信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程

1、信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程16、信息隱藏理論研究信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程2信息隱藏研究的發(fā)展nIEEExplore上數(shù)字水印相關(guān)文章的發(fā)表數(shù)目概況（檢索時間：2004.4.1）n文章題目包含“watermark” 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程3信息隱藏研究的發(fā)展nLSB變換域調(diào)制盲檢測魯棒性脆弱性抗各種攻擊n2000年出現(xiàn)了水印理論研究n2001年出現(xiàn)了對水印協(xié)議的研究 n2002年水印的隱藏容量問題得到了重視 n2003年關(guān)于隱藏容量的理論問題得到了進(jìn)一步的發(fā)展 n2004年水印技術(shù)的發(fā)展是借鑒密碼學(xué)的概念，實現(xiàn)完整性驗證、所有權(quán)驗證、內(nèi)容認(rèn)證、拷貝控制信息隱藏理論研

2、究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程4理論研究的目的n一個信息M被隱藏在宿主數(shù)據(jù)S中，得到的數(shù)據(jù)X受到各種處理（攻擊），這些處理旨在去除X中關(guān)于M的任何痕跡n信息隱藏系統(tǒng)應(yīng)該滿足兩方面的要求n透明性：即數(shù)據(jù)X與數(shù)據(jù)S在適當(dāng)?shù)男畔⑹д娑攘肯聭?yīng)該是相象的n魯棒性：即隱藏在數(shù)據(jù)中的信息在經(jīng)過一定程度的處理后，仍然能夠被識別出來n通常攻擊者引入的數(shù)據(jù)失真的程度總是有一個限制的 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程5涉及許多研究領(lǐng)域n信息隱藏涵蓋了許多其他領(lǐng)域的方法和知識，包括：信號處理，通信，博弈理論和密碼學(xué)n許多信號處理和通信領(lǐng)域的技術(shù)被用來設(shè)計信息隱藏的算法和去除隱藏信息n例如擴頻方法和量化方法等n數(shù)據(jù)壓縮，信號畸

3、變和增加噪聲等n音頻、圖像和視頻中的感知模型被用來設(shè)計隱藏算法和度量失真信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程6信息隱藏理論研究n最近許多研究開始考慮基于信息論的信息隱藏和數(shù)字水印理論框架n將信息隱藏過程抽象化，認(rèn)為隱藏過程相當(dāng)于隱蔽信息的通信過程，用通信模型表示信息隱藏n隱蔽信息作為通信輸入，隱蔽載體作為信道描述，攻擊行為也描述為信道n隱蔽密鑰和隱蔽載體(如果必要)作為通信的邊信息存在 n數(shù)字水印的容量被認(rèn)為是上述通信模型下最大可靠傳輸率n最難點之一是信息隱藏容量分析 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程7信息隱藏的模型nCosta模型nCohen與Lapidoth模型nMoulin模型nSome

4、khBaruck模型n并行高斯信道模型信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程81、Costa模型nCosta考慮了有噪聲環(huán)境下的信道，即：發(fā)送端傳送XN到接收端，通過下述信道 n編碼者知道SN，但解碼者知道（或不知道）SN，噪聲ZN二者都不知道 nCosta 證明在SN和ZN都滿足獨立正態(tài)同分布時，該信道的容量為 NNNNZSXY)1log(21NPC信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程91、Costa模型nP是XN的平均能量nN是ZN的平均能量n如果認(rèn)為SN表示信息隱藏的載體，XN表示隱藏的消息，ZN表示攻擊噪聲，Costa的通信模型就移植到了信息隱藏的系統(tǒng)模型 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程

5、102、Cohen與Lapidoth模型nCohen與Lapidoth 認(rèn)為載體序列U滿足獨立同分布于零均值方差為 的高斯分布，隱蔽信息為W，在消息集上均勻分布，隨機變量1表示密鑰，在編碼與解碼端都可以得到n嵌入過程為n攻擊者產(chǎn)生隨機變量2控制攻擊過程2Unnxwuf),( :1nnyxgy),( :2信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程11n嵌入和攻擊分別滿足約束條件 11),(DXUd22),(DYXd信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程123、Moulin模型nMoulin, Information-Theoretic Analysis of Information HidingnIEEE

6、Trans. On Information Theory, Vol.49, No.3, March, 2003信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程13信息隱藏問題的描述 n宿主數(shù)據(jù)源產(chǎn)生 域中的分布未知的隨機變量Sn邊信息源產(chǎn)生 域中分布為 的隨機變量K n信息源產(chǎn)生信息集合中的信息MS( )p k信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程14n在算法中，S 是一些數(shù)據(jù)塊或變換域系數(shù)（例如DCT系數(shù)或小波變換系數(shù)），它來自宿主數(shù)據(jù)n集合S 可以是連續(xù)閉集（例如0，1n）或是離散的集合（例如經(jīng)過量化的變換系數(shù)集合）n宿主數(shù)據(jù)是一組相互獨立且滿足 分布的隨機變量序列 ( )p s信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基

7、礎(chǔ)教程15n邊信息K 對于發(fā)送者和接收者都是已知的，而對攻擊者未知n邊信息有兩方面的作用n一方面，它是一個隨機信號源，可以提高傳輸性能、抗干擾能力n另一方面，可以提供關(guān)于載體 S 的邊信息給解碼者。用一個聯(lián)合分布 來描述S和K的依賴關(guān)系 ( , )p s k信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程16n邊信息的例子n接收者已知原始載體Sn如果解碼器可以得到載體本身，則可認(rèn)為是私有水印模式n接收者只知道原始載體的部分信息（如圖像的特征）n完全不知原始載體：盲水?。ば畔㈦[藏）n如果解碼器得不到任何邊信息，則是公開水印模式信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程17信息隱藏過程n信息隱藏者將 、 和信息m通過

8、某種處理函數(shù) ，產(chǎn)生合成數(shù)據(jù) NSNKNfNX信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程18攻擊n攻擊者使 通過一個隨機的攻擊信道n產(chǎn)生失真的數(shù)據(jù) ，試圖消除信息M的痕跡 NX(|)NNNAyxNY信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程19接收n接收端解碼器收到 和 得到不可靠的對M的估計 NYNKM信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程20失真限制n定義1：信息隱藏者的失真函數(shù)是一個非負(fù)函數(shù)n定義2：攻擊者的失真函數(shù)是一個非負(fù)函數(shù) 1:dSXR2:dXYR信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程21失真函數(shù)n信息隱藏者的失真函數(shù)是有界的n對稱性n 等價于n在圖象、音頻或視頻的感知失真函數(shù)度量下不成立，因為人類感知

9、系統(tǒng)存在門限效應(yīng) 1,maxmax( , )ds xSX1( , )d s x 11( , )( , )d s xd x s1( , )0d s x sx信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程22n擴展到N個變量 11(,)(,)NNNNiikkkdxyd xyN信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程23n定義3：一個基于失真 的N點信息隱藏編碼是一個3元數(shù)據(jù)（M， ， ）nM是信息集合 n ：編碼器n ：解碼器 1DNfNNf(,)NNNNxfsm kN(,)NNNmyk信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程24n編碼映射必須符合失真函數(shù)限制信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程25n定義4：一個受限于失真

10、 的記憶性攻擊信道，是一個有條件概率密度分布的序列 2D信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程26n隱藏信息的碼速為n平均誤碼率（錯誤概率）為 1log|RMN信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程27n誤碼率就等于攻擊者將隱藏的信息成功除去的概率 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程28可靠傳輸速率n定義5：稱一個速率R對于失真 D1 和一組攻擊信道 是可達(dá)到可達(dá)到的，只要存在一個編碼序列（M， ， ），以速率R被傳送且符合失真 D1 的限制要求，且當(dāng) 時，誤碼率 ,1NAN NfNN ,()0Nc NPA信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程29隱藏容量n定義6：信息隱藏容量 是指對于失真 D1 和一個

11、集合 中的攻擊來說，所有可達(dá)到可達(dá)到的速率的上界 11(,)NNC DA1NNA信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程30信息隱藏博弈n信息隱藏可以看作是兩個相互協(xié)作的選手（信息隱藏者和解碼者）與其對手（攻擊者）間的一場博弈n前者試圖最大化代價函數(shù)，而后者則盡量去減小它 n代價函數(shù),1logNc NJPN 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程31n以函數(shù) 和攻擊信道 為參數(shù)的代價函數(shù)n編譯碼函數(shù) 受信息隱藏雙方控制n攻擊信道 受攻擊者控制 ,NNfNA(,)NNNJ fA(,)NNfNA信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程32n當(dāng)且僅當(dāng)對所有可能的 滿足n我們才能獲得一個博弈的納什平衡 n此時，博弈的

12、“價值”為 *(,)NNNfA*(,)(,)(,)NNNNNNNNNJ fAJ fAJ fA(,)NNNfA*(,)NNNfA信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程33n在很多情況下，納什平衡鞍點根本就不存在n此時對博弈雙方而言，可見信息可見信息便是決定博弈結(jié)果的關(guān)鍵n如果游戲者按照給定順序選擇他們的行為，那么對于第一個游戲者來說保守的策略就是假定它之后的游戲者將會明了自己的行為 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程34n對于信息隱藏而言：n首先由信息隱藏者進(jìn)行信息隱藏（選擇 ），并假定攻擊者將能知道 ，并以此為依據(jù)選擇一個 n同樣的，攻擊者也會假定接收者能夠了解 并選擇相應(yīng)的n這種情況下，博弈值為

13、 NfNfNANAN*maxminmax(,)NNNNNNfAJJ fA信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程35n一個更保守（因而更安全）的情況是，假設(shè)編解碼者不知道 ，而攻擊者能知道 ，并可以依此設(shè)計n面對這個無所不知的攻擊者，則有博弈的低值NA,NNfNA,max min (,)NNNNNNfAJJ fA信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程36n博弈的高值：用理想化的假設(shè)，即編碼和譯碼者都知道 ，此時有 NA,min max(,)NNNNNNfAJJ fA信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程37另一種看法n大量文章用熵的概念討論信息隱藏問題，信息熵的概念真是研究信息隱藏技術(shù)的有力工具嗎？n熵的理

14、論是解決不確定性問題的數(shù)學(xué)工具，而信息隱藏技術(shù)未必是不確定性問題，因此其合理性還需要有進(jìn)一步的解釋n另外，有人提出用熵值的變化檢測圖像是否含有隱藏信息的建議也缺乏實際的意義，因為我們無法準(zhǔn)確地計算一幅圖像的熵 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程38觀點n感覺信息是多維矢量 n視覺器官接收的圖像信息包括亮度、顏色、物體的形狀大小、相對位置等n聽覺器官接收的聲音信息包括強度、方向、音色、音質(zhì)等n觸覺器官接收的信息則包括溫度、濕度、硬度、光滑度和彈性等n因此，各種感覺信息都可以假設(shè)為多維信息空間中的矢量，其不同的基代表不同的特性 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程39n信息感知系統(tǒng) n一般地把視覺、

15、聽覺、觸覺等器官叫做信息感知系統(tǒng)n為了提高感知能力，人們制造了許多儀器設(shè)備，當(dāng)用這些儀器設(shè)備或方法來接收信息從而了解外部世界時，也屬于信息感知系統(tǒng) n例如發(fā)現(xiàn)是否存在隱藏信息的統(tǒng)計檢測方法也應(yīng)屬于信息感知系統(tǒng) 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程40n信息記錄系統(tǒng) n大多數(shù)儀器設(shè)備只能記錄外界信息，并不能立即給出這些信息的涵義n例如錄音機可以記錄聲音，但是錄音結(jié)果卻需要人們用耳朵去識別n照相機可以拍下需要的景物，拍照結(jié)果還要人們用肉眼去觀察n這樣一些儀器設(shè)備可以統(tǒng)稱為信息記錄系統(tǒng) 信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程41信息隱藏技術(shù)的機理 n假設(shè)信息記錄系統(tǒng)的靈敏度矢量為 ，信息感知系統(tǒng)的靈敏度矢

16、量為 n信息記錄系統(tǒng)可以記錄的信息范圍是多維信息空間V中的一部分區(qū)域n信息感知系統(tǒng)所能感知的信息范圍也是 信息空間V中的一個區(qū)域 rSdSVVrVVd信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程42rVdV信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程43n 一般地說， 和 未必是全等或者全包含的關(guān)系n這意味著，可以感知的信息未必全部能被記錄下來，能被記錄的信息也未必能被完全感知n例如，我們只能感知數(shù)字圖像的主要部分，或者我們只能聽出一段數(shù)字音樂的主要部分，n許多信息記錄系統(tǒng)比起信息感知系統(tǒng)更加靈敏 rVdV信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程44n秘密信息M本來是可以感知的，即n但是，如果我們能夠構(gòu)造一種映射F，n使得M能從子空間 映射到子空間 中的 ，它就不能被感知了 dVM )(MFM rdVVMdVrdVV M信息隱藏理論研究-數(shù)字水印基礎(chǔ)教程45n只要存在逆過程 F 可以使被隱