1、多媒体信息隐藏,黄 继 武2009.11.16-17,导论讲座,2,多媒体信息安全 多媒体信息隐藏的基本概念 多媒体信息隐藏的基本原理 多媒体信息隐藏的主要内容 多媒体信息隐藏的应用,主要内容,3,多媒体信息安全,多媒体信息安全：应用信号处理理论与方法，结合其它技术，解决数字媒体应用中的安全问题：版权保护、内容认证、涉密信息传输、 关键词：多媒体-对象 关键词：信息安全-目的 关键词：信号处理-主要方法和手段,相关课程：信号与系统、信息论、数字信号处理、程序设计、通信原理、多媒体技术、图像处理、密码学、,Graylevel ImagesBinary Images,空间分辨率：Xmax，Ymax
2、；灰度分辨率：L空间分辨率越高，图像细节越精细灰度分辨率越高，图像亮度层次越好,Image,5,6,Color Images: R,G, B, Y, U, V RGB系统 表示 三基色原理 YUV系统 表示：Y，U，V 亮度、色度、色饱和度,Image,7,不同空间 分辨率,512 512,128 128,256 256,64 64,8,二值图像 彩色图像,9,信号长度：T；量化分辨率：L,Audio,Video,第 i 帧,10,多媒体信息安全,信息安全属性（by ITU-X.800） 机密性（Confidentiality）：To prevent unauthorised disclosu
3、re of information 完整性（Integrity）： assurance that data received are exactly as sent by an authorized sender 可用性（Availability）： services should be accessible when needed and without delay,11,多媒体信息安全,信息安全属性（by ITU-X.800） 真实性（Authentication）： assurance that the communicating entity is the one it claims
4、to be entity authentication Data-origin authentication 不可抵赖性（Non-Repudiation） ：protection against denial by one of the parties in a communication Origin non-repudiation：proof that the message was sent by the specified party Destination non-repudiation：proof that the message was received by the speci
5、fied party,信息安全 “大杂烩”要解决的问题：多方面出现问题：各个领域方法和技术手段：多学科,12,信息安全技术,多媒体信息安全的领域划分,多媒体信息安全：“东北乱炖”,13,多媒体信息安全,多媒体信息安全包括（但不限于） 多媒体加密（Encryption） 多媒体信息隐藏（Data Hiding） 多媒体哈希（Hash） 多媒体内容认证（Authentication） 多媒体取证（Forensics） ,原始图像,像素完全加密,随机置乱,部分加密,相关课程：图像处理、密码学、数字信号处理,原始图像,像素完全加密,随机置乱,部分加密,原始音频,完全加密,30%样本加密,75%样本加密
6、,部分加密,相关课程：数字音频处理、密码学、数字信号处理,17,多媒体信息安全,多媒体信息安全包括（但不限于） 多媒体加密（Encryption） 多媒体信息隐藏（Data Hiding） 多媒体哈希（Hash） 多媒体内容认证（Authentication） 多媒体取证（Forensics） ,18,多媒体信息安全 多媒体信息隐藏的基本概念 多媒体信息隐藏的基本原理 多媒体信息隐藏的主要内容 多媒体信息隐藏的应用,主要内容,19,多媒体信息隐藏基本概念,多媒体信息隐藏解决什么安全问题？ 多媒体版权保护（机密性、可用性） 解决多媒体使用中的传输安全、版权标识、传播控制、盗版追踪 多媒体信息认证
7、（完整性、真实性、不可否认性、可用性） 解决多媒体信息的完整性证实和非法篡改检测 基于多媒体的隐蔽通信多媒体隐写（机密性） 利用多媒体作为伪装，传输秘密信息,20,多媒体信息隐藏基本概念,什么是多媒体信息隐藏？ 在可以公开的多媒体中以不可察觉的形式隐藏秘密信息的技术 关键点：多媒体可以公开 关键点：秘密信息 关键点：隐藏不可察觉 属于多媒体信息安全,21,载体 多媒体,秘 密 信 息,掩密 多媒体,要求：感觉相同、难以检测、,多媒体信息隐藏,22,公开媒体,秘 密 信 息,掩密媒体,IMAGE WATERMARK Department of Electronics and Communicat
8、ion Engineering Zhongshan University Guangzhou,Guangdong,510275,P.R.China,23,物理信息隐藏方法 古代的例子 藏头诗 隐写墨水 格栅码、报纸码、,多媒体信息隐藏基本概念,24,水浒传 “吴用智赚玉麒麟” 芦花丛中一扁舟，俊杰俄从此地游。 义士若能知此理，反躬难逃可无忧。“卢俊义反”,25,多媒体信息隐藏基本概念,研究背景：数字时代信息隐藏问题的提出 数字媒体带来的问题版权保护的急迫性 无失真拷贝 网络快速传输、下载 传统加密系统的不足 保密通信问题的安全问题 内容的真实度疑问,如何解决这些安全问题？,26,多媒体信息隐藏
9、基本概念,隐藏秘密信息的目的 证实媒体数据的所有权归属：谁的？使用合法否？传播合法否？ 证实媒体数据的完整性：篡改否？ 实现隐蔽通信：伪装 隐藏标记：视觉效果 ,27,真实感图形技术,28,29,LA Times,Photomontage,from Dr. Shih-Fu Chang, ISCAS04,+,30,Internet：John Kerry & Jane Fonda (2004),A, B：原始图像,+,我们是否能相信所看见的？,31,多媒体信息隐藏基本概念,信息隐藏名词 原始媒体：原始图象（音频、视频） 掩密（水印）图象（音频、视频）：stego- 隐藏信息（hidden info
10、rmation）、水印（watermark） 宿主系数（host-） 、载体系数 嵌入（embedding） 检测（extraction、detection） 隐藏容量（capacity）、容载（payload） 攻击（attack） 稳健性、鲁棒性（robustness）,32,多媒体信息隐藏基本概念,信息隐藏 信息隐藏：数字密写术 原始载体：文本、图像、视频、音频、图形、数据、DNA系列、 可隐藏的信息：数字序列、文字、声音、图形、图像、,33,多媒体信息隐藏基本概念,信息隐藏模型：囚犯问题,34,多媒体信息隐藏基本概念,信息隐藏可能性：数据冗余 信息冗余（redundancy）：多媒体数
11、据的相关无损压缩 感知冗余：一定程度的失真难以被感知 有损压缩 应用：部分应用环境允许一定的失真,相关课程：图像处理、多媒体技术,35, 2 graylevels, 5 graylevels, 31 graylevels,Original,+,=,+,+,=,=,By J. Fridrich,36,Original, 31 graylevels,37,多媒体信息隐藏基本概念,信息隐藏的分类 隐写 以传输秘密信息为目的 载体只是起到伪装的作用，没有其它使用价值 数字水印 以保护载体图像为目的 载体是有使用价值的,38,多媒体信息隐藏基本概念,数字水印,载体,水印性质,水印检测,39,By 齐东旭
12、教授,40,左上角为原始公开图象，右上角图象为原始保密图象，左下角为隐藏保密图象的公开图象，右下角为恢复的保密图象。,By 齐东旭教授,41,IBM,42,IBM,43,可见水印的消除,44,45,IMAGE WATERMARKDepartment of Electronics and Communication EngineeringZhongshan UniversityGuangzhou,Guangdong,510275,P.R.China,原始图象,水印图象,水印,46,脆弱水印技术在保护电子印章中应用,篡改,篡改,47,48,多媒体信息隐藏基本概念,隐藏信息/水印的要求 稳健性（鲁棒
13、性） 常见的信号处理：如低通滤波、二次抽样、二次量化、图象增强、插值、 A/D和 D/A 转换、打印等 数据压缩，JPEG/MPEG/MP3 噪声干扰 几何变换和几何失真：如裁剪、尺度拉伸、平移、旋转等 ,49,多媒体信息隐藏基本概念,隐藏信息/水印的要求 安全性 秘密性：不可察觉（听觉、 视觉）性和统计上的不可检测性（计算机） 难以非法检测 难以非法篡改 Kerchoff准则：秘密性应靠密钥，而不是算法来保证 隐藏的数据量 计算复杂性,50,Undetectability,Robustness,Capacity,The “Magic” Triangle by J. Fridrich,Ther
14、e is a trade-off between capacity, invisibility, and robustness,Secure steganographic techniques,Digital watermarking,Complexity of embedding / extraction,Security,Additional factors:,Nave steganography,51,Dept. of Electronics,Zhongshan Univ.,Guangzhou,Guangdong,P.R.China.,原始隐藏信息,检测信息，JPEG， Q=30,检测信
15、息，JPEG， Q=25,Dept. of Electronics,Zhongshan Univ.,Guangzhou,Guangdong,P.R.China.,辝pt. of Eletronics,Zhongshan Univ.,Gu6ngzhou,GuangdwC,P.R.China,稳健性,52,原始和隐藏水印后的视频帧。,抗MPEG（0.18 bpp, 26 dB）和噪声（14.7 dB）的稳健性。,53,54,Original image & Marked image,Attacked markedimage & Registered marked image,55,JPEG+lin
16、ear transform JPEG+rotation+scale,56,水印的不可见性,统计检测,安全性,57,基本原理,隐藏信息的机理 听、视觉科学：听、视觉门限的利用弱信号的不可感知性 数字通信：扩频通信技术的应用信号能量的分散,原始图象 水印图象 PSNR=43.55 dB,58,基本原理,隐藏信息的实现信号处理的方法,59,基本原理,隐藏信息的实现信号处理的方法 时域的方法音频水印 空域的方法图像/视频水印 变换域的方法信号的正交分解 DFT DCT DWT ,相关课程：信号与系统、数字信号处理、图像处理、多媒体技术,60,时/空域水印隐藏过程,61,62,变换域水印隐藏过程,63,
17、DFT 频谱示意图,相关课程：信号与系统、图像处理,64,DFT 频谱示意图,65,DCT 频谱示意图,image,DCT,IDCT,中频,高频,低频,66,DCT 频谱示意图,67,DWT,68,DWT示意图,69,基本原理,秘密信息的嵌入信号叠加 一般表示嵌入方法 叠加嵌入映射嵌入：原始图象I0的一个个原始特征值被映射函数g(.)映射到由嵌入比特b确定的特征值I1。,F = F + f (F,W),70,Luminance masking （Weber Law）,B,B+B,71,Frequency masking,Masking signal,Frequency,Masked signa
18、l,Masking threshold,72,Texture masking,Luminance,Edge,Masking threshold,74,主要研究内容,信息隐藏研究的关键问题 藏在哪？ 如何藏？ 如何对抗？,75,主要研究内容,信息隐藏基本理论和方法 信息隐藏的数学基础 信息隐藏模型与隐藏容量 信息隐藏中的信息论与通信方法 载体特征提取 信息嵌入方法 听视觉模型,76,主要研究内容,信息隐藏算法 隐写算法 隐写分析算法 稳健水印（图象、音频、视频、网格、）算法 脆弱/半脆弱水印算法 可见图象水印算法,77,主要研究内容,数字水印评测与协议 数字水印的攻击 数字水印的评价标准 数字水
19、印协议 数字水印的标准化 信息隐藏的应用,78,应用,多媒体版权保护 多媒体所有权证实 多媒体数字指纹 网络和广播多媒体访问控制机制 多媒体拷贝保护机制 广播监控 内容监控广告等 信道监控防止非法插播,79,应用,多媒体内容认证 多媒体产品的真实性证实 多媒体防篡改保护 电子印章广播监控 保密通信 信息的加密与密码学的结合 隐藏信息的不可察觉性秘密通信信道 数据隐藏算法的秘密性 不可检测性,80,信息隐藏,密码通信,信息隐藏与密码通信的区别,81,应用,多媒体隐含标注 多媒体附加描述和参考信息的携带 多语言电影系统和电影分级 多媒体数据库：电子病历、档案管理 消费电子产品 照相机 MP3 ,8
20、2,多媒体内容分发,问题一：非法截取 问题二：非法传播,83,解决思路,问题一：非法截取 利用加密技术 发送端(server)加密 终端(client)解密问题二：非法传播 利用水印技术，进行版权追踪 要求：终端解密后的媒体含有水印,84,发送端嵌入水印（1）,模型一（单播模型）,85,接收端嵌入水印（1）,模型二（ Philips）,Combine WM& Decrypt,Combine WM& Decrypt,Server,Unicast,Encrypt,DB,Combine WM & Decrypt,Client 1,Client 2,Client n,Multicast,Encrypt
21、,Encrypt,Encrypt,w1,w2,wn,Secure Watermark Embedding,86,终端嵌入（2）部分加密,发送端部分加密 终端嵌入水印，不需解密即可提取水印,Server,WM 1& Decrypt,Client 1,Client n,Multicast,DB,Encrypt,Client 2,WM 2& Decrypt,WM n& Decrypt,87,视频监控过滤系统,视频监控过滤系统,88,89,90,信息隐藏：利用听视觉冗余，将有价值信息隐藏在多媒体 信息空间的捉迷藏：需要足够的空间用于隐藏信息 与加密相比，具有伪装性。 隐写:在军用/民用、合法/非法领域都有重要应用前途-与加密相比，具有伪装性 水印：版权保护、内容认证 安全性和稳健性是当前主要问题,小结,91,2选1 写篇涉及数字水印技术的文章 完成2幅图像的篡改拼接,思考题,92,了解本实验室相关研究 进入 3 年级后进入本实验室参加研究工作 完成毕业设计 攻读硕士、博士学位 聊聊有兴趣的话题,欢迎同学们,黄继武：实验中心B502电话：39332715 Email：,谢谢！,
