第2章 隐写术

1、北京工业大学 计算机学院1.空域隐写术2.变换域隐写术3.压缩域隐写术4.视觉密码5.音频隐写术6.视频隐写术（1）LSB隐写算法（位平面算法）LSB和位平面每个像素中的0号比特叫做最低比特位或最不重要位（the Least Significant Bit，LSB）每个像素中的7号比特叫做最高比特位或最重要位（the Most Significant Bit，MSB）由每个像素的第i位组成一个二值图像，叫做位平面i该算法是出现最早、应用最广泛的隐写算法。该算法是一个空域算法。该算法有很多变形。变形1：替换多个位平面隐藏第隐藏第1幅图像幅图像隐藏前两幅图像隐藏前两幅图像隐藏三幅图像隐藏三幅图像替

2、换多个位平面的优点 增加容量替换多个位平面的缺点 对图像质量影响较大，容易被发现 嵌入在不同位平面上的信息，鲁棒性不同变形2：消息加密后隐藏3次Hilbert变换变换后嵌入（位平面3）变换前嵌入（位平面3）原图消息加密后隐藏的优点 不易被发现 不易被人眼发现 不易被检测程序发现 这是因为加密后类似于随机图像，其统计特性更类似于标号较小的位平面 即便攻击者提取出消息，也不知道消息的内容消息加密的方法 序列：用密码学方法 图像：有自己的加密方法1. 图像置乱Arnold置乱（又称猫脸变换）()mod(2 )modAAxxyNyxyN原图128*128置乱1次置乱24次置乱48次置乱72次置乱96次

3、Fibonacci置乱()modFFxxyNyx原图128*128置乱1次置乱24次置乱48次置乱72次置乱96次置乱192次还原Hilbert置乱1234567891011 1213 141516123456789101112131415168*816*1632*32Hilbert置乱置乱1次置乱2次置乱3次置乱4次2. 图像分存（视觉密码）像素分享算法：可以用异或实现变形3：对消息进行纠错编码后隐藏优点 增强鲁棒性缺点 容量降低变形4：消息是灰度图像用消息的高4位替换载体的低4位优点 能够隐藏灰度图像缺点 提取出的消息质量降低了 原因是只能得到高4位变形5：LSB匹配隐写术LSB替换方法的

4、缺点 存在值对（Pairs of Value）的概念 01 23 45 254255 隐藏前：值对中两个值出现的次数差别较大 隐藏后：值对中两个值出现的次数接近LSB匹配隐写（1隐写）算法原理 当嵌入的秘密信息比特值与像素值低位相同时，像素值不变； 不相同时，随机选择加1或减1。（2）位平面复杂度分割隐写术基本原理 将普通表示的位平面通过线性变换（如：格雷码）映射到特殊定义的位平面； 将位平面划分成相同大小的子块（如8*8）； 计算每个子块的复杂度（如：相邻像素中取值不等的像素数目），将秘密信息隐藏在复杂度高的位平面子块中。 将所有图像块通过反变换重新组成隐写图像。优点 在不引起人眼可觉察失真

5、的前提下，将数据嵌入较高的位平面； 具有较好的隐蔽性和较大的嵌入容量； 可以适用于位图、调色板图像和基于小波变换的JPEG200图像。（3）像素差（PVD）隐写术基本原理 载体图像c=(c1,c2,cN)分割成互不交叠的小块(由两个相邻像素组成)； 两个相邻像素的差分值定义为： di=c2i-c2i-1 通过修改相邻像素的差分值，将秘密信息隐藏到差分值大的像素中；（4）调色板隐写术调色板图像（由两部分组成） 调色板：定义了L种颜色v1,v2,vl-1的索引列表，为每一种颜色vi分配一个索引pi ； 实际图像数据：保存每一个图像的调色板索引，而不保存实际的颜色值。基于修改调色板的隐写算法 基于颜

6、色向量的LSB算法。（修改颜色值的LSB） 对调色板进行排序，共有L！种不同的方式，可以编码秘密短信息。原始图像及其调色板基于修改图像数据的隐写算法 因为原始的调色板，相邻的索引颜色不一定相近，必须将索引表根据颜色重新排序； 以秘密信息位替换载体图像像素在排序后的调色板对应索引的LSB。原调色板排序后索引值排序后调色板LSB隐藏LSB是一种空域算法，虽然嵌入提取容易，但是鲁棒性太差；因此出现了变换域信息隐藏。常用变换域变换方法：在离散傅里叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）域上实现信息的LSB嵌入。 低频系数的改动可能会影响到主信号的感知效果；DCT系数DFT系数幅

7、度DWT系数 低频系数的改动可能会影响到主信号的感知效果； 高频系数容易被破坏； 隐写术一般选取中频系数来嵌入秘密信息。（1）离散DFT域隐写术DFT是法国数学家傅里叶提出来的，是一种复数变换；秘密信息可以嵌入到媒体信号的实部、虚部、幅度和相位中。基于DFT变换隐写术的基本流程： 对载体图像进行DFT变换； 对变换后的幅值取整，并分解为一系列位平面表达；（有损变换） 将以二进制表示的秘密信息嵌入到幅值位平面中。 由于DFT变换具有特殊的对称性，嵌入的秘密信息也应该满足相应的对称性。 当通过DFT逆变换得到伪装图像时，需要对DFT逆变换的实时值取整，裁减至0-255范围。（有损变换） 存在两次有

8、损变换，可能造成秘密信息的丢失。 为了更好地恢复秘密信息，可以对其进行纠错编码。如，采用汉明纠错编码，由（7,4）汉明纠错码，可以在仅有1位错误时予以更正。说明： 将秘密信息嵌入到中间幅值位平面，可以得到较高的不可感知性和较高的恢复率； 不采用纠错编码，选择合适的幅值位平面嵌入信息，也可达到较高的恢复率； 中间幅值位平面加入纠错编码，优于不采用纠错编码； 较低或较高的幅值位平面加入纠错编码，恢复率低于不使用纠错编码。（原因？） JPEG压缩主要针对图像的高频部分，为了提高隐藏信息抗JPEG压缩的能力，可仅在DFT中、低频中嵌入隐藏信息。 （2）图像DCT域隐写术DCT是Ahmed等人于1974

9、年提出的，其变换矩阵体现了人类语言及图像信号的相关性；DCT被认为是对语音和图像信号的准最佳变换；结构有规律或易于并行的DCT算法已经用专用IC实现；JPEG、H.26X、MPEG1、MPEG2等国际标准均基于DCT变换。基于DCT变换隐写术的基本方案 不进行JPEG压缩的DCT量化和反量化过程，直接修改部分DCT系数，隐写图像还是非JPEG格式。 进行JPEG压缩的DCT量化和反量化过程，直接修改量化后的部分DCT系数，隐写图像还是非JPEG格式。 输入和输出都是JPEG图像的隐写术，属于压缩域隐写术。说明 为了保证图像质量，一般不用DC分量作为嵌入位置。 兼顾不可感知性和鲁棒性，中低频带可

10、以作为嵌入秘密信息的理想部位； 用于保密通信，更多考虑嵌入容量和不可感知性，宜嵌入中低频带，系数3-12； 用于数字水印，更多考虑鲁棒性，宜嵌入低频带； 具体方案，可以考虑减少量化步长，增加AC分量中不为0的量化系数； 也可以基于DCT中低频系数间的相互关系嵌入秘密信息。（3）图像DWT域隐写术小波变换是由法国数学家Morlet于1986年分析地震资料时引入的，小波变换具有平移及伸缩变换不变性；DWT变换弥补了DCT变换不适用于带宽较宽信号的不足；图像是被分层而不是分块处理，克服了DCT变换的块效应；对计算复杂性而言，比DCT小得多。Haar小波变换方法：说明： 低频系数为重建图像重要的信息，

11、统计特征与原始图像相似，大部分能量集中与此，主要用来描述图像的轮廓； 高频系数相对不重要，用来修饰图像，分别描述图像在不同尺度、不同分辨率下的细节信息。秘密信息嵌入过程： 嵌入到分解后的小波系数高频带的低位中。优点： 良好的时间频率局部性。如局部纹理、亮度，全图DCT变换局部性差，分块会导致马赛克效应。 多尺度变换：有利于提高压缩比；在信息隐藏领域，秘密信息嵌入系数选择有多样性；（1）概述压缩域隐写术是指秘密信息的嵌入、检测和提取都直接在压缩域数据中进行的隐写算法。如针对JPEG压缩图像、JPEG2000压缩图像、MPEG视频、块截断编码压缩图像的隐写算法。典型的算法是对压缩数据直接修改LSB

12、。压缩域隐写算法在反压缩时会造成图像失真，因而嵌入容量小，软件也较少。（2）JPEG压缩算法：原理特点： 量化过程中，不同频率成分采用不同的量化步长，参见量化表，量化步长由低到高。 采用之字型扫描将系数矩阵转换为一维数列。 采用差分脉冲调制对DC系数编码，采用行程长度对交流系数编码，用熵编码进一步对数据进行压缩。 DCT变换和量化都是有损变换，熵编码是无损变换。 量化表之字型扫描JPEG隐写术基本思想： 对JPEG图像的压缩数据采用哈夫曼解码或算数解码，得到图像的DCT量化系数； 按照某种嵌入规则对DCT量化系数做微小的修改，将秘密信息嵌入到量化系数中； 对修改后的量化系数表进行熵编码，重新生

13、成压缩数据，即隐写JPEG图像。Jsteg算法： 将秘密消息嵌入到量化后的DCT系数绝对值非0和非1的LSB从而实现嵌入，容量较小； 顺序嵌入法：秘密消息连续替换载体图像的有效量化DCT系数的LSB。 未替换部分与替换部分存在统计性差异，安全性差。 随机嵌入法：应用一个伪随机序列来确定秘密信息的嵌入位置。 秘密信息随机分布在整个载体图像中，提高了秘密信息的安全性缺点： 嵌入容量小，绝对值为1的系数不能嵌入秘密信息。F3算法： 对Jsteg算法的改进。 0值不嵌入秘密信息，绝对值非0的系数，都用来隐藏1比特的秘密信息。 若秘密比特与DCT系数的LSB相同，则不进行修改； 若秘密比特与DCT系数的

14、LSB不相同，相应DCT系数的绝对值减1. 若DCT系数变为0，则嵌入无效，重新选择嵌入位置。 2i位置的条形柱会比2i-1位置上的条形柱高一些，会引起隐写分析者的怀疑。 原系数直方图 F3算法系数直方图F4算法： 正奇数和负偶数代表秘密消息1； 负奇数和正偶数代表秘密消息0； 不论嵌入的秘密比特位是0还是1，都可能产生无效隐藏而重新嵌入，图像所具有DCT系数直方图特征不会被破坏。（1）方案1：简单的基于像素扩展的单秘密视觉秘密共享基于异或运算的像素扩展； 假设黑像素用0表示，白像素用1表示,像素还原原理如下： 实验效果： 进一步采用半色调技术：可以用3bit信息表示1个秘密图像彩色像素点，分

15、别将每1bit信息隐藏到载体图像的RGB三个图像平面中。 共可以隐藏4幅秘密彩色图像。（2）方案2：任意份单秘密视觉秘密共享方案输入一幅秘密图片，将秘密图片的像素存入矩阵MawhMa0000.0.12900.00将密图的十进制矩阵转换成二进制矩阵b;whb800000000.0000000000000000.00000000.100000010000000000000000.0000000000000000输入参与者数量，根据参与者数量构造黑白像素加密矩阵；（0代表白，1代表黑） 11001010100101101010110010MM，产生一个随机数矩阵r，该矩阵的高度和宽度与二进制矩阵b的

16、高度和宽度相等,取值范围为1，9;whr8.67284727.设置黑白像素加密概率区间；），（1.21010nnNN）（175. 05 . 025. 0010 NN根据随机数矩阵r/10落在加密概率的位置确定具体的加密项;将加密后的二进制图像隐藏到彩色图像中。运行效果 (Win7,VS2010环境）总结分享过程将秘密共享图存入有意思的彩色共享图片中，易管理，减少攻击。只对一幅秘密图像进行秘密分享，属于单秘密视觉密码方案。该方案计算量少，速度快。秘密图片不会失真和变形。（3）方案3：基于扩展异或操作的多秘密视觉秘密共享方案扩展异或运算：方案的基本思想： 将n幅秘密图像表示成只有n个0-1的布尔矩

17、阵，通过基于扩展的异或操作对密图进行分享，最后产生n+1幅共享图像。输入的密图尺寸可以不一样大，最后产生的共享图像也可以不一样大。 重构秘密图像时，将所有的n+1幅共享图叠加进行一系列逆过程的扩展异或操作即可提取秘密图像信息，重构出秘密图像。秘密共享过程：（1）（2）（3）（4）读入n幅密图，存储成n个密图像素矩阵 。产生第一个临时矩阵S0，矩阵元素随机获取，取值范围（0,255）。产生n-1个中间矩矩阵 ： 。 产生n个临时矩阵 ：10nG，11nB，1.2 , 10nkSGBkk，1nS，10111) 1.2(nnkkkBGSnkBBSBS，（5）加密n幅密图的宽度和高度，加密算法同上。（

18、6）将扩充矩阵的元素存放到彩色共享图像中。扩充矩阵的每个元素表示成八位二进制，彩色图像的每个像素用三通道（R，G，B）且每个通道的值用八位二进制表示。将扩充矩阵的八位拆成3、2、3存到三通道值得低位。最后得到的彩色图即为共享图像。运行效果：总结0102030405 方案基于一种扩展的异或操作。可以对任意张密图进行秘密共享。解决了加密图片数量受限的问题。 加密图片的尺寸可以相同，也可以不同。解决了密图尺寸必须一致的问题。经过加密解密处理后恢复的图像与原先的图像相比，没有像素缺失或改变，没有图片尺寸的变化，所以不会导致图片失真或变形。 对密图进行加密处理后产生的扩充矩阵如果直接显示则得到的是没有意

19、义的阴影图片，这种图片不易管理，易受攻击，所以进一步存入有意义的彩色图片中，且这些彩色图片之间没有任何联系。 要想获取密图的信息，需要所有共享图片才能进行，同时密图的尺寸参数也是经过加密的，安全性高。（1）人耳听觉系统的特点人耳可感知声音频率及幅度均有一定范围：能够感知20hz与20khz的频率范围；幅度能够感知在-5db-130db；可闻阈值（安静阈值）与频率有关：可以听到最低的声音幅度；隐蔽效应：强信号附件听不到弱信号。 频域掩蔽效应：低频更容易掩蔽高频信号； 时域掩蔽效应：分为向前掩蔽与向后掩蔽，向前掩蔽一般时间比较短，为5-20ms；向后掩蔽时间比较长，一般是50-300ms。耳蜗的频

20、率感知特点：耳蜗对不同的频率具有不同的辨识度。耳蜗里面感知低频的面积比高频的面积更广，说明了人耳对低频的识别率比高频的识别率更高。临界带宽：一个纯音可以被以它为中心频率并且具有一定频带宽度的连续噪声所掩蔽。（2）时域隐写算法LSB算法 将音频信号部分采样值的LSB用秘密信息的二进制位替换； 优点：算法简单、速度快、隐藏数据量大； 缺点：鲁棒性差，容易受信道干扰、数据压缩、滤波、重采样的影响。 改进1：用一个伪随机数生成器控制嵌入位置，增加安全性； 改进2：根据信号强度选择嵌入位置，将秘密嵌入到载体的相对高位，增加鲁棒性。回声隐藏法 回声是经常存在的：墙壁、家具等都会产生回声； 可以利用时域掩蔽

21、效应通过引入回声将秘密数据嵌入到载体音频文件中； 可用倒谱自相关的方法测定回声间距。 缺点： 原始信号本身有回声，容易出现误码； 回声幅度较小，容易被淹没，难以检测，回声幅度较大，隐藏效果降低； 相对LSB，隐写容量较低。扩频法 基本思想：把窄带的秘密数据扩展到载体信号的整个频率谱上； 技术：使用一个密钥产生一个伪随机序列PN，PN序列功率谱密度在整个频谱范围内均匀分布的白噪声；码片序列(chip sequence) 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0

22、，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 码片序列的正交关系 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。 令向量 S S 表示站 S 的码片向量，令 T T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S S 和T T 的规格化内积(inner product)都是 0： 110(23)miiiS TmST 令向量 S S

23、为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S S 和 T T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSS 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端 其中：为嵌入强度)()()()()(nwncn

24、snrnmw(n) 扩频隐藏的过程扩频隐藏的过程 秘密信息提取：用收到的含秘密音频信息的载体与r(n)做相关性运算；)()（nrnsi其他01)(Timi 优点： 扩频技术将秘密信息扩展到宽频信号，降低了秘密信息的能量密度，攻击者难以察觉； 提高了信号的抗干扰能力。量化索引调制 2001年由Chen和Wornell提出； 基本思想： 将秘密信息的可能值0、1看成不同的量化索引，每一个索引代表不同的量化器； 将音频分段，根据秘密信息选择不同的量化器对音频信号进行量化，得到隐藏有秘密信息的伪装音频； 秘密提取：用不同的量化器对收到的信号进行量化，比较量化后信号与收到信号的差异，差异小的量化器对应的

25、索引值为秘密信息的值。 抖动调制量化索引算法： 选取量化步长将音频信号分解成0、1区间集。 选取量化步长对欲量化的音频信号c进行除法，取整数商n=c/ ,余数为c-n ； 对音频信号进行量化，根据秘密信息位m的取值和待量化的音频信号c的值进行量化。 秘密信息位m由量化结果s所位于的区间确定，如果s位于0区间集，表示秘密信息0，否则表示秘密信息1.（3）变换域隐写算法DFT域隐写算法DCT域隐写算法DWT域隐写算法相位编码算法 人耳听觉系统对声音的相位不太敏感，可以利用相位编码方法通过改变音频相位代表秘密信息的0和1； 对载体信号c(n)分成L个等长的序列ci（n），对ci（n）进行DFT变换，

26、)(exp()()()(kkAncDFTkFiiii 秘密信息嵌入规则（修改相位）：12/02/)(1mmk 因为连续信号的相位变动容易被检测出来，需要保证嵌入秘密信息后相位差不变。.)()()()()()()()(23231212kkkkkkkk 秘密信息提取：对信号进行同步，DFT变换后提取初始相位，与参考相位比较。 缺点：当秘密信息的参考相位急剧变化时，会出现明显的相位离差； 改进：在相位值的改变点之间留有一定的间隔，使相位转换变得平缓。（4）压缩域隐写算法压缩域隐写算法类型主要的压缩域隐写算法 对MP3压缩过程的MDCT部分系数进行调制嵌入秘密信息； 基于Haffman编码的MP3隐写算法，在Huffman码字上嵌入秘密信息，容量大，计算量小。主要的音频隐写软件 Mp3Stego：嵌入与压缩过程同时进行； 鲁棒性较差，速度慢。（1）视频中的隐写流程（2）视频隐写术的特点不可感知性：视觉不可感知、统计不可感知；安全性：视频对于各种处理非常敏感（帧添加、帧丢失、帧平均）高容量：在视频中能够嵌入更多的消息；与视频编码标准相结合：在未压缩域嵌入消息，是利用冗余嵌入消息，视频编码是去冗余，会造成消息损失。（3）视频隐写术需注意的问题重点考虑在压缩域中嵌入秘密信息