(2019春季1 课程编号：011184) 中月料大首凡平illxenauste..cd证.cm 信息安全导论 曾凡平 219信安号论 第5章信息隐藏技术 中国科学技术大学曾凡平 billzeng@ustc.edu.cn
信息安全导论 第5章 信息隐藏技术 中国科学技术大学 曾凡平 billzeng@ustc.edu.cn (2019春季 课程编号：011184)
第5章信息隐藏技术 5.1信息隐藏的概念 5.2隐藏信息的基本方法 ·空域算法，变换域算法 ·压缩域算法，NEC算法，生理模型算法 5.3数字水印 ·技术模型，分类与应用 ·空域水印，DCT水印 5.4数字隐写 ·技术模型， ·典型数字图像隐写算法 5.5数字指纹 ·基本概念和模型 ·数字指纹编码，数字指纹协议 信息安全导论05 3
第5章 信息隐藏技术 信息安全导论05 3 5.1 信息隐藏的概念 5.2 隐藏信息的基本方法 5.3 数字水印 5.4 数字隐写 5.5 数字指纹 •空域算法，变换域算法 •压缩域算法，NEC算法，生理模型算法 •技术模型，分类与应用 •空域水印，DCT水印 •技术模型， •典型数字图像隐写算法 •基本概念和模型 •数字指纹编码，数字指纹协议
5.1信息隐藏的概念 信息隐藏是把一个待保护的秘密信息隐藏在另一个 称为载体的信息中，非授权者不知道这个普通的载 体信息中是否隐藏了其他的信息，而且即使知道也 难以提取或去除隐藏的信息。所用的载体可以是文 字、图像、声音及视频等。 现代信息隐藏是一种解决媒体信息安全的新方法， 通过把秘密信息永久地隐藏在可公开的媒体信息里 达到证实该媒体信息的所有权归属、验证数据完整 性或传递秘密信息的目的，从而为数字信息的安全 问题提供一种新的解决方法。 这里的安全有两方面的含义：一是可公开的媒体信 息在版权和使用权上的安全，二是秘密信息在传输 和存储中的安全。 信息安全导论05
5.1 信息隐藏的概念 • 信息隐藏是把一个待保护的秘密信息隐藏在另一个 称为载体的信息中，非授权者不知道这个普通的载 体信息中是否隐藏了其他的信息，而且即使知道也 难以提取或去除隐藏的信息。所用的载体可以是文 字、图像、声音及视频等。 • 现代信息隐藏是一种解决媒体信息安全的新方法， 通过把秘密信息永久地隐藏在可公开的媒体信息里， 达到证实该媒体信息的所有权归属、验证数据完整 性或传递秘密信息的目的，从而为数字信息的安全 问题提供一种新的解决方法。 • 这里的安全有两方面的含义：一是可公开的媒体信 息在版权和使用权上的安全，二是秘密信息在传输 和存储中的安全。 信息安全导论05 4
信息加密与信息隐藏的区别 信息加密是利用密钥把信息变换成密文，通过公 开信道传输。如果要使用这些受保护的信息，必 须有正确的解密密钥，没有密钥的非法用户无法 从密文中恢复原始信息，从而无法正确使用信息 换言之，信息加密通过密钥控制信息的使用权 从而隐藏秘密信息的内容，但没有隐藏秘密信 息的存在 而信息隐藏更进一步，它是把秘密信息隐藏于可 以公开的信息中，使攻击者难以知道秘密信息的 存在，从而掩盖通信过程中存在秘密信息的事 实。其主要目的并不是限制对信息的访问，而是 确保宿主信息中隐藏的秘密信息不被改变或消除， 从而在必要时提供有效的证明信息。 信息安全导论05 5
信息加密与信息隐藏的区别 • 信息加密是利用密钥把信息变换成密文，通过公 开信道传输。如果要使用这些受保护的信息，必 须有正确的解密密钥，没有密钥的非法用户无法 从密文中恢复原始信息，从而无法正确使用信息。 换言之，信息加密通过密钥控制信息的使用权， 从而隐藏秘密信息的内容，但没有隐藏秘密信 息的存在。 • 而信息隐藏更进一步，它是把秘密信息隐藏于可 以公开的信息中，使攻击者难以知道秘密信息的 存在，从而掩盖通信过程中存在秘密信息的事 实。其主要目的并不是限制对信息的访问，而是 确保宿主信息中隐藏的秘密信息不被改变或消除， 从而在必要时提供有效的证明信息。 信息安全导论05 5
信息隐藏技术的分类 1.按载体类型分类，有文本、图像、音频和视频的 信息隐藏技术。 2.按密钥分类，若嵌入和提取采用相同的密钥，则 称为私钥信息隐藏技术，否则称为公钥信息隐藏 技术。 3.按嵌入域分类，可分为空域（或时域）和变换域 方法。空间域替换方法处理是用待隐藏的信息替 换载体信息的冗余部分，而变换域方法处理是对 载体信息进行各种各样的变换后嵌入隐秘信息。 4.按检测是否需要载体信息参与分类，可分为非盲 检测算法和盲检测算法。非盲检测算法中隐秘信 息的检测需要原始载体的参与，而盲检测算法中 隐秘信息的检测不需要原始载体的参与。 信息安全导论05 6
信息隐藏技术的分类 1. 按载体类型分类，有文本、图像、音频和视频的 信息隐藏技术。 2. 按密钥分类，若嵌入和提取采用相同的密钥，则 称为私钥信息隐藏技术，否则称为公钥信息隐藏 技术。 3. 按嵌入域分类，可分为空域（或时域）和变换域 方法。空间域替换方法处理是用待隐藏的信息替 换载体信息的冗余部分，而变换域方法处理是对 载体信息进行各种各样的变换后嵌入隐秘信息。 4. 按检测是否需要载体信息参与分类，可分为非盲 检测算法和盲检测算法。非盲检测算法中隐秘信 息的检测需要原始载体的参与，而盲检测算法中 隐秘信息的检测不需要原始载体的参与。 信息安全导论05 6
5.按照保护对象分类 (1)隐写术：目的是在不引起任何怀疑的情况下 秘密传送消息，因此它的主要需求包括难以检 测和大容量。必须充分考虑到在公开信道中被检 测和干扰的可能性。隐写术是相对比较成熟的信 息隐藏技术。 (2)数字水印：它是指嵌在数字产品中的数字信 号，可以是图像、文字、符号、数字等一切可以 作为标识和标记的信息，其目的是进行版权保护 所有权证明、指纹（追踪发布多份拷贝）和完整 性保护等，因此，它的性能要求是鲁棒性和不可 感知性等。数字水印还可以根据应用领域不同而 划分为许多具体的分类，例如用于版权保护的鲁 棒性水印，用于保护数据完整性的脆弱性水印等 信息安全导论05
5. 按照保护对象分类 • (1)隐写术：目的是在不引起任何怀疑的情况下 秘密传送消息，因此它的主要需求包括难以检 测和大容量。必须充分考虑到在公开信道中被检 测和干扰的可能性。隐写术是相对比较成熟的信 息隐藏技术。 • (2)数字水印：它是指嵌在数字产品中的数字信 号，可以是图像、文字、符号、数字等一切可以 作为标识和标记的信息，其目的是进行版权保护、 所有权证明、指纹（追踪发布多份拷贝）和完整 性保护等，因此，它的性能要求是鲁棒性和不可 感知性等。数字水印还可以根据应用领域不同而 划分为许多具体的分类，例如用于版权保护的鲁 棒性水印，用于保护数据完整性的脆弱性水印等。 信息安全导论05 7
按照保护对象分类 (3)数据隐藏和数据嵌入：数据隐藏和数据嵌入通常 用在不同的上下文环境中，它们一般指隐写术，或 者指介于隐写术和水印之间的应用。在这些应用中 嵌入数据的存在是公开的，但不必要保护它们。例 如，嵌入的数据是辅助的信息和服务，它们可以是 公开得到的，与版权保护和存取控制等功能无关 (4)指纹和标签：这里指水印的特定用途。有关数字 产品的创作者和购买者的信息作为水印而嵌入。每 个水印都是一系列编码中唯一的一个编码，即水印 中的信息可以唯一地确定每一个数字产品的拷贝， 因此，称它们为指纹或者标签。 当前，比较活跃的信息隐藏技术主要有两个：隐写 术和数字水印。 信息安全导论05 8
按照保护对象分类 • (3)数据隐藏和数据嵌入：数据隐藏和数据嵌入通常 用在不同的上下文环境中，它们一般指隐写术，或 者指介于隐写术和水印之间的应用。在这些应用中 嵌入数据的存在是公开的，但不必要保护它们。例 如，嵌入的数据是辅助的信息和服务，它们可以是 公开得到的，与版权保护和存取控制等功能无关。 • (4)指纹和标签：这里指水印的特定用途。有关数字 产品的创作者和购买者的信息作为水印而嵌入。每 个水印都是一系列编码中唯一的一个编码，即水印 中的信息可以唯一地确定每一个数字产品的拷贝， 因此，称它们为指纹或者标签。 • 当前，比较活跃的信息隐藏技术主要有两个：隐写 术和数字水印。 信息安全导论05 8
成功的信息隐藏通常需要满足的技术要求 (1)透明性(invisibility)或不可感知性(imperceptibility)小：指 载体在隐藏信息前后没有明显的差别，除非使用特殊手 段，否则无法感知机密信息的存在。当然，个别场合也 需要可见水印。 (2)鲁棒性(robustness:指隐藏对象抗拒常用的信号处理 操作而带来的信息破坏能力，即常用的信号处理操作不 应该引起隐藏对象的信息丢失。这里的信号处理操作包 括滤波、有损压缩、打印、扫描、几何变换、D/A或A/D 转换等。 (3)安全性(security)小：指隐藏算法具有较强的抗恶意攻击 能力，即它必须能够承受一定程度的人为攻击而使嵌入 对象不被破坏。此外，与信息加密一样，信息隐藏技术 最终也需要把对信息的保护转化为对密钥的保护。因此， 密码学中对密钥的基本要求也适用于隐藏技术。 信息安全导论05 9
成功的信息隐藏通常需要满足的技术要求 • (1)透明性(invisibility)或不可感知性(imperceptibility)：指 载体在隐藏信息前后没有明显的差别，除非使用特殊手 段，否则无法感知机密信息的存在。当然，个别场合也 需要可见水印。 • (2)鲁棒性(robustness)：指隐藏对象抗拒常用的信号处理 操作而带来的信息破坏能力，即常用的信号处理操作不 应该引起隐藏对象的信息丢失。这里的信号处理操作包 括滤波、有损压缩、打印、扫描、几何变换、D/A或A/D 转换等。 • (3)安全性(security)：指隐藏算法具有较强的抗恶意攻击 能力，即它必须能够承受一定程度的人为攻击而使嵌入 对象不被破坏。此外，与信息加密一样，信息隐藏技术 最终也需要把对信息的保护转化为对密钥的保护。因此， 密码学中对密钥的基本要求也适用于隐藏技术。 信息安全导论05 9
成功的信息隐藏通常需要满足的技术要求 (4)不可检测性(undetectability):指隐藏对象与载体对象 需要有一致的特性，例如，具有一致的噪声统计分布等， 以便使隐藏分析者无法判断隐藏对象中是否隐藏有嵌入 对象。 (5)自恢复性(self-comeback):经过某些操作或变换后， 可能会使隐藏对象产生较大的破坏。如果只从留下的片 断数据，仍能恢复嵌入信号，而且恢复过程不需要载体 信号，这就是所谓的自恢复性。当然，并不是所有场合 都需要自恢复性。 (6)嵌入强度(embedding strength)信息量)：载体中应能 隐藏尽可能多的信息。在满足不可感知的条件下，隐藏 的信息越多，鲁棒性就越差。因此，在具体的隐藏系统 中，通常都会涉及不可感知性、鲁棒性和嵌入强度随三 者之间的折中。 信息安全导论05 10
成功的信息隐藏通常需要满足的技术要求 • (4)不可检测性(undetectability)：指隐藏对象与载体对象 需要有一致的特性，例如，具有一致的噪声统计分布等， 以便使隐藏分析者无法判断隐藏对象中是否隐藏有嵌入 对象。 • (5)自恢复性(self-comeback)：经过某些操作或变换后， 可能会使隐藏对象产生较大的破坏。如果只从留下的片 断数据，仍能恢复嵌入信号，而且恢复过程不需要载体 信号，这就是所谓的自恢复性。当然，并不是所有场合 都需要自恢复性。 • (6)嵌入强度((embedding strength)信息量)：载体中应能 隐藏尽可能多的信息。在满足不可感知的条件下，隐藏 的信息越多，鲁棒性就越差。因此，在具体的隐藏系统 中，通常都会涉及不可感知性、鲁棒性和嵌入强度随三 者之间的折中。 信息安全导论05 10
5.2隐藏信息的基本方法 信息隐藏技术横跨了信号处理、数字通信、密码 学、模式识别等多个学科，各专业领域的研究者 均有独特的研究角度，使得近年来信息隐藏技术 研究取得了很大发展。 。 研究者们提出了很多算法，这些算法大多是在数 字图像上发展起来的，大多数算法也适用于数字 音频和视频 我们以基于图像载体的信息隐藏技术为例，介绍 几种典型算法。 信息安全导论05 11
5.2 隐藏信息的基本方法 • 信息隐藏技术横跨了信号处理、数字通信、密码 学、模式识别等多个学科，各专业领域的研究者 均有独特的研究角度，使得近年来信息隐藏技术 研究取得了很大发展。 • 研究者们提出了很多算法，这些算法大多是在数 字图像上发展起来的，大多数算法也适用于数字 音频和视频。 • 我们以基于图像载体的信息隐藏技术为例，介绍 几种典型算法。 信息安全导论05 11