基于图像变换域的隐写分析研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.55MB 73 页 15积分

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摘要

隐写术是通过把隐秘消息嵌入到普通载体对象中，以实现隐藏信息的目的，

而隐写分析的目的就是实现对含有隐秘信息的载密对象的检测。在当今信息时代，

信息安全问题日益凸显，隐写术和隐写分析技术的意义也越来越重要。随着图像、

音频和视频等数字媒体的网络应用日益广泛，以多媒体文件为载体的信息隐藏技

术受到研究者关注，尤其是针对图像的隐写术和隐写分析技术。由于最初的图像

空域隐写术的安全性和鲁棒性较差，现在对隐写术的研究已经从图像空域转移到

了变换域。

根据隐写术与隐写分析技术的发展现状和趋势，本论文主要研究图像变换域

的隐写分析技术，主要完成的工作如下：

1、系统介绍了隐写术和隐写分析技术的基本概念和相关理论，通过对图像位

平面的分割，分析总结了图像空域的隐写与隐写分析算法，重点分析比较了 JPEG

图像的几种经典隐写术和隐写分析技术，并指出了其各自的优缺点。

2、分析了 Jsteg 隐写术给图像 DCT 系数直方图统计特征带来的影响，并利用

传统的卡方统计分析实现了对顺序 Jsteg 隐写术的检测。之后，根据图像 DCT 系

数的统计分布特性，提出了一种改进的卡方统计隐写分析算法，通过实验分析，

证明了该检测算法对顺序 Jsteg 隐写算法和随机 Jsteg 隐写算法均有效，并能较准

确地估计隐秘信息的长度。

3、对小波提升算法和 Le Gall (5, 3)小波进行了理论分析，在利用(5, 3)小波对

图像进行整型小波分解和重构的过程中，根据传统的 LSB 隐写算法思想在图像子

带DWT 系数中实现了信息嵌入，之后用小波系数直方图分析法实现了对这种隐写

方法的有效检测。

关键词：隐写术隐写分析 Jsteg 统计特征 (5,3)小波

ABSTRACT

Steganography aims to hide the existence of secret messages by embedding them

into ordinary cover objects, while steganalysis aims to detect stego objects containing

hidden messages. Today, in digital era, as information security becoming increasingly

prominent, steganography and steganalysis have more important significance. With the

wide range of network applications of digital media such as text, image, audio, and

video, information hiding techniques of digital media attract lots of attention, and in

particular, digital images have been mostly researched for steganography and

steganalysis. As the poor security and robustness of initial image steganography spatial

domian, related studies have shifted to the transform domain from the space domain.

According to development status and trends, the paper focus on the steganalysis

technique in transform domain of image, and the major work done is as follow:

1. The basic concepts and related theories of steganography and steganalysis are

systematically introduced. By segmenting image bit planes, we analyze and summarize

the spatial image steganography and steganalysis algorithm. We focuses on analysis and

comparison of several kinds of the JPEG image steganography and steganalysis, and

pointe out their advantages and shortcomings.

2. Analyze the impacts which the Jsteg steganography produces to the statistical

characteristics of histogram of image DCT coefficients, and use the traditional

chi-square statistical analysis to achieve the right detection of sequential Jsteg

steganography. Then, based on the statistical distribution of the DCT coefficients of

original images, we propose an improved chi-square statistical steganalysis algorithm.

Through the experimental analysis, it is proved that this analysis algorithm is effective

against both sequential Jsteg and random Jsteg steganographic algorithms, and it can

accurately estimate the length of secret message embedded.

3. The wavelet lifting algorithm and Le Gall (5,3) wavelet are analyzed

theoretically. In the process of using (5, 3) wavelet to invertible wavelet transform and

reconstruct image, according to the traditional LSB seganography algorithm, we

manage to embed the secret information to DWT coefficients of the image sub-bands.

Then, by analyzing the wavelet coefficients histogram of the images after embedding

massages, this new steganographic method is detected effectively.

Key words: Steganography, Steganlysis, Jsteg, Statistical, (5, 3) wavelet

摘要

ABSTRACT

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

§1.1 论文选题背景和意义.......................................................................................1

§1.2 国内外研究现状...............................................................................................2

§1.3 论文的主要工作及结构安排...........................................................................3

第二章隐写术与隐写分析技术 .................................................................................... 4

§2.1 信息隐写技术...................................................................................................4

§2.1.1 隐写术的发展历史.................................................................................4

§2.1.2 隐写术的数学模型和基本理论.............................................................4

§2.1.3 隐写术的性能指标及分类.....................................................................5

§2.1.4 隐写术的应用.........................................................................................7

§2.2 隐写分析技术...................................................................................................7

§2.2.1 隐写分析的基本原理.............................................................................7

§2.2.2 隐写分析技术的评估标准.....................................................................8

§2.2.3 隐写分析技术的分类.............................................................................8

§2.2.4 隐写分析技术的意义和发展趋势.........................................................9

§2.3 图像空域 LSB 隐写术与隐写分析技术 ......................................................... 9

§2.3.1 空域图像的位平面分析.........................................................................9

§2.3.2 图像空域 LSB 隐写术 ......................................................................... 12

§2.3.3 空域的隐写分析技术...........................................................................13

§2.4 图像变换技术.................................................................................................15

§2.4.1 离散傅里叶变换...................................................................................15

§2.4.2 离散余弦变换.......................................................................................17

§2.4.3 离散小波变换.......................................................................................19

§2.5 本章小结.........................................................................................................23

第三章 JPEG 图像的隐写与隐写分析....................................................................... 24

§3.1 基于 DCT 变换的 JPEG 压缩标准 ............................................................... 24

§3.2 JPEG 图像的信息隐藏与检测原理 ............................................................... 26

§3.3 经典的 JPEG 图像的隐写术 ......................................................................... 28

§3.3.1 Jsteg 隐写算法 .......................................................................................28

§3.3.2 Outguess 隐写算法.............................................................................................29

§3.3.3 F5 隐写算法 .......................................................................................... 30

§3.3.4 MB 隐写算法 ........................................................................................ 31

§3.4 JPEG 图像的隐写分析算法 ........................................................................... 32

§3.4.1 针对 F5 的隐写分析算法 .................................................................... 32

§3.4.2 基于 JPEG 兼容性的隐写分析 ........................................................... 34

§3.4.3 基于小波特征函数统计矩的隐写分析法的思想...............................35

§3.5 本章小结.........................................................................................................36

第四章针对 Jsteg 隐写术的统计隐写分析 ................................................................37

§4.1 基于图像统计特性的隐写分析原理..............................................................37

§4.2 Jsteg 隐写术的卡方统计隐写分析 .................................................................37

§4.2.1 卡方统计隐写分析算法原理...............................................................37

§4.2.2 实验结果分析.......................................................................................40

§4.3 改进的卡方统计隐写分析方法......................................................................43

§4.3.1 JPEG 图像量化 DCT 系数的统计特性 ............................................... 43

§4.3.2 改进的卡方统计隐写分析算法思想...................................................45

§4.3.3 实验结果分析.......................................................................................47

§4.4 结论.................................................................................................................50

第五章基于整型 DWT 的隐写与隐写分析 ...............................................................51

§5.1 整型小波变换与及(5,3)小波..........................................................................51

§5.1.1 小波提升算法.......................................................................................51

§5.1.2 Le Gall (5,3)整数小波变换 ...................................................................52

§5.2 基于(5,3)小波系数的信息隐藏.....................................................................53

§5.2.1 整型小波子带分析...............................................................................53

§5.2.2 基于子带小波系数的顺序 LSB 隐写术 ............................................. 55

§5.3 基于直方图的隐写分析.................................................................................57

§5.3.1 小波子带系数直方图分析...................................................................57

§5.3.2 实验结果分析.......................................................................................58

§5.4 本章小结.........................................................................................................63

第六章结论与展望 ...................................................................................................... 64

§6.1 结论.................................................................................................................64

§6.2 展望.................................................................................................................64

参考文献 .........................................................................................................................66

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 70

致谢 .............................................................................................................................71

第一章绪论

§1.1 论文选题背景和意义

21 世纪是信息时代，网络通信技术和多媒体技术使信息的获取与交流变得更

加方便快捷，但同时也让信息安全面临更多威胁和挑战。每天在互联网上流动的

海量数据信息中有相当一部分是关于个人、企业和国家的私密信息，这些信息随

时都有可能被窃取、盗用和破坏，因此，如何保证私密信息的安全就成为信息技

术首先要解决的问题。

保证通信安全的传统方法是加密技术(Cryptography)[1]，它的基本思想是对消

息进行加密后再传输，目标是让第三方无法破译密文。但是密文的传输利用公共

信道，通信过程容易被发现和受到干扰，并且攻击者可以对密文进行攻击和破坏，

甚至破译。针对加密技术的不足，信息隐藏技术(Information Hiding) [2]应运而生，

并迅速成为信息安全领域的研究热点。信息隐藏是多个学科交叉融合的产物，它

涵盖了密码学、感知科学、统计学、计算机、数字通信、多媒体、电子信息等专

业技术。信息隐藏技术包括两个分支，一个分支为隐写术(Steganograpy)[3]，另一分

支是数字水印(Digital Watermarking)[4]。隐写术的目的主要是实现隐秘通信，而数

字水印则源于对数字媒体作品的版权保护。

现代的数字隐写术从 20 世纪 90 年代开始逐渐受到研究者的关注，虽然起步

较晚，但发展迅速，许多学者和团体纷纷开展相关研究，新的隐写理论和算法不

断涌现。现在，互联网上有进行信息隐藏技术交流的论坛，有成熟的隐写软件下

载，即使普通人也可以利用隐写术进行隐密通信。任何技术都是一把双刃剑，隐

写术一方面为信息安全提供了强有力的保障，但另一方面也给不法分子和敌对势

力从事违法活动提供了手段和工具。例如：美国在一些互联网上的图片中发现了

恐怖组织隐藏的隐秘信息；一些反动网站煽动国内的分裂分子使用隐写工具进行

通信，以躲避国家信息安全部门的监管；计算机病毒的泛滥等等。在这种情况下，

各国对隐秘信息的监控和检测就变得十分必要，隐写分析技术也就应运而生。

隐写分析技术[5]是隐写术的对立面，它是对网络通信的内容进行检测，目标是

发现其中隐藏的信息，甚至实现对隐秘信息的提取和攻击。隐写分析的思想是通

过发现隐写嵌入给载体带来的特征改变和失真来实现对隐秘信息的分析和检测。

相对于隐写术，隐写分析是个被动过程，因此它的实现具有更高的复杂度，发展

也具有滞后性。隐写分析和隐写术是一对孪生姐妹，是矛盾统一体，既相互对立，

又相互促进，成熟的隐写分析技术是衡量隐写算法可靠性与安全性的基准。同时，

基于图像变换域的隐写分析研究

隐写分析技术在保护个人信息安全、防范违法活动、维护国家和社会稳定方面具

有重要的现实意义。

隐写术所使用的数字载体有文本、图像、音频和视频，因数字图像在获取、

传输和处理上的优势，成为目前隐写术使用的主要载体。根据工作域的不同，隐

写术可分为空域隐写术和变换域隐写术。空域隐写实现简单，隐写容量大，但安

全性差，容易检测和受到攻击，而变换域隐写相对来说具有很高的安全性和鲁棒

性。当前，基于 DCT 的JPEG 压缩标准是主流标准，JPEG 图像也是隐写运用最多

的载体，所以针对 DCT 域的隐写和隐写分析是当前研究的重点。DWT 技术应用

日益广泛，并且基于 DWT 的JPEG2000 是新一代的图像压缩标准，也是下一代的

主流图像格式，因此针对 DWT 域隐写和隐写分析的研究也具有重要的意义。

§1.2 国内外研究现状

Simmon 在1983 年利用“囚犯模型”开启了对现代信息隐藏技术的研究。90

年代初，信息隐藏技术迅速成为研究热点，为促进研究和交流，1996 年在英国剑

桥召开的第 1届国际信息隐藏大会（Information Hiding:1th International Workshop）

[6]对信息隐藏的术语和分支进行了规范和统一。之后，信息隐藏大会基本上每年召

开一次，2009 年6月在德国的达姆施塔特召开的已经是第 11 届。同时，国际上很

多学术会议和权威期刊都设置了信息隐藏相关的专题，相关的信息隐藏软件、发

明专利和专业文献的数量每年都在以几何级数增长。这表明信息隐藏技术在横向

和纵向上的研究都在加强，技术日趋成熟，应用领域也更加广泛。

国内关于信息隐藏技术的研究起步稍晚，但得到了广泛重视，并取得了快速

发展。截止到2009年3月，全国信息隐藏学术研讨会已经举办了8届，国家“863”

计划、“973”项目和国家自然科学基金项目都对信息隐藏技术的研究也提供了大

力支持。从目前发展来看，国内在信息隐藏相关领域的研究也达到了世界先进水

平，但就研究成果和实际应用方面，与研究较早的发达国家相比还存在很大差距。

由于信息技术的快速发展和研究者的重视，信息隐藏技术已经从最初的简单

嵌入发展到具有不可感知性、鲁棒性、自适应性、大容量的混合技术；研究内容

从传统的空域信息隐藏逐步转向变换域的信息隐藏；隐藏载体也由简单的文本和

图像发展到具有更高复杂度的压缩图像、视频、音频等多媒体数字文件；研究重

点从数字水印逐步发展到与数据融合、数据压缩、神经网络等学科知识相结合的

全面理论和应用研究；隐藏手段从单纯的信息嵌入发展到与密码学、隐秘信道等

技术相结合的、具有高安全性的隐秘通信；应用领域也从最初的隐秘通信发展到

版权保护、身份认证、数据防伪等多方位多领域的应用。

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摘要：

摘要隐写术是通过把隐秘消息嵌入到普通载体对象中，以实现隐藏信息的目的，而隐写分析的目的就是实现对含有隐秘信息的载密对象的检测。在当今信息时代，信息安全问题日益凸显，隐写术和隐写分析技术的意义也越来越重要。随着图像、音频和视频等数字媒体的网络应用日益广泛，以多媒体文件为载体的信息隐藏技术受到研究者关注，尤其是针对图像的隐写术和隐写分析技术。由于最初的图像空域隐写术的安全性和鲁棒性较差，现在对隐写术的研究已经从图像空域转移到了变换域。根据隐写术与隐写分析技术的发展现状和趋势，本论文主要研究图像变换域的隐写分析技术，主要完成的工作如下：1、系统介绍了隐写术和隐写分析技术的基本概念和相关理论，通过对图...

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