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信息隐藏技术 考试要点整理.pdf
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信息隐藏技术术语
□ 信息隐藏是利用人类感觉器官对数字信号的感觉冗余,将一个信息(秘
密信息)隐藏在另一个公开信息(载体)中,信息因此而受到保护.
□ 秘密信息: 版权信息、秘密数据、序列号
□ 载体信息: 图像、视频、音频、文本
□ 信息隐藏方法的最大特点是:除了被通知的有关方面以外的任何人都
不知道秘密信息存在这个事实。
信息隐藏与传统密码技术关系 ( 隐藏 vs 加密 )
□ 传统加密技术的局限性
□ 明确提示攻击者哪些是重要信息,容易引起攻击者的好奇和注意,并
有被破解的可能性,而且一旦加密文件经过破解后其内容就完全透明了
□ 攻击者可以在破译失败的情况下将信息破坏
□ 加密后的文件因其不可理解性也妨碍了信息的传播
□ 随着电脑硬件的迅速发展,破解技术日益成熟
□ 信息隐藏与密码技术的 关系
密码技术仅仅隐藏了信息的内容,而信息隐藏不但隐藏了信息的内容而
且隐藏了信息的存在
信息隐藏技术分类 【填空】
信息隐藏:数字水印(脆弱水印、稳健水印(可见水印、不可见水印)、
潜信道、叠像术、信息伪装(语义伪装、技术伪装)
信息隐藏技术的应用
□ 在Web网上对授予著作权的资料进行自动监控
□ 数据保密 (防止非法用户的截取与使用)
数字水印技术分类 【简答】
□ 按检测过程分:盲水印(公开)、非盲(私有)水印、半盲(半私有)水印
□ 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。
□ 按水印的内容划分:有意义水印和无意义水印。
□ 有意义水印是指水印本身也是某个数字图像或数字音频片断的编码;
无意义水印则只对应于一个序列号。
□ 有意义水印的优势在于,如果由于受到攻击或其它原因致使解码后的
水印破损,人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。
□ 按密钥划分:私钥(对称)和公钥(非对称)水印
□ 按用途划分: 票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐藏标
识水印。
数字水印技术特点
– 安全性:数字水印的信息应是安全的,难以篡改或伪造,同时,应当
有较低的误检测率。
– 隐蔽性:数字水印应是不可知觉的,而且应不影响被保护数据的正常
使用,不会降质。
– 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
能保持部分完整性并能被准确鉴别。
– 水印容量:嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有
者的标志信息,或购买者的序列号,这样有利于解决版权纠纷,保护数
字产权合法拥有者的利益。
鲁棒水印特点
□ 透明性。水印在通常或特定视/听觉条件下不可感知;
离散余弦变换(DCT)
□ 离散余弦变换的变换核为余弦函数。DCT除了具有一般的正交变换
性质外,它的变换阵的基向量能很好地描述语音和图像信号的相关特
征。因此,在对语音、图像信号的变换中,DCT变换被认为是一种准
最佳变换。
□ DCT变换的主要特点:
(1)在变换域中描述图像要比在空间域中更简单;
(2)DCT变换后,各个系数间相关性下降,没有空间域那样有很强的
相关性,信号的能量也集中于左上角少数几个低频变换系数上;
(3)有快速算法,能够实现高速的图像压缩和解压缩;
(4)简单、有效,并适合于软件和硬件的应用.
二维离散余弦变换(DCT)在信息隐藏中的应用 【策略】
□ 在一个 8×8 的图像块中,一共有 64 个 DCT 变换系数,其中,最左
上角的那个系数称之为直流(DC)系数,它反映了该像块的平均亮度
值,其余的 63 个系数称之为交流(AC)系数,经过量化之后,大部分
交流系数值为 0。
□ 将 DCT 变换之后左上角的交流系数称为低频分量,而将右下角系
数称为高频分量,中间的系数则为中频分量。
□ 在基于 DCT 变换的信息隐藏算法中,通常要权衡隐藏算法的鲁棒性
和不可见性,来选择信息嵌入的位置。当嵌入到 DCT 系数的低频分量
中时,鲁棒性较强,能抵抗一些常规的攻击,但不可见性差;当嵌入
到 DCT 系数的高频分量中时,由于高频分量对视觉的不敏感性,其不
可见性较好,载密图像不会产生明显的视觉失真,但鲁棒性不强。(低
频分量(鲁棒性)↔高频分量(不可见性))
□ 数据完整性的验证 (确认数据在网络传输中是否被篡改过)
□ 边缘信息的嵌入 (扩充数据 - 包括对主信号的描述或参考信息、控
制信息以及其它媒体信号等。)
□ 电子证件/票据防伪
二章、信息隐藏技术概论
信息隐藏的概念
□ 信息隐藏是把一个有意义的信息(秘密信息)隐藏在载体信息中得到
隐蔽载体。非法者不知道这个普通信息中是否隐藏了其它的信息,而且即
使知道也难以提取或去除隐藏的信息。
□ 载体可以是文字、图象、声音及视频等。为增加攻击难度,可先对消
息M加密得到密文消息M’,再把M’隐藏到载体C中。
□ 信息隐藏技术主要由两部分组成: (1)信息嵌入算法(嵌入器) ,它利
用密钥来实现秘密信息的隐藏。(2)隐蔽信息检测/提取算法(检测器) ,
它利用密钥从隐蔽载体中检测/恢复出秘密信息。
信息隐藏的分类
□ 按载体类型分为:文本、图像、声音和视频信息隐藏技术
□ 按密钥分为:若嵌入和提取采用相同密钥,则称其为对称隐藏算法,
否则称为公钥隐藏算法
□ 按嵌入域分为:空域(时域)方法及变换域方法
□ 按提取的要求分为:若在提取隐藏信息时不需要利用原始载体,则称
为盲隐藏;否则称为非盲隐藏。
□ 按保护对象分为:隐写术和水印技术
– 隐写术的目的是:在不引起任何怀疑的情况下秘密传送消息,
– 因此它的主要要求是:不被检测到和大容量等。
★ 数字水印 是指嵌在数字产品中的数字信号,可以是图像,文字,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。
信息隐藏技术特点
□透明性: 利用人类视觉或听觉系统属性,经过一系列隐藏处理,使目
标数据没有明显的降质现象,而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。
★ 鲁棒性: 指不因载体文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。这
里所谓"改动"包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、有损编
码压缩、D/A或A/D转换等。
□不可检测性:指隐秘载体与原始载体具有一致的特性。如具有一致的
统计噪声分布等,以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。
□安全性(security):指隐藏算法有较强的抗攻击能力,即它必须能够承
受一定程度的人为攻击,而使隐藏信息不会被破坏。
□自恢复性: 由于经过一些操作或变换后,可能会使原图产生较大的破
坏,如果只从留下的片段数据,仍能恢复隐藏信号,而且恢复过
程不需要宿主信号。
数字水印技术
□ 数字水印(Digital Watermark)定义:(见上面★)
– 将数字水印嵌于一个宿主载体中,但不被觉察到或不易被注意到,而
且不影响宿主载体的知觉效果和使用价值,它可以是图像、声音、文字、
符号和数字等一切可以作为标记和标识的信息。
– 数字水印技术利用数字产品的信息冗余性,把与多媒体内容相关或不
相关的标识信息直接嵌入多媒体内容中,通过对水印的检测和分析保证数
字信息的完整可靠性,从而成为知识产权和数字多媒体防伪的有效手段。
数字水印与信息隐藏的联系和区别
□ 联系
– 信息隐藏技术包括数字水印技术
– 数字水印技术要将水印嵌入到载体中,就需要用到信息隐藏的算法,把
水印隐藏到载体中
– 两者都要求不可感知性
□ 区别
– 信息隐藏技术侧重于隐藏容量,对隐藏容量要求较高,而对鲁棒性要求
不高; 数字水印技术侧重于鲁棒性
– 信息隐藏技术主要应用于隐蔽通信,而数字水印技术主要应用于版权
保护和内容可靠性认证
数字水印技术分类
□ 按外表划分: 可感知和不易感知水印
□ 按嵌入技术划分:空域水印、变换域水印和压缩域水印
□ 按应用划分:鲁棒和脆弱(半脆弱)水印
(版权保护)鲁棒性数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息,如
作者、作品序号等,它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理
(内容认证)脆弱水印主要用于完整性保护,与鲁棒性水印的要求相反,
脆弱水印必须对信号的改动很敏感,人们根据脆弱水印的状态就可以判断
数据是否被篡改过。
□ 按水印的载体上分: 图像水印、音频水印、视频水印、文本水印、软
件水印
□ 安全性。未经授权者很难检测出水印,经授权者能很快地提取出水印; 离散小波变换(DWT)
□ 鲁棒性。水印信号在经历多种无意或有意的信号处理后,仍能保持完 □ 具有多分辨率分析的特点,在时域和频域都能够表征信号的局部特
整性或仍能被准确鉴别的特征; 征。小波变换具有“变焦”特性,在低频段可用高频率分辨率和低时
□ 无二意性。提取的水印能够证明版权所有者,不会引起争议; 间分辨率(宽分析窗),在高频段,可用低频率分辨率和高时间分辨率
□ 实时操作性。在保证水印基本性能的同时,水印算法尽可能计算复杂 (窄分析窗口)。
度低,便于操作。 □ 离散小波变换可以用来分析或者叫做分解信号。
脆弱水印特点
□ 不可见。即嵌入水印后的数字多媒体数据必须要有很高的峰值信噪比 DCT域奇偶量化法
□ 具有篡改证明能力。即必须对传输数据的篡改非常敏感
⌊
f
/Δ ⌋ mod 2 =0 ↔
f
在偶区域↔秘密信息比特0
□ 受到篡改后能自动移除水印。
⌊
f
/Δ ⌋ mod 2 =1 ↔
f
在奇区域↔秘密信息比特1
□ 检测时不需要原始图像。
f
为要修改的 DCT 系数. 表示取下整数. Δ>0 是量化步长.
数字水印的设计要求
四章、数字图像基础
□ 透明性(不可感知性):指水印应该是不可感知的,或者可见但其存在 □ 矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图,这种方法实际上是
不会影响到作品受保护。 用数学方法来描述一幅图。
□ 鲁棒性:指在经过常规的操作或恶意攻击后仍能检测到水印的能力。 □ 点位图是将一副图像在空间上离散化,即将图像分成许许多多的
常规操作:信号处理、几何失真等。一般来说,水印应当对噪声、D/A、 像素,每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色或灰度值。
A/D转换、重采样、量化、旋转、剪切、缩放等常规操作具有鲁棒性。恶 – 点位图的优点是:
意攻击:指任何意在破坏水印的行为,包括非授权去除、非授权嵌入、 (1)显示速度快 (2)真实世界的图像可以通过扫描仪、数码相
非授权检测等。水印应该保证可以在一定程度上抵抗这些恶意攻击。水 机、摄像机等设备方便的转化为点位图
印必须很难被移除(理想状态为不可移除),若有人试图强行移除或破坏 – 点位图的缺点是:
水印,应该保证在水印被破坏前图像质量已经严重下降。 (1)存储和传输时数据量较大
□ 脆弱性:具有与鲁棒性相反的特点。例如用于真伪鉴别的水印,体现 (2)缩放、旋转时算法复杂且易失真
了水印的安全性。
□ 通用性:一个好的水印算法应该适用于各种数字媒介。 图像的基本属性 【选择、填空】
□ 不可检测性:指隐藏对象与载体对象需具有一致的特性,以便使检测 □ 像素深度
分析变困难。 – 像素深度指存储每个像素所用的位数。像素深度决定彩色图像每个
□ 高数据容量:水印能够包含相当的数据容量,以满足多样化的需要。 像素可能有的颜色数,或者确定灰度图像每个像素可能有的灰度级数。
□ 高检测可靠性:水印的检测必须可靠,虚警率和漏检率很小。 – 位( bit )计算机存储器的最小单元,用来记录每一像素颜色的值。
虚警率指在没有水印的情况下检测出水印的概率; □ 黑白二色的图形,它只有黑、白两种颜色
漏检率指在有水印的情况下没有检测出水印的概率。 □ 4位图,它的位深度是4,即16种颜色或16种灰度等级;
□ 8位图,位深度就是8,它含有256种颜色( 或256种灰度等级)。
三章、信息隐藏算法
□ 24位颜色可称之为真彩色,位深度是24。
空域信息隐藏的方法 □ 调色板
□ 空域(时域)方法 【选择】 – 一个彩色图像假如只包含24位真彩色空间中的16个离散的点,则
– 空域的方法是指在图像、视频、音频的空间域上进行信息隐藏。通过 可以建立一个颜色查找表(即调色板),表中的每一行记录一组RGB
直接改变宿主媒体的某些像素值(采样值)来嵌入数据。 值,实际像素的值用来指定该点颜色在查找表中的索引值,这样就
– 优点:无需对原始媒体进行变换,计算简单,效率较高 可以大大缩小存储量。
– 缺点:由于隐藏信息要均衡不可感知性和稳健性,因而可选择的属性 □ 真彩色与伪彩色
范围较小。此外,难以抵抗常见信号处理的攻击及噪声干扰的影响,鲁 – 真彩色:真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中,有R,
棒性较差。 G,B三个基色分量,每个基色分量直接决定显示设备的基色强
度,这样产生的彩色称为真彩色。
均值量化空域信息隐藏方法 – 伪彩色:每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定,
□ 设灰度图像的像素灰度值为
f
而是把像素值当作彩色查找表(调色板)的表项入口地址,去查找一个
□ 将图像分块并随机选择
L
个子块 显示图像时使用的R,G,B强度值,用查找出的R,G,B强度值产生
□每个子块的灰度值
f
的均值μ 的彩色称为伪彩色。
f ≤[μ]-Δ秘密信息比特0; f ≥ [μ]+Δ秘密信息比特1
□ 提取方法: 找到嵌有秘密信息的
L
个子块,并计算其均值μw,提取的 BMP文件格式 BMP文件组成的4个部分:
秘密信息比特为 □ 位图文件头: 包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息.
W = 0 , fw < μw □ 位图信息头: 包含有BMP图像的宽、高、压缩方法,以及定义颜色
1 , fw ≥ μw 等信息.
□ 位图颜色表或调色板: 可选,比如真彩色图(24位BMP)就不需要。
变换域的信息隐藏方法 【填空、简答】 □ 位图像素数据:该部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同,
□ 信息隐藏中的常用正交变换 在24位图中直接使用RGB,而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引
– 正交变换:将信号按频谱进行分解,每个分量的值代表信号在此频率 值。
上的能量;反变换则是一个对各频率分量进行加权和的合成过程。 BMP文件格式 (顺序扫描)
通常,信号的主要能量集中在低频部分,因而变换域低频系数的值普 □ BMP文件存储数据时,图像的扫描方式是按从左到右、从下到上
遍较大,而高频系数则表示信号的突变成份,相对来说值较小。 的顺序。
– 信息隐藏中常用的变换有:离散傅立叶变换(DFT),离散余弦变换 □ BMP图像格式仅具有最基本的图像数据存储功能,能存储每个
(DCT)和离散小波变换(DWT)。 像素1位、2位、4位、8位和24位的位图。
□ BMP格式的特点是包含的图像信息较丰富,几乎不压缩,但由此
空域和变换域信息隐藏方法比较 【简答】 导致了占用磁盘空间过大的缺点,因此很少在网页中使用。
□ 与空域的方法相比,变换域的方法有如下优点: 一张24位的800×600的bmp格式图形文件大小:
– 变换域中嵌入的信号能量可以较均匀的分布到空域的所有像素上,有 800×600×3Byte=1440000Byte≈1.37MB
利于保证不可见性; JPEG文件格式
– 在变换域,HVS(Human Visual System)/HAS(Human Auditory System) □ JPEG文件扩展名jpg、jpeg、jpe、jfif,它用有损压缩方式去除
的某些特性可以更方便地结合到嵌入过程中,有利于不可感知性和稳健 冗余的图像和彩色数据,获取得极高压缩率的同时图像质量也良好。
性能的提高;
– 变换域的方法可与国际数据压缩标准兼容,从而便于实现在压缩域内 JPEG编码标准
的信息隐藏算法。 □ JPEG有损编码算法的主要计算步骤如下:
□ 变换域方法的主要缺点: 1. 将源彩色图像颜色模型变为YUV 模型。
– 一般来说,隐藏信息量比空域方法低; 2. 分成8×8数据块进行正向离散余弦变换(FDCT)。
– 计算量大于空域算法; 3. 量化(quantization)。
– 在正变换/反变换计算过程中,由于数据格式的转换,常会造成信息 4. Z字形排列量化结果(zigzag scan)。
的丢失,这将等效于一次轻微的攻击。 5. 使用差分脉冲编码调制(DPCM)对直流系数(DC)进行编码。
6. 使用游程长度编码(RLE)对交流系数(AC)进行编码。
7. 熵编码(entropy coding)。
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