信息安全專業(yè)“信息隱藏”課程的教學研究

摘要:信息隱藏是信號處理和信息安全的交叉學科，在網(wǎng)絡信息安全和軍事保密上具有重要的作用。本文首先分析了“信息隱藏”課程在信息安全課程體系中的位置和作用，在相關調研的基礎上，確定“信息隱藏”課程的教學內容，并根據(jù)教學實際，介紹了該課程在課堂教學、試驗教學等方面的探索和實踐。

關鍵詞:信息隱藏;信息安全課程體系;教學

信息隱藏技術是20世紀90年代中期從國外興起的，是集多學科理論與技術于一身的新興技術，它利用人類感官的不敏感，以及多媒體數(shù)字信號本身存在的冗余，將秘密信息隱藏在宿主信號中，在不影響宿主信號的感覺效果和使用價值的前提下，通過宿主信號的公開傳輸來傳遞秘密信息[1][9]。作為信息隱藏的一個重要分支——數(shù)字水印，是當前的一個熱點研究方向，其主要驅動力在于對版權保護的關注。數(shù)字水印作為知識產(chǎn)權保護和數(shù)字多媒體防偽的有效手段，有著巨大的應用前景[2]。

我校于2005年為信息安全專業(yè)高年級學生開設了信息隱藏選修課程，“信息隱藏”課程推出，是對我校信息安全課程體系建設的一個重要的補充和完善。與其他課程相比，該課程有以下幾個特點:

(1) 信息隱藏的研究還面臨著許多未知領域，缺乏系統(tǒng)性的理論基礎以及公平統(tǒng)一的性能測試與評價體系[3]。

(2) 信息隱藏是一門新的綜合性前沿學科，涉及到數(shù)字圖像處理、信號與信息處理、計算機網(wǎng)絡攻防和密碼學等多門學科知識。經(jīng)過4年的教學實施，我們發(fā)現(xiàn)，學生對該領域比較陌生并且缺乏學習該門課程的前期基礎知識，信息隱藏的理論知識對其而言過于深奧，部分學生反映無法接受。

因此“信息隱藏”課程的教學存在很多問題有待

研究、解決并加以實踐驗證，本文針對課堂教學和實驗教學兩個核心環(huán)節(jié)對“信息隱藏”課程的教學方法進行研究。

1“信息隱藏”課程分析

與密碼學相比，信息隱藏的特點在于隱藏了信息的存在，它打破了傳統(tǒng)密碼學的思維范疇，從一個全新的角度審視信息安全，密碼技術研究如何將機密信息進行特殊的編碼，以形成不可識別的密碼形式，而信息隱藏則主要研究如何將秘密信息隱藏于另一公開的信息中，然后通過公開信息的傳輸來傳遞秘密信息[4]。在實際應用中，通常將兩種技術相結合:秘密信息經(jīng)過加密形成密文，然后隱藏在公開的信息(載體)中進行傳遞，載體的形式可以是任何一種數(shù)字媒體，如圖像、聲音、視頻或一般的文本文檔等。兩者的適當組合運用可以相互彌補不足之處，更好地實現(xiàn)信息安全。

“信息隱藏”課程在整個信息安全專業(yè)課程體系中與其他課程的關系如圖1所示，它可以說是“近世代數(shù)”、“數(shù)字圖像處理”、“數(shù)字信號處理”、“信息論”、“數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡”等多門課程的綜合運用，在此基礎上，可以開設“隱寫分析”等后續(xù)課程。

基金項目:安徽高等學校省級教學研究項目(2008jyxm219)。

作者簡介:鄭淑麗(1974-)，女，副教授，博士，研究方向為網(wǎng)絡與信息安全、智能信息處理。

圖1“信息隱藏技術”在信息安全課程體系中的地位和作用

2課堂教學

“信息隱藏”課程是我校信息安全專業(yè)的一門專業(yè)選修課，涉及學科的前沿知識較多，對于信息安全而言，該門課程的內容又是重要的，需要學生掌握或了解。因此，該門課程教學難度大，學生學習的難度也較大，任課教師不僅要花費較大的精力去備課、講授，而且要努力做到理論聯(lián)系實際，既要課堂講授得法，又要合理安排實驗內容，以引起學生的興趣。

2.1教學內容設置

信息隱藏選修課旨在向學生介紹這個充滿活力的領域中的基本理論原理及典型算法，為其以后從事信息隱藏及通信保密科學研究和工程實踐做好準備。教學內容的選取和設置對提高學員興趣，激發(fā)學生熱情和鍛煉動手能力都至關重要。

信息隱藏的研究分支包括隱寫術、數(shù)字水印、隱蔽信道及信息分存等;按照載體類型分類，又可分為文本、圖像、音頻、視頻、軟件等媒體的信息隱藏，了解和掌握這些技術要求學生有著扎實和廣泛的計算機專業(yè)基礎知識，如果把這些內容全部納入32學時的選修課中，講授起來只能是蜻蜓點水，學生無法很好地掌握?？紤]到隱寫術和數(shù)字水印是信息隱藏的兩個重要研究領域，并且我校信息安全專業(yè)開設了“數(shù)字圖像處理”公選課，此外，到目前為止被認為成熟的信息隱藏算法基本上都是以圖像為載體，因此，我們從實際角度出發(fā)，將課程的重點放在隱寫術和水印兩個部分，載體類型為靜止圖像，對于其他研究分支以及音頻、視頻等載體類型的信息隱藏，僅做普及性介紹。

關于隱寫術，該部分的重點是以靜止圖像為例，介紹經(jīng)典的隱寫算法，如空域的LSB算法及DCT域的交換系數(shù)法。而數(shù)字水印部分，則將重點放在變換域圖像水印、水印算法的性能評價及測試基準、水印的攻擊及對抗策略等部分。由于隱寫分析作為信息隱藏的對抗技術有著重要的意義，不僅在理論上作為矛盾的對立面，能促進信息隱藏的深入研究和發(fā)展，在實踐上也能成為對隱藏信息技術偵察的重要手段，因此，教學內容也可以涵蓋隱寫分析方面的部分知識。

2.2課堂教學方法

為了提高學生的學習積極性，課堂教學遵循以下兩個原則:

(1) 點面結合原則。由于該課程所涉及的內容較多，而課時又有限，因此在有些內容的安排上采取點面結合的原則。如空域隱寫算法，僅重點講解經(jīng)典的最低有效位算法(LSB)，其他空域算法只做一般性的介紹。

(2) 面向應用的原則。在介紹算法和技術的同時，結合實際應用情況，也能激發(fā)學生的學習興趣。如在講解LSB算法的時候，同時介紹一款采用LSB實現(xiàn)圖像隱寫的工具軟件eShow，使得學生能夠加深對算法的理解;

“信息隱藏”課程所涉及的不少內容比較新，并且授課對象是信息安全專業(yè)高年級的學生，學生在英文閱讀和獨立學習上有一定的基礎，因此在教學方法上我們嘗試探究式教學方法。以培養(yǎng)學生獨立探索和研究的能力[5]。科學探究的活動形式是多樣的，探索式教學的具體教學形式也不是固定的[6]。在“信息隱藏”的教學中，我們就采取了各種形式的探究式教學:比如要求學生閱讀指定的英文參考文獻，并做報告及討論;在授課期間，邀請我校從事相關領域研究的老師介紹該學科各分支的最新發(fā)展動向;安排學生參加與信息隱藏領域相關的專家學術報告等，表1列出了部分教學形式。

表1信息隱藏課堂教學方法示例

序號教學內容/重點教學形式要求

1隱寫術的起源及發(fā)展閱讀文獻:Steganography(Neil F. Johnson. Technical Report November 1995)分組閱讀，以PPT的形式作報告，介紹隱寫術的起源

2空域隱藏算法/LSB(最不重要位替換)工具演示:基于彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏軟件eShow討論eShow軟件的實現(xiàn)算法

3隱寫分析/POV分析邀請從事隱寫分析領域研究的信安所所長作了題為“隱寫分析研究現(xiàn)狀”的報告自由提問

4數(shù)字水印的概念產(chǎn)品的Demo演示:成都地稅發(fā)票數(shù)字水印和護照數(shù)字水印(成都宇飛信息工程有限公司)學生課后查閱該公司的網(wǎng)站，了解其他的水印產(chǎn)品

5數(shù)字水印算法/Cox算法閱讀文獻:Secure spread spectrum watermarking for multimedia.( Cox，Technical Report November 1995)分組閱讀，課堂上一起對該算法的優(yōu)缺點進行討論，進一步分析各種改進方案

6數(shù)字水印的應用/版權保護、多媒體內容認證學生自己查閱論文，收集材料針對某種水印應用寫一篇學習報告

此外，以2008～2009年度為例，整個授課期間，我們要求學生參加了兩場專題報告，分別是張真誠教授(臺灣逢甲大學)的“影像偽裝術的最新發(fā)展”以及施漢生教授(臺北教育大學)的“視頻欺騙”。其中“影像偽裝術的最新發(fā)展”對信息隱藏這門技術的發(fā)展進行了很好的總結與概括，而“視頻欺騙”從另一個研究視角對圖像進行處理，開拓了學生的視野。

探究式教學要求教師花費比傳統(tǒng)教學更多的精力去備課，慎重選擇教學內容，合理安排教學計劃，開課這5年來的教學情況表明，這種方式非常適合“信息隱藏”這樣理論和技術不斷向前發(fā)展，內容廣泛而課時數(shù)又有限的課程。

4實驗教學

與密碼學課程類似，信息隱藏是一門實踐性很強的課程，應對“信息隱藏”課程的實驗教學環(huán)節(jié)予以重視，通過實驗教學來培養(yǎng)學生動手能力，使學生學完課程后，對信息隱藏的原理、思想和算法都有清晰、深入的理解。[7]上機實驗可以使用的編程語言較多，考慮到MATLAB在處理多媒體信號，尤其是圖像矩陣方面非常方便快捷，本門課程使用MATLAB進行編程，由于信息安全專業(yè)的教學計劃中沒有講授該語言，所以我們在教學中，也相應地分配課時講授MATLAB語言的基本知識?！靶畔㈦[藏”課程最初安排了8學時的實踐上機內容，均為編程驗證性實驗，實驗內容包含兩部分:最不重要位替換(LSB)隱藏/提取算法及DCT域隱藏/提取算法。[8]

經(jīng)過4年的教學實踐，我們發(fā)現(xiàn)，對于信息隱藏這門交叉學科，實驗學時偏短，實驗內容也過于簡單，為了更大程度地調動學生的積極性，使學生由被動接受知識改變?yōu)橹鲃犹剿髦R，有必要增加實驗學時，并對現(xiàn)有的實驗教學方法進行調整。調整后的實驗包括兩個環(huán)節(jié):編程實現(xiàn)環(huán)節(jié)和實例分析環(huán)節(jié)，在實驗中，兩個環(huán)節(jié)實驗內容穿插進行。之所以引入實例分析，是考慮到目前網(wǎng)上有許多為驗證算法而編寫的實例軟件，包括信息隱藏(數(shù)字水印)軟件(如S-Tools、Hide4PGP、Jsteg-Jpeg等)，水印測試軟件(如StirMark)等，體現(xiàn)了非常寶貴的設計思想，具有參考價值。在編程實驗過程中，穿插一些實例，讓學生試用，獲得啟發(fā)并寫出分析報告，同時，應在完成驗證性實驗的前提下加入設計性實驗的內容。調整后的實驗擬安排16學時，實驗內容如表2所示。

表2調整后”信息隱藏”課程擬開設的實驗

序號實驗名稱學時實驗類型

演示或驗證性綜合性設計性

1圖像的位平面，LSB和MSB1√

2最不重要位替換隱藏/提取算法(順序/隨機選擇像素點)3√

3隱寫軟件分析:S-Tools2√

4DCT域的信息隱藏 (交換系數(shù))4√

5水印軟件分析:Jsteg-Jpeg2√

6版權保護系統(tǒng)的分析與設計4√√

其中，編程實驗有我們自編的《計算機網(wǎng)絡實踐》指導書，幫助學生完成課程內容驗證。實例分析環(huán)節(jié)，由教師提供實例軟件，而最后的設計型實驗，要求學生利用課外時間查閱相關文獻，鼓勵學生編寫高水平的總結報告，為將來的研究和工作打下基礎。

5總結與展望

“信息隱藏”課程作為信息安全專業(yè)的一門重要課程，該課程的開設對增強信息安全專業(yè)學生的應用

能力和專業(yè)技能等有著重要的意義，如何在信息安全這一大背景下進行“信息隱藏”課程的教學是本文的核心研究內容。

信息隱藏的課堂教學，本文根據(jù)課程特點嘗試探究式教學方法，并取得了較好的教學效果;在信息隱藏的實驗教學中，引入實例分析環(huán)節(jié)，與編程實驗環(huán)節(jié)相互鋪墊，相互啟發(fā)。目前，我校信息安全專業(yè)正在進行課程調整，在以后的“信息隱藏”課程試驗教學中，將逐步引入實例分析及綜合設計實驗，并根據(jù)教學試驗效果進一步調整試驗內容。

參考文獻:

[1] 鈕心忻. 信息隱藏與數(shù)字水印的研究及發(fā)展[J]. 計算機教育，2005(1):22-24.

[2] 王麗娜，張煥國. 信息隱藏技術與應用[M]. 武漢:武漢大學出版社. 2003.

[3] 鈕心忻. 信息隱藏與數(shù)字水印[M]. 北京:北京郵電大學出版社. 2004.

[4]F. Petitcolas， R.J. Anderson， M.G. Kuhn. Information Hiding -A Survey[J]. In Proceedings of the IEEE， 1999， 87(7):1062-1078.

[5] 胡東輝，侯整風，胡學鋼. 信息安全專業(yè)“認證理論與技術”課程建設的探索與實踐[J]. 計算機教育，2007(1):3-6.

[6] 國家研究理事會. 美國國家科學教育標準[S]. 北京:科學技術文獻出版社，1999.

[7] 杜瑞穎，張煥國，彭國軍，等. 武漢大學信息安全專業(yè)實踐教學體系的探索與研究[J]. 計算機教育，2007(10):22-26.

[8] 王麗娜，郭遲. 信息隱藏技術實驗教程[M]. 武漢:武漢大學出版社. 2004.

[9] 王育民. 信息隱藏-理論與技術[M]. 北京:清華大學出版社，2006.

Research on Teaching Method of Information Hiding

ZHENG Shu-li， HU Dong-hui， HOU Zheng-feng， ZHU Xiao-ling

(School of Computer and Information， Heifei University of Technology， Heifei 230009， China )

Abstract: Information hiding is a newly arisen field combined with theory of many other subjects. It plays an important role in the network information security and military secrecy. In this paper， the role of information hiding in security curriculum is specified first， and then the teaching scope for information security students is defined based on wide investigation. Finally， the best practices in classroom training and experiment teaching is introduced.

Key words: information hiding; information security curriculum; teaching method

(編輯:白杰)