信息安全與信息隱藏

摘要:近年來，隨著網絡和多媒體的快速發展，信息隱藏技術已經成為信息安全領域的一個研究重點。該文首先介紹了信息隱藏的一般概念，然后介紹了信息隱藏的基本原理，最后簡要介紹了常用技術以及應用。

關鍵詞:信息隱藏;信息安全;版權保護

中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)15-3854-02

Information Security And Information Hiding

SU Pin

(Changzhou Institute of Technology， Changzhou 213000， China)

Abstract: With the development of internet and multimedia， the technology of information hiding has become an important aspect of information security.In this paper， the concept of information hiding is first introduced， then this paper studies the information hiding theories. Finally， this paper presents a brief introduction of main technology and application of information hiding.

Key words: information hiding; information security; copyright protection

1 引言

隨著以微電子技術為代表的信息產業的飛速發展，多媒體、計算機網絡、個人移動通信技術等進入尋常百姓家，數字化已深入人心。以數字化形式存在的多媒體信息如數字圖形圖像，數字聲音等也是越來越多的人們所感知的主要信息形式。信息技術、計算機網絡技術的發展為信息的傳播帶來了便利，同時也帶來了信息傳送的安全性問題及信息的非法復制等隱患。如何利用數字多媒體圖像及聲音的特點來安全傳送信息及保護合法版權也成了重要的研究問題。

2 信息隱藏以及基本原理

所謂信息隱藏， 就是將秘密信息隱藏于另一媒體之中(可以為文本文件、數字圖像、數字音頻和數字視頻)， 通常稱這媒體為掩護媒體， 掩護媒體經嵌入信息后稱為偽裝媒體， 信息隱藏的本質是利用多媒體信息本身存在較大的冗余性， 同時人眼和人耳本身對某些信息具有一定的掩蔽效應， 這樣就可以將信息本身的存在性隱藏起來， 使人察覺不到有信息隱藏在媒體之中， 利用人們“所見即所得”的心理來迷惑惡意的攻擊者， 與傳統的加密技術不同的是， 非法攔截者從網絡上攔截下來的偽裝媒體數據在外觀上與一般的數據沒有什么差別， 不像加密文件那樣看起來是一堆會激發非法攔截者破譯動機的亂碼， 這樣就很容易躲過非法攔截者的破解。

信息的嵌入過程如圖1所示。 其流程可以用式子表示為B=Func(M，A)。掩護媒體A 可以是圖象、聲音等。只要A和B給人們的感覺差別不大，就可以認為Func 是一個好的隱藏算法。

3 信息隱藏的特性和分類

掩護媒體經嵌入信息后變成一個偽裝媒體。這一嵌入過程需要滿足下列條件:

1) 簽字信號的不可感知性(即簽字信號嵌入后，主信號的感知特性沒有明顯的改變，簽字信號被主信號隱藏了起來) 。

2) 簽字信號的魯棒性。簽字信號對主信號的各種失真變換，如失真信號壓縮、仿射變換、加噪、A/D。

A 轉換等，以及各種惡意性攻擊，都應體現出一定的魯棒性。除非主信號的感知特性被明顯的破壞，簽字信號將很難被去除。另外，簽字信號的嵌入不增加主信號的存儲空間和傳輸帶寬。也就是說，簽字信號嵌入后， “表面上”很難覺察到信息的改變。信息隱藏的分類如圖2所示。

4 信息隱藏常用技術

4.1 替換技術

就是試圖用秘密信息比特替換掉偽裝載體中不重要的部分，以達到對秘密信息進行編碼的目的。替換技術包括最低比特位替換、偽隨機置換、載體區域的奇偶校驗位置換和基于調色板的圖像置換等。

替換技術是在空間域進行的一種操作，通過選擇合適的偽裝載體和適當的嵌入區域，能夠有效地嵌入秘密信息比特，同時又可保證數據的失真度在人的視覺允許范圍內。已經提出的各種算法大都給出了其實現思想，如對于基于調色板的圖像格式，可操作其調色板來嵌入信息，也可以利用它的量化值來隱藏秘密信息，因此該技術在數據偽裝中得到了廣泛的應用。替換技術算法簡單，容易實現，但是魯棒性很差，不能抵抗圖像尺寸變化、壓縮等一些基本的攻擊，因此在數字水印領域中一般很少使用。

4.2 變換技術

大部分信息隱藏算法都是在變換域進行的，其變換技術包括離散傅利葉變換(DFT)、離散余弦變換(DCT)和離散小波變換(DWT)等。這些變換技術都有各自的特點，適用于不同的攻擊。DFT在信號處理中有著廣泛研究，在信息隱藏領域也同樣得到了應用。它將圖像分割成多個感覺頻段，然后選擇合適部分來嵌入秘密信息。DCT 使空間域的能量重新分布，從而降低了圖像的相關性。在DCT 域中嵌入信息的方法，通常是在一個圖像塊中調整兩個(或多個)DCT系數的相對大小。DWT 是對圖像的一種多尺度、空間-頻率分解，即將輸入信號分解為低分辨率參考信號和一系列細節信號。在一個尺度下，參考信號和細節信號包含了完全恢復上一尺度下信號的全部信息。

變換技術與空間域方法相比的優點是:1) 較好的魯棒性，能抵抗噪音、壓縮等攻擊;2) 在變換域中嵌入的水印信號能量，可以分布到空間域所有像素，有利于保證水印的不可見性;3)在變換域中視覺系統的某些特性，如視頻特性，可以更方便地結合到水印編碼過程中。

當然，變換技術也有其缺點，無法處理諸如共謀和偽造的欺騙性攻擊。

4.3 擴頻技術

當對偽裝對象進行過濾操作時可能會消除秘密信息，解決的方法就是重復編碼，即擴展隱藏信息。在整個偽裝載體中多次嵌入一個比特，使得隱藏信息在過濾后仍能保留下來，這種方法雖然傳輸效率不高，但卻簡單健壯。在實際應用中，擴頻技術一般是使用比發送的信息數據速率高許多倍的偽隨機碼，將載有信息數據的基帶信號頻譜進行擴展，形成寬帶低功率譜密度信號。最典型的擴頻技術為直序擴頻和跳頻擴頻。擴展頻譜方法的優點，是檢測信息不要求原始信號，即在檢測時可進行盲檢測，即使信號在傳輸過程中受到了加性噪音和乘性噪音的攻擊，也能在接收端檢測到隱藏信息的存在。其缺點是載體信息必須與秘密信息同步，一旦受到失去同步的攻擊，在接收端就很難檢測到秘密信息的存在，而且檢測過程比較復雜。

5 信息隱藏的通用模型及其應用

5.1 通用模型

在信息隱藏學中，通常稱待隱藏的秘密信息為嵌入對象，將用于隱藏嵌入對象的公開信息稱為掩體對象，嵌入對象和掩體對象可以是文本、圖像或音頻等等。通過使用特定的嵌入算法，可將嵌入對象添加到可公開的掩體對象中，從而生成隱藏對象，這一過程稱為嵌入過程。相反地，使用特定的提取算法從隱藏對象中提取出嵌入對象的過程則稱為提取過程，執行嵌入過程和提取過程的個人或組織分別稱為嵌入者和提取者。對信息隱藏技術的研究由隱藏技術和隱藏分析技術兩部分組成。隱藏技術主要研究如何將秘密信息嵌入到掩體對象中生成隱藏對象，稱隱藏技術的研究者為隱藏者，而隱藏分析技術則主要考慮如何從隱藏對象中檢測并破譯出嵌入信息，或對隱藏對象進行某些處理以達到破壞嵌入信息的目的，隱藏分析技術的研究者稱為隱藏分析者。圖3描述了一個信息隱藏系統的通用模型。

從圖3中可以看到，隱藏者在嵌入過程中利用嵌入密鑰將嵌入對象添加到掩體對象中，生成隱藏對象，隱藏對象在傳送過程中可能會被隱藏分析者截獲并進行某些處理后再發送;提取過程則是在提取密鑰的參與下從所接收到的隱藏對象中提取出嵌入對象，有些提取過程并不需要掩體對象的參與，這樣的系統稱為盲隱藏技術，而那些需要掩體對象參與的系統則稱為非盲隱藏技術。若嵌入過程和提取過程采用相同的密碼，這樣的信息隱藏技術稱為對稱信息隱藏技術，反之，則稱為非對稱信息隱藏技術。

5.2 應用

1) 數據保密:在因特網上傳輸一些數據要防止非授權用戶截獲并使用， 這是網絡安全的一個重要內容。隨著經濟的全球化， 這一點不僅將涉及政治、軍事， 還將涉及到商業、金融和個人隱私。而我們可以通過使用信息隱藏技術來保護在網上交流的信息， 如: 電子商務中的敏感信息、談判雙方的秘密協議和合同、網上銀行交易中的敏感數據信息、重要文件的數字簽名和個人隱私等。另外， 還可以對一些不愿為別人所知道的內容使用信息隱藏的方式進行隱藏存儲。

2) 數據的不可抵賴性:在網上交易中， 交易雙方的任何一方不能抵賴自己曾經做出的行為， 也不能否認曾經接收到對方的信息， 這是交易系統中的一個重要環節。這可以使用信息隱藏技術中水印技術， 在交易體系的任何一方發送或接收信息時， 將各自的特征標記以水印的形式加入到傳遞的信息中， 這種水印應是不能被去除的， 以達到確認其行為的目的。

3) 數字作品的版權保護:版權保護是信息隱藏技術中的水印技術所試圖解決的一個重要問題。隨著網絡和數字技術的快速普及，通過網絡向人們提供的數字服務也會越來越多， 如數字圖書館、數字圖書出版、數字電視、數字新聞等。這些服務提供的都是數字作品， 數字作品具有易修改、易復制的特點， 當今就已經成為迫切需要解決的實際問題。數字水印技術可以成為解決此難題的一種方案: 服務提供商在向用戶發放作品的同時， 將雙方的信息代碼以水印的形式隱藏在作品中， 這種水印從理論上講應該是不被破壞的。當發現數字作品在非法傳播時， 可以通過提取出的水印代碼追查非法散播者。

4) 防偽:商務活動中的各種票據的防偽也是信息隱藏技術可以用武之地。在數字票據中隱藏的水印經過打印后仍然存在， 可以通過再掃描回數字形式， 提取防偽水印， 已證實票據的真實性。

5) 數據的完整性:對于數據完整性的驗證是要確認數據在網上傳輸或存儲過程中并沒有被竄改。通過使用脆弱水印技術保護的媒體一旦被竄改就會破壞水印， 從而很容易被識別。

6 結束語

信息隱藏技術作為信息安全領域的一個研究熱點，已經引起很多專家和學者的關注，在短短幾年的時間里取得了很大進展。但是信息隱藏技術尚未發展到可實用的階段，還有待于許多技術問題的進一步解決。

參考文獻:

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