多媒體信息隱藏技術(shù)研究與應(yīng)用

黃超

摘 要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息安全問題越來越受到人們的重視。信息隱藏作為保障信息安全的新技術(shù)，為研究信息安全提供了一個(gè)新的方向。該文綜述了信息隱藏的方式、方法，分析了基于多媒體文件的信息隱藏原理，實(shí)現(xiàn)了在多媒體音視頻文件中數(shù)據(jù)隱藏的技術(shù)應(yīng)用，并展望了多媒體信息隱藏技術(shù)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：信息隱藏 數(shù)據(jù)嵌入 多媒體

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0017-02

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展、電子政務(wù)、電子商務(wù)的普及，對信息的安全存儲(chǔ)、傳輸及訪問提出了新的挑戰(zhàn)。信息隱藏作為保障信息安全的新技術(shù)，為研究信息安全提供了一個(gè)新的方向。先進(jìn)的信息隱藏技術(shù)使隱藏的信息不但能經(jīng)受人的感覺和儀器設(shè)備的檢測，而且還能抵抗各種人為的蓄意攻擊。基于多媒體的信息隱藏技術(shù)在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)隱藏通信領(lǐng)域，特別是在迫切需要解決的版權(quán)保護(hù)、信息安全等方面具有重要的研究及應(yīng)用價(jià)值。

1 信息隱藏的方式

1.1 傳輸隱藏

在通信系統(tǒng)的信道中隱藏信息。在保障通信信號質(zhì)量的前提下，利用通信壓縮編碼中的資源，嵌入壓縮的信息編碼，形成秘密通信信道。同時(shí)數(shù)據(jù)通信中的ip包或tcp包，均有未使用的保留空間，可用來傳輸隱藏信息。比如，ip包的時(shí)間戳可嵌入秘密數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。

1.2 載體隱藏

在文本、圖像、聲音、可執(zhí)行文件等載體中嵌入秘密信息，可實(shí)現(xiàn)信息隱藏。如將秘密信息插入圖像文件中對人的視覺系統(tǒng)不敏感的比特位；利用可執(zhí)行文件中的冗余信息，加載秘密信息等。

1.3 存儲(chǔ)隱藏

利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中保留或未使用的空間保存秘密信息，通過隱藏分區(qū)、操作系統(tǒng)中未使用的空間來隱藏信息?；蛘咄ㄟ^外掛的usb、光盤和云存儲(chǔ)空間實(shí)現(xiàn)信息隱藏。

2 信息隱藏的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 替換

就是互換秘密信息與載體中不重要的比特。即改變隱藏消息中的字節(jié)或字節(jié)順序，讓人們感知不到文件內(nèi)容的變化，它不會(huì)在載體文件中增加新內(nèi)容。常用的替換方法：一是最低比特位替換。是將某幾位比特替換成秘密信息的相應(yīng)比特；二是偽隨機(jī)置換。是把秘密信息比特近似隨機(jī)地分散在整個(gè)載體中，因插入比特的順序是無規(guī)律的，從而增加了檢測及被攻擊的復(fù)雜度。三是載體區(qū)域和奇偶校驗(yàn)位替換。是將載體不同區(qū)域的奇偶校驗(yàn)位與其內(nèi)嵌入的信息比特反轉(zhuǎn)，使二者相等，排列起來重構(gòu)信息。四是osi網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)替換。就是將秘密信息插入tcp/ip包中未使用的空間，形成一個(gè)秘密的通信信道。

2.2 插入

插入方法不會(huì)改變原始數(shù)據(jù)，但增加了文件的額外數(shù)據(jù)。因此通過插入方法隱藏消息會(huì)有一些額外內(nèi)容，比如，文件制作工具的標(biāo)識。這種方法通常會(huì)利用文件格式中的空白部分。常見的插入法有：追加插入法，是在文件末尾附加數(shù)據(jù)。在不導(dǎo)致文件損壞的前提下可以在多種類型的文件后追加數(shù)據(jù)； 前置插入法，可插入批注內(nèi)容的文件都可被插入數(shù)據(jù)，比如可在HTML和JPEG文件的標(biāo)識符區(qū)域隱藏大量的數(shù)據(jù)。除此之外，基于變形技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等信息隱藏方法也在研究中。

3 多媒體音、視頻文件信息隱藏技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)字音樂、播客、視頻電話和媒體流等各種多媒體得到廣泛傳播使用，它們改變了我們的溝通方式。我們使用多媒體來傳播思想、培養(yǎng)員工、吸引客戶，當(dāng)然也會(huì)被另有用心的人用來傳輸隱蔽消息、泄漏知識產(chǎn)權(quán)和組織內(nèi)部機(jī)密。

3.1 數(shù)字音頻中的數(shù)據(jù)隱藏

音頻文件作為數(shù)據(jù)隱藏的載體有其特有的優(yōu)勢：人類的聽覺系統(tǒng)有其局限性，利用這些局限性欺騙人耳從而達(dá)到隱藏?cái)?shù)據(jù)的目的；隨著MP3文件的普遍使用和iPad等音樂播放器的出現(xiàn)，大量的數(shù)字音頻文件在全世界流通，帶有隱藏信息的音頻文件更容易混淆其中。載體文件越來越大，這意味著可以在其中隱藏非常多的載荷。例如，可以在一首歌曲中隱藏莎士比亞的所有作品。

最常用的音頻數(shù)字化方法是對模擬音頻信號進(jìn)行取樣并保存一些樣本，用這些樣本來重建原始的音頻信號。重建覆蓋整個(gè)人類聽覺頻譜（22.5 kHz）高質(zhì)量錄音文件，需要每秒采樣44 100次。由于音樂通常都是立體聲（雙聲道）的，所以一個(gè)立體聲音樂每秒要進(jìn)行88 200次采樣。這些樣本值極有可能被用來隱藏?cái)?shù)據(jù)。而且這些采集的樣本值都是以有符號16位整數(shù)形式存在的，即 -32 768～+32 768。因此，改變這些樣本值的最低有效位（LSB），只會(huì)略微影響模擬信號的效果。音頻文件的這個(gè)特性說明它是可以用來隱藏?cái)?shù)據(jù)的良好載體。

3.2 在.wav文件中隱藏?cái)?shù)據(jù)

修改16位整數(shù)的最低有效位以編碼隱藏信息。如我們提取某一.wav文件的右聲道的前8個(gè)樣本，然后將樣本值由小端序轉(zhuǎn)換為大端序，再將每個(gè)值的最低有效位依次替換為字母“A”的ASCII碼的二進(jìn)制位，可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：（1）每替換一個(gè)8位的ASCII碼需要使用8個(gè)樣本；（2）此例中的8個(gè)樣本值只改變了5個(gè)，因?yàn)槠渌?個(gè)最低有效位不需要修改，因此這種替換并沒有引起可察覺的改變。如果要隱藏8 000字節(jié)的信息只需要修改大約32 000個(gè)樣本，而不是64 000個(gè)。因此，波形文件通過LSB隱藏的數(shù)據(jù)是很難察覺的。

3.3 在高級音頻文件中隱藏?cái)?shù)據(jù)

針對高級音頻文件（如MP3或AAC）的數(shù)據(jù)嵌入可借助一些工具軟件實(shí)現(xiàn)，如MP3Stego采用一種特殊的量化方法，將數(shù)據(jù)隱藏在MP3文件的奇偶校驗(yàn)塊中。MP3編碼器將。wav文件和一個(gè)要隱藏的載荷文件作為輸入，生成一個(gè)新的MP3文件。采用這種方法的載荷文件不能太大，一個(gè)5 MB的全頻譜波形音頻文件最多只能嵌入5 kB的信息，嵌入率約為0.1%。

3.4 數(shù)字視頻中的數(shù)據(jù)隱藏

基于數(shù)字視頻文件的數(shù)據(jù)隱藏有可能成為隱藏通信的首要手段，主要原因在于如今流通的視頻文件容量之大、數(shù)量之多，以及通過互聯(lián)網(wǎng)和虛擬云中視頻交換的普遍存在。借助工具軟件，可在壓縮和非壓縮的視頻文件中嵌入數(shù)據(jù)。如TCStego是個(gè)新式數(shù)據(jù)隱藏武器，它在加密的基礎(chǔ)上增加了隱寫掩蓋功能，可以把包含外層卷和內(nèi)層卷（隱藏卷）的TrueCrypt容器隱藏到MP4或QuickTime多媒體文件中，這使得處理后的文件運(yùn)行時(shí)既可以是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和多媒體文件，也可以是一個(gè)可掛載的TrueCrypt卷。

典型的視頻文件的簡化結(jié)構(gòu)包括文件類型，媒體數(shù)據(jù)MDAT和采樣表塊偏移STOC。通過操作MADT和STCO，TCStego可以嵌入一個(gè)不包含原始音頻或視頻，卻含有TrueCrypt隱藏卷的內(nèi)容的數(shù)據(jù)塊，在嵌入數(shù)據(jù)的過程中會(huì)丟棄外層卷，但內(nèi)層卷還是完整的，因此，如果用十六進(jìn)制編輯器查看視頻文件，不會(huì)看到MDAT中有任何可疑數(shù)據(jù)，播放媒體文件也不會(huì)有任何異常。

4 結(jié)語

要隱藏較大的數(shù)據(jù)塊時(shí)，通常會(huì)選擇使用多媒體文件作為載體，因?yàn)槎嗝襟w文件本身的體積就很大。多媒體文件可以隱藏的數(shù)據(jù)量多，質(zhì)量更好。多媒體文件嵌入數(shù)據(jù)后，音頻或視頻效果基本不受影響。因此，基于多媒體音、視頻文件的數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊，必將吸引廣大圖像、語音、網(wǎng)絡(luò)、人工智能等領(lǐng)域的研究者加入這一行列，從而推動(dòng)信息安全技術(shù)更快地發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] （美）Michael T.Raggo，Chet Hosme.編數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)揭秘[M].袁洪艷，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2] 戴宗坤，羅萬伯.信息系統(tǒng)安全[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.