《信号处理》课件07.2JPEG图像的隐写与隐写分析.pptx

1、JPEG图像隐写软件JstegOutGuessF5改变了载体图像的DCT直方图或分块效应12023-5-22信息隐藏与数字水印JPEG压缩过程将原始图像分割为88的小块每小块作二维DCT变换l左上角为直流，zigzag扫描，对应频率从低到高对DCT系数进行量化l对不同频率成分采用不同的量化步长l量化后的DCT系数是整数22023-5-22信息隐藏与数字水印JPEG压缩过程标准量化表32023-5-22信息隐藏与数字水印Jsteg密写将秘密信息嵌入在量化后的DCT系数的LSB上。但原始值为1，0，1的DCT系数除外。提取秘密信息时：将图像中不等于1，0，1的量化DCT系数的LSB取出即可。202

2、3-5-224Datahiding&Digital WatermarkJsteg密写实例原图像块的像素值为2023-5-225Datahiding&Digital WatermarkJsteg密写实例DCT变换后的系数矩阵为2023-5-226Datahiding&Digital WatermarkJsteg密写以标准量化表量化后的系数矩阵为2023-5-227Datahiding&Digital WatermarkJsteg密写其中，只有两个系数可以隐藏秘密信息，如果需要隐藏的为012023-5-228Datahiding&Digital WatermarkJsteg密写用量化表进行逆量化，

3、做逆DCT变换，得到密写图像块对比发现，几乎每个像素都有变化2023-5-229Datahiding&Digital WatermarkJsteg隐写将秘密信息嵌入在量化后的DCT系数的LSB上。但原始值为1，0，1的DCT系数除外。提取秘密信息时：将图像中不等于1，0，1的量化DCT系数的LSB取出即可Jsteg隐写就是对DCT系数进行LSB隐写，用c2分析可以进行隐写分析102023-5-22信息隐藏与数字水印基于量化表调整的隐写Jsteg隐写可嵌入的DCT系数非常少，因此隐写量较小提出基于量化表调整的隐写：不使用标准量化表11不同之处在于：中频量化步长值为12023-5-22信息隐藏与数

4、字水印基于量化表调整的隐写有较多的量化DCT系数可以进行隐写问题l仍然是LSB隐写，用c2分析可以进行隐写分析l量化表中量化步长的异常，会引起分析者怀疑122023-5-22信息隐藏与数字水印F5隐写JPEG图像的DCT系数特点lDCT系数的绝对值越大，其出现的频率越低l随着DCT系数绝对值的升高，其出现次数下降的幅度减小132023-5-22信息隐藏与数字水印F3隐写F5隐写方法是由F3、F4发展而来F3隐写l每个非0的DCT系数用于隐藏1比特秘密信息l秘密信息与DCT系数的LSB相同，则不改动；不同则将DCT系数绝对值减1，符号不变l如果原始值为1或1，嵌入比特0时，变为0，此隐藏视为无效

5、，在下一个系数上重新嵌入l提取时：将不为0的DCT系数的LSB取出即可142023-5-22信息隐藏与数字水印F3隐写例：l已知JPEG图像DCT系数为：-9,-4,0,0,0,1l且已知负整数最低比特位与其奇偶性一致已知该图像使用了F3隐藏l则从中能提取几比特秘密信息？秘密信息为？2023-5-22信息隐藏与数字水印15F3隐写F3隐写的特点l隐写是将绝对值减1，而不是LSB替换，因此可以抵抗c2分析l漏洞算法约定：“原始值为1或1，嵌入比特0时，变为0，此隐藏视为无效，在下一个系数上重新嵌入”造成隐藏了更多的比特0因此隐写后DCT系数直方图中，偶数位置上的灰色柱比奇数位置上的要突出1620

6、23-5-22信息隐藏与数字水印F3隐写172023-5-22信息隐藏与数字水印F4隐写F4隐写l用正奇数和负偶数代表秘密信息1l用负奇数和正偶数代表秘密信息0l值为0的DCT系数仍然不负载秘密信息l当欲嵌入的比特与DCT系数代表的信息不同时，同样将绝对值减1，符号不变2023-5-22信息隐藏与数字水印18F4隐写F4隐写l如果嵌入时产生了0系数，同样无效，在下一个系数上重新嵌入与F3的区别l不仅嵌入比特0时可能产生无效隐藏，嵌入比特1时也会产生无效隐藏，需要重新嵌入l所以偶数柱比奇数柱突出的特点不会出现2023-5-22信息隐藏与数字水印19F4隐写202023-5-22信息隐藏与数字水印

7、F5隐写F5隐写l在F4的基础上，添加了混洗技术和矩阵编码技术混洗：使秘密信息分布在整个图像中l如果可携带秘密信息的DCT系数个数大于秘密信息长度，采取混洗的方法，随机选择系数进行嵌入矩阵编码l优点：减少了LSB的修改量l缺点：降低嵌入量212023-5-22信息隐藏与数字水印F5隐写：矩阵编码LSB隐写l嵌入1比特可能修改也可能不修改原数据，概率为0.5l则每个LSB的修改可以平均嵌入2比特信息矩阵编码的目的是，使得每个LSB的修改可以嵌入更多的比特信息l在2k-1个原始数据的LSB中最多改动1比特达到嵌入k比特的效果lk=1：普通LSB隐写lk=2：在3个数据上，只修改1比特，代表嵌入2比

8、特222023-5-22信息隐藏与数字水印矩阵编码例如：k=2设a1,a2,a3是三个载体数据的LSB设x1,x2是要嵌入的秘密比特如果 ，不改变原数据如果 ，改变a1如果 ，改变a2如果 ，改变a3提取：a1与a3异或为x1，a2与a3异或为x2232023-5-22信息隐藏与数字水印例在（-24，32，-32）（-27，28,29）(20,-1,-5)上用F5算法隐藏101010，则隐藏后，载体变为：根据f5定义（正奇负偶为1，负奇正偶为0），载体对应的比特为：(1,0,1)(0,0,1)(0,0,0)要隐藏101010，根据矩阵编码1=1xor1,0=0 xor1,则修改a3(1)-0，

9、即符号不变，数值减1，变为-31，第一组数据为：-24,32,-311=0 xor1,0=0 xor1，则修改a2(0)-1，即符号不变，数值减1，变为27，第二组数据为：-27，27,291=0 xor0，0=0 xor0，则修改a1(0)-1，即符号不变，数值减1，变为19，第三组数据为：(19,-1,-5)2023-5-22信息隐藏与数字水印24矩阵编码矩阵编码的特点l嵌入效率：嵌入比特数/平均修改长度l嵌入效率高：同样嵌入量，对图像的修改少，失真小l载体数据利用率：嵌入比特数/所需像素数l载体数据利用高：同样的嵌入量，所需的像素少252023-5-22信息隐藏与数字水印例分析嵌入效率和

10、数据利用率当k=2时，按x1是否等于xor(a1,a3)以及x2是否等于xor(a2,a3)划分，有四种情况，即：a.x1=xor(a1,a3)，x2=xor(a2,a3)b.x1!=xor(a1,a3)，x2=xor(a2,a3)c.x1=xor(a1,a3)，x2!=xor(a2,a3)d.x1!=xor(a1,a3)，x2!=xor(a2,a3)每种情况发生的概率都相同，即皆为1/4。而除了情况a下，不需要修改LSB以外，其它情况下都要修改1个LSB，所以平均修改长度为：1/4*0+1/4*1*3=3/4。此时，嵌入效率=嵌入比特数/平均嵌入长度=2/(3/4)=8/3而普通LSB算法中

11、，嵌入效率=嵌入比特数/平均嵌入长度=1/(1/2*0+1/2*1)=1/(1/2)=22.5=7.5/31时，a1-a302023-5-22信息隐藏与数字水印总结F5隐写可能的漏洞DCT系数绝对值减1l直方图奇偶不均衡的特点不会出现l直方图会由两端向中间收缩DCT系数量化是分块进行的l不同小块之间会有一定的不连续性l当压缩比较高时，人眼可以分辨出小块的界限；用高通滤波后，界限更明显lF5隐写后，小块间的不连续性更明显312023-5-22信息隐藏与数字水印JPEG图像隐写分析直方图分析分块特性分析322023-5-22信息隐藏与数字水印JPEG图像隐写分析分析者无法得到原始图像，但是能构造一

12、个统计特性相近的参考图像l将待测图像删除前四行（或前四列），得到参考图像l重新分块，DCT变换，量化参考图像与原始图像有相近的内容，使用相同的量化表参考图像的DCT直方图和分块特性作为原始图像的估计332023-5-22信息隐藏与数字水印JPEG图像隐写分析分块特性M，N是图像的行数和列数g是像素灰度值分块特性B表示相邻块的相邻像素灰度值之差的绝对值总和342023-5-22信息隐藏与数字水印JPEG图像隐写分析计算参考图像的分块特性Be计算待测图像的分块特性B1如果B1明显大于Be或，参考图像与待测图像的DCT系数直方图存在明显差异则可以认为待测图像是经过隐写的此方法可以察觉Jsteg、Ou

13、tGuess、F5等方法嵌入的秘密信息352023-5-22信息隐藏与数字水印例1512512质量因子70JPEG图像362023-5-22信息隐藏与数字水印例1原始直方图参考图像直方图F5隐写后的直方图372023-5-22信息隐藏与数字水印例2512512质量因子70JPEG图像382023-5-22信息隐藏与数字水印例2原始图像分块特性值5.40E5参考图像分块特性值5.51E5F5隐写后图像分块特性值6.56E5392023-5-22信息隐藏与数字水印安全的JPEG隐写隐写时兼顾图像的统计特性l不改变DCT直方图l不改变分块特性402023-5-22信息隐藏与数字水印新隐写算法的原则秘

14、密信息嵌入在非零、非直流的DCT系数上，每个系数负载1比特用正奇数和负偶数代表秘密信息1用负奇数和正偶数代表秘密信息0412023-5-22信息隐藏与数字水印新隐写算法的步骤计算原始图像DCT系数直方图，和分块特性将秘密信息每比特对应一个非零、非直流DCT系数l相同：不作任何改动l不同：修改DCT系数修改系数时：可以加1，也可以减1l即：正向调整，负向调整422023-5-22信息隐藏与数字水印新隐写算法的步骤在选择用加1还是减1的方法修改系数时，计算直方图的改变，使得调整后直方图与原始图像直方图近似不变同时，计算分块特性，选择合适的修改（加1还是减1），使得分块特性不会大大偏离原始分块特性4

15、32023-5-22信息隐藏与数字水印新隐写算法的步骤提取l取出非零、非直流的量化后DCT系数l正奇数或负偶数：1l负奇数或正偶数：0442023-5-22信息隐藏与数字水印例：新隐写算法结果可嵌入4.5E4个秘密信息比特隐写后PSNR35.1dB452023-5-22信息隐藏与数字水印例：新隐写算法结果原始图像分块特性B05.40E5参考图像分块特性Be5.51E5含密图像分块特性B15.40E5462023-5-22信息隐藏与数字水印例：新隐写算法结果直方图472023-5-22信息隐藏与数字水印算法比较用数字相机采集100幅人物、风景图片以质量因子70压缩后作为原始图像集用随机修改的方法随机修改的方法和新隐写算法新隐写算法进行隐写482023-5-22信息隐藏与数字水印算法比较分块特性比较计算待测图像的分块特性B1计算参考图像的分块特性Be计算a=B1/Be492023-5-22信息隐藏与数字水印算法比较直方图比较计算待测图像和参考图像的直方图差异502023-5-22信息隐藏与数字水印算法比较直方图比较512023-5-22信息隐藏与数字水印结论安全隐写方案l分块特性l直方图l无明显差异存在的问题l质量因子越小时，DCT量化步长越大，隐写时不太容易同时保持直方图和分块特性不变522023-5-22信息隐藏与数字水印