《信号处理》课件07.1基于LSB的隐写与隐写分析.pptx

1、1LSB隐写的特点研究最早算法简单隐藏量大应用广泛2023-5-22信息隐藏和数字水印2LSB隐写的原理位平面与视觉效果的关系隐写技术替换原图隐写后图像2023-5-22信息隐藏和数字水印3LSB隐写步骤将秘密信息转化为比特流将比特流进行加密或置乱（用密钥）逐行/或逐列/或随机游走的方式替换载体图像的最低比特位接收者提取最低比特位，恢复秘密信息2023-5-22信息隐藏和数字水印4思考特征分析法对LSB隐写有效吗？l隐写软件现有版本已经逐渐去除特征码通过感观分析能够检测LSB隐写吗？l有效：最低比特平面不具有随机性l一般情况，隐写前后感观质量不下降统计分析对LSB隐写有效吗？2023-5-22

2、信息隐藏和数字水印52分析LSB方法：如果秘密信息位与隐藏位置的像素灰度值的最低比特位相同，不改变原始载体反之，则改变灰度值的最低位l0010 00110010 0010 3534l2i2i+12023-5-22信息隐藏和数字水印62分析2023-5-22信息隐藏和数字水印72分析2023-5-22信息隐藏和数字水印82分析2023-5-22信息隐藏和数字水印92分析值对翻转统计效果示例在测试图像的所有最低位上嵌入秘密信息2023-5-22信息隐藏和数字水印102分析值对翻转统计效果示例2023-5-22信息隐藏和数字水印112分析2023-5-22信息隐藏和数字水印12在测试图像的所有最低位

3、上嵌入秘密信息2023-5-22信息隐藏和数字水印观测值符合期望观测值与期望有偏差132分析2023-5-22信息隐藏和数字水印142分析2023-5-22信息隐藏和数字水印15实验结果对灰度图像的上半部分进行LSB隐写，计算p值2023-5-22信息隐藏和数字水印演示利用卡方检测没有隐写、隐写率为30%、50%、70%和100%的图像162023-5-22信息隐藏和数字水印17存在的问题在下述情况下，卡方检测难以奏效l不是连续嵌入l隐写率较低2023-5-22信息隐藏和数字水印问题根据卡方检测的原理，如何改进算法使其能够抵抗卡方分析？182023-5-22信息隐藏和数字水印19直方图补偿隐写

4、2法关键：隐写后直方图改变为提高隐写的安全性，设计的隐写算法要保持直方图不改变对隐写后的图像进行额外操作，补偿直方图失真2023-5-22信息隐藏和数字水印20直方图补偿隐写设原图像灰度值为 j 的像素个数为 fj隐写后图像灰度值为 j 的像素个数为 hj隐写率为alF2i中携带了秘密信息的像素为a*F2il约 a*F2i/2个像素灰度值翻转为2i+1l约 a*F2i+1/2个像素灰度值翻转为2i2023-5-22信息隐藏和数字水印21直方图补偿隐写如果隐写使灰度值为 2i 的像个数下降，灰度值为 2i+1 的像素个数上升补偿方法l将不含秘密信息的值为 2i+1 的像素值改为 2il不含秘密信

5、息的灰度值为2i+1的像素个数=隐写后增加的灰度值为2i+1的像素个数2122112iiifffaa212212iiifffa2023-5-22信息隐藏和数字水印22直方图补偿隐写特点l隐写后直方图不再趋于相等，2法失效l嵌入量降低：部分载体用于补偿2023-5-22信息隐藏和数字水印23RS分析方法对图像分块，以Zigzag方式扫描排列成一个向量（x1,xn)定义该图像块的空间相关性f 越小，说明相邻像素之间变化越小，图像块的空间相关性越强11211,nniiif x xxxx2023-5-22信息隐藏和数字水印24RS分析方法定义翻转函数l记F1为2i与2i+1的相互变化关系01，23，。

6、l记F-1为2i-1与2i的相互变化关系12，34，。l记F0为不变关系LSB隐写可以用翻转函数描述l秘密比特与载体LSB比特相同时，用F0翻转l秘密比特与载体LSB比特不同时，用F1翻转2023-5-22信息隐藏和数字水印RS分析方法图像分成大小相同的图像块计算空间相关性函数f值对图像块应用翻转函数，相当于在图像上叠加了噪声，一般情况下，图像相关性会被迫坏。翻转后，若图像块相关函数f值增大，说明空间相关性减弱，像素起伏程度增加，则称该图像块是正常的（Regular）。反之，则称该图像块是异常的（Singular）。252023-5-22信息隐藏和数字水印26RS分析方法对每个图像块应用非负翻

7、转（F1和F0）l计算像素起伏程度增加的图像块的比例，记为RMl计算像素起伏程度减小的图像块的比例，记为SMlRM SM 12023-5-22信息隐藏和数字水印27RS分析方法对每个图像块应用非正翻转（F-1和F0）l计算像素起伏程度增加的图像块的比例，记为R-Ml计算像素起伏程度减小的图像块的比例，记为S-MlR-M S-M=12023-5-22信息隐藏和数字水印28RS分析方法对于自然图像，从统计上说，非负翻转或非正翻转会同等程度增加图像块的混乱程度lRM近似等于R-MlSM 近似等于S-M翻转会破坏图像块的空间相关性，一般情况下lRM会大于SMlR-M会大于S-M2023-5-22信息隐

8、藏和数字水印29RS分析方法对于LSB隐写图像，则采用非负翻转和非正翻转的结果有明显不同设原图隐写率为a，即：图像中有a/2的像素应用了F1翻转对其应用非负翻转时，设其中F1翻转的比例为b2023-5-22信息隐藏和数字水印30RS分析方法则非负翻转后有三类像素l没有被翻转灰度值未变，像素比例为(1-a/21bl经历一次翻转灰度值变化1，像素比例为(1-a/2ba/21ba/2babl经历二次翻转灰度值回到原始值，像素比例为ab/2隐写像素隐写像素比例比例隐写灰度值变化比隐写灰度值变化比例例翻转比例翻转比例不变比例不变比例F1比例比例F0比例比例aa/2a/21-a/2b1b2023-5-22

9、信息隐藏和数字水印31RS分析方法相当于在原图像上有a/2bab像素被F1翻转，即比隐写图像增加了1ab的像素被翻转1ab 随a增大而减小，意味着：RM与SM的差距随a增大而减小当a1时，RM与SM近似相等2023-5-22信息隐藏和数字水印32RS分析方法如果对隐写图像进行非正翻转，也有三类像素l没有翻转的l经历一次翻转的l经历二次翻转的F1和F-1，像素值变化为2，两次翻转不会抵消所以，R-M与S-M的差距不会随a增大而减小2023-5-22信息隐藏和数字水印RS分析方法关键结论l对自然图像，非正翻转和非负翻转造成图像同等程度的混乱RM近似等于R-MSM 近似等于S-Ml对于隐写图像RM

10、和SM 的差距随隐写率的增大而减小 R-M 和S-M的差距不会随隐写率的增大而减小332023-5-22信息隐藏和数字水印34实验对Lena图像进行LSB隐写，在不同隐写率的条件下计算RM、SM、R-M和S-M2023-5-22信息隐藏和数字水印35RS分析方法检测时：l对待检测图像，进行非负翻转和非正翻转，计算RM、SM、R-M和S-Ml如果R-MS-M 显著大于RMSM，则认为图像经过隐写2023-5-22信息隐藏和数字水印RS分析方法设待检测图像嵌入率为p，则约有p/2的像素发生了翻转，计算此时的一组R、S值翻转所有像素，则约有1-p/2的像素发生了翻转，再次计算R、S值2023-5-2

11、2信息隐藏和数字水印36RS分析方法解方程：37210011000230ddzddddzdd0101,112222,112222MMMMMMMMppppdRSdRSppppdRSdRS0.5zpz2023-5-22信息隐藏和数字水印RS分析法已知像素块如下，请尝试使用RS分析法判断像素块隐写的可能性。2023-5-22信息隐藏和数字水印3889109910111210111211910111039GPC分析法仍然是利用相邻像素的相关性进行隐写分析把图像像素看成三维空间的点，构成一个网格2023-5-22信息隐藏和数字水印40GPC分析法2023-5-22信息隐藏和数字水印41GPC分析法考虑两

12、个平行于XY平面的平面簇l平面簇P0由z=1.5,3.5,5.5,255.5组成l平面簇P1由z=0.5,2.5,4.5,254.5组成令图像的三维曲面穿越平面簇P0的次数为N0令图像的三维曲面穿越平面簇P1的次数为N12023-5-22信息隐藏和数字水印42GPC分析法自然图像lN0近似等于N1LSB隐写图像l载体数据在2i和2i+1之间互变l不会穿越平面簇P0，但会穿越平面簇P1lN0不变，N1增大令RN1/N0，如果R大于阈值，认为是隐写图像2023-5-22信息隐藏和数字水印43实验结果三幅图像：Lena，Milk Drop，Couple2023-5-22信息隐藏和数字水印44GPC分

13、析法2023-5-22信息隐藏和数字水印45GPC分析法特点l图像本身越平滑，该检测方法越敏感2023-5-22信息隐藏和数字水印思考直方图补偿隐写能抵抗RS和GPC分析吗？l无法抵抗RS分析和GPC分析（检测2i与2i+1、2i+1与2i+2之间的不对称性）462023-5-22信息隐藏和数字水印47改进的LSB隐写抵抗RS分析和GPC分析修改LSB方法l不仅仅在 2i和2i+1间翻转l 2i可变为 2i-1，2i+1 可变为2i+22023-5-22信息隐藏和数字水印48改进的LSB隐写设秘密信息位为w，对应隐藏该位的像素灰度值为x(i,j)l如果w 与x(i,j)的最低比特位相同，即w=

14、x(i,j)mod 2，那么不改变原始数据l当w 与x(i,j)的最低比特位不同，即w x(i,j)mod 2 时，计算2023-5-22信息隐藏和数字水印49改进的LSB隐写l对x(i,j)作如下调整根据T 确定增减的目的是使隐写不过分影响相邻像素之间的相对关系2023-5-22信息隐藏和数字水印50改进的LSB隐写可能会影响多个比特位提取时：将最低比特位取出即可2023-5-22信息隐藏和数字水印51改进的LSB隐写抗RS分析性能：l隐写时，约有一半像素的最低比特位与秘密信息相同而不发生变化，另一半像素灰度值会发生变化l在发生变化的像素中，又约有一半像素的灰度值做了F1翻转，另一半做了F-

15、1翻转lRS分析失效抗GPC分析性能：l修改像素值时，穿越P0和P1平面簇的可能性相同lGPC分析失效2023-5-22信息隐藏和数字水印52改进的LSB隐写抗卡方分析性能：l灰度为 j 的像素中会有大约一半不变，大约四分之一变为j+1，剩余大约四分之一变为 j-1l不会造成隐写后直方图趋于相等l2法失效2023-5-22信息隐藏和数字水印53最小直方图失真隐写尽量保持F1和F-1翻转的平衡尽量保持直方图不变2023-5-22信息隐藏和数字水印54最小直方图失真隐写设原始图像灰度值为 j 的像素共有 fj 个 gj：需要加1或减1的像素个数xj：灰度值被减1的像素个数gj-xj：灰度值被加1的

16、像素个数则新产生的值为 j 的像素个数为2023-5-22信息隐藏和数字水印55最小直方图失真隐写2023-5-22信息隐藏和数字水印小结隐写分析（Steganalysis）l判定载体是否隐写，隐写率，提取秘密信息lStego-only attack;Known-cover attack;Known-message attack;Chosen-stego attack;Chosen-message attack隐写分析方法l感观分析，特征分析，统计分析，通用分析隐写分析的结果反过来促进隐写技术的提高562023-5-22信息隐藏和数字水印小结卡方分析l直方图统计特性变化l灰度值为2i和2i+1的像素出现频率趋于相等RS分析l利用图像空间相关性进行隐写分析l对自然图像，非负和非正翻转同等程度地增加图像的混乱程度l对隐写图像，Rm-Sm随隐写率的增大而减小l对隐写图像，R-m-S-m没有上述关系572023-5-22信息隐藏和数字水印小结GPC分析l利用图像空间相关性进行隐写分析l自然图像，N0近似等于N1l隐写图像，N1随隐写率增大而增加改进算法l直方图补偿隐写l改进LSB隐写l最小直方图失真隐写582023-5-22信息隐藏和数字水印