藏文信息隱藏技術綜述

石方夏+邱瑞+張弢+任帥

摘 要：隨著眾多藏文網站的開發和使用，越來越多的藏文信息在網上得以傳播和交流。西藏的互聯網中，藏文信息的比重和其所帶來的影響也越來越大。由于歷史和地緣因素，西藏文化一直是國內外學者、軍事和安全機構的研究內容，從中外藏學研究的如火如荼就可見一斑。自西方國家19世紀末開始出版藏文書籍至20世紀80年代“西藏問題”國際化，國外對西藏的歷史、政治、經濟、宗教、文化教育以及藏文字的研究均漸成規模，但是以藏文為傳輸內容的信息隱藏技術在國內外的研究還為數不多。本文就藏文信息隱藏技術的研究狀況、研究目標、研究內容和需解決的關鍵問題進行了概括性分析與綜述。

關鍵詞：藏文傳輸;信息隱藏;秘密信息共享;信息安全

中圖分類號：TN401 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）12-00-05

0 ?引 ?言

安全、有效的信息傳輸對國家安全、社會穩定和人民安居樂業至關重要。網絡和多媒體技術的發展，使得信息傳輸的速度和數量正以驚人的增量發展。然而，信息傳輸的便利在方便人們的同時也給信息安全帶來了隱患，同時也為基于數字載體的秘密信息傳輸提供了廣闊的研究空間。目前，基于載體的秘密信息傳輸是信息安全領域的一個方興未艾的研究熱點。而基于載體預處理的藏文信息隱藏技術將為信息安全領域提供一些新的數字信息共享和傳輸理念，特別是藏文的預處理規律、在數字信息中的隱藏規律等，將有助于涉藏秘密通信技術的發展，并可以對民用和商用領域中涉及到藏文內容的傳輸、共享、存儲和提取的通信過程起到安全保護、版權保護及完整性認證的作用，并對國家涉藏領域的網絡輿情監控、國內外涉藏敏感信息標注和情感色彩認知起著至關重要的作用。

在藏文信息隱藏技術方面，目前主要涉及的技術有關鍵字識別、字符識別和提取、韻律認知、語義角色標注、文本資源挖掘和語料抽取等，并以此為基礎進行置亂優化。

1 ?國內外信息隱藏技術研究現狀

信息隱藏一直是信息安全領域中保障隱秘信息安全傳輸和數字信息版權的重要手段，也是近年來國內外學者研究的熱點之一。最新的一屆ACM信息隱藏和多媒體安全會議（ACM IH&MMSec13 Workshop）的主要研究內容有信息隱藏算法、多媒體水印和認證、載體運算域的數字信號處理等。其中，信息隱藏算法的設計首先依賴于載體的選擇和預處理;關于多媒體水印和認證的研究則將信息隱藏和數字水印的載體范圍從數字圖像等常見載體拓展到了包括三維模型在內的新型載體上;載體運算域的數字信號處理涉及到了載體預處理時所用的具體方法，如空間域或變換域等。2013年IEEE 圖像處理國際會議（IEEE ICIP 2013）的主要研究內容包括圖像、音視頻和3-D等多媒體的信息隱藏算法和多媒體特征提取和分析等，這兩類研究內容均與載體的選取和預處理有關。最新一屆信息隱藏國際會議（IH2012）的主要研究內容包括多媒體安全和其他載體的信息隱藏。我國的第十一屆全國信息隱藏暨多媒體安全學術大會（CIHW2013）中關于信息隱藏算法的研究內容也主要集中在非常規載體的分析和預處理上。

藏文作為信息隱藏領域一種新的信息格式，對其研究主要局限于藏文操作系統、藏文信息技術標準、藏文信息處理等幾個方面[1]，具體內容集中在藏文編碼字符集、術語集、拼音輔助集等的建立。

基于載體的秘密通信技術是20世紀90年代中期發展起來的跨領域的學科，而載體的預處理技術一直是其研究的主要方向。對隱藏載體進行預處理，生成信息隱藏嵌入區域是信息隱藏算法中最重要的研究內容之一。從上述國內外各學術會議中關于信息隱藏的參會論文和研討情況看，各類載體固有特性的研究對預處理技術有著重要的意義，且數字圖像依然是主要的一類載體，而三維模型將是未來主要研究的一類非常規載體。下面就對數字圖像和三維模型兩類載體的預處理技術的研究現狀進行闡述。

1.1 ?數字圖像預處理技術研究綜述

基于數字圖像的信息隱藏技術是信息隱藏學科中重要的技術分支，是目前應用最廣、覆蓋范圍最大的信息隱藏技術手段。在基于數字圖像的信息隱藏技術研究中，信息隱藏區域的生成是關系算法性能的重要因素。信息隱藏區域的生成方法主要包括空間域生成法、變換域生成法以及空間域和變換域聯合的生成方法。

空間域算法：作為空間域算法中出現最早、操作最簡單且應用最廣泛的算法，基于位平面分解理論的LSB算法可以直接替換的方式隱藏較大的數據量，劉紅翼等提出的一種LSB算法具有容量大、運算量小的特點[2];劉文彬等提出的LSB隱寫替換的消息定位方法則可以對此類算法進行檢測[3];而IH2012的論文中，有學者運用假設檢驗理論和含秘載體的奇偶感知特性可有效地檢測LSB算法所隱藏的隱秘信息[4，5]，這些研究為藏文信息隱藏中涉及到關于此類算法的抗檢測性研究提供了新的待改進方向。張焱等提出的像素值排序和趙彥濤等提出的直方圖修改等空間域算法在沿用LSB直接替換的隱藏理念的同時，還提升了魯棒性，因此也被廣泛用于數字圖像載體預處理[6，7];隨后，楊春芳等提出了針對此類算法的檢測方法[8]，這也為針對此類算法抗檢測性改進的研究提供了重要依據。此外，上述同類算法中的載體子區域劃分思想、內容自適應思想等也對本項目基于載體結構特性建立空間匹配模型的機制提供了方法學上的有力支持[9-13]。

變換域算法：不同于空間域算法直接對載體的空間特性進行修改，變換域預處理方法以修改載體的頻率參數來隱藏信息[14]，因此算法的魯棒性比空間域算法好。在此基礎上，唐燕等又對隱秘信息的檢測和恢復進行了研究和改進，實現了幾乎無需原始參量的半盲提取[15]。盡管變換域算法不具備空間域算法容量大、運算量小和易操作等優勢，但是變換域中的多小波理論因其同時具有對稱性、短支撐性、二階消失矩和正交性等特性成為了信號處理中有明顯優勢且較常用的方法，在前期研究中利用多小波方法將數字圖像載體分塊后作為嵌入區域，提高了算法的魯棒性和不可見性[16，17]，這種方法為在藏文信息隱藏研究中建立基于區域能量的階梯性分布機制提供了一種研究手段。

混合域算法：較單獨運用一種空間域或變換域生成隱藏區域并設計信息隱藏算法來看，基于空間域與變換域聯合的信息隱藏算法可以兼有多種算法的性能優勢。在基于空間域和變換域聯合的信息隱藏算法中，空間域的作用體現在數據嵌入的具體操作方面，因為隱藏的實質就是在當前環境下的空間分量上進行數據修改，利用邊緣像素值差分（Edged Pixel Value Differencing，EPVD）將載體換算為若干個像素塊，以最大斜角的數據修改作為信息隱藏的具體方法[18];利用濕紙碼和基于LSBM的雙層隱寫來對載體進行加1嵌入或減1嵌入[19];另外，國內外許多學者利用調色板理論進行數據嵌入[20，21]。而變換域在載體預處理中的主要作用是生成滿足特定需要的信息隱藏環境（區域），主要包括變換后的系數分布以及n階分量子圖等。如對RSV顏色空間的V分量做DCT變換，分塊后作為嵌入區域[22];利用視覺顯著點技術確定跟蹤窗（Regions of Interest，ROI），在ROI的DCT系數上嵌入隱藏信息，并指定某個ROI邊緣地圖脆弱性標識，嵌入到DWT變換后的含密圖像中[23];前期研究中，研究人員利用自適應顏色遷移理論中lαβ域對顏色的控制力，消除了RGB顏色分量的強相關性，并結合GHM能量分區隱藏信息，在不可見性、嵌入信息量和魯棒性方面均具有較好的表現[24]。

1.2 ?三維模型預處理技術研究綜述

潘志庚等將基于三維模型的信息隱藏預處理方法主要分為空間域算法和變換域算法[25]。這也這為藏文信息隱藏研究提供了新的思路和方法。

空間域算法：空間域算法通常具有易嵌入和盲提取的特點，如直接置換載體的幾何信息來隱藏數據是三維模型載體信息隱藏最原始、最直接的方法[26]。為改進此類算法的魯棒性，引入仿射不變量是有效的措施，如利用具有連續解析性的仿射不變量優化需要置換的頂點[27]、 將穩態錨點通過三角垂心編碼解析為聚類元素從而嵌入隱秘信息[28]。此外，基于主元分析的算法也有助于改善空間域算法的魯棒性，例如可根據主元分析（Primary Component Analysis，PCA）來確定模型的關鍵位置作為魯棒區域，并用網格分割法改進魯棒性和不可見性[29-32]。這類算法也為藏文信息隱藏從載體結構特性進行解析和預處理提供了理論依據。改進型的空間域算法多針對魯棒性或容量性有所提升，如基于連續解析性的體積矩的盲算法，改善了之前算法對連通性攻擊的魯棒性[33];通過重排頂點和面片在網格文件中的表示信息，利用表示域內的信息進行嵌入使算法具有良好的不可見性和大容量性[34]，但對相似變換以外的攻擊不具有魯棒性。

變換域算法：三維模型預處理的變換域方法大多利用頻譜分析將模型信息參數化[35]，對參數進行少量修改后以隱藏信息，其中，基于小波變換的算法可以對規則和非規則網格模型進行小波域參量修改以嵌入較多信息[36]。理論上，變換域算法比空間域算法魯棒性強，但由于三維模型頂點的天然無序性和不規則性，對其進行頻譜分析難度大，導致變換域算法實用性目前較低，因此空間域算法依然是比變換域算法更有實用價值的研究方向[37]。

2 ?藏文信息隱藏技術研究現狀

目前反映藏文信息處理技術最新進展的文獻較少，綜合以已有的研究成果及相關研究文獻，藏文信息處理可劃分為藏語信息處理和藏字信息處理兩個層次[38，39]。藏語信息處理包括機器翻譯、信息檢索、信息提取、文本校對、文本生成、文本分類、自動摘要以及藏文字識別和語音識別的后處理等等;而藏字信息處理包括操作系統以及編碼字符集、輸入技術、字形描述與生成、存儲、編輯、排版、字頻統計和藏字屬性庫等。這些研究基礎對藏文信息隱藏技術的發展至關重要，是基于載體預處理的藏文信息隱藏的主要技術來源。鑒于藏文的獨特構造，以及藏文的特點，目前對藏文秘密信息的預處理技術一般指置亂和加密算法的選擇[40]，而置亂使信息變得雜亂無章難以辨認，可以起到加密與改變信息嵌入特性的作用。可用于藏文信息隱藏的置亂算法主要有Arnold變換、幻方矩陣、Gray碼變換、混沌序列等方法[41]。其中，Arnold變換算法簡單且置亂效果顯著，使有意義的數字圖像變成像白噪聲一樣的無意義圖像，實現了信息的初步加密和信息結構的調整，在嵌入信息為數字圖像時可以很好的應用[42]。幻方置亂的思想基于查表思想，基于數字圖像的幻方置亂可降低幻方置亂階數或以圖像塊進行置亂，實現置亂效果與系統開銷的平衡[43]。Gray是一種具有反射特性和循環特性的單步自補碼，它的循環、單步特性消除了隨機取數時出現重大誤差的可能，它的反射、自補特性使得求反非常方便[44]。混沌的優勢在于對初始條件的極端敏感和軌跡在整個空間上的遍歷性。根據經典的Shannon置亂與擴散的要求，這些獨特的特征使得混沌映射成為信息隱藏嵌入算法的優秀候選[45]。上述傳統的置亂算法一般用于正方形圖像處理，而經過改進的Arnold算法可直接用于寬高不等的矩形圖像而不必進行正方形擴展[46]，這也將是藏文信息隱藏技術所采用的主要置亂方法之一。

3 ?藏文信息隱藏技術的研究目標、研究內容和要解決的問題

3.1 ?研究目標

面向藏文安全通信的高性能信息隱藏算法是目前藏文信息隱藏技術的主要目標，包括提出性能出色的、適合藏文通信要求的信息隱藏算法;提出一種具有普適性的高性能信息隱藏嵌入區域生成原則和嵌入規則：

（1） 基于數字圖像的藏文信息隱藏算法：提出至少兩種基于數字圖像的藏文信息隱藏算法，算法將同時滿足面向藏文安全的信息隱藏應用所要求的高不可見性（PSNR≥34.90dB）、強魯棒性（抗擊大約69%以下的JPEG2000壓縮、35%以下的剪切及常見濾波與加噪）、大容量性（基于彩色圖像的信息隱藏信息嵌入率≥18%）以及高感知篡改性（檢測隱藏數據是否被篡改能力≥95%）。

（2） 基于三維模型的藏文信息隱藏算法：提出至少一種基于三維模型的藏文信息隱藏算法。算法將同時滿足面向藏文安全的信息隱藏應用所要求的高不可見性（RSNR≥69.94dB、En≥70%）、應對一般攻擊的強魯棒性（抗擊大約0.10%隨機加噪、50-times Laplacian平滑、50%均勻重網格化以及均勻簡化等）、大容量性（相對理想的RSNR，嵌入率≥29%）以及低復雜度（根據載體模型幾何信息量而變化）。

（3） 普適性信息隱藏嵌入區域生成原則和嵌入規則：利用載體圖像能量和復雜度特性，提出基于能量性和復雜度的藏文信息隱藏區域生成原則和嵌入規則，將適應于所有對數字圖像處理后有能量區別的圖像處理方法，指導設計者利用能量與魯棒性、復雜度與不可見性的對應關系，研究出同時滿足不可見性和魯棒性的信息隱藏算法。

3.2 ?研究內容

（1） 藏文信息隱藏區域生成原則與規則研究：數字圖像信息隱藏技術的研究核心集中在隱藏區域和嵌入規則的設計上，藏文信息隱藏算法的設計方法和思路就是在選定藏文信息隱藏區域以及制定好信息隱藏規則后，按照一定的順序將兩者進行合理的組織，所以研究藏文信息隱藏區域生成原則以及信息隱藏規則是重點。

（2） 基于數字圖像的藏文信息隱藏算法研究：隱藏算法是基于數字圖像的信息隱藏技術的研究核心，需按照嵌入域進行劃分，對基于空間域和基于變換域的信息隱藏算法分別進行研究，提出單獨基于空間域、單獨基于變換域以及兩者聯合應用的數字圖像信息隱藏算法。

（3） 基于三維模型的藏文信息隱藏算法研究：首先對三維模型的結構特性和能量特性進行研究，再根據載體模型的特性找出對應的預處理方法。在研究基于空間域和基于變換域的信息隱藏算法的基礎上，提出改進型的三維模型信息隱藏算法。主要用于提升載體有效嵌入容量和降低載體視覺失真度。

（4） 載體與藏文秘密信息的一致化方法研究：基于上述研究基礎，生成結構和能量差異化子區域，再將藏文秘密信息按照拼音屬性進行解析生成信息序列。再利用優化算法使得預處理后的載體信息和藏文秘密信息的解析編碼獲得最大一致化，從而提高算法性能。

3.3 ?需解決的關鍵問題

綜合已有的研究，在藏文信息隱藏技術方面，目前需要解決的問題有以下幾個方面：

（1） 信息隱藏區域與嵌入規則設計：在具有什么性質的區域內應用什么樣的規則進行藏文信息隱藏才可以解決“不可見性與魯棒性的對立、容量性與抗分析性的對立”問題，是藏文信息隱藏研究領域的關鍵技術之一。需找出隱藏區域的性質與信息隱藏性能的關系，提出面向藏文信息傳輸的信息隱藏區域選擇的原則與方法;給出在具有具體性質的嵌入區域中的藏文信息隱藏嵌入規則的制定原理和方法;提出大量的藏文信息數據轉換思想與方法，以提供形式多樣的信息隱藏嵌入規則。

（2） 數字圖像載體預處理方法：①多小波理論在載體預處理中的應用。對于數字圖像經過多小波變換后所具有的特殊性質，找出多小波變換后數字圖像所具有的能量特性與基于數字圖像信息隱藏算法性能之間所遵循的規律已有學者進行研究。②顏色空間的性能分析與應用選取。RGB、CMYK、lαβ、YUV以及HSx顏色空間，應用方法以及應用各有優劣勢。該技術的應用難點在于為顏色空間在藏文信息隱藏的應用提出完備的應用方案，因為這些顏色空間在藏文信息隱藏技術中的應用目前非常少，應用優劣還處于實驗驗證階段，沒有理論驗證的支持。

（3） 三維網格模型載體預處理方法：骨架抽取和內切球解析技術在藏文信息隱藏算法中的應用。這種方法不涉及頂點數量及坐標的改變和拓撲關系的修改。難點在于尋找一個理想的仿射不變量作為輔助參數以彌補算法對縮放攻擊的脆弱性。

（4） 藏文的置亂與遺傳優化算法：有的藏文字處理系統把藏文看成是由30個輔音、4個元音、3個上加字、5個下加字共42個藏文字符組成的，而有的則認為由其他數量的字符組成。基于對藏文中加字對發音的影響規律的研究，利用字符與二進制碼的解析規則和置亂與優化技術對信息置亂，達到隱藏信息與載體信息的最大匹配度也是一個技術難點。

4 ?藏文信息隱藏技術研究的新方法

（1）利用載體圖像能量和復雜度特性，提出基于能量性和復雜度的藏文信息隱藏區域生成原則和嵌入規則。高能量與強魯棒、高復雜度與高不可見性的對應關系，從根本上解決藏文信息隱藏算法中不可見性和魯棒性的對立問題，為面向藏文通信安全的信息隱藏算法的設計給出一種普適性方法。

（2）根據數字圖像信息隱藏嵌入區域的生成原則和嵌入規則，提出新的、高性能的數字圖像的藏文信息隱藏算法。算法利用lαβ等顏色空間轉換以及多小波對載體圖像進行的處理，生成具有不同能量特性的嵌入區域，從頻率域上滿足藏文信息隱藏的應用要求;通過對載體圖像進行顏色遷移、矢量解析以及環形處理，從數字圖像的空間結構上滿足藏文信息隱藏的應用要求。

（3）提出滿足三維模型結構特性和能量特性的藏文信息隱藏算法。算法利用局部高度理論和均值偏移理論對載體模型進行預處理，生成具有不同能量特性的嵌入區域，從頻域上滿足信息隱藏的應用要求;通過對載體圖像進行骨架抽取、內切球解析，從空間結構上滿足藏文信息隱藏的應用要求。

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