面向數(shù)字圖像的大容量信息隱藏算法研究.pdf

1、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和信息科學(xué)的飛速發(fā)展，為信息的傳輸和處理帶來了極大方便，但是網(wǎng)絡(luò)在給人們帶來便利的同時(shí)也暴露出越來越嚴(yán)重的安全問題。信息隱藏作為一種保證信息安全傳遞的重要手段，引起了人們的極大關(guān)注，它通過隱藏信息的“存在性”來保證信息的安全傳輸，能解決密碼學(xué)在應(yīng)用上容易引起攻擊的問題。信息隱藏的應(yīng)用包括隱秘通信、版權(quán)保護(hù)、數(shù)字指紋、多媒體內(nèi)容篡改認(rèn)證等軍事和民用領(lǐng)域，有重要的理論和應(yīng)用研究價(jià)值。在過去的十多年中，信息隱藏的一大分支數(shù)字水印取得了

2、快速的發(fā)展，但在隱秘通信和篡改認(rèn)證方面取得的研究成果相對較少，其主要原因是缺乏對安全性和感知質(zhì)量客觀準(zhǔn)確的評價(jià)手段，隱藏算法的嵌入容量、安全性、感知失真之間的固有約束存在著一定的難度，尤其是多數(shù)隱藏算法的嵌入容量還遠(yuǎn)未達(dá)到隱秘通信的容量要求。本論文的主要工作就是圍繞如何提高信息隱藏容量，以滿足隱秘通信和篡改認(rèn)證等應(yīng)用所需的嵌入容量這個(gè)目標(biāo)展開的，內(nèi)容涉及信息隱藏的不可感知性評估、數(shù)字圖像的加密與置亂、大容量的圖像信息隱藏算法等方面。論文

3、的主要研究成果與創(chuàng)新性如下： （1）分析了峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）、像素塊誤差分布（Pixel-Block Error Distribution，PBED）等一些目前常用的視覺不可感知性評價(jià)指標(biāo)的不足之處，根據(jù)人類視覺特性提出了一種衡量信息隱藏算法不可感知性的視覺失真感知函數(shù)（Vision Distortion Sensitivity Function，VDSF），它反映了人類

4、視覺的四個(gè)特性：①人眼對視覺信號變化劇烈的地方（紋理區(qū)）的噪聲不敏感，對平滑區(qū)域的噪聲敏感；②人眼對水平方向的變化比對角線方向更為敏感；③低于可感知極限的亮度變化是不可感知的；④相鄰位置的像素是相關(guān)的，并且相關(guān)性與距離有關(guān)。VSDF指標(biāo)計(jì)算復(fù)雜度低，并且PSNR是它的一種特殊情況。實(shí)驗(yàn)證明VDSF與人類視覺感知質(zhì)量主觀評價(jià)的一致性明顯優(yōu)于PSNR等傳統(tǒng)指標(biāo)，能更好地衡量隱藏信息的不可感知性。實(shí)驗(yàn)還證明VDSF也適用于對二值圖像的質(zhì)量評價(jià)

5、，解決了灰度圖像與二值圖像不能使用同一評價(jià)指標(biāo)的問題。 （2）研究了基于混沌序列加密和混沌置亂的信息預(yù)處理方法，提出了基于Logistic映射的混沌序列產(chǎn)生算法，所產(chǎn)生的序列不再出現(xiàn)Logistic映射所存在的空白窗口和穩(wěn)定窗等安全問題，并且密鑰空間大幅度增加；改進(jìn)了基于Arnold變換的混沌置亂算法，改進(jìn)后的算法不再出現(xiàn)Arnold變換的周期性現(xiàn)象，且能有效抵御選擇明文的攻擊，提高了安全性。 （3）分析了圖像在空間域的

6、位平面分布特性，指出了直接用秘密信息替換最低有效位（LSB）位平面或多個(gè)低位位平面可能破壞相應(yīng)位平面紋理特性而導(dǎo)致的安全問題，提出了基于最高有效位的位平面分解方法，并得出了最高有效位下的某個(gè)低位位平面替換成隨機(jī)二值圖像，不會破壞原始圖像在固定位平面分解時(shí)低層位平面所固有的紋理特性的結(jié)論。利用這一結(jié)論和人類視覺的亮度掩蔽效應(yīng)，提出了兩種基于圖像空間域的自適應(yīng)信息隱藏算法，算法有非常高的嵌入容量，同以往的空間域算法相比，能有效防止出現(xiàn)破壞低

7、位位平面紋理特性而導(dǎo)致的安全問題，安全性有很大提高。 （4）針對DCT變換域信息隱藏算法雖然有較好的魯棒性但嵌入容量小的問題，研究了自然圖像的頻譜分布特性和JPEG壓縮不變性，分別提出基于頻譜均勻化和在高頻系數(shù)中嵌入信息的大容量DCT域隱藏算法?；陬l譜均勻化的算法通過對載體圖像進(jìn)行置亂處理實(shí)現(xiàn)頻譜均勻化，以獲得更多的可用于隱藏信息的DCT系數(shù)來提高算法的嵌入容量。在高頻系數(shù)中嵌入信息的隱藏算法主要利用JPEG壓縮不變性來實(shí)現(xiàn)，