基于三维几何的信息隐藏和检测研究

张栋梁，于来行

（周口师范学院 计算机科学与技术学院，河南 周口466001）

近年来，很多人利用一台普通计算机和网线就可以连接到Internet上来盗取他人的独著和具有版权的作品，从而造成网络上信息的流失和资源的重复利用，给人们的工作造成不可估量的损失.因此保护多媒体技术和信息技术的数据安全问题，成为当前一项紧迫而重要的研究课题.

信息隐藏技术是一门随着计算机技术和Internet的发展而被广泛重视的新兴交叉学科.目前通信系统中，人们对通信内容的保密通常使用的是密码学［1］，但加密密文在传输过程中容易引起攻击者的注意，并被窃取、销毁和窜改密文，从而造成信息传输失败.信息隐藏与密码学不同的是，它通过对信息存在的本身或信息存在的位置进行保密，从而提供了比密码学更加可靠的安全性.对三维几何信息隐藏检测的研究，因为非盲信息隐藏特别是非盲水印［2］在实际运用时通常需要大量的计算资源和存储资源，故近几年来学术领域大部分都转入了盲信息的研究.与非盲信息隐藏不一样的是，在设计隐藏信号盲检测算法［3］时通常会非常依赖于理论模型，特别是宿主信号的统计模型［4］.基于问题的特殊性，解决的基本思路：首先，分析三维几何信息隐藏技术；其次，通过分析图像的信息隐藏检测技术，进一步研究三维几何信息隐藏检测技术.

1 三维几何信息隐藏技术

1.1 三维几何理论

三维几何理论从20世纪90年代后期逐渐发展并且在各领域广泛应用，比如工业生产制造、文化遗产保护、数字娱乐、生物化工等.伴随着三维几何的应用发展，三维几何建模、结构分析、数据优化等技术应运而生.三维几何针对的是三维物体，而且是以三维曲面技术为主要表达形式，三维空间中的曲面一般情况下表示为连续或离散的形式，连续形式主要包括参数曲面［5］、隐式曲面和细分曲面，而离散形式主要包括网格和点云［6］.

1.2 三维几何模型数字水印系统模型

三维几何水印技术是在数字化的数据内容中嵌入不明显的符号或者标记信息.嵌入的符号或者标记对使用者来说一般看不到或者感觉不到，通过一些算法或操作可以检测或提取出来这些被隐藏的符号.水印嵌入过程是将水印数据标识信息置入到原始数据中生成水印模型；水印监测过程是用水印监测算法监测出数据模型中是否存在水印数据；水印提取过程是从原始数据中提取出水印数据的过程［7］.

2 三维几何信息检测技术

2.1 特征分析检测技术

通过对图像水印嵌入与检测过程的具体实现，基于特征分析的思想，提出改进的特征检测算法.该方法主要是利用三维几何信号感官上的、格式上的特征差别，分析检测出可能隐藏有其他信息的信号.比如在三维几何信号中嵌入了隐藏信息，信号的物理大小一定会变大，这个明显的特征，可以简化检测的过程.如果隐藏信息嵌入过程中算法不优化，在嵌入隐藏信息后，载体会变得模糊不清，这也可以很直观地检测出隐藏信息的载体.通过度量特征差异检测信息隐藏往往还需要借助对特征度量的统计分析.

2.2 统计分析检测技术

统计监测方法是指将原始文件中监测出来的样本分布进行对比分析来找出差别的一种方法.通过对图像的水印嵌入与检测过程的具体实现，提出改进的Chi-square统计检测方法——χ2检验.该方法通过比较隐秘载体中像素值的理论频率和从实际样本中得到的频率之间的差异，从而检验是否有信息嵌入.采用Chi-square统计量统计调色板图像嵌入秘密消息前后出现近似颜色概率比，可以可靠检测连续嵌入秘密消息的调色板图像，但对随机嵌入的真彩色图像检测无效.

2.3 三维几何模型数字水印算法

与图像水印算法一样，三维几何模型水印算法也可以大致分为两种，一种是空间域水印算法，一种是变换域水印算法.以前的三维模型水印算法的研究也是从空间域水印算法开始，现在逐步向变换域水印方向发展.其中Ohbuchi973，Benedens992，Benedens993，Benedens993，Wagner00，TOUB01属于空间域算法，而Kanai98，Praun99，Ohbuchi01则属于变换域算法.

2.4 三维几何模型数字水印系统攻击分析

1）鲁棒性攻击：在不损害模型使用价值的前提下减弱、移去或破坏水印.大部分情况下只要简单地平均一下，就可以有效地逼近原始模型，消除水印.这种攻击方法的基础就是认识到大部分现有算法没有抵御多拷贝联合攻击的能力，即使有，当拷贝数增大到一定程度后也会消失.

2）解释攻击：当监测出原始数据模型中的水印信号时，解释攻击会捏造出一种证据证明其无效.方法是通过分析水印算法而逆向推理.攻击者首先设计一个伪造的水印信号置入到原始模型中，这样就改变了原来的模型，然后它出示改变后的模型和伪造的水印数据，表示它是模型的拥有者，来破坏水印信息，从而使信息隐藏失败.

3 信息隐藏技术原理

所谓信息隐藏就是指在设计和确定模块时，使得一个模块内包含的特定信息（过程或数据），对于不需要这些信息的其他模块来说，是不可访问的.

图1中的载体C是以数字的方式表示的媒体，消息M表示二进制代码，密钥K1控制嵌入算法E把消息M嵌入到载体C，密钥K2控制接收端提取出隐藏信息对象S中的M，密钥K1与密钥K2相同或者不同，而图中虚线表示提取隐藏信息的时候可能不需要载体C.

图1 信息隐藏基本框架图

一般地，在把消息M嵌入到载体C中之前要做预处理.这种预处理分为两种：一种是增强鲁棒性，一种是出于对安全性的考虑，并且在进行预处理的时候再引用一个密钥来增强保护.

4 信息隐藏检测算法

检测隐藏信息的存在性仅需要处理包含隐藏信息的载体，这样比使隐藏信息无效更简便.根据χ2检验，首先假设隐藏的信息是服从均匀分布的，通过差异发现信息隐藏，设嵌入信息前某索引值为n，嵌入信息后为n＊，理论上嵌入信息后一个索引值为偶数的像素点出现的频率，而通过抽样得到实际的索引值为2i的像素点出现的次数，构造统计量，则嵌入概率为：

当存在信息嵌入时，p应接近于1，该方法针对像素M（x，y）为256色调色板图像，P集合是所有像素的集合，有P∈ ｛0，…，255｝，则第i个位平面（0≤i≤7）二值图像，对于图像的颜色索引值k，有公式（2）：

其中，m∈Z，且使0≤k≤255.

在嵌入信息量较大的情况下，该算法检测效果快速、精确，但同时受载体图分布、嵌入位置和秘密消息随机性的影响.

5 数字水印检测实例分析

1）实例运行环境：

（1）图片格式为bmp，原始图片的背景色不为白色时，可提高检测的准确性.

（2）水印信息图片的每个像素只占1位，即0／1表示黑白图片.

（3）使用软件：WaterMark1.0.

2）实例过程及数据图：

（1）水印嵌入，如图2所示.

图2 嵌入水印图

（2）嵌入水印的检测结果，如图3所示.

图3 检测水印图

（3）嵌入水印后的图片经过裁剪、涂鸦等破坏后，检测出有效水印信息的效果如图4所示.

图4 嵌入水印破坏后检测效果图

通过对图像水印嵌入与检测过程的具体实现，可以清晰了解水印技术的核心内容.三维几何数字水印的嵌入与检测过程和图像水印的嵌入与检测过程几乎一样，所以可以以图像水印的研究思路和方法，实现三维几何信息隐藏的检测.

6 小结

综上所述，信息隐藏虽然在载体中的嵌入方法不同，但对载体中的数据或信息的置乱是一样的.虽然使用的隐藏方法或算法不一样，但它们都有各自的特征.有的容易监测，能够知道用什么样的隐藏方法或算法，有的比较难于监测，隐藏方法表征的特点，能够用来标识隐藏方法或算法.现在研究的重点是怎么界定某一种算法并且描述这些特点，应用上缺少一个比较完整的信息隐藏检测模型和特征结构库，这有待更多学者进行深入研究.

［1］王炳锡，彭天强.信息隐藏技术［M］.北京：国防工业出版社，2011：5-6.

［2］胡事民，杨永亮，来煜坤.三维几何处理研究进展［J］.计算机学报，2009，32（8）：1452-1454.

［3］苗福生.三维几何处理中的网格模型化简［J］.宁夏工程技术，2012，5（4）：401-402.

［4］刘欣.图像信息隐藏及相关检测技术的研究［D］.西安：西北工业大学，2010：42-68.

［5］司应硕，杨文涛，张森.基于数字图像的信息隐藏技术研究［J］.计算机光盘软件与应用，2011（16）：160-161.

［6］刘晓宁，周明全，耿国华，等.三维几何模型数字水印综述［J］.计算机应用与软件，2007，24（6）：14-16.

［7］Zhicheng Ni，YunQing Shi，Nirwan Ansari，et al.Reversible data hiding［J］.On circuits end systems for video technology，2012，16（3）：50-65.