基于載體修改式信息隱藏技術研究

趙路華++李紅安

摘 要：介紹基于載體修改式信息隱藏技術的基本概念、技術特點和分類方法，給出理論模型，并分析關鍵技術。重點介紹載體修改式信息隱藏技術中結構法、時間域法、空間域法和變換域法的技術特點，同時介紹可逆信息隱藏技術的概念和方法。對非載體修改式信息隱藏方法進行介紹。通過分析，指出載體修改式可逆信息隱藏技術和非載體修改式信息隱藏方法，具有技術優勢，是今后信息隱藏技術發展和研究的方向。

關鍵詞：載體修改式 隱藏技術 可逆信息隱藏

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：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

信息網絡飛速發展，網絡安全事件層出不窮，如何保護網絡信息安全迫在眉睫，傳統的加密技術，將信息加密成密文進行傳輸，密文是亂碼容易引起攻擊，信息隱藏技術應運而生，信息隱藏技術將信息隱藏在公開載體中進行傳輸，具有不可感知性，攻擊者不易發現。信息隱藏技術自20世紀90年代誕生，技術不斷發展，在隱蔽通信、版權保護、盜版追蹤等信息安全領域發揮重要作用[1-3]。本文主要介紹基于載體修改式信息隱藏技術的概念、特點和原理，并對新的可逆信息隱藏技術和非載體修改式的信息隱藏方法進行介紹，最后，對信息隱藏技術發展進行展望。

1 信息隱藏的基本概念

信息隱藏技術是一種新興的信息安全技術，它將秘密信息通過一定的算法嵌入到公開載體（如圖像、音頻和視頻等）中，利用人體感覺器官的感知局限，實現信息隱藏。

1.1 信息隱藏模型與分類

如圖1所示信息隱藏一般理論模型[4]主要分為兩部分：隱藏過程和提取過程。秘密信息指隱藏到原始載體中的信息。根據隱藏和提取過程是否需要密鑰分為無密鑰和有密鑰；按載體類型分為基于文本、圖像、音頻、視頻等多媒體載體信息隱藏；按提取信息過程是否需要原始載體信息分為盲信息隱藏和非盲信息隱藏[1-2]；按是否進行載體修改分為載體修改式和非載體修改式信息隱藏；其中載體修改式信息隱藏技術是當前研究的重點，非載體修改式（載體構造式）已有研究[5]。

1.2 信息隱藏技術特性與要求

信息隱藏技術必須考慮對載體進行操作后，仍然具有隱蔽性，該技術具有不可感知性、魯棒性、隱藏容量、安全性、錯誤率等特征。

（1）不可感知性。

也稱為不可見性。指信息的嵌入不改變原始載體的主觀質量和統計規律，不易被觀察者和監視系統覺察，原始載體與秘密載體具有一致的特性[1]。

（2）魯棒性。

魯棒性指嵌入信息的方法有一定的穩定性，并且具有一定的對非法探測和非法解密的對抗能力[1]。抵抗一些常見的信號處理操作和幾何處理操作的能力。常見的信號處理操作包括添加噪聲、濾波、重采樣、有損壓縮、平滑、A/D或D/A轉換等，常見的幾何處理操作包括旋轉、剪巧和縮放等[6]。

（3）隱藏容量。

隱藏容量指秘密信息嵌入載體中后，仍然滿足不可感知性的前提下，載體可以隱藏秘密信息的最大比特數。

（4）安全性。

安全性指假設攻擊者知道嵌入和提取算法的基礎上，仍無法提取或檢測到秘密信息。

（5）錯誤率。

指嵌入秘密信息的檢測或提取過程中出錯的概率[1]。

1.3 信息隱藏性能評價方法[1]

信息隱藏的評價方法主要分為兩類：一類是主觀評價；另一類是客觀評價。

（1）主觀評價方法。

主觀評價是利用人的主觀感知給出評判，對圖像信息隱藏常使用五級評分法（見表1）。主觀評價具有一定的不確定性，無法進行定量分析。對音頻信息隱藏按照主觀區分度和主觀意見打分[7]。

（2）客觀評價方法。

客觀評價方法使用較多的是均方誤差（Mean Squared Error，MSE）和峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）。以圖像信息隱藏為例，用和分別表示原始圖像和測試圖像的像素，m和n是圖像的坐標，M和N為圖像的維數。

2 信息隱藏的關鍵技術

信息隱藏的主要方法包括結構法、時間域法、空間域法、變換域法和可逆信息隱藏技術。

（1）結構法。

利用載體文件的結構特點，通過改變載體某部分結構來隱藏信息，常用的結構化載體有超文本文件、PDF文件、PE文件等。基于超文本文件隱藏方法主要是通過網頁語言的語法特點來隱藏，如利于修改屬性值字符串的大小寫來隱藏信息，利用標記名稱字符的大小寫來隱藏信息、將信息隱藏在元素的class屬性中等[8-9]。基于PDF文件結構信息隱藏主要是利用PDF文件對象進行信息隱藏[10]，利用PDF行末標識符不會在文檔中顯示的特性，通過等量替換PDF文檔中具有固定格式的交叉引用表的行末標識符，來實現水印信息的間接嵌入[11]；基于PE文件信息隱藏主要是利用PE文件的存儲空間冗余、結構特性和PE文件執行特點[12-13]，在不破壞PE文件的基本特性和使用價值的前提下，將受保護信息隱藏在載體PE文件中。endprint

結構化文件信息隱藏，由于文件結構比較固定，隱藏位置固定，魯棒性較差和存儲容量有限。

（2）空間域。

空間域信息隱藏是在空間域中直接對圖像像素的灰度值進行處理來實現信息嵌入。Cehk等人提出了一種廣義的最低有效位（G-LSB）方法，Ni等人提出了一種基于圖像灰度直方圖修改的信息隱藏算法，Leest等人又提出了一種改進方案，這些方方雖然都不同程度上改進了算法的性能，但具有空域法的共性，信息嵌入容量較大，算法相對簡單，易于實現，魯棒性差[6]。

（3）變換域法。

變換域信息隱藏是先利用某種數學變換方法對載體圖像進行一定的變換，然后對變換系數進行適當的處理來實現信息的嵌入，最后再對這些變換系數進行逆變換來得到帶有秘密信息的圖像[6]。目前常用變換方法有離散傅里葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）和離散小波變換（DWT）。

和基于空間域的方法相比，基于變換域的方法魯棒性較強，能夠抵抗一些針對隱秘圖像的常見處理操作和攻擊，而且由于經過逆變換后嵌入的秘密信息都分散到了整幅圖像上，不可探測性更好。但是基于變換域的方法也有其缺點，那就是信息嵌入容量相對較小，而且算法也相對復雜。

（4）可逆信息隱藏技術。

傳統信息隱藏算法常給原始載體帶來永久性失真，這在一些對數據認證要求較高、同時需要無失真恢復出原始載體的應用場合是不可接受的，如云環境中的隱私數據保護、醫學圖像處理與司法取證等。為了兼顧信息隱藏與原始載體的無失真恢復，可逆信息隱藏被提出，要求在提取隱藏信息后可以無差錯地恢復出原始載體。可逆信息隱藏根據載體是否加密分為密文域與非密文域兩類[14]。文獻[3]分析了可逆信息隱藏的技術難點和各類代表性算法，對密文域可逆信息隱藏技術進行了分類，分析了不同嵌入方式的技術特點、實現框架與應用上的局限性，并提出該技術的發展方向。

3 非載體信息隱藏

傳統信息隱藏算法以修改載體數據的方式進行隱蔽通信，并保證感知逼真與統計逼真。文獻[5]重點分析非載體修改式的新型信息隱藏方法，介紹了適合于特定載體類型的半構造式信息隱藏、完全構造式信息隱藏及行為信息隱藏的基本形式與代表性方法。

（1）構造式信息隱藏，是指在不預先指定原始載體的情況下，由秘密信息按照一定規則直接生成含密載體，而含密載體可以不表示真實的客觀世界，但與正常內容相比應具有不可區分性。文獻[5]分析了紋理合成信息隱藏、Marbling信息隱藏、指紋構造信息隱藏。

（2）行為信息隱藏即利用人類在物理世界或賽博空間中的行為隱蔽傳輸機密信息。在數字時代，隨著社交網絡、可穿戴設備、視頻監控等技術的普及，越來越多的人類行為被采集、記錄及傳輸，利用人類行為進行信息隱藏的條件也日漸成熟，可見行為信息隱藏將有廣闊發展空間及應用前景。

4 結語

本文重點探討了載體修改式信息隱藏基本概念、關鍵技術，載體修改式信息隱藏技術理論較成熟，很多在實踐中已經起到了重要作用，其中可逆信息隱藏技術是研究和發展的重點；介紹了非載體修改方式的新型信息隱藏方法，其中構造式信息隱藏、完全構造式的信息隱藏及行為信息隱藏，尚不成熟，還有很大研究空間。

參考文獻

[1] 曹云飛，王洪霞，熊玲.信息隱藏理論與實踐[M].國防工業出版社，2016.

[2] 楊榆，鈕心忻.信息隱藏與數字水印實驗教程[M].國防工業出版社，2009.

[3] 柯彥，張敏情，劉佳，等.密文域可逆信息隱藏綜述[J].計算機應用，2016，36（11）：3067-3076.

[4] 陳波，譚運猛，吳世忠.信息隱藏技術綜述[J].計算機與數字工程，2005，33（2）：22-27.

[5] 張新鵬，錢振興，李晟.信息隱藏研究展望[J].應用科學學報，2016，34（5）：475-484.

[6] 利詳.壓縮域圖像可逆信息隱藏[D].浙江大學，2016.

[7] 黃昊，郭立.音頻信息隱藏關鍵技術研究[D].北京：中國科學技術大學，2008.

[8] 王媛媛，劉金嶺.基于標記屬性的多網頁信息隱藏算法[J] 計算機與數字工程，2016，315（1）：1-3.

[9] 杜耀剛，薛飛.一種基于類名的大容量網頁信息隱藏算法[J]密碼學報，2017，4（1）：29-37.

[10] 劉友繼，孫星明，羅綱.一種新的基于PDF文檔結構的信息隱藏算法[J].計算機工程，2006，32（17）：230-232.

[11] 鐘征燕，郭燕慧，徐國愛.基于PDF文檔結構的數字水印算法[J].計算機應用，2012，32（10）：2776-2778.

[12] 李錢，方勇，譚登龍，等.基于PE文件無容量限制的信息隱藏技術研究[J].計算機應用研究，2011，28（7）：2758-2760.

[13] 端木慶峰，王衍波，張凱澤，等.基于PE文件資源數據的信息隱藏方案[J].計算機工程，2009，35（13）：128-133.

[14] Zhang Xinpeng.Reversible data hiding in encrypted image[J].IEEESignal Processing Letters，2011，18（4）：255-258.endprint