信息隱藏

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信息隱藏(Information Hiding)

　　信息隱藏也稱作數據隱藏(Data Hiding)，是集多學科理論與技術於一身的新興技術領域。信息隱藏技術主要是指將特定的信息嵌入數字化宿主信息(如文本，數字化的聲音、圖像、視頻信號等)中，信息隱藏的目的不在於限制正常的信息存取和訪問，而在於保證隱藏的信息不引起監控者的註意和重視，從而減少被攻擊的可能性，在此基礎上再使用密碼術來加強隱藏信息的安全性，因此信息隱藏比信息加密更為安全。應該註意到，密碼術和信息隱藏技術不是互相矛盾、互相競爭的技術，而是相互補充的技術，他們的區別在於應用的場合不同，對演算法的要求不同，但可能在實際應用中需要互相配合。特定的信息一般就是保密信息，信息隱藏的歷史可以追溯到古老的隱寫術，但推動了信息隱藏的理論和技術研究始於1996年在劍橋大學召開的國際第一屆信息隱藏研究會，之後國際機構在信息隱藏領域中的隱寫術、數字水印、版權標識，可視密碼學等方面取得大量成果。

　　信息隱藏主要分為隱密技術和水印技術。

　　隱密技術，又稱為密寫術，就是將秘密信息嵌入到看上去很普通的信息中進行傳送，以防第三方檢測出秘密信息。

　　水印技術，就是將具有可鑒別的特定意義的標記(水印)永久鑲嵌在宿主數據中，並且不會影響宿主數據的可用性。水印技術主要用於版權保護以及拷貝控制和操作跟蹤。

　　信息隱藏系統模型如圖所示。

　　信息隱藏系統模型關鍵名詞解釋如下：嵌入對象：待隱藏的秘密信息；掩護對象：將用於隱藏嵌入對象的公開信息；嵌入過程：通過使用特定的嵌入演算法，可將嵌入對象添加到可公開的掩護對象中，從而生成隱藏對象；提取過程：使用特定的提取演算法從隱藏對象中提取出嵌入對象的過程；執行嵌入過程和提取過程的個人或組織分別稱為嵌入者和提取者。

　　在信息隱藏系統模型中，在嵌入過程中我們使用嵌入密鑰將嵌入對象嵌入掩護對象中，生成隱藏對象，如下圖將一個txt的文本嵌入到一張JPEG的圖像中。嵌入對象和掩護對象可以是文本、圖像或音頻等等。在我們沒有使用工具進行分析時，我們覺得掩護對象與隱藏對象幾乎沒有差別，這就是信息隱藏概念中所說的“利用人類感覺器官的不敏感性”。隱藏對象在通道中進行傳輸，在傳輸的過程中，有可能會遭到隱藏分析者的攻擊，隱藏分析者的目標在於檢測出隱藏對象、查明被嵌入對象、向第三方證明消息被嵌入、刪除被嵌入對象、阻攔等。其中前三個目標通常可以由被動觀察完成，稱為被動攻擊，後兩個目標通常可以由主動攻擊實現。

　　提取過程則是在提取密鑰的參與下從所接收到的隱藏對象中提取出嵌入對象，如將上述txt文件從JPG的圖像中提取出來。有些提取過程並不需要掩護對象的參與，這樣的系統稱為盲隱藏技術，而那些需要掩護對象參與的系統則稱為非盲隱藏技術。

　　近年來，信息隱藏技術的研究取得了很大的進步，已經提出了各種各樣的隱藏演算法。關鍵的信息隱藏技術有如下幾種。

　　(1)替換技術

　　所謂替換技術，就是試圖用秘密信息比特替換掉偽裝載體中不重要的部分，以達到對秘密信息進行編碼的目的。替換技術包括最低比特位替換、偽隨機替換、載體區域的奇偶校驗位替換和基於調色板的圖像替換等。替換技術是在空間域進行的一種操作，通過選擇合適的偽裝載體和適當的嵌入區域，能夠有效地嵌入秘密信息比特，同時又可保證數據的失真度在人的視覺允許範圍內。

　　已經提出的各種演算法大都給出了其實現思想，如對於基於調色板的圖像格式，可操作其調色板來嵌入信息，也可以利用它的量化值來隱藏秘密信息，因此該技術在數據偽裝中得到了廣泛的應用。

　　替換技術演算法簡單，容易實現，但是魯棒性很差，不能抵抗圖像尺寸變化、壓縮等一些基本的攻擊，因此在數字水印領域中一般很少使用。

　　(2)變換技術

　　大部分信息隱藏演算法都是在變換域進行的，其變換技術包括離散傅里葉變換(DFT)、離散餘弦變換(DFT)、離散小波變換(DWT)和離散哈達瑪特變換(DHT)等。這些變換技術都有各自的特點。

　　DFT在信號處理中有著廣泛應用，在信息隱藏領域也同樣得到了應用。它將圖像分割成多個感覺頻段，然後選擇合適部分來嵌入秘密信息。D CT使空間域的能量重新分佈，從而降低了圖像的相關性。在DCT域中嵌入信息的方法，通常是在一個圖像塊中調整兩個(或多個)DCT繫數的相對大小。DWT是對圖像的一種多尺度、空間頻率分解，即將輸入信號分解為低解析度參考信號和一系列細節信號。在一個尺度下，參考信號和細節信號包含了完全恢覆上一尺度下信號的全部信息。

　　(3)擴頻技術

　　當對偽裝對象進行過濾操作時可能會消除秘密信息，解決的方法就是重覆編碼，即擴展隱藏信息。在整個偽裝載體中多次嵌入一個比特，使得隱藏信息在過濾後仍能保留下來，這種方法雖然傳輸效率不高，但卻具有較好的健壯性。擴頻技術一般是使用比發送的信息數據速率高許多倍的偽隨機碼，將載有信息數據的基帶信號頻譜進行擴展，形成寬頻低功率譜密度信號。最典型的擴頻技術，為直序擴頻和跳頻擴頻。直序擴頻是在髮端直接用具有高碼率的擴頻編碼去擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻編碼解擴，將擴頻信號還原為原始信號。跳頻擴頻是在髮端將信息碼序列與擴頻碼序列組合，然後按照不同的碼字去控制頻率合成器，使輸出頻率根據碼字的改變而改變，形成頻率的跳變；在接收端為瞭解跳頻信號，要用與髮端完全相同的本地擴頻碼發生器去控制本地頻率合成器，從中恢復出原始信息。

　　研究信息隱藏，就必須研究其對立面，即信息的檢測。信息檢測研究的意義在於，一方面可以促使信息隱藏技術被合法使用，另一方面可以進一步促進隱藏演算法的深入研究。無論是水印技術還是隱密技術，都在與各種攻擊技術的對抗中獲得進步。

　　而攻擊技術也隨著水印技術和隱密技術的進步不斷更新。矛盾的雙方在對抗中互相促進，同步得到發展。

　　1.隱密分析

　　目前的隱密分析技術主要分為三類，即感官攻擊、結構攻擊和統計攻擊。

　　感官攻擊包括視覺攻擊和聽覺攻擊。是指利用人類感官對媒體模式失真和雜訊的辨識能力來判斷是否含有隱密信息的一類方法。雖然隱密演算法的首要任務就是要使得載體在隱藏信息前後不能被人類的感官察覺，但是由於隱密信息與隱密區域的統計特性不一致，往往會使載體與隱密載體之間產生較大的感官差異，如圖像的色彩變化、雜訊強度變化等。

　　結構攻擊是指利用由於信息的隱藏而造成載體原有結構的破壞或特殊結構的引入來判斷是否含有隱密信息。比如正常的圖像調色板結構中沒有或很少有顏色的聚集，但有些隱密演算法為了避免視覺攻擊，隱藏信息時對調色板進行了縮減、排序等調整，使得調色板中產生大量顏色聚集。

　　統計攻擊是指利用特征樣本分佈和理論期望分佈的差異性，從而給出含有隱密信息概率的一種分析方法。由於隱密信息的統計特性往往與隱密區。

　　域的統計特性不一致，使得信息的隱藏往往改變了載體特征的統計分佈，從而可以判斷是否含有隱密信息。統計攻擊的關鍵問題是如何得到原始載體數據的理論期望分佈，因為由於基於不同格式載體的隱密方法多種多樣，所以對他們進行統計攻擊的具體方法也不同。

　　2.水印攻擊

　　水印攻擊方法可以分為四大類：穩健性攻擊、表達攻擊、解釋攻擊、合法攻擊。

　　穩健性攻擊也稱去除攻擊，這是最常用的攻擊方法。它主要攻擊健壯性的數字水印。目的在於除去數據中的水印而不影響圖像的使用，比如對圖像的一些常用的無惡意的處理方法，如壓縮、濾波、縮放、列印和掃描等。常見的健壯性攻擊可以分為幾方面：有損壓縮、信號處理技術。

　　表達攻擊並不需要除去數字產品中的水印，它是通過操縱內容從而使水印檢測器無法檢測到水印的存在。這類攻擊的一個特點是水印實際上還存在於圖像中，但水印檢測器已不能提取水印或不能檢測水印的存在。幾何變換在數字水印攻擊中扮演了重要的角色，而且許多數字水印演算法都無法抵抗某些重要的幾何攻擊。常見的幾何變換有：水平翻轉、剪切、旋轉、縮放、行／列刪除、變通幾何變換、列印一掃描處理和隨機幾何變形。

　　解釋攻擊既不試圖擦除水印，也不試圖使水印檢測無效，而是試圖對水印的所有權產生爭議，比如一個攻擊者試圖在一個嵌入了水印的圖像中再次嵌入另一個水印，所以導致了所有權的爭議。

　　合法攻擊也稱法律攻擊。它與前三種攻擊不同，前三種攻擊可以稱為技術性攻擊，而合法攻擊可能包括現有的及將來的有關版權和有關數字信息所有權的法案，因為在不同的司法許可權中，這些法律可能有不同的解釋。如攻擊者希望在法庭上利用此類攻擊，它們的攻擊是在水印方案所提供的技術或科學證據之外而進行的。

　　1.資訊理論與信息隱藏

　　用資訊理論的方法來研究信息隱藏，是分析信息隱藏理論的基礎。資訊理論的創始人Shannon提出的三個編碼定理和一個密碼學基本定理，通過引入“熵、互信息、信息率失真函數、通道容量”等概念、運用數學工具對信息隱藏進了定量化分析，將對一些關鍵問題，如計算一個數字媒體或文件所能隱藏的最大安全信息量等，提供了理論依據。通過資訊理論定量化分析，可以指導我們對一些問題找到理論界限及進行優化，並指導我們未來的研究發展方向。

　　2.信號處理與信息隱藏

　　信息隱藏就是把一個信號隱藏在另一個信號中進行傳輸，由此起義，信息隱藏本身就屬於信號處理領域中的一個研究方向，可以說信息隱藏是以資訊理論為基礎、以信號處理為具體演算法實現的學科，具體演算法比如小波變換、插值、Fourier 變換、提取統計信息等。

　　3.基於模型的信息隱藏

　　如果對所有的多媒體能建立一個統計特征模型，而信息隱藏將改變該特征，那麼我們將能檢測到隱藏的信息。這種方法通常的做法是假設x 是原始載體的一個實例，可以是圖像的灰度值或者各種變換，如DCT(離散餘弦變換)變換後的繫數。如果我們把x 看作隨機變數X 的一個實例，那麼隨機變數X 可以用一個概率模型PX(x) 來描述。檢測一個可疑圖像是否含有隱藏信息可以採用假設檢驗來判斷，如x 服從PX(x) ，則該圖中不含有隱秘信息，否則可以認為含有可疑信息。

　　4.多媒體特性與信息隱藏

　　信息隱藏需要將秘密信息隱藏於另一媒體中，可以為文本文件、數字圖像、數字音頻和數字視頻。信息隱藏的本質就是利用多媒體信息本身存在較大的冗餘性，同時人眼和人耳對某些信息具有一定的掩蔽效應，這樣就可以將信息本身的存在性隱藏起來，使人察覺不到有信息隱藏在媒體中，利用人們所見即所得的心裡來迷惑攻擊者，因此對常見的媒體的特性的瞭解就顯得至關重要了。比如文本中的信息隱藏，可以通過調整自然語言結構和文本格式隱藏信息;數字圖像的最終感受者是人眼，利用人的視覺系統的不完善性，就為圖像的失真壓縮和信息隱藏提供了非常巨大的施展空間，包括顏色值LSB( 最不顯著位)法、調整調色板結構法、DCT(離散餘弦變換)域嵌人法;音頻中信息隱藏的各種方法，如擴頻法、相位編碼、回聲編碼方信息隱藏的理論探索法，一般都要利用人類聽覺系統的特性，如聽覺具有屏蔽效應，弱音會被強音淹沒;人耳對聲音信號的絕對相位不敏感，只對相對相位敏感;人耳對不同頻段的敏感度也不同等等。而視頻可以看成一系列靜態圖像的集合，所以很多用於圖像的隱藏演算法也同樣適用於視頻，只是視頻的數據量更大，要求演算法效率很高。

　　可見，信息隱藏技術受到了音樂、電影、圖書和軟體出版的廣泛關註，在防偽和保護資料完整性等領域有著廣泛的應用。

　　目前信息隱藏技術在電子商務中的應用主要體現在以下幾個方面：

　　1.數據保密

　　在具體電子商務活動中，數據在Internet上進行傳輸一定要防止非授權用戶截獲並使用，如敏感信息，談判雙方的秘密協議和合同、網上銀行交易中的敏感數據信息，重要文件的數字簽名和個人隱私等等。另外，還可以對一些不願為別人所知道的內容使用信息隱藏的方式進行隱藏存儲。

　　2.數據的不可抵賴性

　　在網上交易中，交易雙方的任何一方不能抵賴自己曾經做出的行為，也不能否認曾經接收到的對方的信息，這是交易系統中的一個重要環節。這可以使用信息隱藏技術中的水印技術，在交易體系的任何一方發送或接收信息時，將各自的特征標記以水印的形式加入到傳遞的信息中，這咱水印應是不能被去除的，可達到確認其行為的目的。

　　3.防偽

　　商務活動中的各種票據的防偽也是信息隱藏技術的用武之地。在數字票據中隱藏的水印經過列印後仍然存在，可以通過再掃描回數字形式，提取防偽水印，以證實票據的真實性。

　　4.數據的完整性

　　對於數據完整性的驗證是要確認數據在網上傳輸或存儲過程中並沒有被竄改，可通過使用脆弱水印技術保護的媒體一旦被竄改就會破壞水印，從而很容易被識別。

　　信息隱藏之所以比密碼加密的方法進行保密通信具有更大優勢，是因為以信息隱藏方式實現隱蔽通信，除通信雙方以外的任何第三方並不知道秘密通信這個事實的存在，這就較之單純的密碼加密更多了一層保護，使得網路加密機制從“看不懂”變為“看不見”，以不至成為好事者攻擊的目標。

　　(1)數據保密

　　在網際網路上防止非授權用戶截獲並使用傳輸的一些秘密數據，是網路安全的一個重要內容。信息隱藏技術在軍事上的應用，可以將一些不願為人所知的重要標識信息用信息隱藏的方式進行隱蔽存儲，像軍事地圖中標明的軍備部署、打擊目標，衛星遙感圖像的拍攝日期、經緯度等等，都可用隱藏標記的方法使其以不可見的形式隱藏起來，只有掌握識別軟體的人才能讀出標記所在。

　　(2)數據保護

　　數據保護主要是保證傳輸信息的完整性。由於隱藏的信息是被藏在宿主圖像等媒體的內容中，而不是文件頭等處，因而不會因格式的變換而遭到破壞。同時隱藏的信息具有很強的對抗非法探測和非法破解的能力，可以對數據起到安全保護的作用。對於數據完整性的驗證是要確認數據在網上傳輸或存儲過程中並沒有被竄改。通過使用脆弱水印技術保護的媒體一旦被竄改就會破壞水印，從而很容易被識別。

　　(3)數據免疫

　　所謂免疫是指不因宿主文件經歷了某些變化或處理而導致隱藏信息丟失的能力。某些變化和處理包括：傳輸過程中的通道雜訊干擾，過濾操作，再取樣，再量化，數／模、模／數轉換，無損、有損壓縮，剪切，位移等。