关于图像信息隐藏技术的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.72MB 57 页 15积分

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摘要

随着计算机技术和网络信息技术的不断发展，人们从网络上获取信息也越来

越方便。但是，在人们享受这些便利的同时，网络信息的安全传输问题也暴露了

出来。传统的通信系统中，人们对传输信息的保护往往求助于密码学，密码学主

要是将信息编码为不可理解的密文，即乱码来保护信息，但是，密文的不可理解

性同时也暴露了传输信息的重要性，这更吸引了攻击者的注意，从而使攻击者采

取各种手段破坏通信的进行。信息隐藏技术是上世纪九十年代兴起的一门新的学

科，是信息安全领域另外一种通信保密技术。当前，信息隐藏技术已成为了当前

信息安全领域的研究热点。

信息隐藏技术主要是利用人体感觉器官的不敏感性和数字信号本身存在的冗

余性，采用一定的编码技术和加密技术，将秘密信息嵌入到具有冗余信息的公开

载体信息中，其主要目的不在于限制资料的存取，而在于隐藏信息的存在性甚至

隐藏通信本身。

信息隐藏技术研究的重点主要是隐藏的不可感知性、鲁棒性和隐藏容量，三

者互相冲突，不能同时达到最优。本文通过对三者的分析，做了以下工作：

（1）系统的研究了图像信息隐藏技术的基本概念、原理、应用等，分析常用

的时空域和 DCT 域信息隐藏算法，并对其性能进行了分析比较；

（2）通过对常用的 DCT 域图像信息隐藏算法的分析，了解到，DCT 域信息

隐藏具有较高的鲁棒性和不可感知性，但是信息隐藏容量较低，基于此提出了一

种改进的 DCT 域信息隐藏算法，在不明显降低其他两个性能的情况下，提高了信

息隐藏容量；

（3）根据时空域和 DCT于信息隐藏算法的原理和人类视觉系统的掩蔽特性，

提出了一种空频域相结合的大容量图像信息隐藏算法，在时空域采用图像像素高

权位信息对低权位信息的掩蔽特性，在 DCT域引入 Watson基于 DCT的视觉模型，

根据人类视觉系统的对比度掩蔽特性，亮度掩蔽特性，纹理掩蔽特性，计算时空

域和频率域的信息隐藏容量，将信息隐藏在容量较大的那个域中。通过 MATLAB

仿真，对算法的不可感知性和隐藏容量进行了分析，结果表明，算法具有较好的

不可感知性和信息隐藏容量。

关键词：图像信息隐藏 LSB 算法时空域 DCT 不可感知性信息隐藏

容量人类视觉系统掩蔽特性

ABSTRACT

Currently, with the continuous development of computer technology and network

information technology, People can easily get information from the network. However,

some problem exposed, People need to consider the problem of secure transmission of

information. In traditional communication systems, People often turn to cryptography to

protect the information. Cryptography encoded the information as incomprehensible

ciphertext. However, the incomprehensible nature of the ciphertext also exposed the

importance of secret information, which also attracted the attention of the attacker,

making an attacker to carry out various means to compromise the transformation.

Information hiding technique is a new discipline rise in the 1990s of last century, It is

another communication security technology of the field of information security. At

present, the information hiding technology has become a hot research field of

information security.

Information hiding technology make use of the insensitivity of human sensory

organs and the redundancy of digital signal, adopt certain coding technology and

encryption methods, embed secret information to the public carrier such as digital image,

its main purpose is not to limit access to the information, but the existence of the hidden

information or even hide the communication itself.

The research focus of information hiding technology is mainly about hidden

imperceptibility, robustness and hiding capacity, the three contradict each other and

cannot achieve optimal at the same time. In this paper, the main work is as follows:

(1) At the front section, this paper analyzed and discussed the basic concepts,

principles, applications of information hiding technology, Analyzed commonly used in

time-space domain and DCT domain information hiding algorithm and expounded their

performance.

(2) Based on the analysis of DCT domain of image information hiding algorithm,

we known that the DCT domain information hiding algorithm has high robustness and

imperceptibility but low capacity. Based on this feature, this paper presents an improved

DCT domain information hiding algorithm, this algorithm improve the capacity of

information hiding without lower the performance of Imperceptibility.

(3) According to the principle of the time-space domain and the DCT domain of

information hiding algorithm and the masking characteristics of the human visual

system, this paper presents a space-frequency combining image information hiding

algorithm with high capacity. This algorithm make use of the masking characteristics of

the image pixels high power in the time-space domain and calculate the hiding capacity

of the airspace, at the same time, introduced the Watson DCT-based visual model in the

DCT domain, According to the contrast masking, the brightness masking, texture

masking characteristics of the human visual system, calculate the hiding capacity of

frequency-domain, and embed the secret information in the domain with larger hiding

capacity. Adopt the MATLAB simulation, analyzed the imperceptibility and hiding

capacity of the algorithm. The experiment results show that the algorithm has good

imperceptibility and hiding capacity.

Key Words：Image Information Hiding, LSB algorithm, Time-space

domain, DCT, Imperceptibility, Human visual system, Masking

Characteristics

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................. 1

§1.1 课题研究背景和意义 ...................................................................................... 1

§1.2 信息隐藏技术发展概况 .................................................................................. 2

§1.3 论文的组织结构 .............................................................................................. 3

第二章图像信息隐藏相关技术 ................................................................................. 5

§2.1 图像载体的基本知识 ...................................................................................... 5

§2.1.1 图像的基本类型 .................................................................................... 5

§2.1.2 图像的存储方式 .................................................................................... 6

§2.1.3 图像的颜色模型 .................................................................................... 6

§2.2 信息隐藏技术的基本知识 .............................................................................. 7

§2.2.1 信息隐藏技术的分支 ............................................................................ 7

§2.2.2 信息隐藏系统模型及术语 .................................................................... 8

§2.2.3 信息隐藏系统的特点 ............................................................................ 9

§2.2.4 信息隐藏的关键技术 .......................................................................... 10

§2.2.5 信息隐藏技术的应用 ...........................................................................11

§2.3 人类视觉系统 ................................................................................................ 12

§2.4 本章小结 ........................................................................................................ 13

第三章时空域图像信息隐藏 ................................................................................... 14

§3.1 图像信息伪装技术 ........................................................................................ 14

§3.1.1 直接 4bit 替换法 .................................................................................. 14

§3.1.2 对直接 4bit 替换法的改进 .................................................................. 15

§3.2 常用的时空域信息隐藏算法 ........................................................................ 17

§3.2.1 传统的最低有效位信息隐藏算法（LSB） ....................................... 17

§3.2.2 基于预测误差的图像信息隐藏算法 .................................................. 20

§3.2.3 基于多位平面的图像信息隐藏算法 .................................................. 25

§3.3 本章小结 ........................................................................................................ 26

第四章变换域图像信息隐藏 ................................................................................... 27

§4.1 离散余弦变换（DCT） ................................................................................ 27

§4.1.1 DCT 原理 .............................................................................................. 27

§4.1.2 JPEG 压缩算法的 DCT 编码 ............................................................... 28

§4.2 DCT 域信息隐藏的基本算法 ........................................................................ 30

§4.2.1 算法描述 .............................................................................................. 30

§4.2.2 试验结果及分析 .................................................................................. 31

§4.3 改进的 DCT 域信息隐藏算法 ...................................................................... 33

§4.3.1 算法描述 .............................................................................................. 33

§4.3.2 试验结果及分析 .................................................................................. 34

§4.4 本章小结 ........................................................................................................ 36

第五章基于人类视觉系统的空频域相结合的大容量图像信息隐藏算法 ........... 37

§5.1 算法原理 ........................................................................................................ 37

§5.1.1 频域信息隐藏容量计算及信息嵌入原理 .......................................... 37

§5.1.2 时空域容量计算及嵌入原理 ............................................................... 40

§5.2 算法描述 ........................................................................................................ 42

§5.2.1 算法流程图 .......................................................................................... 42

§5.2.2 秘密信息嵌入过程 .............................................................................. 43

§5.2.3 秘密信息提取过程 .............................................................................. 44

§5.3 试验结果及分析 ............................................................................................ 45

§5.4 本章小结 ........................................................................................................ 47

第六章总结与展望 ................................................................................................... 48

§6.1 论文相关工作总结 ........................................................................................ 48

§6.2 展望 ................................................................................................................ 48

参考文献 ........................................................................................................................ 50

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 53

致谢 .............................................................................................................................. 54

第一章绪论

§1.1 课题研究背景和意义

当前，计算机网络技术和多媒体信息处理技术不断发展，各种信息在网络上

的传输也越来越方便，人们可以很方便的通过 Internet 传输和获取任何自己想要的

信息。但是，Internet 在给人们带来这些便利的同时，另一个问题也突出的暴露了

出来——信息在网络上的安全传输问题：信息拥有者的合法权益被侵犯，计算机

病毒的恶意传播，信息系统被非法入侵等。因此，如何保证信息在传播过程中以

下特性成为信息安全领域主要的工作[4]：（ 1）完整性，即信息未经授权不能被改变

的特性，保证数据的一致性，防止数据在通信信道传输过程中被非法用户修改和

破坏；（2）保密性，保证信息不被未经授权者访问，即保证秘密信息不被泄漏给

非法用户；（3）可用性，即信息可被已授权访问者访问，并且可按照要求使用授

权的特性，即保证信息能被合法用户正确使用的特性；（4）不可抵赖性，即所有

信息的使用者都不可能否认或抵赖曾经对信息的使用和操作，如信息的传输者不

能否认对信息的发送操作，信息的接收者也不能否认对信息的接收操作；（5）可

控性，即对信息的传播以及信息的内容具有控制能力的特性，即能够对网络信息

实施安全监控。

传统的信息安全处理机制是信息加密技术[1]，即通信双方按照约定的规则对信

息进行特殊变换[2]，将需要传输的信息变换为不可理解的密文，只有拥有正确密钥

的通信双方才能正确提取秘密信息。当前，通用的信息加密算法包括 RSA，DES

等，这些算法通常是基于大数的因式分解，破译难度较大，即使遭到窃取，得到

的也只是一堆无用的乱码。但是，随着计算机处理速度的不断提高，采用穷举方

法破译加密数据的时间也会越来越短，传统的密码安全体系遭遇到了严峻的挑战，

1997 年，美国的 RSA 数据公司采用穷举的密钥攻击方法成功的分析出了 DES 密

码[3]。另外，加密之后的乱码信息在网络上传播时，更明确的告诉了拦截者此段信

息含有秘密信息，这更引起了拦截者的注意，即使无法破解，也能成功的拦截秘

密信息，甚至干扰和破坏通信的正常进行。密码技术的局限性促进了信息安全研

究领域的另一分支——信息隐藏技术的产生和发展。

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摘要随着计算机技术和网络信息技术的不断发展，人们从网络上获取信息也越来越方便。但是，在人们享受这些便利的同时，网络信息的安全传输问题也暴露了出来。传统的通信系统中，人们对传输信息的保护往往求助于密码学，密码学主要是将信息编码为不可理解的密文，即乱码来保护信息，但是，密文的不可理解性同时也暴露了传输信息的重要性，这更吸引了攻击者的注意，从而使攻击者采取各种手段破坏通信的进行。信息隐藏技术是上世纪九十年代兴起的一门新的学科，是信息安全领域另外一种通信保密技术。当前，信息隐藏技术已成为了当前信息安全领域的研究热点。信息隐藏技术主要是利用人体感觉器官的不敏感性和数字信号本身存在的冗余性，采用一定的编码...

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