信息隐藏与数字水印技术专题培训PPT课件( 57页)
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信息隐藏技术_第四章_数字图像水印PPT课件
Robust against user level operations, e.g. image
compression.
2020/10/14
13
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按可见性分类
•不可见水印 •可见水印
2020/10/14
14
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按检测方式分类
•非盲检测 Non-blind detection
Use the original signal.
隐秘通道 隐写术 阈下信道 数字水印 可视分存
隐写 隐写分析 鲁棒水印 脆弱水印
2020/10/14
普通水印 数字指纹
4
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数字水印定义
•Digital watermarking is the process of embedding information into a digital signal. The signal may be audio, pictures or video, for example. If the signal is copied, then the information is also carried in the copy. •数字水印是永久镶嵌在其他数据(宿主数据) 中具有可鉴别性的的数字信号或模式，而 且并不影响宿主数据的可用性。
•Additive and multiplicative noise (gaussian, uniform, etc.)
•Filtering (High pass, low pass, linear, nonlinear, etc.)
•Lossy compression (JPEG, MPEG-x, H.26x, etc.)
2020/10/14
12
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精品课件-信息安全工程-第10章
第10章 信息隐藏与数字水印
(1)鲁棒性(Robustness):指不因图像文件的某种改动而 导致隐藏信息丢失的能力。这里所谓的“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。
(2)不可检测性(Undetectability):指隐蔽载体与原始载 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媒体内容保护能力的局限,一种新的保护
第10章 信息隐藏与数字水印
第10章 信息隐藏与数字水印
10.1 信息隐藏 10.2 数字水印 10.3 数字水印的关键技术 10.4 数字水印与版权保护 10.5 数字水印与电子交易 10.6 数字水印软件 10.7 数字水印应用实例 10.8 数字水印的研究动态与展望
第10章 信息隐藏与数字水印
第10章 信息隐藏与数字水印
10.2 数字水印 10.2.1 概述
随着多媒体技术与网络技术的飞速发展和广泛应用,对图 像、音频、视频等多媒体内容的保护成为迫切需要解决的问题。 对多媒体内容的保护分为两个部分:一是版权保护;二是内容完 整性(真实性)保护,即认证。
密码学中的认证方法对多媒体内容的保护无能为力:一方 面由于多媒体内容的真实性认证往往需容忍一定程度的失真, 而密码学中的认证方法不容许一个比特的改变;另一方面,用于 多媒体认证的认证信息往往需要直接嵌入多媒体内容中,不另 外保存认证信息,但密码学中的认证方法则需另外保存消息鉴 别码MAC。
(3)需要保护的时间长短不同。一般来说,用于版权保护 的鲁棒水印要求有较长时间的保护效力。
第10章 信息隐藏与数字水印
(4)对数据失真的容许程度不同。多媒体内容的版权保护 和真实性认证往往需容忍一定程度的失真,而加密后的数据不 容许一个比特的改变,否则无法脱密。
信息隐藏与数字水印技术
差分隐私的优点是能够提供强有力的 隐私保护，但缺点是可能会影响数据 分析的准确性。
03
数字水印技术原理
数字水印的嵌入方法
空域嵌入
直接修改图像的像素值来嵌入水印，通常用于可见水印。
频域嵌入
在图像的频率域中嵌入水印，通过修改图像的变换系数实现，具 有较好的鲁棒性。
量子嵌入
利用量子力学原理将水印信息以量子状态的形式隐藏在图像中， 具有极高的安全性。
02
信息隐藏技术原理
隐写术
隐写术是一种将秘密信息隐藏在普通数据中的技术。它通过改变数据的一 些属性，如像素值、音频信号幅度等，来编码秘密信息。
隐写术通常用于在不破坏原始数据的情况下传递秘密信息，接收者需要使 用特定的方法来提取隐藏的信息。
隐写术的优点是隐蔽性好，难以被察觉，但缺点是容量较小，只能传递少 量信息。
对于不同类型的数据，如音频、视频、图像等，信息隐藏和数字水 印技术的适用性和效果也有所不同，需根据实际情况选择。
根据安全性要求选择
如果对数据的安全性要求较高，可以选择信息隐藏技术；如果更关注 数据的完整性和来源认证，可以选择数字水印技术。
信息隐藏与数字水印技术的发展趋势
信息隐藏技术的进一步发 展
随着信息技术的不断进步，信息隐藏技术将 不断改进和完善，提高隐蔽性和鲁棒性。
数字水印技术的多元化应用
随着多媒体技术的普及，数字水印技术将广泛应用 于版权保护、内容认证等领域，并呈现出多元化的 发展趋势。
信息隐藏与数字水印技术 的融合
未来信息隐藏与数字水印技术将相互借鉴和 融合，形成更加高效和安全的信息保护技术 。
05
信息隐藏与数字水印技术的应用 案例
信息隐藏在数据传输中的应用案例
信息隐藏与数字水印技术的应用场景
03
数字水印技术原理
数字水印的嵌入方法
空域嵌入
直接修改图像的像素值来嵌入水印，通常用于可见水印。
频域嵌入
在图像的频率域中嵌入水印，通过修改图像的变换系数实现，具 有较好的鲁棒性。
量子嵌入
利用量子力学原理将水印信息以量子状态的形式隐藏在图像中， 具有极高的安全性。
02
信息隐藏技术原理
隐写术
隐写术是一种将秘密信息隐藏在普通数据中的技术。它通过改变数据的一 些属性，如像素值、音频信号幅度等，来编码秘密信息。
隐写术通常用于在不破坏原始数据的情况下传递秘密信息，接收者需要使 用特定的方法来提取隐藏的信息。
隐写术的优点是隐蔽性好，难以被察觉，但缺点是容量较小，只能传递少 量信息。
对于不同类型的数据，如音频、视频、图像等，信息隐藏和数字水 印技术的适用性和效果也有所不同，需根据实际情况选择。
根据安全性要求选择
如果对数据的安全性要求较高，可以选择信息隐藏技术；如果更关注 数据的完整性和来源认证，可以选择数字水印技术。
信息隐藏与数字水印技术的发展趋势
信息隐藏技术的进一步发 展
随着信息技术的不断进步，信息隐藏技术将 不断改进和完善，提高隐蔽性和鲁棒性。
数字水印技术的多元化应用
随着多媒体技术的普及，数字水印技术将广泛应用 于版权保护、内容认证等领域，并呈现出多元化的 发展趋势。
信息隐藏与数字水印技术 的融合
未来信息隐藏与数字水印技术将相互借鉴和 融合，形成更加高效和安全的信息保护技术 。
05
信息隐藏与数字水印技术的应用 案例
信息隐藏在数据传输中的应用案例
信息隐藏与数字水印技术的应用场景
信息隐藏技术ppt课件
LSB隐写是一种简单而又有效的信息隐藏技 术。其特点是容量大、对载体图像质量影响 小、嵌入速度快。可应用于灰度图像、彩色 图像、视频和音频等。
图像位平面越高,对灰度值的贡献越大
2.3 数字图像隐写-- LSB图像密写方法
LSB密写嵌入的基本方法：
LSB密写提取的基本方法
直接提取出最低比特位
1. 将欲嵌入的秘密信息转化为比特流
MN
d(m,n)2
MS=Em=1n1 MN
其中, d (m ,n )是位置(m ,n)上隐写图像和原始图像的像
素值的差值
10
3.2 基于LSB的隐写技术
隐写的图像质量评价方法:
PSNR(peak signal-to-noise ratio)
峰值信噪比
P= S -1 N 2 1 2 0 M 5 R m M = l 1 n N 1 5 o d N ( m , n g ) 2
2. Bmp图像的基本结构是什么？
3. 数字图像的像素是怎样定义位平面的？ 4. LSB算法的嵌入规则是什么？具有哪些优点？ LSB有如下缺点： 1) 嵌入消息较大时，所花时间较长。 2) 只能处理简单的流格式的文件。 3) 为了满足水印的不可见性，允许嵌入的水印强度较低，对空域的各种操作较为敏感。 4) 基本的LSB算法抗JPEG压缩能力弱。 5) 鲁棒性差。 LSB算法有如下优点： 1) 算法简单，易于实现，计算速度也快。 2) 在基础算法上能够很快的进行改进，并在脆弱性水印中应用广泛。 3) 由于能在最低有效位（一般是最后两位）进行嵌入，故对于256色（8位）的RGB图像 在3层图像中均可插入1/8到1/4的消息，总的来说，容量还是足够大的。
型、文件大小、偏移字节等信息； 2 位图信息头数据结构（40字节），它包含有BMP图像的长、
图像位平面越高,对灰度值的贡献越大
2.3 数字图像隐写-- LSB图像密写方法
LSB密写嵌入的基本方法：
LSB密写提取的基本方法
直接提取出最低比特位
1. 将欲嵌入的秘密信息转化为比特流
MN
d(m,n)2
MS=Em=1n1 MN
其中, d (m ,n )是位置(m ,n)上隐写图像和原始图像的像
素值的差值
10
3.2 基于LSB的隐写技术
隐写的图像质量评价方法:
PSNR(peak signal-to-noise ratio)
峰值信噪比
P= S -1 N 2 1 2 0 M 5 R m M = l 1 n N 1 5 o d N ( m , n g ) 2
2. Bmp图像的基本结构是什么？
3. 数字图像的像素是怎样定义位平面的？ 4. LSB算法的嵌入规则是什么？具有哪些优点？ LSB有如下缺点： 1) 嵌入消息较大时，所花时间较长。 2) 只能处理简单的流格式的文件。 3) 为了满足水印的不可见性，允许嵌入的水印强度较低，对空域的各种操作较为敏感。 4) 基本的LSB算法抗JPEG压缩能力弱。 5) 鲁棒性差。 LSB算法有如下优点： 1) 算法简单，易于实现，计算速度也快。 2) 在基础算法上能够很快的进行改进，并在脆弱性水印中应用广泛。 3) 由于能在最低有效位（一般是最后两位）进行嵌入，故对于256色（8位）的RGB图像 在3层图像中均可插入1/8到1/4的消息，总的来说，容量还是足够大的。
型、文件大小、偏移字节等信息； 2 位图信息头数据结构（40字节），它包含有BMP图像的长、
信息隐藏与数字水印技术
空域算法。该类算法中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位 (LSB:least significant bits)上 ，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重要的像素位 ，算法的鲁棒性差 ，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。Patchwork算法方法是随机选择Ｎ对像素点 (ai，bi) ，然后将每个ai点的亮度值加 1 ，每个bi点的亮度值减 1，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，Patchwork方法对JPEG压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。
透明性 (invisibility) 利用人类视觉系统或人类听觉系统属性 ，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 。
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 。
1 信息隐藏
1. 1 信息隐藏模型
信息隐藏 (Information Hiding)不同于传统的密码学技术。密码技术主要是研究如何将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式 (密文 )进行传递；而信息隐藏则主要研究如何将某一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息。对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全；但对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者则难以从公开信息中判断机密信息是否存在，难以截获机密信息，从而能保证机密信息的安全。多媒体技术的广泛应用，为信息隐藏技术的发展提供了更加广阔的领域。
信息隐藏与数字水印技术专题培训PPT公开课(57页)
128 127 127 … 121 124 124 … …… 86 85 87 …
利用以
信息隐藏的思想
– 数字信号处理理论（图像信号处理、音频信 号处理、视频信号处理等）
– 人类感知理论（视觉理论、听觉理论）
– 现代通信技术
– 密码技术
等为代表的伪装式信息隐藏方法来研究信息的保 密和安全问题
• 隐藏者
• 信息隐藏（Information Hiding）
✓ 利用人类感知系统以及计算机处理系统的 冗余
✓ 载体可以是任何一种多媒体数据，如音频、 视频、图像、甚至文本、数据等
✓ 被隐藏的信息也可以是任何形式（全部作 为比特流）
必要性
• 信息隐藏
– 加密：对秘密信息本身进行保护，但信息的传递过 程是暴露的
信息隐藏技术的分类
信息伪装
隐秘信道
伪装术
匿名通信
版权标识
基于语义的伪装术 基于技术的伪装术 稳健的版权标识 脆弱的数字水印
水印
指纹
不可见水印 可见水印
信息隐藏的历史
• 公元前440年出现用头发掩盖信息的方法 • 将信函隐藏在信使的鞋底、衣服的皱褶，
妇女的头饰、首饰中 • 在信函中改变字母笔画的高度，或在字
保信实号证息验的指 伪 表 目纹装明的和技，。实术这体研种A的究改相的变关内对性容古包典括音信乐息信隐号藏数和据信也息几的乎信版感息算权觉嵌法认不证到入，，信但息是访却问可不道的以合非安法常身有全份效信认地定阻等止。水印信信号息算的提法检取测定位，以达到难以提取Ｂ水印信
TTP（可信第三方）秘数密字消水印息协m议
信息隐藏与数字水印技术
—背景、算法及相关理论
王昭顺 北京科技问题
–两个囚犯A和B被关押在监狱的不同牢房，他们想通 过一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通 过看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者 怀疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间 的秘密信息
利用以
信息隐藏的思想
– 数字信号处理理论（图像信号处理、音频信 号处理、视频信号处理等）
– 人类感知理论（视觉理论、听觉理论）
– 现代通信技术
– 密码技术
等为代表的伪装式信息隐藏方法来研究信息的保 密和安全问题
• 隐藏者
• 信息隐藏（Information Hiding）
✓ 利用人类感知系统以及计算机处理系统的 冗余
✓ 载体可以是任何一种多媒体数据，如音频、 视频、图像、甚至文本、数据等
✓ 被隐藏的信息也可以是任何形式（全部作 为比特流）
必要性
• 信息隐藏
– 加密：对秘密信息本身进行保护，但信息的传递过 程是暴露的
信息隐藏技术的分类
信息伪装
隐秘信道
伪装术
匿名通信
版权标识
基于语义的伪装术 基于技术的伪装术 稳健的版权标识 脆弱的数字水印
水印
指纹
不可见水印 可见水印
信息隐藏的历史
• 公元前440年出现用头发掩盖信息的方法 • 将信函隐藏在信使的鞋底、衣服的皱褶，
妇女的头饰、首饰中 • 在信函中改变字母笔画的高度，或在字
保信实号证息验的指 伪 表 目纹装明的和技，。实术这体研种A的究改相的变关内对性容古包典括音信乐息信隐号藏数和据信也息几的乎信版感息算权觉嵌法认不证到入，，信但息是访却问可不道的以合非安法常身有全份效信认地定阻等止。水印信信号息算的提法检取测定位，以达到难以提取Ｂ水印信
TTP（可信第三方）秘数密字消水印息协m议
信息隐藏与数字水印技术
—背景、算法及相关理论
王昭顺 北京科技问题
–两个囚犯A和B被关押在监狱的不同牢房，他们想通 过一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通 过看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者 怀疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间 的秘密信息
【精品】信息隐藏技术与应用ppt课件
13.1.3声音传送环境
音频信息隐藏是指通过对声音文件作一些修改来嵌入信息，如作 者信息、产品序号、提示旁白等，这种修改的作用效果类似于向 声音文件中添加噪声数据。一般而言，此类修改必须做到不可觉 察和难以在不损坏原始信号的情况下去除。其实由环境因素引起 的声音变形也很常见，如周围的噪声、电路中的信号干扰等，且 易被听者所忽略。尤其是在将模拟声音信号转换到数字音频时需 要进行A/D转换，这就不可避免地要引入量化噪声。
一个数字格式的声音文件可在多种环境中传送。在图13.3中描述 了几种可能的形式。第一种为无损传输，如图13.3(a)所示，即信 号是在未作修改的环境中传送的，因此相位和幅值都没改变。在 第二种情况中(图13.3(b))，信号以更高或更低的采样率重新采样， 未改变相位和幅值，但改变了时域特性。第三种情况是将信号转 换成模拟的形式来传送(图13.3(c))。在这种情况下，即使认为模 拟线路是无干扰的，相位、幅值和采样率都改变了。最后一种情 况如图13.3(d)所示，当环境有干扰存在时，信号将被非线性地传 送，从而导致相位和幅值改变，以及引起回声等。
(3) 掩蔽效应
一种频率的声音阻碍听觉系统感受另一种频率的声音，这种现象 称为听觉掩蔽效应。前者称为掩蔽声音，后者称为被掩蔽声音。 听觉掩蔽取决于屏蔽声音与被掩蔽声音的幅值与时域特性，可分 为频域掩蔽和时域掩蔽。
频域掩蔽是指听觉信号中，若两个信号的频率相近，那么较强的 信号将淹没较弱的信号。实验证明低频信号可以有效地掩蔽高频 信号，但高频信号对低频信号的掩蔽作用不明显。在当代高质量 声音编码技术中就使用了频率掩蔽模型。
(6) 人类听觉系统对声音文件中附加的随机噪 声敏感，并能觉察出微小扰动。
(7) 人类听觉系统有很大的动态范围及较小的 分辨范围，HAS能察觉到大于100,000,000:1的 能量，也能感觉大于1000:1的频率范围，对加 性随机干扰也同样敏感。可以测出音频文件中 低于1/10,000,000(低于外界水平80dB)的扰动。 因此，较大的声音可屏蔽较小的声音。
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信息隐藏与数字水印技术
—背景、算法及相关理论
王昭顺 北京科技大学信息工程学院
信息隐藏问题描述
• 囚犯问题
–两个囚犯A和B被关押在监狱的不同牢房，他们想通 过一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通 过看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者 怀疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间 的秘密信息
密信息
• 信息隐藏（Information Hiding）
利用人类感知系统以及计算机处理系统的 冗余
载体可以是任何一种多媒体数据，如音频、 视频、图像、甚至文本、数据等
被隐藏的信息也可以是任何形式（全部作 为比特流）
必要性
• 信息隐藏
– 加密：对秘密信息本身进行保护，但信息的传递过 程是暴露的
128 127 127 … 121 124 124 … …… 86 85 87 …
利用以
信息隐藏的思想
– 数字信号处理理论（图像信号处理、音频信 号处理、视频信号处理等）
– 人类感知理论（视觉理论、听觉理论）
– 现代通信技术
– 密码技术
等为代表的伪装式信息隐藏方法来研究信息的保 密和安全问题
• 隐藏者
能力将载体对象和伪装对象区别开来 • 对伪装对象的正常处理，不应破坏隐藏
的信息
信息隐藏的攻击
• 被动攻击
–监视和破译隐藏的秘密信息
• 主动攻击
–破坏隐藏的秘密信息 –篡改秘密信息
• 非恶意修改
–压缩编码，信号处理技术，格式转换，等等
信息隐藏的健壮性
• 伪装载体受到某种攻击后，仍然能够从 中提取出隐藏信息，称为算法对这种攻 击是健壮的
– 隐藏：掩盖秘密信息存在的事实
• 将密码学与信息隐藏相结合，就可以同时保证 信息本身的安全和信息传递过程的安全
• 数字水印
– 数字产品的无失真复制的特点，造成版权保护和管 理方面的漏洞
技术上的可行性
• 利用人类感知系统的冗余
– 视觉 – 听觉
• 利用计算机处理系统的冗余
– 图像 视频 – 音频
• 利用各种潜信道
尽可能多地将信息隐藏在公开消息之中
尽可能不让对手发现任何破绽
• 攻击者
尽可能地发现和破坏对手利用信息隐藏技术隐藏在公开消息 中的机密信息
信息隐藏与信息安全
• 信息隐藏（伪装）就是将秘密信息秘密地隐藏 于另一非机或一般 的文档等等；
• 看守者
–被动看守者：只是检查传递的信息有没有可疑的地方 –主动看守者：故意去修改一些可能隐藏有信息的地方，
或者假装自己是其中的一个囚犯，隐藏进伪造的消息， 传递给另一个囚犯
信息隐藏问题
0 1 1… 1 0 0… …… 0 1 1…
128 127 126 … 120 123 124 … …… 85 85 86 …
信息隐藏的应用
• 军事和情报部门
–军事通信中通常使用诸如扩展频谱调制或流星 散射传输的技术使得信号很难被敌方检测到或 破坏掉
–伪装式隐蔽通信正是可以达到不被敌方检测和 破坏的目的
• 需要匿名的场合
–包括很多合法的行为，如公平的在线选举、个 人隐私的安全传递、保护在线自由发言、使用 电子现金等
• 密码仅仅隐藏了信息的内容，而信息伪装不但 隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在；
• 传统的以密码学为核心技术的信息安全和伪装 式信息安全技术不是互相矛盾、互相竞争的技 术，而是互补的；
内容
• 信息伪装技术研究的内容包括信息隐藏和信 息的版权认证，信息访问的合法身份认定等。 其研究涉及密码学，图象处理，模式识别， 数学和计算机科学等领域。
母上（下）面挖非常小的孔 • 17世纪的无形墨水：在特定的字母上制
作非常小的斑点 • 19世纪的微缩胶片
• 化学方式实现的高级隐写术
– 用笔蘸淀粉水写在白纸上，喷上碘水后显示棕 色字体
• 艺术作品中隐写术
– 变形夸张的绘画作品 – 二次大战女钢琴家的慰问演出
• 藏头诗
藏头诗
我闻西方大力士，为人了却凡心。 秋来明月照蓬门，香满禅房幽径。 屈指灵山会后，居然紫竹成林。 童男童女拜观音，仆仆何嫌荣顿？
• 隐藏容量、安全性、健壮性相互制约
LSB数字水印和健壮性问题
Watermark (50 x 20 pixels)
Watermarked Image
Recovered Watermark
LSB的健壮性很差
Recovered Watermark
Recovered Watermark
after addition of 1% Gaussian Noise after JPEG Compression with Quality 95
我画蓝江水悠悠，爱晚厅上枫叶愁。 秋月溶溶照佛寺，香烟袅袅绕经楼。
离合诗（Acrostic）
七律•问缘 我常夜半询姻命， 与月为邻爱晚星。 秋槿含情风后落， 香獐有意谷间鸣。 天街雨过涤新树， 长路云收现旧亭。 地老皆缘蕃草木， 久愁比翼痛风铃。
施耐庵《水浒传》第61回 吴用诱使卢俊义将离合诗
卢花潭上有扁舟， 俊杰黄昏独自游。 义到尽头原有命， 反弓逃难必无忧。
题于墙上，使卢俊义遭官府 迫害逼上梁山
信息隐藏的原理框图
载体信 息源
A 秘密消息m
载体对象c
伪装对象c’
信息嵌入 算法
不安全信 道
信息提取 算法
Ｂ 秘密消息m
密钥k
信息隐藏的原理框图
实现信息隐藏的基本要求
• 载体对象是正常的，不会引起怀疑 • 伪装对象与载体对象无法区分，无论从
感观上，还是从计算机的分析上 • 信息隐藏的安全性取决于第三方有没有
• 特性：
1）隐蔽性; 2）安全性; 3）对称性; 4）可纠错性。
• 信息隐藏的应用
– 信息隐藏
伪装式隐蔽通信
– 数字水印 – 数字版权管理DRM
数字产品的版权保护
• 信息伪装技术（广义信息隐藏）
– 为防止数据泄漏，在某种载体中嵌入数据 – 古代的隐写术（Steganography）：隐蔽机
信息隐藏技术的分类
信息伪装
隐秘信道
伪装术
匿名通信
版权标识
基于语义的伪装术 基于技术的伪装术 稳健的版权标识 脆弱的数字水印
水印
指纹
不可见水印 可见水印
信息隐藏的历史
• 公元前440年出现用头发掩盖信息的方法 • 将信函隐藏在信使的鞋底、衣服的皱褶，
妇女的头饰、首饰中 • 在信函中改变字母笔画的高度，或在字
—背景、算法及相关理论
王昭顺 北京科技大学信息工程学院
信息隐藏问题描述
• 囚犯问题
–两个囚犯A和B被关押在监狱的不同牢房，他们想通 过一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通 过看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者 怀疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间 的秘密信息
密信息
• 信息隐藏（Information Hiding）
利用人类感知系统以及计算机处理系统的 冗余
载体可以是任何一种多媒体数据，如音频、 视频、图像、甚至文本、数据等
被隐藏的信息也可以是任何形式（全部作 为比特流）
必要性
• 信息隐藏
– 加密：对秘密信息本身进行保护，但信息的传递过 程是暴露的
128 127 127 … 121 124 124 … …… 86 85 87 …
利用以
信息隐藏的思想
– 数字信号处理理论（图像信号处理、音频信 号处理、视频信号处理等）
– 人类感知理论（视觉理论、听觉理论）
– 现代通信技术
– 密码技术
等为代表的伪装式信息隐藏方法来研究信息的保 密和安全问题
• 隐藏者
能力将载体对象和伪装对象区别开来 • 对伪装对象的正常处理，不应破坏隐藏
的信息
信息隐藏的攻击
• 被动攻击
–监视和破译隐藏的秘密信息
• 主动攻击
–破坏隐藏的秘密信息 –篡改秘密信息
• 非恶意修改
–压缩编码，信号处理技术，格式转换，等等
信息隐藏的健壮性
• 伪装载体受到某种攻击后，仍然能够从 中提取出隐藏信息，称为算法对这种攻 击是健壮的
– 隐藏：掩盖秘密信息存在的事实
• 将密码学与信息隐藏相结合，就可以同时保证 信息本身的安全和信息传递过程的安全
• 数字水印
– 数字产品的无失真复制的特点，造成版权保护和管 理方面的漏洞
技术上的可行性
• 利用人类感知系统的冗余
– 视觉 – 听觉
• 利用计算机处理系统的冗余
– 图像 视频 – 音频
• 利用各种潜信道
尽可能多地将信息隐藏在公开消息之中
尽可能不让对手发现任何破绽
• 攻击者
尽可能地发现和破坏对手利用信息隐藏技术隐藏在公开消息 中的机密信息
信息隐藏与信息安全
• 信息隐藏（伪装）就是将秘密信息秘密地隐藏 于另一非机或一般 的文档等等；
• 看守者
–被动看守者：只是检查传递的信息有没有可疑的地方 –主动看守者：故意去修改一些可能隐藏有信息的地方，
或者假装自己是其中的一个囚犯，隐藏进伪造的消息， 传递给另一个囚犯
信息隐藏问题
0 1 1… 1 0 0… …… 0 1 1…
128 127 126 … 120 123 124 … …… 85 85 86 …
信息隐藏的应用
• 军事和情报部门
–军事通信中通常使用诸如扩展频谱调制或流星 散射传输的技术使得信号很难被敌方检测到或 破坏掉
–伪装式隐蔽通信正是可以达到不被敌方检测和 破坏的目的
• 需要匿名的场合
–包括很多合法的行为，如公平的在线选举、个 人隐私的安全传递、保护在线自由发言、使用 电子现金等
• 密码仅仅隐藏了信息的内容，而信息伪装不但 隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在；
• 传统的以密码学为核心技术的信息安全和伪装 式信息安全技术不是互相矛盾、互相竞争的技 术，而是互补的；
内容
• 信息伪装技术研究的内容包括信息隐藏和信 息的版权认证，信息访问的合法身份认定等。 其研究涉及密码学，图象处理，模式识别， 数学和计算机科学等领域。
母上（下）面挖非常小的孔 • 17世纪的无形墨水：在特定的字母上制
作非常小的斑点 • 19世纪的微缩胶片
• 化学方式实现的高级隐写术
– 用笔蘸淀粉水写在白纸上，喷上碘水后显示棕 色字体
• 艺术作品中隐写术
– 变形夸张的绘画作品 – 二次大战女钢琴家的慰问演出
• 藏头诗
藏头诗
我闻西方大力士，为人了却凡心。 秋来明月照蓬门，香满禅房幽径。 屈指灵山会后，居然紫竹成林。 童男童女拜观音，仆仆何嫌荣顿？
• 隐藏容量、安全性、健壮性相互制约
LSB数字水印和健壮性问题
Watermark (50 x 20 pixels)
Watermarked Image
Recovered Watermark
LSB的健壮性很差
Recovered Watermark
Recovered Watermark
after addition of 1% Gaussian Noise after JPEG Compression with Quality 95
我画蓝江水悠悠，爱晚厅上枫叶愁。 秋月溶溶照佛寺，香烟袅袅绕经楼。
离合诗（Acrostic）
七律•问缘 我常夜半询姻命， 与月为邻爱晚星。 秋槿含情风后落， 香獐有意谷间鸣。 天街雨过涤新树， 长路云收现旧亭。 地老皆缘蕃草木， 久愁比翼痛风铃。
施耐庵《水浒传》第61回 吴用诱使卢俊义将离合诗
卢花潭上有扁舟， 俊杰黄昏独自游。 义到尽头原有命， 反弓逃难必无忧。
题于墙上，使卢俊义遭官府 迫害逼上梁山
信息隐藏的原理框图
载体信 息源
A 秘密消息m
载体对象c
伪装对象c’
信息嵌入 算法
不安全信 道
信息提取 算法
Ｂ 秘密消息m
密钥k
信息隐藏的原理框图
实现信息隐藏的基本要求
• 载体对象是正常的，不会引起怀疑 • 伪装对象与载体对象无法区分，无论从
感观上，还是从计算机的分析上 • 信息隐藏的安全性取决于第三方有没有
• 特性：
1）隐蔽性; 2）安全性; 3）对称性; 4）可纠错性。
• 信息隐藏的应用
– 信息隐藏
伪装式隐蔽通信
– 数字水印 – 数字版权管理DRM
数字产品的版权保护
• 信息伪装技术（广义信息隐藏）
– 为防止数据泄漏，在某种载体中嵌入数据 – 古代的隐写术（Steganography）：隐蔽机
信息隐藏技术的分类
信息伪装
隐秘信道
伪装术
匿名通信
版权标识
基于语义的伪装术 基于技术的伪装术 稳健的版权标识 脆弱的数字水印
水印
指纹
不可见水印 可见水印
信息隐藏的历史
• 公元前440年出现用头发掩盖信息的方法 • 将信函隐藏在信使的鞋底、衣服的皱褶，
妇女的头饰、首饰中 • 在信函中改变字母笔画的高度，或在字