信息隐藏课程实验教学设计

李莉

摘要：信息隐藏课程具有理论与实践并重的特点。文章主要针对信息隐藏课程的实验环节进行教学改革，结合理论内容设置实验环节，力图使实验部分与理论部分有机结合，用实践验证理论，加深对理论的认知。同时，通过设计型实验、研究型实验，提高学生发现问题、解决问题的能力，培养其创新能力。

关键词：信息隐藏;课程实验;教学设计

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）44-0203-02

一、信息隐藏课程现状

当前，信息隐藏课程作为本科的高阶选修课，普遍存在课程内容针对性不强、实践环节偏弱、应用能力不强等问题。随着网络空间安全学科的快速发展，对信息隐藏课程的教学目标及课程定位都有所调整，不仅加深了基本理论和方法的学习程度，而且提高了对学生实践能力的要求。信息隐藏技术是内容安全方向的重要组成部分，信息隐藏课程是该方向中一门重要的专业基础课程，在网络空间安全学科的整个课程体系中占有重要地位。信息隱藏是面向应用的学科，学习的最终目的是用技术解决实际问题。同时，信息隐藏是不断发展的前沿技术，尚未形成成熟的理论模型，需要学习者在现有的研究成果的基础上进行创新性研究。因此，急需对该课程进行课程改革，丰富课程资源，构建实验平台，突出实践环节，激发学生的学习兴趣，提高学生的实践能力，培养其创新性思维。

二、课程实验部分的模块设计

针对信息隐藏课程的特点，采用“课堂讲授+线上学习+实验教学”的方式，其中理论授课20课时，实验教学20学时，线上自主学习10学时。实验课程共分为五大模块，分别是空间域信息隐藏、变换域信息隐藏、隐写分析、数字水印及水印攻击、对抗性实验，具体实施时分为10次实验课进行，实验内容涵盖了信息隐藏整个知识体系的大部分内容，能够满足本科生层次的实验教学，具体见下表。

三、设计思路及目的

本部分将详细描述五大模块的设计思路及实验目的。

模块一：空间域信息隐藏。

实验1和实验2：目前成熟的信息隐藏算法大多是以图像作为载体的，因此该系列实验都是基于图像进行的。在第1次实验中，主要让学生学会使用Matlab对图像进行相关的处理，为后续实验奠定了基础。实验2对替换技术的典型代表LSB方法进行了实践。实验设计思路分为以下几步：（1）实现LSB顺序信息隐藏，载体图像为灰度图像;（2）基于安全性对实验结果进行评价，引导学生进行算法的改进;（3）随机选取像素点，将消息隐蔽于LSB;（4）引导学生提出其他改进算法。要求学生理解LSB（最低有效位）的含义，能够用Matlab获取图像的LSB层，学会选取载体图像像素点（顺序选取/随机选取），将其位置潜入秘密消息;能够从隐蔽载体中提取和恢复秘密消息;进一步考察算法的健壮性。

模块二：变换域信息隐藏。

实验3：有必要掌握常见的数字信号处理的基本原理和特点，否则就无法深入理解相关信息隐藏算法，继而无法在已有算法的基础上有所创新。主要设计思路是通过实现图像的DFT、DCT、DWT，让学生理解变换域上的能力分布特征，并进一步将这种特征与信息隐藏应用联系起来。实验3的目的是理解信号的DFT、DCT、DWT的基本原理;会使用Matlab对图像进行DFT、DCT、DWT操作，并能够从能量分布的角度对结果进行定量分析;了解JPEG中的DCT编码。

实验4：设计思路是通过对比固定位置的中频系数、随机挑选的中频系数以及选择最大的N个中频系数三种嵌入方式，使学生学会如何在频域选择合适的嵌入位置。实验目的是掌握DCT隐藏算法的Matlab实现，具体实现通过调整图像块中两个DCT系数的相对大小嵌入秘密信息;能够对算法的控制参数与鲁棒性和不可感知性的关系进行分析和总结。

实验5：引导学生将空域LSB算法和DCT域算法相结合，即将空域的LSB应用到JPEG图像的DCT系数上，充分锻炼学生的拓展性思维。学有余力的同学可以进一步尝试实现F5算法，增强其创新能力。该次实验的目的是理解基于JPEG的信息隐藏的原理;掌握JSteg隐写算法，能够基于Matlab实现JSteg算法;了解F3、F4、F5隐写算法。

模块三：隐写分析。

实验6和实验7：隐写和隐写分析既相互矛盾又相互促进，被动隐写分析的主要目标是揭示媒体中隐蔽信息的存在性。实验6的设计思路是分析顺序LSB隐写后图像的特征;基于特征变化引导学生找到检测思路;给出关键步骤的公式，用Matlab实现之;完成卡方分析算法;分析该算法的检测效果;分析该算法的优缺点。要求学生能够分析顺序LSB方法处理后的图像的特征变化。实验7则对RS方法进行了实践。RS方法适合检测随机LSB隐写，可以比较精确地估计隐藏信息长度，它是基于隐写前后图像平衡度的变化来检测秘密信息的。由于RS算法具有一定的难度，因此该次实验给出算法的核心代码，学生在理解算法思想和掌握算法步骤的基础上完善程序，实现RS算法。要求学生理解RS分析的原理。

模块四：数字水印及水印攻击。

实验8和实验9：实验8的设计思路是通过实现一种基本的脆弱水印算法使学生建立应用与算法的对应关系，并进一步总结归纳可用于脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒性水印的方法。要求学生理解水印与隐写的区别;理解脆弱水印和半脆弱水印的含义，掌握实现半脆弱水印和脆弱水印的原理。实验9主要学习Stirmark的使用。Stirmark是一个通用的水印基准测试软件，是目前使用最为广泛的水印技术评测工具。要求学生掌握Stirmark的安装和使用方法，学会使用Stirmark对水印图像进行剪切、旋转、JPEG压缩、中值滤波等攻击，验证算法性能，能够对攻击结果进行相应的分析。

模块五：对抗性实验。

实验10：本次实验是对整个实验课程的检验，首先将学生分成若干小组（最多3人），并两两结成对抗对。在第一轮对抗中，对抗对中的一组负责进行秘密信息的隐藏，称为隐藏组，另一组负责进行秘密信息的检测和提取，称为检测组。在第二轮对抗中，两小组互换角色。对顺利完成任务的小组加分，以最终累计得分作为小组得分。要求学生熟练掌握前期学习的内容，能根据具体情景进行灵活运用，有针对性地采用适合的隐藏算法，并能进行盲检测、半盲检测操作。

四、小结

本文主要针对信息隐藏课程的实验环节进行教学改革，重新梳理、扩充、加深实验教学内容，结合理论内容设置实验环节，将理论部分与实验环节有机结合起来。用实践验证理论，加深对理论的认知，同时通过设计型实验、研究型实验提高学生发现问题、解决问题的能力，培养其创新能力。一定时期的课程实施实践表明，该教学设计能够一定程度提高学生的动手实践能力。

参考文献：

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