第10章 信息隐藏及数字水印

第10章信息隐藏与

数字水印技术学习目标信息隐藏的工作原理及实现方法数字水印的应用及实现方法本章主要讲解信息隐藏技术和数字水印技术，介绍信息隐藏和数字水印的相关概念、应用、实现方法。2如何建立隐秘信道传输秘密信息？3目录10.1信息隐藏技术10.2数字水印技术410.1信息隐藏技术信息隐藏就是利用特定载体中具有随机特性的冗余部分，将有特别意义的或重要的信息嵌入其中掩饰其存在，嵌入的秘密信息称为隐藏信息，嵌入秘密信息后的载体称隐藏载体。510.1信息隐藏技术“囚犯问题”关押在两地的两个囚犯Alice和Bob，他们可以通过监狱看守进行正常的书信交流，而监狱看守者Willie则作为书信审核者（隐藏信息分析者），查看书信中是否有商议越狱等信息存在。此时A1ice和Bob的目的是利用隐写系统（书信中隐藏秘密信息）传输越狱计划，并使得看守者Willie无法轻易发现通信中的秘密，同时为防止因Willie对通信消息的轻微修改而导致隐藏信息的不可提取，隐写系统要求对小的变形具备一定的稳健性。610.1信息隐藏技术隐蔽性：透明性、不可见性，在特定载体中嵌入秘密信息后在不引起所嵌入信息质量下降的前提下，不显著改变隐藏载体的外部特征。不可检测性：指嵌入秘密信息后载体与原始载体具有一致的特性。鲁棒性：指不因隐藏载体（如图像）的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力，这里所谓“改动”包括传输过程中对载体进行的一般信号处理（如滤波、增强、重采样、有损压缩等）、一般的几何变换（如平移、旋转、缩放、分割等）和恶意攻击等。710.1信息隐藏技术自恢复性：指经过了一些操作和变换后，可能会使隐蔽载体受到较大的破坏，如果只留下部分的数据，在不需要宿主信号的情况，却仍然能恢复隐藏信息的特征就是所谓的自恢复性。安全性：指隐藏算法有较强的抗攻击能力，即隐藏算法必须能够承受一定程度的人为攻击，保证隐藏信息不会被破坏。810.1信息隐藏技术910.1信息隐藏技术图像中嵌入信息方法一般分为空域（或时域）方法及变换域方法。空域替换方法是用需隐藏的信息替换载体信息中的冗余部分。一种简单的替换方法就是用隐藏信息位替换载体中最不重要的位，将秘密数据转换成0、1比特流，然后将其藏入到图像时域数据的最低比特上。例如把一个灰度图像的某个像点的灰度值由190变成191，人的肉眼是看不出来的。信息嵌入过程，即选择一个载体元素子集，例如每个元素代表一个像点的灰度，然后在子集上执行替换操作，即把子集元素的最不重要位（如最低位）替换为隐藏信息位，提取过程直接提取隐藏载体集合元素对应的位。1010.1信息隐藏技术采用变换域技术，即在载体图像的显著区域隐藏信息，在伪装系统中，在信号频域中嵌入信息比在空域中嵌入信息具有更好的健壮性，能够更好地抵御攻击，如压缩、裁剪和一些图像处理。典型的变换方法如使用离散余弦变换（DCT）、小波变换等方法在图像中嵌入信息，变换可以在整个图像上进行，也可以对整个图像分块后操作。当然图像中能够隐藏的信息数量和可以获得的健壮性之间存在着矛盾。1110.1信息隐藏技术例如，使用DCT变换隐藏信息，DCT变换是著名有损数字图像压缩系统JPEG系统中使用的方法，JPEG首先将要压缩的图像转换为YCbCr颜色空间，并把每一个颜色平面分割成88的像素块，然后对所有块进行DCT变换。利用JPEG压缩过程隐藏信息时，每一块精确编码一个秘密信息位，如使用DCT变换中两个系数，确定系数在图像块中位置后，利用两个系数大小关系编码秘密比特位，如第一个系数大于第二个系数编码“1”，否则编码“0”，若系数关系不满足编码位要求，交换两个系数。12如何保护数字媒体版权？13目录10.1信息隐藏技术10.2数字水印技术1410.2数字水印技术数字产品具有易修改、易复制、易窃取的特点，因此，数字知识产权保护就成为基于网络数字产品应用迫切需要解决的实际问题。数字水印（DigitalWatermark）是指嵌入在数字产品中的、不可见、不易移除的数字信号，可以是图像、符号、数字等一切可以作为标识和标记的信息，其目的是进行版权保护、所有权证明、指纹（追踪发布多份拷贝）和完整性保护等。1510.2数字水印技术鲁棒性：指嵌入数字水印的媒体在受到无意损害或蓄意攻击后，仍然能够提取出数字水印，如加入图像中的水印必须能够承受施加于图像的变换操作（如加入噪声、滤波、有损压缩、重采样、D/A或A/D转换等），不会因变换处理而丢失，水印信息经检验提取后应清晰可辨。不可见性（透明性）：数字水印不应影响宿主媒体的主观质量，如嵌入水印的图像不应有视觉质量下降，与原始图像对比，很难发现二者区别。安全性：数字水印应能抵御各种攻击，必须能够惟一地标识原始图像的相关信息，任何第三方都不能伪造他人的水印信息。1610.2数字水印技术17图数字水印嵌入和检测模型10.2数字水印技术数字水印有多种分类方法，按照数字水印提取过程是否需要原始宿主的参与，可以分为秘密水印——检测水印时需要输入原始数据或原始水印，半秘密水印（半盲化水印）——不使用原始数据而使用水印拷贝检测水印，公开水印（盲化水印）——检测水印时不需要原始数据也不需要原始水印。按照水印的用途不同，可以分为文本水印、图像水印、音频水印和视频水印。按照数字水印自身类型分为有意义数字水印（如数字水印本身为有特定意义的图像）和无意义数字水印（数字水印本身为序列）。在版权保护领域，有意义数字水印更具有版权证明能力。1810.2数字水印技术按照数字水印嵌入方法不同，数字水印嵌入技术可以分为空域算法、时域算法、变换域算法和压缩算法。空域算法适用于图像、视频、文本、三维模型等载体，它将水印信息直接嵌入到图像的像素、视频的帧、文本的字符特征及字符间隙、三维模型的空间尺寸中。时域算法主要适用于音频数字水印，它将水印信息嵌入到音频时域采样中，如果将时间序列看成一个普通的维度，时域算法可以等价于一维空域算法。变换域算法将水印信息嵌入到音频、图像、视频等数字载体的变换域系数中。1910.2数字水印技术如何评价数字水印技术的优劣呢？一是鲁棒性，基于攻击测试评价，常见的对数字水印的攻击包括低通滤波、添加噪声、去噪处理、量化、几何变换（缩放、旋转、平移、错切等）一般图像处理（灰度直方图调整、对比度调整、平滑处理、锐化处理等）、剪切、JPEG压缩、小波压缩等。通常通过计算归一化相关度来度量提取出的数字水印和原始数字水印的相似程度，以此衡量数字水印的鲁棒性。二是不可见性，数字水印的不可见性有两个方面的含义，一方面指数字水印的不可察觉性，另一方面指数字水印不影响宿主媒体的主观质量。数字水印的隐蔽性一般用峰值信噪比PSNR来衡量。20小结本章介绍了信息隐藏技术和数字水印技术。信息隐藏技术用于在特定载体数据中嵌入秘密的隐藏信息，以求保密传输嵌入信息。数字水印技术也采用信息隐藏类似的技术，但目的是数字出版物版权保护。这两种技术都要求嵌入