图像密写中若干关键技术的研究

论文摘要

随着近期计算机技术与网络的迅猛发展,信息安全逐渐成为了一个非常重要的研究领域。其中密写(Steganography)与密写分析(Stegananlysis)作为20世纪90年代的新兴技术,是该领域的重要分支。密写的目的是将秘密信息隐藏在载体(包括文本、图像、音频、视频等)中,在传递载体的同时传递秘密信息并且不被人察觉。密写分析与之相反,其目的是检测出载体中存在秘密信息的可能性并中断信息的传递。密写算法为达到高密写率、低可见度以及高鲁棒性,往往根据不同的载体类型、变换域等特性设计不同的嵌入方法,以达到最佳性能。所以,实际中,密写分析面对的是数量极其庞大的可疑对象与复杂多变的密写方法,因此,目前国内外对密写分析的研究主要以针对特定密写技术为主,如果分析者能够在不知道密钥的前提下实施对某种密写方法的成功的分析,那么就可以认为这是一种有价值的密写分析方法。本文对数字图像密写的几项关键技术进行了研究,并提出了2种新的图像密写算法:保持直方图特性的least significant bit (LSB) matching密写方法;及小波域内的湿纸密写方法。本文的研究目的是设计隐蔽性、密写率和鲁棒性三种性能指标达到平衡点的密写算法,为日益发展的信息安全技术提供算法支持。文中的主要创新性工作包括:1.分析并通过实验确认了LSB matching密写方法的缺陷。提出密写信息表的概念,密写信息表记录了密写过程中各个像素值的增减变化情况,根据密写信息表内的数据可以在嵌入秘密信息时动态确定像素LSB的增减方向。提出了一种新的可保持直方图特性的LSB matching密写方法,这种密写方法在保持载体图像的统计特性的同时可以很好的保持图像的直方图特性,使得大部分针对图像直方图的攻击方法失效。2.通过熵H、编码增益G、峰—峰比PPR和增益的乘积PPR×G、最低频子带重构图像的峰值信噪比PSNR、能量集中特性以及能量分布特性这6个小波基的性能参数对典型的小波基进行了评估实验,根据实验结果选择Daubechies9/7小波作为下一章密写算法设计时采用的小波基。给出了小波变换的提升方案,包括小波提升的原理与实现过程。并通过算法复杂度和峰值信噪比两方面比较了提升算法和卷积算法的性能。3.在小波域内设计湿纸密写的选择通道,并证明了湿纸密写中一些关键的线性方程组在小波域内解的存在性。提出了一种新的小波域内的湿纸密写方法,这种密写方法结合了小波密写与湿纸密写的优势,在保持密写信号高鲁棒性的同时有很好的隐蔽性,利于隐蔽通信,是一种非常实用的密写方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 密写与密写分析的研究意义及应用领域
• 1.2 密写与密写分析的研究历程与现状
• 1.2.1 密写与数字水印的主要区别
• 1.2.2 密写与密写分析的发展现状
• 1.3 论文的主要工作
• 1.3.1 密写算法评判标准的研究
• 1.3.2 LSB matching密写方法缺陷的研究
• 1.3.3 保持直方图特性的LSB matching密写方法的设计
• 1.3.4 基于小波变换的湿纸密写方法的设计
• 1.4 论文的主要创新点
• 第二章 现代图像密写方法的评判标准及典型方法的特点
• 2.1 密写的三个重要评判标准
• 2.2 典型图像密写方法
• 2.2.1 LSB密写
• 2.2.2 加噪密写
• 2.2.3 patchwork密写
• 2.2.4 文档结构微调算法
• 2.2.5 纹理块映射编码
• 2.2.6 Gifshuffle密写
• 2.2.7 基于人眼视觉特性的密写
• 2.2.8 F5 密写
• 2.2.9 小波（DWT）域内的密写方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 保持直方图特性的LSB Matching密写方法
• 3.1 传统LSB Matching密写方法的缺陷
• 3.2 保持直方图特性的LSB matching密写方法
• 3.3 密写后图像质量分析
• 3.4 与同类方法性能比较
• 3.5 实验结果与分析
• 3.5.1 典型图像的试验结果
• 3.5.2 直方图攻击的试验结果
• 3.5.3 推广性实验结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 图像密写中小波变换技术的使用策略分析
• 4.1 Fourier变换
• 4.1.1 经典Fourier变换
• 4.1.2 加窗Fourier变换
• 4.2 小波变换
• 4.2.1 小波变换的基本概念
• 4.2.2 Fourier变换、Gabor变换与小波变换的对比
• 4.2.3 多分辨率分析
• 4.2.4 Mallat分解重构算法
• 4.3 数字图像密写中小波基的选择与评估
• 4.3.1 小波基的选择依据
• 4.3.2 常用小波基
• 4.3.3 图像特征与小波基选择的关系
• 4.4 典型小波基的性能评估实验及分析
• 4.4.1 小波基的性能评估指标
• 4.4.2 典型小波基的评估实验及密写算法选择的小波基
• 4.5 Daubechie59/7 小波的提升（Lifting Scheme）
• 4.5.1 小波提升的实现过程
• 4.5.2 小波变换中使用提升方法和卷积方法的性能比较
• 4.5.3 Daubechie59/7 小波提升的实现过程
• 4.6 本章小节
• 第五章 小波域内的湿纸密写方法
• 5.1 湿纸密写原理
• 5.2 小波密写
• 5.3 小波域内的湿纸密写方法
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 密写后图像质量
• 5.4.2 主动攻击实验结果
• 5.4.3 盲检测实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 前景展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 攻读博士期间参加的科研项目
• 附录 文中实验使用的标准测试图像
• 致谢