1、武汉工业学院毕业设计（论文）外文参考文献译文本2011 届原文出处 IBM SYSTEMS JOURNAL, VOL 35, NOS 3&4, 1996毕业设计(论文)题目 音乐图像浏览器的设计与实现 院（系） 计算机与信息工程 专业名称 计算机科学与技术 学生姓名 郭谦 学生学号 070501103 指导教师 丰洪才 译文要求：1、 译文内容须与课题（或专业）有联系；2、 外文翻译不少于 4000 汉字。隐藏数据技术研究数据隐藏，是一种隐秘的数据加密形式，它将数据嵌入到数字媒体之中来达到鉴定，注释和版权保护的目的。 然而，这一应用却受到了一些限制：首先是需要隐藏的数据量，其次是在“主” 讯号
2、受到失真的条件影响之下，对于这些需隐藏数据的可靠性的需要。举例来说，就是有损压缩以及对有损压缩来说数据遇到被拦截，被修改或被第三方移除等操作的免疫程度。我们同时用传统的和新式技术来探究解决数据隐藏问题的方法并且对这些技术在以下三个方面的应用：版权保护，防止篡改，和增强型数据嵌入做出评估。我们能非常方便地得到数字媒体并且潜在地改善了其可移植性，信息展现的效率，和信息呈现的准确度。便捷的数据访问所带来的负面效果包括以下两点：侵犯版权的几率增加或者是有篡改或修改其中内容的可能性增大。这项工作的目的在于研究知识产权保护条款、内容修改的相关指示和增加注解的方法。数据隐藏代表了一类用于插入数据的操作，例如
3、版权信息，它利用“主”信号能够感知的最小变化量来进入到各种不同形式的媒体之内，比如图像、声音或本文。也就是说，嵌入的数据对人类观察者来说应该是既看不见也听不见的。值得注意的是，数据隐藏虽然与压缩很类似，但与加密解密技术却是截然不同的。它的目标不是限制或者管理对“主”信号的存取，而是保证被嵌入的数据依然未被破坏而且是可以恢复的。数据隐藏在数字媒体中的两个重要应用就是提供版权信息的证明，和保证内容完整性。因此，即使主讯号遭受诸如过滤、重取样，截取或是有损压缩等破坏行为，数据也应该一直在“主”信号中保持被隐藏的特点。数据隐藏的其他应用比如增加被隐藏数据量，对于试图探测和移除隐藏数据仍能保持不变性的需
4、要，这种形式的数据隐藏是由作者和内容购买商共同决定的。因此，数据隐藏技术是由被隐藏数据量和数据接收处理后仍保持不变性的需要所决定的。目前没有一种方法能达到所有的这些目标，我们需要的是一类能覆盖多种应用的程序。数据隐藏技术所面临的挑战是巨大的。无论这种信号是用数据统计的还是感知出来的，任何“主”信号中用来填充数据的“容器“都有可能是有损信号压缩时要去除的对象。成功的数据隐藏关键在于找出那些不适合用来进行压缩算法的容器。更进一步的挑战则是将这些容器填满，使得“主”信号转换后他们依然没有变化。功能和应用程序数据隐藏技术应能在一个主信号中加入具有下列限制的数据：1. 主信号应该是衰减很小并且嵌入的数据
5、应该几乎不可察觉。 （目的就是为了隐藏数据。任何魔术师都会告诉你，当它依然在你清楚可见的地方保持不变的时候，某些东西可能已经隐藏在他手中了，你却一直在盯着它看。我们将会使用隐藏着的，听不见的，察觉不到的和看不见的字符来意指观察者没有注意到数据的显示，即使这些数据是可察觉的。 ）2. 嵌入的数据应该直接通过编码进入媒体之中，而不是放在头部或是封装起来，这样数据就能在各种不同数据文件格式间仍然保持不变。3. 嵌入的数据对于各种修改，从有目的地尝试进行移除到各种能够预料到的问题，比如信道噪音，过滤，重取样，截取，编码，有损压缩，打印和扫描，数模转换，模数转换等都应该是能够防御的。4.对嵌入的数据进行
6、不对称编码是很理想的，这样就达到了数据隐藏在主信号之中，这样数据取出也显得并不困难。5. 数据完整性应该通过纠错编码来保证。但也不可避免的造成当主信号被修改时，嵌入的数据也会有一些损耗。6. 嵌入的数据应该能够实现自锁或可任意次重复读取。这样就能保证，当主信号仅有一些微弱信号的时候还能够把嵌入的数据恢复出来。举例来说，如果新闻采访的原生摘要从采访中被截取出来，在音频片段中隐藏的数据就能够被恢复。由于没有必要考虑最初的主信号，这种功能也促进了隐藏数据的自动解码， 。下面来看一下它们的实际应用。我们需要在隐藏的数据量的多少和对主信号修改的抵御能力强弱之间做出取舍。通过限制主信号的衰减强度，单一一种
7、信息隐藏方法可以单独针对高数据隐藏率，或是单独针对信息修改的高抵御性，但是不能同时对两者进行兼顾。这种参数上升，另一种参数必然会下降。这种现象可以透过一些数据隐藏系统如扩展频谱的方法在数学上得以直观的展现出来，这一点对所有的信息隐藏系统似乎都是一样的。在任何系统中，你都可以为了增强程序强壮性采用增大冗余的办法来增加带宽。然而嵌入数据量和抵御修改强度因程序而异。所以，不同的应用程序使用了不同的技术。 我们将这一小节中讨论一些关于数据隐藏的可能应用。一种应用就是仅仅需要少量嵌入数据的内置数字水印的方法。嵌入式数据被用来在主信号中放置一种所有权标识，作为作者签名或是公司图标的目的。由于这些信息具有这
8、种关键特性，而且信号可能要面对企图破坏或者移除这种信息的情况，使用的编码技术必须对于大范围的修改有较强的抵御能力。第二项数据隐藏的应用就是防止篡改。它用来指示主信号相对初始状态已经被修改。对嵌入数据的修改能够告诉我们主信号已经以某种方式被修改。第三项应用就是功能定位，这需要更多的数据嵌入。在这种应用中，嵌入的数据被隐藏在一幅图像的特定位置。它使我们能够识别出个人内容，举例来说，在图像中正对右边的左边人物的姓名。一般来说，功能定位数据不会被有意去除。然而，人们很希望主信号能够对一定程度的修改，举例来说，图像通常会由于缩放，裁剪，和色调调整而被修改。所以基于功能定位的数据隐藏技术必须加强在主信号上
9、进行几何学、非几何学的修改的抵御能力。图像和声音的说明（或注释）可能需要大量的数据。注释通常单独地存在于主信号中，因此需要额外的信道和存储空间。如果文件格式被改变，储存在文件头或资源区段中的注释通常会丢失，举例来说，在标记图像文件格式（TIFF 格式）中创建的注释在图像被转换为图形交换格式（GIF 格式）时就有可能显示不出来。通过将注释直接嵌入到主信号的数据结构之中就能使这些问题得到解决。在静止图像中隐藏数据在静止图像中隐藏数据面临多种挑战，这些挑战主要是人类视觉系统（HVS）的工作方式和传统修改图片方式所造成的。此外，静止图像提供的是一个相对较小的主信号空间来隐藏数据。 典型情况是 8 比特
10、大小的照片如果以 200 200 的分辨率存储，则必须提供大约 40 千字节（ kB）数据工作空间。这相当于只有 5 秒的电话语音音频信号，甚至比一帧 NTSC 制式的电视信号还少。同时，我们有理由设想能够对静止的图像进行一系列从仿射变换到非线性变换的操作，诸如裁剪，混杂，过滤，有损压缩等。实用的数据隐藏技术需要能够经受住各式各样尽可能多的操作。尽管存在着不少挑战，静止图像还是数据隐藏的可能的“候选技术” 。人类视觉系统中有不少属性都具有将之应用于数据隐藏系统的潜力，包括我们多变的灵敏度用来当做空间频率和触发掩蔽效应的边缘功能（都存在于亮度和色度中） 。人类视觉系统在亮度方面对于微小的改变具有
11、很强的感应度，能够感觉出一个区域多达 30 种随机模式的变化来。不仅如此，在一个图像的统一区域，人类视觉系统对亮度的变化更加敏感，大约一个部分能有 240 种颜色。一台典型的阴极射线管（电子射线管）显示装置或打印机有一个有限的变化范围。一个图像在一个区域有 256 种颜色,举例来说，如果采用 8 位的灰度级，那么正如伪随机变换对图像亮度影响一样，就有潜在的空间来隐藏数据。另外一个人类视觉系统“容器”对非常低的空间频率变化的感知能力，好比一张图像上持续不断的亮度变化，也就是渐晕。 利用静止图像工作的另一个优点就是他们之间是无关联的。 数据隐藏技术能对任何像素或像素的区块进行随机存取。利用这些观测
12、数据，我们已经发展了多种将数据隐藏在静止图像中的技术。一些技术适合处理少量数据，还有一些技术则适合处理大量数据。有些技术对几何变换能够有较好的解决办法，还有些技术则对非几何变换有较好的解决办法。音频中隐藏数据因为人类听觉系统（HAS）工作在一个较宽的动态范围之内，所以音频信号的数据隐藏尤其具有挑战性。人类听觉系统感知能量单位低至十亿分之一的范围，频率则大于千分之一。人类对于散乱杂音的灵敏度对也是很高的。一个声音文件中的细小扰动即使低至千万分之一（背景噪音 80 分贝）也是能被察觉的。然而，这其中仍然有一些“容器”能够被使用。尽管人类听觉系统有非常大的动态范围，它还是有一个非常小差别的范围。这样
13、，较大的声音会使较小的声音出不来。此外，人类听觉系统察觉不出来绝对相位，只对相对相位有感觉。最终，在大多数情况下一些环境的失真非常常见以至于听者忽略了。我们在下面将要探讨的方法中利用了不少上面的线索，请大家记住人类听觉系统的极端敏感性。声音环境当为音频信号发展一种隐藏数据的方法时，首先要考虑的是在编码和解码之中音频信号要传播的可能环境。有两个我们要考虑的主要修改区域，首先是储存环境或将会被使用的数字信号表示法，其次就是信号可能的传播路径。对大部分数字音频表示法有两个非常重要的参数：采样量化的方法和实时采样率。表现高质量数字音频样本的最常用的方式是 16 位线性量化，如 Windows 音频格式
14、（WAV） 、音频交换文件格式 （AIFF ） 。另外一种处理低质量音频的常用格式就是8 位对数 法。这些量化方法引入了一些信号失真，对于 8 位 法某种程度上则是更加明显。音频常用的采样率包括 8 千赫兹、 9.6 千赫兹、 10 千赫兹、 12 千赫兹、 16 千赫兹、22.05 千赫兹和 44.1 千赫兹。采样率通过为频谱的可用部分设定最大值来影响数据隐藏的参数（如果某个信号的采样率为 8 千赫兹，你不能够修改频率在 4 千赫兹以上部分） 。 对已经发展起来的绝大多数信息隐藏技术而言，可使用的数据空间以随着采样率的增加而线性增长。我们要说的最后一种方法就是有损压缩算法，像是国际标准组织运
15、动图画音频专家组（ISO MPEG-AUDIO）的编码标准。这些表示法大幅度的改变了信号的数据；他们仅仅保留了该声音能被听者听到的特性（也就是说，就算信号已经跟原来相比面目全非，但对听着来说他们听上去还是很相似的） 。一个信号在编码和解码的过程中可能会经历许多不同的传输环境。 我们为说明相关情况考虑以下四个类别的环境。 （见图 11) 第一种情况就是数字信号端到端的环境 （图 11 A） 。这种环境意味着声音文件在机器与机器之间传输，没有经过任何形式的修改。这样，编码和解码时的采样率几乎是一样的。这类环境就使得数据隐藏技术几乎没有受到什么限制。下面将要说到的环境就是信号在传输过程中被以更高或更
16、低的采样率实行重采样，但自始至终都保持其数字信号的特性（图 11 B） 。这种转换保留了信号量的绝对大小以及对大多数信号的相位，但是却改变了信号的时间特性。第三种情况就是信号在“播放”过程中被转成模拟信号的状态，并且是纯正的模拟线路上进行的重采样（图 11 C） 。当然信号量的大小，信号量化，采样频率都不会被保留。但一般而言，相位会被保留。最后一种情况就是信号“在空气中播放”并且“被麦克风重采样” （图 11D） 。信号在这个过程中要受到未知的非线性修改从而导致诸如相位变化，振幅变化,不同频率发生偏移、回声等变化。当选择一种数据隐藏方法的时候，我们必须考虑信号表现和传播路径。数据传送速率依赖于
17、采样率和编码类型。一个典型的数值是 16 bps ，但是这项值可从 2 bps 到 128 bps 不等。本文中隐藏数据电子文本在很多方面都是最难隐藏数据的地方。 （纸质文本可以被看成是一个高度结构化的图像并且能在其上使用多种技术，像是在信件格式，字距，基线的微小变化等等） 这主要地由于一个本文文件相较于一个图片或是声音文件缺乏冗余信息。我们可以对一个图片做出细微的修改，然而在本文中一个多余的段落甚至一个额外的字母都可能被一个普通读者发现。在文本中隐藏数据是一项找出普通读者发现不了的修改项的练习活动。 我们可以考虑以下三个主要的数据编码方法： 第一种空间编码的方法就是修改空白区域（打印页上没有
18、使用的空白区域）的方法，第二种就是利用标点符号的句法方法，和利用单词自身意思的语义方法。开放空间法。对特定区域的空白空间的操作能起到较好的效果，这里有两个原因。首先，改变空白空间的数目对词组或句子意思的影响有微乎其微。其次，一个不经意的读者不可能注意到空白空间的微小修改。我们将介绍三种使用空白空间来编码数据的方法。这些方法利用到了对齐文本中的跨句空间，行尾空间，跨词空间。第一种方法在每个终结符后面一到两个字符的位置放置一段二进制信息来完成编码，举例来说，一篇英国散文，一个 C 语言代码中的分号等等。一个单独空间编码为 “0“，两个空间编码为“1” 。这一方法有一些固有问题。 它效率很低，需要用
19、很多本文来编码少量的信息位。 （两篇每行 80 字的文本中每句子编码 1 比特相当于 160 字节 1 比特的数据传输率。)它的编码能力取决于本文的结构。 （像自由诗诗这样的一些本文，缺乏一致的或良好定义的终结字符。) 许多文件处理机会自动将段落后的空白字符数设置为一个或两个字符。最后，空白空间的不连贯使用造成了不透明。利用空白空间编码数据的方法是在每行结束的时候插入空间。在每行末尾都预设一个字母来实现数据编码（见图 29)。每行两个空间编码一个位元，四空间编码两位，八空间编码三位等等，这样就显著地提高了超过前述方法的编码的信息量。在图 29 中，本文已经被选择性地对齐了，然后在每行末端增加了
20、额外的空间来编码更多的数据。并且已经有在每行结束的时候显现空白空间的规则。这一方法的其他的好处就是它能在任何本文上进行，而且它不会引起读者的注意，这是由于这种额外的空白空间存在于文本的边缘。就先前的方法来说，一些程序，如“sendmail ”，可能无意地移除了额外的空间字符。这个方法唯一的问题就是隐藏的数据不能从打印文本中被检索出来。第三种使用空白空间编码数据的方法使用的是右对齐文本。数据藉由控制额外的空间所处的位置而被编码。两个单词之中的一个空间被当做“0” ，两个空间被当做“1”。这种方法能够使每行编码多个位元。 （见图 30）因为对齐形式有限，不是每一个在跨字空间能被用做数据。为了确定哪
21、两个字符之间的空间代表隐藏数据和哪一个是原始本文的一部份，我们使用一种类曼彻斯特编码的方法。曼彻斯特将一些码元分成两组，将“01”当做 “1” 并把“10”当做“0” 。“00”和“11”都是零。举例来说，编码信息“1000101101”被缩减为“001” ，而“110011”是一个空串。应用基于文本的数据隐藏有大量的应用，包括版权验证，身份验证和注释。在日益增长的电子产品分发时代，使版权信息无法与文本分离是出版商保护他们产品的一种做。注解可以被用来防止篡改。举例来说，如果一篇论文中包含哈希密文等一些字符，那么很容易判断这份文件是否被更改过。验证也就成为了相对容易的任务之一了，直接通过一个服务
22、器就可以返回判断“通过验证”还是“未通过验证”的准确信息了。其他的文本数据隐藏技术包括为文本中程序嵌入指令。举例来说，当传送一段电子信息时，一个邮件服务器就能被设计成检查隐藏信息。信息被拒绝或者核准取决于是否发现了任何隐藏的数据。这样，一家拥有自主邮件服务器的公司就能防止自己的机密文件被无意泄漏。结论在这篇文章中，我们探讨了一些基于主本文、图像和声音信号嵌入数据的可能方法。尽管我们在某种方面取得了一定的成功，但是所有推荐的方法都是有限制的。在保护大量嵌入数据的安全方面，并在故意去除数据方面所做的努力相比这个目标还远未达到。在数据隐藏后对主信号自动检测其是否遭受过几何或非几何修改是数据隐藏技术的关键。在比特率、健壮性和可见性之间的权衡优化需要在试验中来验证。各种不同的数据隐藏技术之间的相互促进还需要更进一步的了解。感谢这篇论文受到隶属于麻省理工学院媒体实验室的未来新闻研究联合会以及国际商业机器有限公司的大力支持。
