信息隐藏技术综述

常卫东 刘完芳 童宇

1，湖南农业大学农学院 410073

2，湖南公安高等专科学校计算机系 410138

3，湖南大学计算机与通讯学院 410083

信息隐藏技术综述

常卫东1，2刘完芳2，3童宇2

1，湖南农业大学农学院 410073

2，湖南公安高等专科学校计算机系 410138

3，湖南大学计算机与通讯学院 410083

信息隐藏是在不对原始信息产生可觉察改动的情况下，将额外的信息嵌入到原始信息中的一种信息安全技术。信息隐藏技术主要分为隐写术和数字水印。本文阐述了信息隐藏的基本概念及其特征，通过信息隐藏技术中各种算法的研究，分析目前信息隐藏技术存在的问题，提出信息隐藏技术的发展方向。

信息隐藏；数字水印；特征；嵌入算法

随着计算机网络技术的发展，通过网络传递各种信息越来越普遍，信息传递的安全性已成为人们日益关注的问题。一种新的信息安全技术即信息隐藏技术应运而生，它通过把要传递的信息隐藏在普通信息中传给对方。信息隐藏从应用角度可以分为隐写术和数字水印技术。

1 信息隐藏

1.1 信息隐藏

信息隐藏技术是利用宿主信息中具有随机特性的冗余部分,将重要信息嵌入宿主信息中,使其不被其他人发现的一门技术。信息隐藏分为和数字水印。隐写术是利用人类感官系统的不敏感性,将隐秘信息以某种方式隐藏在特定的载体中,使之不被察觉或不易被注意到，即以掩盖信息本身的方式传递真实信息。同基于加密的保密通信技术相比，隐写不但可以保护通信的内容的安全更可以保护秘密通信存在本身。数字水印技术就是将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，以起到版权跟踪及版权保护的作用。数字水印包括三个部分即水印嵌入、水印提取和水印检测。水印嵌入通常使用扩频调制和量化嵌入方法。数字水印嵌入时须使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中。检测阶段主要是设计一个与嵌入过程相逆的检测算法以判断是否为原水印或是否存在水印。数字水印的应用领域包括版权保护、加指纹、标题与注释及篡改提示等。

数据隐藏的模型如图1所示，秘密信息W与密钥K相结合，通过嵌入算法E隐藏到宿主载体I中，形成含隐秘信息的载体I1，在噪音N的干扰下变为I2，通过网络进行传输，接收端以K为密钥，通过提取算法E′提取出秘密信息W。

1.2 信息隐藏的特征

(l)感知质量(PercePtibillty):是指信息的嵌入不应导致产生明显的感知失真。如果在信息嵌入过程使载体引入了人为痕迹，给图像的质量带来了可视性的下降，就会减少已嵌入信息的图像的价值，破坏信息隐藏系统的安全性。

(2)鲁棒性(Robustuess):鲁棒性指的是加入载体中的隐藏信息必须能够承受施加于载体的变换操作。鲁棒性要求数据嵌入算法能保证嵌入数据在经受一定后的可检测性或可恢复性。

(3)安全性(security): 安全性指的是信息隐藏系统难于被伪造或加工，攻击者不能阅读和修改隐藏的信息。

(4)隐藏容量(CaPacity):是指载体可以承载秘密信息的最大值。它与系统要达到的不可见性、鲁棒性、载体分布等因素有关。与容量相关的是信息隐藏率，它指的是隐藏信息的长度与载体长度的比值。

2.信息隐藏技术

目前信息隐藏技术的算法主要有图像空域信息隐藏和图像投影域信息隐藏。

图1 数据隐藏模型图

（1）图像空域信息隐藏具有代表性的是LSB算法。它对空域的L S B做替换，水印信息、水印的数字摘要或者由水印生成的伪随机序列作为替换L S B的序列，通过调整原始载体信息的最低几位来隐藏信息。LSB算法是一种简单而通用的信息隐藏方法,具有不可见性好和可隐藏信息量大的特点。由于水印信息嵌入的位置是LSB，为了满足水印的不可见性，允许嵌入的水印强度不能太高。因此LSB算法最初是用于脆弱性水印的，该方法的鲁棒性较低。Fridrich[1]进行了大量的研究提出了一些非常有效的分析方法。chang[2]用边匹配来分析局部区域可嵌入信息量的大小并设计了相应的大容量算法。

（2）图像投影域信息隐藏具有代表性的是扩频算法。扩频方法[3]是将水印信息扩展到一个很长的序列上，然后乘以一个缩放因子再通过乘法或加法迭加到载体信号上。该算法首先对原始载体音频信号进行某种变换运算(离散余弦变换DCT、离散小拨变换DWT、傅立叶变换FFT等等)，得到相应的频域信号，然后通过修改其频域信号中某些指定的频域系数来嵌入数据。此方法利用人类视觉系统的特性，将秘密信息经过调制过程隐藏于数字图像感知比较重要的频谱部分，从而可以抵抗有损压缩和其他数字图像处理操作。变换域算法的优点在于具有较强的鲁棒性，并且可以获得极好的隐藏效果。但它的缺点是隐藏容量较小，适合于隐藏较小数量秘密数据。chandramouli在文献[4]中针对基于扩频嵌入的隐写给出了基于盲源分析的消息提取算法。在扩频算法的发展上，AndreasWeatfeld和Pitas分别提出了通过模拟图像水平或垂直移动将秘密信息嵌入到图像的DCT系数中的数据隐藏算法。

3.信息隐藏技术的难点及发展方向

信息隐藏技术发展较晚，还停留在研究阶段，离实用性还有一段距离。同时信息隐藏技术还没有形成自己的理论体系。目前还有很多问题没有解决。首先怎样确定信息隐藏的最大容量，信息隐藏的最大容量是否能够达到，信息隐藏算法的效率怎样评测。其次怎样测量嵌入信息的失真度，秘密信息被嵌入伪装对象中,它的传输方法、途径和信道都将由伪装对象决定,如果伪装对象在传输过程中被干扰、破坏,那么秘密信息的安全性将无法保证; 另一方面,对方若拥有相同的技术就有可能在通信信道上对嵌有秘密信息的伪装对象进行检测证明秘密信息的存在,甚至有可能提取出秘密信息。在隐写算法设计方面，当前研究的主要热点是借用模式识别的已有成果设计具有更好检测效率的算法，尤其是基于一类分类器的盲分析算法，高性能隐写算法的设计，及具有较低失真，较高容量和安全性的隐写算法。但在提高算法鲁棒性的同时应当结合人类视觉特点和听觉特点，以保持较好的不可见性及有较大的信息容量。另外，应注意自适应思想以及一些新的集成处理算法在水印算法中的应用。

数字水印方面在理论上的工作包括如何建立更好的水印模型、确定隐藏水印的最大容量，隐藏水印的最大容量是否能够达到，嵌入算法的稳健性和抗攻击、构建合适的评价鲁棒性的指标等性能。同时，也应重视对水印攻击方法的研究，这有利于促进研制更好的数字水印算法。水印算法设计中，抗几何攻击的鲁棒水印算法是当前研究的难点，但在提高算法鲁棒性的同时应当结合人类视觉特点和听觉特点，以保持较好的不可见性及有较大的信息容量。另外，应注意自适应思想以及一些新的集成处理算法在水印算法中的应用。传统基于不变域和失真校正的方法都不能很好地解决几何攻击导致的同步丢失问题。在水印认证的研究中，半脆弱水印的设计仍然是未来研究的主要问题，在这一领域里，具有较好鲁棒性的特征提取是认证算法设计的核心也是难点。

数字水印应用中安全性自然是很重要的要求，但水印算法的安全性不能靠算法的保密而得到，这正如密码算法一样。研制更安全的数字水印算法仍是水印研究的重点之一。此外，应根据不同的数字产品内容分等级插入水印，即对较重要的内容和对安全性要求高的内容插入强度大、安全性好的水印，而对不太重要的内容和对安全性要求不高的内容插入强度小安全性一般的水印，以适应实际应用的要求，这种分安全等级的水印方案有助于提高效率，也间接增强了水印的安全性。

目前，数字水印研究的重点是基于网络环境下的数字水印，水印的网络快速自动识别技术，这需要结合计算机网络技术和模式识别技术；动态的数字水印技术，通过在水印中引入动态编程技术来实现某些控制，如存储、提取、拷贝、删除信息。

4.结束语

用数据隐藏技术来保护各种媒体资源安全，需要根据资源的特性、内容保密性和实际情况不断的权衡，选择满足特定的隐藏技术来实现。

[1]J.Fridrich，M.Goljan，D.Hogea，D.Soukal，Quantitatlvesteganalysis of digital images: esitnZating Thesecretmessage length.ACMMultimedia System Journal:Speeial Issueon Multimedia Secc，urity 2003.19(3):P.288一302.

[2]D.CWU，WH.Tsai，AsteganograPhicmethodfor;mages by Pixel-vauled, differencing.Patten RecognitionLetters，2003.24(9一10):P.1613一1626.

[3]1.J.eox，J.Kilian，T.Leighton，T. Shammon，Secure spread spectrum watermarking for multimediaI?EEE Transaction on Image Processing，1997.6(12):P.1673一1687，

[4]R.Chandram，oufliramework for active steganalysis. ACM Multimedia system journal : special Issue on Multimedia security，2003’9(3):p. 301一311.

公安部应用创新计划资助项目(2006YYCXHNST024)、湖南省公安厅2006年科研课题资助项目

常卫东（1967-）、男（汉族）、湖南长沙人、副教授、国防科学技术大学计算机科学与技术专业硕士、湖南农业大学博士在读，研究方向为生物识别、模式分类，信息安全；

刘完芳（1972-）、男（汉族）、湖南武岗人，副教授，湖南大学软件工程专业硕士、研究方向为生物识别、信息安全；

童宇（1971-）、女（汉族）、湖南长沙人，讲师，硕士、研究方向为信息安全。