第四章信息隐藏模型

1、信息隐藏原理及应用信息隐藏原理及应用第第4 4章章 信息隐藏模型信息隐藏模型 本章目标本章目标在读完本章之后，你应该能够：在读完本章之后，你应该能够：理解隐写术基本模型理解隐写术基本模型; ;了解隐写术的安全模型了解隐写术的安全模型; ;理解隐写术模型所占有的理论意义理解隐写术模型所占有的理论意义; ;理解数字水印模型理解数字水印模型; ;理解感知模型。理解感知模型。4.1 隐写术模型分析 信息隐藏模型的研究是信息隐藏基本理信息隐藏模型的研究是信息隐藏基本理论基本原理研究的基础，在本章中针对信息隐论基本原理研究的基础，在本章中针对信息隐藏的两个重要应用隐写术与数字水印，我们分藏的两个重要应用隐

2、写术与数字水印，我们分析相关的模型以及模型的评价及相关分析。从析相关的模型以及模型的评价及相关分析。从广义上讲，模型分为两类，一类是从通信角度广义上讲，模型分为两类，一类是从通信角度来分析的通信模型，另一类是从空间角度分析来分析的通信模型，另一类是从空间角度分析算法。算法。 隐写术主要是将秘密信息隐藏，然后以隐写术主要是将秘密信息隐藏，然后以隐蔽通信的方式不让未授权第三方知觉，所以隐蔽通信的方式不让未授权第三方知觉，所以我们首先从通信的角度来分析隐写术模型，然我们首先从通信的角度来分析隐写术模型，然后从几何的空间角度来分析数字水印模型。后从几何的空间角度来分析数字水印模型。4.1.1 Simm

3、ons模型分析n在隐写术的相关文献中，普遍采用Simmons提出的模型和模型的变种，隐写术的理论模型是研究隐写术的基础。隐写术早期的研究是将秘密信息直接加到载体信息中，将载体数据看作噪声，若解码者知道噪声，则提取时用伪装载体数据减去噪声即得秘密信息。目前，隐写术是一种隐蔽通信模型。对隐写术系统的模型理论、检测理论和容量理论都需要进一步研究，这就形成了隐写术的理论研究。在隐藏容量研究方面，通信模型为： ，Xn 为隐藏的信息， Sn 为载体，Zn 为攻击噪声，可以得出隐藏容量，P是X的平均能量，N是Z平均能量。n在1983年，Simmons针对隐蔽通信提出了第一个隐写术的场景描述：囚犯问题。假定A

4、lice和Bob是分别处在不同牢房中的囚犯，为了合谋一次越狱行动，相互间需要秘密通信，而他们的每一次通信都必须经过看守人Wendy的监督。Wendy可以阅读所有囚犯的信件，并决定是否传送或不传送这些信件，同时还可以对信件进行修改，但并不改变信件的内容。为了使通信不被怀疑，Alice和Bob不能采用常用的密码通信技术，因为一封经过加密且的语义混乱的密信虽然可能不会泄露计划，但已经足以作为两个犯人图谋不轨的证据。因此，Alice和Bob不仅要保证密信不可破解，而且要隐藏秘密通信的事实。囚犯问题如图4.1所示。ZnSnXnYn)/1log(2/1NPC 图4.1 囚犯问题n这就是典型的隐写术问题的图

5、例。n这个模型强调的是如何保证隐蔽通信的实现，并没有提出实现隐写术的原理，所以实际上，这个模型是隐蔽通信的模型。我们在第5章中将研究隐蔽通信。n通常称需要隐藏的信息为秘密信息，而公开的已嵌入秘密信息的称为伪装载体，隐写的过程一般由隐写密钥来控制，通过嵌入算法将秘密隐写术于公开信息中，而伪装载体则通过信道传递，通信对方用检测器或利用密钥从伪装载体中恢复/检测出秘密信息。秘密信息可以是版权信息或秘密数据或者序列号等；而公开信息则称为载体信息如视频、音频片段。这种隐写术过程一般由密钥（key）来控制，即通过嵌入算法（embedding algorithm）将秘密隐写术于公开信息中，而隐蔽载体（隐藏有

6、秘密信息的公开信息)则通过信道（communication channel）传递，然后检测器（detector）利用密钥从隐蔽载体中恢复/检测出秘密信息。从上面分析可知，隐写术技术主要由两部分组成:信息嵌入算法，它利用密钥来实现秘密信息的隐藏。隐蔽信息检测/提取算法（检测器），它利用密钥从隐蔽载体中检测/恢复出秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载体中得到或删除，甚至发现秘密信息。4.1.2 通信系统模型分析在本小节中，重点从信息论的观点，揭示信息隐藏内在的性质，应用信息论描在本小节中，重点从信息论的观点，揭示信息隐藏内在的性质，应用信息论描述信息隐藏的嵌入，提取和检测模型，从而为研

7、究信息隐藏的容量分析，极限述信息隐藏的嵌入，提取和检测模型，从而为研究信息隐藏的容量分析，极限隐藏，以及指导设计隐藏算法提供坚实的基础，建立其信息论观点的理论模型，隐藏，以及指导设计隐藏算法提供坚实的基础，建立其信息论观点的理论模型，先分析通信基本通信模型，然后提出隐写术通信模型，从而使隐写术的安全达先分析通信基本通信模型，然后提出隐写术通信模型，从而使隐写术的安全达到一个新的理论高度。到一个新的理论高度。下面首先介绍通信系统模型。下面首先介绍通信系统模型。图图4-24-2给出了一个传统通信系统的基本结构。给出了一个传统通信系统的基本结构。M M是准备发送的信息，信道编码器是准备发送的信息，信

8、道编码器对信息对信息M M进行编码，准备发送，它将所有可能的信息映射为码字，后者从可以进行编码，准备发送，它将所有可能的信息映射为码字，后者从可以在信道中传输的符号所组成的集合中选择得到。码字序列通常标记为在信道中传输的符号所组成的集合中选择得到。码字序列通常标记为X X。标准。标准的通信模型如图的通信模型如图4-24-2所示。所示。图图4.2 4.2 通信系统的标准模型通信系统的标准模型为了进一步保证传输信息的安全，可以将传输的密码技术加入，基本通信系统为了进一步保证传输信息的安全，可以将传输的密码技术加入，基本通信系统图变基于密钥的信道编码的通信信道基本模型，模型如图图变基于密钥的信道编码

9、的通信信道基本模型，模型如图4.34.3所示。所示。 图4.3 基于密钥的信道编码的通信信道模型n而在隐写术中的通信中也应考虑像Wendy这样的主动攻击的存在，所以基本的隐写术模型如图4.4所示：E图图4.4 4.4 基本的隐写术理论模型基本的隐写术理论模型上图中所讨论的系统都符合上图中所讨论的系统都符合KerchhoffsKerchhoffs准则，即加密函数、解密函数以及隐藏准则，即加密函数、解密函数以及隐藏信息嵌入函数信息嵌入函数 和提取函数和提取函数 是公开的。是公开的。e14.1.4 基于通信的水印模型nCox(95)在其著作中给出了基于通信的基本模型，认为嵌入编码器到检测编码器之间的

10、信息传输可以看做是一种通信，并且需要将信息映射为同载体维度相同类型相同的模板。在Costa的脏纸通信的研究成果基础上，Gelfand和Pinsker结合Cox的边信息水印通信模型，形成了信息隐藏的信息论模型，将信息隐藏看做是隐藏者和攻击者之间的通信博弈，其中的隐藏者和合法解码者拥有边信息，给出了具有边信息信道的容量定义。n如图4.6所示，是最早的通信水印模型。如图4.7所示，是数字水印的边信息模型。M)|(NNNxyMMNSNXNYMM)|(xyA)|(NNNxyMMNSNKNXNYM图图4.6 4.6 早期的数字水印模型早期的数字水印模型 图图4.7 4.7 数字水印的边信息通信模型数字水印

11、的边信息通信模型4.2 数字水印空间模型n根据信息隐藏活动的离散化特点，除了可以将数字水印看做是传统的通信模型之外，最常见的还是几何模型。几何模型有时也称为空间模型。n空间模型对信息隐藏的对象和过程进行细化和抽象，根据信息隐藏活动离散化特征，利用集合论和矩阵空间概念描述信息隐藏的基本问题。模型对信息隐藏各元素进行空间概念表示，对信息隐藏过程进行空间转换描述。下面介绍一下数字水印空间模型如图4.8中所用到的空间。n（1）信息空间（information space）：信息存在形式的空间表示。信息空间中的元素有特定的结构和表示。同一信息可以存在于不同的信息空间中。n（2）空间变换（space tr

12、ansform）：不同信息空间之间的点有一定的变换关系。我们经常使用各类空间变换，如空域和变换域，这种变换只是改变信息空间中信息的表示，而信息本身并不发生任何变化。n（3）载体空间（carrier space）：载体所存在的信息空间。n（4）宿主空间（host space）。宿主信息所存在的空间。n（5）隐藏空间（secret space）。宿主空间中真正用于隐藏数据的子空间。n（6）秘密消息空间（message space）。原始隐藏数据所存在的信息空间。n（7）寄生空间（hermit space）。为了保证秘密信息的安全，在秘密信息嵌入之前需经预处理，然后再嵌入隐藏空间，预处理之后的数据所

13、存在的信息空间称之为寄生空间。 图4.8 数字水印空间模型4.3 感知模型 不可感知性是信息隐藏的很重要的衡量指标，到目前，根据人类听觉和视觉系统，已经提出了许多感知模型，因为人类感知存在很大个体差异，本节首先对人类感知进行分析，然后利用人类视觉感知特点和矩阵理论来描述信息隐藏的基本问题，主要介绍Watson的感知模型。4.3.1 人类感知n人眼对在波长范围从400770的电磁辐射非常敏感。彩色图像可以用函数C(x,y,t.)表示。这个函数能表示位置（x,y），反射光的波长和动态图像情况下的时间。对于颜色视觉，有三个基础可用的光谱敏感度函数 和 。通过人眼或照相机系统对场景中对象进行感知主要是

14、通过它的幅射 。照明与主观人类感知之间，以及与人类响应之间都存在着直接关系。在Weber定律中，第一次公式化地给出了这种关系。公式表示为: （4-1）n实验调查表明，Weber定法律只适用于中间照明值，对于很高和很低的照明值都不适用。可感知的亮度B 和和照明L间的关系是对数关系，即 。n根据Thomas Young的三原色理论，我们视觉系统感知的所有颜色都是基本颜色的线性组合。如果两种颜色之间存在最小可觉差(just noticeable difference，JND)，实际最小可觉差值不是常数，这主要因为人类视觉的非线性和RGB空间的不均匀性。如果人眼颜色感知能力还未饱和，在较强照明时，人眼

15、颜色感知能力更好。在Buchsbaum非线性等式的常数考虑了眼睛的适应条件和照明条件。Buchsbaum在Weber研究的基础上开始了他的研究，分析获得了对数形式的视觉非线性。kLWl)()(GRVV)(BV),(tyxRLBlog4.3.2 评价的基本指标n感知模型实现上是函数 ，这个函数是计算原图像和隐写后图像之间的感知距离，传统使用的MSE均方差就是一个最简单的距离函数。感知模型的基本指标是灵敏度，掩蔽及合并。n（1）灵敏度：对于视觉的感知，都与输入信号的频率相关。频率响应主要指空间频率、光谱频率和时间频率。空间频率通常指亮度敏感度，光谱频率以颜色形式感知，一般为低频响应，时间频率响应以

16、运动的形式感知。n（2）掩蔽：在视觉中有两种掩蔽，频率掩蔽和亮度掩蔽，前者是一段频率对另一段频率的感知掩蔽，后者是局部亮度会掩蔽对比度变化。n（3）合并：在感知距离模型中，对多个不同失真的感知性综合归一为对伪装载体的评价，称为合并，公式为： （4-2）),(SOCCD pipSOidCCD1)(),(4.3.3 Watson感知模型nWatson提出了一个测量视觉保真度模型，它估计了原图像和伪装图像之间的JND值，对于噪声加入图像后产生的影响估计，此模型比MSE效果要好。n模型的基本原理是根据图像的块离散DCT估计变化的感知性，然后将这些估计合并成对感知距离的单个估计。此模型基于DCT域，经过

17、分块量化处理后，图像能量集中在每一块的低频部分，这样就能估计量化噪声的感知度，就可以根据每幅图像的具体特性来改变量化步长。n在信息隐藏中需要用此模型评价和控制信息隐藏的算法nWatson模型由一个敏感度函数、两个基于亮度和对比度掩蔽和合并部分组成。（1）模型定义了频率敏感度表，表中每个元素表示在每块中在不存在任何掩蔽噪声时，可感知DCT系数的最小幅度值。DCT频率敏感度表如表4-1所示。表表4-1 DCT频率敏感度表频率敏感度表1.401.011.161.662.44.434.796.561.011.451.321.522.02.714.674.931.161.322.242.591.984.

18、644.65.881.661.522.594.774.555.34.67.62.42.002.984.556.157.466.2810.174.432.714.645.37.469.628.7114.514.794.674.66.288.1711.5811.5817.296.564.935.887.610.1714.5114.521.15n（2）亮度掩蔽，如果DCT块的平均亮度值较高，DCT系数较大的修改也不易察觉，Watson模型对每个像素块，根据敏感度表的值进行调整，亮度的掩蔽阈值 为： （4-3）n（3）上述亮度掩蔽值也受到对比度掩蔽的影响，对比度掩蔽阈值 为： （4-4）n（4）合并，对原始图像与伪装图像比较，计算对应DCT系数的差值，然后除以对比度掩蔽，得到每项的可感知距离 di,j,k，然后合并成一个总的感知距离为： （4-5）n因为此模型是基于DCT变换的，主要用于JPEG，经过变换之后，可以将能量集中在少量的低频系数之上，然后通过此模型来估计量化后的感知度。kjitL,ToooLCkooCjitkjit)/,(,.kjis,max,1,jiLjioLkjitkjiCkjitkjis1),(),(