《信号处理》课件03.1 信息隐藏基本理论.pptx

1、提纲n隐写系统n隐写系统分类n隐写术性能指标n隐写系统的攻击方法12023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术提纲n隐写系统分类n隐写术性能指标n隐写系统的攻击方法22023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术囚犯问题n保密通信双方n两个囚犯A和B被关押在监狱的不同牢房，他们想通过一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通过看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者怀疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间的秘密信息。n被动看守者n只是检查传递的信息有没有可疑的地方。n主动看守者n故意去修改一些可能隐藏有信息的地方，或者假装自己是其中的一个囚犯，隐藏进伪造的消息，传递给另一个囚

2、犯。32023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术4隐写系统载体对象源载体对象c信 息 嵌 入算法秘密消息m隐写对象s隐写密钥k信 息 提 取算法秘密消息m隐写系统不 安 全 信道A2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写系统术语nA打算秘密传递一些信息m给B，A需要从一个载体对象源中随机地选取一个无关紧要的载体对象c。当这个对象公开传递时，不会引起怀疑，称这个对象c为载体对象载体对象(carrier)。n把需要秘密传递的消息m隐藏到载体对象c后，载体对象c就变为隐写对象隐写对象s(stego)。n把秘密消息的嵌入载体对象的过程需要密钥，此密钥称为隐写密钥隐写密钥k(stego

3、 key)k(stego key)。52023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术提纲n隐写系统n隐写术性能指标n隐写系统的攻击方法62023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写系统分类n按载体n视频、文本、图像n按采用的技术n空间域、变换域、基于扩频、基于结构n按隐藏时是否使用载体n有载体隐写，无载体隐写n按提取时是否使用原始载体n盲和非盲提取72023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写系统分类n按隐藏协议n无密钥隐写系统n私钥隐写系统n公钥隐写系统82023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术无密钥隐写系统9载体对象源载体对象c信 息 嵌 入算法秘密消息m隐写对象

4、s信 息 提 取算法秘密消息m无密钥隐写系统不 安 全 信道A2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术无密钥隐写系统（深入讨论）n隐藏过程：映射E：CMSnC：所有可能载体对象的集合nM：所有可能秘密消息的集合nS：所有隐写对象的集合n提取过程：映射D：SMn双方约定嵌入算法和提取算法，算法要求保密 102023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术无密钥隐写系统（深入讨论）n定义：定义：对一个五元组=C，M，S，D，E，其中C是所有可能载体对象的集合，M是所有可能秘密消息的集合，S是所有可能隐写对象的集合nE：CMS是嵌入函数nD：SM是提取函数n若满足性质：对所有mM和cC，恒有

5、：D(E(c，m)=m，n则称该五元组为无密钥隐写系统112023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术无密钥隐写系统（深入讨论）相似性函数n载体对象和隐写对象在感觉上不可区分，如何度量？n定义：定义：设C是一个非空集合，一个函数 sim：C2(-,1)，对x，yC，若满足：n则sim称为C上的相似性函数 n相似度应尽可能接近112yxyxyxsim11),(2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术无密钥隐写系统（深入讨论）载体的选择n不同的嵌入算法，对载体的影响不同。n不同的载体，能隐藏秘密信息数量不同。n选择最合适的载体，信息嵌入对其影响最小，即载体对象与隐写对象的相似度最大。1

6、3),(,(mxExsimMaxcCx2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术14私钥隐写系统nKerckhoffs准则n密码设计者应该假设对手知道数据加密的方法，数据的安全性必须仅依赖于密钥的安全性。n无密钥隐写系统n违反了Kerckhoffs准则。2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术私钥隐写系统15载体对象源载体对象c信 息 嵌 入算法秘密消息m隐写对象s隐写密钥k信 息 提 取算法秘密消息m密钥交换协议不 安 全 信道A私钥隐写系统2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术私钥隐写系统（深入讨论）n定义：定义：n对一个六元组=C，M，K，S，DK，EK，其中C是

7、所有可能载体对象的集合，M是所有可能秘密消息的集合，K是所有可能密钥的集合，EK：CMKS是嵌入函数，DK：SKM是提取函数，若满足性质：对所有mM，cC和kK，恒有：DK(EK(c，m，k)，k)=m，则称该六元组为私钥隐写系统 n私钥的传递：密钥交换协议162023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术公钥隐写系统17载体对象源载体对象c信 息 嵌 入算法秘密消息m隐写对象s隐写密钥k1信 息 提 取算法秘密消息m不 安 全 信道A公钥隐写系统隐写密钥k22023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术公钥隐写系统（深入讨论）n定义：定义：n对一个七元组=C，M，K1，K2，S，DK2，

8、EK1，其中C是所有可能载体的集合，M是所有可能秘密消息的集合，K1是公开密钥集合，K2是私有密钥集合，EK1：CMK1S是嵌入函数，DK2：SK2M是提取函数，若满足性质：对所有mM，cC,k1K1，k2K2，（k1和k2是一对）恒有：DK2(EK1(c，m，k1)，k2)=m，则称该七元组为公钥隐写系统 182023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术公钥隐写系统n类似于公钥密码n通信各方使用约定的公钥体制，各自产生自己的公开钥和秘密钥，将公开钥存储在一个公开的数据库中，通信各方可以随时取用，秘密钥由通信各方自己保存，不予公开.n发送方：用对方的公开钥将需要传递的秘密信息进行加密，再隐

9、藏.n接收方：提取隐藏信息，用自己的私有密钥解密.192023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术20公钥隐写系统问题n公钥隐写术只是借用公钥密码的思想，对秘密信息先加密，再隐藏。n类似于公钥密码算法的公钥隐藏算法？目前还没有2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术提纲n隐写系统n隐写系统分类n隐写系统的攻击方法212023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标n容量（Capacity）n负载（Payload），载体数据利用率，嵌入效率（Embedding Efficiency）n不可感知性（Imperceptibility）n透明性（Transparency）保

10、真性（Fidelity）n稳健性（Robustness）n鲁棒性、健壮性n安全性(Security)n统计不可检测性(Statistical Undetectability)222023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标nCapacitynThis refers to the number of bits of information that are embedded in the host signal.nThe payload is often normalized by the number of samples of the host signal,result

11、ing in a bit rate R per sample of the host.n容量n隐写算法容量指，算法在载体对象中能嵌入的消息总数。n容量也常用平均每样点能嵌入的信息比特来衡量算法容量，即，载体数据利用率=嵌入消息总比特数/样点总数，单位为比特每样点(bit per sample,bps)。对于图像，样点即像素，量纲可写为bpp(bit per pixel)。2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术23隐写算法性能指标n案例：容量分析案例：容量分析n512*512规格的图像，使用LSB（只替换最低比特），那么其容量为？n解：n512*512的图像有256k个像素，而每个像素

12、能隐藏1比特消息，所以，容量为：256k比特。n因为每个像素能隐藏1比特消息，容量也可以表示为1bpp。242023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标nTransparency(Fidelity,Imperceptibility)nIn most applications,embedding of information should not cause perceptual degradation of the host signal.n透明性（保真性，不可感知性）n透明性指算法对载体对象感官质量的影响程度。n通常，算法引入的失真应该是不可感知的。2023-5-2225

13、信息隐藏与数字水印，理论与技术（替换第7比特平面）PSNR=14dB隐写算法性能指标n透明性透明性(保真性，不可感知性保真性，不可感知性)n实例，以峰值信噪比衡量透明性，实例，以峰值信噪比衡量透明性，2023-5-2226信息隐藏与数字水印，理论与技术（替换最低比特平面）PSNR=51dB2,2,maxx yx yx yx yx ypPSNRXYpp隐写算法性能指标nRobustnessnThis refers to the ability of the embedding algorithm to survive common signal processing operations。n稳健

14、性（鲁棒性，健壮性）n稳健性指算法抵抗常规信号处理操作的能力。n隐写对象经滤波等操作处理后，会产生失真。如果信息提取算法仍能从这样的载体中提取消息，那么就称算法对滤波等操作稳健。2023-5-2227信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标n稳健性（鲁棒性、健壮性）稳健性（鲁棒性、健壮性）n案例：案例：LSB算法对噪声添加处理不稳健。算法对噪声添加处理不稳健。2023-5-2228信息隐藏与数字水印，理论与技术LSBpsnr=50高斯白噪psnr=30误码率为0误码率为0.5隐写算法性能指标（深入讨论）n稳健性（鲁棒性，健壮性）robustnessn定义：定义：设是一个隐写系统，是一类映

15、射：C C，若对所有的p，n对私钥隐写系统，恒有：DK(p(EK(c,m,k),k)=DK(EK(c,m,k),k)=m n对无密钥隐写系统，恒有：D(p(E(c,m)=D(E(c,m)=m 且不管如何选择：m M，c C，k K，则称该系统为-健壮性的隐写系统 292023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标（深入讨论）n理想的隐写系统应该对所有的“保持保持-相似性相似性”的映射具有健壮性 n映射p：C C具有性质sim(c,p(c)且 1 n一般情况下，只能针对某一类特殊的映射具有健壮性 n如JPEG压缩与解压缩、滤波、加入白噪声等 302023-5-22信息隐藏与数字

16、水印，理论与技术隐写算法性能指标nSecurity（安全性）n隐写算法主要用于保密通信，因此，仅确保对载体的改动不可感知还不够，还需要同时保持载体的统计特性尽可能不变。n隐写算法对载体的统计特性的影响程度称为安全性。算法安全性越高，其对载体统计特性的影响程度越小。n不可检测性与不可感知性n评价感官质量变化不可检测（感知）程度的指标是算法透明性。n评价载体统计特性变化不可检测程度的指标是算法安全性。312023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标nSecurity（安全性）n实例32LSB算法透明性虽然好，但安全性不足。右图显示，LSB隐写后，图像的直方图发生明显变化。灰度值

17、为2n和2n+1的像素成对出现。2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标（深入讨论）n熵理论和安全性度量n定义在集合Q上的两个分布P1和P2之间的条件熵为n当且仅当P1与P2完全相同时，熵D为零，说两概率分布之间没有不确定性n当P1与P2不同时，D给出了两分布之间不确定性的衡量，P1和P2之间差别越大，熵越大33QqqPqPqPPPD)()(log)()|(2121212023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标（深入讨论）n根据条件熵定义隐写算法的安全性n绝对安全性n定义：定义：设是一个隐写系统，PS是隐写对象的概率分布，PC 是载体对象的概率分布

18、n若有：D(PCPS)，则称抵御被动攻击是-安全的。n若有：=0，则称是绝对安全的n如果一个隐写系统嵌入一个秘密消息到载体中去的过程不改变C的概率分布，则该系统是（理论上）绝对安全的 342023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标（深入讨论）n定理定理：存在绝对安全的隐写系统 n构造性证明：n设C是所有长度为n的比特串的集合，PC 是C上的均匀分布，e是秘密消息（eC）n发送者随机选择一个载体cC，产生隐写对象s=ce，s在C上也是均匀分布的，因此PC=PS，并且D(PCPS)=0352023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标（深入讨论）n被动攻击者

19、：判断是否有隐藏n定义一个检验函数 f：C 0,1 36其它中含有秘密消息01)(ccf2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术37隐写算法性能指标（深入讨论）n判断结果n实际有隐藏，判断有隐藏正确n实际无隐藏，判断无隐藏正确n实际无隐藏，判断有隐藏错误n纳伪错误（误判，虚警，false positive）n实际有隐藏，判断无隐藏错误n弃真错误（漏判，漏检，false negative）2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术隐写算法性能指标（深入讨论）n实用的隐写系统n一个抵御被动攻击是-安全隐写系统n攻击者犯虚警错误的概率为n攻击者犯漏检错误的概率为n一个实用的隐写系统应该

20、尽可能使最大n一个理想的隐写系统应该有=1n即，所有藏有信息的载体都被认为没有隐藏信息而被放过，达到了隐写术、迷惑攻击者的目的 382023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术39隐写算法性能指标n隐写算法三个最关键的指标：n不可感知性n鲁棒性n容量2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术提纲n隐写系统n隐写系统分类n隐写算法性能指标402023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术41隐写系统的攻击方法n被动攻击n监视和破译隐藏的秘密信息 n主动攻击n破坏隐藏的秘密信息n篡改秘密信息 n非恶意修改n压缩编码，信号处理技术，格式转换，等2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与

21、技术42隐写术的应用n军事和情报部门n现代化战争的胜负，越来越取决于对信息的掌握和控制权.n军事通信中通常使用诸如扩展频谱调制或流星散射传输的技术使得信号很难被敌方检测到或破坏掉.n伪装式隐蔽通信正是可以达到不被敌方检测和破坏的目的.2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术43隐写术的应用n需要匿名的场合n包括很多合法的行为，如公平的在线选举、个人隐私的安全传递、保护在线自由发言、使用电子现金等。n非法的行为，如诽谤、敲诈勒索以及假冒的商业购买行为。n在隐写术技术的应用中，使用者的伦理道德水平并不是很清楚，所以提供隐写术技术时需要仔细考虑并尽量避免可能的滥用。2023-5-22信息隐藏与数字水印，理论与技术