信息隐藏安全性研究——理论研究以及在版权保护和隐蔽通信中的技术实现

摘要

信息隐藏是信息安全领域中的一项新兴技术,主要有数字水印和数字密写两大分支,分别用于多媒体数据的版权保护和隐蔽通信.安全性,即抵抗各种敌对攻击的能力,是信息隐藏技术的核心.无论是数字水印还是密写,都在与各种攻击技术的对抗中获得进步.而攻击技术也随着数字水印和密写的进步不断更新.矛盾的双方在对抗中互相促进、同步得到发展.本文围绕信息隐藏中的安全性问题,将攻击、防守统一考虑,对取得的一系列研究成果进行总结.一、对信息隐藏的理论基础进行了研究.分析和比较了迭加与量化这两种应用最广泛的信息隐藏算法的性能,得出了迭加法适用于高频、量化法适用于低频的结论.改进了迭加方案,使每个嵌入到数字媒体中的序列都负载多比特信息,大大提高信息隐藏性能,有效缓解了稳健性、隐蔽性和嵌入量之间的矛盾.讨论了攻击条件下量化隐藏的信息容量,得到结论:当隐藏者保密变换方式,并以特定的统一量化步长、嵌入特定的比特数,可以在攻击后保留最大的可靠信息量,此时的信息量与载体数据量和密写强度成正比,与攻击强度成反比.二、开发能够抵御恶意攻击的水印算法和协议,有效地提高数字水印安全性.一方面提出了可抵抗嵌入器攻击的新水印算法,在这个算法中,即便在密钥相同的条件下水印信号也互相独立选取,嵌入器攻击不但不能去除合法水印,反而会在数字媒体中留下攻击的痕迹.另一方面,基于对可逆性攻击的深入分析提出了安全水印协议,指出攻击者可实施一种更强有力的基于算法构造的可逆性攻击,突破现有的为抵抗可逆性攻击而设置的限制,构成对版权保护的更大威胁,新的水印协议通过建立水印算法与嵌入信号之间的联系,使得攻击者无法混淆版权归属.新协议与新算法可以整合在一个水印系统中,形成一个可嵌入多比特、并对可逆性攻击和嵌入器攻击具有免疫力的水印系统.三、站在密写方的立场提出了一系列应用于不同类型载体的密写方法,实际上这些密写新方法也是建立在对已有密写技术进行分析即攻击的基础上提出的.首先,提出了面向非压缩载体的更为安全的LSB密写方案,与简单LSB方案相比既不减少嵌入量,又不增加失真度,而且保证了F<,1>、F<,-1>之间的对称性、维持了原始直方图不变,因而可抵抗所有利用直方图异常和F<,1>、F<,-1>非对称性的分析.其次,指出了调色板图像中的OPA密写并不安全,可利用奇异颜色检测出秘密信息的存在性,为了对付这种分析,提出了新的调色板密写方法,既消除了奇异颜色又考虑了原始图像局部特性,具有更优良的隐蔽性和安全性.第三,提出了一种安全的JPEG图像密写方案,将秘密信息嵌入非0非直流DCT系数时,既不改变原始图像的DCT系数直方图,也不增加载体图像的分块效应,因此可以有效抵抗基于直方图失真或分块特性的密写分析.四、对基于视觉特性的密写进行了分析并提出安全的密写方案.通过分析复杂度直方图和象素灰度差值直方图中的异常现象可以有效攻击BPCS密写和PVD密写,还可以准确估计嵌入量.而新密写方案能够更细致地分辨每个象素的隐藏能力,并且通过引入混合进制系统,不必在每个象素一定嵌入整数比特,具有更好的灵活性和隐蔽性,而且攻击者在不知密钥的情况下难以检测秘密信息是否存在.本文在数字水印方面的工作可以结合在一起,尝试了数字水印技术的安全性集成,将有助于数字水印走向成熟并最终实现全面商用.本文设计的密写方案具有安全性好、计算量小、负载率高的优点,将有助于密写技术在未来的信息战中发挥重要作用.

目录

文摘

英文文摘

说明

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

第一节信息隐藏概述

第二节数字水印介绍

1.2.1数字水印一般性框架

1.2.2数字水印分类

1.2.3数字水印的性能

1.2.4数字水印的安全性——攻击与反攻击

第三节数字密写介绍

1.3.1密写与反密写

1.3.2密写与密写分析的对抗

第四节本文的工作及意义

第二章信息隐藏基础理论研究

第一节迭加与量化隐藏方法的性能分析与比较

2.1.1迭加方案性能分析

2.1.2量化方案性能分析

2.1.3性能比较与实验结果

第二节基于迭加正交序列的多比特隐藏方案

2.2.1嵌入过程

2.2.2提取过程

2.2.3性能分析

2.2.4实验结果

第三节 干扰条件下量化隐藏方法的信息容量

2.3.1量化隐藏与干扰

2.3.2信息容量

2.3.3模拟实验

第四节小结

第三章提高数字水印安全性的新算法和新协议

第一节抗嵌入器攻击的水印算法

3.1.1嵌入器攻击

3.1.2安全水印方案

3.1.3抗攻击性能

3.1.4实验结果

3.1.5小结

第二节基于构造算法的可逆性攻击及安全水印协议

3.2.1可逆性攻击与基于算法构造的可逆性攻击

3.2.2对非可逆系统的基于算法构造的可逆性攻击

3.2.3安全水印协议

3.2.4小结

第三节初步集成安全性的水印系统

第四章 面向不同载体类型的安全密写方案

第一节安全LSB密写方案

4.1.1简单LSB密写与分析

4.1.2 GPC(Gray-Level Plane Crossing)分析

4.1.3安全LSB密写方案

4.1.4抗分析测试

第二节安全的调色板图像密写方案

4.2.1调色板图像密写与OPA方案

4.2.2 OPA密写的安全漏洞

4.2.3抗奇异颜色分析的密写方案

4.2.4结合局部特性的密写方案

第三节安全的IPEG图像密写方案

4.3.1 JPEG密写与分析

4.3.2安全密写方案

4.3.3模拟实验

第四节小结

第五章结合视觉特性的密写分析与密写

第一节对BPCS的密写分析

5.1.1 BPCS密写

5.1.2对BPCS的分析

5.1.3实验结果

第二节对PVD密写的分析和改进

5.2.1 PVD密写

5.2.2对PVD密写的分析

5.2.3改进的PVD密写

第三节逐象素密写方案

第四节性能比较

第五节小结

第六章总结与展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间公开发表或已录用的论文

致谢