基于载体修改式信息隐藏技术研究_品牌_

互为载体海淀区课程整合研究驶向蓝海期

赵路华++李红安

摘要：介绍基于载体修改式信息隐藏技术的基本概念、技术特点和分类方法，给出理论模型，并分析关键技术。重点介绍载体修改式信息隐藏技术中结构法、时间域法、空间域法和变换域法的技术特点，同时介绍可逆信息隐藏技术的概念和方法。对非载体修改式信息隐藏方法进行介绍。通过分析，指出载体修改式可逆信息隐藏技术和非载体修改式信息隐藏方法，具有技术优势，是今后信息隐藏技术发展和研究的方向。

关键词：载体修改式隐藏技术可逆信息隐藏

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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

信息网络飞速发展，网络安全事件层出不穷，如何保护网络信息安全迫在眉睫，传统的加密技术，将信息加密成密文进行传输，密文是乱码容易引起攻击，信息隐藏技术应运而生，信息隐藏技术将信息隐藏在公开载体中进行传输，具有不可感知性，攻击者不易发现。信息隐藏技术自20世纪90年代诞生，技术不断发展，在隐蔽通信、版权保护、盗版追踪等信息安全领域发挥重要作用[1-3]。本文主要介绍基于载体修改式信息隐藏技术的概念、特点和原理，并对新的可逆信息隐藏技术和非载体修改式的信息隐藏方法进行介绍，最后，对信息隐藏技术发展进行展望。

1 信息隐藏的基本概念

信息隐藏技术是一种新兴的信息安全技术，它将秘密信息通过一定的算法嵌入到公开载体（如图像、音频和视频等）中，利用人体感觉器官的感知局限，实现信息隐藏。

1.1 信息隐藏模型与分类

如图1所示信息隐藏一般理论模型[4]主要分为两部分：隐藏过程和提取过程。秘密信息指隐藏到原始载体中的信息。根据隐藏和提取过程是否需要密钥分为无密钥和有密钥；按载体类型分为基于文本、图像、音频、视频等多媒体载体信息隐藏；按提取信息过程是否需要原始载体信息分为盲信息隐藏和非盲信息隐藏[1-2]；按是否进行载体修改分为载体修改式和非载体修改式信息隐藏；其中载体修改式信息隐藏技术是当前研究的重点，非载体修改式（载体构造式）已有研究[5]。

1.2 信息隐藏技术特性与要求

信息隐藏技术必须考虑对载体进行操作后，仍然具有隐蔽性，该技术具有不可感知性、鲁棒性、隐藏容量、安全性、错误率等特征。

（1）不可感知性。

也称为不可见性。指信息的嵌入不改变原始载体的主观质量和统计规律，不易被观察者和监视系统觉察，原始载体与秘密载体具有一致的特性[1]。

（2）鲁棒性。

鲁棒性指嵌入信息的方法有一定的稳定性，并且具有一定的对非法探测和非法解密的对抗能力[1]。抵抗一些常见的信号处理操作和几何处理操作的能力。常见的信号处理操作包括添加噪声、滤波、重采样、有损压缩、平滑、A/D或D/A转换等，常见的几何处理操作包括旋转、剪巧和缩放等[6]。

（3）隐藏容量。

隐藏容量指秘密信息嵌入载体中后，仍然满足不可感知性的前提下，载体可以隐藏秘密信息的最大比特数。

（4）安全性。

安全性指假设攻击者知道嵌入和提取算法的基础上，仍无法提取或检测到秘密信息。

（5）错误率。

指嵌入秘密信息的检测或提取过程中出错的概率[1]。

1.3 信息隐藏性能评价方法[1]

信息隐藏的评价方法主要分为两类：一类是主观评价；另一类是客观评价。

（1）主观评价方法。

主观评价是利用人的主观感知给出评判，对图像信息隐藏常使用五级评分法（见表1）。主观评价具有一定的不确定性，无法进行定量分析。对音频信息隐藏按照主观区分度和主观意见打分[7]。

（2）客观评价方法。

客观评价方法使用较多的是均方误差（Mean Squared Error，MSE）和峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）。以图像信息隐藏为例，用和分别表示原始图像和测试图像的像素，m和n是图像的坐标，M和N为图像的维数。

2 信息隐藏的关键技术

信息隐藏的主要方法包括结构法、时间域法、空间域法、变换域法和可逆信息隐藏技术。

（1）结构法。

利用载体文件的结构特点，通过改变载体某部分结构来隐藏信息，常用的结构化载体有超文本文件、PDF文件、PE文件等。基于超文本文件隐藏方法主要是通过网页语言的语法特点来隐藏，如利于修改属性值字符串的大小写来隐藏信息，利用标记名称字符的大小写来隐藏信息、将信息隐藏在元素的class属性中等[8-9]。基于PDF文件结构信息隐藏主要是利用PDF文件对象进行信息隐藏[10]，利用PDF行末标识符不会在文档中显示的特性，通过等量替换PDF文档中具有固定格式的交叉引用表的行末標识符，来实现水印信息的间接嵌入[11]；基于PE文件信息隐藏主要是利用PE文件的存储空间冗余、结构特性和PE文件执行特点[12-13]，在不破坏PE文件的基本特性和使用价值的前提下，将受保护信息隐藏在载体PE文件中。endprint

结构化文件信息隐藏，由于文件结构比较固定，隐藏位置固定，鲁棒性较差和存储容量有限。

（2）空间域。

空间域信息隐藏是在空间域中直接对图像像素的灰度值进行处理来实现信息嵌入。Cehk等人提出了一种广义的最低有效位（G-LSB）方法，Ni等人提出了一种基于图像灰度直方图修改的信息隐藏算法，Leest等人又提出了一种改进方案，这些方方虽然都不同程度上改进了算法的性能，但具有空域法的共性，信息嵌入容量较大，算法相对简单，易于实现，鲁棒性差[6]。

（3）变换域法。

变换域信息隐藏是先利用某种数学变换方法对载体图像进行一定的变换，然后对变换系数进行适当的处理来实现信息的嵌入，最后再对这些变换系数进行逆变换来得到带有秘密信息的图像[6]。目前常用变换方法有离散傅里叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）和离散小波变换（DWT）。

和基于空间域的方法相比，基于变换域的方法鲁棒性较强，能够抵抗一些针对隐秘图像的常见处理操作和攻击，而且由于经过逆变换后嵌入的秘密信息都分散到了整幅图像上，不可探测性更好。但是基于变换域的方法也有其缺点，那就是信息嵌入容量相对较小，而且算法也相对复杂。

（4）可逆信息隐藏技术。

传统信息隐藏算法常给原始载体带来永久性失真，这在一些对数据认证要求较高、同时需要无失真恢复出原始载体的应用场合是不可接受的，如云环境中的隐私数据保护、医学图像处理与司法取证等。为了兼顾信息隐藏与原始载体的无失真恢复，可逆信息隐藏被提出，要求在提取隐藏信息后可以无差错地恢复出原始载体。可逆信息隐藏根据载体是否加密分为密文域与非密文域两类[14]。文献[3]分析了可逆信息隐藏的技术难点和各类代表性算法，对密文域可逆信息隐藏技术进行了分类，分析了不同嵌入方式的技术特点、实现框架与应用上的局限性，并提出该技术的发展方向。

3 非载体信息隐藏

传统信息隐藏算法以修改载体数据的方式进行隐蔽通信，并保证感知逼真与统计逼真。文献[5]重点分析非载体修改式的新型信息隐藏方法，介绍了适合于特定载体类型的半构造式信息隐藏、完全构造式信息隐藏及行为信息隐藏的基本形式与代表性方法。

（1）构造式信息隐藏，是指在不预先指定原始载体的情况下，由秘密信息按照一定规则直接生成含密载体，而含密载体可以不表示真实的客观世界，但与正常内容相比应具有不可区分性。文献[5]分析了纹理合成信息隐藏、Marbling信息隐藏、指纹构造信息隐藏。

（2）行为信息隐藏即利用人类在物理世界或赛博空间中的行为隐蔽传输机密信息。在数字时代，随着社交网络、可穿戴设备、视频监控等技术的普及，越来越多的人类行为被采集、记录及传输，利用人类行为进行信息隐藏的条件也日渐成熟，可见行为信息隐藏将有广阔发展空间及应用前景。

4 结语

本文重点探讨了载体修改式信息隐藏基本概念、关键技术，载体修改式信息隐藏技术理论较成熟，很多在实践中已经起到了重要作用，其中可逆信息隐藏技术是研究和发展的重点；介绍了非载体修改方式的新型信息隐藏方法，其中构造式信息隐藏、完全构造式的信息隐藏及行为信息隐藏，尚不成熟，还有很大研究空间。

参考文献

[1] 曹云飞，王洪霞，熊玲.信息隐藏理论与实践[M].国防工业出版社，2016.

[2] 杨榆，钮心忻.信息隐藏与数字水印实验教程[M].国防工业出版社，2009.

[3] 柯彦，张敏情，刘佳，等.密文域可逆信息隐藏综述[J].计算机应用，2016，36（11）：3067-3076.

[4] 陈波，谭运猛，吴世忠.信息隐藏技术综述[J].计算机与数字工程，2005，33（2）：22-27.

[5] 张新鹏，钱振兴，李晟.信息隐藏研究展望[J].应用科学学报，2016，34（5）：475-484.