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
目 录
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
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
2
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。
第一章 绪论
3
隐秘信息检测技术与信息隐藏技术的发展相辅相成。现有的隐写分析技术主
要在两个方向发展：一类是专用型隐写分析，另一类是通用型的隐写分析。两种
方法各有优劣，并且都在不断地发展和完善。目前的隐写分析法大多有很强的针
对性，虽然通用盲检测是隐写分析的理论目标，但由于各种限制，不可能有一种
通用的检测算法对所有隐写术都有效。由于隐写分析技术对个人信息安全、国家
和社会稳定具有的特殊的重要性，所以隐写分析技术会越来越受到重视。
§1.3 论文的主要工作及结构安排
本论文主要研究图像变换域的隐写术与隐写分析技术，工作主要围绕以下 3
个目标：
（1）根据信息隐藏与检测的基本理论和技术，对具有更高安全性和鲁棒性的
图像 DCT 域信息隐藏技术进行分析研究，并对当前几种主流的 JPEG 隐写术与隐
写分析方法进行分析比较，找出它们各自的优缺点；
（2）对 JPEG 图像 DCT 系数的统计分布进行研究，并根据其统计特性对传统
的统计隐写分析方法作出改进，以实现对 JPEG 图像隐写术的更快更有效检测；
（3）对 DWT 技术在信息隐写与隐写分析上的运用进行研究，为下一代
JPEG2000 格式图像的信息隐写术与隐写分析技术研究打下基础。利用整型 DWT
实现信息在图像子带小波系数上的隐写嵌入，并对生成的载密图像进行隐写分析。
基于以上 3个目的，论文的工作和安排如下：
第一章：绪论。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：隐写术与隐写分析技术。对隐写术和隐写分析技术的理论知识进行
了总结，分析了图像空域隐写算法和隐写分析算法，并对图像变换技术进行介绍，
为后续章节的内容做了理论铺垫。
第三章：
JPEG 图像的隐写与隐写分析。对 JPEG 标准进行介绍，分析了 JPEG
图像的隐藏原理，对几种经典的 JPEG 图像隐写与隐写分析算法进行了比较研究。
第四章：针对 Jsteg 隐写术的统计隐写分析。分析了图像 DCT 系数的统计分
布，根据其统计特性提出一种改进的统计隐写分析方法，实现对顺序 Jsteg 隐写和
随机 Jsteg 隐写的快速有效检测。
第五章：基于整型 DWT 的隐写与隐写分析。介绍了小波提升算法和 Le Gall
(5,3)小波，利用(5,3)无损小波变换实现在图像一级子带系数 LSB 位的隐写嵌入，
并利用直方图分析法对载密图像进行分析检测。
第六章：总结与展望。对论文工作进行总结，并对以后研究发展进行展望。
基于图像变换域的隐写分析研究
4
第二章 隐写术与隐写分析技术
隐写术是通过把隐秘消息嵌入到普通载体中实现信息隐藏的目的，而隐写分
析的目的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作用也愈发重要。由于最初的图像空域
隐写术在安全性和鲁棒性等方面表现较差，因此，现在对隐写术的研究已经从空
域转移到了变换域，相应的隐写分析技术也随之发生转变。
§2.1 信息隐写技术
§2.1.1 隐写术的发展历史
信息隐藏技术是一门古老的科学，它的核心思想就是如何利用载体更好的隐
藏要传递的信息。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
实现了隐秘通信，这是目前记载的最早关于信息隐藏技术的实例。历史上还有很
多关于隐秘通信的例子，例如不可见墨水、藏头诗、微粒照片、格栅码等，从广
义上讲这些都属于信息隐藏技术的范畴，但受当时技术水平限制，信息隐藏技术
并没有得到很好发展。
信息隐藏技术又是一门年轻的科学，又称为信息隐写术，英语术语为
“Steganography”
[7]，它源于德国密码学家特里特米乌斯的一本讲述密码学与隐写
技术的著作《Steganographia》。现代隐写技术的研究始于1983年，隐写系统作为一
种不可视通信模型首次被Simmons用“囚犯模型”[8]来描述，此后，现代信息隐写
领域大门被打开，隐写术迅速成为信息安全领域的研究热点。
多媒体技术、网络通信技术和信息安全技术的快速发展和成熟是现代信息隐
写术发展的平台，信息安全问题的凸显是隐写术发展的时代要求。数字时代隐写
术进行信息隐藏的载体主要是文本、图像、音频和视频等数字媒体文件，它主要
利用人的感知冗余和载体的数据冗余，将隐秘消息通过某种方式隐藏在载体中进
行传递，以掩盖真正的通信目的和通信事实，实现隐秘通信。
§2.1.2 隐写术的数学模型和基本理论
我们首先分析 Simmons 提出的 “囚犯模型”。关押在不同牢房中的囚犯 A和
B策划共同越狱，他们之间唯一的通信方式是信件，但所有来往信件都可能被看守
W抽查。如果 W发现信件中存在任何可疑的内容，A和B之间的通信就可能被终
止，越狱计划也就宣告失败。为躲避 W的检测，A可以利用隐写技术将隐秘信息
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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