《信息隱藏技術(shù)》課件-第1章

第一章緒論1.1信息隱藏技術(shù)的概念1.2信息隱藏技術(shù)的優(yōu)勢(shì)1.3信息隱藏技術(shù)的研究意義以及應(yīng)用領(lǐng)域1.4學(xué)習(xí)重點(diǎn)1.5知識(shí)體系和學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)

1.1

信息隱藏技術(shù)的概念

本書以數(shù)字圖像和三維模型作為信息隱藏載體,介紹基于數(shù)字圖像和三維模型的信息隱藏技術(shù)。首先,對(duì)基于數(shù)字圖像和三維模型的信息隱藏技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵問題——信息隱藏區(qū)域和隱藏規(guī)則進(jìn)行講解。

其次,根據(jù)信息隱藏區(qū)域的生成原則以及信息隱藏嵌入規(guī)則,按照空間域和變換域的分類方法對(duì)信息隱藏算法進(jìn)行講授,介紹性能較為全面的信息隱藏算法;此外,將信息隱藏算法按照功能進(jìn)行細(xì)節(jié)分解,以系統(tǒng)的思想對(duì)算法進(jìn)行剖析與擴(kuò)展,提出基于數(shù)字圖像和三維模型的信息隱藏系統(tǒng)。

最后,根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能劃分,對(duì)信息隱藏系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析研究。

1.2信息隱藏技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.2.1-信息隱藏技術(shù)較加密技術(shù)的優(yōu)勢(shì)加密技術(shù)是實(shí)現(xiàn)隱秘通信的重要手段之一,通過對(duì)明文(秘密信息)進(jìn)行加密處理形密文,把原始信息轉(zhuǎn)換成不可讀形式,從而實(shí)現(xiàn)秘密通信。加密技術(shù)最大的特點(diǎn)在于可以使用公用信道來(lái)實(shí)現(xiàn)秘密通信,因此得到了廣泛的應(yīng)用。信息隱藏技術(shù)較密碼學(xué)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如圖1-1所示。

圖1-1

信息隱藏較密碼學(xué)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)示意

信息隱藏技術(shù)的核心思想在于對(duì)信息的存在與否進(jìn)行保密,而對(duì)欲隱藏的信息本身并沒有要求。通常情況下,為了使秘密通信更加安全,首先將欲隱藏的信息進(jìn)行加密處理,而后再應(yīng)用信息隱藏技術(shù)將其隱藏在普通載體中,從而實(shí)現(xiàn)了比密碼學(xué)更加可靠的安全傳輸,達(dá)到秘密通信的“雙保險(xiǎn)”,其原理如圖1-2所示。

圖1-2基于信息隱藏技術(shù)的隱秘通信“雙保險(xiǎn)”示意

1.2.2信息隱藏技術(shù)較安全信道技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

安全信道是實(shí)現(xiàn)隱秘通信的重要手段之一,它是一種專為發(fā)送者和接受者建立的私有信息通道,除了發(fā)送者和接受者,其他人無(wú)法訪問。安全信道雖然安全性好,但需要布設(shè)專門的通信鏈路,因此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,代價(jià)昂貴。另外,實(shí)施秘密通信的雙方有時(shí)根本不具備布設(shè)安全信道的條件。安全信道的發(fā)送和接收端需要專門的安全管理及隱蔽措施,這樣的機(jī)制極其容易暴露發(fā)送者和接受者的身份,使通信鏈中斷,人員受到危險(xiǎn)。

1.3信息隱藏技術(shù)的研究意義以及應(yīng)用領(lǐng)域

1.3.1-信息隱藏技術(shù)的研究意義

1.完善信息安全體系,提高國(guó)家信息安全水平信息隱藏技術(shù)為信息安全傳遞提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。幾乎所有的軍事信息都涉及國(guó)家安全,但也時(shí)刻受到竊取與破壞的威脅。應(yīng)用信息隱藏技術(shù)是保障軍事信息安全傳輸與交互的重要技術(shù)手段。可以肯定的是,信息隱藏技術(shù)的進(jìn)步可以完善信息安全系統(tǒng),提高國(guó)家信息安全水平。

2.提高信息檢測(cè)能力,維護(hù)國(guó)家安全

任何技術(shù)本身是沒有好壞之分的,關(guān)鍵在于技術(shù)使用者應(yīng)用的目的。如今,信息隱藏技術(shù)也被不法分子所利用。不少恐怖組織以Internet為聯(lián)系工具實(shí)現(xiàn)散布消息、籌集資金、

籌劃攻擊活動(dòng)等目的。遍布于全球各個(gè)角落的恐怖分子已經(jīng)開始使用圖像、音頻和視頻文件等作為載體,通過信息隱藏技術(shù)來(lái)躲避國(guó)際反恐機(jī)構(gòu)的監(jiān)控。

1.3.2信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

信息隱藏技術(shù)是一種信息處理技術(shù),它的應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有涉及到安全通信的領(lǐng)域,尤其是在軍事、政治、經(jīng)濟(jì)、文化等方面都有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

1.軍事方面

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,即使通信內(nèi)容已經(jīng)被加密,但隨著數(shù)學(xué)學(xué)科的自身發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,原來(lái)加密算法依賴的“計(jì)算不可行性”的數(shù)學(xué)問題可能變得容易求解。而且,敵方也

會(huì)從加密舉動(dòng)發(fā)現(xiàn)端倪,進(jìn)而啟發(fā)攻擊者進(jìn)行破解。在某些情況下,雖然敵方不能進(jìn)行有效的破譯,但是可以很容易地對(duì)信息加以破壞,使得信息傳輸失敗。所以,戰(zhàn)爭(zhēng)中更多的是應(yīng)用信息隱藏技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳輸,把秘密信息隱藏于敵人難于注意的公開信息中,掩蓋了通信存在的事實(shí),使得攻擊者難以檢測(cè)或攻擊信號(hào),瞞天過海,達(dá)到信息安全傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.政治方面

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和傳播手段的迅猛發(fā)展與廣泛運(yùn)用,輿論彰顯出前所未有的獨(dú)特作用和巨大能量,對(duì)社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家安全的重要影響日益顯現(xiàn)。在政治方面,輿論可以通過

生動(dòng)鮮活、具體直接的內(nèi)容和形式,持續(xù)不斷地為政權(quán)合法性提供注解和例證,增強(qiáng)人們對(duì)現(xiàn)存社會(huì)制度和政治秩序的心理認(rèn)同與支持,不斷為政權(quán)合法性補(bǔ)給能量。

從輿論傳播的時(shí)代特征看,以網(wǎng)絡(luò)為代表的新興媒體,已逐漸擔(dān)負(fù)起跨媒體、跨區(qū)域、跨層次輿論傳播媒介的角色,日趨成為輿論生成的策源地、輿論傳播的集散地、輿論交鋒

的主陣地。在這個(gè)陣地上,秘密進(jìn)行的輿論擴(kuò)散、反饋、再擴(kuò)散的速度加快,甚至呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。輿論形成機(jī)制和傳播方式的變化,加大了輿論傳播的離散性、多變性和復(fù)雜性,

輿情分析和輿論引導(dǎo)的難度都大為增加。

3.經(jīng)濟(jì)方面

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與多媒體技術(shù)的結(jié)合,大大拓寬了網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍,數(shù)字媒體通過網(wǎng)絡(luò)傳輸改變了原有媒體發(fā)布和物流形式。信息隱藏技術(shù)可以有效地保護(hù)數(shù)字媒體中諸如發(fā)行、版

權(quán)管理以及播放權(quán)限等各種問題。另外,在醫(yī)療領(lǐng)域,尤其是醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)中,為了防止患者的文字資料與診斷圖片分離造成的醫(yī)療信息丟失,將患者的姓名等信息嵌入到診斷圖片中是很有用的安全措施。還有,信息隱藏技術(shù)在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字媒體多信息呈現(xiàn)方面,提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

4.文化方面

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,使得信息的共享方式發(fā)生了巨大的變化,人類獲取信息的來(lái)源越來(lái)越多樣,如何有效監(jiān)管與控制信息,使信息的讀取和使用權(quán)與使用者匹配成為現(xiàn)今需要解決的問題。利用信息隱藏技術(shù),可以在不影響媒體效果的同時(shí),對(duì)媒體進(jìn)行額外的信息標(biāo)識(shí)與控制。

1.4學(xué)習(xí)重點(diǎn)

信息隱藏技術(shù)的學(xué)習(xí)主要集中于三點(diǎn):一是信息隱藏算法;二是信息隱藏系統(tǒng);三是信息隱藏系統(tǒng)安全性分析。

1.4.1

信息隱藏算法

信息隱藏技術(shù)中,最為關(guān)鍵的就是信息隱藏算法的學(xué)習(xí)。

1.信息隱藏的可行性分析

基于數(shù)字圖像和三維模型的信息隱藏技術(shù)的可行性來(lái)自于數(shù)字圖像和三維模型信號(hào)相對(duì)于人類視覺的冗余,在人眼無(wú)法感知的數(shù)據(jù)成分中通過修改信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行秘密信息的隱

藏,通常是對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)(空間域)或描述參數(shù)(變換域)做一定的修改或替換來(lái)實(shí)現(xiàn)一種“非加密”方式的信息隱藏。

圖1-3為一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字圖像實(shí)例,圖(a)大小為2083K,經(jīng)過壓縮后,圖(b)的數(shù)據(jù)量?jī)H為原圖的4%左右(92K),但是人類視覺系統(tǒng)(HumanVisualSystem,HVS)很難感知到壓縮所帶來(lái)的變化,可見去除冗余對(duì)展現(xiàn)圖像內(nèi)容本身沒有任何影響。所以認(rèn)為,對(duì)原本壓縮過程中欲丟棄的數(shù)據(jù)進(jìn)行保留后替換,人類視覺系統(tǒng)是很難識(shí)別出圖像修改前后的差別的。

圖1-3數(shù)字圖像冗余實(shí)例

圖1-4為一個(gè)簡(jiǎn)單的三維模型實(shí)例。圖(a)為原始未修改的三維圖像,圖(b)為部分修改后的三維圖像。人類視覺無(wú)法判斷圖(a)和圖(b)的區(qū)別與變化。圖(c)為圖(a)的局部放大圖像,圖(d)為圖(b)的局部放大圖像,借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行局部放大,才能看到較為明顯的區(qū)別。

圖1-4三維模型冗余實(shí)例

從視覺科學(xué)與信號(hào)處理的角度來(lái)看,信息隱藏可以視為在原始圖像下(強(qiáng)背景)疊加隱藏信息(弱信號(hào))。由于HVS分辨率的限制,只要疊加的弱信號(hào)的信息特性低于HVS門限值(對(duì)比門限等),HVS就無(wú)法感受到信號(hào)的存在,從而達(dá)到信息隱藏的目的,這就是信息隱藏技術(shù)的可行性所在。

2.信息隱藏算法的分類

信息隱藏算法的分類方法眾多,典型的大致有以下四種分類方法。

1)按應(yīng)用對(duì)象分類

按照應(yīng)用對(duì)象分類,信息隱藏算法主要分成秘密通信技術(shù)、載體標(biāo)記技術(shù)以及額外信息服務(wù)技術(shù)。秘密通信技術(shù)旨在完成信息的秘密傳輸;載體標(biāo)記技術(shù)則是要完成對(duì)載體的

注釋,例如媒體的所有權(quán)或版權(quán)等相關(guān)信息;額外信息服務(wù)技術(shù)則是在載體中嵌入一些與載體和載體功能有關(guān)的信息數(shù)據(jù),使媒體工具(如圖像播放器、瀏覽器)可以提取和執(zhí)行額外的相關(guān)功能,完成分級(jí)控制、圖像注釋以及權(quán)限播放等功能。

2)按密鑰分類

按密鑰分類,信息隱藏算法可分為無(wú)密鑰信息隱藏和有密鑰信息隱藏兩大類。無(wú)密鑰信息隱藏是指秘密信息在嵌入到隱秘載體之前不做任何加密處理,同時(shí)信息隱藏過程也無(wú)

密鑰控制,秘密信息的安全保障完全依賴信息隱藏系統(tǒng)的安全性;而有密鑰的信息隱藏可以根據(jù)加密理論進(jìn)行信息和嵌入的加密,有密鑰的信息隱藏在嵌入和提取時(shí)采用相同的密

鑰,因此也被稱為對(duì)稱信息隱藏技術(shù),反之則被稱為非對(duì)稱信息隱藏技術(shù)。

3)按隱藏嵌入域分類

按照隱藏算法所基于的嵌入域進(jìn)行分類,信息隱藏算法主要分為基于空間域的信息隱藏算法和基于變換域的信息隱藏算法?？臻g域方法是在數(shù)字圖像的空間范圍內(nèi)(例如像素

值、顏色空間分量、位平面等)直接用隱藏信息來(lái)替換載體信息中的冗余部分。變換域方法是把欲隱藏的信息嵌入到載體的一個(gè)變換空間(例如離散余弦變換的系數(shù)矩陣等)中。當(dāng)

然,現(xiàn)在的一些算法同時(shí)基于空間域與變換域。

4)按提取要求分類

根據(jù)提取是否利用原始載體可以分成兩種信息隱藏算法。若在提取隱藏信息時(shí)不需要利用原始載體,則稱為盲信息隱藏算法,否則稱為非盲信息隱藏算法。

1.4.2信息隱藏系統(tǒng)

1.信息隱藏系統(tǒng)特性

信息隱藏系統(tǒng)是支撐秘密通信的專有應(yīng)用系統(tǒng),所以秘密性與通信性是衡量信息隱藏系統(tǒng)的根本特性,而這兩個(gè)特性中分別包括不可見性和抗分析性以及魯棒性和容量性,如圖1-5所示。

圖1-5信息隱藏系統(tǒng)特性示意

1)秘密性

秘密性是要求信息隱藏系統(tǒng)可以秘密地傳輸信息,使有意進(jìn)行信息截取和破壞的攻擊無(wú)法找到信息傳輸跡象,或者無(wú)法分析和提取秘密信息。秘密性具體可以概括為系統(tǒng)的不

可見性和抗分析性,詳細(xì)概念見表1-1所示。

2)通信性

系統(tǒng)的通信性是應(yīng)用層面上的一個(gè)要求,針對(duì)這個(gè)要求,信息隱藏系統(tǒng)需要滿足魯棒性和容量性,具體概念如表1-2所示。

2.信息隱藏系統(tǒng)的組成要素

根據(jù)信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo),一套完整的信息隱藏系統(tǒng)應(yīng)該包括兩個(gè)子系統(tǒng)和9個(gè)功能模塊。子系統(tǒng)分別是預(yù)處理子系統(tǒng)和嵌入子系統(tǒng),9個(gè)模塊包括信息加密模塊、信息

編碼模塊、載體選擇模塊、算法選擇模塊、載體解析模塊、置亂模塊、優(yōu)化模塊、信息嵌入模塊以及補(bǔ)丁模塊。9個(gè)模塊包含在兩個(gè)子系統(tǒng)中,隸屬關(guān)系如圖1-6所示。

圖1-6信息隱藏系統(tǒng)的組成要素以及隸屬關(guān)系

信息隱藏系統(tǒng)中,9個(gè)模塊各自發(fā)揮其中的作用,表1-3是對(duì)各個(gè)模塊做的簡(jiǎn)要概括。

1.4.3信息隱藏系統(tǒng)安全性分析

信息隱藏技術(shù)是一門安全學(xué)科,應(yīng)該有專屬的性能分析體系,以便信息隱藏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和使用者預(yù)測(cè)和掌握系統(tǒng)的安全程度。

1.信息隱藏系統(tǒng)安全性分析的理論基礎(chǔ)

1)定性評(píng)估方法

定性評(píng)估是使用最廣泛的評(píng)估分析方法,它有很強(qiáng)的主觀性,需要憑借分析者的經(jīng)驗(yàn)、直覺或者業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)和慣例,為系統(tǒng)諸要素的大小或高低程度定性分級(jí)。定性分析操作簡(jiǎn)單,通常不使用具體的數(shù)據(jù),而是以制定期望值進(jìn)行操作。表1-4給出定性方法在定義信息隱藏系統(tǒng)不可見性時(shí)的示例。

2)定量評(píng)估方法

定量評(píng)估就是試圖以數(shù)值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)估和衡量的一種方法。定量評(píng)估方法的思想很明確,對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)安全威脅的各個(gè)要素、潛在影響和損失等賦予數(shù)值或貨幣金額。基

于定量評(píng)估方法的信息隱藏系統(tǒng)的安全性分析方法中,當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊(兩個(gè)子系統(tǒng)和9個(gè)模塊)、應(yīng)用要素(涉密等級(jí)、泄密影響、信息價(jià)值和傳輸要求)以及度量系統(tǒng)的所有要素(不可見性、魯棒性、抗分析性和容量性)等都被賦值時(shí),評(píng)估的整個(gè)過程和結(jié)果均可以被量化。

2.信息隱藏系統(tǒng)安全性分析的學(xué)習(xí)思路

本書以信息安全評(píng)估方法為基礎(chǔ),講授適應(yīng)于信息隱藏系統(tǒng)的安全分析方法,并根據(jù)方法所需要的信息與結(jié)構(gòu),提取相關(guān)的信息隱藏系統(tǒng)的分析要素,對(duì)信息隱藏系統(tǒng)的安全性分析進(jìn)行研究。信息隱藏系統(tǒng)安全性分析的學(xué)習(xí)思路如圖1-7所示。圖1-7信息隱藏系統(tǒng)安全性分析的學(xué)習(xí)導(dǎo)圖

1)安全要素

一般來(lái)講,系統(tǒng)的安全要素要從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及運(yùn)行方法進(jìn)行分析提取,根據(jù)以上提取原則,信息隱藏系統(tǒng)的安全要素包括:隱藏信息、載體圖像、預(yù)處理系統(tǒng)以及嵌入算法。

2)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)要求的基本特性,評(píng)估的過程就是衡量安全要素是否達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的過程。信息隱藏系統(tǒng)的安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)即為信息隱藏系統(tǒng)的性能要求:不可見性、魯棒性、

抗分析性以及容量性。

3)層次結(jié)構(gòu)

任何系統(tǒng)從功能和運(yùn)行等方面分析,均有一定的層次結(jié)構(gòu),系統(tǒng)評(píng)估往往需要利用受評(píng)系統(tǒng)的層次進(jìn)行評(píng)估分析和操作,以方便提取、判斷、綜合各安全要素的權(quán)重和安全狀

況以及整改措施的制定。層次建立的基本方法(從上到下)一般是系統(tǒng)安全目標(biāo)、系統(tǒng)安全要素以及系統(tǒng)安全特性(評(píng)估標(biāo)準(zhǔn))。信息隱藏系統(tǒng)的安全性評(píng)估層次結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。

圖1-8信息隱