图像的小波域隐写算法的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 4.87MB 70 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 论文选题背景和意义
当今社会是信息高速发展的时代，网络通信技术和多媒体技术的飞速发展，
使得数字多媒体信息(包括图像、音频、视频等)的存储、复制与传播变得更加方便
快捷，每天在互联网上传播着大量的多媒体信息，这些信息中有很大的一部分是
关于个人、企业和国家的非常重要的私密信息。防止这些私密信息被窃听、纂改
和盗用，保证它们安全的传输，是关系到国计民生的一件大事。因此，如何保证
私密信息的安全就成为当今信息技术首先要解决的问题。
一直以来，人们都是用传统的加密技术(Cryptography)[1]来保证通信安全。它
的基本思想是把明文消息变为密文后(即加密)再传输，目的是让第三方无法得到秘
密信息。但是，加密技术有一个明显的缺陷：这种系统的一般方法是把秘密信息
转化为看上去没有意义的密文(乱码)，并利用公共信道来传输，而这样的形式从另
一个方面来说，正好明确告诉敌对方哪些信息是重要的信息，从而引起攻击者的
注意和警觉而遭到攻击和破坏。而它还有另一个潜在的缺点：随着计算机硬件更
新换代、处理速度的迅速发展，还有基于网络实现的云计算能力的提高，破解技
术的日益成熟，必将对加密算法的安全性能产生严重的挑战，而且针对版权保护
问题，密码技术并不能真正的解决，因为加密的数据一旦被解密，解密者就可以
像处理普通数据那样完全控制数据[2~4]。针对加密技术的这种不足，信息隐藏技术
(Information Hiding) [2]应运而生，并迅速发展成为信息安全领域的研究热点。
密码技术和信息隐藏技术不同之处在于：前者隐藏信息的“内容”，而后者则
隐藏信息的“存在事实”，即将重要消息秘密地隐藏于普通载体文件中，然后通过
某种方式(如互联网)散发出去，这样即使有非法拦截者从网络上拦截下来，也是经
过伪装后的机密资料，这种资料看起来和其他普通资料一样，而不像传统加密过
的文件那样是一堆乱码，因而十分容易欺骗非法拦截者，大大降低了被攻击和破
坏的可能。
信息隐藏技术是近年来逐渐发展起来的一种信息保密技术，它是多个学科交
叉融合的产物，它涵盖了感知科学、密码学、统计概率学、通信、多媒体、电子
信息等专业领域的技术。人眼的色彩感觉和亮度适应性为信息隐藏技术奠定了生
理学基础；认知科学的高速发展为信息隐藏的实现提供了可能的途径；信息论、
密码学、统计学等相关学科又为信息隐藏技术提供了丰富的理论工具；多媒体数
据的压缩、编码和扩频通信技术的发展为信息隐藏提供了必要的技术支持。
信息隐藏技术主要分为两个分支，一个是隐写术(Steganography)，另一个是数
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字水印(Digital Watermarking) [5, 6]。数字水印技术(Digital Watermarking)是将一些标
识信息(即数字水印)嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)中，但又不影响原
载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。
隐写分析技术[7]是相对隐写术而言的，它是隐写术的对立面，对它的研究具有
重要意义。一方面，由于现在的信息隐藏工具门类繁多，而且很容易就能获取和
使用，使得相关部门的秘密资料和重要信息容易被其他人非法获取，隐写分析的
发展可以防止信息隐藏技术的非法应用，这是作为信息安全的一部分。另一方面，
隐写分析作为隐写术的对立面，可以评价隐写术的质量，作为一个检验手段，隐
写分析技术的发展必然促进隐写术的改进和发展。隐写分析技术是对各种通信(尤
其是网络通信)的内容进行检测，其目标是发现其中是否隐藏信息，甚至是提取秘
密信息。隐写分析的基本思想是通过统计载体信息的某些统计特征(如载体的系数
直方图、功率谱信息等)，根据统计特征的变化和失真进行分析，从而判断载体中
是否含有秘密信息，从而实现对秘密信息的分析和检测。
§1.2 国内外研究现状
国际上的第一届信息隐藏研讨会(Information Hiding，IH 大会)于1996 年在英
国的剑桥大学举行，这次会议推动了信息隐藏的理论和技术的研究。从 04 年在加
拿大召开第六届 IH 大会，随后连续每年召开一次信息隐藏研讨会，到目前为止已
经召开了 12 届，2010 年是在加拿大卡尔加里召开的第 12 届信息隐藏研讨会，IH
大会是国际信息隐藏界公认的权威学术会议，每届会议仅录用文章 20 多篇。最近
许多其他的国际会议也都在研究信息隐藏技术，比较专业的有：IWDW(International
Workshop of Digital Watermarking，数字水印国际学术会议)、SPIE(International
Society for Optical Engineering，国际光学工程学会)多媒体安全部分、ICIP(IEEE
International Conference on Image Processing，IEEE 图像处理国际会议)，其研究内
容从空域信息隐藏，逐步转向变换域的信息隐藏；从以隐藏信息为主的研究逐步
转向为数据压缩、数据融合、机器学习等学科的理论和方法相结合的全面的理论
和应用研究。这些专题研讨会的召开极大地促进了各个研究团体在这一领域内的
交流和合作，也吸引了越来越多的人投身于信息隐藏技术的研究。
而国内也于 1999 年12 月召开了全国第一届信息隐藏学术研讨会，全国信息
隐藏研讨会(CIHW)至今已成功举行了九届全国会议(第九届于 2010 年9月在成都
召开)。CIHW 目前已经是国内最具代表性、最高水平的信息隐藏领域学术交流活
动。根据目前获得的资料，在网上可查询到的隐写软件与隐写技术相关的专利有
上百种。目前可查询到的与隐写技术相关的文献更是非常之多，并且逐年递增。
第一章 绪论
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这表明对隐写技术研究的力度、广度和深度逐年加强，应用也在逐步开展中。
信息隐写技术从最初的以实现简单嵌入为目的，发展到自适应信息隐写、大
容量信息隐写、可逆/无损信息隐写、鲁棒/抗攻击信息隐写以及它们的混合技术。
不同的隐写技术，其不同点在于嵌入和提取的策略。以图像为载体的信息隐写主
要在空域的最低有效位(LSB)和变换域的系数中嵌入秘密消息。现时比较流行的典
型空域隐写软件主要包括：Ezstego、S-Tools、Hide&Seek、Steghide、Gifeshuffle、
Gif-It-Up 和Steganos 等。变换域的隐写软件主要有 Jsteg、JP Hide&Seek、F5 和
Outguess 等。
空域信息隐写就是直接对图像像素值进行修改，技术简单容易实现，但是其
鲁棒性也是最差的，被攻击的概率也是非常之大。变换域信息隐写中常用的变换
有DCT、DFT 和DWT 等。基于 DCT 域的隐写是在图像的 DCT 变换系数上进行
更改，简单的是直接替换 DCT 系数的 LSB 位，还有应用扩频技术在 DCT 系数上
的信息隐写，但对 DCT 系数的改变总是会更改图像的一些统计特性，使得隐写分
析者能够检测出秘密信息的存在。为了适应信息安全传输的需要，基于 DWT
(Discrete Wavelet Transform)技术的 JPEG 2000 标准的出现以及 DWT 的日益发展使
得基于 DWT 域的信息隐写的优势逐渐展现出来。
而与隐写技术相对立的隐写分析技术也随之发展起来。基于小波变换域的隐
写分析的主要方法就是在小波域直方图中提取特征来进行分析，Farid 等提出了小
波高阶统计量隐写分析方法，利用小波子带抽取 72 个高阶统计矩作为特征，取得
了一定的效果。Xuan 等分析了直方图空域统计矩和直方图频域统计矩的有效性，
并且进一步利用小波分解，提出 39 维特征用于图像隐写分析，性能明显提高。还
有一些基于此的改进算法的提出，比如把 JPEG 图像的 DCT 系数分解到小波域，
计算出各个子带小波系数的一系列高阶统计特征，反映嵌入信息前后的变化。Su
等人提出的 JPEG2000 Lazy-mode 隐写术的隐写检测算法，关键在于针对掩密图像
和非掩密含噪图像产生的代码块噪声方差序列进行基于 Hilbert 变换的序列分析，
分析中通过对方差序列进行经验模式分解，构建了基于 Hilbert 谱的特征向量。
§1.3 论文的主要工作及结构安排
本论文主要研究图像小波变换域的隐写算法的研究，工作主要围绕以下三个
方面展开：
（1）根据信息隐藏技术与隐写分析技术的基本理论，分析基本的空域信息隐
藏原理和简单的实现，对主流的针对空域信息隐写分析技术进行比较分析，找出
各种方法的优缺点；
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（2）对图像的 DCT 域隐写进行分析，找出 DCT 变换系数的统计分布特性，
思考研究几种常见的 DCT 域的隐写算法和相应的隐写分析技术，并根据 DCT 变
换系数统计特性对现有的隐写方法作出改进，实现针对图像 DCT 域更高效的隐写
术算法；
（3）根据空域和 DCT 域隐写思路，分析和研究基于 DWT 域隐写算法，由此
对DWT 技术在信息隐写与隐写分析上的运用进行研究。将现有的隐写算法思想应
用到第二代小波变换(整型 DWT)上，并对几种方法比较和分析。
基于以上的三个目标，本论文的工作和安排如下：
第一章：绪论部分。介绍了论文的选题背景和国内外研究现状，并指出论文
的主要工作和结构安排。
第二章：信息隐藏技术背景知识和相关理论。对各种信息隐藏技术进行分类
比较，重点阐述了隐写术和隐写分析技术的原理、模型、分类和性能指标。
第三章：空域和 DCT 域图像隐写算法。对空域隐写术、DCT 域隐写术进行分
析研究，分析几种经典的 DCT 域图像的隐写术与隐写分析技术，并比较其优缺点，
提出基于 DCT 域的改进隐写方法。
第四章：小波域图像隐写算法。介绍了小波分析的基本知识和基于小波域的
图像隐写算法的基本描述，并根据最优量化公式，提出基于小波系数量化的隐写
算法，而且根据隐写前后图像灰度直方图和小波系数直方图的差异验证其有效性。
最后根据 DCT 域隐写思路提出小波系数 DCT 变换的隐写算法，并通过实验验证
算法的可行性和鲁棒性。
第五章：基于整型小波变换的隐写算法。介绍了第二代小波变换的基础——
小波提升方案以及基于此的 5/3 小波变换的分解和重构，提出了基于整型小波系数
的LSB 隐写、系数量化的隐写算法以及整型小波系数 DCT 变换的隐写算法，并对
几种算法进行分析比较。
第六章：总结与展望。对本论文工作进行总结，并对以后研究方向进行展望。
第二章 信息隐藏技术背景知识和相关理论
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第二章 信息隐藏技术背景知识和相关理论
信息隐藏技术的核心思想是如何将秘密信息隐藏到可公开的载体中进行传
输，但是又不引起其他人对载体的怀疑，它属于信息安全的范畴。在当今信息高
速发展的社会，保证信息安全通信的信息隐藏技术，变得日益重要。隐写术作为
信息隐藏技术的重要分支也凸显重要。为了更加全面、透彻的理解隐写术，有必
要对信息隐藏技术的基础理论知识进行介绍。
§2.1 概述
§2.1.1 信息隐藏技术的常用术语
由于各地不同的文化差异以及习惯不同，各个文章中的一些专业术语用法可
能不同，本小节将对本文中所用到的信息隐藏技术领域的常用术语进行归纳和总
结，列至如下。
隐写术(steganography) 是指通过一定的嵌入算法将秘密信息嵌入到载体
中，而使得载体在嵌入秘密信息前后在人眼视觉以及简单数学分析下感觉
不出差别，并且能够通过对应的提取算法从嵌入秘密信息的载体中完整的
提取出秘密信息。
载体(cover) 是指秘密信息嵌入的对象。图像是载体时称为载体图像。
秘密信息(embedded data) 是指想要嵌入载体的信息，也是通信要传输的
最主要的对象。
含密载体(stego-object) 是指嵌入秘密信息后的载体。图像是载体时称为载
密图像。
嵌入容量(embedded capacity) 是指载体能够最大隐藏的秘密信息大小。
嵌入率(embedded rate) 是指隐藏的信息占嵌入容量的比率。
隐写分析(steganalysis) 是指检测含密载体中是否含有秘密信息，并通过一
定的分析手段分析出秘密信息容量和内容。
数字水印(digital watermarking) 是指向需要保护版权的数字作品中嵌入能
够代表作品作者的标识信息。
§2.1.2 信息隐藏技术的发展和分类
信息隐藏技术的应用最早可以追溯到公元前440年，古希腊历史学家希罗多德
通过在奴隶头皮上刻字实现秘密通信。历史上还有许多诸如此类的例子，比如说
不可见墨水、藏头诗、格栅码、微粒照片等，这些都属于信息隐藏技术的范畴，
但受当时其他技术水平的限制，信息隐藏技术并没有得到很好的发展。
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Fabien在他的文章中对信息隐藏技术进行了细致的分类[8]，如图2-1所示。
信息隐藏技术
隐蔽信道
隐写术
信息分存
版权标识
基于语义
的隐写术
基于技术
的隐写术
鲁棒的
脆弱的
水印
指纹
可见水印
不可见水印
图2-1 信息隐藏技术的分类
加密技术和信息隐藏技术同属于信息安全的范畴，只是与隐写术的针对性不
同，加密技术的理论基础是密码学，它是对秘密信息(明文)进行各种形式的加密，
变换成看似随机噪声的普通信息或者乱码(密文)，实现对秘密信息的内容的保护，
如图2-2所示。加密技术的最大优点是如果没有解密密钥就不可能得到秘密信息。
但是，这只是保证通信内容上的安全，并不保证通信形式上的安全，反而暴露了
通信的行为，更会引起别人怀疑，就是说它明显的告诉别人这里传输的是机密信
息，虽然经过了加密，但也给攻击者留下了追踪的线索。为了解决这一问题，近
年来信息安全领域提出了一种解决通信安全的新方法——隐写术。隐写术是将某
些秘密信息隐藏于普通载体之中，从而掩盖秘密信息存在的事实。隐写术最大的
特点就是它掩盖了秘密通信的这一行为，不容易引起别人的怀疑。与传统的加密
技术相比，隐写术更注重的是传输信息的隐蔽性，而不是信息内容的安全性。
100100100100
100100100110
011100100011
加密
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@^#*%￥&#！
图2-2 信息加密示意图
在实践应用中，为了使得通信更加安全，完全可以将这两种技术结合使用，
例如可以在传输之前将信息加密成密文，然后再利用隐写术将加密后的秘密信息
嵌入到在普通的载体中，通过普通信道来传送，这样即使被人攻击获取到秘密信
第二章 信息隐藏技术背景知识和相关理论
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息，也是加密后的密文，达到通信的双层安全。加密技术已经发展很长时间，现
在已经有很多成熟的、安全性能很高的算法，比如RSA和Triple DES等。而隐写术
处于刚刚起步阶段，不仅理论知识不够丰富，而且缺乏实践的考验。但是随着对
此研究的学者越来越多，以及各行各业对此需求的增加，必定会出现越来越多经
得起实践考验的安全性很高、容量很大的算法，成为保证通信的安全性的重要组
成部分。
隐写术和数字水印技术，二者是信息隐藏技术的主要分支。数字水印技术和
隐写术都是将一些重要信息隐藏在载体中。数字水印技术和隐写术作为信息隐藏
的最重要的两类应用，有很多相同的地方但也存在着差异：针对目的而言，数字
水印技术是为了证明数字载体的版权信息或者是验证数字作品的完整性；隐写术
则是为了将秘密信息通过公开的通信信道传送给另一方。针对载体和隐体内容而
言，数字水印技术的载体是特定的数字作品，隐体是特定的版权标识信息；隐写
术的载体是普通的多媒体，而隐体则根据通信的需要而不同。针对保护对象而言，
数字水印技术中的载体是需要保护的，隐体只是为了保护载体才存在的，这也是
数字水印的目的；隐写术中，需要传输的秘密信息是需要保护的，载体只是为了
掩护秘密信息的传输才存在的。针对技术侧重点而言，鲁棒数字水印更注重鲁棒
性，要求嵌入的隐体是极难去除的；隐写术则注重隐蔽性，要求秘密信息的传输
隐蔽和安全。针对隐藏时效性而言，数字水印要求隐体是长期存在的；隐写术则
只要求隐体在通信过程中存在即可，基本是一次一隐。针对隐体提取要求而言，
数字水印允许存在一定的误差；隐写术则不允许有任何一点的错误发生，因为隐
体信息大多情况下都是非常重要的信息，一个字词的差别可能会影响整个信息的
完整性。因此，在分析隐写术算法的时候，不能以数字水印的思想去理解，反之
亦然。
本文中重点分析的就是隐写术以及其对立面隐写分析技术，所以对于其他方
面的信息隐藏技术这里不做过多的介绍。而作为隐写嵌入信息的载体主要有文本、
图像、音频和视频等文件，根据统计资料显示，人类获取信息的70%左右都是通过
图像获得的。图像在互联网上的传播具有最大广泛性，所以本文主要是研究图像
为载体的隐写算法。
§2.1.3 信息隐藏技术的主要应用
随着科学技术的高速发展，人们对信息安全的日益重视，信息隐藏技术的应
用领域越来越广泛，主要有以下几个领域：
1. 隐蔽通信。最主要的应用在军事和国防安全部门。军事和国防是一个国家
的安全保障。如何保证军事信息的安全通信，避免敌方获取机密情报是非常
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1论文选题背景和意义当今社会是信息高速发展的时代，网络通信技术和多媒体技术的飞速发展，使得数字多媒体信息(包括图像、音频、视频等)的存储、复制与传播变得更加方便快捷，每天在互联网上传播着大量的多媒体信息，这些信息中有很大的一部分是关于个人、企业和国家的非常重要的私密信息。防止这些私密信息被窃听、纂改和盗用，保证它们安全的传输，是关系到国计民生的一件大事。因此，如何保证私密信息的安全就成为当今信息技术首先要解决的问题。一直以来，人们都是用传统的加密技术(Cryptography)[1]来保证通信安全。它的基本思想是把明文消息变为密文后(即加密)再传输，目的是让第三方无...

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