信息隐藏技术

信息隐藏技术综述
信息隐藏简介
信息隐藏（Information Hiding），也称作数据隐藏（Data Hiding），或称作数字水印（Digital Watermarking）。

简单来讲，信息隐藏是指将某一信号（一般称之为签字信号，Signature Signal）嵌入（embedding）另一信号（一般称之为主信号，Host Signal，或称之为掩护媒体，cover-media）的过程，掩护媒体经嵌入信息后变成一个伪装媒体（stegano-media）。

这一嵌入过程需要满足下列条件[3]：
∙签字信号的不可感知性（Imperceptibility）。

换句话讲，签字信号嵌入后，主信号的感知特性没有明显的改变，签字信号被主信号"隐藏"了起来。

∙签字信号的鲁棒性（Robustness）。

签字信号对主信号的各种失真变换，如失真信号压缩、仿射变换、加噪、A/D或D/A转换等，以及各种恶意性攻击（Malicious
Attack），都应体现出一定的鲁棒性。

除非主信号的感知特性被明显的破坏，签字
信号将很难被去除。

∙一般来讲，签字信号的嵌入不增加主信号的存储空间和传输带宽。

也就是说，签字信号嵌入后，"表面"上很难觉察到信息的改变。

信息隐藏的发展历史可以一直追溯到"匿形术（Steganography）"的使用。

"匿形术"一词来源于古希腊文中"隐藏的"和"图形"两个词语的组合。

虽然"匿形术"与"密码术（Cryptography）"都是致力于信息的保密技术，但是，两者的设计思想却完全不同。

"密码术"主要通过设计加密技术，使保密信息不可读，但是对于非授权者来讲，虽然他无法获知保密信息的具体内容，却能意识到保密信息的存在。

而"匿形术"则致力于通过设计精妙的方法，使得非授权者根本无从得知保密信息的存在与否。

相对于现代密码学来讲，信息隐藏的最大优势在于它并不限制对主信号的存取和访问，而是致力于签字信号的安全保密性。

信息隐藏算法的基本框架
以下部分给出了基于正交变换的信息隐藏算法的基本框架，包括嵌入过程和检测过程两部分，分别如图2.1和图2.2所示。

算法2.1（基于变化域的信息隐藏嵌入算法）
1. 对原始主信号作正交变换；
2. 对原始主信号作感知分析；
3. 在步骤（2）的基础上，基于事先给定的关键字，在变换域上将签字信号嵌入主信号，
得到带有隐藏信息的主信号。

图2.1 信息隐藏算法的嵌入过程
算法2.2（基于变化域的信息隐藏检测算法）
1. 对原始主信号作感知分析；
2. 在步骤（1）的基础上，基于事先给定的关键字，在变换域上将原始主信号和可能带
有隐藏信息的主信号作对比，判断是否存在签字信号。

图2.2 信息隐藏算法的检测过程
2.3 信息隐藏的关键技术
信息隐藏技术的关键在于如何处理签字信号的鲁棒性、不可感知性、以及所嵌入的数据量这三者之间的关系。

判断信息隐藏算法优劣的一般衡量准则为：
1. 对于主信号发生的部分失真，签字信号是否具备一定的鲁棒性。

2. 对于有意或无意的窃取、干扰或去除操作，签字信号是否具备一定的"抵抗"能力，
从而保证隐藏信息的安全可靠和完整性。

3. 签字信号的嵌入是否严重降低了主信号的感知效果。

4. 数据嵌入量的大小。

对于某一特定的信息隐藏算法来讲，它不可能在上述的衡量准则下同时达到最优。

显然，数据的嵌入量越大，签字信号对原始主信号感知效果的影响也会越大；而签字信号的鲁棒性越好，其不可感知性也会就随之降低，反之亦然。

由于信息隐藏的应用领域十分宽广，不同的应用背景对其技术要求也不尽相同。

因此，有必要从不同的应用背景出发对信息隐藏技术进行分类，进而分别研究它们的技术需求。

根据应用背景的不同，信息隐藏技术大致可分为三类：
（1）版权保护（Copyright Protection）
到目前为止，信息隐藏技术的绝大部分研究成果都是在这一应用领域中取得的。

信息隐藏技术在应用于版权保护时，所嵌入的签字信号通常被称作"数字水印（Digital Watermark）"。

版权保护所需嵌入的数据量最小，但对签字信号的安全性和鲁棒性要求也最高，甚至是十分苛刻的。

为明确起见，应用于版权保护的信息隐藏技术一般称作"鲁棒型水印技术"，而所嵌入的签字信号则相应的称作"鲁棒型水印（Robust Watermark）"，从而与下文将要提到的"脆弱型水印"区别开来。

而一般所提到的"数字水印"则多指鲁棒型水印。

由于鲁棒型数字水印用于确认主信号的原作者或版权的合法拥有者，它必须保证对原始版权的准确无误的标识。

因为数字水印时刻面临着用户或侵权者有意或恶意的破坏，因此，鲁棒型水印技术必须保证在主信号可能发生的各种失真变换下，以及各种恶意攻击下都具备很高的抵抗能力。

与此同时，由于要求保证原始信号的感知效果尽可能不被破坏，因此对鲁棒型水印的不可见性也有很高的要求。

如何设计一套完美的数字水印算法，并伴随以制订相应的
安全体系结构和标准，从而实现真正实用的版权保护方案，是信息隐藏技术最具挑战性也最具吸引力的一个课题[6]。

（2）数据完整性鉴定（Integrity Authentication）
数据完整性鉴定，又称作数据篡改验证（Tamper Proof），是指对某一信号的真伪或完整性的判别，并进一步需要指出该信号与原始真实信号的差别，即提供有关证据指明真实信号可能经历的篡改操作[7]。

更形式化的讲，假定接收到一多媒体信号g（图像、音频或视频信号），初步判断它很可能是某一原始真实信号f的修改版本。

数据篡改验证的任务就是在对原始信号f的具体内容不可知的情况下，以最大的可能判断是否g=f。

一般的数据篡改验证过程如图2.3所示。

图2.3 数据篡改验证一般过程
实用的数据篡改验证方法应致力于满足以下要求[7]：
∙以最大的可能指出是否有某种形式的篡改操作发生；
∙提供对篡改后信号失真程度的度量方法；
∙在无从得知原始真实信号的内容或其他与真实信号内容相关的信息的条件下，判断可能发生的篡改操作的具体类别，如判别是滤波、压缩，还是替代操作等；与此同时，应根据具体的应用背景，对经篡改后的信号给出相应的可信度；
∙无需维护和同步操作任何与原始信号相分离的其它附加数据，即可恢复重建原始真实信号。

"脆弱型水印（Fragile Watermark）"技术为数据篡改验证提供了一种新的解决途径。

该水印技术在原始真实信号中嵌入某种标记信息，通过鉴别这些标记信息的改动，达到对原始数据完整性检验的目的。

因此，与鲁棒型水印不同的是，脆弱型水印应随着主信号的变动而做出相应的改变，即体现出脆弱性。

但是，脆弱型水印的脆弱性并不是绝对的。

对主信号的某些必要性操作，如修剪或压缩，脆弱型水印也应体现出一定的鲁棒性，从而将这些不影响主信号最终可信度的操作与那些蓄意破坏操作区分开来。

另一方面，对脆弱型水印的不可见性和所嵌入数据量的要求与鲁棒型水印是近似的。

（3）扩充数据的嵌入（Augmentation Data Embedding）
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等。

描述信息可以是特征定位信息、标题或内容注释信息等，而控制信息的嵌入则可实现对主信号的存取控制和监测。

例如，一方面针对不同所有权级别的用户，可以分别授予不同的存取权限。

另一方面，也可通过嵌入一类通常被称作"时间印章（Time Stamp）"的信息，以跟踪某一特定内容对象的创建、行为以及被修改的历史。

这样，利用信息隐藏技术可实现对这一对象历史使用操作信息的记录，而无需在原信号上附加头文件或历史文件，因为使用附加文件，一来容
易被改动或丢失，二来需要更多的传输带宽和存储空间。

与此同时，在给定的主信号中还可嵌入其它完整而有意义的媒体信号，例如在给定视频序列中嵌入另一视频序列。

因此，信息隐藏技术提供了这样一种非常有意义而且极具魅力的应用前景，它允许用户将多媒体信息剪裁成他们所需要的形式和内容[8]。

例如，在某一频道内收看电视，可以通过信息隐藏方法在所播放的同一个电视节目中嵌入更多的镜头以及多种语言跟踪，使用户能够按照个人的喜好和指定的语言方式播放。

这在一定意义上实现了视频点播（Video on Demand，VOD）的功能，而其最大的优点在于它减少了一般VOD服务所需的传输带宽和存储空间。