了得網研究生_多媒體信息安全

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高等院校的電子工程專業、信息安全專業、計算機應用專業、通信工程專業的高年級本科生或研究生，科研院所相關專業科技工作者

內容簡介

多媒體信息安全涉及多媒體產生、傳輸、分發和應用過程的安全保障問題。《多媒體信息安全》力求涵蓋與多媒體相關的信息安全的主流研究內容，包括多媒體的數據特性、隱密技術和隱密分析技術、數字水印、數字媒體取證、生物認證和生物模版安全等內容，*後給出典型算法的Matlab程序。

目錄
前言
第1章緒論 1
1.1 多媒體信息安全的重要意義 1
1.2 多媒體信息安全的主要威脅 3
1.3 多媒體信息安全的研究內容 3
1.4 多媒體信息安全的典型應用 4
第2章多媒體的數據特性 5
2.1 多媒體感知冗餘 5
2.1.1 視覺冗餘 5
2.1.2 聽覺冗餘 6
2.1.3 視頻冗餘 7
2.2 文件格式冗餘 8
2.2.1 靜止無壓縮圖像格式及冗餘 8目錄
前言
第1章緒論 1
1.1 多媒體信息安全的重要意義 1
1.2 多媒體信息安全的主要威脅 3
1.3 多媒體信息安全的研究內容 3
1.4 多媒體信息安全的典型應用 4
第2章多媒體的數據特性 5
2.1 多媒體感知冗餘 5
2.1.1 視覺冗餘 5
2.1.2 聽覺冗餘 6
2.1.3 視頻冗餘 7
2.2 文件格式冗餘 8
2.2.1 靜止無壓縮圖像格式及冗餘 8
2.2.2 靜止壓縮圖像格式及冗餘 10
2.2.3 常見數字音頻格式及冗餘 11
2.2.4 常見視頻格式及冗餘 14
2.3 數字媒體編輯軟件 15
2.3.1 圖像編輯軟件 15
2.3.2 視頻編輯軟件 18
2.3.3 音頻編輯軟件 18
2.4 多媒體相關的國際標準 20
2.4.1 JPEG和JPEG2000 20
2.4.2 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.264 25
2.4.3 MP3壓縮算法 26
2.4.4 音頻編碼算法和標準 30
2.5 空域數據特性 31
2.5.1 位圖圖像的數據特性 31
2.5.2 MPEG心理聲學模型Ⅰ型 32
2.6 變換域數據特性 35
2.6.1 離散傅裡葉變換 36
2.6.2 離散餘弦變換 36
2.6.3 小波變換 37
習題 37
參考文獻 38
第3章隱密技術 39
3.1 隱密技術的基礎 39
3.1.1 隱密技術的概念 39
3.1.2 隱密技術的模型 39
3.1.3 隱密技術的特征 41
3.1.4 信息隱藏的歷史 41
3.1.5 現代隱密技術 43
3.2 典型數字圖像隱藏方法 44
3.2.1 典型空域圖像隱藏方法 44
3.2.2 典型的變換域圖像隱密方法 49
3.3 典型音頻隱藏方法 56
3.3.1 空域隱藏方法 57
3.3.2 變換域隱藏方法 59
3.4 典型視頻信息隱藏方法 60
3.4.1 空域隱藏方法 61
3.4.2 變換域隱藏方法 63
3.5 信息隱藏方法性能評價 64
3.5.1 不可感知性主觀失真度量 64
3.5.2 不可感知性客觀質量度量 64
3.5.3 基於誤差分布的性能評價 70
3.5.4 音頻客觀質量度量標準 72
3.5.5 視頻客觀質量度量標準 74
習題 75
參考文獻 75
第4章隱密分析技術 77
4.1 典型圖像隱密分析方法 77
4.1.1 針對性的圖像隱密分析 78
4.1.2 通用性的圖像隱密分析 94
4.2 典型音頻隱密分析方法 114
4.2.1 針對性隱密分析 115
4.2.2 通用性隱密分析 116
4.3 典型視頻隱密分析方法 116
4.3.1 視頻信息隱藏分析的特點 116
4.3.2 視頻信息隱藏分析設計策略 117
4.3.3 視頻信息隱藏分析方法 118
習題 121
參考文獻 121
第5章數字水印 123
5.1 數字水印的基本概念 124
5.1.1 數字水印的概念 124
5.1.2 數字水印的模型 124
5.1.3 數字水印的特點 127
5.1.4 數字水印的類型 128
5.1.5 數字水印的性能評價 130
5.1.6 數字水印發展和應用 133
5.2 數字水印版權保護繫統 134
5.2.1 數字作品保護繫統IMPRIMATUR 134
5.2.2 基於數字水印的數字作品版權保護繫統 135
5.3 魯棒數字圖像數字水印 137
5.3.1 魯棒數字水印特點 137
5.3.2 DCT域嵌入水印 138
5.3.3 DFT域數字水印 140
5.3.4 DWT域數字水印 141
5.4 脆弱數字圖像數字水印 142
5.4.1 脆弱數字水印特點 142
5.4.2 脆弱數字水印算法 142
5.4.3 半脆弱性數字水印算法 146
5.5 對數字水印攻擊和評價基準 149
5.5.1 簡單攻擊 149
5.5.2 同步攻擊 150
5.5.3 共謀攻擊 150
5.5.4 IBM攻擊 150
5.5.5 Stirmark 151
5.5.6 Checkmark 152
5.5.7 Certimark 152
5.5.8 Optimark 153
5.6 音頻數字水印算法 153
5.6.1 音頻數字水印原理 153
5.6.2 音頻數字水印特點 154
5.6.3 音頻數字水印攻擊 154
5.6.4 音頻數字水印算法 155
5.7 視頻數字水印算法 161
5.7.1 視頻數字水印特點 161
5.7.2 視頻水印算法攻擊 162
5.7.3 視頻水印分類 162
5.7.4 視頻編碼域水印 163
5.7.5 視頻壓縮域水印 164
5.7.6 基於對像的數字水印方法 164
習題 167
參考文獻 168
第6章數字媒體取證 171
6.1 緒論 171
6.1.1 數字媒體取證問題的提出 171
6.1.2 數字媒體取證的分類 173
6.1.3 數字媒體被動盲取證發展狀況 175
6.2 數字媒體來源取證 176
6.2.1 數碼相機來源鋻別 176
6.2.2 視頻設備來源鋻別 184
6.2.3 打印機來源鋻別 185
6.3 數字媒體篡改取證 190
6.3.1 圖像拼接檢測 192
6.3.2 圖像潤飾檢測 204
6.3.3 圖像屬性修改取證 209
6.3.4 音視頻篡改取證 214
6.4 小結 217
習題 218
參考文獻 218
第7章生物認證和生物模板安全 222
7.1 身份認證概述 222
7.1.1 身份認證的類型 222
7.1.2 身份認證的特點 222
7.1.3 生物識別的發展歷史 223
7.1.4 生物認證技術發展和挑戰 224
7.2 生物特征認證的繫統結構 225
7.2.1 生物認證繫統的繫統結構 225
7.2.2 生物特征繫統的認證模式 226
7.3 生物特征的特點 226
7.3.1 指紋識別 226
7.3.2 人臉識別 227
7.3.3 靜脈識別 227
7.3.4 虹膜識別 227
7.3.5 聲紋識別 228
7.4 生物認證繫統安全性分析 228
7.4.1 生物認證繫統一般性威脅 229
7.4.2 生物特征繫統特有的威脅 230
7.5 生物模板安全 232
7.5.1 生物模板保護原則 232
7.5.2 生物模板保護技術分類 232
7.5.3 生物特征加密技術 234
7.6 圖像哈希生物認證算法 235
7.6.1 基於圖像哈希技術的身份認證繫統結構 235
7.6.2 圖像生物哈希算法原理 236
7.6.3 準確性實驗分析 238
7.6.4 **性與可重復性分析 239
7.6.5 安全性分析 241
7.6.6 復雜度實驗 241
7.6.7 與傳統生物認證繫統區別 242
7.7 生物密鑰綁定法算法 243
習題 244
參考文獻 244
附錄 245
附錄1 程序使用說明 245
附錄2 程序 246

在線試讀

第1章緒論
1.1 多媒體信息安全的重要意義
信息時代的到來，從多方面影響著國家利益的構成和內涵，信息本身已成為國家利益的一個重要組成部分，同時也是社會發展的重要戰略資源之一，對信息的開發、控制和利用已成為當前各發達國家為國家利益爭奪的重要內容。國際上圍繞信息的獲取、使用和控制的鬥爭愈演愈烈，致使信息的控制保障和安全上升為世界性的問題，成為維護國家安全和社會穩定的一個焦點，同時也是亟待解決、影響國家大局和長遠利益的重大關鍵問題。
當今數字信息的發展也給人們的社會和日常生活帶來了深刻的革命性變化，由於計算機網絡和信息化的普及，人類越來越依靠網絡和信息，數字多媒體和互聯網的普及，給人們帶來欣賞和愉悅的同時也提出了許多挑戰性的問題。新技術的雙刃劍帶來了新的安全威脅，互聯網主要信息載體的信息內容安全問題變得日益突出。
“9 11”事件對信息技術產生了巨大的影響，使得世界範圍內的信息安全形勢發生了巨大變化，從而使信息安全保障和反恐上升為世界性的國家問題。由於從保護國家和個人的利益出發，各國政府無不重視信息安全，特別是各發達國家均大力加強信息安全的研究和督導。
信息安全的內涵隨著信息技術的發展與應用的不斷深入也在不斷延伸。人們傳統地把信息安全理解為對信息的機密性、完整性和可用性的保護，但這僅是面向個人用戶的信息數據保密。後來發展到信息的完整性、可用性、可控性和不可否認性，進而又發展到“攻（攻擊）、防（防範）、測（檢測）、控（控制）、管（管理）、評（評估）”等多方面的基礎理論和實施技術。在當今時代，分布式計算、物聯網、雲計算的應用、互連互通的無縫傳播，信息安全強調面向用戶的安全是鋻別、授權、訪問控制、抗否認性和可服務性，以及隱私、知識產權保護等。
當今大數據在成為競爭新焦點的同時，亦成為網絡攻擊和安全的顯著目標，帶來了新的安全風險。大量社交網絡、郵件、微博、電子商務、電話和家庭住址等信息，使黑客的攻擊更加精準，攻擊一次就能獲得相當多的數據。雖然數據大集中可將復雜多樣的數據存儲在一起，但大量數據的彙集增加了用戶隱私洩露的風險。
綜上所述，信息安全的內涵已從*初的信息保密提升到信息安全保障能力，逐漸發展並形成一個綜合性交叉學科領域，它廣泛涉及數學、密碼學、信息、網絡、通信、控制、人工智能、安全管理工程、繫統工程領域等諸多學科，近幾年迅速成為國際上的熱點學科領域，是當前世界各國正在奮力謀求的制高點。第1章緒論
1.1 多媒體信息安全的重要意義
信息時代的到來，從多方面影響著國家利益的構成和內涵，信息本身已成為國家利益的一個重要組成部分，同時也是社會發展的重要戰略資源之一，對信息的開發、控制和利用已成為當前各發達國家為國家利益爭奪的重要內容。國際上圍繞信息的獲取、使用和控制的鬥爭愈演愈烈，致使信息的控制保障和安全上升為世界性的問題，成為維護國家安全和社會穩定的一個焦點，同時也是亟待解決、影響國家大局和長遠利益的重大關鍵問題。
當今數字信息的發展也給人們的社會和日常生活帶來了深刻的革命性變化，由於計算機網絡和信息化的普及，人類越來越依靠網絡和信息，數字多媒體和互聯網的普及，給人們帶來欣賞和愉悅的同時也提出了許多挑戰性的問題。新技術的雙刃劍帶來了新的安全威脅，互聯網主要信息載體的信息內容安全問題變得日益突出。
“9 11”事件對信息技術產生了巨大的影響，使得世界範圍內的信息安全形勢發生了巨大變化，從而使信息安全保障和反恐上升為世界性的國家問題。由於從保護國家和個人的利益出發，各國政府無不重視信息安全，特別是各發達國家均大力加強信息安全的研究和督導。
信息安全的內涵隨著信息技術的發展與應用的不斷深入也在不斷延伸。人們傳統地把信息安全理解為對信息的機密性、完整性和可用性的保護，但這僅是面向個人用戶的信息數據保密。後來發展到信息的完整性、可用性、可控性和不可否認性，進而又發展到“攻（攻擊）、防（防範）、測（檢測）、控（控制）、管（管理）、評（評估）”等多方面的基礎理論和實施技術。在當今時代，分布式計算、物聯網、雲計算的應用、互連互通的無縫傳播，信息安全強調面向用戶的安全是鋻別、授權、訪問控制、抗否認性和可服務性，以及隱私、知識產權保護等。
當今大數據在成為競爭新焦點的同時，亦成為網絡攻擊和安全的顯著目標，帶來了新的安全風險。大量社交網絡、郵件、微博、電子商務、電話和家庭住址等信息，使黑客的攻擊更加精準，攻擊一次就能獲得相當多的數據。雖然數據大集中可將復雜多樣的數據存儲在一起，但大量數據的彙集增加了用戶隱私洩露的風險。
綜上所述，信息安全的內涵已從*初的信息保密提升到信息安全保障能力，逐漸發展並形成一個綜合性交叉學科領域，它廣泛涉及數學、密碼學、信息、網絡、通信、控制、人工智能、安全管理工程、繫統工程領域等諸多學科，近幾年迅速成為國際上的熱點學科領域，是當前世界各國正在奮力謀求的制高點。
目前我國信息與網絡安全的防護能力處於發展的初級階段，許多應用繫統處於不設防狀態，當前的信息安全研究忙於封堵現有信息繫統的安全漏洞，要解決這些迫在眉睫的問題，取決於信息安全保障體繫的建設。目前迫切需要根據國情，從安全體繫整體著手，建立全方位的防護體繫，加強我國自主產權的信息安全技術和信息設備的研究與開發，建立完善的信息安全繫統，完善法律體繫並加強管理體繫，構建國家信息安全保障體繫。隻有這樣，纔能保證我國信息化的健康發展，確保國家安全和社會穩定。信息安全問題解決好壞將直接影響我國的政治、軍事、經濟、文化、社會生活的各個方面，解決不好有可能使國家處於信息控制和威脅之中，將遭到無聲的信息掠奪和信息控制。
歷史上信息安全的實現都是通過加密來完成的。密碼學的應用在很長一段時間內都被看成是外交情報和軍事領域內極其隱秘的通信方法和手段，商業加密的應用將一些密碼方法擴展到了民間，而目前互聯網和數字信息可以擴散到各個地方，加密技術和方法更加公開，文獻也隨之增多。
密碼學是一門古老的學科，它的起源可以追溯到四千多年前的古埃及、巴比倫、古羅馬和古希臘。古代的保護信息安全方法是將傳輸信息的信號進行各種變化，使它們不能為非授權者所理解。當時的密碼技術還不能算是一門科學，它更像一門藝術，人們憑借直覺和經驗來設計和分析密碼。現代密碼學就是在古典密碼學的基礎上發展起來的。
Shannon在1949年建立了單鑰密碼繫統的數學模型，為密碼學奠定了理論基礎。1976年，美國學者Diffie和Hellman建立了公鑰密碼繫統（RSA），使加密密鑰和解密密鑰相互獨立，公鑰密碼使民用、商用通信繫統的信息加密和保護成為可能。1977年，美國國家標準學會（ANSI）公開征集並公布實施數據加密標準DES，公開了它的加密算法，並批準用於非機密單位及商業的保密通信，使其作為聯邦標準免費提交給美國公眾使用。在此之後用於信息保密和加密的各種算法和軟件、標準和協議、設備和繫統、法律和條例、論文和專著等層出不窮，隨著計算機網絡不斷滲透到各個領域，密碼大規模地擴展到民用，密碼學的應用範圍也隨之擴大，典型如數字簽名、身份認證等都是由密碼學派生出的新技術和應用。
采用傳統密碼學理論開發出來的加、解密繫統，不管對稱密鑰繫統（如DES）還是安全性更高的公開密鑰繫統（RSA），對於文件的處理都是將明文轉變成密文進行傳遞，攻擊者隻能看到密文亂碼，而無法破譯其中的機密信息，從而達到保密的目的。但是傳統加密方法往往把一段有意義的信息明文轉換成看起來沒有意義的密文，這密文就明確地提示給攻擊者：通信雙方進行了加密通信。此外，密文還容易引起攻擊者的好奇和注意，從而造成攻擊者明確知曉攻擊的目標。
雖然歷史上可以證明密碼學（Cryptography）被公認為是信息安全的核心技術，但是，依靠密碼學並不能完全解決現代信息社會湧現出的新問題。
互聯網已由早期的瀏覽信息和收發郵件轉變成多媒體、通信服務、服務應用和娛樂應用並重的交互網絡。媒體印刷品如書報、雜志；電子出版物如電子音像、光盤、遊戲軟件，音像傳播如影視、錄像、廣播等都逐漸以數字化形式出現在網絡上。利用這些數字媒體信息資源進行創意、制作、開發、分銷、交易的內容產品和服務的產業已經迅速發展起來。數字內容產品的互動性與個性化服務的優勢，使得數字內容產品增值服務具有無限的發展空間，成為新的產業增長點，但同時引發了數字媒體和內容的健康性、保密性、隱私性、產權性、安全性等問題難以得到保障。
數字多媒體應用因其可視可聽、豐富多彩的特點在世界各地已經蓬勃興起，其發展滲透改變了人們的工作方式和日常生活，使人們更加方便地享受和體驗到新技術帶來的方便和愉悅。
數字多媒體傳播的某些成本大大降低，例如，復制成本幾乎為零，分發的邊際成本逼近零等，因此這些具有易復制、易修改和易傳播特征的新技術和新應用在惠民的同時也成為雙刃劍，使得多媒體信息的來源、通信和獲取等階段都存在著不同的安全問題。
多媒體應用具有可視觀賞性、降質可容忍性、無損下載傳播、復制容易等固有特點，加上多媒體軟件的普及流行，導致數字多媒體在其應用的生命周期內隨時面臨著被竊取、篡改、非授權訪問和非授權分發的威脅，使得以往的安全技術難以應對層出不窮的多種新型安全威脅，造成數字媒體價值的降低甚至喪失，這直接或間接地制約著各種數字媒體應用的發展和普及，因此多媒體信息安全問題成為新時代信息安全問題的挑戰。
數字世界的崛起給現實世界保護知識產權的規則帶來挑戰，面對新的技術和威脅，傳統的信息安全措施不夠有效，需要發展嶄新的信息安全手段，保護人類創造和擁有的軟件、音樂和其他形式的數字化多媒體內容和多媒體資產的價值，為創造可信的數字化世界奠定堅實的基礎。
1.2 多媒體信息安全的主要威脅
當今的信息環境發生了巨大的變化，海量多媒體信息時時刻刻在大量產生。數字化數據迅速增長，一方面可以催生出更好的產品和服務，另一方面使得目前多媒體信息安全的威脅日益加劇。因此需要對常規多媒體信息業務的通信模式和應用模式深刻理解，了解和掌握攻擊者的目的與手段，分析和評估面臨的安全風險和存在的漏洞，研究新的防御技術以減小或消除安全威脅和風險，構建一個政府、廠商和用戶構成的具備多媒體信息安全保障的生態繫統。
信息安全一般包括物理安全、繫統安全、數據安全、應用安全和內容安全。物理安全涉及硬件設施方面的安全問題；運行安全涉及操作繫統、數據庫、應用繫統等軟件方面的安全問題；數據安全以保護數據不受外界的侵擾為目的，包括防止洩密、偽造、篡改、抵賴等有關的行為；信息內容安全則通過對內容的語義分析和理解，對數據進行選擇性阻斷、修改、轉發等特定的行為。多媒體信息安全涉及數據安全和信息內容安全以及應用安全，因多媒體信息特有的數據特性和固有特點，安全保障內容有其特殊性。
多媒體信息安全的研究需要從多媒體應用的安全威脅出發，即從多媒體的產生、通信、傳播，接收以及真實性等多媒體本身和應用的生命周期視角等方面考慮可能出現的攻擊，同時以安全保障為目的，保持多媒體數據本身可用的靈活性。
一般類型的多媒體信息攻擊如下。
（1）對可用性的攻擊：該繫統的多媒體被破壞或變得不可利用或不能使用，例如，包括在通信中多媒體的損壞、不能解碼或觀賞功能的失效。
（2）對保密性的攻擊：未授權方通過截獲等手段非法獲取信息並對某多媒體信息非法訪問。例如，在網絡上搭線竊聽以獲取數據，違法復制文件或程序等。
（3）對完整性的攻擊：未授權方破壞多媒體信息資產，改變多媒體數據文件中的數據，篡改在網絡中傳輸的多媒體信息內容，采用軟件修改多媒體信息內容等。
（4）對真實性的攻擊：未授權方偽造和替換原有的多媒體信息，對多媒體來源進行偽造，在數字圖像中偽造水印。
1.3 多媒體信息安全的研究內容
本書擬從多媒體信息應用的生命周期視角闡述其安全問題。其主要研究內容包括以下幾個部分。
保障多媒體信息的源頭安全：在數字產品產生中嵌入數字水印以便以後進行內容鋻別和作品認證，以期解決版權紛爭；對需要保密的信息進行加密處理防止非授權訪問和獲取；利用生物特征識別用戶，以便進行身份認證，並進行訪問控制等。
保障多媒體信息的傳輸安全：可以進行信息加密，成為不可解讀的密文進行傳輸；秘密信息進行偽裝式的信息隱藏以便攻擊者察覺不出有秘密通信存在；對用於身份認證的生物特征加密或者變形以防止通信中生物模板洩露造成安全威脅等。
多媒體信息獲取的安全：數字媒體中嵌入數字指紋用於追蹤數字產品分發和用戶的權益，感知哈希對獲取信息進行驗證以保障獲取信息的可信性。
多媒體信息的真實鋻別：主動方法是向數字作品中加入數字水印再進行來源鋻別或認證，被動方法是利用數字媒體取證技術對多媒體作品進行盲檢測來源，並判斷篡改與否。
以上研究內容既有關聯又有區別。傳統加密是隱藏內容，而信息隱藏主要是隱藏了信息通信的存在性。信息隱藏通信比加密通信更安全，它隱藏了通信的發方、收方，以及通信過程的存在，不易引起懷疑。加密後不能知曉通信的內容，但直接暴露了通信。多媒體內容的版權保護和真實性認證往往需容忍一定程度的失真，而加密後的數據不容許一個比特的改變，否則無法脫密。
人臉、指紋等生物認證本是身份認證和安全控制的新手段，但其模板數據如果洩露，會導致更嚴重的安全威脅，反而不如應用成熟的密碼。
數字圖像和視頻可以輕易用免費軟件篡改，在主動嵌入水印不廣泛普及的今天，大多數多媒體沒有附加任何附屬信息，因此需要發展被動的多媒體取證技術以判斷多媒體的來源和完整性。
以上多方面的內容可以從多媒體真實性、可信性、安全性、完整性和可追蹤性等多方面進行保障，同時不影響多媒體的感知效果，使多媒體在應用和播放的同時獲得安全保障。
1.4 多媒體信息安全的典型應用
（1）隱蔽通信和隱蔽標識：主要技術為隱密術。如圖像數據的隱蔽標識和公開網絡中的保密數據傳輸，如遙感圖像的日期、經緯度等。
（2）版權保護：主要技術為魯棒數字水印技術。源於數字媒體的版權保護，為DVD、MP3和網上圖像的版權保護的解決手段。
（3）多媒體認證：主要技術為脆弱數字水印和魯棒數字水印技術。多媒體的來源認證、歷經的銷售商和授權用戶跟蹤信息都可以通過數字水印技術實現。<

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