1、本科毕业论文（20 届）图像信息隐藏算法的研究与实现所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期2目录摘 要 .1Abstract .2前 言 .3第一章 绪 论 .41.1 开发背景 .41.2 关于国内 z 外对图像信息隐藏系统的分析 .41.3 本文的任务与目标 .51.4 本文所做的工作 .6第二章 信息隐藏概述 .72.1 信息隐藏技术的基本概念 .72.2 信息隐藏技术的属性 .72.3 信息隐藏的方法 .72.4 信息隐藏的算法 .8第三章 图像信息隐藏的总体设计 .113.1 系统的总体结构 .113.2 系统的运行环境 .11第四章 图像信息隐藏的预处理 .1
2、24.1 信息隐藏预处理 .124.2 预处理的方法 .124.4 置乱方案 .14第五章 图像信息隐藏的嵌入和提取 .185.1 图像信息隐藏的嵌入 .185.2 图像信息隐藏的提取 .19第六章 图像信息隐藏系统的实现 .206.1 系统设计的实现效果 .206.2 对隐秘载体进行攻击 .216.3 比较结果 .25结束语 .26致 谢 .27参考文献 .28附录1摘 要本文详尽阐述了基于离散余弦变换（DCT）的图像信息隐藏系统的设计过程，主要包括载体图像的分块，信息图像在嵌入前的预处理，图像的嵌入以及提取。将载体图像进行分块后做 DCT 变换，把要隐藏的信息图像采用 Arnold 变换进
3、行预处理，使其像素位置打乱后，分别嵌入到每块载体图像的中频系数上，实现嵌入过程。通过使用MATLAB7.0 软件进行测试表明，该方法对于加噪，滤波，剪切，缩放，旋转，压缩等攻击测试具有较强的鲁棒性，是一种简单、易操作的信息隐藏算法。关键词：图像信息、预处理、隐藏算法2AbstractThis paper describes the design process in detail based on the discrete cosine (DCT) of the image information hiding system. It includes the blocks of vector
4、image, the preprocessing of information image before embedding, the embedding and extraction of image. In order to achieve the embedding process, putting the vector image do DCT transformation after blocking, making information image which need to hide do preprocessing by using Arnold transform, and
5、 making its pixel position upset, then being embedded into the middle frequency coefficients of each vector images. By using MATLAB7.0 software doing the test, it showed that the methods for adding noise, filtering, cropping, scaling, rotation, compression attack detection has strong robustness, thi
6、s is a simple, easy to operate information hiding algorithm.Keywords: image information，preprocessing， hiding algorithm 3前 言随着科学技术的发展，信息安全问题越来越受到人们的重视，因此作为信息安全主要手段的信息隐藏技术，它的逐步发展就是把数字隐写工具实用化。图像信息隐藏技术是把一幅或者多幅具有特殊含义的信息图像藏到另一幅图像中，通过传送的方式将有特殊含义的图像传递给接收方；在传送的过程中，非法者不知道图像背后有“猫腻” ，无法从中提取出有特殊含义的图像，从而达到了信息隐藏的
7、目的。信息隐藏技术在给我们带来方便快捷的同时，也给社会带来了一定的影响和严重的损失，如非法的第三方盗取和破坏一些重要信息。为了确保信息传输的安全性，通过隐藏算法或技术，对一些重要信息进行保护，使攻击者感觉不到信息的存在而无法下手，保证信息的安全性。论文中设计的图像信息隐藏系统，主要是由载体图像的分块处理，嵌入前信息图像的预处理，信息图像的嵌入，以及隐秘载体的提取四部分组成。文中所提出的一种基于 DCT 域的图像信息隐藏算法，主要是对载体图像进行分块DCT 变换，将经过预处理的信息图像嵌入其中，然后做离散余弦反变换(IDCT)，最后得到新的信息图像。当要对嵌入后得到的新的信息图像进行提取时，需要
8、对其进行 DCT变换，通过图像恢复，得到原来的信息图像。全文共分为五章。第一章绪论，讲了关于图像信息隐藏的开发背景、国内外对其的分析、以及任务与目标和本文所做的工作；第二章，信息隐藏概述，这个章节主要讲了它的基本概念以及它的属性，并给出了相关的方法以及算法；第三章，系统的总体设计，画出了总体结构图，并介绍了运行环境；第四章，信息图像预处理，讲述了有关预处理的方法和本文所用到的置乱方案；第五章，图像信息隐藏的嵌入和提取，描述了嵌入过程和提取过程；第六章把设计的系统进行仿真实验，并对其进行了攻击检测和实验结果比较。4第一章 绪 论1.1 开发背景快速发展的网络技术和多媒体技术,使得人们在日常生活中
9、不断的将信息进行广泛的传播和使用，这或多或少已成了生活中不可缺少的一部分。人们在享受信息技术所带来的方便和快捷的同时，不少非法的第三方对一些重要的信息进行盗取或加以破坏，这不仅给人们带来了一定的损失，也给社会造成了严重的影响。怎样才能确保信息能够更加安全的使用和传播呢？一般来说，都是直接对这些重要信息进行加密算法保护来进行传输的。但是，这种加密算法保护的方法已经能够被破解了，因为计算机的运算和处理能力不断的得到了提高。因此，我们需要找到一种更加好的信息安全技术来解决我们的燃眉之急。信息隐藏技术的出现，改变了以往信息使用和传播的安全技术的思想，通过隐秘通信的方式，把重要信息隐藏在多媒体介质中进行
10、传递。换句话来说, 为了达到将重要信息隐藏的效果，通过人类视觉和听觉系统对多媒体介质的一些冗余特性，利用隐藏算法把要隐藏的信息嵌入到多媒体介质中去。人类一般是没有办法判别嵌入信息后的多媒体介质与原始多媒体介质的差别。有了这项技术，在传递信息的时候，非法的第三方就没办法提取那些重要的信息,因为他察觉不到已经隐藏了的重要信息的存在,更不用说盗取或破坏秘密信息了。1.2 关于国内外对图像信息隐藏系统的分析出于对知识产权保护和信息安全的需求，上世纪 90 年代以来，国内外开始对信息隐藏技术投入了大量的关注和研究。为了便于学术交流，1996 年 5 月，国际第一届信息隐藏学术讨论会(Internatio
11、nal Information Hiding Workshop, mw)在英国剑桥牛顿研究所召开，对信息隐藏的部分英文术语和学科分支进行了统一和规定，标志着一门新兴的交叉学科信息隐藏学 1的正式诞生。1998 年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的报告。目前，已支持或开展信息隐藏研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业。从公开发表的文献看，国际上在信息隐藏方面的研究已经取得了一定的成绩。从 1996 年以后提出了一些成功的隐写方法，还出现了一些隐写工具；适用的技术包括将 LSB 嵌入法直接用于图像的像素、颜色指数、变换系数，结合 JPEG 和 MP3 编写的隐写，应用扩频技术的隐写
12、法等 2。近5年来还出现了许多其它方法，例如基于小波变换的有损压缩嵌入技术，具有抗压缩的能力；通过修改量化表嵌入数据，在提高嵌入量的同时能达到很高的隐蔽性；一些隐写算法被开发成工具，其中有数以百计的隐写软件可在互联网上获得，对隐写分析的研究也取得了不少的进展；已发表的成果包括面向 JPEG 图像隐写、LSB 嵌入、调色板图像等隐写分析法 2。近年来的一些研究成果包括 Memon 等基于图像和音频质量测度的隐写检测技术，以及 Westfeld 针对 MP3Steg 等几种隐写算法进行的低嵌入量隐写分析 2。 隐写的安全性一直是研究者关注的重要问题，一些隐写分析方法要求无限的计算能力和关于载体的详
13、细统计知识，这往往不能够现实，于是人们提出了实用的隐写安全性概念；最多可嵌入多少信息而不会导致统计可检测性是另一个重要问题，针对 LSB 嵌入法和基于压缩图像的隐写，结合安全性考虑等作了理论分析 3。 在国内，以数字水印为代表的信息隐藏技术虽然起步比较晚，但发展却十分迅速，己经有相当一批有实力的科研人员和机构投入到这一领域中；1999 年 12 月，我国信息安全领域的何德全、周仲义、蔡吉人与有关应用研究单位联合发起并组织召开第一届全国信息隐藏学术研讨会(CMW1999) 4。CIHW 已成为国内最具代表性的信息隐藏学术交流活动，至今已举行了六届全国会议；第六届(CIHW20064)于 2006
14、 年 8 月上旬在哈尔滨工业大学召开，聚集国内众多从事多媒体信息安全技术研究的专家学者，就多媒体信息安全技术及数字版权保护技术等领域的最新研究成果展开研讨，经 42 位专家评审，从近 150 篇论文中评审出 78 篇组成论文集，发表在哈尔滨工业大学学报增刊上 4。此外，全国网络与信息安全技术研讨会(NETSEC)、中国可信计算与信息安全学术会议(CTCIS)、全国图像图形学学术会议 (NCIG)等各类学术研讨会都涉及到信息隐藏，各类研讨会总结、交流国内外近年来关于信息隐藏的先进技术和重大应用，研讨具有创新意义的研究方法、前沿动态及发展趋势 4。至今，使用密码加密依旧是信息安全传输的主要手段，在
15、理论研究，实用性和技术的成熟度等方面，虽然密码加密技术要比信息隐藏技术更甚一筹，但信息隐藏技术具有不可计算的潜在价值，随着研究深入发展，它将在未来的信息安全体系之中发挥重要的作用 4。1.3 本文的任务与目标本文所要完成的主要任务是：（1）查找相关资料，熟悉并掌握图像信息隐藏的概念和基本要求；（2）了解已有的图像信息隐藏技术，确定要研究的方向；（3）掌握空间域和变换域上不同的信息隐藏算法及原理，通过分析比较后，提出了6一种基于 DCT 域的图像信息隐藏算法；（4）了解与图像处理有关的方法，制定合适的处理方案；（5）熟练并使用 MATLAB7.0 软件对图像信息隐藏的算法进行仿真，分析其实验结果
16、；（6）对嵌入后得到的隐秘载体进行攻击检测，整理实验数据，分析并比较算法的优缺点；本文的目标：将一幅图像藏于另一幅图像之中，并对它进行攻击检测。1.4 本文所做的工作本文主要工作为：(1) 信息隐藏概述：介绍其基本概念以及属性，并给出了相关的方法以及算法；(2) 总体设计，画出系统总体结构图；并介绍了系统运行的环境。(3) 信息图像预处理，讲述了有关预处理的方法和本文所用到的置乱方案；(4) 图像信息隐藏的嵌入和提取，描述了嵌入过程和提取过程；(5)把设计的系统方案使之实现，并对其进行了攻击检测和实验结果比较。7第二章 信息隐藏概述信息隐藏涉及的范围很广，隐藏技术在各个领域里的应用实例也很多。
17、本章中对这些技术做了简单的概念介绍。2.1 信息隐藏技术的基本概念信息隐藏，也可以称为数据隐藏。它能够简单地被理解为：含有特殊意义的信息在另一公开的载体之中隐蔽起来，载体存在的形式 5有：文本，视频，图像，音频或是信道，甚至编码体制或整个系统。文字、图像、音频等这些多媒体一般都会被信息隐藏技术用来作为传递过程中的载体。由于多媒体介质本身存在的一些特性，使得信息可以在多媒体数据中隐蔽起来。多媒体介质的时间，或空间冗余性，以及人类自身的视觉感官系统对一些信息的微小变化是察觉不出来的。2.2 信息隐藏技术的属性信息隐藏技术经过多年研究和发展，在不同方面的应用使它具有了不同的属性。但是，一些基本的属性
18、是所有的信息隐藏系统都共有的。信息隐藏技术作为隐秘信息通信的一种手段，其具有的基本属性主要有三种:不可感知性、鲁棒性和隐藏容量。（1）不可感知性，信息隐藏的根本属性，也称透明性、隐密性。信息隐藏技术通过人眼视觉特性，不能察觉到信息的存在，将要隐藏的信息嵌入载体中，使得秘密信息不会轻易被观察者察觉。（2）鲁棒性，它是指要隐藏的信息在信息隐藏系统中进行传输的时候，经过多重无意或有意的信号处理，仍然能够把要隐藏的信息恢复成原来的样子，也同时保证了它的低错误率、高精度提取，反映了信息隐藏技术抗干扰的能力（3）隐藏容量，也叫嵌入量。是指隐秘通信时，为了提高通信时的效率，希望每一个载体都能够容纳大量的要隐
19、藏的信息。隐藏容量是反映这种能力的一个指标，它考虑的是传输时包含的信息量。2.3 信息隐藏的方法8信息隐藏的方法有很多，比如隐写术，潜信道，可视密码技术，隐匿协议和数字水印技术等等，但主要的也就隐写术，数字水印和可视密码技术了。（1）隐写术(Steganography)：就是把秘密信息隐藏到像数字图像一样类似的普通信息中然后再进行传送 6。（2）数字水印技术(Digital Watermark)：这个技术是直接在数字载体中嵌入一些有意义的信息(例如数字水印)，做到既能不影响原载体的使用价值，也能达到一个隐藏作用。数字水印目前主要有两种类型,即空间域的和频率域的。LSB 算法（最低有效位）是空间
20、数字水印中最具代表性的,这个算法主要是依据数字图像的颜色或其颜色分量的位平面被修改,然后将图像中不可感知性差的像素进行调整后来将水印进行隐藏,从而实现嵌入水印的目的。而在频率域中的常常使用的算法是扩展频谱算法,通过进行时频分析后,依照扩展频谱的特性,在数字图像上选择频率域中敏感的区域,把那部分区域的系数修改后，使之系数隐含要隐藏的水印信息 7。（3）可视密码技术(Visual Cryptography)：就是在恢复要隐藏的信息图像的时候，不用计算多么复杂或是简单的密码学，仅仅只要用人眼感官系统，就能将秘密图像轻松的识别，这也是它主要的特点 5。2.4 信息隐藏的算法当下，载体信息在信息隐藏中被
21、研究使用的种类有很多种：语音信号、应用软件、文本、图像、或视频信号。而数字图像的大量存在，导致研究有关图像信息隐藏的课题是最多的，且大多数情况下只要对所研究出来的方法进行改进，就可以在其他载体中进行嵌入，一点也不困难。在我国，一些重要的中文期刊，有关图像工程的 15 种当中，跟图像和信息隐藏的文献相关联的，在 2003 年的时候有 49 篇，2004 年的时候有 57 篇，2005 年的时候有 48 篇，可见在信息技术中，图像信息隐藏技术已经是重要的研究对象之一了。用来隐秘通信的图像信息隐藏算法，可以分成两种：一种是空间域的，另一种是变换域的。2.4.1 空间域隐藏算法空间域隐藏是在图像的空间域中把要隐藏的信息镶嵌进去。就是通过修改图像的像素灰度值，来把要隐藏的信息进行隐蔽。主要算法有 LSB 替换算法。LSB 替换算法：最低有效位(Least Significant,LSB)方法 8，它是把载体图像的像
