第四章信息隐藏模型
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1、信息隐藏原理及应用信息隐藏原理及应用第第4 4章章 信息隐藏模型信息隐藏模型 本章目标本章目标在读完本章之后，你应该能够：在读完本章之后，你应该能够：理解隐写术基本模型理解隐写术基本模型; ;了解隐写术的安全模型了解隐写术的安全模型; ;理解隐写术模型所占有的理论意义理解隐写术模型所占有的理论意义; ;理解数字水印模型理解数字水印模型; ;理解感知模型。理解感知模型。4.1 隐写术模型分析 信息隐藏模型的研究是信息隐藏基本理信息隐藏模型的研究是信息隐藏基本理论基本原理研究的基础，在本章中针对信息隐论基本原理研究的基础，在本章中针对信息隐藏的两个重要应用隐写术与数字水印，我们分藏的两个重要应用隐
2、写术与数字水印，我们分析相关的模型以及模型的评价及相关分析。从析相关的模型以及模型的评价及相关分析。从广义上讲，模型分为两类，一类是从通信角度广义上讲，模型分为两类，一类是从通信角度来分析的通信模型，另一类是从空间角度分析来分析的通信模型，另一类是从空间角度分析算法。算法。 隐写术主要是将秘密信息隐藏，然后以隐写术主要是将秘密信息隐藏，然后以隐蔽通信的方式不让未授权第三方知觉，所以隐蔽通信的方式不让未授权第三方知觉，所以我们首先从通信的角度来分析隐写术模型，然我们首先从通信的角度来分析隐写术模型，然后从几何的空间角度来分析数字水印模型。后从几何的空间角度来分析数字水印模型。4.1.1 Simm
3、ons模型分析n在隐写术的相关文献中，普遍采用Simmons提出的模型和模型的变种，隐写术的理论模型是研究隐写术的基础。隐写术早期的研究是将秘密信息直接加到载体信息中，将载体数据看作噪声，若解码者知道噪声，则提取时用伪装载体数据减去噪声即得秘密信息。目前，隐写术是一种隐蔽通信模型。对隐写术系统的模型理论、检测理论和容量理论都需要进一步研究，这就形成了隐写术的理论研究。在隐藏容量研究方面，通信模型为： ，Xn 为隐藏的信息， Sn 为载体，Zn 为攻击噪声，可以得出隐藏容量，P是X的平均能量，N是Z平均能量。n在1983年，Simmons针对隐蔽通信提出了第一个隐写术的场景描述：囚犯问题。假定A
4、lice和Bob是分别处在不同牢房中的囚犯，为了合谋一次越狱行动，相互间需要秘密通信，而他们的每一次通信都必须经过看守人Wendy的监督。Wendy可以阅读所有囚犯的信件，并决定是否传送或不传送这些信件，同时还可以对信件进行修改，但并不改变信件的内容。为了使通信不被怀疑，Alice和Bob不能采用常用的密码通信技术，因为一封经过加密且的语义混乱的密信虽然可能不会泄露计划，但已经足以作为两个犯人图谋不轨的证据。因此，Alice和Bob不仅要保证密信不可破解，而且要隐藏秘密通信的事实。囚犯问题如图4.1所示。ZnSnXnYn)/1log(2/1NPC 图4.1 囚犯问题n这就是典型的隐写术问题的图
5、例。n这个模型强调的是如何保证隐蔽通信的实现，并没有提出实现隐写术的原理，所以实际上，这个模型是隐蔽通信的模型。我们在第5章中将研究隐蔽通信。n通常称需要隐藏的信息为秘密信息，而公开的已嵌入秘密信息的称为伪装载体，隐写的过程一般由隐写密钥来控制，通过嵌入算法将秘密隐写术于公开信息中，而伪装载体则通过信道传递，通信对方用检测器或利用密钥从伪装载体中恢复/检测出秘密信息。秘密信息可以是版权信息或秘密数据或者序列号等；而公开信息则称为载体信息如视频、音频片段。这种隐写术过程一般由密钥（key）来控制，即通过嵌入算法（embedding algorithm）将秘密隐写术于公开信息中，而隐蔽载体（隐藏有
6、秘密信息的公开信息)则通过信道（communication channel）传递，然后检测器（detector）利用密钥从隐蔽载体中恢复/检测出秘密信息。从上面分析可知，隐写术技术主要由两部分组成:信息嵌入算法，它利用密钥来实现秘密信息的隐藏。隐蔽信息检测/提取算法（检测器），它利用密钥从隐蔽载体中检测/恢复出秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载体中得到或删除，甚至发现秘密信息。4.1.2 通信系统模型分析在本小节中，重点从信息论的观点，揭示信息隐藏内在的性质，应用信息论描在本小节中，重点从信息论的观点，揭示信息隐藏内在的性质，应用信息论描述信息隐藏的嵌入，提取和检测模型，从而为研
7、究信息隐藏的容量分析，极限述信息隐藏的嵌入，提取和检测模型，从而为研究信息隐藏的容量分析，极限隐藏，以及指导设计隐藏算法提供坚实的基础，建立其信息论观点的理论模型，隐藏，以及指导设计隐藏算法提供坚实的基础，建立其信息论观点的理论模型，先分析通信基本通信模型，然后提出隐写术通信模型，从而使隐写术的安全达先分析通信基本通信模型，然后提出隐写术通信模型，从而使隐写术的安全达到一个新的理论高度。到一个新的理论高度。下面首先介绍通信系统模型。下面首先介绍通信系统模型。图图4-24-2给出了一个传统通信系统的基本结构。给出了一个传统通信系统的基本结构。M M是准备发送的信息，信道编码器是准备发送的信息，信
8、道编码器对信息对信息M M进行编码，准备发送，它将所有可能的信息映射为码字，后者从可以进行编码，准备发送，它将所有可能的信息映射为码字，后者从可以在信道中传输的符号所组成的集合中选择得到。码字序列通常标记为在信道中传输的符号所组成的集合中选择得到。码字序列通常标记为X X。标准。标准的通信模型如图的通信模型如图4-24-2所示。所示。图图4.2 4.2 通信系统的标准模型通信系统的标准模型为了进一步保证传输信息的安全，可以将传输的密码技术加入，基本通信系统为了进一步保证传输信息的安全，可以将传输的密码技术加入，基本通信系统图变基于密钥的信道编码的通信信道基本模型，模型如图图变基于密钥的信道编码
9、的通信信道基本模型，模型如图4.34.3所示。所示。 图4.3 基于密钥的信道编码的通信信道模型n而在隐写术中的通信中也应考虑像Wendy这样的主动攻击的存在，所以基本的隐写术模型如图4.4所示：E图图4.4 4.4 基本的隐写术理论模型基本的隐写术理论模型上图中所讨论的系统都符合上图中所讨论的系统都符合KerchhoffsKerchhoffs准则，即加密函数、解密函数以及隐藏准则，即加密函数、解密函数以及隐藏信息嵌入函数信息嵌入函数 和提取函数和提取函数 是公开的。是公开的。e14.1.4 基于通信的水印模型nCox(95)在其著作中给出了基于通信的基本模型，认为嵌入编码器到检测编码器之间的
