走进信息隐藏的世界，全面讲解信息隐藏——第1节：信息隐藏技术简介

专栏题记：奥斯卡优秀电影《美丽心灵》里面有讲述一位优秀数学家为政府破译敌国通讯的情节，如电影所讲，现实中也有着类似的情节，在我们的生活中，我们所看过的图片、视频和游览过的网页，也许就隐藏着他人需要传输的秘密信息（是不是有点恐怖，差一点成为帮凶了），这就是信息隐藏！由于应用场景一般比较神秘，导致很多人其实都不太了解信息隐藏技术。由于国家越来越重视网络信息的安全，现在也是有越来越多的研究人员进行着这方面的研究工作。本人也是其中一位非常平凡的研究人员，笔者抱着学习和分享的态度，希望略尽绵薄之力让大家对信息隐藏技术不再陌生，同时慢慢掌握如何进行信息隐藏的技术。接下来本人会不定时更新信息隐藏技术的相关原理和关键技术实现过程，同时会提供程序代码给大家学习，也欢迎有志之士可以和我一同创建学习平台，也可以在评论下建议下一节希望学习的研究内容。谢谢！

信息隐藏也称数据隐藏，信息隐藏技术是指在不对载体数据产生可察觉影响的前提下，将密信数据隐藏到载体中实现隐蔽通讯的技术。是集多学科理论与技术于一身的新兴技术领域。信息隐藏技术主要是指将特定的信息嵌入数字化宿主信息(如文本，数字化的声音、图像、视频信号等)中，信息隐藏的目的不在于限制正常的信息存取和访问，而在于保证隐藏的信息不引起监控者的注意和重视，从而减少被攻击的可能性，在此基础上再使用密码术来加强隐藏信息的安全性，因此信息隐藏比信息加密更为安全。应该注意到，密码术和信息隐藏技术不是互相矛盾、互相竞争的技术，而是相互补充的技术，他们的区别在于应用的场合不同，对算法的要求不同，但可能在实际应用中需要互相配合。特定的信息一般就是保密信息，信息隐藏的历史可以追溯到古老的隐写术，但推动了信息隐藏的理论和技术研究始于1996年在剑桥大学召开的国际第一届信息隐藏研究会，之后国际机构在信息隐藏领域中的隐写术、数字水印、版权标识，可视密码学等方面取得大量成果。

信息隐藏系统模型

广义的信息隐藏系统模型主要有四部分组成：（1）信息嵌入，即利用嵌入秘钥来实现嵌入对象的隐藏过程；（2）信息提取，即利用提取秘钥从隐藏对象或可能经过修改的隐藏对象中提取或恢复出嵌入对象，在提取时，原始的载体对象可能需要参与也可能不需要参与；（3）秘钥生成，根据安全参数生成嵌入秘钥和提取秘钥；（4）隐藏分析，隐藏对象在传输过程中可能会被隐藏分析者截获并进行处理。信息隐藏系统模型如下图所示：

在信息隐藏系统模型中，在嵌入过程中我们使用嵌入密钥将嵌入对象嵌入掩护对象中，生成隐藏对象，如下图将一个txt的文本嵌入到一张JPEG的图像中。嵌入对象和掩护对象可以是文本、图像或音频等等。在我们没有使用工具进行分析时，我们觉得掩护对象与隐藏对象几乎没有差别，这就是信息隐藏概念中所说的“利用人类感觉器官的不敏感性”。隐藏对象在信道中进行传输，在传输的过程中，有可能会遭到隐藏分析者的攻击，隐藏分析者的目标在于检测出隐藏对象、查明被嵌入对象、向第三方证明消息被嵌入、删除被嵌入对象、阻拦等。其中前三个目标通常可以由被动观察完成，称为被动攻击，后两个目标通常可以由主动攻击实现。提取过程则是在提取密钥的参与下从所接收到的隐藏对象中提取出嵌入对象，如将上述txt文件从JPG的图像中提取出来。有些提取过程并不需要掩护对象的参与，这样的系统称为盲隐藏技术，而需要掩护对象参与的系统则称为非盲隐藏技术。

信息隐藏技术的分支简介

作为信息安全领域的一个重要组成部分，信息隐藏技术已成为信息安全领域中一个既具有研究价值、同时又极具挑战性的热门课题，信息隐藏技术的分支主要包括：隐写术、数字水印、数字指纹、隐蔽信道、阈下信道、低截获概率通信和匿名通信等等。其分类示意图如下图所示：

信息隐藏技术的特性和要求

信息隐藏不同于传统的加密，因为其目的不在于限制正常的资料存取，而在于保证隐藏数据不被发现。因此，信息隐藏技术必须考虑正常的信息操作所造成的威胁，即要使机密数据对正常的数据操作技术具有免疫力。根据信息隐藏的不同目的和技术要求，该技术的存在以下特性和要求：

透明性或不可感知性：利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系列的隐藏处理，使得载体对象没有明显的降质现象，如LSB算法等。当然，有些场合可能需要使用可见水印，例如某些版权维护的场合。
鲁棒性：指不因隐藏对象通过某些常用操作而导致嵌入对象丢失的能力。这里的常用操作包括滤波操作、有损压缩、几何变换、D/A或A/D等。
安全性：指算法具有较强的抗恶意攻击能力。
不可检测性：指载体数据嵌入数据后无明显改变，至少肉眼看不出变化

信息隐藏关键技术

近年来，信息隐藏技术的研究取得了很大的进步，已经提出了各种各样的隐藏算法。关键的信息隐藏技术有如下几种。

　　(1)替换技术

　　所谓替换技术，就是试图用秘密信息比特替换掉伪装载体中不重要的部分，以达到对秘密信息进行编码的目的。替换技术包括最低比特位替换、伪随机替换、载体区域的奇偶校验位替换和基于调色板的图像替换等。替换技术是在空间域进行的一种操作，通过选择合适的伪装载体和适当的嵌入区域，能够有效地嵌入秘密信息比特，同时又可保证数据的失真度在人的视觉允许范围内。

　　已经提出的各种算法大都给出了其实现思想，如对于基于调色板的图像格式，可操作其调色板来嵌入信息，也可以利用它的量化值来隐藏秘密信息，因此该技术在数据伪装中得到了广泛的应用。

　　替换技术算法简单，容易实现，但是鲁棒性很差，不能抵抗图像尺寸变化、压缩等一些基本的攻击，因此在数字水印领域中一般很少使用。

　　(2)变换技术

　　大部分信息隐藏算法都是在变换域进行的，其变换技术包括离散傅里叶变换(DFT)、离散余弦变换(DFT)、离散小波变换(DWT)和离散哈达玛特变换(DHT)等。这些变换技术都有各自的特点。

　　DFT在信号处理中有着广泛应用，在信息隐藏领域也同样得到了应用。它将图像分割成多个感觉频段，然后选择合适部分来嵌入秘密信息。D CT使空间域的能量重新分布，从而降低了图像的相关性。在DCT域中嵌入信息的方法，通常是在一个图像块中调整两个(或多个)DCT系数的相对大小。DWT是对图像的一种多尺度、空间频率分解，即将输入信号分解为低分辨率参考信号和一系列细节信号。在一个尺度下，参考信号和细节信号包含了完全恢复上一尺度下信号的全部信息。

　　(3)扩频技术

　　当对伪装对象进行过滤操作时可能会消除秘密信息，解决的方法就是重复编码，即扩展隐藏信息。在整个伪装载体中多次嵌入一个比特，使得隐藏信息在过滤后仍能保留下来，这种方法虽然传输效率不高，但却具有较好的健壮性。扩频技术一般是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码，将载有信息数据的基带信号频谱进行扩展，形成宽带低功率谱密度信号。最典型的扩频技术，为直序扩频和跳频扩频。直序扩频是在发端直接用具有高码率的扩频编码去扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频编码解扩，将扩频信号还原为原始信号。跳频扩频是在发端将信息码序列与扩频码序列组合，然后按照不同的码字去控制频率合成器，使输出频率根据码字的改变而改变，形成频率的跳变；在接收端为了解跳频信号，要用与发端完全相同的本地扩频码发生器去控制本地频率合成器，从中恢复出原始信息

信息隐藏的应用实例

案例一：信息隐藏技术在电子商务中的应用

　　目前信息隐藏技术在电子商务中的应用主要体现在以下几个方面：

　　1.数据保密

　　在具体电子商务活动中，数据在Internet上进行传输一定要防止非授权用户截获并使用，如敏感信息，谈判双方的秘密协议和合同、网上银行交易中的敏感数据信息，重要文件的数字签名和个人隐私等等。另外，还可以对一些不愿为别人所知道的内容使用信息隐藏的方式进行隐藏存储。

　　2.数据的不可抵赖性

　　在网上交易中，交易双方的任何一方不能抵赖自己曾经做出的行为，也不能否认曾经接收到的对方的信息，这是交易系统中的一个重要环节。这可以使用信息隐藏技术中的水印技术，在交易体系的任何一方发送或接收信息时，将各自的特征标记以水印的形式加入到传递的信息中，这咱水印应是不能被去除的，可达到确认其行为的目的。

　　3.防伪

　　商务活动中的各种票据的防伪也是信息隐藏技术的用武之地。在数字票据中隐藏的水印经过打印后仍然存在，可以通过再扫描回数字形式，提取防伪水印，以证实票据的真实性。

　　4.数据的完整性

　　对于数据完整性的验证是要确认数据在网上传输或存储过程中并没有被窜改，可通过使用脆弱水印技术保护的媒体一旦被窜改就会破坏水印，从而很容易被识别。

案例二：信息隐藏技术在网络战中的运用[2]

　　信息隐藏之所以比密码加密的方法进行保密通信具有更大优势，是因为以信息隐藏方式实现隐蔽通信，除通信双方以外的任何第三方并不知道秘密通信这个事实的存在，这就较之单纯的密码加密更多了一层保护，使得网络加密机制从“看不懂”变为“看不见”，以不至成为好事者攻击的目标。

　　(1)数据保密

　　在因特网上防止非授权用户截获并使用传输的一些秘密数据，是网络安全的一个重要内容。信息隐藏技术在军事上的应用，可以将一些不愿为人所知的重要标识信息用信息隐藏的方式进行隐蔽存储，像军事地图中标明的军备部署、打击目标，卫星遥感图像的拍摄日期、经纬度等等，都可用隐藏标记的方法使其以不可见的形式隐藏起来，只有掌握识别软件的人才能读出标记所在。

　　(2)数据保护

　　数据保护主要是保证传输信息的完整性。由于隐藏的信息是被藏在宿主图像等媒体的内容中，而不是文件头等处，因而不会因格式的变换而遭到破坏。同时隐藏的信息具有很强的对抗非法探测和非法破解的能力，可以对数据起到安全保护的作用。对于数据完整性的验证是要确认数据在网上传输或存储过程中并没有被窜改。通过使用脆弱水印技术保护的媒体一旦被窜改就会破坏水印，从而很容易被识别。

　　(3)数据免疫

　　所谓免疫是指不因宿主文件经历了某些变化或处理而导致隐藏信息丢失的能力。某些变化和处理包括：传输过程中的信道噪声干扰，过滤操作，再取样，再量化，数／模、模／数转换，无损、有损压缩，剪切，位移等。

作者：Daniel
来源：CSDN
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