信息安全專業(yè)“信息隱藏”課程的教學(xué)研究

摘要:信息隱藏是信號(hào)處理和信息安全的交叉學(xué)科，在網(wǎng)絡(luò)信息安全和軍事保密上具有重要的作用。本文首先分析了“信息隱藏”課程在信息安全課程體系中的位置和作用，在相關(guān)調(diào)研的基礎(chǔ)上，確定“信息隱藏”課程的教學(xué)內(nèi)容，并根據(jù)教學(xué)實(shí)際，介紹了該課程在課堂教學(xué)、試驗(yàn)教學(xué)等方面的探索和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞:信息隱藏;信息安全課程體系;教學(xué)

信息隱藏技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期從國(guó)外興起的，是集多學(xué)科理論與技術(shù)于一身的新興技術(shù)，它利用人類感官的不敏感，以及多媒體數(shù)字信號(hào)本身存在的冗余，將秘密信息隱藏在宿主信號(hào)中，在不影響宿主信號(hào)的感覺效果和使用價(jià)值的前提下，通過(guò)宿主信號(hào)的公開傳輸來(lái)傳遞秘密信息[1][9]。作為信息隱藏的一個(gè)重要分支——數(shù)字水印，是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，其主要驅(qū)動(dòng)力在于對(duì)版權(quán)保護(hù)的關(guān)注。數(shù)字水印作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和數(shù)字多媒體防偽的有效手段，有著巨大的應(yīng)用前景[2]。

我校于2005年為信息安全專業(yè)高年級(jí)學(xué)生開設(shè)了信息隱藏選修課程，“信息隱藏”課程推出，是對(duì)我校信息安全課程體系建設(shè)的一個(gè)重要的補(bǔ)充和完善。與其他課程相比，該課程有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1) 信息隱藏的研究還面臨著許多未知領(lǐng)域，缺乏系統(tǒng)性的理論基礎(chǔ)以及公平統(tǒng)一的性能測(cè)試與評(píng)價(jià)體系[3]。

(2) 信息隱藏是一門新的綜合性前沿學(xué)科，涉及到數(shù)字圖像處理、信號(hào)與信息處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻防和密碼學(xué)等多門學(xué)科知識(shí)。經(jīng)過(guò)4年的教學(xué)實(shí)施，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)該領(lǐng)域比較陌生并且缺乏學(xué)習(xí)該門課程的前期基礎(chǔ)知識(shí)，信息隱藏的理論知識(shí)對(duì)其而言過(guò)于深?yuàn)W，部分學(xué)生反映無(wú)法接受。

因此“信息隱藏”課程的教學(xué)存在很多問(wèn)題有待

研究、解決并加以實(shí)踐驗(yàn)證，本文針對(duì)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)核心環(huán)節(jié)對(duì)“信息隱藏”課程的教學(xué)方法進(jìn)行研究。

1“信息隱藏”課程分析

與密碼學(xué)相比，信息隱藏的特點(diǎn)在于隱藏了信息的存在，它打破了傳統(tǒng)密碼學(xué)的思維范疇，從一個(gè)全新的角度審視信息安全，密碼技術(shù)研究如何將機(jī)密信息進(jìn)行特殊的編碼，以形成不可識(shí)別的密碼形式，而信息隱藏則主要研究如何將秘密信息隱藏于另一公開的信息中，然后通過(guò)公開信息的傳輸來(lái)傳遞秘密信息[4]。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將兩種技術(shù)相結(jié)合:秘密信息經(jīng)過(guò)加密形成密文，然后隱藏在公開的信息(載體)中進(jìn)行傳遞，載體的形式可以是任何一種數(shù)字媒體，如圖像、聲音、視頻或一般的文本文檔等。兩者的適當(dāng)組合運(yùn)用可以相互彌補(bǔ)不足之處，更好地實(shí)現(xiàn)信息安全。

“信息隱藏”課程在整個(gè)信息安全專業(yè)課程體系中與其他課程的關(guān)系如圖1所示，它可以說(shuō)是“近世代數(shù)”、“數(shù)字圖像處理”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“信息論”、“數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”等多門課程的綜合運(yùn)用，在此基礎(chǔ)上，可以開設(shè)“隱寫分析”等后續(xù)課程。

基金項(xiàng)目:安徽高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(2008jyxm219)。

作者簡(jiǎn)介:鄭淑麗(1974-)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全、智能信息處理。

圖1“信息隱藏技術(shù)”在信息安全課程體系中的地位和作用

2課堂教學(xué)

“信息隱藏”課程是我校信息安全專業(yè)的一門專業(yè)選修課，涉及學(xué)科的前沿知識(shí)較多，對(duì)于信息安全而言，該門課程的內(nèi)容又是重要的，需要學(xué)生掌握或了解。因此，該門課程教學(xué)難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度也較大，任課教師不僅要花費(fèi)較大的精力去備課、講授，而且要努力做到理論聯(lián)系實(shí)際，既要課堂講授得法，又要合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以引起學(xué)生的興趣。

2.1教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

信息隱藏選修課旨在向?qū)W生介紹這個(gè)充滿活力的領(lǐng)域中的基本理論原理及典型算法，為其以后從事信息隱藏及通信保密科學(xué)研究和工程實(shí)踐做好準(zhǔn)備。教學(xué)內(nèi)容的選取和設(shè)置對(duì)提高學(xué)員興趣，激發(fā)學(xué)生熱情和鍛煉動(dòng)手能力都至關(guān)重要。

信息隱藏的研究分支包括隱寫術(shù)、數(shù)字水印、隱蔽信道及信息分存等;按照載體類型分類，又可分為文本、圖像、音頻、視頻、軟件等媒體的信息隱藏，了解和掌握這些技術(shù)要求學(xué)生有著扎實(shí)和廣泛的計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，如果把這些內(nèi)容全部納入32學(xué)時(shí)的選修課中，講授起來(lái)只能是蜻蜓點(diǎn)水，學(xué)生無(wú)法很好地掌握。考慮到隱寫術(shù)和數(shù)字水印是信息隱藏的兩個(gè)重要研究領(lǐng)域，并且我校信息安全專業(yè)開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”公選課，此外，到目前為止被認(rèn)為成熟的信息隱藏算法基本上都是以圖像為載體，因此，我們從實(shí)際角度出發(fā)，將課程的重點(diǎn)放在隱寫術(shù)和水印兩個(gè)部分，載體類型為靜止圖像，對(duì)于其他研究分支以及音頻、視頻等載體類型的信息隱藏，僅做普及性介紹。

關(guān)于隱寫術(shù)，該部分的重點(diǎn)是以靜止圖像為例，介紹經(jīng)典的隱寫算法，如空域的LSB算法及DCT域的交換系數(shù)法。而數(shù)字水印部分，則將重點(diǎn)放在變換域圖像水印、水印算法的性能評(píng)價(jià)及測(cè)試基準(zhǔn)、水印的攻擊及對(duì)抗策略等部分。由于隱寫分析作為信息隱藏的對(duì)抗技術(shù)有著重要的意義，不僅在理論上作為矛盾的對(duì)立面，能促進(jìn)信息隱藏的深入研究和發(fā)展，在實(shí)踐上也能成為對(duì)隱藏信息技術(shù)偵察的重要手段，因此，教學(xué)內(nèi)容也可以涵蓋隱寫分析方面的部分知識(shí)。

2.2課堂教學(xué)方法

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，課堂教學(xué)遵循以下兩個(gè)原則:

(1) 點(diǎn)面結(jié)合原則。由于該課程所涉及的內(nèi)容較多，而課時(shí)又有限，因此在有些內(nèi)容的安排上采取點(diǎn)面結(jié)合的原則。如空域隱寫算法，僅重點(diǎn)講解經(jīng)典的最低有效位算法(LSB)，其他空域算法只做一般性的介紹。

(2) 面向應(yīng)用的原則。在介紹算法和技術(shù)的同時(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如在講解LSB算法的時(shí)候，同時(shí)介紹一款采用LSB實(shí)現(xiàn)圖像隱寫的工具軟件eShow，使得學(xué)生能夠加深對(duì)算法的理解;

“信息隱藏”課程所涉及的不少內(nèi)容比較新，并且授課對(duì)象是信息安全專業(yè)高年級(jí)的學(xué)生，學(xué)生在英文閱讀和獨(dú)立學(xué)習(xí)上有一定的基礎(chǔ)，因此在教學(xué)方法上我們嘗試探究式教學(xué)方法。以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索和研究的能力[5]。科學(xué)探究的活動(dòng)形式是多樣的，探索式教學(xué)的具體教學(xué)形式也不是固定的[6]。在“信息隱藏”的教學(xué)中，我們就采取了各種形式的探究式教學(xué):比如要求學(xué)生閱讀指定的英文參考文獻(xiàn)，并做報(bào)告及討論;在授課期間，邀請(qǐng)我校從事相關(guān)領(lǐng)域研究的老師介紹該學(xué)科各分支的最新發(fā)展動(dòng)向;安排學(xué)生參加與信息隱藏領(lǐng)域相關(guān)的專家學(xué)術(shù)報(bào)告等，表1列出了部分教學(xué)形式。

表1信息隱藏課堂教學(xué)方法示例

序號(hào)教學(xué)內(nèi)容/重點(diǎn)教學(xué)形式要求

1隱寫術(shù)的起源及發(fā)展閱讀文獻(xiàn):Steganography(Neil F. Johnson. Technical Report November 1995)分組閱讀，以PPT的形式作報(bào)告，介紹隱寫術(shù)的起源

2空域隱藏算法/LSB(最不重要位替換)工具演示:基于彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏軟件eShow討論eShow軟件的實(shí)現(xiàn)算法

3隱寫分析/POV分析邀請(qǐng)從事隱寫分析領(lǐng)域研究的信安所所長(zhǎng)作了題為“隱寫分析研究現(xiàn)狀”的報(bào)告自由提問(wèn)

4數(shù)字水印的概念產(chǎn)品的Demo演示:成都地稅發(fā)票數(shù)字水印和護(hù)照數(shù)字水印(成都宇飛信息工程有限公司)學(xué)生課后查閱該公司的網(wǎng)站，了解其他的水印產(chǎn)品

5數(shù)字水印算法/Cox算法閱讀文獻(xiàn):Secure spread spectrum watermarking for multimedia.( Cox，Technical Report November 1995)分組閱讀，課堂上一起對(duì)該算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論，進(jìn)一步分析各種改進(jìn)方案

6數(shù)字水印的應(yīng)用/版權(quán)保護(hù)、多媒體內(nèi)容認(rèn)證學(xué)生自己查閱論文，收集材料針對(duì)某種水印應(yīng)用寫一篇學(xué)習(xí)報(bào)告

此外，以2008～2009年度為例，整個(gè)授課期間，我們要求學(xué)生參加了兩場(chǎng)專題報(bào)告，分別是張真誠(chéng)教授(臺(tái)灣逢甲大學(xué))的“影像偽裝術(shù)的最新發(fā)展”以及施漢生教授(臺(tái)北教育大學(xué))的“視頻欺騙”。其中“影像偽裝術(shù)的最新發(fā)展”對(duì)信息隱藏這門技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了很好的總結(jié)與概括，而“視頻欺騙”從另一個(gè)研究視角對(duì)圖像進(jìn)行處理，開拓了學(xué)生的視野。

探究式教學(xué)要求教師花費(fèi)比傳統(tǒng)教學(xué)更多的精力去備課，慎重選擇教學(xué)內(nèi)容，合理安排教學(xué)計(jì)劃，開課這5年來(lái)的教學(xué)情況表明，這種方式非常適合“信息隱藏”這樣理論和技術(shù)不斷向前發(fā)展，內(nèi)容廣泛而課時(shí)數(shù)又有限的課程。

4實(shí)驗(yàn)教學(xué)

與密碼學(xué)課程類似，信息隱藏是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，應(yīng)對(duì)“信息隱藏”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)予以重視，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，使學(xué)生學(xué)完課程后，對(duì)信息隱藏的原理、思想和算法都有清晰、深入的理解。[7]上機(jī)實(shí)驗(yàn)可以使用的編程語(yǔ)言較多，考慮到MATLAB在處理多媒體信號(hào)，尤其是圖像矩陣方面非常方便快捷，本門課程使用MATLAB進(jìn)行編程，由于信息安全專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中沒有講授該語(yǔ)言，所以我們?cè)诮虒W(xué)中，也相應(yīng)地分配課時(shí)講授MATLAB語(yǔ)言的基本知識(shí)。“信息隱藏”課程最初安排了8學(xué)時(shí)的實(shí)踐上機(jī)內(nèi)容，均為編程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含兩部分:最不重要位替換(LSB)隱藏/提取算法及DCT域隱藏/提取算法。[8]

經(jīng)過(guò)4年的教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于信息隱藏這門交叉學(xué)科，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)偏短，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也過(guò)于簡(jiǎn)單，為了更大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)改變?yōu)橹鲃?dòng)探索知識(shí)，有必要增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，并對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)環(huán)節(jié):編程實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)和實(shí)例分析環(huán)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容穿插進(jìn)行。之所以引入實(shí)例分析，是考慮到目前網(wǎng)上有許多為驗(yàn)證算法而編寫的實(shí)例軟件，包括信息隱藏(數(shù)字水印)軟件(如S-Tools、Hide4PGP、Jsteg-Jpeg等)，水印測(cè)試軟件(如StirMark)等，體現(xiàn)了非常寶貴的設(shè)計(jì)思想，具有參考價(jià)值。在編程實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，穿插一些實(shí)例，讓學(xué)生試用，獲得啟發(fā)并寫出分析報(bào)告，同時(shí)，應(yīng)在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的前提下加入設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。調(diào)整后的實(shí)驗(yàn)擬安排16學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表2所示。

表2調(diào)整后”信息隱藏”課程擬開設(shè)的實(shí)驗(yàn)

序號(hào)實(shí)驗(yàn)名稱學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)類型

演示或驗(yàn)證性綜合性設(shè)計(jì)性

1圖像的位平面，LSB和MSB1√

2最不重要位替換隱藏/提取算法(順序/隨機(jī)選擇像素點(diǎn))3√

3隱寫軟件分析:S-Tools2√

4DCT域的信息隱藏 (交換系數(shù))4√

5水印軟件分析:Jsteg-Jpeg2√

6版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4√√

其中，編程實(shí)驗(yàn)有我們自編的《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐》指導(dǎo)書，幫助學(xué)生完成課程內(nèi)容驗(yàn)證。實(shí)例分析環(huán)節(jié)，由教師提供實(shí)例軟件，而最后的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生利用課外時(shí)間查閱相關(guān)文獻(xiàn)，鼓勵(lì)學(xué)生編寫高水平的總結(jié)報(bào)告，為將來(lái)的研究和工作打下基礎(chǔ)。

5總結(jié)與展望

“信息隱藏”課程作為信息安全專業(yè)的一門重要課程，該課程的開設(shè)對(duì)增強(qiáng)信息安全專業(yè)學(xué)生的應(yīng)用

能力和專業(yè)技能等有著重要的意義，如何在信息安全這一大背景下進(jìn)行“信息隱藏”課程的教學(xué)是本文的核心研究?jī)?nèi)容。

信息隱藏的課堂教學(xué)，本文根據(jù)課程特點(diǎn)嘗試探究式教學(xué)方法，并取得了較好的教學(xué)效果;在信息隱藏的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入實(shí)例分析環(huán)節(jié)，與編程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相互鋪墊，相互啟發(fā)。目前，我校信息安全專業(yè)正在進(jìn)行課程調(diào)整，在以后的“信息隱藏”課程試驗(yàn)教學(xué)中，將逐步引入實(shí)例分析及綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)教學(xué)試驗(yàn)效果進(jìn)一步調(diào)整試驗(yàn)內(nèi)容。

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Research on Teaching Method of Information Hiding

ZHENG Shu-li， HU Dong-hui， HOU Zheng-feng， ZHU Xiao-ling

(School of Computer and Information， Heifei University of Technology， Heifei 230009， China )

Abstract: Information hiding is a newly arisen field combined with theory of many other subjects. It plays an important role in the network information security and military secrecy. In this paper， the role of information hiding in security curriculum is specified first， and then the teaching scope for information security students is defined based on wide investigation. Finally， the best practices in classroom training and experiment teaching is introduced.

Key words: information hiding; information security curriculum; teaching method

(編輯:白杰)