信息隱藏技術綜述

常衛東 劉完芳 童宇

1，湖南農業大學農學院 410073

2，湖南公安高等專科學校計算機系 410138

3，湖南大學計算機與通訊學院 410083

信息隱藏技術綜述

常衛東1，2劉完芳2，3童宇2

1，湖南農業大學農學院 410073

2，湖南公安高等專科學校計算機系 410138

3，湖南大學計算機與通訊學院 410083

信息隱藏是在不對原始信息產生可覺察改動的情況下，將額外的信息嵌入到原始信息中的一種信息安全技術。信息隱藏技術主要分為隱寫術和數字水印。本文闡述了信息隱藏的基本概念及其特征，通過信息隱藏技術中各種算法的研究，分析目前信息隱藏技術存在的問題，提出信息隱藏技術的發展方向。

信息隱藏；數字水印；特征；嵌入算法

隨著計算機網絡技術的發展，通過網絡傳遞各種信息越來越普遍，信息傳遞的安全性已成為人們日益關注的問題。一種新的信息安全技術即信息隱藏技術應運而生，它通過把要傳遞的信息隱藏在普通信息中傳給對方。信息隱藏從應用角度可以分為隱寫術和數字水印技術。

1 信息隱藏

1.1 信息隱藏

信息隱藏技術是利用宿主信息中具有隨機特性的冗余部分,將重要信息嵌入宿主信息中,使其不被其他人發現的一門技術。信息隱藏分為和數字水印。隱寫術是利用人類感官系統的不敏感性,將隱秘信息以某種方式隱藏在特定的載體中,使之不被察覺或不易被注意到，即以掩蓋信息本身的方式傳遞真實信息。同基于加密的保密通信技術相比，隱寫不但可以保護通信的內容的安全更可以保護秘密通信存在本身。數字水印技術就是將數字、序列號、文字、圖像標志等版權信息嵌入到多媒體數據中，以起到版權跟蹤及版權保護的作用。數字水印包括三個部分即水印嵌入、水印提取和水印檢測。水印嵌入通常使用擴頻調制和量化嵌入方法。數字水印嵌入時須使數字水印在不可見性和魯棒性之間找到一個較好的折中。檢測階段主要是設計一個與嵌入過程相逆的檢測算法以判斷是否為原水印或是否存在水印。數字水印的應用領域包括版權保護、加指紋、標題與注釋及篡改提示等。

數據隱藏的模型如圖1所示，秘密信息W與密鑰K相結合，通過嵌入算法E隱藏到宿主載體I中，形成含隱秘信息的載體I1，在噪音N的干擾下變為I2，通過網絡進行傳輸，接收端以K為密鑰，通過提取算法E′提取出秘密信息W。

1.2 信息隱藏的特征

(l)感知質量(PercePtibillty):是指信息的嵌入不應導致產生明顯的感知失真。如果在信息嵌入過程使載體引入了人為痕跡，給圖像的質量帶來了可視性的下降，就會減少已嵌入信息的圖像的價值，破壞信息隱藏系統的安全性。

(2)魯棒性(Robustuess):魯棒性指的是加入載體中的隱藏信息必須能夠承受施加于載體的變換操作。魯棒性要求數據嵌入算法能保證嵌入數據在經受一定后的可檢測性或可恢復性。

(3)安全性(security): 安全性指的是信息隱藏系統難于被偽造或加工，攻擊者不能閱讀和修改隱藏的信息。

(4)隱藏容量(CaPacity):是指載體可以承載秘密信息的最大值。它與系統要達到的不可見性、魯棒性、載體分布等因素有關。與容量相關的是信息隱藏率，它指的是隱藏信息的長度與載體長度的比值。

2.信息隱藏技術

目前信息隱藏技術的算法主要有圖像空域信息隱藏和圖像投影域信息隱藏。

圖1 數據隱藏模型圖

（1）圖像空域信息隱藏具有代表性的是LSB算法。它對空域的L S B做替換，水印信息、水印的數字摘要或者由水印生成的偽隨機序列作為替換L S B的序列，通過調整原始載體信息的最低幾位來隱藏信息。LSB算法是一種簡單而通用的信息隱藏方法,具有不可見性好和可隱藏信息量大的特點。由于水印信息嵌入的位置是LSB，為了滿足水印的不可見性，允許嵌入的水印強度不能太高。因此LSB算法最初是用于脆弱性水印的，該方法的魯棒性較低。Fridrich[1]進行了大量的研究提出了一些非常有效的分析方法。chang[2]用邊匹配來分析局部區域可嵌入信息量的大小并設計了相應的大容量算法。

（2）圖像投影域信息隱藏具有代表性的是擴頻算法。擴頻方法[3]是將水印信息擴展到一個很長的序列上，然后乘以一個縮放因子再通過乘法或加法迭加到載體信號上。該算法首先對原始載體音頻信號進行某種變換運算(離散余弦變換DCT、離散小撥變換DWT、傅立葉變換FFT等等)，得到相應的頻域信號，然后通過修改其頻域信號中某些指定的頻域系數來嵌入數據。此方法利用人類視覺系統的特性，將秘密信息經過調制過程隱藏于數字圖像感知比較重要的頻譜部分，從而可以抵抗有損壓縮和其他數字圖像處理操作。變換域算法的優點在于具有較強的魯棒性，并且可以獲得極好的隱藏效果。但它的缺點是隱藏容量較小，適合于隱藏較小數量秘密數據。chandramouli在文獻[4]中針對基于擴頻嵌入的隱寫給出了基于盲源分析的消息提取算法。在擴頻算法的發展上，AndreasWeatfeld和Pitas分別提出了通過模擬圖像水平或垂直移動將秘密信息嵌入到圖像的DCT系數中的數據隱藏算法。

3.信息隱藏技術的難點及發展方向

信息隱藏技術發展較晚，還停留在研究階段，離實用性還有一段距離。同時信息隱藏技術還沒有形成自己的理論體系。目前還有很多問題沒有解決。首先怎樣確定信息隱藏的最大容量，信息隱藏的最大容量是否能夠達到，信息隱藏算法的效率怎樣評測。其次怎樣測量嵌入信息的失真度，秘密信息被嵌入偽裝對象中,它的傳輸方法、途徑和信道都將由偽裝對象決定,如果偽裝對象在傳輸過程中被干擾、破壞,那么秘密信息的安全性將無法保證; 另一方面,對方若擁有相同的技術就有可能在通信信道上對嵌有秘密信息的偽裝對象進行檢測證明秘密信息的存在,甚至有可能提取出秘密信息。在隱寫算法設計方面，當前研究的主要熱點是借用模式識別的已有成果設計具有更好檢測效率的算法，尤其是基于一類分類器的盲分析算法，高性能隱寫算法的設計，及具有較低失真，較高容量和安全性的隱寫算法。但在提高算法魯棒性的同時應當結合人類視覺特點和聽覺特點，以保持較好的不可見性及有較大的信息容量。另外，應注意自適應思想以及一些新的集成處理算法在水印算法中的應用。

數字水印方面在理論上的工作包括如何建立更好的水印模型、確定隱藏水印的最大容量，隱藏水印的最大容量是否能夠達到，嵌入算法的穩健性和抗攻擊、構建合適的評價魯棒性的指標等性能。同時，也應重視對水印攻擊方法的研究，這有利于促進研制更好的數字水印算法。水印算法設計中，抗幾何攻擊的魯棒水印算法是當前研究的難點，但在提高算法魯棒性的同時應當結合人類視覺特點和聽覺特點，以保持較好的不可見性及有較大的信息容量。另外，應注意自適應思想以及一些新的集成處理算法在水印算法中的應用。傳統基于不變域和失真校正的方法都不能很好地解決幾何攻擊導致的同步丟失問題。在水印認證的研究中，半脆弱水印的設計仍然是未來研究的主要問題，在這一領域里，具有較好魯棒性的特征提取是認證算法設計的核心也是難點。

數字水印應用中安全性自然是很重要的要求，但水印算法的安全性不能靠算法的保密而得到，這正如密碼算法一樣。研制更安全的數字水印算法仍是水印研究的重點之一。此外，應根據不同的數字產品內容分等級插入水印，即對較重要的內容和對安全性要求高的內容插入強度大、安全性好的水印，而對不太重要的內容和對安全性要求不高的內容插入強度小安全性一般的水印，以適應實際應用的要求，這種分安全等級的水印方案有助于提高效率，也間接增強了水印的安全性。

目前，數字水印研究的重點是基于網絡環境下的數字水印，水印的網絡快速自動識別技術，這需要結合計算機網絡技術和模式識別技術；動態的數字水印技術，通過在水印中引入動態編程技術來實現某些控制，如存儲、提取、拷貝、刪除信息。

4.結束語

用數據隱藏技術來保護各種媒體資源安全，需要根據資源的特性、內容保密性和實際情況不斷的權衡，選擇滿足特定的隱藏技術來實現。

[1]J.Fridrich，M.Goljan，D.Hogea，D.Soukal，Quantitatlvesteganalysis of digital images: esitnZating Thesecretmessage length.ACMMultimedia System Journal:Speeial Issueon Multimedia Secc，urity 2003.19(3):P.288一302.

[2]D.CWU，WH.Tsai，AsteganograPhicmethodfor;mages by Pixel-vauled, differencing.Patten RecognitionLetters，2003.24(9一10):P.1613一1626.

[3]1.J.eox，J.Kilian，T.Leighton，T. Shammon，Secure spread spectrum watermarking for multimediaI?EEE Transaction on Image Processing，1997.6(12):P.1673一1687，

[4]R.Chandram，oufliramework for active steganalysis. ACM Multimedia system journal : special Issue on Multimedia security，2003’9(3):p. 301一311.

公安部應用創新計劃資助項目(2006YYCXHNST024)、湖南省公安廳2006年科研課題資助項目

常衛東（1967-）、男（漢族）、湖南長沙人、副教授、國防科學技術大學計算機科學與技術專業碩士、湖南農業大學博士在讀，研究方向為生物識別、模式分類，信息安全；

劉完芳（1972-）、男（漢族）、湖南武崗人，副教授，湖南大學軟件工程專業碩士、研究方向為生物識別、信息安全；

童宇（1971-）、女（漢族）、湖南長沙人，講師，碩士、研究方向為信息安全。