PARTIV-1資訊隱藏的玄機.ppt

1、PART IV,資訊隱藏的玄機,PART IV-15,資訊隱藏,資訊隱藏(Information Hiding),資訊隱藏著重於將機密、重要資訊內(nèi)容藏入到其所利用的數(shù)位多媒體之中 讓非法使用者無法透過感官系統(tǒng)來察覺機密、重要資訊的存在 避免機密、重要資訊被攔截、破解 達到資訊安全與保護的目的。,嵌字詩,芷香蘭芳寧玉碎 若無情癡何苦追 雖以陰狠毒辣名 美可顛倒惹是非 無奈淒涼情感路 忌敏防昭荼紫蛛 不防情逝難挽回 愛似星落歎何如,芷香蘭芳寧玉碎 若無情癡何苦追 雖以陰狠毒辣名 美可顛倒惹是非 無奈淒涼情感路 忌敏防昭荼紫蛛 不防情逝難挽回 愛似星落歎何如,嵌字詩,摘自.tw/SHIT9.htm,

2、拆字詩,鵝飛鳥去永不回 良字去頭雙人陪 雙木非林心相隨 您若無心各自飛,我 很 想 你,字謎詩,畫時圓 寫時方 夏時長 冬時短 日,有風不動無風動 不動無風動有風 扇子,資訊隱藏簡介,數(shù)位媒體所有權(quán)的保護 數(shù)位媒體易遭複製、修改、變造 數(shù)位簽章與密碼學無法保障著作權(quán) 將所有權(quán)資訊隱藏於數(shù)位媒體中，必要時能夠鑑定出真正擁有者 避免惡意攻擊者嵌入不同的所有權(quán)資訊,資訊隱藏分類,資訊隱藏學,隱藏式通道（Covert Channels） ISO/IEC 2382-8 可用來傳送非授權(quán)資料的傳輸通道 木馬程式擷取受害電腦上的資訊或取得控制權(quán) 偽裝法(Steganography) 將所要傳遞的機密訊息藏入

3、所選定的偽裝媒體中，唯有正確的金鑰才能得以萃取出其中的機密訊息 1984，Simmon，囚犯問題,資訊隱藏學,匿名法（Anonymity） 傳送者能以假名（Pseudonym）傳送敏感或私密的訊息，也能以假名收到回覆 不洩漏真實傳送者的相關(guān)訊息 版權(quán)標記(Copyright Marking) 在數(shù)位媒體中藏入所有權(quán)的相關(guān)資訊的方法 數(shù)位浮水印,數(shù)位浮水印,防偽可視浮水印,數(shù)位浮水印,兩種方式來應用： 將浮水印直接加到影像上 。 將相關(guān)文字資訊如著作權(quán)人、出版公司等編碼後置入影像檔的檔頭資訊中。,強化的浮水印隱藏技術(shù),條件： 透明性(Transparency) 強韌性(Robustness) 安

4、全性(Security) 忘卻性(Oblivious) 多浮水?。∕ultiple Watermarking） 明確性（Unambiguity）,強化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-1 透明性(Transparency),製作浮水印時最基本的要求， 透過人眼視覺檢視、比較原始影像圖(Host-image)與保護圖(Stego-image)時，無法辨別區(qū)分出兩張圖有何不同點。 要使信號雜訊比（Peak Signal to Noise Ratio ，PSNR）大於或等於30dB,均方差（Mean Square Error）,人類的視覺系統(tǒng)(Human Visual System ，HVS),影像的恰可察覺

5、色差(Just-noticeable Difference，JND) 原始影像欲嵌入浮水印時，以每一個像素(或每一個次頻帶)為單位做為評估可嵌入的資料量門檻值 降低視覺系統(tǒng)對於保護圖遭受破壞程度的感受度(Sensitivity),背景亮度,鄰近像素,影像的恰可察覺色差(Just-noticeable Difference，JND),依影像空間頻率（Spatial Frequency）、背景亮度適應及對比遮罩效應（Contrast Masking Effect）來衡量視覺系統(tǒng)對於影像改變的容忍度(亦可稱為最小恰可察覺的程度)。 浮水印嵌入技術(shù) 利用離散餘弦轉(zhuǎn)換(Discrete Cosine T

6、ransformation, DCT)或離散小波轉(zhuǎn)換(Discrete Wavelet Transformation, DWT) JND的考慮對於嵌入資料的容量(capacity)並沒有太大影響，但對於影像的透明性有一定效果提昇,強化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-2強韌性(Robustness),保護圖必須要有足夠強韌度來抵抗一般影像處理、幾何變形、列印後掃瞄以及StirMark的等多種攻擊法。 例如：過濾處理(Filtering Treatment)、失真壓縮(Lossy Compression)、重新取樣(Resampling)、重新量化(Requantization)等等,強化的浮水印隱藏技術(shù)

7、之條件-3安全性(Security),被不法者正確推測出浮水印資料所嵌入的區(qū)域的可能性必須要很低 不允許沒有權(quán)限的人任意移除或竄改嵌在其中的浮水印資料 藉由使用私密金鑰/公開金鑰(Private-key/Public-key)的加密系統(tǒng)或者是在嵌入浮水印前使用虛擬隨機亂數(shù)產(chǎn)生器(Pseudo-random Generator)透過一個種子金鑰(Seed Key )產(chǎn)生一堆的隨機亂數(shù)來完成,強化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-4忘卻性(Oblivious),非忘卻（Non-oblivious）的浮水印技術(shù)是當針對已含有浮水印保護的媒體萃取浮水印時，需要參考原始媒體 透過原始媒體的協(xié)助，才能順利的萃取出浮

8、水印 忘卻浮水印技術(shù)則是保護媒體不需要參考原始媒體便可萃取出浮水印 僅僅需要保護媒體便可萃取出隱藏在其中浮水印 實用的機制應該不需要原圖比對即可偵測出浮水印。,強化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-5多浮水?。∕ultiple watermarking）,利於購買者，或合法的第三者也能加上自己的浮水印 在嵌入的技術(shù)上要能使後來加上的浮水印在運用相同的嵌入機制時，並不會影響到之前的浮水印,強化的浮水印隱藏技術(shù)之條件-6明確性（Unambiguity）,萃取出的標誌（Logo）必須明確。 主要目的：針對影像圖所有權(quán)的鑑別、為所有者的權(quán)益提供保障。 從保護圖中萃取出來、重建的浮水印必須再具有不含糊性、清晰可辨

9、的特性。,明確性檢測,NC（Normalized Correlation） NC進行判斷兩個浮水印是否相同 當NC值為1，表示兩個浮水印是相同的 若兩個浮水印不一致時，則NC值會降低並介於0與1之間。,3 x 3像素黑白圖範例(1),(a) 藏入黑白圖W,(b) 取出黑白圖W,3 x 3像素黑白圖範例(2),(a) 藏入黑白圖W,(b) 取出黑白圖W,改變後的W2有一個像素被由白轉(zhuǎn)成黑(0改變成1),經(jīng)檢驗NC值仍為1，判斷發(fā)生錯誤，利用NC值判斷會誤判二張圖係同一張圖。,3 x 3像素黑白圖範例(3),(a) 藏入黑白圖W,(b) 取出黑白圖W,改變後的W3有二個像素被由白轉(zhuǎn)成黑(0改變成1

10、),經(jīng)檢驗NC值仍為1，判斷發(fā)生錯誤，利用NC值判斷會誤判二張圖係同一張圖。,NC 誤判,原因可以由NC的公式來看,NC 誤判,以原圖像素值平方和為分母的值並不會改變，故主要判斷圖形相似值是基於分子。 而分子是由原圖與改變後的圖每一個相對映位置像素的乘積和所組成 因此，在分母不變的情況下，若圖形的像素被由1改變成0時，因其乘積會由1變成0，故與分母相較之下，判定該像素已改變； 在圖形的像素被由0改變成1的情況下，因乘積仍然為0，故與分母相較之下，無法判定其遭受篡改。,浮水印衡量方式 TAF,解決NC誤判的問題 TAF值越大，代表萃取出之浮水印與原本的浮水印差別越多，同時也代表著浮水印的位元錯誤

11、的比例。,TAF的計算,範例(1)：未受到篡改 範例(2)：W有一個像素受到篡改 範例(3)： W有二個像素受到篡改,TAF,TAF對於原始圖形的像素與改變後圖形的像素值做互斥(Exclusive-or) 運算 二個比較的像素發(fā)生相異情況時，不論是由0變成1或由1變成0，皆會增加TAF值，因而顯示出其圖形受到篡改 解決了NC測度的判讀錯誤問題。,NC值的誤判,(a)原始浮水印 (b)反相的浮水印，NC值為0,當萃取出來的浮水印呈反相時，NC值0， 但還是可以清楚地分辨出來。,PSNR的測度,PSNR的測度上亦可能產(chǎn)生非真實情形的解讀，例如當Lenna圖中的右眼塗白，PSNR值尚有33.77dB

12、,數(shù)位浮水印技術(shù),空間域機制(Spatial Domain Mechanism)： 浮水印的嵌入偵測若是採用直接更改讀取影像亮度或灰階值 轉(zhuǎn)換域機制(Transform-Domain Mechanism) 或頻率域機制(Frequency Domain Mechanism) 浮水印的嵌入偵測若是採用更改/讀取以數(shù)學轉(zhuǎn)換過的係數(shù) 視學密碼學（Visual Cryptography）,空間域(Spatial Domain),直接改變或調(diào)整數(shù)位媒體的單位元素值（度量訊息的基本單位）來達成嵌入資訊的目的 LSB（Last Significant Bit）嵌入：為直接修改數(shù)位影像中像素值較不重要的部份，

13、以達到藏入數(shù)位浮水印之目的。 對於幾何變形（Geometric Transform），例如：旋轉(zhuǎn)、JPEG壓縮，則較為脆弱。,8位元灰階像素之MSB與LSB,頻率域,常見的轉(zhuǎn)換方式： 離散餘弦轉(zhuǎn)換(Discrete Cosine Transformation, DCT)/反離散餘弦轉(zhuǎn)換(Inverse Discrete Cosine Transformation, IDCT) 傅利葉轉(zhuǎn)換(Fourier Transformation, FT)/反傅利葉轉(zhuǎn)換(Inverse Fourier Transformation, IFT) 離散小波轉(zhuǎn)換(Discrete Wavelet Transfor

14、mation, DWT) /反離散小波轉(zhuǎn)換(Inverse Discrete Wavelet Transformation, IDWT) 利用這些方法轉(zhuǎn)換成係數(shù)值之後，再小幅度地調(diào)整其中部份的係數(shù)值以達到藏入數(shù)位浮水印之目的,頻率域數(shù)位浮水印製作與萃取程序,需要較多的計算處理 較能抵擋不同性質(zhì)的影像處理破壞，諸如影像模糊化或影像剪裁等,離散餘弦轉(zhuǎn)換公式,Discrete Cosine Transform DCT DCT反轉(zhuǎn)換公式,離散小波轉(zhuǎn)換,許多種數(shù)學模型都可進行轉(zhuǎn)換，例如：Antonini、Haar、Daub4、villa4等 數(shù)位影像中則是在於將影像轉(zhuǎn)成各個區(qū)塊（或稱之為次頻帶, Sub

15、band）表示不同的頻率 LL這個區(qū)塊則是影像中最重要的部分 HH則是影像中較不重要的部分 LL又可再經(jīng)第二階段轉(zhuǎn)換來劃分,離散小波轉(zhuǎn)換示意圖,離散小波轉(zhuǎn)換,離散小波轉(zhuǎn)換的特性： 擁有 DCT轉(zhuǎn)換的主要優(yōu)點 能運用於數(shù)位影像 小波轉(zhuǎn)換尚且提供了數(shù)位媒體的多重解析（Multi-resolution）觀點 JPEG2000採用小波轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換目的,不論是離散餘弦轉(zhuǎn)換、傅利葉轉(zhuǎn)換或是離散小波轉(zhuǎn)換 其目的在於透過這些轉(zhuǎn)換技術(shù)將媒體中重要的部分與不重要的部分區(qū)分出來。 再將欲嵌入的資訊加到所選取的係數(shù)中。 最後並還原至空間域而完成嵌入資訊的目的。,轉(zhuǎn)換目的,媒體中重要的部分通常也是編輯處理後還會比較完整的

16、部分，因此將資訊嵌入其中，就能有效提高強韌性且可抵擋多種訊號處理的攻擊。 需要更多計算時間來進行轉(zhuǎn)換。,智慧財產(chǎn)權(quán)保護,數(shù)位浮水印保護智慧財產(chǎn)權(quán)系統(tǒng)大致上有以下四種分類 Private Marking Semi-private Marking Public Marking（Blind Marking） Asymmetric Marking（Public-key Marking） I代表原圖、K代表私密金鑰、M代表浮水印、I代表測試圖來做說明,Private Marking,需要所嵌入前的原圖配合才能萃取出浮水印標記 集合1與0以表示含財產(chǎn)權(quán)訊息的完整數(shù)位媒體系統(tǒng)，也就是1：具完整性，0：不完整

17、性（遭竄改），則F: I I K M 0, 1 主要優(yōu)點是所嵌入的浮水印在沒有原本的私密金鑰下難以被移除 缺點是管理大量的原圖、浮水印和與其對應的私密金鑰是相當困難的。,Semi-private Marking,無需原圖即可檢驗，意即 F: I K M 0, 1。 只需使用到私密金鑰與浮水印即可判斷浮水印的存在與否 不需使用到原圖來進行檢測 有效減少貯存原圖所需的空間。,Public Marking（Blind Marking）,無原圖之下，僅透過私密金鑰即可萃取出浮水印，意即F: I K M。 亦可應用在Private Marking機制之中 學術(shù)研究上最常被使用的機制。,Asymmetri

18、c Marking（Public-key Marking）,任何使用者均能透過公開金鑰來驗證浮水印的存在 若沒有私密金鑰時，則無法移除影像中所嵌入浮水印 浮水印嵌入時是使用私密金鑰，之後萃取或檢驗時則是使用公開金鑰 優(yōu)點是加強金鑰的安全性，使得攻擊者即使擁有公開金鑰進行萃取或檢驗浮水印，亦難以藉此將浮水印移除或竄改。,影像完整性鑑別,一、簽章式鑑別法： 利用密碼學上的數(shù)值運算方式來對影像做簽章 虛擬隨機亂數(shù)與檢查碼（Checksum）的方法：對每個像素中七個最重要的位元值（MSB）做一檢查碼，並將此檢查碼嵌入最不重要的位元值中（LSB）,簽章式鑑別法,影像切成數(shù)個區(qū)塊，並對每個區(qū)塊做hash值

19、來與MSB做運算，並將所得到的值嵌入LSB中 鑑別太過嚴格以致於讓合法持有者無法修改影像且無法呈現(xiàn)那些地方被竄改，此外隨著影像尺寸的增加，在運算上會更為耗時。,影像完整性鑑別,二、特徵式鑑別法： 影像特徵比對的鑑別系統(tǒng)。只要影像差異並未超過門檻值，這影像就被視為合格的。然要實現(xiàn)此法則需要儲存許多額外的資訊。 以特徵做為影像鑑別的方法卻較無法反映細微的竄改。,影像完整性鑑別上研究,重點有以下三點： 影像是否受到竄改的判斷。 影像受到竄改區(qū)域的偵測。 影像受到竄改後的還原。,數(shù)位浮水印,應用： 廣播監(jiān)督（Broad Monitoring） 交易追蹤（Transaction Tracking） 拷貝

20、控制（Copy Control） 設(shè)備控制（Device Control）,Steganography,將密文隱藏起來使得沒有人會懷疑，也就是沒有人會知道其實訊息中包含了密文。 偽裝法的組合元件與要件 輸入元件：掩護媒體(Cover-media)、機密、重要資訊(Significant Information)。 處理元件：嵌入處理(Embedding)、萃取處理(Extracting)。 輸出元件：輸入元件透過處理元件所產(chǎn)出的物件，即偽裝媒體(Stego-media)。,偽裝法的評估要件,不可察覺性(Imperceptibility) 不可偵測性(Undetectability) 強韌性 (

21、Robustness) 容量(Capacity) 安全性 (Security),偽裝法,掩護圖 (秘密隱藏前),偽裝圖 (秘密隱藏後),掩護圖/偽裝圖（128x128pixel）就嵌入小說哈利波特(Harry Potter)部分的內(nèi)涵,偽裝法的技術(shù),偽裝法的基本技術(shù)就是LSB（Least Significant Bit）,修改了左側(cè)影像中每個像素的LSB。 若LSB是0便改成1、反之改成0，最後得到了右側(cè)的影像。,偽裝學的隱藏秘密分析,視覺分析法（Visual Analysis） 統(tǒng)計分析法（Statistical Analysis） 目前為止沒有能夠以一擋百的萬能偽裝分析 必須針對個別技術(shù)進

22、行分析,偽裝學的隱藏秘密分析,I. 視覺分析法 是針對秘密訊息可能隱藏的位置，將其二元值擷取出來，依其相關(guān)位置組成一個位元平面(Bit-plane)，然後直接利用人類視覺來判斷是否有機密訊息隱藏其中。,原圖的分解,視覺分析法,LSB偽裝圖的分解,偽裝學的隱藏秘密分析,II. .統(tǒng)計分析法 針對這些像素值去做統(tǒng)計與分析，期望能找到數(shù)位影像隱藏有機密訊息的證據(jù)。 統(tǒng)計學上的卡方分析法(Chi-square Analysis),卡方分析法(Chi-square Analysis),先紀錄影像圖片中所有相同像素值在影像圖片的像素個數(shù)總數(shù)，並將統(tǒng)計數(shù)據(jù)分組。 每組的配對由兩個連續(xù)像素值組成，紀錄各像素值

23、在影像圖片的所有像素值分佈的累積個數(shù)。 計算每組內(nèi)像素值累積個數(shù)的平均值，判斷上述的統(tǒng)計資料關(guān)係將屬於卡方的機率分佈。,卡方分析法,若所隱藏的秘密訊息的0/1位元具隨機性，則LSB出現(xiàn)0或1的期望值將會相等。 每組的配對(由兩個連續(xù)像素值組成)，紀錄各像素值在隱藏秘密訊息的影像圖片的分佈像素值個數(shù)將非常接近。 隱藏秘密訊息的圖片將藉此關(guān)係被偵測出。,16色階的影像圖,一個像素由4個位元組成，表現(xiàn)值配對集合總共會有連續(xù)像素值(像素值分佈為0-15)分佈的8組表現(xiàn)值配對 色階的影像圖的8組表現(xiàn)值配對集合,16色階的影像圖,16色階影像圖在藏入訊息之前後(利用S-Tools 的LSB嵌入技術(shù)藏入訊息),16色階灰階影像像素分布圖,16色階灰階影像(含機密訊息)像素分布圖,第一組表現(xiàn)值配對比較圖,比較之下可以清楚的看出同一組表現(xiàn)值配對隱在藏資訊前後的明顯差異，可以判斷所分析的影像圖極有可能隱藏秘密訊息，進而達到阻止秘密通訊的目的。,資訊隱藏之運用與問題,資訊隱藏被運用於犯罪的方法 網(wǎng)路色情 將猥褻圖片或影片隱藏在風景圖片中，