数字水印与隐写术信息隐藏n隐写术（Steganography）/信息伪装n数字水印(Digital Watermark)第一部分 隐写术隐写术n隐写术( steganography) 一词来源于希 腊词汇stegons 和graph ia, 意即“隐藏 ”(cover ) 和“书写”(w rit ing) , 是一种保 密通信技术, 通常解释为把秘密消息隐藏 于其他信息当中, 其中消息的存在形式较 为隐秘。数字隐写技术的特性n无法感知：将资料隐藏至媒体后不可大幅度降 低原始媒体的质量，藏入的资料必须让人无法 察觉异样情况。换言之，隐藏的信息对原始掩 护媒体具有良好的透明性。n不可检测：利用隐写技术进行秘密通讯时，嵌 入的信息无法被察觉并不意味着绝对安全。例 如，当掩护媒体嵌入了信息后，其与内容相关 的固有特性可能发生变动，使其无法避过基于 统计方法的检测，从而暴露了秘密通讯行为。n高安全性：隐藏的秘密信息难以被移除或篡改， 必须能抵御拦截者的检测及分析。n大容量：在隐蔽能力相同的情况下，能嵌入更多 信息量的隐写方法更好。多数情况下隐蔽性和隐 写容量相互制约：隐写容量越大，则对掩护媒体 的改变愈多，被检测察觉的可能性就越高。n高效：隐写方法应使用简单，秘密信息的嵌入与 提取操作要快速便捷，系统的执行时间应当尽量 少。JPEG图像的数字隐写n JPEG是目前最常见的一种图像格式， 其先进的压缩技术使得JPEG文件占用的磁 盘空间较少，并且可以通过不同的压缩比 例来调节图像的质量。正是由于JPEG这方 面的杰出表现，它也成为网络上最受欢迎 的图像格式，因此把JPEG图像作为载体的 数字隐写技术的应用也越来越多，受到了 国内外研究者的广泛关注。采用JPEG图像作为隐藏消息的载体优点n首先，JPEG图像格式是互联网上图像传 输的事实标准，使用这一图像格式比起 其它格式来更不会引起怀疑。n其次，JPEG压缩造成的和秘密消息嵌入 带来的图像质量退化是肉眼很难分辨。n最后，它的隐藏容量较可观。常用的JPEG图像隐写算法nJPEG图像的隐写算法嵌入流程为：1、对JPEG图像的压缩数据进行解码，得 到量化后的DCT系数。2、按照某种隐写算法的嵌入规则对DC量 化系数做些微小的修改，将要隐藏的秘密消息嵌入到量化系数中。3、对修改后的量化系数表进行熵编码，重新生成压缩数据，即载密JPEG图像 。Jpeg-steg隐写法nJpeg-steg方法将秘密信息藏在JPEG文件中 DCT系数的LSB里，从而保证在隐写之后人 眼无法分辨隐写图与原图的差别。提取秘密 消息时，只需将载密图像中不等于0、l的量 化DCT系数的LSB取出即。n其算法步骤如下: (1)选择掩护图像，并将图像区分为不重迭的88 区块 (2)将每个区块利用离散余弦转换成频率域系数； (3)利用用户选定的量化表对频率域系数进行量化 (4)对秘密信息进行z字形扫描，并对除了0与1之 外的DCT系数的最低位加以替换 (5)进行熵编码，产生JPEG隐写图像Jpeg-steg法的优点、缺点nJpeg-steg法的优点在于针对广泛应用的 JPEG图像进行隐写，具有较好的实用性；n缺点是是利用x2分析可以很容易地检测出 秘密信息的存在，因此，其安全性并不好 。F3算法nF3密写可以对抗x2分析。但由于在隐藏 秘密信息0时，可能产生无效隐藏。相当 于增加了0的隐藏数量，因此，嵌入后 DCT系数直方图中，偶数位置的灰色柱 要比奇数位置上灰色柱突出。分析者可 根据这个特征分析出秘密信息的存在。F4隐写算法n在F4隐写中，用正奇数和负偶数代表1， 负奇数和正偶数代表0，其他同F3隐写算 法相同。经过这样的改进，嵌入秘密比 特1时也会产生无效隐藏，也要重新嵌入 ，所以避免了F3隐写算法的不足，可以 对抗x2分析。F5隐写算法nF5隐写对F4隐写的改进主要有两点：一是 在秘密信息嵌入前混洗DCT系数，混洗的 方法作为密钥。这也是密码术同隐写术结 合的令一种方式。在隐写后，进行逆混洗 ，得到含密图像。另一改进是实施矩阵编 码嵌入。使用矩阵编码可以在只修改一个 数据的情况下，在2k-1个数据中，隐藏k比 特信息，减少对数据的修改，提高嵌入效 率。也就减少了隐藏秘密信息带来的失真 。数字隐写的应用前景分析n 数字隐写技术在进行信息保密传输时，需要载 体文件的支持，在一定程度上，限制数字隐写技术 的应用。可是，数字隐写技术掩盖了秘密通信的存 在性，而加密技术是不能做的。数字隐写技术最直 接的应用是在军事方面，不但可隐秘地传递各种军 事信息，还避免暴露通信双方的身份。随着数字隐 写技术的发展和网络传输速度的提高，数字隐写技 术还会在民用方面发挥巨大的作用，成为密码技术 的补充，如采用数字隐写技术替代密码技术传递商 务合同等。数字隐写技术会逐渐地应用到几乎所有 的保密传输领域。第二部分 数字水印数字水印n数字水印（digital watermark）技术，是指在 数字化的数据内容中嵌入不明显的记号。n被嵌入的记号通常是不可见或不可察的，但是 通过一些计算操作可以检测或者提取。n水印与源数据（如图象、音频、视频数据）紧 密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一 部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值 或商用价值的操作而存活下来。数字水印的应用n最重要的应用：版权保护n盗版跟踪：数字指纹n拷贝保护：DVD播放器n图像鉴定：检测数据是否被修改n票据防伪数字水印的特性透明性(隐藏性)：是指利用人类视觉系统或人类听觉系统属性 ，经过一系列隐藏处理 ，使目标数据没有明显的降质现象，在视 觉或听觉上具有不可感知性。鲁棒性：指不因图象文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能 力，这些改动包括传输过程中的信道噪声、滤波、增强、有损压 缩、几何变换、D/A或A/D转换等。隐藏位置的安全性：指将水印信息藏于目标数据的内容之中 ，而非文件头等处，防止因格式变换而遭到破坏。无歧义性：恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表 明所有权，不会发生多重所有权的纠纷。通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用 性在某种程度上意味着易用性。数字水印的分类n鲁棒水印和脆弱水印。n鲁棒水印要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理，主 要用于在数字作品中标识著作权信息；n脆弱水印对信号的改动很敏感，根据脆弱水印的状态就可以 判断数据是否被篡改过，主要用于完整性保护 。 n空间域水印和频率域水印：n直接在空间域中对采样点的幅度值作出改变，嵌入水印信息 的称为空间域水印；n对变换域中的系数作出改变，嵌入水印信息的称为频率域水 印。n非盲水印和盲水印。n非盲水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需 要密钥，不需要原始数据。 n可见水印与不可见水印。通用数字水印系统框架图像数字水印的主要算法n空域算法：此算法首先把一个密钥输入一个m-序 列发生器来产生水印信号，然后排列成2维水印 信号，按象素点逐一插入到原始图象象素值的最 低位。由于水印信号被安排在了最低位上，它是 不可见的，基于同样的原因，它可以轻易地被移 去，因此不够强壮。n.文本水印算法：它们主要是通过轻微改变字符 间距，行间距或是增加、删除字符特征如底纹线 等方法来嵌入水印。或是在符号级或语义级加入 水印。例如，可以用big替换文本中的large。n压缩域算法：把水印信号加到表示视频帧的数据流中 去。对于输入的MPEG-2数据流而言，可分为数据头信 息、运动向量和DCT编码信号块三部分，对DCT编码数 据块中每一输入的Huffman码进行解码和逆量化，把得 到的DCT系数与相应水印信号块的变换系数相加，对新 的DCT系数重新进行量化和Huffman编码。然后比较新 的Huffman码字的位数n1与原来的无水印系数的码字n0 ，只在n1不大于n0的时候才传输水印码字，否则传输 原码字。这就保证了不增加视频数据流的位率。nNEC算法：NEC实验室的COX等人提出的基于扩展 频谱的水印算法,原则为： 1)水印信号应该嵌入源数据中对人的感觉最重要 的部分。在频谱空间中，这种重要部分就是低频 分量。这样，攻击者在破坏水印的过程中，不可 避免地会引起图象质量的严重下降。 2)水印信号应该由具有高斯分布的独立同分布随 机实数序列构成。这使得水印经受多拷贝联合攻 击的能力大大增强。 3）实现方法是：对整幅图象做DCT变换，选取除 DC分量外的1000个最大的DCT系数插入由N(0,1) 所产生的一个实数序列水印信号。n生理模型算法：利用人的生理模型的特 性，包括HVS和HAS来提高多媒体数据压 缩系统质量和效率。它们的基本思想是 利用从视觉模型导出的JND描述来确定在 图象的各个部分所能容忍的数字水印信 号的最大强度，从而避免破坏视觉质量 。这一方法同时具有好的透明性和强壮 性。数字水印攻击分析n鲁棒性攻击 它包括常见的各种信号处理操作，如图象 压缩、线性或非线性滤波、叠加噪声、图 象量化与增强、图象裁剪、几何失真、模 拟数字转换以及图象的校正等。nIBM攻击这是针对可逆、非盲（non-oblivious ）水印算法而进行的攻击。其原理为设原 始图象为I，加入水印WA的图象为 IA=I+WA。攻击者首先生成自己的水印WF ，然后创建一个伪造的原图IF=IA-WF，也 即IA=IF+WF。这就产生无法分辨与解释的 情况。防止这一攻击的有效办法就是研究 不可逆水印嵌入算法，如哈希过程。nStirMark攻击Stirmark是英国剑桥大学开发的水印攻击软 件，它采用软件方法，实现对水印载体图象进行 的各种攻击，从而在水印载体图象中引入一定的 误差，我们可以以水印检测器能否从遭受攻击的 水印载体中提取/检测出水印信息来评定水印算法 抗攻击的能力。如StirMark可对水印载体进行重 采样攻击，它可模拟首先把图象用高质量打印机 输出，然后再利用高质量扫描仪扫描重新得到其 图象这一过程中引入的误差。n马赛克攻击其攻击方法是首先把图象分割成为 许多个小图象，然后将每个小图象放在 HTML页面上拼凑成一个完整的图象。一 般的Web浏览器都可以在组织这些图象 时在图象中间不留任何缝隙，并且使其 看起来这些图象的整体效果和原图一模 一样，从而使得探测器无法从中检测到 侵权行为。n串谋攻击所谓串谋攻击就是利用同一原始多 媒体数据集合的不同水印信号版本，来 生成一个近似的多媒体数据集合，以此 来逼近和恢复原始数据，其目的是使检 测系统无法在这一近似的数据集合中检 测出水印信号的存在。n跳跃攻击跳跃攻击主要用于对音频信号数字水印系统的攻击，其一般 实现方法是在音频信号上加入一个跳跃信号，即首先将信号数据 分成500个采样点为一个单位的数据块，然后在每一数据块中随机 复制或删除一个采样点，来得到499或501个采样点的数据块，然 后将数据块按原来顺序重新组合起来。实验表明，这种改变对古 典音乐信号数据也几乎感觉不到，但是却可以非常有效地阻止水 印信号的检测定位，以达到难以提取水印信号的目的。类似的方 法也可以用来攻击图象数据的数字水印系统，其实现方法也非常 简单，即只要随机地删除一定数量的象素列，然后用另外的象素 列补齐即可，该方法虽然简单，但是仍然能有效破坏水印信号存 在的检验。涉及的相关理论和软件n数字图像处理的编码与压缩原理n数字图像相关的概率统计特征n数字图像的DFT、DCT、DWT变换n计算机密码学作为前处理和后处理n各种攻击算法的原理nVC+的编程环境或MATLAB软件等数字水印与隐写术的区别n数字水印系统所隐藏的信息总是与被保护的数字对 象或它的所有者有关, 而信息隐写系统可以隐藏任何 信息n对于“健壮性”的要求不同，与隐写术相比, 水印技术 需要更好健壮性n在发送者与接收者之间的通信方式不同。隐写术通 常是点对点的, 而数字水印技术通常是一点对多点的n隐写术时信息隐藏的一个重要分支，专门研究如何 隐藏实际存在的信息隐藏信息可以与被保护信息无 任何关联水