点集， 是压缩因子为1/2的仿射变换。对 迭代一次，图形上相当于对 进行了四等分，以后的任何 都是对 的每个正方形四等分的结果。这样对 迭代 次就产生了 个小正方形且其相似比为 ，与此同时生成了 个由 组成的不同编码，恰能将图像像素一一标号。这样就很好地解决了图像信息量大带来的编码上的困难。于是我们根据编码后图形的特点选取自同构映射 ，在 作用下产生一幅新的编码图，将原编码表示的像素按其在新编码图中的位置重新排列图像被置乱，于是置乱效果取决于 的选取。3.2根据编码图的特点选择置乱变换一般地，秘密图像置乱的程度越好，将其隐藏在公开图像中后，其安全性能更高

10、。在此我们讨论置乱程度主要是相对于图像信息的直观隐藏效果而言的，与解密的难易程度无关。从直观上讲，作置乱变换时原图像的像素位置移动得越远，其置乱效果越好，但是如果将图像的所有像素向某一方向平移一定距离，则置乱程度是很差的。因为这样的平移仍保留了几乎所有像素点间的互信息，即相关性，因而整个图像信息在视觉上并未发生太大变化。于是本文从削弱像素点间的相关性出发选取置乱变换。从图1可看到编码图具有分形的几何性质精细的结构，自相似性，并且首位数字相同的编码均分别位于相似比为 的小正方形内。故若改变编码序列末尾几位(以左边第一位为首位)，原像素只能在前几位数字决定的区域变化，只有改变编码序列前几位时，才能

11、使原像素点跳到较远的区域。 因此选取如下变换进行测试：设 ，使得 按下标序列 模 的剩余类， , , , （m=1,2,n）从小到大排列，并且同类元素也按下标从小到大排列。以256 256的图像变换为例（实验结果见图2）。实际上，变换 为 下标 的集合 到 的一个双射，称为一个（ 阶）置换。置换 的实质是使得每次迭代 放置的位置改变，于是生成了新的具有 个不同编码的编码图，故 为自同构映射并且 具有周期性16。具体地说，任一置换的周期是它的循环分解中各循环长度的最小公倍数。基于此IFS生成的编码空间对数字图像编码后，在置换 作用下具有下述特点：(1)该法是基于位置空间的图像置乱技术，只是改变图

12、像的象素位置。(2) 图像置乱通过对编码 变换实现，具有很强的操作性。置换 实质是将原图矩阵的行列按一定方式有规律地抽取后重新排列，事实上， 的全体置换除恒等变换外都具有这样的作用。特别地，图像的编码图经过 变换1次后，任一编码与周围8个编码首位数字不同，于是被充分置乱（见图3）。(3)置换 具有周期性，置乱后的图像经过有限次变换能还原（见图4）。若将各种变换以及变换的幂混合使用（见图5），不同变换的种数为它们所生成的群的阶，上界为 16。3.3数字图像大小 的置乱方法对于 的数字图像，当 < < 时，若 较小，可将原图矩阵补 行， 列，像素值设为 ，再按上述方法进行置乱；若 较大

13、，可将原图左上角，右上角，左下角，右下角的 阶方阵依次按上述方法进行置乱，总之使得图像每部分至少被置乱一次（见图6），解密则为其逆过程。当然若 非常小，可只对其中 阶方阵进行置乱，余下的 行， 列不变。4 结 论对数字图像像素编码，除了基于上述IFS生成的编码空间外，还可以选取其它具有压缩因子s的IFS。由于编码图具有分形的几何性质，如何利用这种性质选择编码图上的自同构映射 对图像进行置乱，还有非常大的发挥空间，同时也使解密的难度大大增加。置 乱 与 分 存通常的传统加密技术着眼于少数人使用，现在考虑的用户属于数量巨大的人群。这是现代社会，尤其是国际互联网络兴起并将继续迅速发展，更增强了这一“

14、群众性”的特点。数字图像的置乱，指的是把一幅图像经过变换，使其成为面目全非的另一幅没有意义的混乱图像，而操作者在知道算法的情况下，又能通过特定的算法从混乱的图像中重构出原来的图像，这是一类图像的编码与解码的过程。当第三者截获混乱图像时，由于置乱算法中的参数设定是保密的，即或在知道算法的情况下也难以破译。图像置乱说明：图像（a）为原始图像，图像（b）为图像（a）的置乱图像，采用与所做的置乱变换相应的逆变换即可由图像（b）恢复出图像（a）。图像信息隐藏的另一种思想是信息分存。其基本作法是将一幅图像拆成几幅图像，分别存放或传输给个人，只要有人将各自的图像综合在一起，则可以重建原来的图像，而少于几幅的

15、图像不能重建原图。这种分存算法在安全性方面有独特的优点，因为分存本身减弱了非法窃密的可能性。此外，即或有某种原因损失了几幅分存图像，那么依然可以重建原图，这给应用带来方便。当我们限于黑白图像时，已经获得了解决方法。当前图像分存所面临的问题是如何实现对彩色图像的分存。特别是当分拆后的多个图像并非混乱的图像，它们各自是有其明确意义的伪装图像，由此达到避开引起敌方特别注意监视的目的，这样的目标看来尚缺乏进展。此外，如何更好地控制数据的膨胀也有待研究。小结：图像信息隐藏技术本来不是新问题，甚至在古老的儿童游戏中已经含有这种技巧。但是在信息技术高速发展的今天，特别是由于internet技术蓬勃兴起及其全面广泛的影响，