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信息隐藏原理及应用 第2章信息隐藏基本原理 本章目标 在读完本章之后 你应该能够 1 理解信息隐藏的基本原理 2 了解隐写系统的分类 3 理解一般的数字水印系统 4 理解隐写术的主要术语和基本分类 5 理解数字水印技术的主要术语和基本分类 信息隐藏技术是近几年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域 特别是在网络技术迅速发展的今天 信息隐藏技术的研究更具有现实意义 目前 为保证数据传输的安全 需要采用数据传输加密技术 信息隐藏技术 数据完整性鉴别技术 为保证信息存储安全 必须保证数据库安全和终端安全 信息安全的研究包括两个主要研究方向 信息加密与信息隐藏 在信息安全的研究理论体系和应用体系中 密码技术已经历了长期的发展 形成了较完整的密码学理论体系 有一系列公认的 经典的 可靠的算法 然而 在现代信息科学技术的条件下的信息隐藏 虽然可以追溯到公元前 但其完备的理论体系还尚未建立 在本章中将详细地阐述信息隐藏的基本术语 基本原理的分类等基础知识 2 1信息隐藏的基本原理与分类 LisaM Marvel博士于1999年提出了SSIS spreadspectrumImagesteganogrphy扩展频谱的图像信息隐藏中阐述了信息隐藏的基本原理 那就是先将秘密信息嵌入到噪声信号中 然后再随噪声信号嵌入到数字图像中 因为数字图像中存在着噪声信号 如果噪声的容量不大 在没有原始图像比较的情况下 一般人类视觉和计算机统计分析都无法感知到秘密消息的存在 这样隐写就成功了 在提取秘密信息时 需要图像恢复和差错控制编码技术 前者得到原始图像的近似估计 并对嵌入的秘密信息容量进行估计 然后根据相应的算法进行提取 这种方案的位错率较高 所以必须对秘密信息也进行低比率差错编码 才能较完善地提取秘密信息 目前 隐写术的基本原理可以概括为 首先 对欲嵌入的秘密信息进行预处理 预处理包括加密 编码然后生成伪随机数 然后将预处理后的秘密信息根据相应的嵌入算法嵌入到载体中 载体可以包括文本 图像 语音和视频等多种格式的多媒体 然后在通信中可以使用隐蔽信道进行通信 最后在提取中根据相应的提取算法和密钥提取秘密消息 这样 就可以达到三层安全 对相应的嵌入算法和提取算法都要分析不可感知性 容量和鲁棒性三者之间的关系 理论上使三者之间平衡并性能达到最佳 图2 1信息隐藏主要分支 信息隐藏的主要分支如图2 1所示 根据分类的依据不同 可以将隐写术分为以下几类 可以按隐写系统结构分类 分为纯隐写术 密钥隐写术和公钥隐写术 按隐写空间分类 可以分为空域隐写 变换域隐写 按隐写载体分类 可以分为文本隐写 图像隐写 语音隐写 视频隐写和二进制隐写 首先 分析理论上完美的隐蔽通信 隐写术将包含在其中 为了透彻地阐明这个概念 假设有三个人分别为Alice Bob和Denmy Alice想发送秘密信息 M 给Bob 使用无害消息作为载体 C 然后秘密消息嵌入到C中形成伪装载体 伪装载体将发送给Bob并且没有引起任何怀疑 这是纯隐写的过程 或者 Alice使用隐写密钥 stego key K 将秘密消息 M 嵌入到载体 C 中生成伪装载体 S 然后Alice将伪装载体 S 发送给Bob而没有引起Denmy的任何怀疑 而Bob能够阅读秘密信息 因为Bob有相同的隐写密钥 stego key K 但在通信双方必须对密钥进行协商 达成一致后 双方能才进行通信 这是密钥隐写过程 如果在这个过程中Alice在嵌入秘密信息时使用的是公钥 而Bob在提取信息时使用的是与公钥为一对密钥的私钥 那么这是公钥隐写过程 在公钥体制中 为了防止篡改 必须要借助于证书体系 来验证公钥 无论是哪种秘密通信 从理论上隐蔽通信是很完美的 就如FabienA P Petitcolas所指出的 ina perfect system anormalcovershouldnotbedistinguishablefromastego object neitherbyahumannorbyacomputerlookingforstatisticalpatterns 也就是说 在完美的系统中 无论是人或者计算机通过统计分析都不能区分出是一般载体还是伪装载体 但在实际中 情况并非总是这么完美 为了将秘密消息嵌入到载体中 载体必须包含足够的冗余数据或噪声 这是因为隐写术的嵌入处理过程实际上是使用秘密消息替换这些冗余信息 隐写术的框架如图2 2所示 2 1 1纯隐写术 密钥隐写术和公钥隐写术 图2 2隐写术框架数学上发送方嵌入的过程和接收方提取的过程都可以通过映射描述 前者为 后者为 而且 其中 E为嵌入过程 D为提取过程 C为载体 M为秘密信息 下面分别介绍纯隐写 密钥隐写和公钥隐写术 纯隐写的文字定义为 asteganographicsystemthatdoesnotrequiretheexchangeofaciphersuchasastego key 也就是说 一个不需要交换隐写密钥的隐写系统 这种类型的隐写安全性最低 因为在这种隐写中 通信双方只能假定没有任何第三方能察觉发送的秘密消息 但是使用开放的环境 如在互联网上 这种情况绝对不会发生 网络上的任何通信都可能被第三方截获 如果使用纯隐写 秘密消息被隐写分析出来的可能性最高 因为只要第三方知道嵌入算法 就可以提取出相应的秘密信息 纯隐写系统的数学定义如下 定义1 纯隐写系统 对一个四元组 C是所有随机选择的载体的集合 M是所有可能嵌入的秘密信息的集合 且满足 是嵌入函数 是提取函数 对和 恒有D E cm m则称该四元组为纯隐写系统 纯隐写系统的原理图如图2 3所示 图2 3纯隐写系统原理图 密钥隐写系统文字定义为 asteganographicsystemthatrequirestheexchangeofasecretkey stego key priortocommunication 也就是说在双方进行秘密通信前 需要双方隐写系统交换密钥 密钥隐写使用密钥将秘密消息嵌入到载体信息中 只有知道密钥的人才能执行相反的过程 在载体中提取秘密消息 与纯隐写不同 纯隐写通信中就像存在一条无法感知的通信信道 而密钥隐写需要交换密钥 这就可能引起第三方的截获或怀疑 而密钥隐写的优势在于即使隐写消息被截获 只有知道密钥的用户才能提取秘密信息 密钥隐写系统的数学定义是一个五元组定义 密钥隐写系统 对一个五元组 C是所有随机选择的载体的集合 M是所有可能嵌入的秘密信息的集合 K是所有可选择的密钥的集合 且满足 是嵌入函数 是提取函数 对 和 恒有D E cm m则称该五元组为密钥隐写系统 因为密钥的算法和生成有经典的密码学作基础 在此就不再多讨论 这已经超出了本文的范围 公钥隐写采用公钥加密 公钥隐写定义为 asteganographicsystemthatusesapublickeyandaprivatekeytosecurethecommunicationbetweenthepartieswantingtocommunicatesecretly 也就是说 隐写系统需要使用公钥和私钥来确保双方间通信的隐蔽性 发送方在嵌入处理过程中将使用公钥进行 而只有在拥有了私钥的接收方才能解密并提取秘密信息 公钥和私钥是同时生成的 在数学上有直接的联系 公钥体系有广泛的使用基础 也是一种很成熟的技术 在目前都借助于国际认证的CA颁发的数字证书来验证 公钥可以在网上公开发行 私钥由申请证书的用户收藏 用公钥加密的信息 只有私钥能解开 而用私钥加密的信息 也只有公钥能解开 在隐写术中使用公钥这项技术 无疑推动了隐写术更加广泛的使用 在公钥为基础的隐写术中 能达到几层安全 首先第三方必须怀疑已经使用了隐写术 然后必须使用公钥体系来发现相对应的破解算法 然后才能提取秘密消息 这种处理方式的隐写在三种方式中是最为安全的 因此 隐写术并没有脱离加密技术 它们可以说是孪生兄弟 所以两种技术的结合 可以使双方的优势互补 不同之处在于密钥 Key 的不同 密钥隐写和公钥隐写的原理图如图2 4所示 图2 4密钥和公钥隐写原理图关于空间域和时间域的隐写 我们将在第4章中详细介绍 下面介绍另外一种根据载体不同而进行分类的隐写 2 1 2文本 音频 图像的隐写 目前隐写术使用的载体分别为文本 音频 图像和视频以及相应的二进制多媒体 下面分别介绍在各种载体中隐写术实现的基本原理 首先介绍如何在文本中隐藏秘密信息 给秘密信息编码并嵌入到文本文件中 这是一项具有挑战性的工作 因为文本文件中可供秘密信息替代的冗余数量有限 另外一个显著的缺点就是在第三方改变文本 或者将文本转换成其他格式 如从 txt到 pdf 时 基于文本的隐写就会被发现 导致隐写失败 但是还是有许多方法来完成文本中的隐写 下面介绍比较流行的编码方式 行移编码法 line shiftencoding 调整文本文件中的垂直行距来隐藏信息 具体的是选择特定的段落 将其行距作垂直的上或下调整 根据人类视觉的特点 行距值必须在3cm以下才能不被察觉 字移编码法 word shiftencoding 它的使用方式与行距调整方式相同 在此使用文件中的水平方向位置来嵌入秘密信息 具体的是选择单个字进行左右调整 然后嵌入秘密信息 字距调整法的隐蔽性比行距调整法强 但它需要文本的格式支持变化的字间距 特征编码法 featurespecificencoding 它是通过改变特定文本的属性来嵌入秘密信息的编码 如每个字符水平 垂直的长度 这是最难被第三方察觉的编码 因为对每种类型格式的文件都有许多特征可以改变用于为秘密消息编码 但使用时要注意字体等特性的修改文件内容是否改变等 上述介绍的三种方法都需要源文件或者源文件的格式才能在接收方进行解码 因为基于文本的隐写很容易被觉察 所以文本中的隐藏目前使用受到限制 下面介绍比较常见的图像为载体的隐写 将秘密信息编码嵌入到数字图像中是目前使用最广泛的一种隐写 因为它利用人类视觉 HumanVisualSystem HVS 有限性的特性 就是说对数字图像的某些区域 人类视觉不敏感 并且图像中发生微小变化 人眼看不到改变等 绝大多数的文本 图像或密文及其他任何形式的媒体都可以生成比特流嵌入到数字图像中 随着数字图像广泛的使用 载体为数字图像的隐写也在持续增长 以图像为载体的隐写系统如图2 5所示 图2 5图像为载体的隐写系统 对于计算机 图像就是用许多代表亮度的像素的阵列组成 这些像素组成了图像的光栅数据 当使用图像做为隐写术的载体时 通常使用8位或者24位的图像 每种载体都有其优势和劣势 8位图像因为其相对较小的尺寸正在广泛使用 但是缺点是在编码中它可以使用的位数只有256位 通常 当处理8位图像 如 gif 都使用灰度图像调色板 因为这类图像颜色上的逐渐变化在源图像和嵌入秘密信息的伪装图像之间很难进行区分 24位图像更适合用于隐写 它可用于编码的位数超过了1600万 这个数字远远超出了人的视觉范围 这就使人很难觉察到秘密消息的存在 另外一个优势在于嵌入的秘密消息的容量可以增大 也就是说可以比8位图像嵌入更多的秘密消息 当然 所有嵌入信息容量都要比载体小 但8位通常嵌入的信息量使用的单位是KB 而24位图像使用的是MB 但是图像太大 又不利于在Internet上传输 所以在数字图像中广泛使用着两种压缩技术 有损压缩和无损压缩 有损压缩 如JPEG 经常用于24位图像来减小它的大小 但是对于伪装图像 经过有损压缩之后 嵌入的秘密信息也可能丢失 因为秘密信息是替代图像的冗余部分 所以可以去掉 而无损压缩 对源图像没有任何损失 这也是隐写选择无损压缩的原因 如对 bmp和 gif格式的图像 但这种压缩并不能很好地减小图像的大小 隐藏信息的大小必须比图像小 而像素多少代表了文件大小 通常图像都为640 480像素 数据大小为307200比特 通常高质量的24位的图像大小是1024 768 数据大小为2359296比特 24位的图像可以在每个像素中嵌入3位数据 由于它使用像素中的每个像素的三位来表示颜色值 GIF文件通常使用8位调色板 因此只能表示256种颜色 JPEG文件通常使用24位调色板 而BMP图像可以使用8位也可能使用24位调色板 24位图像为隐藏信息提供了更大的可选空间 图像一般都使用许多中间色或者许多过渡 由于图像的这种特性 许多信息都可以隐藏到图像中 并且嵌入信息的图像变化人眼是不能觉察的 在图像嵌入编码中 经常使用最低有效位法和伪装与过滤技术 LSB使用图像中的每个像素来隐藏信息 对于24位图像 可以选择每个像素中的3位做为隐藏位 对于8位图像 每像素中使用1位来隐藏数据 由此可见 24位图像可以隐藏更多的信息 但是根据载体图像的彩色调色板 如果每像素嵌入2位最低有效位 人类视觉还不能分辨源图像和伪装图像的差异 这种技术存在的问题是当图像或图像格式发生改变时 隐藏失败 对于伪装和过滤技术更多用于有损压缩技术 这种技术实质是扩展了图像 将秘密信息伪装成图像的数据 使之成为源图像的扩展部分 一些专家指出 这是一种很好的信息隐藏技术 但不属于技术隐写 这种技术就是鲁棒性非常出色 另外 在隐写过程中 还会使用许多复杂的算法 图像传输技术和图像加密技术 将在后面的章节中进行介绍 2 13音频中的隐写 音频中的隐写是根据人类听觉系统 HumanAuditorySystem HAS 来进行的 因为众所周知 对相同频率的音频信号 人与人之间的敏感度有很大差异 所以在隐写术中对音频进行编码是具有挑战性的一项工作 听觉系统中存在一个听觉阈值电平 低于这个电平的声音信号就听不到 听觉域值的大小随声音频率的改变而改变 各个人的听觉域值也不同 大多数人的听觉系统对2kHz 5kHz之间的声音最敏感 一个人是否能听到声音取决于声音的频率 以及声音的强度是否大于该频率对应的听觉阈值 因为人类听觉系统是一个动态的范围 Boney等人根据人类听觉系统的这一特性 将秘密信息隐藏到强度较弱的频率中 也就是说 某段声音频率的强度之上 人能听到 这一强度之下 人就不能听到这段声音 那么 就可以将相应的时间轴上的信号转换到频率轴上 计算出各频率的强度 然后将秘密信息嵌入到比这些频率强度低的各频率中去 根据听觉掩蔽特性 也就是说声音的响度不仅取决于自身的强度和频率 而且也与同时出现的其他声音有关 各种声音可以互相掩蔽 一种声音的出现可能使得另一种声音难于听清 一种频率的声音阻碍听觉系统感受另一种频率的声音的现象称为掩蔽效应 前者称为掩蔽声音 maskingtone 后者称为被掩蔽声音 maskedtone Flanagan等人则是根据人对音强敏感度不同 将秘密信息加载在到较高强度的不同比特中 频域掩蔽 也就是说一个强纯音会掩蔽在其附近同时发声的弱纯音 这种特性称为频域掩蔽 例如 同时有两种频率的纯音存在 一种是1000Hz的声音 60dB 另一种是1100Hz的声音 42dB 在这种情况下 1100Hz的声音就听不到 弱纯音离强纯音越近就越容易被掩蔽 不同纯音的掩蔽效应曲线 例如在250Hz 1kHz 4kHz和8kHz纯音附近 对其他纯音的掩蔽效果最明显 低频纯音可以有效地掩蔽高频纯音 但高频纯音对低频纯音的掩蔽作用则不明显 Gruhl则根据这一特性 利用不同长度的回音 先计算声音的延迟 然后生成回音 然后对回音进行处理 使其强度低于人能听到的范围 然后将源音乐划分成数个时间区 把回音加到各个区段中 在使用的音频格式中有三种主要的数字格式 取样量化 samplequantization 临时采样率 temporalsamplingrate 和知觉采样 perceptualsampling 像WAV和AIFF格式这样广泛使用的音频使用的就是16位线性采样结构的取样量化 临时采样率通常用于可选的通常在KHz的频率段进行采样 通常采样率越高 可以使用的用于隐藏信息的空间越多 知觉采样很大地改变了音频的格式 它只对可听到的音频部分进行编码 这种编码虽然音频还在 但改变了信号 这种格式在Internet上广泛使用如MPEG MP3 对于音频的传输介质 W Bender指出需要遵循以下四点 从一端到另一端的传输过程中 数字信号没有改变 提高 降低采样频率是可以的 但必须保留所有数字信号 当重采样时 不同采样频率的信号也随之变化 通过空气传输时 应以无线电频率传送 在音频的隐写中使用三种很流行的编码 最低位编码 low bitencoding 相位编码 phase encoding 和扩频 spreadspectrum 最低位编码是将秘密消息嵌入到音频文件的最低有效位中 信道容量是1KB每秒每KHz 也就是说 44KB s对应着44KHz的采样序列 这种方法虽然很容易实现 但是当信道噪声增加或重新采样时 很容易造成数据损失 相位编码用表示隐藏数据的相位来代替源音频文件的相位 常用的有离散傅立叶变换 DiscreteFourierTransform DFT 扩频几乎对所有频谱都进行编码 然后将音频通过不同的频率进行传输 直接序列扩频 DirectSequenceSpreadSpectrum DSSS 是这样一种技术 用高速伪随机码将传输信息所需带宽加以展宽的一种扩频技术 若传送的信码速率为Rb 用速率为Rc MRb伪随机码与传送信码作模二加后 再进行相移键控 频带就展宽M倍 将信号功率分散到很宽频带内 类似于噪声 不易被发现 对其他通信系统的影响也小 扩频用于音频中的隐写相对比较安全 但它相对于原音频而言 引进了噪声 这样可能引起数据的丢失 在Internet网上 每个站点几乎都有音频媒介 秘密信息可以嵌入这类媒体 最流行使用的媒体的格式是 wav和 mp3 下面是将密钥嵌入到 wav和 mp3音频文件的示例 分别如图2 6 a 和 b 所示 图2 6 a wav文件嵌入密钥前后的文件图2 6 b mp3文件和嵌入密钥前后的文件 2 2信息隐藏的主要术语 在本节中 将根据信息隐藏的分类对信息隐藏的术语进行归纳和总结 以期达到一致 信息隐藏 informationhiding 作为信息安全的一个重要分支 主要是将秘密信息嵌入到其他载体中不让未授权的第三方察觉的一门学科 也就是说将秘密信息嵌入到多媒体数字信号本身所存在的冗余中 而且不影响载体信号的感觉效果和使用价值 它主要包括隐写术 数字水印 隐蔽通道 匿名通信等分支 一般而言 信息隐藏技术的研究及应用主要是指隐写术和数字水印两个领域 匿名通信 anonymouscommunications 匿名通信定义了一个经过多个中间结点转发数据的多级目标路径 为隐蔽接收者 发送者可选定N个连续目标 其中之一为真正接收者 窃听者在一段链路上获取真正接收者的概率为1 N 并且中间结点在传送消息时可采取重新排序 延迟和填充手段使获取真正目标的概率更低 从而加大攻击者进行流量分析的难度 并且所选目标能可靠地完成上述工作且彼此间存在安全通道 中间结点必须知道整个路径结构才能重新排序 信息隐藏中的匿名技术就是设法隐藏消息的来源 即隐藏消息的发送者和接收者 例如 收发信者通过利用一套邮件转发器或路由器 就能够实现掩盖消息痕迹的目的 只要这些中介环节相互不串谋 因此 剩下的是对这些手段基础的信赖 需要注意的是 不同的情况取决于谁要 被匿名 是发信者 还是收信者 或是两者皆要 网上浏览等将问题集中于收信者的匿名 而电子邮件用户关心的是发信者的匿名 隐蔽信道 covertchannel 是指这些通道一般被运用于不可信程序 当对别的程序执行操作时 将有关信息泄露给不可信程序的拥有者 而不是指这些信道平时是隐蔽的 不可见的 因此 我们称之为隐蔽信道 隐蔽信道一般存在于多级保密系统的背景之中 在操作系统中隐蔽信道是指使两个共同执行的进程 以违反系统安全策略的方式传输通信信道 隐蔽信道分为隐蔽存储信道 covertstoragechannel 和隐蔽定时信道 coverttimingchannel 和阈下信道 前两种是常指的隐蔽信道 隐蔽存储信道是采用特殊的编译码方式使不合法的信息流逃避常规的安全控制机构的检测来实现 如在操作系统中是指由一个进程直接或间接写一个存储地址 而由另一个进程直接或间接读一个存储地址的隐蔽信道 隐蔽定时信道是利用时间轴上的事件序列进行编码来实现 在操作系统中一个进程通过调整自身对系统资源 例如CPU时间 的使用 向另一进程发送信息 阈下信道是指基于公钥体制的数字签名 认证应用等输出密码数据建立起来的一种隐蔽信道 除接收者之外 其他第三方均不知道密码数据中是否有阈下消息的存在 隐写术 steganograhpy 就是将秘密信息嵌入到载体中 而使伪装载体在人类视觉以及计算机分析时秘密信息不被发现 并且源载体与伪装载体之间差异很小 一般感觉不到载体的变化 一般把隐写术分为技术隐写 语义隐写 现在的隐写术主要利用高空间频率的图像数据隐藏信息 采用最低有效位方法将信息隐藏到宿主信号中 使用信号色度隐藏信息方法 在数字图像的像素亮度的统计模型上隐藏信息的方法 patchwork方法等 数字水印 digitalwatermarking 数字水印主要是向被保护的数字对象嵌入某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的信息 目前主要有两类数字水印 一类是空间域数字水印 另一类是频率数字水印 空间数字水印的典型代表是最低有效位算法 其原理通过修改表示数字图像的颜色或颜色分类的位平面 调整数字图像中感知不重要的像素来表达水印的信息 以达到嵌入水印的目的 频率数字水印的典型代表是扩频算法 其原理是通过时频分析 根据扩展频谱特性 在数字图像的频率域上选择那些对视觉最敏感部分 使修改后的系统隐含数字水印信息 秘密信息 embeddeddata 欲嵌入的信息 秘密信息是指掩藏在公开信息中的保密信息 也即发信者真正想要发送给收信者而又不想让未授权第三方知道的信息 载体 cover 是指秘密信息嵌入的对象 也就是用于容纳秘密信息的载体 伪装载体 stego object 将秘密信息嵌入到载体之后形成的目标载体 称为伪装载体 也就是说 此时秘密信息已经隐藏在载体之中 伪装密钥 stego Key 无论使用私钥或者公钥体制 都可以使用密钥对嵌入的秘密信息进行加密处理来多层保护欲隐藏的信息 隐写分析者 steganalyst 隐写分析者就是检测分析隐蔽信息存在的真实性并通过各种隐写分析手段得出隐藏的秘密信息 隐写分析者分为主动攻击者和被动攻击者 主动攻击者不仅要检测嵌入秘密信息的存在 并且要破坏秘密信息甚至在检测出的秘密信息中嵌入自己的信息 而被动攻击者只是检测分析秘密信息是否存在 被保护信息 coverdata 数字水印技术中的伪装载体虽然也作为掩护水印信息 但它主要目标是保护水印信息 水印密钥 watermarkingkey 控制水印嵌入隐藏过程的密钥 水印密钥空间需足够大 而且分布比较均匀 即使第三方知道了水印嵌入算法的全部细节 但不知道秘密密钥 就不能将水印提出或破坏 水印体制的商业应用 其算法必须公开 所以数字水印算法的安全性完全取决于密钥 而不是以算法的保密来取得安全性 为了给攻击者增加去除水印的难度 目前大多数水印制作方案都在加入 提取 检测时采用了一个或多个密钥 做到只有掌握密钥的人才能读出 提取水印 含水印信息 watermarkeddata 被水印标注了的数据 攻击者 attacker 数字水印攻击者的目的是检测出数字水印的存在事实 在不可感知水印中 并破坏水印信息 其侧重点是盗用 破坏 删除 修改水印信息 数字水印的攻击者一般为主动攻击者或恶意攻击者 其主要攻击行为是检测数字水印的存在事实 在不可感知水印中 并盗用水印信息 盗版 破坏 删除 修改水印信息及加入自己的水印信息 在上述的常见术语介绍完成之后 还需要介绍信息隐藏的问题空间 因为信息隐藏的问题空间最终可以归纳为容量和不可感知性之间的关系 为了防止载体信号的质量下降 信息隐藏算法不能嵌入大量的隐藏信息 而大量信息的引入必然增加对原载体内容的更改 必然造成不可感知性的下降 而鲁棒性和不可感知性也存在着这样的矛盾性 所以对嵌入率或者对格式的更改都有严格限制 当容量增加 不可感知性必然有不同程度的下降 而不可感知性的增强 必须造成容量的下降 所以这几个方面都限制着信息隐藏的处理过程 即要考虑隐藏数据的数量 又要使嵌入的数据使载体图像不失真 并且隐藏的数据必须达到不可感知性 对第三方的剪切 修改或删除等具有鲁棒性 在分析这一问题之前 先介绍一下相关的几个特性 鲁棒性 robustness 是指数字水印中被保护的信息经过某种改动后 比如传输 过滤操作 重新采样 编码 有损压缩等 嵌入的信息应保持其完整性 不能被轻易地去除 并以一定的正确概率被检测到 当有敌意的第三方试图通过某些处理 去除或修改嵌入的信息时 只会引起被保护信息的明显改变 从而提醒合法的所有者或使用者 达到对信息的保护作用 不同的水印应用对鲁棒性要求不一样 一般都应能抵抗正常的图像处理 如 滤波 直方图均衡等 用于版权保护的鲁棒水印需要最强的鲁棒性 需要抵抗恶意攻击 而易损水印 注释水印不需抵抗恶意攻击 不可感知性 imperceptibility 是指嵌入秘密信息后的伪装载体应不使源载体质量显著下降 并且视觉效果也无明显变化 从信号处理的角度看 水印的鲁棒性和不可感知性是相互矛盾的 但是这种技术是有可能的 因为人类的感觉器官并不是十分精密的系统 所谓的不可感知性不是绝对的 而是相对的 只是针对人的主观感觉而言 不使人的视觉 听觉等器官感受发生变化 就是不可感知的 2 3数字水印系统构成与分类 在知识产权保护中应用最广泛的就是数字水印系统 它能提供所有者的身份 能进行所有权验证 并能对操作进行跟踪 例如DiVX公司生产的DVD播放器的安全技术之一就是使用了操作跟踪的设计水印 数字水印还能对内容进行认证和拷贝控制 由于数字水印与隐写术一样均属于信息隐藏领域的分支 有共享的技术 但两者之间存在着差异 在本节中主要针对数字水印这一分支的构成原理及特性进行分析和介绍 数字水印 digitalwatermark 技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记 这种标记通常是不可见的 只有通过专用的检测器或阅读器才能提取 数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向 嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印 1 隐蔽性在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质 并且不易被察觉 2 隐藏位置的安全性水印信息隐藏于数据而非文件头中 文件格式的变换不应导致水印数据的丢失 3 鲁棒性所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后 数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别 可能的信号处理过程包括信道噪声 滤波 数 模与模 数转换 重采样 剪切 位移 尺度变化以及有损压缩编码等 在数字水印技术中 水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾 从主观上讲 理想的水印算法应该既能隐藏大量数据 又可以对抗各种信道噪声和信号变形 然而在实际中 这两个指标往往不能同时实现 不过这并不会影响数字水印技术的应用 因为实际应用一般只偏重其中的一个方面 如果是为了隐蔽通信 数据量显然是最重要的 由于通信方式极为隐蔽 遭遇敌方篡改攻击的可能性很小 因而对鲁棒性要求不高 但对保证数据安全来说 情况恰恰相反 各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险 所以鲁棒性是十分重要的 此时 隐藏数据量的要求居于次要地位 图1 1原始图像图1 2嵌入密钥的图像 1 3数字水印概述 水印可以追溯到德语词汇 wassermarke 纸水印在1282年出现在意大利 这些最早的水印是通过纸模中加细线模板制造出来了 在有细线的区域 纸更透明更薄 早期的功能是识别纸的制造商 到18世纪 欧洲和美国制造的产品中 纸水印用于纸币和其他文件的防伪 对于数字水印 DigitalWatermarking 不同的人有不同的理解 但一般而言数字水印就是不可觉察地将秘密信息嵌入载体信号来传送秘密数据 将信息嵌入到其他对象 信号的过程称为嵌入水印 数字水印经常用于版权保护和拷贝保护 其主要应用于图像 视频的版权保护 其中拷贝保护是指限制或禁止未授权的保护 拷贝保护的最好例子是加密的数字TV广播 通过使用许可服务器和访问控制来保护软件的合法使用 版权保护是将版权信息插入到数字对象而对数字对象的质量没有任何损害 当产生数字对象的版权纠纷时 可以从数字对象中提取嵌入信息来证明数字对象的所有者 它可以广泛用于未授权复本的追踪 关于水印最原始的论文是在13世纪 由于许多摄影师并不十分信任非可见水印 所以目前的可见水印都是将自己独特的标识直接嵌入到载体之上 在17世纪 法国ClaudeLorrain引入了水印方法来保护自己的版权 在1710年英国引入了版权法 我们可以通过一个例子来说明如何进行版权保护 Alice是版权的所有者 它将自己的水印信息嵌入了载体对象 锁定了原载体并开始销售带有水印的图像 Bob试图将自己的水印嵌入到Alice处理过的伪装载体 然后锁定再次嵌入水印的图像并进行销售 为了证明图像的所有者 Alice和Bob都能提取相应的水印来证明自己是拥有者 从前面的叙述中可知 Alice的销售图像中只拥有自己的水印 而Bob销售的图像中还包含Alice的水印 这是否就可以表明 Bob不是销售图像的所有者 但是 情况并非如此简单 在各种不同的水印方案中 Bob可以在Alice原销售图像中也加入自己的水印 使问题混淆 这种攻击称为倒置攻击 inversionattack 或死锁攻击 deadlockattack 版权保护是需要设计相应的安全协议来针对此类情况进行保护的 但到目前为止还没有开发这样的安全协议来解决上述问题 下面给出数字水印的例子 第一个例子是可见水印 如图1 3所示 可见水印一般是强鲁棒性水印 一般用于保护图像的所有者的版权 2 3 1数字水印系统 数字水印技术是指将特定的信息 像所有者 商标 数字签名嵌入到载体中 来证明对载体的所有权等 载体信息可以是任何多媒体数据 数字水印系统包括水印的嵌入和检测 提取过程 数字水印系统的一般构成如图2 7所示 图2 7 a 为水印嵌入 功能是将水印嵌入到载体数据中 图2 7 b 为水印检测 功能是判断是否含有指定的水印并对水印可信度进行测量 a 嵌入水印 b 水印检测图2 7数字水印的一般系统 在数字水印的一般系统中 可以将数字水印统一表示为 表示水印域 典型水印模型可以用六元组表示 表示载体 即被保护多媒体 的集合 是水印的集合 是水印密钥的集合 表示用密钥与载体生成的水印的算法 水印嵌入算法我们在第6章中将详细讲解 表示将水印嵌入的算法 一般还可以描述为 也就是嵌入有加法规则和乘法规则 为检测算法 可以用二值判定来判断水印的有无 2 3 2数字水印 隐写术与加密术的区别 加密是保护消息的内容 隐写术是隐藏信息的存在 我们在1 2节中已经详细讨论了隐写术 而水印非常强调针对各种攻击所具有的鲁棒性 而且并不总是将版权水印进行隐藏 有时一些数字水印系统使用的是可见数字水印 但通常指的水印都是不可见水印 不可见水印应用的范围非常广泛 常见的可见水印一般都是视觉模式 如公司标识或版权标记出现在数字图像之上 来指明数字图像的所有者 数字水印和隐写术作为信息隐藏的最重要的两类应用 可以使用相同的技术但也存在着差异 针对隐藏目的而言 数字水印是为了证明载体的版权所有或验证其完整性 隐写术则是为了将隐体信息通过公开的载体信道秘密传递给接收方 针对载体和隐体而言 数字水印的载体是特定的数字作品 隐体是特定的版权标识或作品摘要 二者对攻击者而言目标是确定的 隐写术的载体是类似随机的 越普通越具有隐匿性 而且隐体的类型是不确定的 针对保护对象而言 数字水印中隐体的存在是为了保护载体 隐写术中 载体的存在是为了掩护隐体信息的传输 针对隐藏方法而言 鲁棒性数字水印要求隐体的嵌入是鲁棒和难以去除的 信息隐匿则只要能保证其隐秘和安全 不关心鲁棒性 针对隐藏时效性而言 数字水印要求隐体的存在是长效的 而隐写术则只要求隐体在隐匿通信过程中存在即可 基本是一次一隐 针对隐藏容量而言 数字水印只要能证明版权或验证完整性即可 对容量要求不大 而隐写术可能需要传输的是电子文档或军事情报 容量要求较大 针对提取要求而言 数字水印允许一定的误差存在 隐写术则因为隐体信息的重要性 不允许有任何提取错误发生 2 3 3数字水印的分类 针对于各种不同类型的水印技术 数字水印的分类方式有许多种 因为数字水印系统涉及不同的领域 主要是信号处理和计算机安全 和背景 所以可以按照嵌入的载体 嵌入的方法 算法的鲁棒性 嵌入水印是否可见 嵌入水印个数的多少 嵌入算法是否可逆或无损等不同指标进行分类 数字水印依据所嵌入的载体进行分类 主要分为图像水印 音频水印 视频水印和文本水印等 按照水印嵌入域 数字水印可分为空域水印 变换域水印和压缩域水印 按水印抗攻击能力分类 图像数字水印可分为 鲁棒性水印 脆弱性数字水印 半脆弱性水印 按嵌入的方法可以分为全盲水印 半盲水印和非盲水印 按嵌入的水印是否可见 可分为可见水印和不可见水印 按水印是否可逆 可分为可逆水印和不可逆水印 按水印是单个还是多个 可分为多重水印和单水印 按照所选水印的意义 可分为无含义水印和有含义水印 另外还有公开水印 私密水印和对称水印 这种分类方式是根据在嵌入阶段 生成随机序列时所采用的Key类型不同而划分的 如是公钥则称为公开水印 如是私钥则称为私密水印 如果采用的是对称密钥 则称为对称水印 因为使用不同的技术和算法 所以水印的分类大致如上所述 下面介绍数字水印的特性 2 3 4数字水印的特性与术语 数字水印系统一般要具有一定的特性才能保证数字产品版权保护和完整性鉴定 数字水印系统一般的特性如下所述 1 不可觉察性 imperceptibility 在数字水印中 很注重高保真度 也就是说嵌入水印的载体与原始载体必须非常接近 水印的嵌入不能引起宿主媒介质量的很大变化 2 鲁棒性 robustness 并不是所有的数字水印系统都要求这个特性 只有鲁棒性水印系统要求 将对宿主进行空间滤波 有损压缩 打印 扫描以及旋转 平移等各种操作时 水印不会去除 3 安全性 security 数字水印系统应该对非法提取具有很强的免疫力 对抗未授权的删除 嵌入和检测 从而保护数字产品 一般都使用密码术的经典算法来保证密钥的安全 4 密钥的唯一性 不同的密钥应产生不同的水印 5 嵌入的有效性 嵌入的水印能提取出来的概率 6 虚警率 实际不含水印的产品检测出有水印的概率 数字水印系统中常用的术语如下所述 1 宿主信号 cover signal 也就是想嵌入秘密信息的载体信号 一般指音频 图像 视频等可视信号 2 水印 watermark mark 加入到宿主信号中的秘密信息 3 有效载荷 payload 指在单位时间内水印编码的比特数 4 水印访问单元 watermark access unit 宿主信号中的最小部分 在这个单元可以可靠地检测并提取有效载荷 5 容量 capacity 水印访问单元能负载的有效载荷的比特数量 6 水印方案 watermarking scheme 嵌入和提取所需要的算法集合 7 嵌入密钥 embedding key 嵌入标识所使用的密钥 8 提取密钥 extraction key 用于检测或提取水印的密钥 对称水印算法在嵌入和提取时需要相同的密钥 不对称水印算法使用私钥嵌入水印信息 使用公钥提取水印 同时通过公钥不能计算出私钥 9 非盲方案 non blindscheme 是指在从测试宿主信号中提取水印时 需要提取密钥和原不含水印宿主信号的方案 10 半盲方案 semi blind scheme 是指在从测试宿主信号中提取水印时 需要提取密钥但不需要原不含水印宿主信号的方案 11 盲方案 blindscheme 是指在从测试宿主信号中提取水印时 既不需要提取密钥 也不需要原不含水印宿主信号的方案 12 I类方案 type I scheme 这种方案是指检测器 提取器的输出是有效载荷或在被检测宿主信号中有意义的标识 13 II类方案 type II scheme 这类方案需要在检测信号时被嵌入水印的知识 这种方案只给出是否存在水印的结论 2 4本章小结 1 给出了信息隐藏的基本原理 并尽量将基本术语统一化 2 详细给出了隐写术的三个基本协议 3 根据不同的分类依据 介绍了各种载体的隐写过程 4 介绍了数字水印系统 区分了数字水印与隐写术之间的差异 5 给出了水印系统的特性 可以根据这些特性来判定相应的系统是否适用于具体的应用 2 5复习题 2 1隐写术的基本原理是什么 2 2信息隐藏的分支都包括什么 2 3你使用过信息隐藏吗 你想象的信息隐藏应具有哪些特性 2 4请描述一下数字水印系统 在现实生活中 你知道具体实用的数字水印系统吗 2 5数字水印与隐写术间存在哪些相似之处 又有什么不同 2 6数字水印都有哪些特性 与隐写术要求相同吗 2 7通过因特网 可以搜索到数字水印和隐写术的内容 有时间自学一下