信息隐藏(隐写术)课件.ppt

1、信息隐藏（隐写术）主讲教师：余艳玮主讲教师：余艳玮 2023-1-821 信息隐藏概述信息隐藏概述2 隐写术的基本原理隐写术的基本原理3 隐写术隐写术4 隐写分析技术隐写分析技术2023-1-83 隐写术隐写术 空域隐写术空域隐写术 原始类图像隐写术原始类图像隐写术基于文件格式的隐写术基于文件格式的隐写术替换技术：位平面、颜色通道替换技术：位平面、颜色通道LSB基于关系的技术基于关系的技术 有限调色板图像隐写术有限调色板图像隐写术 变换域隐写术变换域隐写术 JPEG图像隐写术图像隐写术2023-1-843.3 JPEG图像隐写术图像隐写术 Jsteg Outguess算法算法 F52023-1

2、-85 JPEG格式图像在网络中大量传输的应用格式图像在网络中大量传输的应用普遍性普遍性和和JPEG图像编码算法的图像编码算法的公开性公开性，使，使JPEG图像得图像得到了众多隐写术研究者的青睐，因而基于到了众多隐写术研究者的青睐，因而基于JPEG图像的隐写术得到了迅猛的发展。图像的隐写术得到了迅猛的发展。用它作为信息隐藏的载体图像在网络上进行隐蔽用它作为信息隐藏的载体图像在网络上进行隐蔽通信，与其它图像格式相比，它所引起的怀疑相通信，与其它图像格式相比，它所引起的怀疑相对比较小。对比较小。由于由于JPEG图像格式采用的是图像格式采用的是有损压缩有损压缩，根据质，根据质量因子的不同，图像显示出

3、的效果本身会有差异，量因子的不同，图像显示出的效果本身会有差异，这就使得攻击者难以判断图像中的异常到底是较这就使得攻击者难以判断图像中的异常到底是较低的质量因子还是嵌入隐藏信息所导致的。低的质量因子还是嵌入隐藏信息所导致的。2023-1-86 Jsteg和和OutGuess将秘密信息嵌入在量化将秘密信息嵌入在量化后的后的DCT系数的系数的LSB上，原始值为上，原始值为0和和1的的DCT系数除外。系数除外。2023-1-87(1)Jsteg隐写算法隐写算法 首先获得图像量化后的首先获得图像量化后的DCT系数矩阵，对于不为系数矩阵，对于不为0、1的的DCT系数，用秘密信息取代其系数，用秘密信息取代

4、其LSB，即完，即完成成嵌入嵌入过程。（连续嵌入）过程。（连续嵌入）提取提取秘密信息时，也只是将含密图像中不等于秘密信息时，也只是将含密图像中不等于0,1的量化的量化DCT系数的系数的LSB取出即可。取出即可。Jsteg隐写实质上就是隐写实质上就是将将LSB嵌入法应用到量化嵌入法应用到量化后的后的DCT系数系数 优点：实现简单优点：实现简单 缺点：利用缺点：利用x2分析可以很容易地检测出秘密信息的存分析可以很容易地检测出秘密信息的存在，因此其安全性并不好在，因此其安全性并不好2023-1-882023-1-89(2)OutGuess算法算法 OutGuess算法是算法是Niels Provos

5、针对针对Jsteg类算法的缺陷提出的一种方法，主要分两类算法的缺陷提出的一种方法，主要分两个部分个部分:嵌入过程嵌入过程不修改不修改DCT系数值为系数值为0，1的的DCT系数，系数，利用伪随机数发生器产生间隔以决定下一个要利用伪随机数发生器产生间隔以决定下一个要嵌入的嵌入的DCT系数的位置。（随机间隔）系数的位置。（随机间隔）纠正过程纠正过程消除对效应的出现，方法是利用那些消除对效应的出现，方法是利用那些未被修改的未被修改的DCT系数进行修改来维持直方图保系数进行修改来维持直方图保持不变持不变2023-1-8102023-1-811(3)F5隐写算法隐写算法 是由德国著名学者是由德国著名学者P

6、fitzmann和和Westfeld在在2001年提出的。是一种针对年提出的。是一种针对JPEG图像，可以提供较图像，可以提供较大的嵌入容量、抗大的嵌入容量、抗x2检测的隐写算法。检测的隐写算法。F5的算法描述如下的算法描述如下:由用户输入的密码产生一组随机序列，利用该随机序由用户输入的密码产生一组随机序列，利用该随机序列来列来随机选择随机选择量化量化DCT系数的系数的非零交流系数非零交流系数。对选中的对选中的DCT系数进行分组，每组包含系数进行分组，每组包含2k-1个个DCT系系数，用以嵌入数，用以嵌入k比特信息。比特信息。利用矩阵编码来嵌入信息利用矩阵编码来嵌入信息2023-1-81220

7、23-1-813矩阵编码矩阵编码 编码方式为编码方式为(1,n,k)，其中，其中n=2k-1如何选择k?2023-1-814利用矩阵编码嵌入秘密信息利用矩阵编码嵌入秘密信息2023-1-815F5算法的特点算法的特点 隐藏信息量大隐藏信息量大 高效（高效（embedded bits per change）：）：抵抗抵抗x2检测检测 开源开源 利用了常见的图像格式（利用了常见的图像格式（JPEG）2023-1-8161 信息隐藏概述信息隐藏概述2 隐写术的基本原理隐写术的基本原理3 隐写术隐写术4 隐写分析技术隐写分析技术2023-1-817 隐写分析的定义隐写分析的定义 隐写分析的现状隐写分析

8、的现状 隐写分析的原理隐写分析的原理2023-1-818隐写分析的定义隐写分析的定义 隐写分析（隐写检测）：非授权用户进行隐写分析（隐写检测）：非授权用户进行的信息嵌入逆过程，意指第三方（黑客，的信息嵌入逆过程，意指第三方（黑客，通常位于公开信道中）对信息隐藏的一种通常位于公开信道中）对信息隐藏的一种攻击行为，它不是隐藏信息的合法的检测攻击行为，它不是隐藏信息的合法的检测或提取。或提取。2023-1-819隐写分析的现状隐写分析的现状 在在1999年召开的第三届信息隐藏国际会议年召开的第三届信息隐藏国际会议上，上，Westfeld等首次提出检测空域等首次提出检测空域LSB隐隐写的写的直方图攻击

9、方法直方图攻击方法。通过通过分析像素值对分析像素值对的的统计分布统计分布建立卡方统计量建立卡方统计量(x2)来检测隐藏信息的存在性，并能可靠估计来检测隐藏信息的存在性，并能可靠估计嵌入的秘密消息的大小。嵌入的秘密消息的大小。但是，这种方法需要执行多次卡方检验，计算但是，这种方法需要执行多次卡方检验，计算速度受到一定限制。速度受到一定限制。2023-1-820 Fridrich等等2001年首次提出一种年首次提出一种RS(regular singular)隐写分析方法，这种方法来源于一种无隐写分析方法，这种方法来源于一种无损隐写方案。通过计算损隐写方案。通过计算LSB平面和移位平面和移位LSB平

10、面平面的无损信息隐藏容量，导出了估计秘密消息大小的无损信息隐藏容量，导出了估计秘密消息大小的方程，是目前的方程，是目前惟一惟一能够能够检测连续检测连续LSB替换和随替换和随机机LSB替换嵌入替换嵌入的秘密信息，并能可靠估计嵌入的秘密信息，并能可靠估计嵌入的秘密信息大小的算法，具有较高的可靠性和灵的秘密信息大小的算法，具有较高的可靠性和灵敏度。敏度。2023-1-821 还有一类很强的适应性的还有一类很强的适应性的通用盲检测方法通用盲检测方法，但大，但大多只能以一定概率判断隐藏消息的存在性，并且多只能以一定概率判断隐藏消息的存在性，并且检测的可靠性随着嵌入的隐藏消息的减少急剧下检测的可靠性随着嵌

11、入的隐藏消息的减少急剧下降，这在很多应用场合下是不可接受的。此外，降，这在很多应用场合下是不可接受的。此外，这类方法并不能给出一个关于隐藏消息大小的信这类方法并不能给出一个关于隐藏消息大小的信息，不利于下一步隐藏消息的提取。息，不利于下一步隐藏消息的提取。因此，很多研究者致力于研究因此，很多研究者致力于研究面向特定隐写方法面向特定隐写方法的隐写分析算法，力求实现针对某一种特定隐藏的隐写分析算法，力求实现针对某一种特定隐藏方法实现可靠检测，并准确估计隐藏消息的大小，方法实现可靠检测，并准确估计隐藏消息的大小，进而实现秘密消息的提取。进而实现秘密消息的提取。2023-1-822隐写分析的原理隐写分

12、析的原理 信息隐藏技术中，所有的被隐藏的秘密信息信息隐藏技术中，所有的被隐藏的秘密信息m都都可以表示为下面简单的公式：可以表示为下面简单的公式：m=p+t 其中：其中：t为被隐藏的秘密信息中经过处理后在载体文件中为被隐藏的秘密信息中经过处理后在载体文件中不会不会产生可检测失真产生可检测失真的部分，它是人对一个媒体的不可感的部分，它是人对一个媒体的不可感知能力的阂值。知能力的阂值。p为被隐藏的秘密信息中经过处理后在载体文件中为被隐藏的秘密信息中经过处理后在载体文件中会产会产生可检测失真生可检测失真的部分。的部分。t值的大小代表着隐写算法的水平，当值的大小代表着隐写算法的水平，当m=t，即，即p=

13、0时，时，表示秘密信息的嵌入没有对载体信息产生任何影响，表示秘密信息的嵌入没有对载体信息产生任何影响，这时的隐写算法达到最高水平，任何检测技术都会无这时的隐写算法达到最高水平，任何检测技术都会无能为力。能为力。2023-1-823隐写分析的目的隐写分析的目的 检测隐藏信息的存在性，并估计隐藏信息检测隐藏信息的存在性，并估计隐藏信息的长度的长度 提取隐藏信息提取隐藏信息 删除和扰乱隐写载体中嵌入的隐写信息删除和扰乱隐写载体中嵌入的隐写信息2023-1-824现有的典型统计隐写分析方法现有的典型统计隐写分析方法 直接观察分析法直接观察分析法 基于统计特征的方法基于统计特征的方法 通用盲检测方法通用

14、盲检测方法2023-1-825(1)可视攻击可视攻击(Visual Attack)错误假设错误假设:LSB呈现随机分布，因而可以替换；呈现随机分布，因而可以替换；利用人类的认知能力可以验证该假设错误性。利用人类的认知能力可以验证该假设错误性。可视攻击：可视攻击：人们可以可以从图像的最低有效位人们可以可以从图像的最低有效位看见隐藏消息。看见隐藏消息。2023-1-826可视攻击可视攻击(Visual Attack)2023-1-827LSB of Original ImageLSB of Stego Image2023-1-828(2)基于基于x x2 2检验隐写分析算法检验隐写分析算法 卡方统

15、计卡方统计(x x2 2统计统计)攻击是通过攻击是通过观察观察隐写图像隐写图像的的统计直方图统计直方图来检测图像中是否含有隐藏来检测图像中是否含有隐藏信息。假设载体为信息。假设载体为8bit灰度图像，灰度值为灰度图像，灰度值为i的象素数为的象素数为ni，将，将n2i与与n2i+1作为一对数字作为一对数字来处理。秘密信息可以看作是来处理。秘密信息可以看作是0、1随机分随机分布的比特流，而且值为布的比特流，而且值为0与值为与值为1的可能性的可能性都是都是1/2。如果秘密信息完全替代了载体图。如果秘密信息完全替代了载体图像的最低位，那么像的最低位，那么n2i与与n2i+1的值会比较接的值会比较接近。

16、如果载体图像未经隐写，近。如果载体图像未经隐写，n2i与与n2i+1的的值就会相差得远一些。值就会相差得远一些。2023-1-8292023-1-830期望分布(expected distribution):观察分布(observed distribution):两种分布之差表示为：两种分布相同的累积概率函数：v：由：由n2i与与n2i+1组成的数字对的数目；组成的数字对的数目；为常用的为常用的Euler Gamma函数；函数；p表示载体被隐写的可能性。如果表示载体被隐写的可能性。如果p接近接近1，则说明载体图像中含有隐秘信息；，则说明载体图像中含有隐秘信息；在未隐写信息时，在未隐写信息时，p

17、值接近于值接近于02023-1-831x x2 2检测性能分析检测性能分析2023-1-8322023-1-8332023-1-8342023-1-8352023-1-836(3)RS隐写分析方法隐写分析方法 J.Fridirich等提出的等提出的RS检测算法在隐写分析的研检测算法在隐写分析的研究中具有重要的意义，它是究中具有重要的意义，它是第一个第一个可以可以检测随机检测随机间隔嵌入间隔嵌入LSB算法算法的隐写分析方法，并可以的隐写分析方法，并可以精确精确地估计出秘密消息的长度地估计出秘密消息的长度。绝大多数图像的采样点之间具有较强相关性，而绝大多数图像的采样点之间具有较强相关性，而秘密信息

18、由于通常经过压缩或加密，可以认为不秘密信息由于通常经过压缩或加密，可以认为不具有相关性，所以具有相关性，所以当秘密信息被嵌入当秘密信息被嵌入到载体图像到载体图像数据的最低位后，数据的最低位后，象素灰度值之间的相关性象素灰度值之间的相关性会在会在一定程度上一定程度上受到破坏受到破坏。RS方法就是利用这个特性方法就是利用这个特性来检测数字媒体中是否含有秘密信息。来检测数字媒体中是否含有秘密信息。2023-1-837 具体步骤如下具体步骤如下:给定一个图像块，可以用下式表示混乱程给定一个图像块，可以用下式表示混乱程度度 其中，其中，X是图像块的灰度值矩阵，是图像块的灰度值矩阵，X1表示将表示将X左移

19、一列，左移一列，X2表示将表示将X下移一行，下移一行，f(X)表表示相邻象素灰度差值的绝对值总和。示相邻象素灰度差值的绝对值总和。2023-1-838 记记F1为为2i与与2i+l之间的互相翻转操作，即：之间的互相翻转操作，即：记记F-1:为为2i-1与与2i之间的互相翻转操作，即：之间的互相翻转操作，即：LSB隐写就相当于对部分象素应用隐写就相当于对部分象素应用F1操作，操作，则则:2023-1-839 于是，由判断函数于是，由判断函数f和翻转函数和翻转函数F可以将图像的像可以将图像的像素组素组G分为三类分为三类R、S和和U:式中，式中，F(G)表示对像素组表示对像素组G=(x1,x2,xn

20、)的所有成的所有成员进行一次翻转操作。但是通常的嵌入算法是对员进行一次翻转操作。但是通常的嵌入算法是对不同的像素采用不同的翻转变换，于是，定义一不同的像素采用不同的翻转变换，于是，定义一个模板个模板M，M是元素值为是元素值为-1，0，1的的1n维数组，维数组，则则FM(G)=(FM(1)(x1),FM(2)(x2),FM(n)(xn)。2023-1-840 RS分析时，首先将待检图像分为很多大小相等的图像块，分析时，首先将待检图像分为很多大小相等的图像块，再对每个小图像块随机抽取部分象素再对每个小图像块随机抽取部分象素(如如1/2)进行进行F1操作，操作，然后利用公式然后利用公式(3.3.4)

21、计算其混乱程度是否增加，并计算混计算其混乱程度是否增加，并计算混乱度增加的图像块在所有图像块中的比例，记为乱度增加的图像块在所有图像块中的比例，记为RM；而混；而混乱度减小的图像块在所有图像块中的比例记为乱度减小的图像块在所有图像块中的比例记为SM，一般说，一般说来来RM+SM SM，R-M S-M。2023-1-841 如果待检图像是经过如果待检图像是经过LSB隐写的，则应用隐写的，则应用F1操作和应用操作和应用F-1操作的结果就会有所不同。具体地说，对原始载体图像进操作的结果就会有所不同。具体地说，对原始载体图像进行隐写本来就是对部分象素应用了行隐写本来就是对部分象素应用了F1操作，现在，

22、再对隐操作，现在，再对隐写图像的部分象素应用写图像的部分象素应用F1操作，这样所有象素可以分为没操作，这样所有象素可以分为没有被操作处理的、经历过一次操作的、经历过二次操作的有被操作处理的、经历过一次操作的、经历过二次操作的三类。其中第三类象素经历了两次三类。其中第三类象素经历了两次F1操作，又回到了原始操作，又回到了原始值。而如果对隐写图像的部分象素应用值。而如果对隐写图像的部分象素应用F-1操作，也会有一操作，也会有一些象素经历了两次操作，但由于这些象素经历的是一次些象素经历了两次操作，但由于这些象素经历的是一次F1操作和一次操作和一次F-1操作，与原始值就会偏离得更远，因此，应操作，与原

23、始值就会偏离得更远，因此，应用用F-1操作对混乱度的增加要大于应用操作对混乱度的增加要大于应用F1操作对混乱度的增操作对混乱度的增加，就会有加，就会有RM RM-SM。因此，因此，RS隐写分析法可以通过计算隐写分析法可以通过计算RM、SM、R-M、S-M，并比较它们的关系来检测载体图像数据中是否含有秘密信并比较它们的关系来检测载体图像数据中是否含有秘密信息。息。2023-1-842RS检测算法性能分析检测算法性能分析2023-1-8432023-1-844(4)F5检测算法检测算法 设设h(d)(d=0,1,)为原始图像为原始图像AC系数绝对值系数绝对值等于等于d的总个数。同样地，记的总个数。

24、同样地，记hkl(d)为为8X8的的AC系数矩阵中下标为系数矩阵中下标为(k,l)，1 k,l 8，且，且绝对值等于绝对值等于d的个数。的个数。对应地，记对应地，记H(d)为经过为经过F5嵌入后的嵌入后的AC系数系数绝对值为绝对值为d的总个数，的总个数，Hkl(d)为经过为经过F5嵌入嵌入后，后，AC系数矩阵中下标为系数矩阵中下标为(k,l)且绝对值为且绝对值为d的总个数。的总个数。2023-1-845 假设待测图像经过假设待测图像经过F5嵌入算法后修改了嵌入算法后修改了n个个非零非零AC系数。那么，记对于一个非零系数。那么，记对于一个非零AC系数，它被更改的概率为系数，它被更改的概率为，即，

25、即=n/P。P为图像中所有非零为图像中所有非零AC系数的个数，那么，系数的个数，那么，p=h(1)十十h(2)+。由于。由于F5是随机选择嵌入是随机选择嵌入的非零的非零AC系数，于是，系数，于是，2023-1-8462023-1-8472023-1-848性性能能分分析析2023-1-849隐写分析方法小结隐写分析方法小结x x2 2检验：检验：对对连续连续LSB嵌入方式嵌入方式的检验精度比较高，并且能很好地估计出的检验精度比较高，并且能很好地估计出隐密信息的隐密信息的长度和位置长度和位置。但是对随机嵌入。但是对随机嵌入LSB的检验精度却大大降低，的检验精度却大大降低，这也跟这也跟x x2 2

26、值的计算公式有关系。值的计算公式有关系。RS检验法：检验法：对对越随机嵌入的信息检测效果则越好越随机嵌入的信息检测效果则越好。但该方法完全将嵌。但该方法完全将嵌入信息当作噪声，覆盖图像初始偏差、噪声级别等都会对估计精确性产入信息当作噪声，覆盖图像初始偏差、噪声级别等都会对估计精确性产生影响。总的来说，生影响。总的来说，RS分析法是一种对分析法是一种对LSB嵌入检测精度较高的方法，嵌入检测精度较高的方法，虽然在连续嵌入情况下检测率不高，但是随着嵌入信息大小的增加，检虽然在连续嵌入情况下检测率不高，但是随着嵌入信息大小的增加，检测精度也逐步增加。测精度也逐步增加。F5隐写分析算法：隐写分析算法：是

27、是针对针对F5隐写隐写的检测算法，能够有效的对隐写图像的检测算法，能够有效的对隐写图像进行嵌入信息大小的估测，误差较小，同时该算法进行嵌入信息大小的估测，误差较小，同时该算法也适用于也适用于OutGuess隐写算法的检测。隐写算法的检测。目前有许多学者和机构致力于图像隐写分析的研究，但是至今还未形成目前有许多学者和机构致力于图像隐写分析的研究，但是至今还未形成一套完整的理论和实质性的突破，现有的检测算法都具有一定的局限性。一套完整的理论和实质性的突破，现有的检测算法都具有一定的局限性。2023-1-850图像隐写分析的发展方向图像隐写分析的发展方向 图像隐写分析的发展方向是图像隐写分析的发展方

28、向是:比较当前所有有效的比较当前所有有效的检测算法，找出各自的优点、局限性和适用范围，检测算法，找出各自的优点、局限性和适用范围，将所有这些算法将所有这些算法集成一个分析系统集成一个分析系统，对构成系统，对构成系统的所有检测算法扬长避短，从而大大提高系统的的所有检测算法扬长避短，从而大大提高系统的检测准确性。检测准确性。系统集成大体有两种策略系统集成大体有两种策略:（1）对检测载体提取图像特征，然后根据模式识别、）对检测载体提取图像特征，然后根据模式识别、匹配判断结果匹配判断结果;（2）建立一个分析系统，在系统中调度不同的检测算）建立一个分析系统，在系统中调度不同的检测算法检测不同统计特性的检

29、测图像，达到检测算法与检法检测不同统计特性的检测图像，达到检测算法与检测图像的最佳匹配，从而提高系统的检测准确性。测图像的最佳匹配，从而提高系统的检测准确性。2023-1-851隐写术回顾隐写术回顾 空域隐写术空域隐写术 原始类图像隐写术原始类图像隐写术 基于文件格式的隐写术基于文件格式的隐写术 替换技术：位平面、颜色通道替换技术：位平面、颜色通道 LSB 基于关系的技术基于关系的技术 利用奇偶校验位利用奇偶校验位 二值图像中的隐写二值图像中的隐写 利用图像区域中黑色象素的个数对秘密信息进行编码利用图像区域中黑色象素的个数对秘密信息进行编码 利用游程编码对秘密信息进行编码利用游程编码对秘密信息

30、进行编码 利用图像分块中黑色点总个数的奇偶代表秘密信息利用图像分块中黑色点总个数的奇偶代表秘密信息0或或1 有限调色板图像隐写术有限调色板图像隐写术 基于调色板的密写：基于调色板的密写：GifShuffle软件软件 基于图象内容的密写：寻找一种基于图象内容的密写：寻找一种最佳的替代颜色分配最佳的替代颜色分配方案方案 S-Tools、EzStego、OPA 变换域隐写术变换域隐写术 JPEG图像隐写术：图像隐写术：Jsteg、OutGuess、F52023-1-852隐写术回顾隐写术回顾 空域隐写术空域隐写术 原始类图像隐写术原始类图像隐写术 基于文件格式的隐写术基于文件格式的隐写术 替换技术：

31、位平面、颜色通道替换技术：位平面、颜色通道 LSB 基于关系的技术基于关系的技术 利用奇偶校验位利用奇偶校验位 二值图像中的隐写二值图像中的隐写 利用图像区域中黑色象素的个数对秘密信息进行编码利用图像区域中黑色象素的个数对秘密信息进行编码 利用游程编码对秘密信息进行编码利用游程编码对秘密信息进行编码 利用图像分块中黑色点总个数的奇偶代表秘密信息利用图像分块中黑色点总个数的奇偶代表秘密信息0或或1 有限调色板图像隐写术有限调色板图像隐写术 基于调色板的密写：基于调色板的密写：GifShuffle软件软件 基于图象内容的密写：寻找一种基于图象内容的密写：寻找一种最佳的替代颜色分配最佳的替代颜色分配

32、方案方案 S-Tools、EzStego、OPA 变换域隐写术变换域隐写术 JPEG图像隐写术：图像隐写术：Jsteg、OutGuess、F5隐写术的衡量指标：隐写术的衡量指标：不可感知性：不可感知性：PSNR：嵌入效率：嵌入效率：改变一个像素，可隐藏的信息量（比特）嵌入信息量：嵌入信息量：嵌入率：嵌入率：每个像素可隐藏的信息量（比特）鲁棒性：鲁棒性：2023-1-853 选择工作域选择工作域 空空/时域：时域：隐藏的信息量大隐藏的信息量大，但鲁棒性差，但鲁棒性差 频域：鲁棒性好，但频域：鲁棒性好，但隐藏的信息量不大隐藏的信息量不大 如何选择隐藏位置？如何选择隐藏位置？安全性：随机选择安全性：随机选择 不可感知性：某些系数不适合隐藏信息不可感知性：某些系数不适合隐藏信息 如何修改图像以嵌入水印如何修改图像以嵌入水印 设计映射关系（或编码规则），使伪装图像能设计映射关系（或编码规则），使伪装图像能映射成预期的秘密信息映射成预期的秘密信息2023-1-854Q&AThank you!