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《重庆大学》 2002年
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基于信息隐藏的隐蔽通信技术研究

柏森  
【摘要】: 在人类历史的长河中,人们在不断地寻求更新的、更有效的交流与通信方式。从最早的洞穴图画、烽烟信号、鸣鼓警报,到后来文字产生、电报发明、广播传送、电视普及,直至今天的Internet 与E-mail。这还仅仅是我们所能描述的一个小小的片段,未来的通信将是难以想象的。不过,随着时代的前进,社会的进步,科技的发展,新的需要、新的发展机会将不断产生;通信中新的问题、新的方式将不断涌现。以信息隐藏技术为基础的隐蔽通信技术正是最新涌现出的一朵绚丽奇葩。 加密通信仅能隐蔽通信的内容,让别人不能理解。而基于信息隐藏的隐蔽通信,不仅能隐蔽通信的内容,而且能隐蔽通信的发送者、接收者,甚至秘密通信的存在。这在保密通信,特别是军事通信中是非常需要的。既隐蔽通信的内容,又隐蔽通信的存在,正是本论文研究的初衷和目的。 论文中主要研究了5方面的问题: 1. 信息隐藏学科的基本概念、分支及术语的中文表述; 2. 图像置乱技术在隐蔽通信中的意义,置乱程度的衡量标准及置乱算法; 3. 隐蔽通信中信息隐藏的基本算法,特别是在图像中隐藏秘密信息的算法; 4. 隐蔽信道容量的计算方法,特别是图像隐蔽信道的容量计算方法,即在一幅数字图像中,到底可隐藏多少比特秘密信息,人类视觉不可感知; 5. 隐蔽信道的抗干扰性,特别是图像隐蔽信道的抗干扰性。 所做的工作及主要结论如下: 1.由于信息隐藏学科是一门新兴的学科,该学科的中文术语还没有统一。为便于展开相关问题的讨论,论文首先对信息隐藏学科的分支进行了介绍,对信息隐藏学科的基本概念及术语给出了解释和说明,对一些术语的中文表述提出了建议,建构了较完整的术语系统。 2.较详尽地论述了图像置乱不仅是图像加密的技术之一,而且在隐蔽通信中具有的重要功能和作用,给出了图像置乱程度的4个定义,计算了几个典型的几何变换的置乱程度,结果表明:所给的置乱程度定义与实际的观测效果能较好地吻合。给出了理想置乱变换的定义,得到了在理想置乱时置乱程度为最大的定理。 3.提出了4类新的、时间复杂度均为O(N2)的图像置乱算法(其中N2表示图像的象素数),对它们的性能进行了简单的分析。 (1) 基于FFT思想的置乱算法。该算法置乱的图像和随机噪声图像人类视觉系统感觉不到其差别。 WP=6 (2) 基于骑士巡游矩阵的图像置乱算法。该算法只置乱图像的细节,可直接用于图像细节的隐藏,并且该算法优于已有算法的地方是:密钥量大,加密解密速度快,从而增加了图像及其隐藏信息的安全性。 (3) 基于亚仿射变换的置乱算法。基于几何中仿射变换的思想,提出了一类新的可用于图像置乱的亚仿射变换,重点研究了亚仿射变换的性质,给出仿射变换是亚仿射变换的必要条件,讨论了亚仿射变换图像置乱的周期性,得到了"亚仿射变化构成变换群"的定理。实验结果表明:亚仿射变换有较好的置乱效果,从图像信息加密的安全性角度看,它优于Arnold、Fibonacci等几何置乱变换。 (4) 基于行列式计算思想的置乱算法。该算法思想灵活,便于构造新的置乱算法,置乱效果基本能满足进一步隐藏的需要。 4.简要介绍了信息隐藏技术的分类和基本算法,着重研究了基于替换系统的空域隐藏算法和基于变换域技术的水印隐藏算法。为便于比较、研究信息隐藏的不可感知性和图像隐蔽信道的容量,创造性地提出了图像信息隐藏的"象素容量嵌入法"。为增加信息隐藏容量,提出了自适应高容量的信息隐藏算法。为增强隐藏秘密信息的安全性,提出了多级隐藏的模型和方法。为提高隐藏信息的鲁棒性,对小波域的水印嵌入算法进行了改进,既增强了鲁棒性又增加了信息隐藏的容量。提出了基于扩频通信思想的信息隐藏算法,该算法对图像压缩、滤波、裁剪等攻击具有鲁棒性。 5.提出了图像"局部方向掩蔽特性"、"局部掩蔽特性"及"总掩蔽特性"的概念,并给出了计算公式。在此基础上定义了图像隐蔽信道的"总容量"及每个象素的"平均容量"的概念及计算公式,得到了"图像的总掩蔽特性小,其信息隐藏容量也小"的定理。根据人类视觉系统(HVS)的掩蔽特性,给出了图像空域信息隐藏的极大化容量定义,并提出了求极大化容量的算法,该定义利用HVS特性的DWT表示,充分考虑了图像的频率、亮度、纹理等特性,分析和实验表明,应用该算法能较满意地回答一幅图像中到底能隐藏多位信息。对于水印信道的容量计算做了简单的介绍。 6.提出了基于信息隐藏的隐蔽信道抗干扰性概念,主张将抗干扰性分为:抗检测能力和抗处理能力。并针对抗处理能力,对秘密图像置乱后再隐藏的抗干扰性能进行了简单的研究。实验表明,秘密信息置乱后再隐藏得到的掩护图像,具有较强的抗处理能力。这说明,图像置乱技术的研究,在信息隐藏的抗干扰性方面也是很有用的。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TN918.9

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【引证文献】
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【同被引文献】
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