编码密钥
解码密钥
基于密钥的信道编码的通信信道模型
通信系统模型分析
� 基本的隐写术模型如下图所示： � 下图中所讨论的系统都符合Kerchhoffs准则，即加密函数、 解密函数以及隐藏信息嵌入函数和提取函数是公开的。
基本的隐写术理论模型
纯隐写、密钥隐写和公钥隐写
� 纯隐写的文字定义为：“a steganographic system that does not require the exchange of a cipher such as a stego-key.”也 就是说，一个不需要交换隐写密钥的隐写系统。 � 这种类型的隐写安全性最低。因为只要第三方知道嵌入 算法，就可以提取出相应的秘密信息。
纯隐写、密钥隐写和公钥隐写
密钥和公钥隐写原理图
纯隐写、密钥隐写和公钥隐写
� 公钥隐写采用公钥加密。公钥隐写定义为“a steganographic system that uses a public key and a private key to secure the communication between the parties wanting to communicate secretly”。也就是说，隐写系统需要使用公钥和私钥来确保 双方间通信的隐蔽性。 � 发送方在嵌入处理过程中将使用公钥进行，而只有在拥有 了私钥的接收方才能解密并提取秘密信息。公钥和私钥是 同时生成的，在数学上有直接的联系。
Simmons模型分析
� 在1983年，Simmons针对隐蔽通信提出了第一个隐写术 的场景描述。囚犯问题下图所示。
� 囚犯问题。假定 Alice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。
纯隐写系统原理图
纯隐写、密钥隐写和公钥隐写
� 密钥隐写系统文字定义为：“a steganographic system that requires the exchange of a secret key (stego-key) prior to communication”。也就是说在双方进行秘密通信前， 需要双方隐写系统交换密钥。 � 密钥隐写使用密钥将秘密消息嵌入到载体信息中，只 有知道密钥的人才能执行相反的过程，在载体中提取 秘密消息。密钥隐写需要交换密钥，这就可能引起第 三方的截获或怀疑。而密钥隐写的优势在于即使隐写 消息被截获，只有知道密钥的用户才能提取秘密信息。
纯隐写、密钥隐写和公钥隐写
� 密钥隐写系统的数学定义是一个五元组定义(密钥隐写 系统)：
� 对一个五元组∑=<C，M，K，DK，EK>，C是所有随机选择的 载体的集合， M是所有可能嵌入的秘密信息的集合， K是所有 可选择的密钥的集合，且满足|C|≥|M|，f是嵌入函数， f-1是 提取函数；对 m∈M，c∈C和k∈K，恒有D(E(c m))=m，则 称该五元组为密钥隐写系统。 � 密钥隐写系统的原理如下图所示：
文本、音频、图像的隐写
� 根据听觉掩蔽特性，也就是说声音的响度不仅取决于自 身的强度和频率，而且也与同时出现的其他声音有关。 各种声音可以互相掩蔽，一种声音的出现可能使得另一 种声音难于听清。一种频率的声音阻碍听觉系统感受另 一种频率的声音的现象称为掩蔽效应。前者称为掩蔽声 音(masking tone)，后者称为被掩蔽声音(masked tone)。 Flanagan等人则是根据人对音强敏感度不同，将秘密信 息加载在到较高强度的不同比特中。
文本、音频、图像的隐写
� 在Internet网上，每个站点几乎都有音频媒介。秘密信息 可以嵌入这类媒体。最流行使用的媒体的格式是.wav 和.mp3。下面是将密钥嵌入到.wav和.mp3音频文件的示 例，分别如下图(a)和（b）所示。
(a).wav文件嵌入密钥前后的文件图
文本、音频、图像的隐写
(b).mp3文件和嵌入密钥前后的文件
文本、音频、图像的隐写
� 上述介绍的三种方法都需要源文件或者源文件的格式才 能在接收方进行解码。因为基于文本的隐写很容易被觉 察，所以文本中的隐藏目前使用受到限制。
文本、音频、图像的隐写
� 下面介绍比较常见的图像为载体的隐写。 � 将秘密信息编码嵌入到数字图像中是目前使用最广泛 的一种隐写。因为它利用人类视觉（Human Visual System，HVS）有限性的特性，就是说对数字图像的某 些区域，人类视觉不敏感，并且图像中发生微小变 化，人眼看不到改变等。绝大多数的文本、图像或密 文及其他任何形式的媒体都可以生成比特流嵌入到数 字图像中。随着数字图像广泛的使用，载体为数字图 像的隐写也在持续增长。以图像为载体的隐写系统如 下图所示。
信息隐藏的主要术语
� 被保护信息（cover data）：数字水印技术中的伪装载体虽然也作 为掩护水印信息，但它主要目标是保护水印信息。 � 水印密钥（watermarking key）：控制水印嵌入隐藏过程的密钥。 水印密钥空间需足够大，而且分布比较均匀，即使第三方知道了 水印嵌入算法的全部细节，但不知道秘密密钥，就不能将水印提 出或破坏。水印体制的商业应用，其算法必须公开。所以数字水 印算法的安全性完全取决于密钥，而不是以算法的保密来取得安 全性。为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作 方案都在加入、提取、检测时采用了一个或多个密钥，做到只有 掌握密钥的人才能读出、提取水印。 � 含水印信息（watermarked data）：被水印标注了的数据。
信息隐藏主要分支
信息隐藏主要分支
信息隐藏分类
� 隐写结构分类
� 纯隐写术、密钥隐写术、公钥隐写术
� 隐写空间
� 空域隐写、变换域隐写
� 隐写载体
� 文本隐写、图像隐写、音频隐写、视频隐写、二进制隐写
隐写模型分析
� 我们首先从通信的角度来分析隐写术模型。 � 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。
本、音频、图像的隐写
图像为载体的隐写系统
文本、音频、图像的隐写
� 音频中的隐写是根据人类听觉系统（Human Auditory System，HAS）来进行的，因为众所周知，对相同频率 的音频信号，人与人之间的敏感度有很大差异，所以在 隐写术中对音频进行编码是具有挑战性的一项工作。 � 听觉系统中存在一个听觉阈值电平，低于这个电平的声 音信号就听不到，听觉域值的大小随声音频率的改变而 改变，各个人的听觉域值也不同。大多数人的听觉系统 对2kHz～5kHz之间的声音最敏感。一个人是否能听到 声音取决于声音的频率，以及声音的强度是否大于该频 率对应的听觉阈值。因为人类听觉系统是一个动态的范 围。
文本、音频、图像的隐写
� 行移编码法（line-shift encoding）：调整文本文件中的垂直行距 来隐藏信息。具体的是选择特定的段落，将其行距作垂直的上或 下调整，根据人类视觉的特点，行距值必须在3cm以下才能不被 察觉。 � 字移编码法（word-shift encoding）：它的使用方式与行距调整方 式相同，在此使用文件中的水平方向位置来嵌入秘密信息。具体 的是选择单个字进行左右调整，然后嵌入秘密信息，字距调整法 的隐蔽性比行距调整法强，但它需要文本的格式支持变化的字间 距。 � 特征编码法（feature specific encoding）：它是通过改变特定文本 的属性来嵌入秘密信息的编码，如每个字符水平/垂直的长度。 这是最难被第三方察觉的编码，因为对每种类型格式的文件都有 许多特征可以改变用于为秘密消息编码，但使用时要注意字体等 特性的修改文件内容是否改变等。
文本、音频、图像的隐写
� Boney等人根据人类听觉系统的这一特性，将秘密信息 隐藏到强度较弱的频率中，也就是说，某段声音频率的 强度之上，人能听到，这一强度之下，人就不能听到这 段声音，那么，就可以将相应的时间轴上的信号转换到 频率轴上，计算出各频率的强度，然后将秘密信息嵌入 到比这些频率强度低的各频率中去。
信息隐藏的主要术语
� 秘密信息（embedded data）：欲嵌入的信息。秘密信息是指掩藏 在公开信息中的保密信息，也即发信者真正想要发送给收信者而 又不想让未授权第三方知道的信息。 � 载体（cover）：是指秘密信息嵌入的对象，也就是用于容纳秘密 信息的载体。 � 伪装载体（stego-object）将秘密信息嵌入到载体之后形成的目标载 体，称为伪装载体。也就是说，此时秘密信息已经隐藏在载体之 中。 � 伪装密钥（stego-Key）：无论使用私钥或者公钥体制，都可以使 用密钥对嵌入的秘密信息进行加密处理来多层保护欲隐藏的信息。
信息隐藏技术
第3章 信息隐藏基本原理
计算机与通信工程学院 张冬艳
信息隐藏的基本原理
� 目前，隐写术的基本原理可以概括为：
� 首先，对欲嵌入的秘密信息进行预处理，预处理包括加密、编 码然后生成伪随机数。 � 其次，将预处理后的秘密信息根据相应的嵌入算法嵌入到载体 中，载体可以包括文本、图像、语音和视频等多种格式的多媒 体。 � 然后，在通信中可以使用隐蔽信道进行通信。 � 最后在提取中根据相应的提取算法和密钥提取秘密消息，这 样，就可以达到三层安全。