信息隱藏理論研究

1、6、信息隱藏理論研究1信息隱藏研究的發(fā)展IEEExplore上數(shù)字水印相關(guān)文章的發(fā)表數(shù)目概況（檢索時(shí)間：2004.4.1）文章題目包含“watermark” 2信息隱藏研究的發(fā)展LSB變換域調(diào)制盲檢測(cè)魯棒性脆弱性抗各種攻擊2000年出現(xiàn)了水印理論研究2001年出現(xiàn)了對(duì)水印協(xié)議的研究 2002年水印的隱藏容量問(wèn)題得到了重視 2003年關(guān)于隱藏容量的理論問(wèn)題得到了進(jìn)一步的發(fā)展 2004年水印技術(shù)的發(fā)展是借鑒密碼學(xué)的概念，實(shí)現(xiàn)完整性驗(yàn)證、所有權(quán)驗(yàn)證、內(nèi)容認(rèn)證、拷貝控制3理論研究的目的一個(gè)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的任何痕跡信息隱藏系統(tǒng)應(yīng)該

2、滿足兩方面的要求透明性：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)該是相象的魯棒性：即隱藏在數(shù)據(jù)中的信息在經(jīng)過(guò)一定程度的處理后，仍然能夠被識(shí)別出來(lái)通常攻擊者引入的數(shù)據(jù)失真的程度總是有一個(gè)限制的 4涉及許多研究領(lǐng)域信息隱藏涵蓋了許多其他領(lǐng)域的方法和知識(shí)，包括：信號(hào)處理，通信，博弈理論和密碼學(xué)許多信號(hào)處理和通信領(lǐng)域的技術(shù)被用來(lái)設(shè)計(jì)信息隱藏的算法和去除隱藏信息例如擴(kuò)頻方法和量化方法等數(shù)據(jù)壓縮，信號(hào)畸變和增加噪聲等音頻、圖像和視頻中的感知模型被用來(lái)設(shè)計(jì)隱藏算法和度量失真5信息隱藏理論研究最近許多研究開(kāi)始考慮基于信息論的信息隱藏和數(shù)字水印理論框架將信息隱藏過(guò)程抽象化，認(rèn)為隱藏過(guò)程相當(dāng)于隱蔽信息的通信過(guò)程，

3、用通信模型表示信息隱藏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隱蔽密鑰和隱蔽載體(如果必要)作為通信的邊信息存在 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最難點(diǎn)之一是信息隱藏容量分析 6信息隱藏的模型Costa模型Cohen與Lapidoth模型Moulin模型SomekhBaruck模型并行高斯信道模型71、Costa模型Costa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(guò)下述信道 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 Costa 證明在SN和ZN都滿足獨(dú)立正態(tài)同分布時(shí)，該信道的容量為 81、Costa模型P是X

4、N的平均能量N是ZN的平均能量如果認(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 92、Cohen與Lapidoth模型Cohen與Lapidoth 認(rèn)為載體序列U滿足獨(dú)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(jī)變量1表示密鑰，在編碼與解碼端都可以得到嵌入過(guò)程為攻擊者產(chǎn)生隨機(jī)變量2控制攻擊過(guò)程10嵌入和攻擊分別滿足約束條件 113、Moulin模型Moulin, Information-Theoretic Analysis of Information HidingIEEE Trans. On

5、Information Theory, Vol.49, No.3, March, 200312信息隱藏問(wèn)題的描述 宿主數(shù)據(jù)源產(chǎn)生 域中的分布未知的隨機(jī)變量S邊信息源產(chǎn)生 域中分布為 的隨機(jī)變量K 信息源產(chǎn)生信息集合中的信息M13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(lái)自宿主數(shù)據(jù)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(guò)量化的變換系數(shù)集合）宿主數(shù)據(jù)是一組相互獨(dú)立且滿足 分布的隨機(jī)變量序列 14邊信息K 對(duì)于發(fā)送者和接收者都是已知的，而對(duì)攻擊者未知邊信息有兩方面的作用一方面，它是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)源，可以提高傳輸性能、抗干擾能力另一方面，可以提供關(guān)

6、于載體 S 的邊信息給解碼者。用一個(gè)聯(lián)合分布 來(lái)描述S和K的依賴關(guān)系 15邊信息的例子接收者已知原始載體S如果解碼器可以得到載體本身，則可認(rèn)為是私有水印模式接收者只知道原始載體的部分信息（如圖像的特征）完全不知原始載體：盲水?。ば畔㈦[藏）如果解碼器得不到任何邊信息，則是公開(kāi)水印模式16信息隱藏過(guò)程信息隱藏者將 、 和信息m通過(guò)某種處理函數(shù) ，產(chǎn)生合成數(shù)據(jù) 17攻擊攻擊者使 通過(guò)一個(gè)隨機(jī)的攻擊信道產(chǎn)生失真的數(shù)據(jù) ，試圖消除信息M的痕跡 18接收接收端解碼器收到 和 得到不可靠的對(duì)M的估計(jì) 19失真限制定義1：信息隱藏者的失真函數(shù)是一個(gè)非負(fù)函數(shù)定義2：攻擊者的失真函數(shù)是一個(gè)非負(fù)函數(shù) 20失真函數(shù)

7、信息隱藏者的失真函數(shù)是有界的對(duì)稱性 等價(jià)于在圖象、音頻或視頻的感知失真函數(shù)度量下不成立，因?yàn)槿祟惛兄到y(tǒng)存在門限效應(yīng) 21擴(kuò)展到N個(gè)變量 22定義3：一個(gè)基于失真 的N點(diǎn)信息隱藏編碼是一個(gè)3元數(shù)據(jù)（M， ， ）M是信息集合 ：編碼器 ：解碼器 23編碼映射必須符合失真函數(shù)限制24定義4：一個(gè)受限于失真 的記憶性攻擊信道，是一個(gè)有條件概率密度分布的序列 25隱藏信息的碼速為平均誤碼率（錯(cuò)誤概率）為 26誤碼率就等于攻擊者將隱藏的信息成功除去的概率 27可靠傳輸速率定義5：稱一個(gè)速率R對(duì)于失真 D1 和一組攻擊信道 是可達(dá)到的，只要存在一個(gè)編碼序列（M， ， ），以速率R被傳送且符合失真 D1 的

8、限制要求，且當(dāng) 時(shí)，誤碼率 28隱藏容量定義6：信息隱藏容量 是指對(duì)于失真 D1 和一個(gè)集合 中的攻擊來(lái)說(shuō)，所有可達(dá)到的速率的上界 29信息隱藏博弈信息隱藏可以看作是兩個(gè)相互協(xié)作的選手（信息隱藏者和解碼者）與其對(duì)手（攻擊者）間的一場(chǎng)博弈前者試圖最大化代價(jià)函數(shù)，而后者則盡量去減小它 代價(jià)函數(shù)30以函數(shù) 和攻擊信道 為參數(shù)的代價(jià)函數(shù)編譯碼函數(shù) 受信息隱藏雙方控制攻擊信道 受攻擊者控制 31當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)所有可能的 滿足我們才能獲得一個(gè)博弈的納什平衡 此時(shí)，博弈的“價(jià)值”為 32在很多情況下，納什平衡鞍點(diǎn)根本就不存在此時(shí)對(duì)博弈雙方而言，可見(jiàn)信息便是決定博弈結(jié)果的關(guān)鍵如果游戲者按照給定順序選擇他們的行為，

9、那么對(duì)于第一個(gè)游戲者來(lái)說(shuō)保守的策略就是假定它之后的游戲者將會(huì)明了自己的行為 33對(duì)于信息隱藏而言：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(gè) 同樣的，攻擊者也會(huì)假定接收者能夠了解 并選擇相應(yīng)的這種情況下，博弈值為 34一個(gè)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(jì)面對(duì)這個(gè)無(wú)所不知的攻擊者，則有博弈的低值35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(shí)有 36另一種看法大量文章用熵的概念討論信息隱藏問(wèn)題，信息熵的概念真是研究信息隱藏技術(shù)的有力工具嗎？熵的理論是解決不確定性問(wèn)題的數(shù)學(xué)工具，而信息隱藏技術(shù)

10、未必是不確定性問(wèn)題，因此其合理性還需要有進(jìn)一步的解釋另外，有人提出用熵值的變化檢測(cè)圖像是否含有隱藏信息的建議也缺乏實(shí)際的意義，因?yàn)槲覀儫o(wú)法準(zhǔn)確地計(jì)算一幅圖像的熵 37觀點(diǎn)感覺(jué)信息是多維矢量 視覺(jué)器官接收的圖像信息包括亮度、顏色、物體的形狀大小、相對(duì)位置等聽(tīng)覺(jué)器官接收的聲音信息包括強(qiáng)度、方向、音色、音質(zhì)等觸覺(jué)器官接收的信息則包括溫度、濕度、硬度、光滑度和彈性等因此，各種感覺(jué)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 38信息感知系統(tǒng) 一般地把視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等器官叫做信息感知系統(tǒng)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(lái)接收信息從而了解外部世界時(shí)，也屬

11、于信息感知系統(tǒng) 例如發(fā)現(xiàn)是否存在隱藏信息的統(tǒng)計(jì)檢測(cè)方法也應(yīng)屬于信息感知系統(tǒng) 39信息記錄系統(tǒng) 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例如錄音機(jī)可以記錄聲音，但是錄音結(jié)果卻需要人們用耳朵去識(shí)別照相機(jī)可以拍下需要的景物，拍照結(jié)果還要人們用肉眼去觀察這樣一些儀器設(shè)備可以統(tǒng)稱為信息記錄系統(tǒng) 40信息隱藏技術(shù)的機(jī)理 假設(shè)信息記錄系統(tǒng)的靈敏度矢量為 ，信息感知系統(tǒng)的靈敏度矢量為 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(gè)區(qū)域 4142 一般地說(shuō)， 和 未必是全等或者全包含的關(guān)系這意味著，可以感知的信息未必全部能被記錄下來(lái)，能被記錄的信息也未必能被完全感知例如，我們只能感知數(shù)字圖像的主要部分，或者我們只能聽(tīng)出一段數(shù)字音樂(lè)的主要部分，許多信息記錄系統(tǒng)比起信息感知系統(tǒng)更加靈敏 43秘密信息M本來(lái)是可以感知的，即但是，如果我們能夠構(gòu)造一種映射F，使得M能從子空間 映射到子空間 中的 ，它就不能被感知了 44只要存在逆過(guò)程 F 可以使被隱藏的信息重新回到 而被感知，即 這樣，就實(shí)現(xiàn)了信息隱藏 45信息隱藏的目標(biāo)：在一定約束的情況下，找到這樣的映射F約束：失真約束46小結(jié)信息隱藏和數(shù)字水印系統(tǒng)通常被描述為隱蔽信息的通信模