基于載體修改式信息隱藏技術(shù)研究

趙路華++李紅安

摘 要：介紹基于載體修改式信息隱藏技術(shù)的基本概念、技術(shù)特點(diǎn)和分類方法，給出理論模型，并分析關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)介紹載體修改式信息隱藏技術(shù)中結(jié)構(gòu)法、時(shí)間域法、空間域法和變換域法的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)介紹可逆信息隱藏技術(shù)的概念和方法。對(duì)非載體修改式信息隱藏方法進(jìn)行介紹。通過(guò)分析，指出載體修改式可逆信息隱藏技術(shù)和非載體修改式信息隱藏方法，具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是今后信息隱藏技術(shù)發(fā)展和研究的方向。

關(guān)鍵詞：載體修改式 隱藏技術(shù) 可逆信息隱藏

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（c）-0004-03

Abstract： This paper introduces the basic concept，the technological features，and classification method of information hiding techniques based on carrier，then describes the basic concept and method of reversible data hiding based on carrier， Furthermore， we analyze related application fields of information hiding techniques based on no-carrier. In conclusion， we point out the development direction of information hiding techniques

Key Words： Information hiding； Reversible data hiding； Steganography；Carrier

信息網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全事件層出不窮，如何保護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息安全迫在眉睫，傳統(tǒng)的加密技術(shù)，將信息加密成密文進(jìn)行傳輸，密文是亂碼容易引起攻擊，信息隱藏技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，信息隱藏技術(shù)將信息隱藏在公開(kāi)載體中進(jìn)行傳輸，具有不可感知性，攻擊者不易發(fā)現(xiàn)。信息隱藏技術(shù)自20世紀(jì)90年代誕生，技術(shù)不斷發(fā)展，在隱蔽通信、版權(quán)保護(hù)、盜版追蹤等信息安全領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1-3]。本文主要介紹基于載體修改式信息隱藏技術(shù)的概念、特點(diǎn)和原理，并對(duì)新的可逆信息隱藏技術(shù)和非載體修改式的信息隱藏方法進(jìn)行介紹，最后，對(duì)信息隱藏技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

1 信息隱藏的基本概念

信息隱藏技術(shù)是一種新興的信息安全技術(shù)，它將秘密信息通過(guò)一定的算法嵌入到公開(kāi)載體（如圖像、音頻和視頻等）中，利用人體感覺(jué)器官的感知局限，實(shí)現(xiàn)信息隱藏。

1.1 信息隱藏模型與分類

如圖1所示信息隱藏一般理論模型[4]主要分為兩部分：隱藏過(guò)程和提取過(guò)程。秘密信息指隱藏到原始載體中的信息。根據(jù)隱藏和提取過(guò)程是否需要密鑰分為無(wú)密鑰和有密鑰；按載體類型分為基于文本、圖像、音頻、視頻等多媒體載體信息隱藏；按提取信息過(guò)程是否需要原始載體信息分為盲信息隱藏和非盲信息隱藏[1-2]；按是否進(jìn)行載體修改分為載體修改式和非載體修改式信息隱藏；其中載體修改式信息隱藏技術(shù)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，非載體修改式（載體構(gòu)造式）已有研究[5]。

1.2 信息隱藏技術(shù)特性與要求

信息隱藏技術(shù)必須考慮對(duì)載體進(jìn)行操作后，仍然具有隱蔽性，該技術(shù)具有不可感知性、魯棒性、隱藏容量、安全性、錯(cuò)誤率等特征。

（1）不可感知性。

也稱為不可見(jiàn)性。指信息的嵌入不改變?cè)驾d體的主觀質(zhì)量和統(tǒng)計(jì)規(guī)律，不易被觀察者和監(jiān)視系統(tǒng)覺(jué)察，原始載體與秘密載體具有一致的特性[1]。

（2）魯棒性。

魯棒性指嵌入信息的方法有一定的穩(wěn)定性，并且具有一定的對(duì)非法探測(cè)和非法解密的對(duì)抗能力[1]。抵抗一些常見(jiàn)的信號(hào)處理操作和幾何處理操作的能力。常見(jiàn)的信號(hào)處理操作包括添加噪聲、濾波、重采樣、有損壓縮、平滑、A/D或D/A轉(zhuǎn)換等，常見(jiàn)的幾何處理操作包括旋轉(zhuǎn)、剪巧和縮放等[6]。

（3）隱藏容量。

隱藏容量指秘密信息嵌入載體中后，仍然滿足不可感知性的前提下，載體可以隱藏秘密信息的最大比特?cái)?shù)。

（4）安全性。

安全性指假設(shè)攻擊者知道嵌入和提取算法的基礎(chǔ)上，仍無(wú)法提取或檢測(cè)到秘密信息。

（5）錯(cuò)誤率。

指嵌入秘密信息的檢測(cè)或提取過(guò)程中出錯(cuò)的概率[1]。

1.3 信息隱藏性能評(píng)價(jià)方法[1]

信息隱藏的評(píng)價(jià)方法主要分為兩類：一類是主觀評(píng)價(jià)；另一類是客觀評(píng)價(jià)。

（1）主觀評(píng)價(jià)方法。

主觀評(píng)價(jià)是利用人的主觀感知給出評(píng)判，對(duì)圖像信息隱藏常使用五級(jí)評(píng)分法（見(jiàn)表1）。主觀評(píng)價(jià)具有一定的不確定性，無(wú)法進(jìn)行定量分析。對(duì)音頻信息隱藏按照主觀區(qū)分度和主觀意見(jiàn)打分[7]。

（2）客觀評(píng)價(jià)方法。

客觀評(píng)價(jià)方法使用較多的是均方誤差（Mean Squared Error，MSE）和峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）。以圖像信息隱藏為例，用和分別表示原始圖像和測(cè)試圖像的像素，m和n是圖像的坐標(biāo)，M和N為圖像的維數(shù)。

2 信息隱藏的關(guān)鍵技術(shù)

信息隱藏的主要方法包括結(jié)構(gòu)法、時(shí)間域法、空間域法、變換域法和可逆信息隱藏技術(shù)。

（1）結(jié)構(gòu)法。

利用載體文件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)改變載體某部分結(jié)構(gòu)來(lái)隱藏信息，常用的結(jié)構(gòu)化載體有超文本文件、PDF文件、PE文件等?；诔谋疚募[藏方法主要是通過(guò)網(wǎng)頁(yè)語(yǔ)言的語(yǔ)法特點(diǎn)來(lái)隱藏，如利于修改屬性值字符串的大小寫(xiě)來(lái)隱藏信息，利用標(biāo)記名稱字符的大小寫(xiě)來(lái)隱藏信息、將信息隱藏在元素的class屬性中等[8-9]?；赑DF文件結(jié)構(gòu)信息隱藏主要是利用PDF文件對(duì)象進(jìn)行信息隱藏[10]，利用PDF行末標(biāo)識(shí)符不會(huì)在文檔中顯示的特性，通過(guò)等量替換PDF文檔中具有固定格式的交叉引用表的行末標(biāo)識(shí)符，來(lái)實(shí)現(xiàn)水印信息的間接嵌入[11]；基于PE文件信息隱藏主要是利用PE文件的存儲(chǔ)空間冗余、結(jié)構(gòu)特性和PE文件執(zhí)行特點(diǎn)[12-13]，在不破壞PE文件的基本特性和使用價(jià)值的前提下，將受保護(hù)信息隱藏在載體PE文件中。endprint

結(jié)構(gòu)化文件信息隱藏，由于文件結(jié)構(gòu)比較固定，隱藏位置固定，魯棒性較差和存儲(chǔ)容量有限。

（2）空間域。

空間域信息隱藏是在空間域中直接對(duì)圖像像素的灰度值進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)信息嵌入。Cehk等人提出了一種廣義的最低有效位（G-LSB）方法，Ni等人提出了一種基于圖像灰度直方圖修改的信息隱藏算法，Leest等人又提出了一種改進(jìn)方案，這些方方雖然都不同程度上改進(jìn)了算法的性能，但具有空域法的共性，信息嵌入容量較大，算法相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性差[6]。

（3）變換域法。

變換域信息隱藏是先利用某種數(shù)學(xué)變換方法對(duì)載體圖像進(jìn)行一定的變換，然后對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚韥?lái)實(shí)現(xiàn)信息的嵌入，最后再對(duì)這些變換系數(shù)進(jìn)行逆變換來(lái)得到帶有秘密信息的圖像[6]。目前常用變換方法有離散傅里葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）和離散小波變換（DWT）。

和基于空間域的方法相比，基于變換域的方法魯棒性較強(qiáng)，能夠抵抗一些針對(duì)隱秘圖像的常見(jiàn)處理操作和攻擊，而且由于經(jīng)過(guò)逆變換后嵌入的秘密信息都分散到了整幅圖像上，不可探測(cè)性更好。但是基于變換域的方法也有其缺點(diǎn)，那就是信息嵌入容量相對(duì)較小，而且算法也相對(duì)復(fù)雜。

（4）可逆信息隱藏技術(shù)。

傳統(tǒng)信息隱藏算法常給原始載體帶來(lái)永久性失真，這在一些對(duì)數(shù)據(jù)認(rèn)證要求較高、同時(shí)需要無(wú)失真恢復(fù)出原始載體的應(yīng)用場(chǎng)合是不可接受的，如云環(huán)境中的隱私數(shù)據(jù)保護(hù)、醫(yī)學(xué)圖像處理與司法取證等。為了兼顧信息隱藏與原始載體的無(wú)失真恢復(fù)，可逆信息隱藏被提出，要求在提取隱藏信息后可以無(wú)差錯(cuò)地恢復(fù)出原始載體?？赡嫘畔㈦[藏根據(jù)載體是否加密分為密文域與非密文域兩類[14]。文獻(xiàn)[3]分析了可逆信息隱藏的技術(shù)難點(diǎn)和各類代表性算法，對(duì)密文域可逆信息隱藏技術(shù)進(jìn)行了分類，分析了不同嵌入方式的技術(shù)特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)框架與應(yīng)用上的局限性，并提出該技術(shù)的發(fā)展方向。

3 非載體信息隱藏

傳統(tǒng)信息隱藏算法以修改載體數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行隱蔽通信，并保證感知逼真與統(tǒng)計(jì)逼真。文獻(xiàn)[5]重點(diǎn)分析非載體修改式的新型信息隱藏方法，介紹了適合于特定載體類型的半構(gòu)造式信息隱藏、完全構(gòu)造式信息隱藏及行為信息隱藏的基本形式與代表性方法。

（1）構(gòu)造式信息隱藏，是指在不預(yù)先指定原始載體的情況下，由秘密信息按照一定規(guī)則直接生成含密載體，而含密載體可以不表示真實(shí)的客觀世界，但與正常內(nèi)容相比應(yīng)具有不可區(qū)分性。文獻(xiàn)[5]分析了紋理合成信息隱藏、Marbling信息隱藏、指紋構(gòu)造信息隱藏。

（2）行為信息隱藏即利用人類在物理世界或賽博空間中的行為隱蔽傳輸機(jī)密信息。在數(shù)字時(shí)代，隨著社交網(wǎng)絡(luò)、可穿戴設(shè)備、視頻監(jiān)控等技術(shù)的普及，越來(lái)越多的人類行為被采集、記錄及傳輸，利用人類行為進(jìn)行信息隱藏的條件也日漸成熟，可見(jiàn)行為信息隱藏將有廣闊發(fā)展空間及應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)探討了載體修改式信息隱藏基本概念、關(guān)鍵技術(shù)，載體修改式信息隱藏技術(shù)理論較成熟，很多在實(shí)踐中已經(jīng)起到了重要作用，其中可逆信息隱藏技術(shù)是研究和發(fā)展的重點(diǎn)；介紹了非載體修改方式的新型信息隱藏方法，其中構(gòu)造式信息隱藏、完全構(gòu)造式的信息隱藏及行為信息隱藏，尚不成熟，還有很大研究空間。

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