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数字图像隐藏信息技术的实现与讨论
一、信息隐藏技术的基本原理
信息隐藏技术通常使用文字、图像、声音及视频等作为载体,信息之所以能够隐藏在多媒体数据中,主要是利用了多媒体信息的时间或空间冗余性和人对信息变化的掩蔽效应。 多媒体信息本身存在很大的冗余性,从信息论的角度看,未压缩的多媒体信息的编码效率是很低的,所以将某些信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传送是完全可行的,并不会影响多媒体信息本身的传送和使用。人的视觉或听觉感官系统对某些信息都有一定的掩蔽效应。在亮度有变化的边缘上,该边界“掩蔽”了边缘邻近像素的信号感觉,使人的感觉变得不灵敏、不准确,这就是视觉掩蔽效应。通常人眼对灰度的分辨率只有几十个灰度级,对边缘附近的信息不敏感。利用这些特点,可以很好地将信息隐藏而不被觉察。
二、信息隐藏系统的基本属性
信息隐藏系统有三个基本属性包括:不可感知性、鲁棒性和嵌入量。
(1)不可感知性(Invisibility),也称透明性,隐蔽性,是指嵌入信息的操作不应使原始载体信息的质量有明显下降,即不产生明显的信息嵌入痕迹,使得在通信过程中的携带秘密信息的载体不会引起第三方的怀疑。信息隐藏的不可感知性是信息隐藏的根本属性,“隐”就是不可感知的意思。只有将秘密信息隐藏到载体数据中进行传输,才有可能起到保护作用,所以不可感知性是秘密信息安全传输的前提。
(2)鲁棒性(Robustness),也称稳健性,指信息隐藏系统抵抗由正常信号处理引入的失真和由恶意攻击操作所造成的数据畸变的能力,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。鲁棒性强调信息传输的可靠性。
(3)嵌入量(Capacity),指承载信息的载体可以容纳秘密信息的多少。通常以秘密信息大小与载体信息大小之比来表示。嵌入量考虑的是传输的信息量。不可感知性、鲁棒性和嵌入量从根本上决定信息隐藏系统性能的三个属性,三者之间是一个矛盾的统一体,它们彼此之间相互制约,并且在一定条件下可以相互转化。例如,鲁棒性与嵌入强度有直接关系,嵌入强度越大鲁棒性越强,但往往大强度的信号调制会导致不可感知性的下降;同样,嵌入量的增加往往导致对原始载体信息的修改增加,也会使得不可感知性下降。在转化方面,增加密文信号的冗余或带宽会提高鲁棒性,而这是以牺牲嵌入量为代价。实践往往要根据具体应用模式在三者之间寻求适当平衡点。
对于数字水印来说,上述三项性能的重要性排序是鲁棒性、不可感知性、嵌入量。鲁棒性意味着水印不能被干扰或恶意处理去除,这是版权确认的保证,因此最重要;隐蔽性保证了数字产品的商用价值;至于嵌入量,只要能够标识一些必要的信息,并没有过高的要求。而对于隐写来说,这三项性能的重要性排序是隐蔽性、嵌入量、稳健性。隐蔽性包括视/听觉隐蔽性和统计上的隐蔽性,意味着监控者无法察觉,所以最重要;隐蔽通信往往高传输率,战争状态下还要求实时传送,故嵌入量其次;隐写通常应用于无扰信道,所以对稳健性的要求最低。正是由于信息隐藏基本特性之间相互依赖相互制约的特点,造就了信息隐藏技术的多样性和复杂性。
三、信息隐藏技术的实现
1、水印的嵌入
(1)首先对原始图像进行DCT变换。
(2)水印信号的产生。Cox等指出由高斯随机序列构成的水印信号具有良好的鲁棒性,在许多文献中也都是将高斯随机序列作为水印信号。因此本文所采用的水印信号W为服从正态分布N (0, 1),长度为n的实数随机序列。即:W=(Xi,0≦i≦n)。
(3)水印的嵌入。 选择将水印信号放在宿主信号的哪些位置,才能够更好的保证其具有良好的鲁棒性。Cox等认为图像水印应该放在视觉上最重要的分量上。由于视觉上重要的分量是图像信号的主要成分,图像信号的大部分能量都集中在这些分量上,在图像有一定失真的情况下,仍然能保留主要成分,即视觉上重要的分量的抗干扰能力较强,因此将数字水印嵌入到这些分量上,可以获得较好的鲁棒性。当水印信号相对宿主信号较小时,还可以保证不可见性。所以本算法将服从N (0, 1)分布的随机序列构成的水印序列放到DCT变换后图像的重要系数的幅度中,增强水印的鲁棒性。水印嵌入公式为(4-1) V′=V(1+aXk) (4-1) 其中V为原始图像信息,a为嵌入系数,XK为水印信息,V′为生成水印图像信息。 (4)进行二维离散余弦反变换,得到嵌入水印的图像,
2、空域(Spatial Domain)隐藏算法
空域隐藏技术是指将秘密信息嵌入数字图像的空间域中,即对像素灰度值进行修改以隐藏秘密信息。
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