《信息隐藏技术》实验指导书.doc

《信息隐藏技术》
实验指导书

北京电子科技学院
信息安全系

一、 概述
信息隐藏是一门新兴的学科。信息隐藏技术，即将秘密信息隐藏在不易被人怀疑的普通文件中，使秘密信息不易被别有用心者发现，当然他们就不易对消息进行窃取、修改和破坏，从而保证了消息在网络上传输的安全性。数字水印是信息隐藏技术的一个重要分支，水印的理论、嵌入提取算法、攻击等是目前学术界研究的重点问题。
《信息隐藏技术》课程实践性较强，通过实践可以使学生加深对理论知识的理解，掌握并实现常用的信息隐藏方法及攻击方法，提高分析问题、解决问题的实际能力，为进一步深入学习和研究该领域的知识打下基础。由于课时、实验室条件等限制，不可能做大量实验。结合授课内容和实际情况，针对水印的嵌入、提取和攻击，设计了12学时的实验。其它实践内容，以课后作业方式引导学生实践。
按照课程教学大纲，本课程安排4个实验，12学时。
实验一：Matlab图像工具箱的使用 3学时 验证性
实验二：经典水印算法的实现 3学时 验证性
实验三：数字图像水印方案的设计 6学时 设计性

二、 实验环境
《信息隐藏技术》实验使用信息安全实验室计算机及网络环境，可以选用实验室已安装的Visaul C++或Matlab调试环境。

三、 成绩评定
本课程加大实验考查力度，第一、二个实验各10分，第三个实验20分。占期末总评成绩的40％。
实验评分参考如下标准：
1. 第一、二个实验程序源代码和运行结果占5分，实验报告占5分。第三个实验中算法设计占5分，程序源代码和运行结果占10分，实验报告占5分。
2. 严禁拷贝、抄袭，出现抄袭，本次实验成绩记为0。
3. 没有按时完成实验，以后补交实验程序和实验报告的，可以酌情扣除1～3分。成绩评定分为4个级别：
A：实验准备充分，上机准时，操作熟练，算法设计合理，能独立编码和调试，按时完成，报告内容齐全，结果和分析正确。
B：实验准备良好，上机准时，算法设计比较合理，操作比较熟练，能在教师指导下顺利地编码和调试，按时完成，报告内容比较齐全，结果和分析正确。
C：实验准备较好，上机准时，操作比较熟练，基本完成实验任务，报告内容基本齐备，结果和分析基本正确。
D：实验准备不足，上机不准时，不能完成实验要求。

四、 实验内容、目的、要求及学时安排

实验一 Matlab图像工具箱的使用
一、 实验目的
该实验为验证性实验。目的是通过实验使学生了解Matlab语言，熟悉并掌握Matlab中有关图像处理的常用语句，熟悉Matlab使用技巧，能够用Matlab语言熟练地对数字图像进行各种处理。
二、 实验内容与步骤
1、用Matlab编写程序，读出标准图像lena.bmp，并在窗口显示。
2、读出该图像中第125行中第125～174列的元素值，将其存储在文件中。
3、绘制lena图像的直方图。
4、读取lena图像的数据，所有像素的最低位清0，在窗口显示修改后的图像。
三、 实验要求
1、实验前要做好充分准备，包括：复习实验所涉及的知识点，掌握Matlab编程语言和调试环境。
2、实验时注意记录实验过程中产生的数据、出现的问题及解决问题的方法。
3、理论联系实际，认真分析实验结果，回答思考题。
4、实验后写出实验报告，包含实验目的、实验仪器、实验内容与步骤、实验结果及分析、实验体会，并附打印的程序清单（核心代码）。
四、 实验所涉及知识点
Matlab编程、Matlab图像处理工具箱
五、 实验仪器
计算机（安装Visual C++ 6.0和Matlab 6.5以上版本）
六、 实验验证原理
常用的Matlab图像处理命令
① imread
功能：从图形文件中读取图像
语法：A=imread(filename,fmt)
② imwrite
功能：把图像写入图形文件中
语法：imwrite(A,filename,fmt)
③ imshow
功能：显示图像
语法：imshow(A)
④ im2uint8
功能：转换图像矩阵为8位无符号整型
语法：B=im2uint8(A)
⑤ im2double
功能：转换图像矩阵为取值范围在[0 1]的双精度型
语法：B=im2double(A)
⑥ plot(x,y)
功能：绘制二维图形的函数, 若X，Y是向量，必须具有相同的维数，且必须同是行向量或同是列向量，则以第一个变量为横坐标，以第二个变量为纵坐标。
语法：plot(x,y)
七、 思考题
Matlab和C语言编程有哪些区别？
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实验二 经典水印算法的实现
一、实验目的
该实验为验证性实验。目的是通过实验使学生理解数字水印的基本原理，理解数字水印系统的构成，掌握经典水印算法，提高运用知识的能力和动手能力，学会在数字图像中嵌入和提取自定义的水印信息，并对水印的不可见性、鲁棒性进行分析。
四、 实验内容与步骤
该实验内容是通过Matlab编程实现经典水印算法，并对算法性能进行简单的分析。具体步骤如下：
1、使用Matlab语言编程实现LSB或NEC算法。其中水印嵌入函数命名为Embed.m，水印提取函数命名为Detect.m。
2、任意选择原始图像、水印信息，给定水印嵌入强度，调用水印嵌入函数Embed.m得到嵌入水印图像。
3、根据嵌入水印图像，调用水印提取函数Detect.m，得到提取水印。
4、计算原始水印和提取水印之间的相似度，判断水印是否正确提取。
5、观察原始图像和嵌入水印图像，根据ITU-R Rec.500协议的图像质量等级级别，主观评价水印的不可见性。
6、调用峰值信噪比函数PSNR，通过计算原始图像和嵌入水印图像之间的PSNR值，客观评价水印的不可见性。
7、对于同一幅原始图像，固定水印嵌入强度，改变水印容量，重复步骤2～6，分析水印容量和水印不可性的关系（LSB、NEC）。
8、对于同一幅原始图像，固定水印容量，改变水印嵌入强度，重复步骤2～6，分析水印嵌入强度和水印不可性的关系（NEC）。
9、水印容量和水印嵌入强度固定，选择不同类型或不同大小的原始图像，重复步骤2～6，分析载体图像的类型及大小和水印不可见性的关系（LSB、NEC）。
10、采用各种攻击方法对嵌入水印图像进行攻击，分析该算法的鲁棒性（LSB、NEC）。
五、 实验要求
1、实验前要做好充分准备，包括：复习实验所涉及的知识点，掌握COX算法的流程，掌握Matlab编程语言和调试环境。
2、实验时注意记录实验过程中产生的数据、出现的问题及解决问题的方法。
3、理论联系实际，认真分析实验结果，回答思考题。
4、实验后写出实验报告，包含实验目的、实验仪器、实验内容与步骤、实验结果分析、实验体会，并附打印的程序清单。
六、 实验所涉及知识点
Matlab编程、数字水印原理、经典的数字水印算法、水印不可见性的评价方法
七、 实验仪器
计算机（安装Visual C++ 6.0和Matlab 6.5以上版本）
八、 实验验证原理
详见课件
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九、 思考题
载体图像的类型及大小和水印的不可见性有关系吗？水印容量、嵌入强度和水印的不可见性有关系吗？ 算法的鲁棒性如何？
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实验三 数字图像水印方案的设计
一、实验目的
该实验为设计性实验。目的是通过实验使学生理解数字水印的原理和框架，掌握数字水印的攻击方法和水印性能的评价方法，学会综合运用所学知识，改进经典的水印算法，设计一个数字图像水印方案，提高分析问题、解决问题的能力。
二、 实验内容
综合运用所学知识，设计一个数字图像水印方案，且编程实现，并对其性能进行分析。
三、 实验要求
1、实验前要做好充分准备，阅读相关文献，综合运用所学的数字水印知识，从提高水印的不可见性、鲁棒性、容量等方面改进经典的水印算法，设计一个数字图像水印的嵌入提取算法。
2、用Visual C++或Matlab编程实现。
3、对水印算法的性能进行分析，改进设计方案，回答思考题。
4、注意记录实验过程中的数据、出现的问题及解决问题的方法。
5、实验结束后写出实验报告，包含实验目的、实验仪器、所设计水印方案的原理、水印嵌入提取算法流程图，算法性能分析、下一步的改进方向、实验体会，并附打印的程序清单。
四、 实验参考仪器
计算机（安装Visual C++ 6.0和Matlab 6.5以上版本）
五、 实验提示
参考资料：
[1] 刘瑞祯,谭铁牛.数字图像水印研究综述.通信学报,2000,21(8):39~48
[2] 杨义先,钮心忻.多媒体信息伪装综论.通信学报,2002, 23(5):32~38
[3] R. G. Van Schyndel, A. Z. Tirkel. A digital watermark . IEEE International Conference on Image Processing, 1994,2:86~90
[4] I. J. Cox, J. Kilian, F. T. Lerghton. Secure spread spectrum watermarking for multimedia . IEEE Transactions on Image Processing, 1997,6(12):1673~1687
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[5] 王志雄,王慧琴,李人厚. 数字水印应用中的攻击和对策综述. 通信学报.2002,23(11):74~79
[6] 王道顺,梁敬弘,戴一奇.图像水印系统有效性的评价框架.计算机学报.2003,26(7):779~788
[7] F. A. P. Petitcolas. Watermarking schemes evaluation. IEEE Transactions on Signal Processing, 2000,17(5):58~64
[8] S. Pereira, S. Voloshynovkiy, Second Generation benchmarking and application oriented evaluation. LNCS 2137,Berlin:Spinger Verlag,2001:340～353
还可以从BB或期刊网上查阅相关资料。
六、 思考题
自己设计的水印方案更适合哪一类数字图像？其优缺点是什么？今后的改进方向是什么？

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