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数字图像隐写算法安全性与性能优化研究

作　者: 傅瑜
导　师: 胡正名
学　校: 北京邮电大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 隐写术隐写分析隐写编码 EMD隐写算法隐写安全性
分类号: TP309.7
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

数字隐写算法的感官透明性与抗隐写分析能力是评价算法安全性能的理论依据,其研究目的在于：以信息嵌入操作不明显改变原始载体的统计特征为技术前提,发掘信息载体中一切可用的数据空间,透明地向载体数据中嵌入隐蔽信息,从而使得以统计特征分析为技术出发点的隐写分析方法无法对含密载体进行有效检测。通常情况下,若隐写算法在信息嵌入过程中对原始载体的修改率越低,则嵌入操作所引起的载体失真就越小,秘密信息被有效检出的概率也越低,算法安全性就更高,但追求更小的修改率将会以消耗载体数据更多的占用率为代价,从而使得算法的信息隐藏容量变小。针对上述问题,本文以保障数字隐写算法的安全性能力为基础,兼顾算法容量需求,系统地研究了隐写算法修改率与占用率之间的相互关系,从算法的防守和攻击正、反两方面综合考虑,给出了一系列全新的算法设计、分析方案和实验数据,对本人在隐写术安全性研究方面所取得的一系列技术成果进行了总结。(1)提出了一种基于快速编码的隐写算法,使得该算法在二进制计数系统内,隐写操作每修改载体内一比特位原始信息,可嵌入多比特位的秘密信息,有效地降低了隐写算法的修改率；并提出了新型快速编码算法的生成矩阵构造方案,该方案使用合并处理的方法简化了生成矩阵的构造流程,降低了对载体所引起的修改率。通过大量数学理论推导及仿真实验数据分析证明：基于快速编码算法的隐写算法在嵌入相同容量的秘密信息时,其隐写操作修改率远小于基于动态游动编码算法的修改率。(2)拓展了快速编码算法的适用范围,由p=2的二进制计数系统扩展至基于素数p进制的计数系统,使得在素数p进制的计数系统内,隐写操作每修改载体内一个像素值,可嵌入多个连续的、基于p进制计数系统的秘密信息,降低了隐写算法的修改率；根据大量数学理论推导及仿真实验数据分析证明：当p=3时,本文提出的隐写算法性能达到最优,算法的修改率最小。(3)提出了分级EMD改进隐写算法,该算法利用原始EMD隐写算法信息占用率小、载体修改率低等优点,对嵌入算法进行改进。通过降低原有算法在载体数据嵌入时的透明性冗余,以及对隐写信息进行分级的方法扩大了新算法的隐写容量,降低了秘密信息对载体数据的占用率,减少了对原始图像信息的修改率；该算法通过将隐写嵌入位置从空域LSB位调整至DCT域内频率系数之上的方法增强了含密载体的透明性,消除了原始EMD算法中的越界讨论问题。(4)构造了一种JPEG隐写算法的安全性分析方法,本文系统地研究了Benford定律和JPEG图像统计特性之间的关系,总结归纳出隐写嵌入前后JPEG系数在统计规律上的变化,提出了通用型JPEG图像隐写算法安全性分析方法；该方法通过对JPEG图像二次压缩原理的深度剖析,对目前一些已有JPEG隐写算法的安全性进行了测试,根据测试的仿真实验结果和理论分析,最终对提高JPEG隐写算法的安全性提出了改进建议。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-12
图目录  12-14
第一章绪论  14-25
  1.1 本课题的研究背景及意义  14-15
  1.2 隐写术与信息隐藏  15-21
    1.2.1 信息隐藏概述  15-16
    1.2.2 隐写术在信息隐藏学科中的地位  16-18
    1.2.3 隐写术的主要特性  18-19
    1.2.4 隐写术与数字水印的区别  19-20
    1.2.5 隐写术与密码技术的区别  20-21
  1.3 本文的研究内容和结构  21-22
  1.4 本章小结  22-23
  参考文献  23-25
第二章隐写术与隐写分析技术  25-36
  2.1 隐写术的发展历史  25-26
  2.2 隐写术的理论模型  26-27
  2.3 隐写术的分类  27-28
  2.4 隐写术的评判准则  28-29
  2.5 隐写分析的概念  29
  2.6 隐写分析算法的评判准则  29-30
  2.7 隐写和隐写分析的研究现状  30-32
  2.8 本章小结  32-33
  参考文献  33-36
第三章基于快速编码的隐写算法研究  36-59
  3.1 隐写编码概述  36-37
  3.2 基础知识  37-38
    3.2.1 线性码的定义和性质  37
    3.2.2 汉明距离与汉明重量的定义和性质  37-38
  3.3 隐写码的定义及性质  38-39
  3.4 隐写编码的研究现状  39-46
    3.4.1 矩阵编码—F5隐写  39
    3.4.2 二值图像中的隐写编码  39-41
    3.4.3 基于循环码的隐写编码  41-42
    3.4.4 动态游动隐写编码  42-43
    3.4.5 基于稀疏表示的隐写编码  43-44
    3.4.6 Golay隐写编码  44
    3.4.7 隐写编码与"湿纸"编码  44-46
  3.5 用于数字隐写的快速编码算法研究  46-56
    3.5.1 快速隐写编码算法  46-51
    3.5.2 快速编码隐写算法性能比较  51-53
    3.5.3 快速隐写编码算法仿真实验结果  53-56
  3.6 本章小结  56-57
  参考文献  57-59
第四章基于素数进制的广义快速隐写编码算法  59-77
  4.1 高安全性隐写算法讨论  59-60
  4.2 混合进制系统  60-61
  4.3 基于素数p进制系统  61-62
  4.4 基于素数p进制系统的隐写编码  62-73
    4.4.1 需要说明的问题  62
    4.4.2 基于素数进制的广义快速编码的构造  62-67
    4.4.3 性能比较  67-70
    4.4.4 仿真实验讨论  70-71
    4.4.5 算法的性能对比  71-73
  4.5 本章小结  73-75
  参考文献  75-77
第五章分级EMD改进隐写算法研究  77-88
  5.1 大容量、低修改率隐写算法研究  77
  5.2 EMD隐写算法研究  77-79
  5.3 分级EMD改进隐写算法研究  79-86
    5.3.1 分级处理  80-81
    5.3.2 分享原则  81
    5.3.3 EMD改进算法性能  81-82
    5.3.4 EMD改进算法步骤  82-84
    5.3.5 EMD改进算法的抽取步骤  84
    5.3.6 性能分析  84-86
  5.4 本章小结  86-87
  参考文献  87-88
第六章基于Benford定律的JPEG隐写算法安全性分析  88-120
  6.1 JPEG简介  88-94
  6.2 Benford定律概述  94-95
  6.3 Benford定律的应用范围  95-96
  6.4 Benford定律与JPEG图像的关系  96-100
  6.5 基于Benford定律的通用型JPEG隐写算法安全性分析研究  100-116
    6.5.1 JPEG图像隐写算法概述  100-102
    6.5.2 JPEG图像隐写分析算法概述  102
    6.5.3 通用型JPEG安全性分析方法的原理和仿真实验  102-115
    6.5.4 仿真实验结果分析  115-116
  6.6 本章小结  116-117
  参考文献  117-120
第七章总结与展望  120-122
  7.1 论文总结  120-121
  7.2 未来研究方向展望  121-122
附录  122-125
缩略词表  125-126
致谢  126-127
攻读博士学位期间发表的学术论文  127-128
攻读博士学位期间参与的科研项目  128

数字图像隐写算法安全性与性能优化研究

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