第10章信息隱藏與

數字水印技術學習目標信息隱藏的工作原理及實現方法數字水印的應用及實現方法本章主要講解信息隱藏技術和數字水印技術，介紹信息隱藏和數字水印的相關概念、應用、實現方法。2如何建立隱秘信道傳輸秘密信息？3目錄10.1信息隱藏技術10.2數字水印技術410.1信息隱藏技術信息隱藏就是利用特定載體中具有隨機特性的冗余部分，將有特別意義的或重要的信息嵌入其中掩飾其存在，嵌入的秘密信息稱為隱藏信息，嵌入秘密信息后的載體稱隱藏載體。510.1信息隱藏技術“囚犯問題”關押在兩地的兩個囚犯Alice和Bob，他們可以通過監獄看守進行正常的書信交流，而監獄看守者Willie則作為書信審核者（隱藏信息分析者），查看書信中是否有商議越獄等信息存在。此時A1ice和Bob的目的是利用隱寫系統（書信中隱藏秘密信息）傳輸越獄計劃，并使得看守者Willie無法輕易發現通信中的秘密，同時為防止因Willie對通信消息的輕微修改而導致隱藏信息的不可提取，隱寫系統要求對小的變形具備一定的穩健性。610.1信息隱藏技術隱蔽性：透明性、不可見性，在特定載體中嵌入秘密信息后在不引起所嵌入信息質量下降的前提下，不顯著改變隱藏載體的外部特征。不可檢測性：指嵌入秘密信息后載體與原始載體具有一致的特性。魯棒性：指不因隱藏載體（如圖像）的某種改動而導致隱藏信息丟失的能力，這里所謂“改動”包括傳輸過程中對載體進行的一般信號處理（如濾波、增強、重采樣、有損壓縮等）、一般的幾何變換（如平移、旋轉、縮放、分割等）和惡意攻擊等。710.1信息隱藏技術自恢復性：指經過了一些操作和變換后，可能會使隱蔽載體受到較大的破壞，如果只留下部分的數據，在不需要宿主信號的情況，卻仍然能恢復隱藏信息的特征就是所謂的自恢復性。安全性：指隱藏算法有較強的抗攻擊能力，即隱藏算法必須能夠承受一定程度的人為攻擊，保證隱藏信息不會被破壞。810.1信息隱藏技術910.1信息隱藏技術圖像中嵌入信息方法一般分為空域（或時域）方法及變換域方法。空域替換方法是用需隱藏的信息替換載體信息中的冗余部分。一種簡單的替換方法就是用隱藏信息位替換載體中最不重要的位，將秘密數據轉換成0、1比特流，然后將其藏入到圖像時域數據的最低比特上。例如把一個灰度圖像的某個像點的灰度值由190變成191，人的肉眼是看不出來的。信息嵌入過程，即選擇一個載體元素子集，例如每個元素代表一個像點的灰度，然后在子集上執行替換操作，即把子集元素的最不重要位（如最低位）替換為隱藏信息位，提取過程直接提取隱藏載體集合元素對應的位。1010.1信息隱藏技術采用變換域技術，即在載體圖像的顯著區域隱藏信息，在偽裝系統中，在信號頻域中嵌入信息比在空域中嵌入信息具有更好的健壯性，能夠更好地抵御攻擊，如壓縮、裁剪和一些圖像處理。典型的變換方法如使用離散余弦變換（DCT）、小波變換等方法在圖像中嵌入信息，變換可以在整個圖像上進行，也可以對整個圖像分塊后操作。當然圖像中能夠隱藏的信息數量和可以獲得的健壯性之間存在著矛盾。1110.1信息隱藏技術例如，使用DCT變換隱藏信息，DCT變換是著名有損數字圖像壓縮系統JPEG系統中使用的方法，JPEG首先將要壓縮的圖像轉換為YCbCr顏色空間，并把每一個顏色平面分割成88的像素塊，然后對所有塊進行DCT變換。利用JPEG壓縮過程隱藏信息時，每一塊精確編碼一個秘密信息位，如使用DCT變換中兩個系數，確定系數在圖像塊中位置后，利用兩個系數大小關系編碼秘密比特位，如第一個系數大于第二個系數編碼“1”，否則編碼“0”，若系數關系不滿足編碼位要求，交換兩個系數。12如何保護數字媒體版權？13目錄10.1信息隱藏技術10.2數字水印技術1410.2數字水印技術數字產品具有易修改、易復制、易竊取的特點，因此，數字知識產權保護就成為基于網絡數字產品應用迫切需要解決的實際問題。數字水印（DigitalWatermark）是指嵌入在數字產品中的、不可見、不易移除的數字信號，可以是圖像、符號、數字等一切可以作為標識和標記的信息，其目的是進行版權保護、所有權證明、指紋（追蹤發布多份拷貝）和完整性保護等。1510.2數字水印技術魯棒性：指嵌入數字水印的媒體在受到無意損害或蓄意攻擊后，仍然能夠提取出數字水印，如加入圖像中的水印必須能夠承受施加于圖像的變換操作（如加入噪聲、濾波、有損壓縮、重采樣、D/A或A/D轉換等），不會因變換處理而丟失，水印信息經檢驗提取后應清晰可辨。不可見性（透明性）：數字水印不應影響宿主媒體的主觀質量，如嵌入水印的圖像不應有視覺質量下降，與原始圖像對比，很難發現二者區別。安全性：數字水印應能抵御各種攻擊，必須能夠惟一地標識原始圖像的相關信息，任何第三方都不能偽造他人的水印信息。1610.2數字水印技術17圖數字水印嵌入和檢測模型10.2數字水印技術數字水印有多種分類方法，按照數字水印提取過程是否需要原始宿主的參與，可以分為秘密水印——檢測水印時需要輸入原始數據或原始水印，半秘密水印（半盲化水印）——不使用原始數據而使用水印拷貝檢測水印，公開水印（盲化水印）——檢測水印時不需要原始數據也不需要原始水印。按照水印的用途不同，可以分為文本水印、圖像水印、音頻水印和視頻水印。按照數字水印自身類型分為有意義數字水印（如數字水印本身為有特定意義的圖像）和無意義數字水印（數字水印本身為序列）。在版權保護領域，有意義數字水印更具有版權證明能力。1810.2數字水印技術按照數字水印嵌入方法不同，數字水印嵌入技術可以分為空域算法、時域算法、變換域算法和壓縮算法。空域算法適用于圖像、視頻、文本、三維模型等載體，它將水印信息直接嵌入到圖像的像素、視頻的幀、文本的字符特征及字符間隙、三維模型的空間尺寸中。時域算法主要適用于音頻數字水印，它將水印信息嵌入到音頻時域采樣中，如果將時間序列看成一個普通的維度，時域算法可以等價于一維空域算法。變換域算法將水印信息嵌入到音頻、圖像、視頻等數字載體的變換域系數中。1910.2數字水印技術如何評價數字水印技術的優劣呢？一是魯棒性，基于攻擊測試評價，常見的對數字水印的攻擊包括低通濾波、添加噪聲、去噪處理、量化、幾何變換（縮放、旋轉、平移、錯切等）一般圖像處理（灰度直方圖調整、對比度調整、平滑處理、銳化處理等）、剪切、JPEG壓縮、小波壓縮等。通常通過計算歸一化相關度來度量提取出的數字水印和原始數字水印的相似程度，以此衡量數字水印的魯棒性。二是不可見性，數字水印的不可見性有兩個方面的含義，一方面指數字水印的不可察覺性，另一方面指數字水印不影響宿主媒體的主觀質量。數字水印的隱蔽性一般用峰值信噪比PSNR來衡量。20小結本章介紹了信息隱藏技術和數字水印技術。信息隱藏技術用于在特定載體數據中嵌入秘密的隱藏信息，以求保密傳輸嵌入信息。數字水印技術也采用信息隱藏類似的技術，但目的是數字出版物版權保護。這兩種技術都要求嵌入