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1、目 录第一章 引言1第二章 信息隐藏技术概述12.1信息隐藏技术的基本概念12.2信息隐藏技术的研究现状22.3信息隐藏的基本原理和模型32.3.1信息隐藏的基本原理32.3.2信息隐藏的一般模型32.4信息隐藏技术的分类42.5信息隐藏技术的应用62.5.1保密通信62.5.2所有权认定和版权保护62.5.3商务活动中的票据防伪62.5.4数据完整性保护72.5.5隐含标注72.6信息隐藏技术特点7第三章 数字图像信息隐藏技术83.1图像和数字图像83.1.1图像及其分类93.1.2数字图像及表示93.1.3常见图像格式简介103.2图像质量的评价113.2.1主观质量评价123.2.2客观
2、质量评价123.3 图像信息隐藏技术算法介绍133.3.1空域算法133.3.2 Patchwork算法143.3.3频域算法143.3.4压缩域算法143.3.5NEC算法143.3.6生理模型算法153.4图像信息隐藏技术的性能指标153.5数字图像信息隐藏的几个概念16第四章 基于LSB的数字图像隐藏算法164.1BMP文件结构分析164.1.1文件的标头174.1.2BMP信息标头174.1.3图像数据184.2 LSB信息隐藏算法194.2.1传统LSB信息隐藏算法194.2.2改进的LSB信息隐藏算法214.2.3实验结果及分析22第五章 置乱技术的信息隐藏算法245.1图像置乱方
3、法介绍245.1.1交换模板形状的图像置乱算法245.1.2 图像的幻方变换245.1.3 图像的Hash置乱255.2 约瑟夫环图像置乱算法255.2.1约瑟夫环遍历问题255.2.2约瑟夫环图像置乱265.3约瑟夫环图像置乱算法在信息隐藏中的应用275.3.1离散余弦变换275.3.2约瑟夫环图像置乱算法和离散余弦变换进行信息隐藏285.3.3 实验结果及分析31第六章 结束语32致 谢32参考文献32图像信息隐藏算法研究第一章 引言随着数字媒体和Internet应用的不断普及，各种网络多媒体信息服务的开展日益广泛。这些服务在丰富信息社会生活并给人们带来方便的同同时，也给信息拥有者的合法权
4、益造成了潜在的威胁。其带来的问题可能严重地阻碍信息产业，特别是信息服务业的发展。数字媒体产品的版权保护已成为迫切需要解决的问题1。信息隐藏方法可望在技术上为数字信息及其所有这的权益提供有效的保护工具。另一方面涉密信息在传输和存储中的安全则是许多政府部门、企业和个人十分关心的问题。党政机关和军事部门的涉密文件和资料、工业上正在研究的新产品造型、尖端科学技术研究数据与图像、新兴的电子商务在网上交换的信息，如何保证它们在网络和其他信道上传输的安全，在通信网络越来越发达的今天，显得无比重要。信息加密与信息隐藏是数字信息安全的两种技术。经典的以密码学为基础的信息加密技术是以往主要的信息安全手段，今后在很
5、多应用场合仍将发挥重要的作用。但传统的加密系统存在如下问题：保护机密信息容易遭攻击，保护媒体产品是在数据传输过程中虽有保护作用，然而数据一旦被截取并解密，其保护作用也随之消失，因此只能满足有限的要求。信息加密和信息隐藏都是为了保护信息的使用和秘密信息的传输和安全，当二者之间在保护手段上存在明显的区别。信息加密是利用密钥把信息变换成密文,通过公开信道送到接收者手中。保护信息的使用时，没有密钥的非法用户无法进行解密，从而无法正确地使用信息。换言之，信息加密通过密钥控制信息的使用权。而信息隐藏则不同，它作为信息加密的补充办法，主要目的并不是限制对信息的访问，而是确保宿主信息中的信息隐藏的秘密信息不被
6、改变或消除，从而在必要时提供有效的证明信息。第二章 信息隐藏技术概述2.1信息隐藏的基本概念1996年5月，在第一次信息隐藏国际学术研讨会上，为了使有着不同背景的信息隐藏研究个人和团体能够走到一起，大会规定了信息隐藏的定义及其应用中的一些共同术语。信息隐藏是指把特定的信息隐藏到数字化宿主信息中的方法2。在信息隐藏中通常把希望被秘密保存的信息称为嵌入对象。把用于隐蔽嵌入对象的非保密载体称为掩体对象。嵌入对象通过嵌入过程被隐藏在被称为掩体对象的非保密消息中，从而生成隐藏对象。掩体对象可以是掩体文本，掩体图像，掩体音频等，对应的隐藏对象也可以是隐藏文本，隐藏图像，或者是隐藏音频等。将嵌入对象添加到掩
7、体对象中得到隐藏对象的过程被称为信息的嵌入。嵌入过程中使用的算法称为嵌入算法。信息嵌入的逆过程，从隐藏对象中重新获得嵌入对象的过程称为信息的提取，在提取过程中所使用的算法称为提取算法，执行嵌入过程和提取过程的组织或个人分别被称为嵌入者和提取者，在嵌入和提取过程中通常会使用一个秘密消息来对其进行控制，使得只有它的持有者才能对其进行操作，这个秘密消息被称为隐藏密钥。隐藏密钥在嵌入过程中被称为嵌入密钥，在提取过程中被称为提取密钥。通常情况下。嵌入密钥和提取密钥是相同的，这样的信息隐藏技术被称为对称信息隐藏技术；相反的，嵌入密钥和提取密钥不相同的，被称为非对称信息隐藏技术。与密码术类似，信息隐藏的研究
8、分为隐藏技术和隐藏分析技术这两部分。隐藏技术研究的主要内容是寻求向掩体对象中秘密添加嵌入信息的方法，而隐藏分析技术研究的主要内容是考虑如何从隐藏对象中破解出嵌入信息，或者通过对隐藏对象的处理达到破坏嵌入信息或阻止信息检测的且的,隐藏技术的研究者称为隐藏者，将隐藏分析技术的研究者称为隐藏分析者。2.2信息隐藏技术的研究现状在现实生活中,人们对于信息的保密性往往是求助于密码术,而计算机技术的发展使得密码破译能力越来越强,这迫使人们对加密算法的强度提出越来越高的要求。由于密码术是利用随机性来对抗密码攻击的,而密文的随机性同时也暴露了消息的重要性,即使密码的强度足以使得攻击者无法破解出明文,但攻击者有
9、足够的手段对其进行破坏,从而使得消息无法被接收。对于某些应用来说,仅仅对信息的内容加以保密是不够的,信息隐藏是一种对信息的存在本身或信息的存在位置进行保密的保密方式。信息隐藏应用的广泛性已经引起了国内外信息隐藏研究的热潮。在有关密码学和信息安全的国际会议和刊物上也经常可以见到相关的论文和报告。1996年在英国剑桥召开了信息隐藏领域的第一次学术研讨会,这标志者信息隐藏作为一个新的科学学科的诞生。1998年和1999年在美国的波特兰和德国的德雷斯顿分别召开了第二届和第三届信息隐藏国际研讨会。第四届信息隐藏国际研讨会2001年4月在美国的匹兹堡举行。第五届和第六届信息隐藏国际研讨会分别在荷兰和加拿大
10、举行。此外,一些信息安全,密码学和信息处理领域的国际会议上也都有关于信息隐藏技术的专题或文章。这些专题研讨会的召开，极大的促进了各研究团体在这一领域内的交流与合作,也吸引了越来越多的人投身信息隐藏技术的研究3。国内在信息隐藏方面的研究起步稍晚,但也引起了信息安全领域研究人员的普遍关注,并于1999年12月召开了第一届信息隐藏学术研讨会,会议决定研讨会每年召开一次,以促进国内信息隐藏技术的研究工作。第二届信息隐藏学术研讨会2000年6月在北京召开,会议发表了论文集。第三届信息隐藏学术研讨会2005年9月在西安举行，第五届信息隐藏学术研讨会于2009年11月在广州举行。信息隐藏是近年来引起众多研究
11、团体和个人普遍关注的一个交叉性的研究领域。它的研究范围和应用范围都非常广泛,国内外的研究人员已经组织了一些信息隐藏研究的学术研讨会和邮件列表,这些都促进了信息隐藏领域研究的进一步开展。2.3信息隐藏的基本原理和模型2.3.1信息隐藏的基本原理信息隐藏的可能性来源于多媒体的数据冗余。从听觉、视觉和信号处理的角度，信息隐藏可以视为在强背景下叠加一个弱信号。由于人的听觉系统（HVS）受到一定的限制，只能叠加弱信号低于HAS/HVS的对比门限，就无法感觉到信号的存在。对比度门限受HAS/HVS的特性和宿主信号的时间空间和频率特性的影响。因此，通过对原始图像/语音/视频做有限制的改变，就可能在不改变听觉
12、/视觉效果的情况下嵌入一些信息。如图2.1为信息隐藏的基本原理框图。对于一定尺寸和频率特性的宿主信号，在满足不可知的前提下，允许隐藏的信号总功率是一定的。隐藏信号宿主信号特征分析和视觉滤波器的作用在于引入听觉系统的特征，以合理地分配隐藏信号分量地局部能量从而尽可能提高稳健性和信息隐藏容量地性能。2.3.2信息隐藏的一般模型信息隐藏模型包括信息隐藏和信息提取两个过程，其中嵌入过程是指信息隐藏者利用嵌入算法，将秘密信息添加到载体信息中，从而生成隐蔽载体这一过程。隐蔽载体在传输过程中可能被隐藏分析者截获并进行处理4。提取过程是指利用提取算法从接收到的、可能经过修改的隐蔽载体中恢复秘密信息，提取过程中
13、可能需要载体信息，也可能不需要。掩密信息信号嵌入宿主信号信号合成听视觉滤波器宿主信号特征分析信息隐藏听觉特征图2.1信息隐藏的基本原理该模型中没有包括对秘密信息的预处理和提取后的后处理，在有些情况下，为了提高保密性需要预先对秘密信息进行预处理（例如加密），相应地在提取过程后要对得到的信息进行后处理（例如解密），恢复出秘密信息，如图2.2所示：密钥生成器提取过程嵌入密钥K隐藏对象提取密钥嵌入对象嵌入过程嵌入对象M掩体对象 隐藏分析者图2.2 信息隐藏的一般模型2.4信息隐藏技术的分类依据不同的标准，信息隐藏可以分为以下几类：1.按照载体类型分类包括基于文档、音频、图像和视频的信息隐藏。由于图像数
14、据更适宜于信息的隐藏，因而大多数信息隐藏是以数字图像为载体的。2.按照保护对象分类主要分为隐秘术和数字水印。（1）隐秘术的目的是在不引起任何怀疑的情况下秘密传送信息，因此它主要要求是不被检测到和大容量等。例如在利用数字图像实现秘密信息隐藏时，就是在合成器中利用人的视觉冗余把待隐藏的消息加密后嵌入到数字图像中，使人无法从图像的外观上发现有什么变化。（2）数字水印是指潜在数字产品中的数字信号，可以是图像、文字、符号、数字等一切可以作为标识和标记的信息，其目的是进行版权保护、所有权证明、指纹和完整性保护等，因此它的要求是鲁棒性和不可感知性。（3）数据隐藏和数据嵌入：数据隐藏和数据嵌入通常用在不同的上
15、下文环境中，它们一般是指隐写术，或者介于隐写术和水印之间的应用。（4）指纹和标签：这是指水印的特定用途，有关数字产品的创作者和购买者的信息作为水印嵌入。3.按照嵌入域分类主要分为空域方法和变换域方法5。空域方法是用待隐藏的信息替换载体对象中冗余部分。一种简单的替换方法就是利用隐藏信息为替换载体图像中的一些最不重要为（Least Significant Bit，LSB），只有指导隐藏信息嵌入的位置才能提取信息。瘦换域方法是将待隐藏的信息嵌入到载体的一个变换空间中。与空域方法相比较，由于在变换域中嵌入的信号能量被分布到空域的所有或部分像素上，因而变换域方法更加不易被人察觉，对各种攻击的鲁棒性更强。
16、4.按提取要求分类若在提取隐藏信息时不需要利用原始载体，则称为盲隐藏；否则称为非盲隐藏。显然使用原始的载体数据更能便于检测和提取信息。但是在数据监控和跟踪等场合，并不能获得原始的载。对于其它的一些应用，如视频水印，即使可获得原始载体，但由于数据量巨大，要使用原始载体也是不现实的。目前，信息隐藏技术主要采用的是盲隐藏技术。5.按密钥分类若嵌入和提取采用相同的密钥，则称其为对称隐藏算法。否则称为公钥信息隐藏算法。除此之外，按照信息隐藏的主要应用、特点及要求，把信息隐藏技术分为四类，即数字水印、信息伪装、潜信道和叠像术，如图2.3所示。 信息隐藏数字水印潜信道叠象术信息伪装易损水印稳健水印语义伪装技
17、术伪装可见水印不可感知的水印图2.3隐藏的技术分类2.5信息隐藏技术的应用对于信息隐藏广泛的研究领域，信息隐藏已经在人类生活的许多方面得到了广泛的应用，并且这些应用中已有相当一部分由来已久。随着多媒体技术的飞速发展和互联网的迅速普及，信息隐藏在政府、军事情报部门、银行系统、商业系统等诸多领域发挥着重要作用，广泛应用于保密通信、所有权认定和版权保护、多媒体数据认证和数据完整性保护、隐含标注等多方面。2.5.1保密通信在Internet上传输一些秘密数据要防止非授权用户截取并使用，这是网络安全的一个重要内容。随着经济的全球化通信保密不仅涉及到军队和情报部门还涉及到商业、金融和个人隐私等。我们可以运
18、用信息隐藏技术对那些涉及国家安全的军用卫星图片、军用设施图纸、电子商务的敏感信息、重要文件的数字签名以及个人隐私等秘密信息进行保密，确保这些信息在互联网上被安全、快捷地传递与使用2。另外，还可以对一些不愿意为别人所知的内容使用信息隐藏的方法进行隐蔽存储。使得只有掌握识别软件的人才能读出这些内容。2.5.2所有权认定和版权保护多媒体信息的所有权认定和版权保护是数字水印提出的初衷。应用数字水印技术有可能做到：辨识多媒体所有权信息。对于多媒体创作者可以在媒体传播前嵌入水印。例如，把水印技术实现在数字照相机中，可以使照片上带有摄像师的信息。在必要时，可以对可疑的、有争议的媒体进行测试，证实该媒体的所有
19、权归属。多媒体产品的数字指纹。对于产品的生产者，可以在产品流通前嵌入“数字指纹”信息，从而实现对产品的传播进行跟踪；采用公钥信息隐藏技术，合法用户可以确认媒体的合法来源。非法拷贝防护。在媒体的录/放设备的设计中应用图像水印技术，当录放设备工作时，检测媒体上是否有水印存在，以确定该媒体是否被录/放，从而拒绝非法拷贝媒体的流行和使用。同样的原理也可以用于广播、电视、计算机网络在线媒体服务器中的听、看、访问权限的控制。2.5.3商务活动中的票据防伪票据防伪是在彩色打印机、复印机输出的每幅图像中嵌入唯一的、不可见的数字水印。当需要时，可以通过实时地扫描票据来判断水印的有无辨别票据的真伪。此外，各种电子
20、票据也需要一些非密码的认证方式，数字水印技术为各种电子票据提供不可见的认证标志，增加电子票据的伪造难度。2.5.4数据完整性保护如何抵抗对图像、声音、文档等数字信息的篡改攻击，并验证资料的完整性是信息安全领域中的一项重要工作。信息隐藏技术通过在数字媒体中嵌入脆弱水印的方法来保护媒体，一旦资料被篡改，水印就被破坏，这样可以很容易验证和识别资料的完整性。2.5.5隐含标注隐含标注是在多媒体信号中隐藏附加信息，这将可能具有如下应用：在计算机网络的浏览器中应用水印技术，可以实现智能浏览器，应用于网上信息搜索和多媒体信息服务中。多语言电影系统和电影分级。利用信息隐藏技术可以把电影中的多语言配音和字幕嵌入
21、到视频图像中携带，在保护视觉质量不受影响的情况下节省了声音的传输信道。与此类似，把电影分级信息嵌入到图像中，可以实现画面放映的控制，从而实现电影的分级播放。应用远程教育，则可以实现分级权限播放。数字媒体附加描述和参考信息的携带。例如可以把感兴趣的图像特征的位置和识别信息直接嵌入到图像中，实现特征的定位和识别6。到目前为止，尽管可以列出以上的应用，但总体上信息隐藏技术的应用仍然处于初始阶段，有待进一步的研究。我们有理由相信，在不远的将来可以看到更多采用信息隐藏技术的应用领域。2.6信息隐藏技术特点信息隐藏技术必须考虑正常的信息操作所造成的威胁，即要是秘密是秘密资料对正常的数据操作技术具有免疫能力
22、。这中免疫能力的关键是要是隐藏信息部分不易被正常的数据操作所破坏。根据信息隐藏的目的和技术要求，该技术存在如下特性:1.透明性透明性也叫隐蔽性。这是信息伪装的基本要求。利用人类视觉系统或人类听觉系统的属性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法认为地看见或听见。2.鲁棒性鲁棒性指不因图像文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。这里所谓“改动”包括传输过程中的信道噪声、滤波操作、重采样、有损编码压缩、D/A或A/D转换等。3.不可检测性不可检测性指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。如果有一致的统计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐藏信息。4.安全性安全性指
23、隐藏算法有较强的抗攻击能力，即它必须能够承受一定程度的人为攻击，两使隐藏的信息不会被破坏。隐藏的信息内容应该是安全的，应经过某种加密后再隐藏，同时隐藏的具体位置也应该是安全的，至少不会因为格式的变换而遭到破坏。5.自恢复性由于经过一些操作或变换后，可能会使原图产生较大的破坏，如果只留下的片段数据仍能恢复隐藏信号，而且恢复过程中不需要宿主信号，则就是所谓的自恢复性。6.对称性通常信息的隐藏和提取具有对称性，包括编码、加密方式、以减少存取的难度。7.可纠错性为了保证隐藏信息的完整性，使其在经过各种操作和变换后仍能很好地恢复，通常采用纠错编码的方法。8.嵌入强度载体信息中应能隐藏尽量多的信息，如果理
24、想地假设隐藏后载体信息不会受到任何扰动，那么人们可在载体信息中隐藏任意多的各种不同的信息而不被察觉。当然，在保证不可感知的条件下，隐藏的信息越多，鲁棒性就越差。因此，在具体的隐藏系统中通常都会涉及到不可感知性、鲁棒性和嵌入强度三者之间的折中。第三章 数字图像信息隐藏技术图像的信息隐藏技术是信息隐藏研究中的一个重要分支，它具有信息隐藏技术所拥有的共性，同时又因为以数字图像为载体信息而具有一些特性。3.1图像和数字图像视觉是人类重要的感知手段之一。当前人类正处在一个信息爆炸的时代，科学研究和统计表明，人从外界获得的信息约有80%来自视觉系统，也就是从图像中获得的，因为图像作为一种载体其中含有大量丰
25、富的信息。图像是人类的视觉基础，是自然景物的客观反映。“图”是物体反射或透射光的分布，“像”是人的视觉系统所接受的图在人脑中所形成的一项或认识7。一幅图像可以是自然景物中物体的光强，也可以是身体器官吸收特征的量化特征，或者是空中目标物的雷达波反射截面，或者是一个区域的温度场，或者是重力场。3.1.1图像及其分类图像有很多中分类方法，主要的分类标准如下： 1.按照灰度分类有二值图像和多灰度级图像。前者只有黑色和白色两种象素组成，如图文传真；而后者是从白色过渡到黑色的一系列中间的灰度级。2.按照色彩分类有单色图像和彩色图像。单色图像只有某一谱段图像，一般为黑白灰度图。彩色图像包括真彩色图像、合成彩
26、色图像、伪彩色图像、假彩色图像等。3.按运动分类有静态图像和动态图像。静态图像包括静止图像和凝固图像。凝固图像是静态图像中的一帧，每帧图像本身就是一幅静止的图像。动态图像又称为运动图像或活动图像。如电视、电影等。4.按时空分布分类有二维图像和三维图像。二维图像是平面图像，可以用平面直角坐标系中的二元函数f(x,y)来表示。三维图像是立体图像,可以用立体空间中的三元函数f(x,y,z)来表示。3.1.2数字图像及表示客观世界在空间上是三维的，但一般从客观景物得到的图像是二维的。一幅图像可以定义为一个二维函数f(x,y)，这里x,y是空间坐标，而在任何一对空间坐标(x,y)上的幅值f称为该点图像的
27、强度或灰度。当x,y和幅值f为有限的、离散的数值时，称该图像为数字图像。数字图像处理是指借用数字计算机处理数字图像。数字图像是由有限的的元素组成的，每个元素都有特定的位置和幅值，这些元素称为图像元素、画面元素或像素。日常见到的图像多是连续的，即f，x和y的值可以是任意实数。为了便于计算机处理和存储，需要将连续的图像在坐标空间XY离散化,这种离散化的图像是数字图像。假设一幅图像经过离散后有M行和N列，可以用M*N阶矩阵来表示一幅数字图像了。f(x,y)=其中，M和N为正整数；矩阵中的每个元素称为图像单元，又称为图像元素，或简称为像素；坐标（x，y）处的值f（x，y）为离散的灰度值，即 0f（x，
28、y）L-1这里，为数字图像中每个像素所具有的离散灰度级数，即图像中不同灰度值的个数7。在数字图像中，一般将其取为2的整数次幂，即 L=2K 。图3.1给出了图像在光标所在位置的像素值。 （a）原始图像 （b）光标所在位置的像素值 图3.1 原始图像及像素值计算机图像处理主要采用两大类方法：一类是空域中的处理，即在图像空间中对图像进行处理；另一类是把空间与图像经过变换，如Fourier变换，变到频率域，在频率域中进行各种处理，然后在变回到图像的空间域，形成处理后的图像。3.1.3常见图像格式简介1.BMP像格式BMP图像文件格式是微软公司为其WINDOWS环境设置的标准图像格式，并且内含了一套图
29、像处理的API函数。随着WINDOWS在世界范围内的普及，BMP文件格式越来越多地被备种应用软件所支持7。BMP图像文件是位图文件，位图表示的是将一幅图像分割成栅格，栅格的每一点称为像素，每一个像素具有自己的RGB值,即一幅图像是由一系列像素点构成的点阵。2.GIF图像格式GIF格式是“Graphics Interchange Format”的缩写，是由CompuServe公司1997年制定的一种图像丈件存储格式。该格式的开发目的旨在向CompuServe的订阅者提供种通用图形格式，这样就可以不必考虑用户使用的平台Macintosh、PC或Amiga，自由地交换囤像。该图像特点如下： （1）文
30、件具有多元化的结构，能存储多幅图像。（2）根据标识符寻找数据区。（3）调色板数据包含全局调色板和局部调色板。（4）采用改进版的LZW压缩编码技术。（5）图像以一个字存储一个像素点。3.JPEG图像格式JPEG正式名称为“连续色调静态图像的数字压缩和编码”，是一个通用的静态图像压缩编码标准。它是按 Joint Photo Graphic Eexperts Group制定的压缩标准产生的压缩格式，可以用不同的压缩比例对这种文件压缩，其压缩技术十分先进，对图像质量影响不大，因此可以用最少的磁盘空间得到较好的图像质量，同时也是一种文件格式，具有如下几个突出的特点：（1）可以用失真压缩方法来处理图像，在
31、压缩过程中将丢失图像信息，但不会对图像产生灾难性的后果。（2）适用于所有的连续色调图像，对图像的尺寸、色彩空间、像素纵横比等特性及图像的场景内容没有任何限制。（3）具有图像质量调节的功能。（4）定义了几种不同的、相互不兼容的压缩编码方法。4.PCX 图像格式图像文件是有Zsoft公司在80年代初期开发图像处理软件Paintbrush时开发的一种格式，专用于存储该公司开发的绘图软件所生成的图像画面数据8。存储格式从1位到24位，它是经过压缩的格式，占用磁盘空间较少。由于该格式出现的时间较长，并且具有压缩及全彩色的能力，所以PCX格式现在仍是十分流行。PCX使用RLE压缩方法来进行压缩,占用磁盘空
32、间较少，PCX图像文件格式的特点如下：（1）一个PCX图像文件只能存放一幅图像。（2）采用航程编码方法压缩图像数据。（3）PCX图像文件版本繁多,可以处理多种不同显示模式下的图像数据。（4）4色和16色PCX图像文件可以设定或不设定调色板数据。（5）16色图像数据可以分为一个或4个平面来处理。6.PNG图像格式 PNG（Portable Network Graphics）是一种新兴的网络图形格式,结合了GIF和JPEG的优点,具有存储形式丰富的特点。PNG最大色深为48bit，采用无损压缩方案存储。著名的Macromedia公司的Fireworks的默认格式就是PNG。3.2图像质量的评价图像
33、质量评价的研究是图像信息工程的基础技术之一，在图像通信中，将图像传输到接收端，其中要经过采集、传输、处理、记录等过程，所有这些技术的优劣都会影响到图像质量。图像处理中的编码技术就是在保持编码图像定质量的前提下，以尽可能少的比特数来表示图像，以便节省信道有效带宽或存储器的容量。而图像恢复则用于补偿图像的降质，是恢复的图像尽可能接近原图像的质量5。数字图像信息隐藏系统中也必须对隐藏算法中得到的含密公开图像和解密算法中得到的恢复图像质量进行评价。图像质量的含义包括两个方面，一是图像的逼真度，另一个是图像的可懂度。所谓图像的逼真度是描述评价图像与标准图像的偏离程度，图像的可懂度则是表示图像能向人或计算
34、机提供信息的能力。人们总是希望能够找到图像逼真度和可懂度的定量测量方法作为评价图像和设计图像系统的依据。定量方法可以消除定性测试方法的不精确性。人眼视觉系统和和大脑经过复杂的相互作用形成了对视觉场景的感知。空间保真度和时间保真度影响视觉质量的感知。但人们对图像质量的评价也受到其它因素的影响，如观察环境、观察者的精神状态以及观察者与视觉场景相互作用的程度等。3.2.1主观质量评价主观评价是对一幅图像质量的最终评价，评价方法就是让一群观察者对同一幅图像按视觉效果的好坏进行打分，并对其进行加权平均，然后对这些主观打分进行平均获得一个主观评分。表3.1给出了两种典型的评分标准。设每一种得分为Ci ，每
35、一种得分的评分人数为Ni ，那么一个被称为平均感觉分（Mean Option Score，MOS）的主观评价可定义为式（3-1）：表3-1对图像质量的主观评价标准得分第一种评价标准第二中评价标准5优秀没有失真的感觉4良好感觉到失真，但没有不舒服的3可用感觉有点没舒服2较差感觉较差1差感觉非常不舒服MOS = （3-1）用主观的方法来测量图像的质量通常更为合适，但是该方法操作复杂，且不能应用于实时传输的场合。在有些应用场合需要将主观评价和客观评价结合起来，这里讨论的信息隐藏系统就需要如此7。3.2.2客观质量评价当所输入图像与压缩解码后的输出图像可用函数表示时，最常用的一个准则是输入图像和输出图
36、像之间的均方误差或均分根误差。设f（i，j）（i=1，2，.，N,j=1，2，M）为原始图像,g（i，j）（i=1，2，.，N,j=1，2，M）为压缩后的还原图像。则f（i，j）和g（i，j）之间的均方误差（EMS）定义为： =2 （3-2）对式（2-2）求平方根，就可得到f（i，j）和g（i，j）之间的均方根误差（ERMS）, 即=1/2 （3-3）另一种关系更紧密的客观评价准则是输入图像和输出图像之间的均方信噪比定义如下： SNR =（3-4）3.3 图像信息隐藏技术算法介绍信息隐藏技术有许多不同的分类方法。根据隐藏数据的嵌入方法不同，信息隐藏技术可分为以下两类：一类是在变换域，如Four
37、ier变换域、离散余弦变换域、离散小波变换域等上实现信息的嵌入。这类技术主要是通过修改载体图像某些指定的频域系数来嵌入数据。考虑到对低频区域系数的改动可能会影响到载体图像的感知效果，而高频系数又易被破坏。因此，信息隐藏技术一般选取信号中频区域的系数来嵌入秘密数据，从而使之既满足不可感知性，又满足对诸如失真压缩等操作的鲁棒性。在变换域实现隐藏的算法称之为变换域算法。另一类是直接在空域上实现信息的嵌入。这类方法的优点是快捷，并且对于载体图像的几何变换、压缩等操作具备一定的抵抗能力，但对于信号滤波、加噪等操作的鲁棒性较差。在空间域实现隐藏目的的算法称之为空间域算法。根据恢复过程中是否需要无隐藏数据的
38、原始载体图像，数字图像隐藏技术可分为盲提取和非盲提取两类。由于信息隐藏技术中秘密数据的嵌入与数据的提取之间存在着天然的依赖关系，因此在设计嵌入算法时必须考虑到数据恢复的可能性8。显然，如果数据恢复时未嵌有秘密数据的原始载体图像可知，那么只要所设计的嵌入算法可逆，并同时依赖一定的解密算法，在理论上即可以保证恢复秘密数据的成功性。由于盲提取信息隐藏技术更具有实用价值，它也越来越受到更多的关注。3.3.1空域算法该类算法中典型的算法是将信息送人到随机选择的图像点中最不重要的像素位(LSB）上，这可保证嵌入的水印是不可见的。LSB算法的主要优点是可以实现高容量和较好的不可见性，但是该算法的鲁棒性差，容
39、易被第三方发现和得到，遭到破坏，对图像的各种操作如压缩、剪切等都会使算法的可靠性受到影响。为了增强算法的性能，提出了各种改进的方法，如利用伪随机序列，以随机的顺序修改因像的LSB，在使用密钥的情况下，才能得到正确的嵌入序列。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。3.3.2 Patchwork算法该算法是随机选择N对像素点（ai，bi）然后将每个ai点的亮度值加1，每个bi点的量度值减1这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数Patchwork方法对JPEG压缩、PIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力。但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，
40、然后对每一个图像块进行嵌入操作。3.3.3频域算法该类算法中，大部分算法采用了扩展频谱通信技术。算法实现过程为：先计算图像的离散余弦变换（DCT）,然后将水印叠加到DCT域中幅值最大的前K系数上(不包括直流分量),通常为图像的低频分量。若DCT系数的前K个最大分量变示为D=dii=1，k，水印是服从高斯分布的随机实数序列W=wii=1，k，那么水印的嵌入算法为di=di（1+awi），其中常数a为尺度因子，控制水印添加的强度。然后用新的系数做反交换得到水印图像I*。解码函数则分别计算原始图像I和水印图像I*的离散余弦变换,并提取嵌入的水印W*，再做相关检验以确定水印的存在与否。该方法即使当水印
41、图像经过一些通用的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印拷贝。一个简单改进是不将水印嵌入列DCT域的低频分量上，而是嵌入到中频分量上以调节水印的健壮性与不可见性之间的矛盾。该类算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不可能很大，但抗攻击能力强，很适合于用做数字作品版权保护的数字永印技术中。3.3.4压缩域算法基于JPEG，MPEG标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重叛编码过程，而且在数字电视广播及VOD中有很大的实用价值。相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。虽然MPEG-2数据流语法允许把用户数据加到数据流中，但是这种方案并不适
42、合数字水印技术。因为用户数据可以简单地从数据流中去掉，同时在MPEG-2编码视频数据流中增加用户数据会加大位率，使之不适于固定带宽的应用，所以关键是如何把水印信号加到数据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中10。对于输入的MPEG-2数据流而言,它可分为数据头信息、运动向量和DCT编码信号块3部分,在方案中只有MPEG-2数据流最后一部分数据被改变。3.3.5NEC算法该算法由NEC实验室的Cox等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯N（0,1）分布,密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成,其次对图像做DCT交换，最后用伪
43、随机高斯序列来调制该图像除直流（DC）分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止IBM攻击。而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则。即水印信号应该嵌入原数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布N（0,1）的特征。3.3.6生理模型算法人的生理模型包括人类视觉系统HVS和人类听觉系统Has。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样可以供数字水印系统利用。利用视觉模型的基本思想均是利用从视觉模型导出的JND描述来确定在图像的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大
44、强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印，这一方法同时具有好的透明性和强健性。3.4图像信息隐藏技术的性能指标根据信息隐藏的原理和目的，信息隐藏系统一般应满足下列要求： 1.隐蔽性包括不可感知性（Imperceptibility）和不可检测性（Undetectability）。不可感知性是指秘密信息嵌入到载体图像后不会使之产生可感知的失真，即人的感知系统不能区分含密信息和载体信息。这是对信息隐藏技术的最基本的要求。不可检测性是指含秘密信息和载体信息要具有一致的数学特性，如具有一致的统计噪声分布等，使非法拦截者即使通过数学分析也无法判
45、断是否有隐蔽信息。2.隐藏信息量指在不影响图像质量的前提条件下，所能嵌入的最大信息量。嵌入的秘密信息必须具有足够多的信息，例如足以体现媒体信息的版权等。 3.鲁棒性也称免疫性，指不因隐蔽载体图像的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。这里所谓“改动”包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、有损编码压缩、D/A或A/D转换、剪切、位移以及其它可能的人为破坏等。信息隐藏系统还有自恢复性、安全性等技术要求,但这些要求并不是每一个信息隐藏系统都必须满足的,实际上也不可能都满足,因为某些要求自相矛盾。一般来说,嵌入量越大隐蔽性和鲁棒性就越差,实际的系统只能根据具体应用的不同来进行权衡。例如,当前研究比较
46、多的数字水印,作为版权保护的核心技术就要求有很好的鲁棒性,而对可以隐藏的信息量的要求较弱,对于隐秘技术通常考虑的是最好的隐蔽性,兼顾较大的隐藏容量而牺牲抗干扰的能力。3.5数字图像信息隐藏的几个概念下面根据本文将要用到的术语进行定义和介绍1.秘密信息:是指隐藏在公开的载体图像中的保密信息,也即发信者想要发送给接收者而不想让第三者知道的信息。它可以是文本、图像、版权信息、序列号等其它二进制秘密数据。2.载体图像:指承载秘密信息的公开图像,是隐蔽图像的原始形式,其格式可以是BMP、PCX、JPG等。3.隐蔽图像：指在载体图像中己经嵌有秘密信息的图像，是嵌入过程的输出。4.隐藏密钥：在信息隐藏过程中可能需要的一些额外的秘密数据，以增加秘密信息的安全性。5.嵌入算法：指利用嵌入密钥将秘密信息嵌入载体图像，从而生成隐蔽图像的过程。6.提取算法：指利用提取密钥将秘密信息从隐蔽图像中恢复的过程，是嵌入过程的逆过程。7.隐藏分析位于隐蔽图像传输的信道上，对隐蔽图像进行可能的数学分析或破坏，造成秘密信息的丢失。需要指出的是，在有些情况下为了提高保密性，需要对秘密信息进行预处理，相应的在提取过程后要对得到的嵌入对象进行后处理，恢复原始信息。第四章 基于LSB的数字图像隐藏算法对于计算机来说，一幅图像就是由一些标识各像素亮度的值构成的矩阵。用
