《信息隐藏概论》（陆明哲）复习笔记——第二章

目录

第一章总结
第二章总结
第三章总结
第三章总结

第二章 隐写术

隐写术概念：将秘密信息嵌入到看上去普通的信息中进行传 送，以防止第三方检测出秘密信息
隐写系统的要求：

• 不可察觉性
• 盲隐藏
• 安全性主要取决于第三方区分载体 对象和隐写对象之间差别的能力
• 载体对象要含有足够多的冗余以便能被秘密信 息所替换
• 同一载体对象不应当被使用两次

隐写术与密码术的不同：
除了试图隐藏信息的内容，更进一步试图隐藏 通信事件本身的存在性

隐写系统的性能评价

• 透明性/不可感知性 【信息隐藏系统的基本要求】
  • 以音频载体为例
    • 用隐写对象的听觉质量来刻画（嵌入了秘密信息后， 人耳对隐写对象中秘密信息的察觉度）
    • 主观质量标准：
    • 客观评价方法：
  • 以图像载体为例
    • 用隐写对象的视觉质量来刻画
    • 主观评价法：以人的主观意念来评价图像质量的方法
    • 客观性评价
• 秘密信息的正确恢复率（鲁棒性）
  • 误码率nc进行评价（实验内容）
• 隐写容量
  • 表示在保证不可感知条件下在给定的载体对象中能够 隐藏秘密信息的最大信息量，以二进制数的位数为单位。
  • 不可感知性、鲁棒性和隐藏信息量之间进行折衷
  • 隐写者的目的是找到一种合适的隐写方案使隐写 系统能够安全、可靠传输的信息量最大
  • 攻击者的目的则是试图找到一种使隐写系统传输 尽量少信息量的攻击方案，然后实施攻击。
• 安全性
  • 主动攻击：攻击者恶意篡改或伪装秘密信息，破 坏通信双方的通信
  • 被动攻击：攻击者对秘密信息的检测和提取
    • 感知检测和统计检测
  • 隐写术的理论的安全性主要指对被动攻击者的检测的 免疫性能
• 系统复杂度
  • 反映的是秘密信息的嵌入和提取过程中的计算复杂度
  • 参数通常用单位时间内进行的乘、加运算次数和存储 量等来描述

基于文本载体的隐写术

目前在文本中隐藏数据的主要方法

• 将信息直接编码到文本内容中（利用语言的 自然冗余性）
• 将信息直接编码到文本格式中（调整字间距或 行间距）
• 利用人们通常不易察觉的标点和字体的改变

方法

• 基于文档格式微调的隐写术
  • 通过文本文档的空间域变换来嵌入秘密信息，通过 将秘密信息藏入版面布局信息或格式化编排中达到 嵌入的目的
  • 文档的空间域包括：
    • 文本的字符、行、段落等结构布局，字符的形状 和颜色
  • 安全性主要靠空间的格式隐蔽来保证，且只能应用 于格式化文档中
  • 算法特点：隐蔽性较好，但抗攻击性不强，鲁棒性较差
  • 典型文档格式微调隐写方法
    • 行移和字移
    • 修改字符颜色
• 基于空格和标点符号的隐写术
  • 基于添加空格的隐写术
  • 基于标点符号的隐写术
  • 综合使用空格和标点符号的隐写术
• 基于字符特征的隐写术 …
• 基于自然语言的隐写术 …
• 基于变换域的隐写术 …

对比与总结【page64】

基于图像载体的隐写术

人眼视觉系统

• 人眼对图像的视觉不是对图像每个像素逐一产生 响应，而是对一幅图像产生的总体感受
• 是一个非线性系统，其视觉灵敏度是有限的，对 微小的变化反应不敏感；在图像平滑区、边缘区 和纹理区对噪声敏感程度是各不相同的
• 基于人的视觉特性，利用人的视觉系统的一些视觉掩蔽效应来实现的
• 通常利用视觉掩蔽效应将图像划分成不同的块， 在不同的噪声敏感块中分别嵌入不同的信息量， 从而既提高了秘密信息的隐蔽性，有保证了嵌入 信息量的最大化
• 人的视觉系统对平滑区的变化很敏感，视觉阈值较低；随着频率的增高，人眼的分辨率会迅速降 低。
• 人眼对属于高频部分的图像边缘的亮度误差并不敏感，可以嵌入适当强度的秘密信息；而人眼对纹理区的灰度变化很不敏感，视觉阈值较高，可嵌入较多的信息。
• 人类视觉特性：局部效应，受诸多因素 影响

  • 亮度敏感性：描述了固定亮度背景下，人眼对信 号的视觉感知效果，取决于背景平均亮度和目标 信息的亮度水平。

    • 人眼对亮度具有非线性特性
      • 在背景亮的区域，人眼对灰度误差不敏感；
      • 对于背景暗的区域的灰度误差较敏感，视觉 阈值偏低。

  • 对比度特性：描述了在给定的亮度背景下，人眼对目标信号的视觉感知掩蔽特性，即一个信号在另一个信号存在的情况下的可察觉性

    • 两个信号具有相同的空间频率、取向和位置时，掩蔽特性最强
    • 自对比度掩蔽：具有相同空间频率、取向和位置的信号的掩蔽效应。
    • 邻域掩蔽：有空间相邻像素导致的掩盖效应，反映了人眼视觉对平滑区域失真敏感性强于复杂纹理区域的特性。

  • 方向敏感性：

    • 对在垂直和水平方向的频率具有较强的视觉 响应，而在对角线方向的频率响应显著下降

  • 灰度敏感性：人眼对图像像素本身的不同灰度具有不同的敏感性

    • 对中等灰度区最为敏感，而对高灰度区、低灰度区敏感度降低

  • 边缘敏感性：人眼容易感觉边缘位置的变化，而 对于边缘附近的灰度误差人眼却比较不敏感

隐写方式：

• 根据嵌入过程中载体对象的变化可分为

  • 替代系统：用秘密信息来替代载体对象中的冗余部分 • 变换域技术：在信号的变化域中嵌入秘密信息 • 扩频技术：从扩频通信演化而来 • 统计方式：通过改变一个载体对象的一些统计特性将秘 密信息嵌入 • 转换技术：通过信号转换来存储秘密信息并从载体对象 中测出偏差来进行解密 • 载体对象产生法：通过产生一个安全通信的载体对象来 将信息嵌入

• 根据载体图像类型的不同，基于LSB的隐写方法分为

  • 载体图像是没有经过压缩处理的原始图像
    • 类型：BMP图像等
    • 选取方式：顺序选取、随机选取、按照一定的步长 选取
    • 优点：可以提供比较大的嵌入空间，图像质量不会 有明显改变
    • 缺点：会改变图像的统计特性，不能抵御统计攻击
  • 载体图像是调色板图像
    • 类型：像素值是指向调色板的索引，如GIF图像
    • 隐写思路：先对调色板进行排序，然后改变一部分像素值的LSB位
    • 缺点：容易引起怀疑，从而受到攻击
  • 载体图像是JPEG图像
    • 优点：比较安全
    • 缺点：嵌入容量比较小 隐
    • 写思路：先将其转换到DCT域，通过改变DCT系统的LSB位来嵌入信息
      隐写算法在嵌入时都尽量保护图像的统计特性

根据嵌入域分为:

• 空域隐写术
  • 将秘密信息嵌入到BMP、GIF等图像像素或调色板数据的 LSB上，或是将秘密信息直接成块地嵌入在图像格式中
    • 优点：快捷、算法实现简单、隐写容量较大
    • 缺点：算法的鲁棒性较差，嵌入信息容易受到滤波、 图像量化、几何变形和加噪等操作的攻击
  • LSB替换隐写术
    • 将（加密过的）秘密信息嵌入到载体LSB平面的某个子集中
      • 顺序LSB替换：明显的统计性差异
      • 随机LSB替换：提高了安全性
    • 对于一幅自然图像：
      • 相邻灰度值的相关性比较强
      • 位平面越高，对灰度值的贡 献越大，相邻比特的相关性就 越强
      • 最低位平面类似于随机噪声
    • 实际上是利用人眼对图像的视觉冗余来替换最不重要位
• 变换域隐写术
  • 图像DFT域隐写术
    • 将长度为N的离散信号表示成正弦波或余弦波的组合
    • DFT是复数变换，秘密信息可以嵌入到媒体信号的实部、虚部、幅度和相位中；实信号的DFT系数是对称的，要保证不改变系数的对称性来保证逆变换后仍能 得到实信号。
    • 在使用DFT变换实现信息隐写时，应将秘密信息通过纠错编码后 嵌入到DFT变换的中间幅值位平面中
  • 图像DCT域隐写术
    • 通过修改DCT系数的LSB来嵌入秘密信息；
    • 基于DCT中低频系数间互相关系来嵌入秘密信息； 如：调整两个DCT中频系数的相对大小来隐藏一个信息位（交换 位置）
    • 借鉴小波域零树概念，基于DCT零树来嵌入秘密信息。
  • 图像DWT域隐写术
    • DWT的基础是平移和伸缩变换下的不变性
• 压缩域隐写术
  • 秘密信息的嵌入、检测和提取都直接 在压缩域数据中进行的隐写算法
  • 对压缩数据的直接修改容易在反压缩时产生针对JPEG图像隐写算法的具体步骤为
    • 对JPEG图像的压缩数据采用哈夫曼解码或算术解码，得到的图像DCT量化系数；
    • 按照某种嵌入规则对DCT量化系数作微小的修 改，将秘密信息嵌入到量化系数中
    • 对修改后的量化系数进行熵编码，重新生成压缩数据，即隐写JPEG图像

基于音频载体的隐写术

• 对音频文件中加性随机噪声非常敏感，能够察觉出微小的扰动
• 在时域和频域都存在掩蔽特性：人耳的听觉掩蔽曲线
• 与隐写相关的特性：人耳听觉阈值、听觉时域掩蔽效 应和频域掩蔽效应
• 听觉频域掩蔽效应
  • 频域掩蔽（同时掩蔽）效应：若两个信号频率相近，较 弱的信号会因为相邻近的较强信号的存在变得不可察觉
  • 时域掩蔽（非同时掩蔽）效应：当两个声音同时存在， 或者在相隔很短的时间内存在时，相对较弱的声音信号会被幅度更强的声音信号所掩蔽
• 时域隐写方法
  • LSB嵌入法
    • 可以引入一个伪随机序列来控制嵌入位置
    • 优点：算法简单、速度快，且在音频信号中可以隐藏 的数据量大
    • 对信号处理的鲁棒性很差，信道干扰、数据压缩、 滤波、重采样等操作都可能破坏秘密信息
    • 安全性较弱，经过LSB嵌入后的音频在某些方面会 呈现出一定的规律性，如直方图的变化。
  • 回声隐藏法
    • 通过引入回声将秘密数据嵌入到载体音频文件中
    • 原理：利用了HAS（人耳听觉系统）在时域上的滞后掩蔽特性
      • 可以利用回声的数量、位置和幅度大小来表示 秘密信息
      • 对一些有损压缩算法具有一定的鲁棒性
    • 扩频法
      • 将待隐藏的信息秘密扩展为宽频的信号分布于整个音频信号的频谱中，降低了秘密信息的能量密 度
      • 提高了信号的抗干扰能力，且易于与加密技术相结合
• 变换域隐写方法
  • 首先对载体信号进行某种类型的变换运算 （DFT、DCT、DWT等），通过修改变换域的系数来嵌 入秘密信息，然后进行逆变换，从而得到隐写后的音 频信号——中低频区
  • DFT域隐写方法
  • DCT域隐写方法
  • DWT域隐写方法
  • 相位编码方法
    • 原理：人耳对声音的相位不太敏感
    • 通过载体音频相位谱的一个相位转换来代表一 个数据
• 压缩域隐写方法
  • 三种方法：
    • 秘密信息的嵌入在非压缩域上进行，即先 嵌入后压缩
      • 缺点：在压缩过程中容易造成信息丢失
    • 直接在压缩音频的码流上嵌入秘密数据
      • 特点：嵌入速度快，但鲁棒性不高（重压 缩）
    • 先解压缩，在非压缩域中嵌入秘密信息， 然后重新进行音频压缩
      • 特点：提高了鲁棒性，但时间复杂度高
• 基于视频载体的隐写术
  • 利用视频中存在的冗余数据来潜入秘密消息
  • 89;;视频中隐写术的主要特点
    • 不可感知性：视觉和统计
    • 安全性：视频数据对于各种处理的敏感性
    • 高容量：空域和时域
    • 与视频压缩编码标准相结合