信息隱藏(隱寫術(shù))

1、信息隱藏（隱寫術(shù)）主講教師：余艷瑋 1.2022/8/1321 信息隱藏概述2 隱寫術(shù)的基本原理3 隱寫術(shù)4 隱寫分析技術(shù).2022/8/133隱寫術(shù)空域隱寫術(shù)原始類圖像隱寫術(shù)基于文件格式的隱寫術(shù)替換技術(shù)：位平面、顏色通道LSB基于關(guān)系的技術(shù)有限調(diào)色板圖像隱寫術(shù)變換域隱寫術(shù)JPEG圖像隱寫術(shù).2022/8/1343.3 JPEG圖像隱寫術(shù)JstegOutguess算法F5.2022/8/135JPEG格式圖像在網(wǎng)絡(luò)中大量傳輸?shù)膽?yīng)用普遍性和JPEG圖像編碼算法的公開(kāi)性，使JPEG圖像得到了眾多隱寫術(shù)研究者的青睞，因而基于JPEG圖像的隱寫術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。用它作為信息隱藏的載體圖像在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行

2、隱蔽通信，與其它圖像格式相比，它所引起的懷疑相對(duì)比較小。由于JPEG圖像格式采用的是有損壓縮，根據(jù)質(zhì)量因子的不同，圖像顯示出的效果本身會(huì)有差異，這就使得攻擊者難以判斷圖像中的異常到底是較低的質(zhì)量因子還是嵌入隱藏信息所導(dǎo)致的。.2022/8/136Jsteg和OutGuess將秘密信息嵌入在量化后的DCT系數(shù)的LSB上，原始值為0和1的DCT系數(shù)除外。.2022/8/137(1) Jsteg隱寫算法首先獲得圖像量化后的DCT系數(shù)矩陣，對(duì)于不為0、 1的DCT系數(shù)，用秘密信息取代其LSB，即完成嵌入過(guò)程。（連續(xù)嵌入）提取秘密信息時(shí)，也只是將含密圖像中不等于0, 1的量化DCT系數(shù)的LSB取出即可。

3、Jsteg隱寫實(shí)質(zhì)上就是將LSB嵌入法應(yīng)用到量化后的DCT系數(shù)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：利用x2分析可以很容易地檢測(cè)出秘密信息的存在，因此其安全性并不好.2022/8/138.2022/8/139(2) OutGuess算法OutGuess算法是Niels Provos針對(duì)Jsteg類算法的缺陷提出的一種方法，主要分兩個(gè)部分:嵌入過(guò)程不修改DCT系數(shù)值為0，1的DCT系數(shù)，利用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生間隔以決定下一個(gè)要嵌入的DCT系數(shù)的位置。（隨機(jī)間隔）糾正過(guò)程消除對(duì)效應(yīng)的出現(xiàn)，方法是利用那些未被修改的DCT系數(shù)進(jìn)行修改來(lái)維持直方圖保持不變.2022/8/1310.2022/8/1311(3) F5隱寫算

4、法是由德國(guó)著名學(xué)者Pfitzmann和Westfeld在2001年提出的。是一種針對(duì)JPEG圖像，可以提供較大的嵌入容量、抗x2檢測(cè)的隱寫算法。F5的算法描述如下:由用戶輸入的密碼產(chǎn)生一組隨機(jī)序列，利用該隨機(jī)序列來(lái)隨機(jī)選擇量化DCT系數(shù)的非零交流系數(shù)。對(duì)選中的DCT系數(shù)進(jìn)行分組，每組包含2k-1個(gè)DCT系數(shù)，用以嵌入k比特信息。利用矩陣編碼來(lái)嵌入信息.2022/8/1312.2022/8/1313矩陣編碼編碼方式為(1,n,k)，其中n=2k-1如何選擇k?.2022/8/1314利用矩陣編碼嵌入秘密信息.2022/8/1315F5算法的特點(diǎn)隱藏信息量大高效（embedded bits per

5、 change）：抵抗x2檢測(cè)開(kāi)源利用了常見(jiàn)的圖像格式（JPEG）.2022/8/13161 信息隱藏概述2 隱寫術(shù)的基本原理3 隱寫術(shù)4 隱寫分析技術(shù).2022/8/1317隱寫分析的定義隱寫分析的現(xiàn)狀隱寫分析的原理.2022/8/1318隱寫分析的定義隱寫分析（隱寫檢測(cè)）：非授權(quán)用戶進(jìn)行的信息嵌入逆過(guò)程，意指第三方（黑客，通常位于公開(kāi)信道中）對(duì)信息隱藏的一種攻擊行為，它不是隱藏信息的合法的檢測(cè)或提取。.2022/8/1319隱寫分析的現(xiàn)狀在1999年召開(kāi)的第三屆信息隱藏國(guó)際會(huì)議上，Westfeld等首次提出檢測(cè)空域LSB隱寫的直方圖攻擊方法。通過(guò)分析像素值對(duì)的統(tǒng)計(jì)分布建立卡方統(tǒng)計(jì)量(x2)

6、來(lái)檢測(cè)隱藏信息的存在性，并能可靠估計(jì)嵌入的秘密消息的大小。但是，這種方法需要執(zhí)行多次卡方檢驗(yàn)，計(jì)算速度受到一定限制。.2022/8/1320Fridrich等2001年首次提出一種RS(regular singular)隱寫分析方法，這種方法來(lái)源于一種無(wú)損隱寫方案。通過(guò)計(jì)算LSB平面和移位LSB平面的無(wú)損信息隱藏容量，導(dǎo)出了估計(jì)秘密消息大小的方程，是目前惟一能夠檢測(cè)連續(xù)LSB替換和隨機(jī)LSB替換嵌入的秘密信息，并能可靠估計(jì)嵌入的秘密信息大小的算法，具有較高的可靠性和靈敏度。.2022/8/1321還有一類很強(qiáng)的適應(yīng)性的通用盲檢測(cè)方法，但大多只能以一定概率判斷隱藏消息的存在性，并且檢測(cè)的可靠性隨

7、著嵌入的隱藏消息的減少急劇下降，這在很多應(yīng)用場(chǎng)合下是不可接受的。此外，這類方法并不能給出一個(gè)關(guān)于隱藏消息大小的信息，不利于下一步隱藏消息的提取。因此，很多研究者致力于研究面向特定隱寫方法的隱寫分析算法，力求實(shí)現(xiàn)針對(duì)某一種特定隱藏方法實(shí)現(xiàn)可靠檢測(cè)，并準(zhǔn)確估計(jì)隱藏消息的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)秘密消息的提取。.2022/8/1322隱寫分析的原理信息隱藏技術(shù)中，所有的被隱藏的秘密信息m都可以表示為下面簡(jiǎn)單的公式： m=p+t 其中：t為被隱藏的秘密信息中經(jīng)過(guò)處理后在載體文件中不會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)失真的部分，它是人對(duì)一個(gè)媒體的不可感知能力的閡值。p為被隱藏的秘密信息中經(jīng)過(guò)處理后在載體文件中會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)失真的部分。t

8、值的大小代表著隱寫算法的水平，當(dāng)m=t，即p=0時(shí)，表示秘密信息的嵌入沒(méi)有對(duì)載體信息產(chǎn)生任何影響，這時(shí)的隱寫算法達(dá)到最高水平，任何檢測(cè)技術(shù)都會(huì)無(wú)能為力。.2022/8/1323隱寫分析的目的檢測(cè)隱藏信息的存在性，并估計(jì)隱藏信息的長(zhǎng)度提取隱藏信息刪除和擾亂隱寫載體中嵌入的隱寫信息.2022/8/1324現(xiàn)有的典型統(tǒng)計(jì)隱寫分析方法直接觀察分析法基于統(tǒng)計(jì)特征的方法通用盲檢測(cè)方法.2022/8/1325(1) 可視攻擊(Visual Attack)錯(cuò)誤假設(shè):LSB呈現(xiàn)隨機(jī)分布，因而可以替換；利用人類的認(rèn)知能力可以驗(yàn)證該假設(shè)錯(cuò)誤性?？梢暪簦喝藗兛梢钥梢詮膱D像的最低有效位看見(jiàn)隱藏消息。.2022/8/1

9、326可視攻擊(Visual Attack).2022/8/1327LSB of Original ImageLSB of Stego Image.2022/8/1328(2) 基于x2檢驗(yàn)隱寫分析算法卡方統(tǒng)計(jì)(x2統(tǒng)計(jì))攻擊是通過(guò)觀察隱寫圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖來(lái)檢測(cè)圖像中是否含有隱藏信息。假設(shè)載體為8bit灰度圖像，灰度值為i的象素?cái)?shù)為ni，將n2i與n2i+1作為一對(duì)數(shù)字來(lái)處理。秘密信息可以看作是0、1隨機(jī)分布的比特流，而且值為0與值為1的可能性都是1/2。如果秘密信息完全替代了載體圖像的最低位，那么n2i與n2i+1的值會(huì)比較接近。如果載體圖像未經(jīng)隱寫， n2i與n2i+1的值就會(huì)相差得遠(yuǎn)一些

10、。.2022/8/1329.2022/8/1330期望分布(expected distribution):觀察分布(observed distribution):兩種分布之差表示為：兩種分布相同的累積概率函數(shù)：v：由n2i與n2i+1組成的數(shù)字對(duì)的數(shù)目； 為常用的Euler Gamma函數(shù)；p表示載體被隱寫的可能性。如果p接近1，則說(shuō)明載體圖像中含有隱秘信息；在未隱寫信息時(shí)，p值接近于0.2022/8/1331x2檢測(cè)性能分析.2022/8/1332.2022/8/1333.2022/8/1334.2022/8/1335.2022/8/1336(3) RS隱寫分析方法J.Fridirich等提

11、出的RS檢測(cè)算法在隱寫分析的研究中具有重要的意義，它是第一個(gè)可以檢測(cè)隨機(jī)間隔嵌入LSB算法的隱寫分析方法，并可以精確地估計(jì)出秘密消息的長(zhǎng)度。絕大多數(shù)圖像的采樣點(diǎn)之間具有較強(qiáng)相關(guān)性，而秘密信息由于通常經(jīng)過(guò)壓縮或加密，可以認(rèn)為不具有相關(guān)性，所以當(dāng)秘密信息被嵌入到載體圖像數(shù)據(jù)的最低位后，象素灰度值之間的相關(guān)性會(huì)在一定程度上受到破壞。RS方法就是利用這個(gè)特性來(lái)檢測(cè)數(shù)字媒體中是否含有秘密信息。.2022/8/1337具體步驟如下:給定一個(gè)圖像塊，可以用下式表示混亂程度其中，X是圖像塊的灰度值矩陣，X1表示將X左移一列， X2表示將X下移一行，f(X)表示相鄰象素灰度差值的絕對(duì)值總和。.2022/8/13

12、38記F1為2i與2i+l之間的互相翻轉(zhuǎn)操作，即： 記F-1:為2i-1與2i之間的互相翻轉(zhuǎn)操作，即： LSB隱寫就相當(dāng)于對(duì)部分象素應(yīng)用F1操作，則:.2022/8/1339于是，由判斷函數(shù)f和翻轉(zhuǎn)函數(shù)F可以將圖像的像素組G分為三類R、S和U:式中，F(xiàn)(G)表示對(duì)像素組G=(x1,x2,xn)的所有成員進(jìn)行一次翻轉(zhuǎn)操作。但是通常的嵌入算法是對(duì)不同的像素采用不同的翻轉(zhuǎn)變換，于是，定義一個(gè)模板M，M是元素值為-1，0，1的1n維數(shù)組，則FM(G)=(FM(1)(x1), FM(2)(x2), ,FM(n)(xn) 。.2022/8/1340RS分析時(shí)，首先將待檢圖像分為很多大小相等的圖像塊，再對(duì)每

13、個(gè)小圖像塊隨機(jī)抽取部分象素(如1/2)進(jìn)行F1操作，然后利用公式(3.3.4)計(jì)算其混亂程度是否增加，并計(jì)算混亂度增加的圖像塊在所有圖像塊中的比例，記為RM；而混亂度減小的圖像塊在所有圖像塊中的比例記為SM，一般說(shuō)來(lái)RM+SM SM，R-M S-M 。.2022/8/1341如果待檢圖像是經(jīng)過(guò)LSB隱寫的，則應(yīng)用F1操作和應(yīng)用F-1操作的結(jié)果就會(huì)有所不同。具體地說(shuō)，對(duì)原始載體圖像進(jìn)行隱寫本來(lái)就是對(duì)部分象素應(yīng)用了F1操作，現(xiàn)在，再對(duì)隱寫圖像的部分象素應(yīng)用F1操作，這樣所有象素可以分為沒(méi)有被操作處理的、經(jīng)歷過(guò)一次操作的、經(jīng)歷過(guò)二次操作的三類。其中第三類象素經(jīng)歷了兩次F1操作，又回到了原始值。而如果

14、對(duì)隱寫圖像的部分象素應(yīng)用F-1操作，也會(huì)有一些象素經(jīng)歷了兩次操作，但由于這些象素經(jīng)歷的是一次F1操作和一次F-1操作，與原始值就會(huì)偏離得更遠(yuǎn)，因此，應(yīng)用F-1操作對(duì)混亂度的增加要大于應(yīng)用F1操作對(duì)混亂度的增加，就會(huì)有RM RM-SM。因此，RS隱寫分析法可以通過(guò)計(jì)算RM 、SM、R-M、S-M，并比較它們的關(guān)系來(lái)檢測(cè)載體圖像數(shù)據(jù)中是否含有秘密信息。.2022/8/1342RS檢測(cè)算法性能分析.2022/8/1343.2022/8/1344(4) F5檢測(cè)算法設(shè)h(d)(d=0,1,)為原始圖像AC系數(shù)絕對(duì)值等于d的總個(gè)數(shù)。同樣地，記hkl(d)為8X8的AC系數(shù)矩陣中下標(biāo)為(k,l)，1 k,

15、l 8，且絕對(duì)值等于d的個(gè)數(shù)。對(duì)應(yīng)地，記H(d)為經(jīng)過(guò)F5嵌入后的AC系數(shù)絕對(duì)值為d的總個(gè)數(shù)，Hkl(d)為經(jīng)過(guò)F5嵌入后，AC系數(shù)矩陣中下標(biāo)為(k,l)且絕對(duì)值為d的總個(gè)數(shù)。.2022/8/1345假設(shè)待測(cè)圖像經(jīng)過(guò)F5嵌入算法后修改了n個(gè)非零AC系數(shù)。那么，記對(duì)于一個(gè)非零AC系數(shù)，它被更改的概率為，即=n/P。P為圖像中所有非零AC系數(shù)的個(gè)數(shù)，那么，p=h(1)十h(2)+。由于F5是隨機(jī)選擇嵌入的非零AC系數(shù)，于是，.2022/8/1346.2022/8/1347.2022/8/1348性能分析.2022/8/1349隱寫分析方法小結(jié)x2檢驗(yàn)：對(duì)連續(xù)LSB嵌入方式的檢驗(yàn)精度比較高，并且能很

16、好地估計(jì)出隱密信息的長(zhǎng)度和位置。但是對(duì)隨機(jī)嵌入LSB的檢驗(yàn)精度卻大大降低，這也跟x2值的計(jì)算公式有關(guān)系。RS檢驗(yàn)法：對(duì)越隨機(jī)嵌入的信息檢測(cè)效果則越好。但該方法完全將嵌入信息當(dāng)作噪聲，覆蓋圖像初始偏差、噪聲級(jí)別等都會(huì)對(duì)估計(jì)精確性產(chǎn)生影響?？偟膩?lái)說(shuō)，RS分析法是一種對(duì)LSB嵌入檢測(cè)精度較高的方法，雖然在連續(xù)嵌入情況下檢測(cè)率不高，但是隨著嵌入信息大小的增加，檢測(cè)精度也逐步增加。F5隱寫分析算法：是針對(duì)F5隱寫的檢測(cè)算法，能夠有效的對(duì)隱寫圖像進(jìn)行嵌入信息大小的估測(cè)，誤差較小，同時(shí)該算法也適用于OutGuess隱寫算法的檢測(cè)。目前有許多學(xué)者和機(jī)構(gòu)致力于圖像隱寫分析的研究，但是至今還未形成一套完整的理論和

17、實(shí)質(zhì)性的突破，現(xiàn)有的檢測(cè)算法都具有一定的局限性。.2022/8/1350圖像隱寫分析的發(fā)展方向圖像隱寫分析的發(fā)展方向是:比較當(dāng)前所有有效的檢測(cè)算法，找出各自的優(yōu)點(diǎn)、局限性和適用范圍，將所有這些算法集成一個(gè)分析系統(tǒng)，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的所有檢測(cè)算法揚(yáng)長(zhǎng)避短，從而大大提高系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確性。系統(tǒng)集成大體有兩種策略:（1）對(duì)檢測(cè)載體提取圖像特征，然后根據(jù)模式識(shí)別、匹配判斷結(jié)果;（2）建立一個(gè)分析系統(tǒng)，在系統(tǒng)中調(diào)度不同的檢測(cè)算法檢測(cè)不同統(tǒng)計(jì)特性的檢測(cè)圖像，達(dá)到檢測(cè)算法與檢測(cè)圖像的最佳匹配，從而提高系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確性。.2022/8/1351隱寫術(shù)回顧空域隱寫術(shù)原始類圖像隱寫術(shù)基于文件格式的隱寫術(shù)替換技術(shù)：位平面、

18、顏色通道LSB基于關(guān)系的技術(shù)利用奇偶校驗(yàn)位二值圖像中的隱寫利用圖像區(qū)域中黑色象素的個(gè)數(shù)對(duì)秘密信息進(jìn)行編碼 利用游程編碼對(duì)秘密信息進(jìn)行編碼 利用圖像分塊中黑色點(diǎn)總個(gè)數(shù)的奇偶代表秘密信息0或1有限調(diào)色板圖像隱寫術(shù)基于調(diào)色板的密寫： GifShuffle軟件基于圖象內(nèi)容的密寫：尋找一種最佳的替代顏色分配方案S-Tools、 EzStego、OPA變換域隱寫術(shù)JPEG圖像隱寫術(shù)：Jsteg、OutGuess、F5.2022/8/1352隱寫術(shù)回顧空域隱寫術(shù)原始類圖像隱寫術(shù)基于文件格式的隱寫術(shù)替換技術(shù)：位平面、顏色通道LSB基于關(guān)系的技術(shù)利用奇偶校驗(yàn)位二值圖像中的隱寫利用圖像區(qū)域中黑色象素的個(gè)數(shù)對(duì)秘密信息進(jìn)行編碼 利用游程編碼對(duì)秘密信息進(jìn)行編碼 利用圖像分塊中黑色點(diǎn)總個(gè)數(shù)的奇偶代表秘密信息0或1有限調(diào)色板圖像隱寫術(shù)基于調(diào)色板的密寫： GifShuffle軟件基于圖象內(nèi)容的密寫：尋找一種最佳的替代顏色分配方案S-Tools