信息隐藏与数字水印技术
—背景、算法及相关理论
王昭顺 北京科技大学信息工程学院
信息隐藏问题描述
• 囚犯问题
–两个囚犯A和B被关押在监狱的不同牢房，他们想通 过一种隐蔽的方式交换信息，但是交换信息必须要通 过看守的检查。因此，他们要想办法在不引起看守者 怀疑的情况下，在看似正常的信息中，传递他们之间 的秘密信息
密信息
• 信息隐藏（Information Hiding）
利用人类感知系统以及计算机处理系统的 冗余
载体可以是任何一种多媒体数据，如音频、 视频、图像、甚至文本、数据等
被隐藏的信息也可以是任何形式（全部作 为比特流）
必要性
• 信息隐藏
– 加密：对秘密信息本身进行保护，但信息的传递过 程是暴露的
128 127 127 … 121 124 124 … …… 86 85 87 …
利用以
信息隐藏的思想
– 数字信号处理理论（图像信号处理、音频信 号处理、视频信号处理等）
– 人类感知理论（视觉理论、听觉理论）
– 现代通信技术
– 密码技术
等为代表的伪装式信息隐藏方法来研究信息的保 密和安全问题
• 隐藏者
能力将载体对象和伪装对象区别开来 • 对伪装对象的正常处理，不应破坏隐藏
的信息
信息隐藏的攻击
• 被动攻击
–监视和破译隐藏的秘密信息
• 主动攻击
–破坏隐藏的秘密信息 –篡改秘密信息
• 非恶意修改
–压缩编码，信号处理技术，格式转换，等等
信息隐藏的健壮性
• 伪装载体受到某种攻击后，仍然能够从 中提取出隐藏信息，称为算法对这种攻 击是健壮的
– 隐藏：掩盖秘密信息存在的事实
• 将密码学与信息隐藏相结合，就可以同时保证 信息本身的安全和信息传递过程的安全
• 数字水印
– 数字产品的无失真复制的特点，造成版权保护和管 理方面的漏洞
技术上的可行性
• 利用人类感知系统的冗余
– 视觉 – 听觉
• 利用计算机处理系统的冗余
– 图像 视频 – 音频
• 利用各种潜信道
尽可能多地将信息隐藏在公开消息之中
尽可能不让对手发现任何破绽
• 攻击者
尽可能地发现和破坏对手利用信息隐藏技术隐藏在公开消息 中的机密信息
信息隐藏与信息安全
• 信息隐藏（伪装）就是将秘密信息秘密地隐藏 于另一非机或一般 的文档等等；
• 看守者
–被动看守者：只是检查传递的信息有没有可疑的地方 –主动看守者：故意去修改一些可能隐藏有信息的地方，
或者假装自己是其中的一个囚犯，隐藏进伪造的消息， 传递给另一个囚犯
信息隐藏问题
0 1 1… 1 0 0… …… 0 1 1…
128 127 126 … 120 123 124 … …… 85 85 86 …
信息隐藏的应用
• 军事和情报部门
–军事通信中通常使用诸如扩展频谱调制或流星 散射传输的技术使得信号很难被敌方检测到或 破坏掉
–伪装式隐蔽通信正是可以达到不被敌方检测和 破坏的目的
• 需要匿名的场合
–包括很多合法的行为，如公平的在线选举、个 人隐私的安全传递、保护在线自由发言、使用 电子现金等
• 密码仅仅隐藏了信息的内容，而信息伪装不但 隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在；
• 传统的以密码学为核心技术的信息安全和伪装 式信息安全技术不是互相矛盾、互相竞争的技 术，而是互补的；
内容
• 信息伪装技术研究的内容包括信息隐藏和信 息的版权认证，信息访问的合法身份认定等。 其研究涉及密码学，图象处理，模式识别， 数学和计算机科学等领域。
母上（下）面挖非常小的孔 • 17世纪的无形墨水：在特定的字母上制
作非常小的斑点 • 19世纪的微缩胶片
• 化学方式实现的高级隐写术
– 用笔蘸淀粉水写在白纸上，喷上碘水后显示棕 色字体
• 艺术作品中隐写术
– 变形夸张的绘画作品 – 二次大战女钢琴家的慰问演出
• 藏头诗
藏头诗
我闻西方大力士，为人了却凡心。 秋来明月照蓬门，香满禅房幽径。 屈指灵山会后，居然紫竹成林。 童男童女拜观音，仆仆何嫌荣顿？
• 隐藏容量、安全性、健壮性相互制约
LSB数字水印和健壮性问题
Watermark (50 x 20 pixels)
Watermarked Image
Recovered Watermark
LSB的健壮性很差
Recovered Watermark
Recovered Watermark
after addition of 1% Gaussian Noise after JPEG Compression with Quality 95
我画蓝江水悠悠，爱晚厅上枫叶愁。 秋月溶溶照佛寺，香烟袅袅绕经楼。
离合诗（Acrostic）
七律•问缘 我常夜半询姻命， 与月为邻爱晚星。 秋槿含情风后落， 香獐有意谷间鸣。 天街雨过涤新树， 长路云收现旧亭。 地老皆缘蕃草木， 久愁比翼痛风铃。
施耐庵《水浒传》第61回 吴用诱使卢俊义将离合诗
卢花潭上有扁舟， 俊杰黄昏独自游。 义到尽头原有命， 反弓逃难必无忧。
题于墙上，使卢俊义遭官府 迫害逼上梁山
信息隐藏的原理框图
载体信 息源
A 秘密消息m
载体对象c
伪装对象c’
信息嵌入 算法
不安全信 道
信息提取 算法
Ｂ 秘密消息m
密钥k
信息隐藏的原理框图
实现信息隐藏的基本要求
• 载体对象是正常的，不会引起怀疑 • 伪装对象与载体对象无法区分，无论从
感观上，还是从计算机的分析上 • 信息隐藏的安全性取决于第三方有没有
• 特性：
1）隐蔽性; 2）安全性; 3）对称性; 4）可纠错性。
• 信息隐藏的应用
– 信息隐藏
伪装式隐蔽通信
– 数字水印 – 数字版权管理DRM
数字产品的版权保护
• 信息伪装技术（广义信息隐藏）
– 为防止数据泄漏，在某种载体中嵌入数据 – 古代的隐写术（Steganography）：隐蔽机
信息隐藏技术的分类
信息伪装
隐秘信道
伪装术
匿名通信
版权标识
基于语义的伪装术 基于技术的伪装术 稳健的版权标识 脆弱的数字水印
水印
指纹
不可见水印 可见水印
信息隐藏的历史
• 公元前440年出现用头发掩盖信息的方法 • 将信函隐藏在信使的鞋底、衣服的皱褶，
妇女的头饰、首饰中 • 在信函中改变字母笔画的高度，或在字